用于超微定位机构的被动隔振系统的研究

　　1 引言

　　随着科学技术的发展,在超精加工、机器人装配、微电子工程、生物工程、纳米科学与技术等领域迫切需要亚微米以至纳米级的超微定位技术。超微定位技术已成为精密机械和精密工程的关键技术之一,尤其适合80年代出现的纳米科学与技术领域,超微定位技术已成为扫描探针显微技术(SPM)的核心技术之一,是实现纳米加工和纳米扫描测量的基础。以柔性铰链为弹性导轨,压电、电致伸缩器件为微位移驱动器是实现纳米级分辨力定位的有效方法,所构成的超微定位机构具有纳米级的定位分辨力;然而,对于纳米级定位分辨力的超微定位机构来说,外界环境振动的影响是不容忽视的,必须采取相应的隔振方法增强超微定位机构抗振动干扰的能力。环境振动分为两类:自然振源产生的振动和人工振源产生的振动,前者永远存在,振幅为几十到几百纳米且振动频率在2~3 Hz左右,后者取决于人为因素,振幅变化较大且振动频率在1~100Hz左右[1]。超微定位机构对频率在1~100Hz左右的振动较为敏感[2],必须针对这一振动频率范围设计隔振系统。在精密机械与仪器中,常采用的隔振方式是主动隔振法[3],主动隔振方式造价昂贵且其可靠性也受到一些条件的限制[4],本文针对超微定位机构的需要,设计了一种造价低廉的被动隔振系统,经测试使用该被动隔振系统的超微定位机构具有纳米级的微位移定位分辨力。

　　2 二维超微定位机构动力学模型

　　2.1 二维超微定位机构动力学模型

　　二维超微定位机构可简化为图1所示的质量--弹簧--阻尼二阶系统[5],kA为传动部件刚度,kB为柔性铰链弹性导轨刚度,m为定位机构的运动质量,L为阻尼系数。当输入微位移为x(t)时,输出微位移为y(t),系统动力学方程为:

式中:G(s)--系统传递函数;

　　ζ--阻尼比,

　　ωn--系统无阻尼自然角频率;

　　k--放大系数

　　s--复频率。

　　下面研究在外界振动的情况下,定位机构的动态输出响应。

　　设定位系统的输入微位移为:

　　X--输入微位移信号角频率;

　　ωd--系统阻尼自然角频率,

　　x0--输入微位移信号最大幅值;

　　其它参数意义同式(2)。

　　由式(5)可知,输入信号为外界振动时,系统输出微位移响应由按指数衰减的阻尼振动和有阻尼的谐振动组成,当外界振动频率和定位工作台的固有频率相等时,即ω=ωn,且系统阻尼比ζ又很小时,系统将产生谐振,并严重影响定位机构的稳定性,因此为提高定位机构抗外界振动干扰能力,必须提高定位机构的固有频率ωn和系统的阻尼比ζ,采取有效的隔振措施大幅度地减小外界振动输入的幅度,有效地抑制系统的振动,并设计用于定位机构的隔振系统以保证系统的稳定性。