林海波，楊國哲

(1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江臺州 318000;2.臺州市機(jī)電一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臺州 318000;3.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110023)

超精密運(yùn)動平臺主動隔振系統(tǒng)動力學(xué)模型理論與實(shí)驗(yàn)研究*

林海波1，2，楊國哲3

(1.臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江臺州 318000;2.臺州市機(jī)電一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臺州 318000;3.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110023)

超精密運(yùn)動平臺振動控制系統(tǒng)是一個帶不確定非線性系統(tǒng)。搭建了精密運(yùn)動平臺減振系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(jìn)行切換的系統(tǒng)，分析并構(gòu)建了系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并對平臺的主動隔振系統(tǒng)進(jìn)行測試研究。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了主動隔振系統(tǒng)可行性，有效提高了加工系統(tǒng)的隔振效果，為平臺進(jìn)行高精密加工提供了保證，同時，為主動隔振系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)動力學(xué)研究提供了一種方法。

直線電機(jī);主動隔振;超精密運(yùn)動平臺

0 引言

日益加劇的市場競爭對機(jī)械產(chǎn)品制造周期要求很短，工業(yè)產(chǎn)品零件朝微型化和精密化發(fā)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(shù)要求，使微細(xì)加工技術(shù)成為更多領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵。精密、超精密加工技術(shù)成為衡量一個國家綜合國力的象征［1-2］，應(yīng)用前景十分廣闊。在超精密加工設(shè)備領(lǐng)域，高性能超精密定位系統(tǒng)占據(jù)著重要的地位。高性能的超精密系統(tǒng)通常由工作臺及其減振系統(tǒng)，精密定位系統(tǒng)，測量系統(tǒng)，控制系統(tǒng)等組成。其中，減振與隔振成為精密機(jī)械加工中保證質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，對設(shè)備工作環(huán)境和平臺自身的設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)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(jìn)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(jī)床加工精度的重要因素，需要充分考慮隔離基礎(chǔ)振動對超精密機(jī)床的影響，因此，研發(fā)具有高速度、高穩(wěn)定性、高精度的運(yùn)動系統(tǒng)具有十分重要的意義。

通過對國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的參考和研究，國內(nèi)外大多采用空氣彈簧作為隔振元件進(jìn)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(tǒng)，為微納米測量及加工提供一個良好的隔振環(huán)境，進(jìn)行了模型構(gòu)建，并對平臺進(jìn)行了隔振系統(tǒng)主動隔振性能的測試分析與實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

移動平臺能實(shí)現(xiàn)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(yùn)動平臺及Z向運(yùn)動平臺所構(gòu)成。機(jī)架采用的材料為“濟(jì)南青”花崗巖，其具有特有的吸震性和熱穩(wěn)定性，相比于普通的其它材料更符合運(yùn)動平臺的要求。平臺在X、Y、Z三個方向的結(jié)構(gòu)安排采用下述方案，即X軸直線平臺在水平面內(nèi)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(jī)的觸頭摩擦電機(jī)陶瓷條，使工作臺同氣浮導(dǎo)軌上的氣浮套一起沿導(dǎo)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(jī)的負(fù)載能力有限，對于Z向平臺的自重采用滑輪配重結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行平衡。通過Ansys分析對比C形和龍門型兩種機(jī)架的工作載荷變形，發(fā)現(xiàn)C形機(jī)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(jié)構(gòu)采用龍門型機(jī)架的結(jié)構(gòu)。

微位移機(jī)構(gòu)是定位系統(tǒng)進(jìn)給元件，也是工藝系統(tǒng)誤差進(jìn)行動態(tài)、靜態(tài)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)微量位移傳統(tǒng)的方法可以用機(jī)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(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜、分辨率和定位精度不高、不便計(jì)算機(jī)控制等缺點(diǎn)［4］。在傳動上采用"直線電機(jī)(蠕動式直線電機(jī))+滾動導(dǎo)軌"，采用以色列Naomotino公司的壓電陶瓷電機(jī)(Ls8-1-3s系列電機(jī))作為驅(qū)動，減少運(yùn)動傳遞的中間環(huán)節(jié)，同時直線導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)很低，保證了平臺在低速進(jìn)給運(yùn)動時，不會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。LS系列電機(jī)具有很高的重復(fù)定位精度和定位零伺服抖動的穩(wěn)定性能，反饋系統(tǒng)選擇RENISHAW的RGH25光柵。

