精密設備三級防微振實驗平臺設計方法研究

戚江鳳 張穎

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著精密加工和精密測量技術的不斷發展，精密設備的應用范圍也越來越廣，其精度也在不斷提高，對工作環境也有了更高的防微振要求。對要求較高的精密儀器及設備，只采取單一的措施無法實現防微振，要采取綜合措施。目前，國內外學者和工程人員對防微振實驗平臺已展開研究，沈國強等［1］采用主被動控制相結合的方式,利用彈簧和橡膠墊來減隔高頻振動,利用超磁致伸縮作動器作為主動控制器來降低低頻振動,并對其進行數值仿真與試驗驗證,最終得到滿意的抑振效果。而對防微振實驗平臺三級控制設計方法的研究相對較少，本研究設計三級微振動控制方案，通過延長振動傳遞路徑，并增設振動傳遞屏障的方法，使振動傳遞能量逐級消耗，最終實現微納級振動控制標準，減小振動對振敏對象（如精密設備等）的影響，促進我國高精尖領域的技術發展。

1 微振動控制技術原理

微振動能產生微米量級的振動位移、毫米每二次方秒量級的振動加速度，其會使精密儀器及設備產生額外的相對運動，從而無法滿足使用要求。例如，在超精密磨削機床中，如果存在微振動，會使零件表面產生多角形的輪廓形狀；在精密光學工程領域中，光學干涉顯微鏡和掃描電子顯微鏡等電鏡類精密光學儀器的分辨率已達到微米、亞微米量級，環境微振動將導致測試結果出現失真，嚴重時甚至會損壞儀器設備［2］。

被動隔振由于構造簡單、具備阻尼的特性，能減少共振頻率產生的響應，對大于2倍固有頻率的外界振動激勵有著可靠的隔振效果，但其對低頻及超低頻外界激勵隔振效果并不理想，且在對低頻外擾隔振時會遇到靜變形過大和失穩問題，其隔振效果較差［3］。

主動隔振技術是指能夠根據外界振動激勵特性來采取相應的控制策略，實時驅動執行器輸出控制力，從而達到隔振的目的。相比于被動控制，其對低頻及超低頻外界激勵的主動隔振效果優良，但主動隔振控制的成本稍高。主動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 三級防微振實驗平臺設計理論

在簡諧激勵的作用下，單自由度體系的位移反應系數表達式見式（1）。

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

位移反應系數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，因而u0≈(ust)0=P0/k，即動力反應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，即反應由體系的質量控制；如果頻率比ω/ωn≈1（即擾動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，這意味著動力反應的幅值比靜位移大許多。如果ω=ωn，則有u0=(ust)0/2ζ=P0/cωn，即反應由體系的阻尼控制。

基于上述動力學原理，振動控制設計可分為偏向于質量設計、偏向于剛度設計、偏向于阻尼設計3種設計導向分析。

2.1 大體積基礎防微振設計原理

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，即反應由體系的質量控制。大體積混凝土即為質量控制，故其體積越大質量越大，隔振性能越好。

2.2 超低頻氣浮式控制設計原理

超低頻氣浮式控制裝置中的主要部件為空氣彈簧。空氣彈簧是一種內部充氣的柔性密閉容器，利用空氣內能變化從而達到隔振的目的，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。空氣彈簧具有很低的剛度及可調節的阻尼值，使隔振系統具有很低的固有振動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，特別適用于精密設備及儀器的被動隔振。

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生變化，承載越大，內壓增大，剛度也隨之增大。因而，即使荷載發生很大的變化，隔振系統的固有頻率也不會產生太大的變化。

在對空氣彈簧進行設計時，為了得到較低的彈簧剛度和較低的自振頻率，應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、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。因為當這些參數大到一定程度時，空氣彈簧的改善速度會下降，勢必會造成浪費。

