精密設(shè)備三級(jí)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究

戚江鳳 張穎

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著精密加工和精密測量技術(shù)的不斷發(fā)展，精密設(shè)備的應(yīng)用范圍也越來越廣，其精度也在不斷提高，對工作環(huán)境也有了更高的防微振要求。對要求較高的精密儀器及設(shè)備，只采取單一的措施無法實(shí)現(xiàn)防微振，要采取綜合措施。目前，國內(nèi)外學(xué)者和工程人員對防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已展開研究，沈國強(qiáng)等［1］采用主被動(dòng)控制相結(jié)合的方式,利用彈簧和橡膠墊來減隔高頻振動(dòng),利用超磁致伸縮作動(dòng)器作為主動(dòng)控制器來降低低頻振動(dòng),并對其進(jìn)行數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證,最終得到滿意的抑振效果。而對防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三級(jí)控制設(shè)計(jì)方法的研究相對較少，本研究設(shè)計(jì)三級(jí)微振動(dòng)控制方案，通過延長振動(dòng)傳遞路徑，并增設(shè)振動(dòng)傳遞屏障的方法，使振動(dòng)傳遞能量逐級(jí)消耗，最終實(shí)現(xiàn)微納級(jí)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，減小振動(dòng)對振敏對象（如精密設(shè)備等）的影響，促進(jìn)我國高精尖領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

1 微振動(dòng)控制技術(shù)原理

微振動(dòng)能產(chǎn)生微米量級(jí)的振動(dòng)位移、毫米每二次方秒量級(jí)的振動(dòng)加速度，其會(huì)使精密儀器及設(shè)備產(chǎn)生額外的相對運(yùn)動(dòng)，從而無法滿足使用要求。例如，在超精密磨削機(jī)床中，如果存在微振動(dòng)，會(huì)使零件表面產(chǎn)生多角形的輪廓形狀；在精密光學(xué)工程領(lǐng)域中，光學(xué)干涉顯微鏡和掃描電子顯微鏡等電鏡類精密光學(xué)儀器的分辨率已達(dá)到微米、亞微米量級(jí)，環(huán)境微振動(dòng)將導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)失真，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞儀器設(shè)備［2］。

被動(dòng)隔振由于構(gòu)造簡單、具備阻尼的特性，能減少共振頻率產(chǎn)生的響應(yīng)，對大于2倍固有頻率的外界振動(dòng)激勵(lì)有著可靠的隔振效果，但其對低頻及超低頻外界激勵(lì)隔振效果并不理想，且在對低頻外擾隔振時(shí)會(huì)遇到靜變形過大和失穩(wěn)問題，其隔振效果較差［3］。

主動(dòng)隔振技術(shù)是指能夠根據(jù)外界振動(dòng)激勵(lì)特性來采取相應(yīng)的控制策略，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器輸出控制力，從而達(dá)到隔振的目的。相比于被動(dòng)控制，其對低頻及超低頻外界激勵(lì)的主動(dòng)隔振效果優(yōu)良，但主動(dòng)隔振控制的成本稍高。主動(dòng)隔振元件的形式有壓電陶瓷式、磁致伸縮式、形狀記憶合金式等。

2 三級(jí)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理論

在簡諧激勵(lì)的作用下，單自由度體系的位移反應(yīng)系數(shù)表達(dá)式見式（1）。

式中：u0為振動(dòng)位移幅值；(ust)0為振動(dòng)位移靜位移；ω為激振荷載頻率；ωn為系統(tǒng)固有頻率。

位移反應(yīng)系數(shù)Rd與頻率比ω/ωn的變化曲線見圖1。

由 圖1可 知，如 果 與 頻 率 比ω/ωn?1（即T?Tn，力是緩慢變化的），Rd比1稍大一些，基本與阻尼無關(guān)，因而u0≈(ust)0=P0/k，即動(dòng)力反應(yīng)的幅值基本上與靜位移相同，由體系的剛度控制；如果頻率比ω/ωn?1（即T?Tn，力是迅速變化的），則隨著ω/ωn的增加，Rd趨近于0，基本不受阻尼的影響，因而u0≈(ust)0ω2n/ω2=P0/mω2，即反應(yīng)由體系的質(zhì)量控制；如果頻率比ω/ωn≈1（即擾動(dòng)頻率接近于體系的固有頻率），則Rd對阻尼非常敏感，對較小的阻尼值，Rd可以是1的若干倍，這意味著動(dòng)力反應(yīng)的幅值比靜位移大許多。如果ω=ωn，則有u0=(ust)0/2ζ=P0/cωn，即反應(yīng)由體系的阻尼控制。

