CN114508561B - 一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超精密减振相关技术领域，其公开了一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统，系统包括：相对设置的总成上板和总成下板；多个单元减振器，多个单元减振器设于总成上板和总成下板之间且均匀分布于同一圆周；每一单元减振器包括双向洛伦兹电机、位移传感器组件、速度传感器组件、弹簧组件、上安装板、下安装板以及多个探测板，其中，双向洛伦兹电机包括正交布置的垂向电机和水平向电机；位移传感器组件包括正交布置的垂向位移传感器和水平向位移传感器；速度传感器组件包括正交布置的水平向速度传感器和垂向速度传感器；弹簧组件包括弹簧。本申请通过被动减振和主动控制实现多自由、超低频、超带宽、高衰减的减振效果。

Description

一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统

技术领域

本发明属于超精密减振相关技术领域，更具体地，涉及一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统。

背景技术

随着中国科技的发展，扫描隧道电子显微镜、光栅刻线机、量子通信等超精密设备的应用越来越广泛。隔振是精密、超精密加工装备、测量仪器等平台建设的关键技术。随着精密、超精密设备的不断升级以及外界振动环境的变化，使得其面临的微振动干扰问题越发突出。事实上，精密设备所面临的微振动干扰振源主要集中在100Hz以内，传统的被动减振无法满足高精度、低频减振需求。而采用主动减振的方式可以实现“天棚阻尼”减振，即在中高频段实现小阻尼的高衰减率减振效果，而在低频区抑制小阻尼引起的过大共振峰值，为提高精密设备工作质量，该减振系统可以实现抑制各点不同线振动耦合产生的角振动及实现较宽频带范围内的主动减振控制。此外，精密、超精密设备在地面测试过程中，大地脉动、设备工作扰动等因素会引起精密测试平台的微振动，对于毫角秒精度量级的被测部件而言，测试过程中各种微振动直接影响测量精度。中国专利CN107061591提供了一种整体式金属弹簧主动减振台，该装置结构复杂，并且6自由度的实现需要依附于三个方向电机和速度的测量，结构复杂笨重，并不能用于精密设备，尤其是对重量敏感的设备，更不能用于太空等复杂环境中。

总之，精密、超精密设备使用工况复杂、研究指标(多自由、超低频、超带宽、高衰减率等)要求苛刻，因此，研制和开发用于精密、超精密设备的减振系统迫在眉睫。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统，通过被动减振和主动控制实现多自由、超低频、超带宽、高衰减的减振效果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统，所述系统包括：相对设置的总成上板和总成下板；多个单元减振器，多个单元减振器设于总成上板和总成下板之间且均匀分布于同一圆周；每一所述单元减振器包括双向洛伦兹电机、位移传感器组件、速度传感器组件、弹簧组件、上安装板、下安装板以及多个探测板，其中，所述双向洛伦兹电机包括正交布置的垂向电机和水平向电机，所述双向洛伦兹电机的力输出端与所述上安装板连接；所述位移传感器组件包括正交布置的垂向位移传感器和水平向位移传感器，所述垂向位移传感器通过第二探测板与所述上安装板连接，所述水平向位移传感器通过第一探测板与所述上安装板连接；所述速度传感器组件包括正交布置的水平向速度传感器和垂向速度传感器；所述弹簧组件包括弹簧，所述弹簧组件的两端分别与所述上安装板和下安装板连接。

优选地，所述弹簧组件还包括弹簧轴、套设于弹簧轴外部的调节螺母、设于所述调节螺母上端面的下弹簧座、设于所述下弹簧座上表面的下弹簧座橡胶垫、锁紧螺母、上弹簧座以及上弹簧座橡胶垫，所述弹簧设于所述上弹簧座橡胶垫以及下弹簧座橡胶垫之间，所述弹簧轴上端部中心设有螺孔，所述锁紧螺母贯通所述上弹簧座中心与所述螺孔连接。

优选地，所述下弹簧座橡胶垫和上弹簧座橡胶垫均为圆锥台结构。

优选地，每一所述单元减振器还包括用于四周密封的防磁干扰板，所述防磁干扰板固定于所述下安装板并与上安装板的距离为5～10mm。

优选地，所述双向洛伦兹电机包括定子部分和动子部分，其中，定子部分包括定子支撑座、设于所述定子支撑座上的线圈支架、设于线圈支架上的线圈、设于线圈两端的盖板，所述定子支撑座固定于所述下安装板上，所述线圈包括水平方向线圈和垂直方向线圈；动子部分包括背铁A、背铁B、背铁连接件，所述背铁A和背铁B固定于所述背铁连接件上，所述背铁A和背铁B的表面设有磁铁，所述盖板将所述磁铁和所述线圈隔开，所述背铁连接件与所述上安装板连接。

