CN109883521A - 一种质量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于质量测量技术领域，并具体公开了一种质量测量方法及系统。包括如下步骤：S1采用控制器和两个及以上的主动减振器支撑待测负载S2执行器出力对负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值S3判断负载是否只有垂直方向运动S4在负载上放置标准质量块，执行器出力对放置标准质量块后的负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值S5判断放置标准质量块后的负载是否只有垂直方向运动S6传感器测量的数据进行处理，获得负载的质量。本发明还公开了质量测量系统。本发明的测量方法，以精密减震器作为激励源，借助于放置标准质量块来确定其负载总质量，仅使用系统自身的资源，对设备影响小，测量迅速、快捷，精度高。

Description

一种质量测量方法及系统

技术领域

本发明属于质量测量技术领域，更具体地，涉及一种基于主动减振器的质量测量方法及系统。

背景技术

随着科技的发展，以光刻机、扫描电镜等为代表的超精密设备的应用越来越广泛，其制造和测量的精度也越来越接近物理极限。在微/纳米加工或测量的过程中，环境振动成为了制约其精度的瓶颈问题。光刻机、扫描电镜等精密加工装备、设备不仅需要放置在精密主动减振器上进行工作，必要时，也需要精密主动减振器为其提供激励源，方便检测设备故障，分析动力学特性等。

但是现有技术中，由于精密设备的安装不可移动性，密闭性，结构的复杂性等因素的影响，其质量的测量无法通过常规方法(如直接称重等)来进行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种质量测量方法及系统，以精密减震器作为激励源，借助于放置标准质量块来确定其负载总质量，并且仅使用系统自身的资源，对设备影响小，测量迅速、快捷，精度较高。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种质量测量方法，采用质量测量系统实现，该质量测量系统包括控制器和两个以上的主动减振器，每个所述主动减振器配合有执行器及传感器，所述主动减振器用于支撑负载，并在各主动减振器处形成支撑点，其特征在于，包括如下步骤：

S1启动质量测量系统，执行器出力对负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值；

S2判断负载是否只有垂直方向运动，若否，则转入步骤S1，调整执行器出力，继续对负载进行激励；若是，则转入步骤S3；

S3在负载上放置标准质量块，执行器出力对放置标准质量块后的负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值；

S4判断放置标准质量块后的负载是否只有垂直方向运动，若否，则转入步骤S3，调整执行器出力，继续对放置标准质量块后的负载进行激励；若是，则转入步骤S5；

S5对放置标准质量块前后，传感器测量的数据进行处理，获得负载的质量。

进一步的，步骤S2或S4中，判断负载是否只有垂直方向运动，没有转动，具体包括如下步骤：

S21所述控制器控制其中一个执行器的激励幅值正弦出力不变，其他各执行器与所述其中一个执行器以同相位、同频率ω、不同激励幅值正弦出力，以对所述负载进行持续激励；

S22所述传感器持续采集所述主动减振器的响应信号；

S23对所述响应信号进行处理，提取各所述主动减振器在频率ω处的响应幅值；

S24计算不同所述主动减振器响应幅值的差值，若差值小于阈值，则重新调整其他各执行器的激励幅值，若差值大于阈值，则重新调整其他各执行器的激励幅值；若差值等于阈值，则停止迭代。

进一步的，步骤S5包括如下步骤：

S51确定未放置标准质量块前各所述主动减振器的响应幅值比和对应执行器的出力之比；

S52确定放置标准质量块前各所述主动减振器的响应幅值比和对应执行器的出力之比；

S53根据放置标准质量块前后，传感器测得的响应幅值与对应执行器的出力之比获取各支撑点处的等效质量，进而获取所述负载的质量，其中，

对于两点支撑，负载的总质量为：

其中，X_i、X_i'为放置标准质量块前和放置标准质量块后，各支撑点处对应的传感器响应幅值与执行器出力之比，m为标准质量块的质量；

对于三点支撑，负载的总质量为：

其中，α，β为相邻支撑点处等效质量的比值，为常数；A₁、A₂、A₃为放置标准质量块前和放置标准质量块后各支撑点处对应的传感器测得的响应幅值与执行器出力比值；m为标准质量块的质量。

