超精密系统中主被动隔振技术的应用及隔振性能测试分析

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根据经典的振动力学理论, 单自由度刚度阻尼系 统如图 !6, 系统对地面振动的响应曲线如图 !H。 系统 中 ! 和 " 组成一个被动隔振器。 被动隔振器是没有 类似于低通滤波器, 它包 外部能源或信息的紧凑连接, 括弹性刚度元件、 能量耗散或阻尼元件 固有频率为
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隔振原理
如果需要达到一定的隔振效率, 隔振器固有频率应为 ( 忽略阻尼 " L " ) (M) ! * !%) ! 虽然被动隔振的固有频率越低越好, 但实际中不 可能非常低。目前各种商品隔振器能实现 "J N FO 左 !# $ 右的固有频率, 对于赫兹级的大地脉动其隔振效果并 不理想。主动隔振器的出现较好地解决了这个问题。 主动隔振就是隔振过程中利用外界能源以产生控 制振动所需的作用力



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关键词: 被动隔振
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上式说明被动隔振无法同时实现系统对地面振动 和负载振动的良好隔振。这时主动隔振就能很好地解 决这个问题。 被动隔振对高频振动隔振效果较好, 而主动隔振 对低频振动隔振效果较好, 所以主动隔振商品中通常 将这两种形式结合使用, 以同时满足实际环境中高低 。 频隔振的需求
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隔振器简述
商业被动隔振器设计时需要考虑诸多因素, 其中 最为主要的除了尽可能低的固有频率外, 还有与负载 (!) 解耦的问题。从式 可以看出隔振器固有频率与负 载有关, 这样不利于制造不依赖于负载的通用隔振器。 超精密机械和光学行业中, 主要考虑低频振动和 负载扰动, 振动频谱大体集中在 " ) $"" *+。 被动隔 ,-./0102 和 负 刚 度 系 振器主要 为 双 腔 室 空 气 弹 簧、 统; 而主动隔振作动器主要采用压电陶瓷、 音圈电动机 或直线电动机。 双腔室空气弹簧很好地解决了隔振器与负载解耦 的问题。它的理论模型如图 $3, 其中 + , 为弹簧腔室, + - 为阻尼腔室。 该结构在低频时由节流孔提供阻尼, 高频时节流孔不起作用。从高频到低频的过程实际上 是一个系统阻尼从 & ( " 变化到 & ( 4 、 系统的刚度从 大到小的过程, 这样理论上就能实现低频共振点处大 [ 5] 阻尼小刚度, 而高频时小阻尼高刚度的理想状况 。
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为常数时, 其自然频率为固定值, 而与负载质量大小无 非常 关。这样就将负载与隔振器进行了有效的解耦, 适合制造通用化隔振器商品。 ,-./0102 的出现使空气弹簧更有效地消除横向 ( 图 $8) 。理论上系统的共振频率只和钢索的长 振动 通过调整钢索长度等参数就可以实现调整横 度有关, 向隔振的自然频率, 而与负载质量无关, 实现了构造低 固有频率和与负载无关隔振器的要求。 目前双腔室空气弹簧和 ,-./0102 组合是各大商 业隔振器的主流产品。 如 9:; 公司的 <=2831 >=?@A. 固有频率垂直为 !7 % *+, 水平为 $ *+; 日本明立精机 的 BCB 系列固有频率垂直为 !7 ! *+, 水平为 "7 % *+; B, 系列水平和垂直固有频率为 $7 % *+。 值得一提的 是日本明立精机在隔振器小型化方面更为出色, 垂直 方向采用薄膜型空气弹簧, 水平方向采用独有的平行 摇摆机构实现了隔振器尺寸的小型化。 ( D-E3@=F- G@=HH.-?? :-IJ3.=?2 ) 负刚度系统 的隔振 是通过调节系统刚度参数实现的, 其原理如图 5 。 在 其轴末段可以沿水平方向自由滑 中间铰接的两根杆, 动。在这个组件的两端施加相向压力 * , 为使其稳定 在铰接处施加一定载荷 5 6 , 系统达到平衡状态。 定义 其刚度为载荷力与变形量的比值。因为系统的负载力 [ &] 和变形的方向相反, 所以称该系统为负刚度系统 。 :=.0?K 9-IJ.A1AEL 公司的 DBDM N K 9: 6 自由度隔振 平台就采用了这种结构, 其固有频率低至 "7 $ *+。 但 是其负载能力较小, 主要用于测量设备的隔振。
测试。测试分成被动空气弹簧的垂直方向隔振测试和 主动隔振时垂直方向隔振测试。 通过图 = 和图 5 可以看出, 被动隔振对于超低频 而对于较高频 段 !) +, 以下的振动的隔离效果较差, 的振动隔离效果较好, 同时共振点处峰值较大。 而主 动隔振则较好地解决了 !) +, 以下超低频的振动抑制 !) +, 时系统响应就迅速衰减到输入的 ;N< , 问题, 同 时从曲线上看主动隔振后系统的响应更为平稳。
超精密系统中主被动隔振技术的应用及 隔振性能测试分析
徐登峰
( 清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所, 北京 !"""%& ) 摘 要: 首先简述了隔振原理及隔振器的分类, 在此基础上介绍了选用隔振器的基本原则, 并介绍了世界上 , 几款优秀的隔振器 最后对一款日本明立精机主动隔振平台的隔振效果进行了测试与分析。 主动隔振 隔振器 平台
。 隔振器的 (!)