2.3 伺服主動控制設計原理

主動控制隔振系統的控制原理示意圖如圖2所示。由圖2可知，隔振臺座質量為m、空氣彈簧支撐體系中的彈簧剛度為k、阻尼系數為c，傳感器S安放在隔振臺座頂面，可實時測到絕對位移ug， 有傳感器傳出電信號至控制器C中，控制器包括A/D轉換和數據計算處理功能。根據控制算法將其產生控制信號輸出到作動器A上，并產生作動力f，通過實時施加控制臺座的運動，改變u，使得u能滿足精密設備安全工作的需求。

該原理是以反饋機制為基礎的主動控制隔振原理，可實現假設作動器輸出的力f到位移傳感器S的傳遞函數為H（s），見式（2）。

式中：C(s)、D(s)為正系數多項式，且C(0)=1，D(0)=1，正實數K為放大系數［2］。

根據結構動力學原理，可寫出結構的運動方程，見式（3）、式（4）。

對式（3）進行Laplace變換，可得式（5）。

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

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

由此可得，如果控制系統的放大系數遠大于隔振平臺支承的剛度系數k，主動隔振在超低頻階段就能得到非常小的隔振傳遞率。因此，主動隔振系統隔離超低頻振動的能力比被動隔振系統要強得多［2］。

3 三級防微振實驗平臺設計方法

3.1 一級隔振方案設計

一級隔振系統采用“大體積混凝土基礎+聚氨酯減振墊”的設計方案，主要部分有基礎墊層、基礎支墩、減振墊、大體積混凝土基礎。設計尺寸如圖3所示。地下空間清理完畢后，首先鋪設100 mm厚的墊層，起到找平、防水、防腐的作用。大體積混凝土基礎整體采用下部收縮設計，在保證系統穩定性的同時，也為隔振系統的安裝、檢修及監控設備的布設、維護預留操作空間。大體積混凝土基礎下設6組支墩，在滿足承載力要求的同時，為減振墊層的更換或系統升級改造預留空間。

3.2 二級隔振方案設計

二級隔振系統采用“T型臺+空氣彈簧”的氣浮平臺系統設計方案，將自身附帶的空氣壓縮機作為供氣氣源。二級系統主要由支墩、空氣彈簧、T型臺、空氣壓縮機、多功能操作平臺組成。設計尺寸如圖4所示。

為保證氣浮平臺系統的穩定性，平臺板要進行質剛重合設計。因此，要在平臺板下方設置下掛，平臺板整體呈T型，下掛高度為1 100 mm。鑒于空氣彈簧高度約600 mm，在其下部設置高700 mm的支墩，保證空氣彈簧對T型臺的支通長設計，并在其頂層鋪設聚四氟乙烯板，該材料表面光滑，更換空氣彈簧時可直接拖拽。T型臺下方設有頂升裝置，更換空氣彈簧時采用頂升裝置對T型臺進行支撐。綜合考慮T型臺的重量與單個空氣彈簧的承載力，本系統使用4個空氣彈簧（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埋件內，上部不固定。

3.3 三級隔振方案設計

三級控制采用“高剛性鋼平臺+控制單元”的主動伺服系統設計方案，設計內容為“主動伺服裝置+高架地板”。氣浮系統尺寸如圖5所示。主動控制裝置的控制單元上下兩端均要進行固定，要按尺寸在下方T型臺上增設預埋件，并在高剛性平臺板對應的位置打孔。因三級隔振系統較二級隔振系統尺寸小，為保障房間內使用空間及人員安全，要在周邊架設高架地板，地板底部通過架設的鋼梁進行支撐，地板表面與主動隔振系統齊平。考慮周邊振動環境有可能惡化，選用高性能主動控制單元，保證有足夠的冗余性設計。

4 結語

本研究根據剛度、阻尼、質量的振動設計原理，進行三級微振動控制平臺設計，Ⅰ級可隔離中高頻，Ⅱ級進一步耗能增穩，Ⅲ級低頻濾波，從而達到精密儀器微振動控制的目標，為精密儀器微振動控制提供參考思路。