超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主動(dòng)隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型理論與實(shí)驗(yàn)研究*

林海波，楊國哲

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000;2.臺(tái)州市機(jī)電一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臺(tái)州 318000;3.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110023)

超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主動(dòng)隔振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型理論與實(shí)驗(yàn)研究*

林海波1，2，楊國哲3

(1.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江臺(tái)州 318000;2.臺(tái)州市機(jī)電一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臺(tái)州 318000;3.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110023)

超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)帶不確定非線性系統(tǒng)。搭建了精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)減振系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種以空氣彈簧為隔振元件，主/被動(dòng)隔振在主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振之間通過開啟電源進(jìn)行切換的系統(tǒng)，分析并構(gòu)建了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)平臺(tái)的主動(dòng)隔振系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試研究。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了主動(dòng)隔振系統(tǒng)可行性，有效提高了加工系統(tǒng)的隔振效果，為平臺(tái)進(jìn)行高精密加工提供了保證，同時(shí)，為主動(dòng)隔振系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究提供了一種方法。

直線電機(jī);主動(dòng)隔振;超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

0 引言

日益加劇的市場競爭對(duì)機(jī)械產(chǎn)品制造周期要求很短，工業(yè)產(chǎn)品零件朝微型化和精密化發(fā)展，各種微小尺寸的零件也越來越多，對(duì)微加工提出了更高的技術(shù)要求，使微細(xì)加工技術(shù)成為更多領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵。精密、超精密加工技術(shù)成為衡量一個(gè)國家綜合國力的象征［1-2］，應(yīng)用前景十分廣闊。在超精密加工設(shè)備領(lǐng)域，高性能超精密定位系統(tǒng)占據(jù)著重要的地位。高性能的超精密系統(tǒng)通常由工作臺(tái)及其減振系統(tǒng)，精密定位系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等組成。其中，減振與隔振成為精密機(jī)械加工中保證質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)設(shè)備工作環(huán)境和平臺(tái)自身的設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求，檢測(cè)及加工過程中要求在一個(gè)具有良好隔振性能的測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行，否則，微小振動(dòng)都會(huì)影響平臺(tái)的工作性能［3］。振動(dòng)是影響超精密機(jī)床加工精度的重要因素，需要充分考慮隔離基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)超精密機(jī)床的影響，因此，研發(fā)具有高速度、高穩(wěn)定性、高精度的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有十分重要的意義。

通過對(duì)國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的參考和研究，國內(nèi)外大多采用空氣彈簧作為隔振元件進(jìn)行振動(dòng)隔離，并取得了良好的效果。本研究的隔振方案采用了主動(dòng)振動(dòng)隔離系統(tǒng)，為微納米測(cè)量及加工提供一個(gè)良好的隔振環(huán)境，進(jìn)行了模型構(gòu)建，并對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了隔振系統(tǒng)主動(dòng)隔振性能的測(cè)試分析與實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動(dòng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的精密定位移動(dòng)，工作平臺(tái)的行程為150mm×150mm×100mm。由花崗巖平臺(tái)、橋架、X/Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及Z向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所構(gòu)成。機(jī)架采用的材料為“濟(jì)南青”花崗巖，其具有特有的吸震性和熱穩(wěn)定性，相比于普通的其它材料更符合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的要求。平臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向的結(jié)構(gòu)安排采用下述方案，即X軸直線平臺(tái)在水平面內(nèi)垂直疊放于Y軸上，Z軸平臺(tái)固定于的龍門型立柱上，通過分別啟動(dòng)X，Y方向的壓電陶瓷電機(jī)的觸頭摩擦電機(jī)陶瓷條，使工作臺(tái)同氣浮導(dǎo)軌上的氣浮套一起沿導(dǎo)軌在X，Y方向上來回移動(dòng)，如圖1所示。在豎直方向上，平臺(tái)的自身重量比較大，而選用的精密陶瓷電機(jī)的負(fù)載能力有限，對(duì)于Z向平臺(tái)的自重采用滑輪配重結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行平衡。通過Ansys分析對(duì)比C形和龍門型兩種機(jī)架的工作載荷變形，發(fā)現(xiàn)C形機(jī)架在同樣載荷作用下變形是龍門型載荷的5倍以上，如圖2所示，本結(jié)構(gòu)采用龍門型機(jī)架的結(jié)構(gòu)。