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。 产生作用力的作动器可以
是压电陶瓷、 液压元件、 气动元件和电动元件等。对于 低频振动, 主动隔振器通过伺服控制作动器实现低频 共振峰值的最小化。 主动隔振的出现也能解决另外一个问题。 图 !H 中曲线 I 为系统对于负载振动的响应曲线。定义系统 ( -) , 系统对负载扰 对地面振动传递函数为补敏感率 , ( -) , 动传递函数乘以质量 & 为敏感率 . 表示为 I &/ ’ &. ( -) $ $ (&) 0 ( -) &-I * "- * !
隔振器
性能 * +, 水平 !4 ! 垂直 )4 5 (4 5 ( ( ;)< ) !) ( ;;< ) ( ( ;)< ) !) ( ;;< ) ( ( ;)< ) 承载 * -. 6)) 58) 9 !6 ))) * 组 =) 9 (= 5)) * 组 !5) !>( 9 ( )=5 * 隔振器
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())5 孙麟治, 李鸣鸣, 程维明4 精密定位技术研究4 光学精密工程, ( !6 ) :, 8; 9 N5 叶树亮, 谭久彬4 具有纳米分辨力二维超精密定位系统的研制4 哈尔 ())5 , 6N ( !! ) 滨工业大学学报,
( 空气 ) ; * 为压力; ( 为刚度; 0 式中: " ( &2 3 &4 ( !7 & 1 为腔室高度。 为有效载荷; (6) 从式 中可以看出当空气弹簧有效腔室高度 1
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结语
隔振技术和隔振器的重要性受到越来越多的重 视, 并在我国超精密机械、 光学、 测试等行业发挥重要 的作用。目前, 国外的隔振器尤其是主动隔振器产品 在技术上和产品性能上居于领先地位, 能够很好地满 足技术需要。对一款主动隔振平台的测试表明, 其实 际隔振效果较为理想, 可以保证超精密机械等系统的 隔振要求。 参
随着超精密机械、 光学及 O; 制造的发展, 被动隔 振不能完全满足对超低频振动和运动负载扰动的隔振 要求, 需要采用主动隔振来解决这些问题, 并根据不同 对象采取不同的控制策略实现隔振目的。但是商业化 主动隔振器的出现除了作动器技术的发展外, 还依赖 双腔室空气弹簧固有频率为 !. # 于控制理 论 和 隔 振 器 控 制 与 负 载 解 耦 技 术 的 解 决。 9:; 公司的 G9B9O;G$""" 隔振器通过零极点配置实 /" 1 (6) 现了 负 载 和 隔 振 器 控 制 的 解 耦, 起 始 隔 振 频 率 "7 5 $ *+ 能实现 P"Q 的隔振, *+, 单个单元最大承载 $ @。 同样优秀的还有日本明立精机公司, 它的 :B,G 系列 $ 起始隔振频率 "7 5 *+, 产品一样实现了负载的解耦, *+ 能实现 P"Q 的隔振, 其单个最大承载能达到 6 @, 优
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本项目隔振平台选用及试验
根据本实验室项目中超精密运动平台的需要, 需 ( 5 9 6) +, ) 隔除低频大地脉动 和较高频的负载扰动, 选择了明立精机的 %$$ K !))N 主动隔振平台。 该主 动隔振平台采用了 = 个空气弹簧和 = 个直线电动机并 列布置型式, 空气弹簧可以独立工作, 其主要参数为有 !) +, 减振效率甚至能 效隔振频率 ( +,, 承载 !5) -., 达到 ;;< 。 为 了验证隔振平台的实际隔振效果 , 进行了隔振
总体上, 国外厂商的产品序列齐全, 涵盖了各个领 域的需求, 技术水平处于行业领先地位。 他们的产品 包括了被动隔振器、 主动隔振器及其特殊定制商品, 而 且产品的各项细节和附件技术也非常到位。以日本明 立精机为例, 其隔振器材料采用了减振性能良 好 的 !?LM 凝胶状物质, 多数隔振平台都配备自动调节水 平的传感器, 各系列隔振器都有考虑在净化间使用的 经过特殊结构设计的型号, 在附件上还可以提供组装 式净化间、 暗室、 静音压缩机甚至手压泵。
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