进一步的，步骤S24中，所述其他各执行器的激励幅值根据所述主动减振器到负载的振动速度响应传递函数调整。

进一步的，所述振动速度响应传递函数为：

式中：X₁为主动减振器I₁位移的拉式变换；

F₁为主动减振器I₁电机力的拉式变换；

m₁为主动减振器承载的等效质量；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

进一步的，所述质量测量系统中，频率其中，k为系统刚度，M为负载重量。

按照本发明的另一个方面，提供一种质量测量系统，应用所述的质量测量方法，其特征在于，包括：

至少两套主动减振器，所述主动减振器包括执行器，用于支撑待测负载并对其进行激励；

传感器，其与所述主动减振器的数量和位置相匹配，用于采集各主动减振器的数据，经过信号处理获得各主动减振器的响应幅值；

控制器，其接收所述传感器的各主动减振器的响应幅值数据，并对其进行处理获得各主动减振器的激励幅值，再以该激励幅值继续激励所述执行器动作，反复迭代，使得所述待测精密设备只存在重力方向的响应。

进一步的，所述执行器能够在所述待测精密设备的重力方向施加力，包括洛伦兹电机、压电陶瓷或磁阻作动器。

进一步的，所述传感器能够测量负载的重力方向运动特征，包括电涡流位移传感器、振动速度传感器及加速度传感器。

进一步的，所述主动减振器为两套组成两点支撑测量系统；或，

所述主动减振器为三套，组成三点支撑测量系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明的质量测量方法，以精密减震器作为激励源，借助于放置标准质量块来确定其负载总质量，并且仅使用系统自身的资源，对设备影响小，测量迅速、快捷，精度高。

2.本发明的质量测量方法，由于通过执行器的出力，使得负载两端响应相同，保持负载只有垂直方向的运动，而没有转动的参与，负载的角加速度极小，此时左右两个主动减振器可视为两个独立系统，相互间不存在耦合。

3.本发明的质量测量方法，以其中一个主动减振器的传感器响应为基准，保持该减振器电机出力系数不变，而不断迭代其他主动减振器的电机出力系数，使得各点传感器响应相同，多次迭代后，其余各电机出力系数趋于稳定，从而保持负载只有垂直方向的运动，而没有转动的参与。

4.本发明的质量测量方法，对于响应偏小的点加大激励幅值，反之减小相应点的幅值，直至迭代达到响应要求，则停止迭代，收敛速度快，可快速获得稳定的测量系统。

5.本发明的质量测量方法，适用于两点支撑系统、三点支撑系统及多点支撑系统，对于三点及多点支撑系统，可确定每两点之间的等效质量比与添加标准质量块前后各传感器响应幅值与各执行器力幅值之比的比值，从而确定原负载总质量。

6.本发明的质量测量系统，通过主动减振器作为激励及支撑机构，加以传感器实时测量系统的响应幅值，不仅可快速、准确的测量负载的质量，而且不需要移动、翻转负载，不需要额外的测量设备，大大提高了负载质量的测量精度和效率。

7.本发明的质量测量系统，可采用两个、三个或多个主动减振器组成两点、三点及多点支撑机构，适应于质量分布不均匀的长杆类负载，也能够适应于任意不规则的负载，具有非常广泛的工程应用范围。

附图说明

图1为本发明实施例一种两点支撑质量测量系统示意图；

图2为本发明实施例一种三点支撑质量测量系统示意图；

图3为本发明实施例一种质量测量方法的流程图；

图4为本发明实施例中电机出力幅值调整方法示意图；

图5为本发明实施例第一阶段测量中，第二主动减振器14的电机出力系数曲线(稳定值为0.4000)；

图6为本发明实施例第一阶段测量中，第三主动减振器15的电机出力系数曲线(稳定值为0.3333)；

图7为本发明实施例第二阶段测量中，第二主动减振器14的电机出力系数曲线(稳定值为0.4078)；

图8为本发明实施例第二阶段测量中，第三主动减振器15的电机出力系数曲线(稳定值为0.3399)。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-负载(2点支撑)，2-第一传感器，3-第一电机，4-弹簧，5-阻尼器，6-地基，7-控制器，8-主动减振器，9-第二电机，10-第二传感器，11-标准质量块，12-负载(3点支撑)，13-第一主动减振器，14-第二主动减振器，15-第三主动减振器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为本发明其中一个两点支撑的质量测量系统示意图。负载1为质量分布不均的长杆，由主动减振器8支撑(左右各一个)，每个主动减振器由电机3、弹簧4以及若阻尼器5组成，地基6是微振动来源，主动减振的作用是抑制地基6对负载1的扰动，负载1两端各布置一个同类型传感器2和10，控制器7能够采集传感器信号，亦能输出控制信号控制电机3以及其它主动减振器中的电机，11为标准质量块，质量为已知为m。