微位移機(jī)構(gòu)是定位系統(tǒng)進(jìn)給元件，也是工藝系統(tǒng)誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)微量位移傳統(tǒng)的方法可以用機(jī)械傳動(dòng)、彈性變形、液壓傳動(dòng)、磁致收縮和熱致收縮等原理，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域取得很好效果。但存在著諸如傳動(dòng)鏈長、接觸剛度比較低、存在爬行、摩擦、磨損、彈性變形以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分辨率和定位精度不高、不便計(jì)算機(jī)控制等缺點(diǎn)［4］。在傳動(dòng)上采用"直線電機(jī)(蠕動(dòng)式直線電機(jī))+滾動(dòng)導(dǎo)軌"，采用以色列Naomotino公司的壓電陶瓷電機(jī)(Ls8-1-3s系列電機(jī))作為驅(qū)動(dòng)，減少運(yùn)動(dòng)傳遞的中間環(huán)節(jié)，同時(shí)直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)很低，保證了平臺(tái)在低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。LS系列電機(jī)具有很高的重復(fù)定位精度和定位零伺服抖動(dòng)的穩(wěn)定性能，反饋系統(tǒng)選擇RENISHAW的RGH25光柵。

圖1 XYZ精密平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)及X/Y平臺(tái)詳細(xì)結(jié)構(gòu)

圖2 兩個(gè)型式平臺(tái)的靜態(tài)力變形分析

2 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型研究

研究采用了兩級(jí)隔振臺(tái)組成的隔振系統(tǒng)。第一級(jí)是日本明立精機(jī)ATT—1007型隔振平臺(tái)，第二級(jí)是“濟(jì)南青”花崗巖制作的機(jī)架隔振臺(tái)，精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)被安裝在該花崗巖機(jī)架上。采用ATT—1007主動(dòng)隔振臺(tái)，其主/被動(dòng)通過開啟在主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振之間的電源進(jìn)行切換，當(dāng)ATT—1007型隔振平臺(tái)在主動(dòng)隔振工作時(shí)，通過與振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一起構(gòu)成的閉環(huán)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)，輸出的控制信號(hào)驅(qū)使隔振平臺(tái)中空氣彈簧的阻尼與剛度發(fā)生變化，從而達(dá)到有效消除由平臺(tái)底座傳遞來的各種頻率范圍的振動(dòng)干擾力。超精密隔振平臺(tái)的隔振系統(tǒng)可簡化為圖3所示的二自由度線性系統(tǒng)模型［5-7］。圖中m1表示超精密隔振平臺(tái)與平臺(tái)上精密設(shè)備的總質(zhì)量;m2為平臺(tái)底座的質(zhì)量;k1、c1分別表示花崗巖的剛度系數(shù)與粘性阻尼系數(shù);k2、c2分別表示空氣彈簧的等效剛度系數(shù)和粘性阻尼系數(shù);fd表示作用在超精密隔振平臺(tái)上的直接干擾力;x0表示外界環(huán)境振動(dòng)引起的基礎(chǔ)干擾位移;x1、x2分別表示超精密隔振平臺(tái)和平臺(tái)底座的振動(dòng)位移，ATT—1007型隔振平臺(tái)控制彈簧阻尼系數(shù)與剛度系數(shù)分別受控制器控制信號(hào)的作用 c2= λ1·i，k2= λ2·i，式中，i表示控制器的輸出控制電流;λ1，λ2分別表示阻尼系數(shù)與剛度系統(tǒng)因子［8-11］。傳感器測(cè)得隔振平臺(tái)m1的位移x1，其信號(hào)由控制器進(jìn)行放大和變換，產(chǎn)生控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制閥門使改變空氣彈簧的阻尼與剛度系統(tǒng)，從而使隔振平臺(tái)獲得恰當(dāng)?shù)淖枘崤c剛度減少平臺(tái)的振動(dòng)。

圖3 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

隔振系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:

將(1)寫成狀態(tài)方程形式:

式(2)也可寫成

式中，x(t)——狀態(tài)變量;

w(t)——系統(tǒng)干擾;

u(t)——控制信號(hào);

y(t)——測(cè)量輸出。

3 主動(dòng)隔振平臺(tái)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)隔振系統(tǒng)的隔振效果以及對(duì)超精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精度的保障作用，分析主動(dòng)隔振對(duì)加工精度的影響，研究對(duì)兩級(jí)隔振平臺(tái)組成的隔振系統(tǒng)進(jìn)行隔振性能分析。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，將兩個(gè)相應(yīng)方向的99-1超低頻拾振器分置于ATT—1007的臺(tái)面上和設(shè)備下的地面上。

主動(dòng)隔振的垂直方向隔振測(cè)試結(jié)果曲線如圖4所示(此時(shí)ATT—1007內(nèi)部空氣彈簧同時(shí)開啟)。圖4a表示地面和臺(tái)面上垂直方向加速度自譜的對(duì)比圖，圖4b表示地面和臺(tái)面上垂直方向振動(dòng)的傳遞函數(shù)圖。圖中實(shí)線(藍(lán))代表地面振動(dòng)，虛線(綠)代表ATT—1007臺(tái)面上的振動(dòng)。從圖中知，對(duì)80Hz以下的振動(dòng)，ATT—1007起到了比較好的隔振效果，在10Hz左右最大能達(dá)到的40dB。同時(shí)，大地本身就是一個(gè)有效的低通濾波器，能較有效地過濾掉高頻振動(dòng)，在測(cè)試中高頻振動(dòng)(約80Hz以上的部分)幅值非常小，隔振器的效果不明顯。