优选地，所述双向洛伦兹电机的水平方向出力方向与所述圆周的切线方向相同。

优选地，所述位移传感器组件还包括位移传感器支座，所述垂向位移传感器通过垂向位移传感器上耳与所述位移传感器支座连接，所述水平向位移传感器通过水平向位移传感器上耳与所述位移传感器支座连接；速度传感器组件还包括固定安装于所述上安装板上的速度传感器座，所述水平向速度传感器和垂向速度传感器安装于所述速度传感器座上。

优选地，所述单元减振器还包括定位组件、输出组件以及固定板，所述固定板与所述上安装板和下安装板可拆卸连接，所述定位组件包括定位支座、定位柱以及定位块，所述定位块通过所述定位柱可拆卸连接于所述定位支座的上部，所述定位支座下部连接于所述下安装板。

优选地，所述单元减振器的数量为3个，3个单元减振器布置于等边三角形三个顶点上。

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，本发明提供的用于超精密设备的微振动主动补偿系统具有如下有益效果：

1.本申请中多个单元减振器均匀分布于同一圆周上，也即多个单元减振器呈多变形布置形式进行多点支撑布局，通过各单元减振器的共同作用实现被隔振设备的六自由度精密减振和定位；速度传感器和位移传感器均是双向布置，可以实现垂直方向和水平方向数据采集，对应的匹配双向洛伦兹电机，进而可以实现多方向振动的主动补偿，进而衰减振动影响，避免了传动的被动减振导致低频小阻尼共振峰大的问题。

2.本申请中的弹簧组件由于阻尼作用，将来自大地脉动以及设备自身的扰动进行衰减，以削减振动传递到被隔振设备上，为实现弹簧组件高频振动衰减效果，在弹簧座上加装橡胶垫，通过弹簧和橡胶垫实现双重效果的被动减振。

3.防磁干扰装置除具有防磁作用外，还具有保持微振动主动补偿系统干净整洁的作用，提高减振系统的服役寿命。

4.上下弹簧橡胶垫均设计具有圆锥台形结构，此种结构便于弹簧的安装，同时也可以防止弹簧在受到径向力时出现径向滑移的情形。此外，锥形结构不会让弹簧座橡胶垫与弹簧之间出现干涉，进而影响到弹簧组件的减振刚度。

