一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的制作方法

本发明属于超隔振与精密定位领域，具体涉及一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器。

背景技术：

当前，在高端IC芯片制造领域与超精密检测领域，对环境微振动隔离和精密定位的要求越来越严格。而一般的超精密减振器，往往只具备精密隔振的作用，而一些高端微动平台只具备精密定位的作用。由于减振的需要，一些微运动平台的定位精度被大大衰减，因此迫切需要一些新技术、新方法来改善这一现状。液压缸+金属弹簧、压电致动器+弹簧膜片、音圈电机+空气弹簧等一些手段可极大地提高这类精密减振器的定位与减振能力。

液压缸+金属弹簧的组合不仅可通过金属弹簧降低系统的固有频率，改善被动隔振性能；液压缸作为主动执行元件，也可实现隔振的主动控制；同时液压缸也可作为主动定位元件实现一定程度的定位作用。但是由于液压缸的工作频率较低，其对于中高频的减振不为明显；同时这种机械结构的组合，导致运动形成间隙较大，从而影响其工作定位精度和定位速度。压电致动器+弹簧膜片的组合，也可通过膜片弹簧改变系统的被动隔振能力，实现中高频的振动抑制；而且压电致动器作为主动执行电机可以实现各频段的主动减振；同时，压电致动器也可充当定位执行器，可实现纳米级定位，但其全部运动行程仅为微米级，限制了其使用空间。音圈电机+空气弹簧的组合，可通过空气弹簧实现中高频的被动隔振能力，音圈电机作为主动控制执行器可实现低频段的主动隔振能力；同时音圈电机又作为精密定位的主动执行器，可以实现微米级定位和毫米级行程，既能保证减振器具有大的承载力的同时，有效地隔离超低频振动，又能实现精密定位精度。

专利文献CN103318839A公开了一种基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台及切换方法，其采用3个或3个以上静压空气弹簧结构的隔振器支撑空气弹簧隔振平台及其负载，从而实现结构的精密减振。但该专利文献公开的基于压电陶瓷的高速高精度宏微平台，其未形成闭环位置环路，无法实现精密定位的作用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，该复合主动隔振器结构紧凑，通过两个单独的精密定位和精密隔振单元，配合不同的主动控制元件，来实现微动环境下的精密隔振和精密定位。

为了实现上述目的，本发明提供了一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，该隔振器包括基础平台和负载平台，所述基础平台的下端与外部平台连接，所述负载平台的上端与需要定位和隔振的设备连接，其特征在于：

该隔振器还包括隔振单元，其设置在所述基础平台和负载平台之间，一端与所述基础平台连接，另一端与所述负载平台连接，所述隔振单元包括沿第一方向设置的空气弹簧和第一音圈电机，所述空气弹簧用于实现高频部分的被动隔振，所述第一音圈电机用于实现中低频主动隔振，从而实现第一方向的主被动复合全频段隔振；所述隔振单元还包括沿第二方向设置的可调刚度片弹簧和第二音圈电机，所述片弹簧通过解耦柔性铰链与所述空气弹簧连接，用于实现高频部分的被动隔振，所述第二音圈电机用于实现中低频主动隔振，从而实现第二方向的主被动复合全频段隔振；以及

定位单元，其设置在所述隔振单元的外侧，一端与所述基础平台连接，另一端与所述负载平台连接，所述定位单元包括沿第一方向设置的比例压力阀，用于控制所述空气弹簧进气量，从而实现第一方向的精密定位；所述定位单元还包括沿第二方向设置得第二音圈电机，用于实现位移控制，从而实现第二方向的精密定位。

进一步地，所述隔振单元还包括沿第一方向设置的第一速度传感器和控制器，所述第一速度传感器用于所述负载平台的振动速度信号并传输给所述控制器，控制器用于通过算法处理病将主动控制信号传递给所述第一音圈电机，从而实现中低频主动隔振。

进一步地，所述隔振单元还包括沿第二方向设置的第二速度传感器，所述第二速度传感器用于采集所述负载平台的振动速度信号传输给所述控制器，控制器用于通过算法处理并将主动控制信号传递给所述第二音圈电机，实现第二方向的中低频主动隔振。

