[发明专利]一种自适应变阻尼超精密减振器

说明书

技术领域

本发明属于精密减振技术领域，具体涉及一种具有自适应变阻尼特性的超精密减振器。本发明所涉及的超精密减振器具有超低的共振点振动传递率、良好的高频衰减率，可用作超精密加工装备、测量仪器、生物基因操作装备等超精密设备的基础支撑。

背景技术

随着科技的发展，以光刻机、高分辨率扫描隧道显微镜、表面粗糙度测量仪等为代表的超精密制造和测量设备得到了越来越广泛的应用，其制造和测量的精度也越来越接近物理极限。作为实现极限精度的重要保障之一，超精密减振系统能隔离地基和环境微振动对超精密设备的影响，为设备中的关键运动机构提供平稳的工作环境。空气弹簧由于具有大负载能力、低刚度的特点，在超精密减振系统中得到了广泛的应用。传统的空气弹簧减振器由于固有阻尼的存在，使得低频的共振点传递率和高频的衰减率无法兼顾，使得其减振性能受到了限制。为了降低这种固有特性对减振性能的影响，超精密设备中广泛采用了由空气弹簧和电机并联方式组合而成的主动减振器。在此类减振器中，电机采用天棚阻尼的方式为减振器提供绝对阻尼，以此来降低相对阻尼对减振器高频衰减率的影响。但是由于空气弹簧固有的相对阻尼依然存在，无法完全实现天棚阻尼，而使得高频衰减率依然受到影响；同时，完全依靠电机来提供阻尼力，对电机的输出范围、频响特性也提出了较高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种自适应变阻尼超精密减振器，该超精密减振器具有根据减振对象刚度、质量等特征参数自动调整减振器阻尼的频率特性的功能，以达到降低减振器固有频率处振动传递率、提高高频振动衰减率的目的。

本发明提供的一种自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，该超精密减振器的结构为：

金属壳体外部呈上端开口的圆柱形，金属壳体内部中空，且由隔板隔离为上下两个中空部分，其剖面呈H形；下部的中空部分形成下腔室，上部的中空部分与活塞机构通过膜结构密封连接形成上腔室；在下腔室底部开有进气口，下腔室与上腔室之间安装有带节流阀的连通管路；

负载连接板与活塞机构上端面固定连接；负载连接板上装有绝对速度传感器，在金属壳体上端部装有非接触式的电涡流接近传感器，在金属壳体与负载连接板之间安装有主动作动器，负载连接板用于与负载固定连接。

本发明提供的超精密减振器由参数自动调整的被动减振部件和主动执行器并联组合而成，能够实现对垂向振动的良好衰减。其减振特性克服了传统减振器低频和高频减振性能无法兼顾的缺陷；同时通过自适应变阻尼控制的引入，使得当减振对象的特征改变时，该超精密减振器能够进行在线自适应，而无须离线调试。本发明可以为光刻机及其他的精密设备提供超静的环境。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

(1)采用主动减振和被动减振组合的方式，可实现减振器具有超低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效的隔离。

(2)主动执行器与被动减振部件并联的方式，可实现垂向精微定位功能。

(3)采用双腔室、可调节流孔型空气弹簧作为被动减振部件，实现低刚度、阻尼主动可调。

(4)采用音圈电机作为主动执行器，可实现宽频带的垂向激振，通过控制系统内部的传递分析模块，实现关键参数的辨识。

(5)采用阻尼主动控制方法，使系统的固有频率与最大阻尼频率点自动重合，实现固有频率处大阻尼、高频段小阻尼的特性。

附图说明

图1为本发明提供的超精密减振器的结构示意图；

图2为本发明中超精密减振器理论模型示意图；

图3为双腔室空气弹簧阻尼特性示意图；

图4为本发明中自适应阻尼控制框图；

图5为本发明中自适应控制算法流程图。

具体实施方式

以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的结构和工作原理。

如图1所示，本发明提供的精密减振器在结构上包括被动减振部件和主动执行器二部分。

本发明中的被动减振部件为双腔室空气弹簧，它包括金属壳体1、上腔室2、下腔室3、活塞机构6、负载连接板7、膜结构、节流阀8和进气口9。金属壳体1外部呈开口圆柱形，内部中空，由隔板10隔离为上下两个中空部分，其剖面呈H形。下部中空空间形成下腔室3，上部中空空间与活塞机构6通过膜结构密封连接形成上腔室2。

活塞机构6上端面与负载连接板7固定连接。在下腔室3底部开有进气口9，下腔室3与上腔室之间安装有带节流阀8的连通管路。负载连接板7上装有绝对速度传感器15，在金属壳体1上端部装有非接触式的电涡流接近传感器16，两个传感器分别测量负载的绝对速度和位置。负载连接板7与负载20固定连接。