5.在弹簧轴顶部，连接有锁紧螺母，它可以防止被隔振设备过载时，弹簧组件遭到不可逆损坏。因此，该弹簧组件除提供刚度外，还具有固定和限位功能。

附图说明

图1是本申请实施例的微振动主动补偿系统初始状态结构示意图；

图2是本申请实施例的微振动主动补偿系统工作状态结构示意图；

图3是本申请实施例的微振动主动补偿系统内部结构示意图；

图4是本申请实施例的微振动主动补偿系统中总成上板结构示意图；

图5是本申请实施例的微振动主动补偿系统中总成下板结构示意图；

图6是本申请实施例的微振动主动补偿系统中多个单元减振器布置示意图；

图7是本申请实施例的单元减振器初始状态结构示意图；

图8是本申请实施例的单元减振器初始状态内部结构示意图；

图9是本申请实施例的单元减振器工作状态结构示意图；

图10是本申请实施例的单元减振器工作状态下防磁干扰处理示意图；

图11是本申请实施例的单元减振器中上安装板结构示意图；

图12是本申请实施例的单元减振器中下安装板结构示意图；

图13是本申请实施例的单元减振器中双向洛伦兹电机组件结构示意图；

图14是本申请实施例的单元减振器中位移传感器组件结构示意图；

图15是本申请实施例的单元减振器中弹簧组件结构示意图；

图16是本申请实施例的单元减振器中定位组件结构示意图；

图17是本申请实施例的单元减振器中速度传感器组件结构示图。

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：

100-总成上板；

200-总成下板；

300-单元减振器：

310-双向洛伦兹电机；320-位移传感器组件；330-速度传感器组件；340-弹簧组件；350-上安装板；360-下安装板；370-定位组件；380-输出组件；390-固定板；311-定子支撑座；312-背铁A；313-磁铁；314、3111-盖板；315-线圈；316-背铁连接件；317-线圈支架；318-螺钉；319-背铁B；3110-线芯；321-垂向位移传感器；322-水平向位移传感器；323-第一探测板；324-第二探测板；325-位移传感器支座；326-垂向位移传感器上耳；327-水平向位移传感器上耳；328-位移传感器定位块；329-位移传感器定位柱；331-水平向速度传感器；332-垂向速度传感器；333-速度传感器座；334-速度传感器座盖板；341-弹簧轴；342-调节螺母；343-下弹簧座；344-下弹簧座橡胶垫；345-锁紧螺母；346-上弹簧座；347-上弹簧座橡胶垫；348-弹簧；371-定位支座；372-定位柱；373-定位块；300-1-外围平板；300-2-外围U形板；

400-总成外接板；500-走线槽；600-前馈传感器座。

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。

本发明采用多个单元减振器，进一步优选为3个，实现六自由度、超低频、超带宽、高衰减率的精密减振和定位。通过弹簧组件实现被动减振，具体原理如下：当被隔振设备安装于微振动主动补偿系统上表面时，大地脉动以及设备自身扰动传递到减振系统上时，弹簧组件由于阻尼作用，将来自大地脉动以及设备自身的扰动进行衰减，以削减振动传递到被隔振设备上。为实现弹簧组件高频振动衰减效果，在弹簧座上加装橡胶垫，通过弹簧及橡胶垫实现双重效果的被动减振。传统的被动减振可以通过减低阻尼的方式实现中高频的高振动衰减率，但同时该种处理方式也将导致低频小阻尼共振峰大的问题。基于此本申请通过主动控制方式解决该问题。

主动减振系统主要包括传感器、执行器和驱动控制器等。由于被隔振设备与减振系统总成上板固连，而总成上板又与单元减振器中上安装板固连，因此安装在单元减振器中上安装板的传感器检测到的信号反映的也就是被隔振设备的振动信息。水平向速度传感器检测总成上板水平向振动速度，水平向位移传感器检测总成上板水平向振动位移，二者再反馈至水平向电机，产生作用力施加给总成上板，形成较大的水平向负刚度补偿力，降低水平向谐振频率、抑制被隔振设备的水平振动幅度。垂向速度传感器检测总成上板的垂向振动速度，垂向位移传感器检测总成上板垂向振动位移，二者再反馈给垂向电机产生作用力施加给总成上板，形成较大的垂向负刚度补偿力，降低垂向谐振频率，抑制被隔振设备的垂向振动幅度。通过传感器、执行器及驱动控制器联合作业，实现对被隔振设备的水平向、垂向精密减振与定位。

在地面测试过程中，大地脉动、设备工作扰动等因素会引起精密、超精密设备的微振动，对于毫角秒精度量级的设备而言，测试过程中各种微振动直接影响测量精度。本申请建立了一套微振动主动补偿系统，可以对现有的工作系统微振动量级进行检测、修正，最终到达毫角秒精度的超稳测试能力。为了更好的理解本申请，以下结合附图对本申请中的方案进行详细说明。

如图1～图3以及图7所示，所述用于超精密设备的微振动主动补偿系统包括总成上板100(如图4所示)、总成下板200(如图5所示)、多个单元减振器300，多个单元减振器300设于总成上板100和总成下板200之间且均匀分布于同一圆周(如图6所示)，也即多个单元减振器300设置于正多边形的顶点处。

如图8和图9所示，每一所述单元减振器300包括双向洛伦兹电机310、位移传感器组件320、速度传感器组件330、弹簧组件340、上安装板350(如图11所示)、下安装板360(如图12所示)以及多个探测板。具体如下：

如图13所示，双向洛伦兹电机310包括正交布置的垂向电机和水平向电机，所述双向洛伦兹电机310的力输出端与所述上安装板350连接。所述双向洛伦兹电机310包括定子部分和动子部分，其中，定子部分包括定子支撑座311、设于所述定子支撑座311上的线圈支架317、设于线圈支架317上的线圈315、设于线圈315两端的盖板314、3111，所述定子支撑座311固定于所述下安装板360上，所述线圈315包括水平方向线圈和垂直方向线圈。线圈315绕设在线芯3110上，线芯3110通过销钉和螺钉318分别与盖板314和盖板3111连接。盖板314和盖板3111与线圈支架317连接。