进一步地，所述定位单元还包括沿第一方向设置的第一位移传感器，所述第一位移传感器用于采集所述负载平台的位移信号并传输给所述控制器，控制器用于通过算法处理并将主动控制信号传递给所述比例压力阀，比例压力阀控所述空气弹簧的制进出气量，从而实现第一方向的精密定位。

进一步地，所述定位单元还包括沿第二方向设置的第二位移传感器，所述第二位移传感器用于采集所述负载平台的位移信号并传输给所述控制器，控制器用于通过算法处理并将主动控制信号传递给所述第二音圈电机，所述第二音圈电机进行力位移控制，从而实现第二方向的精密定位。

进一步地，所述空气弹簧还包括压力阀，用于改变输入气体的气压值，同时通过所述比例压力阀改变输入气体的高度值，从而改变所述空气弹簧第一方向的刚度，以适应不同的负载环境。

进一步地，所述片弹簧为两个，分别为第一片弹簧和第二片弹簧，所述第一片弹簧和第二片弹簧成90°夹角，用于通过调节每个片弹簧的中间的刚度调节机构，以改变所述片弹簧的有效弯曲长度，从而改变所述片弹簧的第二方向刚度。

进一步地，所述第一速度传感器和第二速度传感器为能够测量绝对速度的传感器。

进一步地，所述第一位移传感器和第一位移传感器为非接触式位移传感器。

进一步地，所述第一方向为所述基础平台和负载平台的中心轴线方向，所述第二方向为与所述中心轴线垂直的方向。

本发明提供的两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器应用于超精密定位与超精密隔振领域，克服了一般隔振器无法或难以实现复合控制的缺点，适用于对微环境运动敏感的超精密加工与测量设备。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，通过两个单独的精密定位和精密隔振单元，配合不同的主动控制元件，来实现微动环境下的精密定位和精密隔振；

(2)本发明的两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，通过第一方向和第二方向两个方向的不同主动闭环控制元件，实现两自由度单独的精密隔振和精密定位；

(3)本发明的两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，精密隔振采用主被动复合式隔振控制，其可实现精密隔振的主动控制，不仅可以通过被动元件有效衰减中高频的振动，而且可以通过主动元件实现共振峰附近处的衰减。

(4)本发明的两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，第一方向的空气弹簧的刚度可调，可以通过控制输入的气压值与腔体高度不同，从而改变空气弹簧的垂向刚度，适应不同的垂向负载。

(5)本发明的两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器，第二方向的片弹簧的刚度可调，可以通过调节每个片弹簧的中间的刚度调节机构，以改变片弹簧的有效弯曲长度，从而改变片弹簧的第二方向刚度，以适应不同的负载环境。

附图说明

图1为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的三维示意图；

图2为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的局部结构示意图；

图3为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的结构爆炸图；

图4为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的负载平台后的三维视图；

图5为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的正视图；

图6为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的俯视图；

图7为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的空气弹簧的结构简化原理图；

图8为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的片弹簧三维结构及正交安装原理图；

图9为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的隔振与精密定位复合控制框图；

图10为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的精密定位控制框图；

图11为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的精密主动隔振原理图；

图12为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的精密主动隔振传递率效果图。

图1～图6中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：10-基础平台、20-空气弹簧、211-第一片弹簧、212-第二片弹簧、221-第一锁紧螺钉结构、222-第二锁紧螺钉结构、223-第三锁紧螺钉结构、231-第一解耦柔性铰链、232-第二解耦柔性铰链、24a-第一速度传感器、24b-第二速度传感器、25a-第一音圈电机、25b-第二音圈电机、26-比例压力阀、27a-第一位移传感器、27b-第二位移传感器、30-负载平台、40-主动控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1～6为本发明所提供的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的结构示意图。如图1～6所示，该隔振器包括基础平台10、负载平台30、第一音圈电机25a、第一速度传感器24a、第一位移传感器27a、两个相互正交的水平向可调刚度第一片弹簧211、第二片弹簧212，第二音圈电机25b、第二速度传感器24b、第二位移传感器27b、空气弹簧20、比例压力阀26，所述第一片弹簧211、第二片弹簧212与空气弹簧20的第一解耦柔性铰链231、第二解耦柔性铰链232以及将基础平台10和负载平台20连接起来的第一锁紧螺钉结构221、第二锁紧螺钉结构222及第三锁紧螺钉结构223。