该质量测量系统包括控制器和两个以上的主动减振器，每个所述主动减振器配合有执行器及传感器，所述主动减振器用于支撑负载，并在各主动减振器处形成支撑点，包括如下步骤：

S1启动重心测量系统，执行器出力对负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值；

S2判断负载是否只有垂直方向运动，若否，则转入步骤S1，调整执行器出力，继续对负载进行激励；若是，则转入步骤S3；其中，所述控制器控制其中一个执行器的激励幅值正弦出力不变，其他各执行器与所述其中一个执行器以同相位、同频率ω、不同激励幅值正弦出力，以对所述负载进行持续激励；所述传感器持续采集所述主动减振器的响应信号；对所述响应信号进行处理，提取各所述主动减振器在频率ω处的响应幅值；计算不同所述主动减振器响应幅值的差值，若差值小于阈值，则重新调整其他各执行器的激励幅值，若差值大于阈值，则重新调整其他各执行器的激励幅值；若差值等于阈值，则停止迭代。所述其他各执行器的激励幅值根据所述主动减振器到负载的振动速度响应传递函数调整，，所述振动速度响应传递函数为：

式中：X₁为主动减振器I₁位移的拉式变换；

F₁为主动减振器I₁电机力的拉式变换；

m₁为主动减振器承载的等效质量；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

S3在负载上放置标准质量块，执行器出力对放置标准质量块后的负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值；

S4判断放置标准质量块后的负载是否只有垂直方向运动，若否，则转入步骤S3，调整执行器出力，继续对放置标准质量块后的负载进行激励；若是，则转入步骤S5；

S5对放置标准质量块前后，传感器测量的数据进行处理，获得负载的质量，其中，确定未放置标准质量块前各所述主动减振器的响应幅值比和对应执行器的出力之比；确定放置标准质量块前各所述主动减振器的响应幅值比和对应执行器的出力之比；根据放置标准质量块前后，传感器测得的响应幅值与对应执行器的出力之比获取各支撑点处的等效质量，进而获取所述负载的质量，其中，

对于两点支撑，负载的总质量为：

其中，X_i、X_i'为放置标准质量块前和放置标准质量块后，各支撑点处对应的传感器响应幅值与执行器出力之比，m为标准质量块的质量；

对于三点支撑，负载的总质量为：

其中，α，β为相邻支撑点处等效质量的比值，为常数；A₁、A₂、A₃为放置标准质量块前和放置标准质量块后各支撑点处对应的传感器测得的响应幅值与执行器出力比值；m为标准质量块的质量。

所述重心测量系统中，频率其中，k为系统刚度，M为负载重量。

具体测量方法流程如图3所示，包括如下步骤：

S1：控制器7进入质量测量模式，该模式下，首先进入测量第一阶段，控制器会控制电机3和电机9以同相位、同频率ω、不同幅值正弦出力，频率建议大于(共振频点)的10倍以上，电机3和电机9的出力幅值f₁和f₂由步骤S2迭代确定；

S2：初始可以相同，使电机按照给定信号对负1持续激励，通过传感器2和10持续采集响应信号，并根据响应信号之间的差值大小不断迭代；迭代计算方式有多种，如图4所示，总体方向是，对于响应偏小的点加大激励幅值，反之减小相应点的幅值，直至迭代达到响应要求，则停止迭代，此时利用得出的出力幅值比f₁/f₂即为图1中左右两个主动减振器各自的等效质量比m₁/m₂，至此，第一阶段测试完成；

S3：随后，在负载上添加标准质量块11，之后，进入第二阶段测试；

S4和S5：重复步骤(2)～步骤(4)；

S6：根据前后两阶段的测试结果，传感器测得的各传感器响应幅值与各执行器力幅值之比分别为X_i，X′_i，则X_i/X′_i即为前后各执行器承载的等效质量之比的反比m′_i/m_i(i＝1,2)。