动子部分包括背铁A312、背铁B319、背铁连接件316，所述背铁A312和背铁B319固定于所述背铁连接件316上，所述背铁A312和背铁B319的表面设有磁铁313，所述盖板314、3111将所述磁铁313和所述线圈315隔开，所述背铁连接件316与所述上安装板350连接。

所述双向洛伦兹电机310的水平方向出力方向与所述圆周的切线方向相同。

如图14所示，所述位移传感器组件320包括正交布置的垂向位移传感器321和水平向位移传感器322，所述垂向位移传感器321通过第二探测板324与所述上安装板350连接，所述水平向位移传感器322通过第一探测板323与所述上安装板350连接，匹配距离为2～5mm。所述位移传感器组件320还包括位移传感器支座325，所述垂向位移传感器321通过垂向位移传感器上耳326与所述位移传感器支座325连接，所述水平向位移传感器322通过水平向位移传感器上耳327与所述位移传感器支座325连接。位移传感器组件除具备设置安装功能外，该位移传感器组件320还包括位移传感器定位块328和位移传感器定位柱329，所述位移传感器定位块328安装于上安装板350上，并通过位移传感器定位柱329与位移传感器支座325连接，可以对垂向和其中一个水平方向进行定位。

如图17所示，所述速度传感器组件330包括正交布置的水平向速度传感器331和垂向速度传感器332。速度传感器组件330还包括固定安装于所述上安装板350上的速度传感器座333，所述水平向速度传感器331和垂向速度传感器332安装于所述速度传感器座333上，并通过开有信号引线孔的速度传感器座盖板334进行封装。整个速度传感器组件330安装于上安装板350上。本申请在实施过程中，需保证洛伦兹电机、速度传感器、位移传感器在垂向和水平向两个方向上一一对应。

如图15所示，所述弹簧组件340包括弹簧348，所述弹簧组件340的两端分别与所述上安装板350和下安装板360连接。所述弹簧组件340还包括弹簧轴341、套设于弹簧轴341外部的调节螺母342、设于所述调节螺母342上端面的下弹簧座343、设于所述下弹簧座343上表面的下弹簧座橡胶垫344、锁紧螺母345、上弹簧座346以及上弹簧座橡胶垫347，所述弹簧348设于所述上弹簧座橡胶垫347以及下弹簧座橡胶垫344之间，所述弹簧轴341上端部中心设有螺孔，所述锁紧螺母345贯通所述上弹簧座346中心与所述螺孔连接，它可以防止被隔振设备过载时，弹簧组件遭到不可逆损坏。因此，该弹簧组件除提供刚度外，还具有固定和限位功能。所述下弹簧座橡胶垫344和上弹簧座橡胶垫347均为圆锥台结构。此种结构便于弹簧的安装，同时也可以防止弹簧在受到径向力时出现径向滑移的情形。此外，锥形结构不会让弹簧座橡胶垫与弹簧之间出现干涉，进而影响到弹簧组件的减振刚度。调节螺母342它可以对弹簧组件的相对位置进行微调。

如图16所示，所述单元减振器300还包括定位组件370、输出组件380以及固定板390，所述固定板390与所述上安装板350和下安装板360可拆卸连接，所述定位组件370包括定位支座371、定位柱372以及定位块373，所述定位块373通过所述定位柱372可拆卸连接于所述定位支座371的上部，所述定位支座371下部连接于所述下安装板360。

考虑到微振动主动补偿系统工作环境的复杂性及通用性，对减振系统进行防磁干扰处理，每一所述单元减振器300还包括用于四周密封的防磁干扰板，所述防磁干扰板固定于所述下安装板360并与上安装板350的距离为5～10mm。所述防磁干扰板包括外围平板300-1和外围U形板300-2(如图10所示)。

进一步优选的，所述单元减振器300的数量为3个，3个单元减振器300布置于等边三角形三个顶点上，且水平电机出力方向与等边三角形外接圆在三个顶点的切线方向相同。

图1为当前单元减振器处于初始状态，此时固定板390同时固连上安装板350和下安装板360，整个单元减振器300形成一个刚性体，此时不具备减振作用，可以对其进行转运、安装及调试操作。图2的单元减振器处于工作状态，相比于初始状态，卸下了定位块373以及固定板390，此时上安装板350和下安装板360只通过弹簧进行连接，具有减振作用，为对来自地面振动进行前馈调节，在减振系统中通过三个正交布置的速度传感器检测振动速度。

