超精密運動平臺主動隔振系統動力學模型理論與實驗研究*

林海波，楊國哲

(1.臺州職業技術學院機電工程學院，浙江臺州 318000;2.臺州市機電一體化技術重點實驗室，浙江臺州 318000;3.沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110023)

超精密運動平臺主動隔振系統動力學模型理論與實驗研究*

林海波1，2，楊國哲3

(1.臺州職業技術學院機電工程學院，浙江臺州 318000;2.臺州市機電一體化技術重點實驗室，浙江臺州 318000;3.沈陽工業大學機械工程學院，沈陽 110023)

超精密運動平臺振動控制系統是一個帶不確定非線性系統。搭建了精密運動平臺減振系統，設計了一種以空氣彈簧為隔振元件，主/被動隔振在主動隔振和被動隔振之間通過開啟電源進行切換的系統，分析并構建了系統的動力學模型，并對平臺的主動隔振系統進行測試研究。理論分析和實驗結果證實了主動隔振系統可行性，有效提高了加工系統的隔振效果，為平臺進行高精密加工提供了保證，同時，為主動隔振系統及相關系統動力學研究提供了一種方法。

直線電機;主動隔振;超精密運動平臺

0 引言

日益加劇的市場競爭對機械產品制造周期要求很短，工業產品零件朝微型化和精密化發展，各種微小尺寸的零件也越來越多，對微加工提出了更高的技術要求，使微細加工技術成為更多領域的技術關鍵。精密、超精密加工技術成為衡量一個國家綜合國力的象征［1-2］，應用前景十分廣闊。在超精密加工設備領域，高性能超精密定位系統占據著重要的地位。高性能的超精密系統通常由工作臺及其減振系統，精密定位系統，測量系統，控制系統等組成。其中，減振與隔振成為精密機械加工中保證質量的關鍵技術之一，對設備工作環境和平臺自身的設計提出了更嚴格的要求，檢測及加工過程中要求在一個具有良好隔振性能的測量平臺進行，否則，微小振動都會影響平臺的工作性能［3］。振動是影響超精密機床加工精度的重要因素，需要充分考慮隔離基礎振動對超精密機床的影響，因此，研發具有高速度、高穩定性、高精度的運動系統具有十分重要的意義。

通過對國內外大量文獻的參考和研究，國內外大多采用空氣彈簧作為隔振元件進行振動隔離，并取得了良好的效果。本研究的隔振方案采用了主動振動隔離系統，為微納米測量及加工提供一個良好的隔振環境，進行了模型構建，并對平臺進行了隔振系統主動隔振性能的測試分析與實驗。

1 系統結構

移動平臺能實現X、Y、Z三個方向上的精密定位移動，工作平臺的行程為150mm×150mm×100mm。由花崗巖平臺、橋架、X/Y運動平臺及Z向運動平臺所構成。機架采用的材料為“濟南青”花崗巖，其具有特有的吸震性和熱穩定性，相比于普通的其它材料更符合運動平臺的要求。平臺在X、Y、Z三個方向的結構安排采用下述方案，即X軸直線平臺在水平面內垂直疊放于Y軸上，Z軸平臺固定于的龍門型立柱上，通過分別啟動X，Y方向的壓電陶瓷電機的觸頭摩擦電機陶瓷條，使工作臺同氣浮導軌上的氣浮套一起沿導軌在X，Y方向上來回移動，如圖1所示。在豎直方向上，平臺的自身重量比較大，而選用的精密陶瓷電機的負載能力有限，對于Z向平臺的自重采用滑輪配重結構的方式進行平衡。通過Ansys分析對比C形和龍門型兩種機架的工作載荷變形，發現C形機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，本結構采用龍門型機架的結構。

微位移機構是定位系統進給元件，也是工藝系統誤差進行動態、靜態補償的關鍵機構。實現微量位移傳統的方法可以用機械傳動、彈性變形、液壓傳動、磁致收縮和熱致收縮等原理，在一定的應用領域取得很好效果。但存在著諸如傳動鏈長、接觸剛度比較低、存在爬行、摩擦、磨損、彈性變形以及結構復雜、分辨率和定位精度不高、不便計算機控制等缺點［4］。在傳動上采用"直線電機(蠕動式直線電機)+滾動導軌"，采用以色列Naomotino公司的壓電陶瓷電機(Ls8-1-3s系列電機)作為驅動，減少運動傳遞的中間環節，同時直線導軌的摩擦系數很低，保證了平臺在低速進給運動時，不會出現爬行現象。LS系列電機具有很高的重復定位精度和定位零伺服抖動的穩定性能，反饋系統選擇RENISHAW的RGH25光柵。