该测量方法由于通过执行器的出力，使得负载1两端响应相同，保持负载1只有垂直方向的运动，而没有转动的参与，负载1的角加速度极小，此时左右两个主动减振器可视为两个独立系统，相互间不存在耦合，在后文的实例中也会加以说明这种方法的正确性、便利性和快速性。

此外，如图2所示为本发明另一个实施例中，3点支撑甚至多点支撑的系统。以三点支撑为例，第一主动减振器13、第二主动减振器14及第三主动减振器15分别设于正三角形的三个定点处，共同支撑负载12。同样通过此类方法，可确定每两点之间的等效质量比与添加标准质量块前后各传感器响应幅值与各执行器力幅值之比的比值，从而确定原负载总质量。

其中，第一主动减振器13、第二主动减振器14及第三主动减振器15结构相同，均包括弹簧、若阻尼器和洛伦兹电机和地音速度传感器，洛伦兹电机能够在重力方向出力，地音速度传感器能测量负载的振动速度。当给定每个电机以频率为(频率越大越好，尽可能远离共振频点)。

设每个腿承载质量为m₁、m₂、m₃，首先对其中一个减震器进行分析得其响应传函为：

其中，X₁为主动减振器I₁位移的拉氏变换；

F₁为主动减振器I₁电机力的拉氏变换；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

当给定的激励频率时，s较大，并且系统没有阻尼元件，阻尼c极小，则式(1)可化简为；

当在负载上增加标准质量块m后，

前后速度与力比值的比为(A₁由测量并计算而得到)

下文结合质量测量系统，推导A₁的计算过程：

|V₁＝S|V₀|其中V₁为真实速度，V₀为传感器响应(电压)，S为灵敏度(单位：(m/s)/v)；

|F₁|＝C|F₀|其中F₁为电机真实出力，单位为(N)，F₀为电机电流，(单位为A)，C为电机力常数(单位：(N/A))；

速度与力比值为：

加标准质量块后速度与力的比值为：

两式相除得：

可见A₁与S和C的值无关，因此，由式(4)可知：

m₁′＝A₁m₁ (8)

同理，在其它腿上可得

m₂′＝A₂m₂ (9)

m₃′＝A₃m₃ (10)

将式(8)，式(9)，式(10)三项质量等式相加

m₁′+m₂′+m₃′＝A₁m₁+A₂m₂+A₃m₃ (11)

又由于

m₁′+m₂′+m₃′＝m₁+m₂+m₃+m (12)

可得：

m₁+m₂+m₃+m＝A₁m₁+A₂m₂+A₃m₃＝M+m (13)

式中：M为负载总质量；

由于负载的重心位置已知，根据几何关系可得主动减震器分别承载的等效质量之间的关系：

m₂＝αm₁ (14)

m₃＝βm₁ (15)

其中α，β为各点等效质量与I₁点等效质量的比值，为常数。

所以将式(12)，式(13)带入式(11)得：

将式(12)，式(13)，式(14)带入式(15)得负载总质量

根据具体数值和测试结果进行计算，计算过程参照图2所示，各参数如表1所示，可估算减振器共振频率为：

本实例中采用的激振频率为785.398 rad/s(125Hz)，此频率大于ω_n(8.554rad/s)十倍以上，满足测量要求。

本实例中，电机力恒定为100N，初始给定各点电机出力系数均为0.3333，并以第一主动减振器13的传感器响应为基准，保持该减振器电机出力系数不变，而不断迭代第二主动减振器14、第三主动减振器15的电机出力系数，使得各点传感器响应相同。多次迭代后，其余各电机出力系数趋于稳定，如图5～图8所示。

第一阶段测量传感器响应幅值为43.35μm，第二阶段测量传感器响应幅值为42.60μm。

表1实施例参数表

负载实际质量M<sub>0</sub>(kg)	3000
		刚度k(N/m)	100000
阻尼c(N/(m/s))	300
		正三角形边长l(m)	1
标准质量块质量m(kg)	100
		质量块放置坐标	任意
比例系数α	1.2
		比例系数β	1

根据前面的推导，根据式(7)

将各参数带入式(17)测得负载总质量：

可知本次测量中该方法所得到的负载质量误差仅为0.2997％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种质量测量方法，采用质量测量系统实现，该质量测量系统包括控制器和两个以上的主动减振器，每个所述主动减振器配合有执行器及传感器，所述主动减振器用于支撑负载，并在各主动减振器处形成支撑点，其特征在于，包括如下步骤：