所述系统还包括前馈传感器座600、总成外接板400以及走线槽500，以对主动控制系统走线进行调节。

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 (7)

1.一种用于超精密设备的微振动主动补偿系统，其特征在于，所述系统包括：

相对设置的总成上板（100）和总成下板（200）；

多个单元减振器（300），多个单元减振器（300）设于总成上板（100）和总成下板（200）之间且均匀分布于同一圆周；

每一所述单元减振器（300）包括双向洛伦兹电机（310）、位移传感器组件（320）、速度传感器组件（330）、弹簧组件（340）、上安装板（350）、下安装板（360）以及多个探测板，其中，所述双向洛伦兹电机（310）包括正交布置的垂向电机和水平向电机，所述双向洛伦兹电机（310）的力输出端与所述上安装板（350）连接；所述位移传感器组件（320）包括正交布置的垂向位移传感器（321）和水平向位移传感器（322），所述垂向位移传感器（321）通过第二探测板（324）与所述上安装板（350）连接，所述水平向位移传感器（322）通过第一探测板（323）与所述上安装板（350）连接；所述速度传感器组件（330）包括正交布置的水平向速度传感器（331）和垂向速度传感器（332）；所述弹簧组件（340）包括弹簧（348），所述弹簧组件（340）的两端分别与所述上安装板（350）和下安装板（360）连接；所述弹簧组件（340）还包括弹簧轴（341）、套设于弹簧轴（341）外部的调节螺母（342）、设于所述调节螺母（342）上端面的下弹簧座（343）、设于所述下弹簧座（343）上表面的下弹簧座橡胶垫（344）、锁紧螺母（345）、上弹簧座（346）以及上弹簧座橡胶垫（347），所述弹簧（348）设于所述上弹簧座橡胶垫（347）以及下弹簧座橡胶垫（344）之间，所述弹簧轴（341）上端部中心设有螺孔，所述锁紧螺母（345）贯通所述上弹簧座（346）中心与所述螺孔连接；

所述双向洛伦兹电机（310）的水平方向出力方向与所述圆周的切线方向相同。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述下弹簧座橡胶垫（344）和上弹簧座橡胶垫（347）均为圆锥台结构。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一所述单元减振器（300）还包括用于四周密封的防磁干扰板，所述防磁干扰板固定于所述下安装板（360）并与上安装板（350）的距离为5~10mm。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述双向洛伦兹电机（310）包括定子部分和动子部分，其中，定子部分包括定子支撑座（311）、设于所述定子支撑座（311）上的线圈支架（317）、设于线圈支架（317）上的线圈（315）、设于线圈（315）两端的盖板（314、3111），所述定子支撑座（311）固定于所述下安装板（360）上，所述线圈（315）包括水平方向线圈和垂直方向线圈；动子部分包括背铁A（312）、背铁B（319）、背铁连接件（316），所述背铁A（312）和背铁B（319）固定于所述背铁连接件（316）上，所述背铁A（312）和背铁B（319）的表面设有磁铁（313），所述盖板（314、3111）将所述磁铁（313）和所述线圈（315）隔开，所述背铁连接件（316）与所述上安装板（350）连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位移传感器组件（320）还包括位移传感器支座（325），所述垂向位移传感器（321）通过垂向位移传感器上耳（326）与所述位移传感器支座（325）连接，所述水平向位移传感器（322）通过水平向位移传感器上耳（327）与所述位移传感器支座（325）连接；速度传感器组件（330）还包括固定安装于所述上安装板（350）上的速度传感器座（333），所述水平向速度传感器（331）和垂向速度传感器（332）安装于所述速度传感器座（333）上。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单元减振器（300）还包括定位组件（370）、输出组件（380）以及固定板（390），所述固定板（390）与所述上安装板（350）和下安装板（360）可拆卸连接，所述定位组件（370）包括定位支座（371）、定位柱（372）以及定位块（373），所述定位块（373）通过所述定位柱（372）可拆卸连接于所述定位支座（371）的上部，所述定位支座（371）下部连接于所述下安装板（360）。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单元减振器（300）的数量为3个，3个单元减振器（300）布置于等边三角形三个顶点上。

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