基于上述動(dòng)力學(xué)原理，振動(dòng)控制設(shè)計(jì)可分為偏向于質(zhì)量設(shè)計(jì)、偏向于剛度設(shè)計(jì)、偏向于阻尼設(shè)計(jì)3種設(shè)計(jì)導(dǎo)向分析。

2.1 大體積基礎(chǔ)防微振設(shè)計(jì)原理

由圖1可知，如果頻率比ω/ωn?1（即T?Tn，力是迅速變化的），則隨著ω/ωn的增加，Rd趨近于0，基本不受阻尼影響，因而u0≈(ust)0ω2n/ω2=P0/mω2，即反應(yīng)由體系的質(zhì)量控制。大體積混凝土即為質(zhì)量控制，故其體積越大質(zhì)量越大，隔振性能越好。

2.2 超低頻氣浮式控制設(shè)計(jì)原理

超低頻氣浮式控制裝置中的主要部件為空氣彈簧。空氣彈簧是一種內(nèi)部充氣的柔性密閉容器，利用空氣內(nèi)能變化從而達(dá)到隔振的目的，其通常由橡膠簾線膠囊、附加氣室和阻尼器三部分組成，按膠囊形式將其分為囊式、膜式和袖筒式?？諝鈴椈删哂泻艿偷膭偠燃翱烧{(diào)節(jié)的阻尼值，使隔振系統(tǒng)具有很低的固有振動(dòng)頻率和較高的阻尼性能。因此，其具有良好的隔振效果及防撞效果，特別適用于精密設(shè)備及儀器的被動(dòng)隔振。

作為一種變剛度隔振原件，空氣彈簧的剛度隨著承載的不同而發(fā)生變化，承載越大，內(nèi)壓增大，剛度也隨之增大。因而，即使荷載發(fā)生很大的變化，隔振系統(tǒng)的固有頻率也不會(huì)產(chǎn)生太大的變化。

在對空氣彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到較低的彈簧剛度和較低的自振頻率，應(yīng)盡量選用比較小的有效面積，以期得到比較高的工作壓力,從而有效降低彈簧的剛度和自振頻率［4］。因此，要選取合適的阻尼系數(shù)、合理的增加工作壓力和附加氣室的容積、合理的增大阻尼的空氣彈簧。因?yàn)楫?dāng)這些參數(shù)大到一定程度時(shí)，空氣彈簧的改善速度會(huì)下降，勢必會(huì)造成浪費(fèi)。

2.3 伺服主動(dòng)控制設(shè)計(jì)原理

主動(dòng)控制隔振系統(tǒng)的控制原理示意圖如圖2所示。由圖2可知，隔振臺(tái)座質(zhì)量為m、空氣彈簧支撐體系中的彈簧剛度為k、阻尼系數(shù)為c，傳感器S安放在隔振臺(tái)座頂面，可實(shí)時(shí)測到絕對位移ug， 有傳感器傳出電信號(hào)至控制器C中，控制器包括A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)計(jì)算處理功能。根據(jù)控制算法將其產(chǎn)生控制信號(hào)輸出到作動(dòng)器A上，并產(chǎn)生作動(dòng)力f，通過實(shí)時(shí)施加控制臺(tái)座的運(yùn)動(dòng)，改變u，使得u能滿足精密設(shè)備安全工作的需求。

該原理是以反饋機(jī)制為基礎(chǔ)的主動(dòng)控制隔振原理，可實(shí)現(xiàn)假設(shè)作動(dòng)器輸出的力f到位移傳感器S的傳遞函數(shù)為H（s），見式（2）。

式中：C(s)、D(s)為正系數(shù)多項(xiàng)式，且C(0)=1，D(0)=1，正實(shí)數(shù)K為放大系數(shù)［2］。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，可寫出結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，見式（3）、式（4）。

對式（3）進(jìn)行Laplace變換，可得式（5）。

通過式（4）來消去f c（t），可得隔振平臺(tái)位移u對基礎(chǔ)位移ug的傳遞函數(shù)G(s)，見式（6）。

將s=jω代入式（6）中，分離實(shí)部和虛部后可得隔振平臺(tái)位移u對基礎(chǔ)位移ug的幅頻特性，即主動(dòng)隔振系統(tǒng)的隔振傳遞率T(ω)在超低頻階段，利用式（6）可推出式（7）。

