CN108679141A - 多自由度主动隔振装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度主动隔振装置及方法，包括平台和设于支撑平台下边缘上的6条支撑腿；6条支撑腿均匀排列成两行，每条支撑腿均包括双腔垂直空气弹簧和设于双腔垂直空气弹簧下端的水平空气弹簧；每条支撑腿上均设有气动比例阀、用于检测气体压力的压力传感器、位移传感器和速度传感器，控制器分别与各个气动比例阀、各个压力传感器、各个位移传感器和各个速度传感器电连接，每个气动比例阀均与对应的支撑腿的双腔垂直空气弹簧和水平空气弹簧连通。本发明具有可以抑制共振峰，能对超过固有频率的振动进行有效隔离的特点。

Description

多自由度主动隔振装置及方法

技术领域

本发明涉及精密加工技术领域，尤其是涉及一种无电磁干扰，可以抑制共振峰，适合精密隔振的多自由度主动隔振装置及方法。

背景技术

随着精密超精密加工和超精密测量等技术的发展，低频超低频振动的影响变得十分突出，因此研究低频超低频的主动隔振技术具有十分重要的意义。主动隔振系统广泛应用在以IC光刻机为代表的半导体加工制造领域，以投射电子显微镜为代表的精密测量领域，以精密车床为代表的精密加工领域，以磁共振成像为代表的医疗领域。

主动隔振系统主要由受控对象、作动器、控制器、传感器等组成。主动隔振系统相较于传统的被动隔振具有更好的低频超低频性能。主动隔振系统的发展主要受传感器、控制器和作动器的制约。由于精密主动隔振系统需要测量低频超低频振动，目前能测量低频超低频的传感器价格较为昂贵。

作动器的选择在很大程度上决定了整个隔振系统的性能。振动主动控制中用到较多的作动器有电磁作动器、压电作动器、磁致伸缩作动器、液压作动器、气动作动器等。电磁作动器、压电作动器、磁致伸缩作动器可能引入较大的电磁干扰，而目前精密隔振设备对电磁干扰也有很大的限制；液压作动器体积重量大，油液会污染环境。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的主动隔振系统可能引入较大的电磁干扰，体积重量大，油液会污染环境的不足，提供了一种无电磁干扰，可以抑制共振峰，适合精密隔振的多自由度主动隔振装置及方法，适合精密隔振的多自由度主动隔振装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多自由度主动隔振装置，包括平台和设于支撑平台下边缘上的6条支撑腿；6条支撑腿均匀排列成两行，每条支撑腿均包括双腔垂直空气弹簧和设于双腔垂直空气弹簧下端的水平空气弹簧；每条支撑腿上均设有气动比例阀、用于检测气体压力的压力传感器、位移传感器和速度传感器，控制器分别与各个气动比例阀、各个压力传感器、各个位移传感器和各个速度传感器电连接，每个气动比例阀均与对应的支撑腿的双腔垂直空气弹簧和水平空气弹簧连通。

本发明采用空气弹簧和气动比例阀作为隔振装置的主动隔振部件，由于气体的可压缩性，空气弹簧具有低刚度和低共振频率的优点，能对高于空气弹簧共振频率的振动进行有效的衰减；对于接近或低于空气弹簧共振频率的振动，通过控制气动比例阀实现空气弹簧的充放气来进行衰减，具有无共振峰的优点。

本发明采用空气弹簧提供承载和低频隔振功能，隔离装置能够在六个自由度上实现隔振和定位的功能，无电磁干扰，固有频率低，适合精密隔振。

作为优选，在平台上表面上建立三维坐标系，X轴由平台上表面中心向右水平延伸，Y轴由平台上表面中心向后水平延伸，Z轴由平台上表面中心向上垂直延伸；

6条支撑腿在平台下表面按照左后部、中后部、右后部、左前部、中前部和右前部分布，中后部、左前部和右前部的支撑腿上的位移传感器和速度传感器的探头均沿Z轴方向延伸。

作为优选，右后部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿XY平面45°方向延伸。

作为优选，左后部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿XY平面135°方向延伸。

作为优选，中前部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿X轴方向延伸。

一种多自由度主动隔振装置的方法，包括如下步骤：

控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿上的位移传感器的反馈信号，控制中后部、左前部和右前部的气动比例阀分别给中后部、左前部和右前部的支撑腿充气，使平台上升到设定的高度Zref，并保持高度稳定；

当地面有垂直向上振动时，控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制中后部、左前部和右前部的支撑腿的气动比例阀释放气体，抵消地面的向上振动；释放气体的量与垂直向上振动的幅度呈正比；

