專利名稱：一種載荷重心自適應(yīng)主動減振系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種載荷重心自適應(yīng)主動減振系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于精密減振領(lǐng)域，具體涉及一種載荷重心自適應(yīng)超精密主動減振系統(tǒng)。該減振系統(tǒng)除可用于光刻機外，還可用作精密加工設(shè)備、精密儀器、光學(xué)實驗設(shè)備、精密醫(yī)療設(shè)備等的隔振平臺。
背景技術(shù)：
[0002]隨著科技的發(fā)展，以光刻機、SEM、基因操作設(shè)備等為代表的超精密制造和測量設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛，其制造和測量的精度也越來越接近物理極限。在微/納加工(測量) 過程中，環(huán)境振動已成為制約加工(測量)精度的瓶頸。為了給超精密設(shè)備提供平穩(wěn)(超靜)的工作環(huán)境，超精密減振系統(tǒng)是不可或缺的基礎(chǔ)裝置。[0003]為了實現(xiàn)多個自由度上的減振，需要由三個(或三個以上)的減振器來組成減振系統(tǒng)。由于振動在多個自由度上的耦合，在減振系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)需要用到模態(tài)解耦矩陣，來實現(xiàn)解耦控制。現(xiàn)有精密減振系統(tǒng)中的解耦矩陣是根據(jù)已知載荷分布和減振器的位置確定的，將減振系統(tǒng)的重心位置視為恒定值，因此其模態(tài)解耦矩陣亦為固定式。然而在許多實驗中，減振系統(tǒng)所承受的載荷重心位置是隨機分布的，實驗前無法精確計算。例如，在光學(xué)實驗中，光學(xué)器件的分布應(yīng)滿足光路的幾何尺寸要求，其重心不能事先確定，更無法與精密減振平臺的幾何中心重合。在此情況下，減振系統(tǒng)的實際模態(tài)解耦矩陣與設(shè)計過程中的模態(tài)矩陣不同，因此導(dǎo)致減振系統(tǒng)的減振效果降低。[0004]其次，在某些加工(測量)過程中，減振系統(tǒng)所承受的載荷重心位置是隨時變化的。例如，在光刻機的工作過程中，掩模臺和硅片沿Y方向以一定的速比反向運動。完成一場曝光后，硅片臺沿X方向步進到下一場并繼續(xù)曝光。由此可見，掩模臺和硅片臺在工作過程中一直在水平面內(nèi)往復(fù)運動，這將造成掩模臺和硅片臺在水平面內(nèi)的偏轉(zhuǎn)，減振系統(tǒng)的負載重心位置隨時發(fā)生變化。在此情況下，同樣會導(dǎo)致減振系統(tǒng)實際模態(tài)解耦矩陣的變化， 從而影響減振效果。特別是當(dāng)運動件的質(zhì)量較大時，對減振控制的影響尤為明顯。實用新型內(nèi)容[0005]本實用新型的目的是提供一種載荷重心自適應(yīng)超精密減振系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動適應(yīng)載荷重心的變化，使減振系統(tǒng)始終保持好的減振效果。[0006]本實用新型提供的所述減振系統(tǒng)由三個減振器和一個等邊三角形的減振平臺所組成；以減振平臺的幾何中心為圓心，三個減振器呈120度角均布在同一圓周上；所述減振器它包括載荷傳感器，用來實現(xiàn)對水平方向的減振的被動減振部件，以及用來實現(xiàn)對垂直方向的減振的主動減振單元，主動減振單元和被動減振單元為串聯(lián)關(guān)系，載荷傳感器安裝在減振器的任意軸向力位置。[0007]本實用新型提供的載荷重心自適應(yīng)超精密減振系統(tǒng)由3個減振器組合而成，能進行X、Y、Z三個平動方向以及RX、RY、RZ三個轉(zhuǎn)動方向的減振控制，實現(xiàn)對低頻和超低頻擾動的有效抑制和高頻振動的衰減，并能實現(xiàn)在ζ方向的精確定位和調(diào)平功能。