圖4 主動(dòng)隔振垂直向隔振測(cè)試

通過測(cè)試說明，表明ATT—1007的主/被動(dòng)隔振性能指標(biāo)達(dá)到了所期望的高精、大行程的隔振系統(tǒng)精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

本文對(duì)三維精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及隔振系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了研究，平臺(tái)傳動(dòng)方式上采用“直線電機(jī)(蠕動(dòng)式直線電機(jī))+滾動(dòng)導(dǎo)軌”和選擇RENISHAW的RGH25光柵作為反饋系統(tǒng)，建立了大行程和精密定位的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。給出一種基于空氣彈簧為被動(dòng)隔振元件，以超磁致伸縮致動(dòng)器作為主動(dòng)隔振元件，通過與檢測(cè)系統(tǒng)一起構(gòu)成閉環(huán)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)主/被動(dòng)隔振的動(dòng)力學(xué)模型。經(jīng)隔振測(cè)試顯示，超精密隔振平臺(tái)系統(tǒng)明顯降低在基礎(chǔ)干擾和直接干擾作用，有效提高了平臺(tái)的隔振效果，提高加工精度，精密運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精密運(yùn)動(dòng)是可以實(shí)現(xiàn)的。研究對(duì)主動(dòng)隔振技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有一定意義，同時(shí)，還可推廣至其他系統(tǒng)的研究中。

［1］賈寶賢，趙萬生，王振龍，等.微細(xì)電火花機(jī)床及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3):402-405.

［2］吳鑫，李勇，崔晶，等.三維微細(xì)電火花加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究［J］.電加工與模具，2005(4):5-9.

［3］楊輔強(qiáng)，吳運(yùn)新，鄧習(xí)樹.步進(jìn)掃描式光刻機(jī)隔振試驗(yàn)平臺(tái)主動(dòng)減振系統(tǒng)試驗(yàn)研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2008(4):3-5.

［4］李家賡.基于熱變形的納米級(jí)大進(jìn)給力驅(qū)動(dòng)部件的研究［D］.浙江大學(xué)，2005.

［5］張屹，竺長安，沈連婠，等.主動(dòng)隔振系統(tǒng)的并行設(shè)計(jì)方法研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，40(3):443-447.

［6］張屹，張虎，夏敏敏，等.基于精英策略遺傳算法的主動(dòng)隔振系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(1):67-69.

［7］朱大林，覃進(jìn)一，張屹，等.基于ADAMS與MATLAB的精密隔振平臺(tái)虛擬樣機(jī)仿真分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(4):16-19.

［8］浦軍，梅德慶，陳子辰.超精密隔振平臺(tái)主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20(7):31-33.

［9］Jing Yuan.Robust vibration control based on identified models［J］.Journal of Sound and Vibration，2004，269:3-17.

［10］陳玉瑜，芮執(zhí)元.用傳遞矩陣法分析機(jī)床主軸動(dòng)態(tài)特性［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(3):23-25，29.

［11］劉春時(shí)，孫偉，李小彭，等.數(shù)控機(jī)床整機(jī)振動(dòng)測(cè)試方法研究［J］. 中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，7(3):330-335.

Theory and Experimental Research on Dynamics Modeling of Active Vibration Isolation System for Ultra-Precision motion Platform

LIN Hai-bo1，2，YANG Guo-zhe3
(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Taizhou Vocational ＆ Technical College，Taizhou Zhejiang 318000，China;2.Key Laboratory of Mechatronics of Taizhou，Taizhou Zhejiang 318000，China)

Control system of vibration isolation is an uncertain and nonlinear system Ultra-precision platform.The vibration reduction system of the vibration isolation platform is designed.A device with air springs was designed in the system.Switch of passive and active isolation system carried out by the power supply，and analyzed and built a system dynamics model.The testing result indicates that the active vibration control system of the vibration isolation platform can reduce the vibration.It provides a nice vibration isolation environment and a new way for dynamics studies of active vibration isolation system，or relative systems.

linear motor;active vibration isolation;ultra-precision motion platform

TH115

A

1001-2265(2012)02-0033-04

2011-07-19;

2011-08-26

浙江省高校優(yōu)秀青年教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2010);臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題(2011ZD08);浙江教育廳科研項(xiàng)目(Y201122520)

林海波(1977—)，男，浙江臺(tái)州人，臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要研究方向:精密制造技術(shù)、虛擬制造技術(shù)等，(E-mail)linhaibo_tzvtc@163.com。

(編輯 趙蓉)