当地面有垂直向下振动时，控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制中后部、左前部和右前部的支撑腿的气动比例阀充气，抵消地面的向上振动；充气的量与垂直向下振动的幅度呈正比。

一种多自由度主动隔振装置的方法，包括如下步骤：

控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的位移传感器的反馈信号，控制左后部、右后部和中前部的支撑腿的气动比例阀给对应的水平空气弹簧充气，使平台右边缘和后边缘分别达到设定的值Xref和Yref，并保持位置稳定。

作为优选，还包括如下步骤：

当平台受到X方向水平振动时，控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部、右后部和中前部的支撑腿上的气动比例阀给对应水平空气弹簧的X方向腔充气，从而抵消水平X方向的振动；

当平台受到负X方向水平振动时，控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部、右后部和中前部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的负X方向腔充气，从而抵消水平负X方向的振动。

作为优选，还包括如下步骤：

当平台受到Y方向水平振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的Y方向腔充气，从而抵消水平Y方向的振动；

当平台受到负Y方向水平振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的负Y方向腔充气，从而抵消水平负Y方向的振动。

作为优选，还包括如下步骤：

当平台受到绕Z轴旋转振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿的气动比例阀调整对应的水平空气弹簧的X方向腔和Y方向腔内气体的量；根据中前部的支撑腿的速度传感器的速度反馈信号，控制中前部的支撑腿的气动比例阀调整水平空气弹簧的X方向腔内气体的量，从而抵消绕Z轴旋转振动的振动。

因此，本发明具有如下有益效果：采用空气弹簧作为隔振作动器，具有超低频固有频率，能对超过固有频率的振动进行有效隔离，可以抑制共振峰；采用位移传感器，可以实现精密定位功能；可以实现六自由度大负载超低频精密隔振。

附图说明

图1是本发明的一种主视图；

图2是本发明的一种俯视图；

图3是本发明的支撑腿的一种剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1、图2所示的实施例是一种多自由度主动隔振装置，包括平台1和设于支撑平台下边缘上的6条支撑腿2；6条支撑腿均匀排列成两行，每条支撑腿上均设有气动比例阀23、用于检测气体压力的压力传感器24、位移传感器25和速度传感器26，控制器分别与各个气动比例阀、各个压力传感器、各个位移传感器和各个速度传感器电连接，每个气动比例阀均与对应的支撑腿的双腔垂直空气弹簧和水平空气弹簧连通。如图3所示，每条支撑腿均包括双腔垂直空气弹簧21和设于双腔垂直空气弹簧下端的水平空气弹簧22。

如图1、图2所示，在平台上表面上建立三维坐标系，X轴由平台上表面中心向右水平延伸，Y轴由平台上表面中心向后水平延伸，Z轴由平台上表面中心向上垂直延伸；

6条支撑腿在平台下表面按照左后部、中后部、右后部、左前部、中前部和右前部分布，中后部、左前部和右前部的支撑腿上的位移传感器和速度传感器的探头均沿Z轴方向延伸。

右后部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿XY平面45°方向延伸。

左后部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿XY平面135°方向延伸。

中前部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿X轴方向延伸。

一种多自由度主动隔振装置的方法，包括如下步骤：

控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿上的位移传感器的反馈信号，控制中后部、左前部和右前部的气动比例阀分别给中后部、左前部和右前部的支撑腿充气，使平台上升到设定的高度Zref，并保持高度稳定；

当地面有垂直向上振动时，控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制中后部、左前部和右前部的支撑腿的气动比例阀释放气体，抵消地面的向上振动；释放气体的量与垂直向上振动的幅度呈正比；

当地面有垂直向下振动时，控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制中后部、左前部和右前部的支撑腿的气动比例阀充气，抵消地面的向上振动；充气的量与垂直向下振动的幅度呈正比。

控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的位移传感器的反馈信号，控制左后部、右后部和中前部的支撑腿的气动比例阀给对应的水平空气弹簧充气，使平台右边缘和后边缘分别达到设定的值Xref和Yref，并保持位置稳定。

当平台受到X方向水平振动时，控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部、右后部和中前部的支撑腿上的气动比例阀给对应水平空气弹簧的X方向腔充气，从而抵消水平X方向的振动；

当平台受到负X方向水平振动时，控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部、右后部和中前部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的负X方向腔充气，从而抵消水平X方向的振动。

当平台受到Y方向水平振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的Y方向腔充气，从而抵消水平Y方向的振动；