本實用新型所提供的減振系統(tǒng)具有載荷自動測量、重心自動計算、模態(tài)解耦矩陣自動生成、控制解耦矩陣自動更新的功能，克服了傳統(tǒng)減振系統(tǒng)無法適應(yīng)載荷重心變化的缺點，能使減振系統(tǒng)始終保持好的減振效果。[0008]本實用新型可以為光刻機、精密加工設(shè)備、精密儀器、光學(xué)實驗設(shè)備、精密醫(yī)療設(shè)備等提供平穩(wěn)(超靜)的工作環(huán)境。具體而言，本實用新型具有如下的技術(shù)效果[0009](1)單個減振器采用主動減振和被動減振并聯(lián)的方式，用空氣彈簧實現(xiàn)被動減振， 用洛侖茲(Lorentz)電機實現(xiàn)主動減振。減振器具有低的固有頻率，能對固有頻率以上的振動有效地衰減。[0010](2)被動減振單元通過空氣彈簧與壓力控制閥組合的方式，根據(jù)減振平臺的狀態(tài)反饋，通過壓力控制閥自動改變氣體壓力，提供被動阻尼。被動減振裝置可實現(xiàn)在低頻時的大阻尼和高頻時的小阻尼，改善固有頻率處的隔振效果，并提供高頻處的較高衰減率。[0011](3)由于采用了較大容積的壓力腔，有效地降低了減振器的垂向剛度，可以緩解被控對象運動或振動時對空氣彈簧的沖擊，使被控對象的運動更平穩(wěn)。[0012](4)采用擺結(jié)構(gòu)實現(xiàn)被動裝置水平方向的低剛度，降低水平方向的固有頻率，有效地實現(xiàn)對低頻振動的衰減。[0013](5)采用3個減振器的組合，實現(xiàn)六自由度的振動衰減控制。通過精密載荷傳感器 (或壓力傳感器)，可以測量單個減振器承受的載荷。通過3個減振器的位置分布關(guān)系，實時計算載荷的重心位置，自動生成模態(tài)解耦矩陣，更新控制算法。減振系統(tǒng)能自動適應(yīng)載荷重心的變化，保持好的減振性能。


[0014]圖1為本實用新型提供的精密減振器的結(jié)構(gòu)示意圖；[0015]圖2為減振系統(tǒng)布置方式；[0016]圖3為減振系統(tǒng)非理想情況下中心分布；[0017]圖4為本實用新型中載荷重心自適應(yīng)控制算法流程圖。
具體實施方式
[0018]本實用新型提供的精密減振器包括被動減振部件、主動減振單元以及載荷傳感器。所述被動減振部件包括擺機構(gòu)。主動減振單元包括空氣彈簧，壓力控制閥和速度傳感器，位置傳感器，洛侖茲電機。主動單元和被動單元為串聯(lián)關(guān)系。其中被動部件用來實現(xiàn)對水平方向的減振，主動減振單元用來實現(xiàn)對垂直方向的減振。[0019]以下結(jié)合設(shè)計實例和附圖進一步說明本實用新型的結(jié)構(gòu)和工作原理。[0020]本實用新型所提供的擺機構(gòu)由擺桿19和擺盤20所組成。擺桿19是三根直徑和長度均一致的細長桿，下端與擺盤20固連，呈120度角均布。上端與活塞罩15固連，呈120度角均布。擺機構(gòu)具有很小的水平剛度，能有效地降低固有頻率，實現(xiàn)水平方向的被動減振。[0021]本實例提供的主動減振單元具體包括空氣彈簧、壓力控制閥、水平向洛侖茲電機、 垂向洛侖茲電機、水平向速度傳感器11、垂向速度傳感器10、水平向位置傳感器6、靶板7以及垂向位置傳感器14。[0022]如圖1所示，本實用新型所提供的空氣彈簧由氣室1、活塞罩15、活塞17、密封膜3以及壓環(huán)16所組成?；钊?5、活塞17位于氣室1內(nèi)。密封膜3以凸起的部分A為分界線，中間部分稱之為內(nèi)圈，邊緣部分稱之為外圈。密封膜3的內(nèi)圈位于活塞罩15與活塞17 之間，活塞罩15與活塞17用螺釘固連，壓緊密封膜3的內(nèi)圈，形成無泄漏的活塞整體。密封膜3的外圈位于壓環(huán)16與氣室1的上法蘭盤之間，壓環(huán)16與氣室1的上法蘭盤用螺釘固連，壓緊密封膜3的外圈，形成無泄漏的氣室。氣室的側(cè)壁上開有裝氣嘴的進氣孔2?；钊?位于氣室1的頂部，并與活塞桿18固定連接。