在发明的优选实施例中，第一音圈电机25a和第二音圈电机25b为洛仑兹电机。

在发明的优选实施例中，第一速度传感器24a和第二速度传感器24b为Geophone绝对速度传感器。

在发明的优选实施例中，第一位移传感器27a和第二位移传感器27b为非接触式电涡流位移传感器。

如图1～4所示，所述空气弹簧20的下端通过螺钉安装在基础平台10上，上端的圆心部位则通过紧固螺钉与第一解耦柔性铰链231、第二解耦柔性铰链232的一端相连，第一解耦柔性铰链231和第二解耦柔性铰链232的另外一端通过螺钉与可调刚度第一片弹簧211和第二片弹簧212相连。

第一片弹簧211和第二片弹簧212附着在将负载平台30与基础平台10连接支撑的第一锁紧螺钉结构221、第二锁紧螺钉结构222及第三锁紧螺钉结构223。其中，第一锁紧螺钉结构221、第二锁紧螺钉结构222成90°夹角正交安装，第三锁紧螺钉结构223则在第一锁紧螺钉结构221、第二锁紧螺钉结构222的中垂线上且在空气弹簧20的另一端处安装。同时，比例压力阀26也被通过螺钉安装附着在第三锁紧螺钉结构223的一个侧面上，通过气路实现控制空气弹簧的进出气控制。第三锁紧螺钉结构223另一个侧面位置，通过一个机械结构将第二位移传感器27a在其上安装。

如图1～4所示，第一位移传感器27a、第一音圈电机25a也被相应的安装在基础平台10与负载平台30上，其中第一音圈电机25a的定子被固定在基础平台10上，第一音圈电机25a的动子则被安装在负载平台30上。第一速度传感器24a被安装在负载平台30上，其方向与第一位移传感器27a及第一音圈电机25a的方向平行。

第二速度传感器24b被安装在负载平台30上，其安装方向保证与第一位移传感器27a及第一向音圈电机25a的方向垂直。第二音圈电机25b相应的安装在靠近第一速度传感器24b的地方。其中，第二音圈电机25b的定子也被安装固定在基础平台10上，第二音圈电机25b的动子则被固定在负载平台30上。在第二音圈电机25b的定子安装处，通过一个机械结构将第一位移传感器27b安装在定子结构上。

第一方向位移信号和第二方向位移信号通过第一位移传感器27b和水第二位移传感器27a采集后，输出给主动控制器40进行主动定位算法计算，计算得到的控制信号输出给比例压力阀26和第二音圈电机25b，进行闭环主动定位控制。

第一方向速度信号和第二方向速度信号通过第一速度传感器24b和第二速度传感器24a采集后，输出给主动控制器40进行主动隔振算法计算，计算得到的控制信号输出给第一音圈电机25a和第二音圈电机25b，进行闭环主动隔振控制。

图5为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的正视图。如图5所示，从左至右依次为第一音圈电机25a、第一位移传感器27a、第一速度传感器24a、比例压力阀26、第一锁紧螺钉结构221、第二锁紧螺钉结构222、第三锁紧螺钉结构223、第二位移传感器27b、第二速度传感器24b及第二音圈电机25b，其中第一锁紧螺钉结构221、第二锁紧螺钉结构222和第三锁紧螺钉结构223安装在基础平台10上，支撑起负载平台30。

图6为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器的俯视图。如图6所示，第一锁紧螺钉结构221和第二锁紧螺钉结构222成90度夹角正交安装，同时其垂线定义为水平方向，第三锁紧螺钉结构223则安装在第一锁紧螺钉结构221和第二锁紧螺钉结构222的中垂线上及在空气弹簧20的另一端处。

图7为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的空气弹簧的结构简化原理图。如图7所示，底板203固定在基础平台10上，密封膜202用于将底板203与空气弹簧20的外金属腔体201连接，以形成气腔204。气腔204的刚度公式如下：