当平台受到负Y方向水平振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的负Y方向腔充气，从而抵消水平负Y方向的振动。

当平台受到绕Z轴旋转振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿的气动比例阀调整对应的水平空气弹簧的X方向腔和Y方向腔内气体的量；根据中前部的支撑腿的速度传感器的速度反馈信号，控制中前部的支撑腿的气动比例阀调整水平空气弹簧的X方向腔内气体的量，从而抵消绕Z轴旋转振动的振动。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种多自由度主动隔振装置，其特征是，包括平台(1)和设于支撑平台下边缘上的6条支撑腿(2)；6条支撑腿均匀排列成两行，每条支撑腿均包括双腔垂直空气弹簧(21)和设于双腔垂直空气弹簧下端的水平空气弹簧(22)；每条支撑腿上均设有气动比例阀(23)、用于检测气体压力的压力传感器(24)、位移传感器(25)和速度传感器(26)，控制器分别与各个气动比例阀、各个压力传感器、各个位移传感器和各个速度传感器电连接，每个气动比例阀均与对应的支撑腿的双腔垂直空气弹簧和水平空气弹簧连通。

2.根据权利要求1所述的多自由度主动隔振装置，其特征是，在平台上表面上建立三维坐标系，X轴由平台上表面中心向右水平延伸，Y轴由平台上表面中心向后水平延伸，Z轴由平台上表面中心向上垂直延伸；

6条支撑腿在平台下表面按照左后部、中后部、右后部、左前部、中前部和右前部分布，中后部、左前部和右前部的支撑腿上的位移传感器和速度传感器的探头均沿Z轴方向延伸。

3.根据权利要求2所述的多自由度主动隔振装置，其特征是，右后部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿XY平面45°方向延伸。

4.根据权利要求3所述的多自由度主动隔振装置，其特征是，左后部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿XY平面135°方向延伸。

5.根据权利要求4所述的多自由度主动隔振装置，其特征是，中前部的支撑腿的位移传感器和速度传感器的探头均沿X轴方向延伸。

6.一种基于权利要求2所述的多自由度主动隔振装置的方法，其特征是，包括如下步骤：

控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿上的位移传感器的反馈信号，控制中后部、左前部和右前部的气动比例阀分别给中后部、左前部和右前部的支撑腿充气，使平台上升到设定的高度Zref，并保持高度稳定；

当地面有垂直向上振动时，控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制中后部、左前部和右前部的支撑腿的气动比例阀释放气体，抵消地面的向上振动；释放气体的量与垂直向上振动的幅度呈正比；

当地面有垂直向下振动时，控制器根据中后部、左前部和右前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制中后部、左前部和右前部的支撑腿的气动比例阀充气，抵消地面的向上振动；充气的量与垂直向下振动的幅度呈正比。

7.一种基于权利要求5所述的多自由度主动隔振装置的方法，其特征是，包括如下步骤：

控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的位移传感器的反馈信号，控制左后部、右后部和中前部的支撑腿的气动比例阀给对应的水平空气弹簧充气，使平台右边缘和后边缘分别达到设定的值Xref和Yref，并保持位置稳定。

8.根据权利要求7所述的多自由度主动隔振装置的方法，其特征是，还包括如下步骤：

当平台受到X方向水平振动时，控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部、右后部和中前部的支撑腿上的气动比例阀给对应水平空气弹簧的X方向腔充气，从而抵消水平X方向的振动；

当平台受到负X方向水平振动时，控制器根据左后部、右后部和中前部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部、右后部和中前部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的负X方向腔充气，从而抵消水平负X方向的振动。

9.根据权利要求7所述的多自由度主动隔振装置的方法，其特征是，还包括如下步骤：

当平台受到Y方向水平振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的Y方向腔充气，从而抵消水平Y方向的振动；

当平台受到负Y方向水平振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿上的气动比例阀给对应的水平空气弹簧的负Y方向腔充气，从而抵消水平负Y方向的振动。

10.根据权利要求7或8或9所述的多自由度主动隔振装置的方法，其特征是，还包括如下步骤：

当平台受到绕Z轴旋转振动时，控制器根据左后部和右后部的支撑腿的速度传感器的反馈信号，分别控制左后部和右后部的支撑腿的气动比例阀调整对应的水平空气弹簧的X方向腔和Y方向腔内气体的量；根据中前部的支撑腿的速度传感器的速度反馈信号，控制中前部的支撑腿的气动比例阀调整水平空气弹簧的X方向腔内气体的量，从而抵消绕Z轴旋转振动的振动。