超精密隔振平台主动振动控制系统设计

　　在精密加工和测试过程中,环境及设备的振动对加工精度和测试结果有很大的影响,特别是在微制造技术快速发展的今天,超大规模集成芯片的生产,对设备的隔振提出了严格的要求。在对一般设备的隔振过程中,由于被动隔振装置结构简单,能很好地隔离高频振动,因此,大多采用被动隔振即可满足要求,但对于超精密隔振平台,由于隔振要求很高,采用被动隔振方法,将无法达到良好隔振的效果,特别是对低频区部分的振动消除比较困难,而采用主动隔振能够很好地解决这些问题。综合这些因素,采用主动隔振的技术,设计了一套基于双向电磁作动器[1]的超精密隔振平台主动振动控制系统,仿真分析表明,该系统具有良好的隔振效果。

　　1　超精密隔振平台的结构模型

　　系统采用具有一定刚度k和阻尼c的空气弹簧作为弹性和阻尼元件,由于空气弹簧具有较低的刚度,可以对高频振动部分进行有效隔离(如图1)。在这里空气弹簧起到了支撑工作平台的重力和隔离地面高频振动的作用。

　　采用双向电磁作动器作为致动元件,系统的主动振动控制过程[3]如图2:传感器检测出振动信号,经过反馈系统的信号传输、放大、滤波、A/D转换、分析处理、D/A转换、功率放大以控制执行机构。当传感器检测出隔振平台有向上振动的信号时,作动器相应地对平台产生向下作用的力;反之,当隔振平台向下振动时,作动器相应地对平台产生向上作用的力,从而消除平台的振动,达到隔振的目的。

　　2　超精密隔振平台的动力学分析

　　质量为m的隔振平台,受到作动器的力为F,平台的运动位移为y1,底座的运动位移为y0,则超精密隔振平台的动力学方程为:

　　3　双向电磁作动器的设计

　　作动器是实现主动振动控制的关键部件,目前应用于控制领域的作动器,按其工作原理主要可分为两类,一类是基于材料的机敏性实现致动的作动器;另一类是基于结构的机理实现致动的作动器[2]。各类作动器的名称、工作原理、主要性能和应用场合如表1:

　　所设计的双向电磁作动器如图3所示,上支撑体1和下支撑体5分别与平台和底座相连,在支撑体上分别绕有线圈2,支撑体之间装有预紧弹簧3和弹簧缸体4组成的结构,该结构与支撑体之间固定连接。当平台振动时,振动信号由传感器传输到控制单元,经处理和放大控制作动器中线圈电流的大小和方向,产生相应的控制力以消除平台的振动。如图4所示,当平台向下振动时,通过控制电流的方向,在两线圈上下形成相斥的磁极,如图4a所示,由于磁力作用,阻止了平台向下振动;当平台向上振动时,则在两线圈上下形成相吸的磁极,如图4b所示,产生的磁场力阻止平台向上的振动。