S1启动质量测量系统，执行器出力对负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值；

S2判断负载是否只有垂直方向运动，若否，则转入步骤S1，调整执行器出力，继续对负载进行激励；若是，则转入步骤S3；

S3在负载上放置标准质量块，执行器出力对放置标准质量块后的负载进行激励，传感器测量各执行器的响应幅值；

S4判断放置标准质量块后的负载是否只有垂直方向运动，若否，则转入步骤S3，调整执行器出力，继续对放置标准质量块后的负载进行激励；若是，则转入步骤S5；

S5对放置标准质量块前后，传感器测量的数据进行处理，获得负载的质量。

2.根据权利要求1所述的一种质量测量方法，其特征在于，步骤S2或S4中，判断负载是否只有垂直方向运动，没有转动，具体包括如下步骤：

S21所述控制器控制其中一个执行器的激励幅值正弦出力不变，其他各执行器与所述其中一个执行器以同相位、同频率ω、不同激励幅值正弦出力，以对所述负载进行持续激励；

S22所述传感器持续采集所述主动减振器的响应信号；

S23对所述响应信号进行处理，提取各所述主动减振器在频率ω处的响应幅值；

S24计算不同所述主动减振器响应幅值的差值，若差值小于阈值，则重新调整其他各执行器的激励幅值，若差值大于阈值，则重新调整其他各执行器的激励幅值；若差值等于阈值，则停止迭代。

3.根据权利要求1或2所述的一种质量测量方法，其特征在于，步骤S5包括如下步骤：

S51确定未放置标准质量块前各所述主动减振器的响应幅值比和对应执行器的出力之比；

S52确定放置标准质量块前各所述主动减振器的响应幅值比和对应执行器的出力之比；

S53根据放置标准质量块前后，传感器测得的响应幅值与对应执行器的出力之比获取各支撑点处的等效质量，进而获取所述负载的质量，其中，

对于两点支撑，负载的总质量为：

其中，X_i、X_i'为放置标准质量块前和放置标准质量块后，各支撑点处对应的传感器响应幅值与执行器出力之比，m为标准质量块的质量；

对于三点支撑，负载的总质量为：

其中，α，β为相邻支撑点处等效质量的比值，为常数；

A₁、A₂、A₃为放置标准质量块前和放置标准质量块后各支撑点处对应的传感器测得的响应幅值与执行器出力比值；

m为标准质量块的质量。

4.根据权利要求2所述的一种质量测量方法，其特征在于，步骤S24中，所述其他各执行器的激励幅值根据所述主动减振器到负载的振动速度响应传递函数调整。

5.根据权利要求4所述的一种质量测量方法，其特征在于，所述振动速度响应传递函数为：

式中：X₁为主动减振器I₁位移的拉式变换；

F₁为主动减振器I₁电机力的拉式变换；

m₁为主动减振器承载的等效质量；

k、s、c分别为弹性模量、应变、系统阻尼。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种质量测量方法，其特征在于，所述重心测量系统中，频率其中，k为系统刚度，M为负载重量。

7.一种质量测量系统，应用于如权利要求1-6中任一项所述的质量测量方法，其特征在于，包括：

至少两套主动减振器，所述主动减振器包括执行器，用于支撑待测负载并对其进行激励；

传感器，其与所述主动减振器的数量和位置相匹配，用于采集各主动减振器的数据，经过信号处理获得各主动减振器的响应幅值；

控制器，其接收所述传感器的各主动减振器的响应幅值数据，并对其进行处理获得各主动减振器的激励幅值，再以该激励幅值继续激励所述执行器动作，反复迭代，使得所述待测精密设备只存在重力方向的响应。

8.根据权利要求7所述的一种质量测量系统，其特征在于，所述执行器能够在所述待测精密设备的重力方向施加力，包括洛伦兹电机、压电陶瓷或磁阻作动器。

9.根据权利要求7或8所述的一种质量测量系统，其特征在于，所述传感器能够测量负载的重力方向运动特征，包括电涡流位移传感器、振动速度传感器及加速度传感器。

10.根据权利要求7-9任一项所述的一种质量测量系统，其特征在于，所述主动减振器为两套组成两点支撑测量系统；或，所述主动减振器为三套，组成三点支撑测量系统。