圖1 XYZ精密平臺總體結構及X/Y平臺詳細結構

圖2 兩個型式平臺的靜態力變形分析

2 系統的動力學模型研究

研究采用了兩級隔振臺組成的隔振系統。第一級是日本明立精機ATT—1007型隔振平臺，第二級是“濟南青”花崗巖制作的機架隔振臺，精密運動平臺被安裝在該花崗巖機架上。采用ATT—1007主動隔振臺，其主/被動通過開啟在主動隔振和被動隔振之間的電源進行切換，當ATT—1007型隔振平臺在主動隔振工作時，通過與振動檢測系統一起構成的閉環主動振動控制系統，輸出的控制信號驅使隔振平臺中空氣彈簧的阻尼與剛度發生變化，從而達到有效消除由平臺底座傳遞來的各種頻率范圍的振動干擾力。超精密隔振平臺的隔振系統可簡化為圖3所示的二自由度線性系統模型［5-7］。圖中m1表示超精密隔振平臺與平臺上精密設備的總質量;m2為平臺底座的質量;k1、c1分別表示花崗巖的剛度系數與粘性阻尼系數;k2、c2分別表示空氣彈簧的等效剛度系數和粘性阻尼系數;fd表示作用在超精密隔振平臺上的直接干擾力;x0表示外界環境振動引起的基礎干擾位移;x1、x2分別表示超精密隔振平臺和平臺底座的振動位移，ATT—1007型隔振平臺控制彈簧阻尼系數與剛度系數分別受控制器控制信號的作用 c2= λ1·i，k2= λ2·i，式中，i表示控制器的輸出控制電流;λ1，λ2分別表示阻尼系數與剛度系統因子［8-11］。傳感器測得隔振平臺m1的位移x1，其信號由控制器進行放大和變換，產生控制信號驅動控制閥門使改變空氣彈簧的阻尼與剛度系統，從而使隔振平臺獲得恰當的阻尼與剛度減少平臺的振動。

圖3 系統的動力學模型

隔振系統的運動方程為:

將(1)寫成狀態方程形式:

式(2)也可寫成

式中，x(t)——狀態變量;

w(t)——系統干擾;

u(t)——控制信號;

y(t)——測量輸出。

3 主動隔振平臺測試實驗

為了評價隔振系統的隔振效果以及對超精密運動平臺精度的保障作用，分析主動隔振對加工精度的影響，研究對兩級隔振平臺組成的隔振系統進行隔振性能分析。在實驗時，將兩個相應方向的99-1超低頻拾振器分置于ATT—1007的臺面上和設備下的地面上。

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

圖4 主動隔振垂直向隔振測試

通過測試說明，表明ATT—1007的主/被動隔振性能指標達到了所期望的高精、大行程的隔振系統精密運動平臺是可以實現的。

4 結束語

本文對三維精密運動平臺的設計及隔振系統構建進行了研究，平臺傳動方式上采用“直線電機(蠕動式直線電機)+滾動導軌”和選擇RENISHAW的RGH25光柵作為反饋系統，建立了大行程和精密定位的運動平臺。給出一種基于空氣彈簧為被動隔振元件，以超磁致伸縮致動器作為主動隔振元件，通過與檢測系統一起構成閉環主動振動控制系統主/被動隔振的動力學模型。經隔振測試顯示，超精密隔振平臺系統明顯降低在基礎干擾和直接干擾作用，有效提高了平臺的隔振效果，提高加工精度，精密運動平臺精密運動是可以實現的。研究對主動隔振技術的發展和應用具有一定意義，同時，還可推廣至其他系統的研究中。

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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

浙江省高校優秀青年教師資助計劃項目(2010);臺州職業技術學院校級課題(2011ZD08);浙江教育廳科研項目(Y201122520)

林海波(1977—)，男，浙江臺州人，臺州職業技術學院機電工程學院副教授，主要研究方向:精密制造技術、虛擬制造技術等，(E-mail)linhaibo_tzvtc@163.com。

(編輯 趙蓉)