$K=\frac{{\mathrm{\κA}}^2(P_{atm}+\frac{mg}{A})}{V_0}---\left(1\right)$

从式(1)可以看出，单腔室空气弹簧的刚度K与负载质量m、气室截面积A、气室体积V₀及气压P_atm有关，κ为绝热系数。则实际使用中可通过气阀控制充入气体的气压大小和空气弹簧气腔204的体积大小，来调节不同的刚度以适应不同的负载及使用情况。

图8为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的片弹簧三维结构及正交安装原理图。图8(a)中，金属弹片2111与金属弹片2113被安装在水平向可调刚度第一片弹簧211、第二片弹簧212的弹片固定装置2114上，刚度调节机构2112通过上下滑动来改变金属弹片2111、2113的有效工作弯曲长度，从而改变金属弹片2111、2113的有效工作刚度，进一步改变可调刚度第一片弹簧211、第二片弹簧212的刚度。同时为了能够解耦线性调节系统水平向刚度，两可调刚度第一片弹簧211、第二片弹簧212成90度夹角正交配置，其工作原理如图8(b)所示，其数学模型推导过程如下所示：

两个互成90°布置的可调刚度第一片弹簧211、第二片弹簧212机构可等效为图8(b)所示。图中A点为力的作用点，考虑一般性，当有任意方向(θ为任意值)的单位力F作用在A点，片弹簧机构在作用力F的方向产生静变形Δx到B点。单位力F在弹簧k₁和k₂上的分力产生的静位移分别为

假定作用力很小，产生的静变形也非常小，因此∠CBD仍然近似为直角，因此总的变形量Δx为：

$\mathrm{\Δ}x=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_1^2+{\mathrm{\Δx}}_2^2}---\left(3\right)$

弹簧刚度k₁和k₂相同，均为k，则机构在θ方向上的总刚度可表示为

当采用两个片弹簧并联的时候，其刚度为一个片弹簧刚度的两倍，即

k_并＝2k (5)

在精密隔振系统中，振动幅值通常在微米级，保证了上述假设的正确性。另外，由于θ的任意性，因此该机构在任意方向上的刚度均保持一致，为可调刚度第一片弹簧211的刚度k。

根据材料力学的知识，一端固定一端自由矩形截面的可调刚度第一片弹簧211、第二片弹簧212的弯曲刚度可表示为：

k_s＝3EI/L (6)

其中，E为片弹簧材料的弹性模量，I为抗弯截面惯性矩，L为片弹簧有效弯曲长度。由刚度公式可知，刚度大小与有效弯曲长度呈反比，因此通过调整片弹簧的有效弯曲长度可以改变其刚度大小，从而实现第二方向刚度的调节。

图9为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的隔振与精密定位复合控制框图。如图9所示，其中控制框图中分为能够控制精密定位的位置环和能够实现精密隔振的速度环，最终两个环路通过并联合并为隔振与精密定位复合控制。

首先设定一个位移值，即精密定位需要达到的位移处，然后通过第一位移传感器27a、第二位移传感器27b将此时的实际位移值采集得到，通过一个低通滤波器将杂波噪声信号滤掉后，与设定值进行比较，两信号所产出的误差进入位置控制器40进行主动算法控制，将算法处理后的数据输出给相应的位置执行器，实现闭环主动定位控制。

第一速度传感器24a、第二速度传感器24b采集负载平台的振动速度信号后，信号经过带通滤波器过滤掉无用杂波信号后，将有用的速度信号传递给反馈隔振控制器40，经过主动控制算法处理后，将算法处理后的数据输出给第一音圈电机25a，实现闭环主动隔振控制。

在本发明的优选实施中，采用天棚阻尼控制算法。

图10为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的精密定位控制框图。图10(a)为垂向位置环路控制框图，如图10(a)所示，首先给定一个垂向位置设定值，即精密定位需要达到的位移处，然后通过第一位移传感器27a将此时的实际位移值采集得到，通过一个低通滤波器将杂波噪声信号滤掉后，与设定值进行比较，两信号所产出的误差进入位置控制器40进行主动算法控制，将算法处理后的数据输出给比例压力阀26，进行主动定位控制隔振系统，实现第一方向的闭环主动定位控制。