[0023]當(dāng)壓縮氣體通過進氣孔2上安裝的氣嘴進入氣室1時，由于密封膜3凸起部分A的冗余以及膜的彈性，活塞罩15與活塞17整體向上移動，從而帶動活塞桿18和活塞板8(與減振平臺連接)向上移動，形成單腔室空氣彈簧。[0024]通過進氣孔2外部的壓力控制閥，根據(jù)被減振對象的狀態(tài)，可調(diào)節(jié)氣室1內(nèi)部的空氣壓力，實時改變空氣彈簧的剛度和阻尼。本實用新型能設(shè)計成較大的氣室，有效地降低空氣彈簧的垂向剛度，減小其固有頻率，對振動信號進行有效的隔離。[0025]水平向洛侖茲電機的定子12與活塞板8固連，水平向洛侖茲電機的動子13與壓環(huán)16固連，動子與定子間無機械接觸。垂向洛侖茲電機的定子5與活塞板8固連，垂向洛侖茲電機動子4與壓環(huán)16固連，動子與定子間無機械接觸。水平向速度傳感器11和垂向速度傳感器10分別安裝在活塞板8上。水平向位置傳感器6和垂向位置傳感器14分別安裝在壓環(huán)16上，靶板7安裝在活塞板8上。[0026]當(dāng)水平方向上出現(xiàn)微小振動時，水平向洛侖茲電機根據(jù)水平向速度傳感器11和水平向位置傳感器6的測量信號，對與減振平臺相連的活塞板8施加作用力，實時提供主動阻尼，實現(xiàn)水平方向上的主動控制。[0027]當(dāng)垂直方向上出現(xiàn)微小振動時，垂向洛侖茲電機根據(jù)垂向速度傳感器10和垂向位置傳感器14的測量信號，對與減振平臺相連的活塞板8施加作用力，實時提供主動阻尼， 實現(xiàn)垂直方向上的主動控制。[0028]本實用新型提供的主動減振單元具有體積小、重量輕、無機械摩擦以及響應(yīng)速度快等特點，使主動減振機構(gòu)更為緊湊和簡單。[0029]本實用新型所提供的載荷傳感器9安裝在活塞桿18和活塞板8之間，用于測量單個減振器的軸向載荷。載荷傳感器9也可以安裝在減振器的任意軸向力位置。[0030]如圖2所示，在本實用新型的具體實施中，減振系統(tǒng)由三個減振器21、22、23和一個等邊三角形的減振平臺對所組成。以減振平臺M的幾何中心為圓心，三個減振器呈120 度角均布在同一圓周上。當(dāng)減振平臺的質(zhì)量均勻，且平臺上被減振設(shè)備的重心與減振平臺的幾何中心重合時，則每個減振器上的載荷傳感器測得的載荷量相同，減振系統(tǒng)的重心即為減振平臺的幾何中心。[0031]如圖3所示，當(dāng)減振平臺的質(zhì)量不均勻，或平臺上被減振設(shè)備的重心與減振平臺的幾何中心不重合時，則每個減振器上的載荷傳感器測得的載荷量不同，減振系統(tǒng)的實際重心對減振平臺幾何中心的偏移量可由三個減振器的載荷量、尺寸L以及R計算獲得，即根據(jù)對χ軸和y軸力矩的平衡，可以列出如下方程[0032]F2R+ (Fi+F^Fg) Δ χ+ (F^F3) R/2 = 0[0033]FiL/2+ (Fi+F^Fg) Δ y-F3L/2 = 0[0034]其中Fi、F2、F3為單個減振器承受的載荷；L為減振平臺的邊長；R為減振器幾何中心至減振平臺幾何中心的距離。[0035]本實用新型所提供的載荷重心自適應(yīng)技術(shù)在減振系統(tǒng)中的實現(xiàn)過程為當(dāng)減振系統(tǒng)上電時，首先進行減振平臺的調(diào)平，當(dāng)調(diào)整精度達到設(shè)定值時，調(diào)平結(jié)束；隨后，系統(tǒng)開始讀取三個載荷傳感器的測量值，根據(jù)所獲得的軸向載荷以及減振器的位置參數(shù)(L與R)計算減振系統(tǒng)的重心位置；然后，根據(jù)獲取的重心位置列出動力學(xué)方程，建立減振系統(tǒng)的模態(tài)解耦矩陣；最后，在獲取模態(tài)解耦矩陣的基礎(chǔ)上，對控制算法中的解耦矩陣進行更新，從而自動適應(yīng)載荷重心的變化，保證控制性能的有效性。載荷重心自適應(yīng)控制算法流程如圖4 所示。[0036]上述減振系統(tǒng)的減振平臺亦可為圓形、矩形等，其載荷重心自適應(yīng)原理適用于繞減振平臺幾何中心呈等邊三角形分布的三點支撐式結(jié)構(gòu)。[0037]以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應(yīng)該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