由此可得，如果控制系統(tǒng)的放大系數(shù)遠(yuǎn)大于隔振平臺(tái)支承的剛度系數(shù)k，主動(dòng)隔振在超低頻階段就能得到非常小的隔振傳遞率。因此，主動(dòng)隔振系統(tǒng)隔離超低頻振動(dòng)的能力比被動(dòng)隔振系統(tǒng)要強(qiáng)得多［2］。

3 三級(jí)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法

3.1 一級(jí)隔振方案設(shè)計(jì)

一級(jí)隔振系統(tǒng)采用“大體積混凝土基礎(chǔ)+聚氨酯減振墊”的設(shè)計(jì)方案，主要部分有基礎(chǔ)墊層、基礎(chǔ)支墩、減振墊、大體積混凝土基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。地下空間清理完畢后，首先鋪設(shè)100 mm厚的墊層，起到找平、防水、防腐的作用。大體積混凝土基礎(chǔ)整體采用下部收縮設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，也為隔振系統(tǒng)的安裝、檢修及監(jiān)控設(shè)備的布設(shè)、維護(hù)預(yù)留操作空間。大體積混凝土基礎(chǔ)下設(shè)6組支墩，在滿足承載力要求的同時(shí)，為減振墊層的更換或系統(tǒng)升級(jí)改造預(yù)留空間。

3.2 二級(jí)隔振方案設(shè)計(jì)

二級(jí)隔振系統(tǒng)采用“T型臺(tái)+空氣彈簧”的氣浮平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，將自身附帶的空氣壓縮機(jī)作為供氣氣源。二級(jí)系統(tǒng)主要由支墩、空氣彈簧、T型臺(tái)、空氣壓縮機(jī)、多功能操作平臺(tái)組成。設(shè)計(jì)尺寸如圖4所示。

為保證氣浮平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，平臺(tái)板要進(jìn)行質(zhì)剛重合設(shè)計(jì)。因此，要在平臺(tái)板下方設(shè)置下掛，平臺(tái)板整體呈T型，下掛高度為1 100 mm。鑒于空氣彈簧高度約600 mm，在其下部設(shè)置高700 mm的支墩，保證空氣彈簧對T型臺(tái)的支通長設(shè)計(jì)，并在其頂層鋪設(shè)聚四氟乙烯板，該材料表面光滑，更換空氣彈簧時(shí)可直接拖拽。T型臺(tái)下方設(shè)有頂升裝置，更換空氣彈簧時(shí)采用頂升裝置對T型臺(tái)進(jìn)行支撐。綜合考慮T型臺(tái)的重量與單個(gè)空氣彈簧的承載力，本系統(tǒng)使用4個(gè)空氣彈簧（對稱式布置），空氣彈簧下底面通過螺栓固定到條形支墩上的預(yù)埋件內(nèi)，上部不固定。

3.3 三級(jí)隔振方案設(shè)計(jì)

三級(jí)控制采用“高剛性鋼平臺(tái)+控制單元”的主動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)內(nèi)容為“主動(dòng)伺服裝置+高架地板”。氣浮系統(tǒng)尺寸如圖5所示。主動(dòng)控制裝置的控制單元上下兩端均要進(jìn)行固定，要按尺寸在下方T型臺(tái)上增設(shè)預(yù)埋件，并在高剛性平臺(tái)板對應(yīng)的位置打孔。因三級(jí)隔振系統(tǒng)較二級(jí)隔振系統(tǒng)尺寸小，為保障房間內(nèi)使用空間及人員安全，要在周邊架設(shè)高架地板，地板底部通過架設(shè)的鋼梁進(jìn)行支撐，地板表面與主動(dòng)隔振系統(tǒng)齊平?？紤]周邊振動(dòng)環(huán)境有可能惡化，選用高性能主動(dòng)控制單元，保證有足夠的冗余性設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

本研究根據(jù)剛度、阻尼、質(zhì)量的振動(dòng)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行三級(jí)微振動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)，Ⅰ級(jí)可隔離中高頻，Ⅱ級(jí)進(jìn)一步耗能增穩(wěn)，Ⅲ級(jí)低頻濾波，從而達(dá)到精密儀器微振動(dòng)控制的目標(biāo)，為精密儀器微振動(dòng)控制提供參考思路。