在本发明的优选实施例中，采用带二阶低通滤波器的PID控制算法。

图10(b)为水平向位置环路控制框图。如图10(b)所示，首先给定一个水平向位置设定值，即精密定位需要达到的位移处，然后通过第二方向位移传感器27b将此时的实际位移值采集得到，通过一个低通滤波器将杂波噪声信号滤掉后，与设定值进行比较，两信号所产出的误差进入位置控制器40进行主动算法控制将算法处理后的数据输出给第二音圈电机25b，进行主动定位控制隔振系统，实现第二方向的闭环主动定位控制。

在本发明的优选实施例中，采用带二阶低通滤波器的PID控制算法。

在本发明的优选实施例中，采用洛伦兹电机。

在定位控制器设计上，本实例中采用将PID控制器与二阶低通滤波器串联的控制结构。二阶低通滤波器对位置信号进行滤波以消除位置信号中高频噪声带来的影响。串联二阶低通滤波的PID控制器传递函数可表示为：

$C\left(s\right)=\frac{k_p+\frac{k_i}{s}+k_{d}s}{{\left(\frac{s}{2{\mathrm{\πf}}_{LP}}\right)}^2+\frac{2\mathrm{\ξ}}{2{\mathrm{\πf}}_{LP}}s+1}---\left(7\right)$

式中，kp，ki和kd分别为PID控制器的比例系数，积分系数和微分系数，flp和ξ分别为二阶低通滤波器的截止频率和阻尼系数，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数，j是复数单位。

以下对本发明采用的空气弹簧、片弹簧被动隔振机构与天棚阻尼主动隔振控制和传统隔振机构的隔振原理进行对比：

图11为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的精密主动隔振原理图。如图11(a)、(b)所示，传统被动隔振机构和本发明采用的被动隔振机构，都是通过弹簧-质量-阻尼单元构成，实现简单的被动隔振，其传递率曲线函数：

$G_0=\frac{x_1}{x_0}=\frac{C_{0}s+K_0}{{\mathrm{Ms}}^2+C_{0}s+K_0}---\left(8\right)$

$G=\frac{x_1}{x_0}=\frac{Cs+K}{{\mathrm{Ms}}^2+Cs+K}---\left(9\right)$

式中，x₁为负载平台的振动位移量，x₀是基础平台的振动位移量，C₀是传统被动机构的等效阻尼，C是本发明采用机构的等效阻尼，K₀是传统被动机构负载平台与基础平台间的等效刚度，K是本发明采用机构负载平台与基础平台间的等效刚度，M是负载平台的质量，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。

与传统被动机构相比，本发明所采用的被动隔振元件垂向为空气弹簧，水平向为片弹簧，其刚度值远低于传统被动机构，能够大大降低系统的固有频率。

如图11(c)所示，本发明在被动隔振机构的基础上，添加一个主动反馈控制回路，主动反馈控制回路中采用传感器反馈、控制器计算、致动器输出的模式运行，构成主被动复合隔振机构，

以负载平台上的振动信号为参考，对被动隔振单元进行主动控制(本实施例中采用天棚阻尼反馈控制算法)，构成主被动复合隔振单元，其中控制力F：

F＝λx₁s (10)

上式中，λ为天棚阻尼的增益系数，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。

则主被动复合隔振机构闭环情况下的传递率曲线函数G_c：

$G_c=\frac{x_1}{x_0}=\frac{Cs+K}{{\mathrm{Ms}}^2+(C+\mathrm{\λ})s+K}---\left(11\right)$

图12为本发明实施例的一种两自由度隔振与精密定位的复合主动隔振器涉及的精密主动隔振传递率效果图。从图中实线可以看出采用传统被动机构隔振时，其固有频率较高，共振峰的幅值较大。而采用本结构后，从图中虚线可以看出，其被动传递率在低频共振峰处有部分衰减，固有频率前移。从图中点画线可以看出，采用本发明的主动隔振控制后，阻尼也得到进一步提升同时系统的共振峰也被主动控制的天棚阻尼补偿，从系统的传递率曲线，看以看出本发明使得振动抑制能力得到了进一步性能的提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。