權(quán)利要求1.一種載荷重心自適應(yīng)主動減振系統(tǒng)，其特征在于，所述減振系統(tǒng)由三個減振器01、 22,23)和一個等邊三角形的減振平臺04)所組成；以減振平臺04)的幾何中心為圓心， 三個減振器呈120度角均布在同一圓周上；所述減振器它包括載荷傳感器，用來實現(xiàn)對水平方向的減振的被動減振部件，以及用來實現(xiàn)對垂直方向的減振的主動減振單元，主動減振單元和被動減振單元為串聯(lián)關(guān)系，載荷傳感器(9)安裝在減振器的任意軸向力位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的載荷重心自適應(yīng)主動減振系統(tǒng)，其特征在于，所述被動減振部件為擺機構(gòu)，擺機構(gòu)包括擺桿(19)和擺盤OO)；擺桿(19)是三根直徑和長度均一致的長桿，下端與擺盤OO)固連，呈120度角均布；上端與活塞罩(1 固連，呈120度角均布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的載荷重心自適應(yīng)主動減振系統(tǒng)，其特征在于，所述主動減振單元包括空氣彈簧、壓力控制閥、水平向洛侖茲電機、垂向洛侖茲電機、水平向速度傳感器(11)、垂向速度傳感器(10)、水平向位置傳感器(6)、靶板(7)以及垂向位置傳感器 (14)；所述空氣彈簧由氣室⑴、活塞罩(15)、活塞(17)、密封膜(3)以及壓環(huán)(16)所組成， 活塞罩(15)和活塞(17)位于氣室⑴內(nèi)，密封膜(3)以凸起的部分㈧為分界線，中間部分稱之為內(nèi)圈，邊緣部分稱之為外圈；密封膜(3)的內(nèi)圈位于活塞罩(15)與活塞(17)之間，活塞罩(1 與活塞(17)固連，壓緊密封膜C3)的內(nèi)圈，形成無泄漏的活塞整體；密封膜 (3)的外圈位于壓環(huán)(16)與氣室(1)的上法蘭盤之間，壓環(huán)(16)與氣室(1)固連，壓緊密封膜(3)的外圈，形成無泄漏的氣室；氣室的側(cè)壁上開有裝氣嘴的進氣孔0)，進氣孔(2) 上設(shè)置有壓力控制閥；活塞板(8)位于氣室(1)的頂部，并與活塞桿(18)固定連接；水平向洛侖茲電機的定子(1 與活塞板(8)固連，水平向洛侖茲電機的動子(13)與壓環(huán)(16)固連，動子與定子間無機械接觸，垂向洛侖茲電機的定子( 與活塞板(8)固連， 垂向洛侖茲電機動子(4)與壓環(huán)(16)固連，動子與定子間無機械接觸；水平向速度傳感器 (11)和垂向速度傳感器(10)分別安裝在活塞板⑶上；水平向位置傳感器(6)和垂向位置傳感器(14)分別安裝在壓環(huán)(16)上，靶板(7)安裝在活塞板(8)上。
專利摘要本實用新型公開了一種載荷重心自適應(yīng)主動減振系統(tǒng)。由三個減振器和一個等邊三角形的減振平臺所組成；以減振平臺的幾何中心為圓心，三個減振器呈120度角均布在同一圓周上；減振器包括載荷傳感器，用來實現(xiàn)對水平方向的減振的被動減振部件，以及用來實現(xiàn)對垂直方向的減振的主動減振單元，主動減振單元和被動減振單元為串聯(lián)關(guān)系，載荷傳感器安裝在減振器的任意軸向力位置。本實用新型能在載荷重心偏離減振平臺幾何中心的情況下，保持良好的減振性能。該減振系統(tǒng)除可用于光刻機外，還可用作精密加工設(shè)備、精密儀器、光學(xué)實驗設(shè)備、精密醫(yī)療設(shè)備等的隔振平臺。
文檔編號F16F9/02GK202326896SQ20112045464
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者周振華, 徐振高, 李子龍, 蒲華燕, 陳學(xué)東 申請人:華中科技大學(xué)