圖1 XYZ精密平臺總體結(jié)構(gòu)及X/Y平臺詳細(xì)結(jié)構(gòu)

圖2 兩個型式平臺的靜態(tài)力變形分析

2 系統(tǒng)的動力學(xué)模型研究

研究采用了兩級隔振臺組成的隔振系統(tǒng)。第一級是日本明立精機(jī)ATT—1007型隔振平臺，第二級是“濟(jì)南青”花崗巖制作的機(jī)架隔振臺，精密運(yùn)動平臺被安裝在該花崗巖機(jī)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(jìn)行切換，當(dāng)ATT—1007型隔振平臺在主動隔振工作時，通過與振動檢測系統(tǒng)一起構(gòu)成的閉環(huán)主動振動控制系統(tǒng)，輸出的控制信號驅(qū)使隔振平臺中空氣彈簧的阻尼與剛度發(fā)生變化，從而達(dá)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(tǒng)可簡化為圖3所示的二自由度線性系統(tǒng)模型［5-7］。圖中m1表示超精密隔振平臺與平臺上精密設(shè)備的總質(zhì)量;m2為平臺底座的質(zhì)量;k1、c1分別表示花崗巖的剛度系數(shù)與粘性阻尼系數(shù);k2、c2分別表示空氣彈簧的等效剛度系數(shù)和粘性阻尼系數(shù);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(huán)境振動引起的基礎(chǔ)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(shù)與剛度系數(shù)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(shù)與剛度系統(tǒng)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(jìn)行放大和變換，產(chǎn)生控制信號驅(qū)動控制閥門使改變空氣彈簧的阻尼與剛度系統(tǒng)，從而使隔振平臺獲得恰當(dāng)?shù)淖枘崤c剛度減少平臺的振動。

圖3 系統(tǒng)的動力學(xué)模型

隔振系統(tǒng)的運(yùn)動方程為:

將(1)寫成狀態(tài)方程形式:

式(2)也可寫成

式中，x(t)——狀態(tài)變量;

w(t)——系統(tǒng)干擾;

u(t)——控制信號;

y(t)——測量輸出。

3 主動隔振平臺測試實(shí)驗(yàn)

為了評價隔振系統(tǒng)的隔振效果以及對超精密運(yùn)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(tǒng)進(jìn)行隔振性能分析。在實(shí)驗(yàn)時，將兩個相應(yīng)方向的99-1超低頻拾振器分置于ATT—1007的臺面上和設(shè)備下的地面上。

主動隔振的垂直方向隔振測試結(jié)果曲線如圖4所示(此時ATT—1007內(nèi)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(shù)圖。圖中實(shí)線(藍(lán))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(dá)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(biāo)達(dá)到了所期望的高精、大行程的隔振系統(tǒng)精密運(yùn)動平臺是可以實(shí)現(xiàn)的。

4 結(jié)束語

本文對三維精密運(yùn)動平臺的設(shè)計(jì)及隔振系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了研究，平臺傳動方式上采用“直線電機(jī)(蠕動式直線電機(jī))+滾動導(dǎo)軌”和選擇RENISHAW的RGH25光柵作為反饋系統(tǒng)，建立了大行程和精密定位的運(yùn)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(tǒng)一起構(gòu)成閉環(huán)主動振動控制系統(tǒng)主/被動隔振的動力學(xué)模型。經(jīng)隔振測試顯示，超精密隔振平臺系統(tǒng)明顯降低在基礎(chǔ)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(yùn)動平臺精密運(yùn)動是可以實(shí)現(xiàn)的。研究對主動隔振技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有一定意義，同時，還可推廣至其他系統(tǒng)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(yōu)秀青年教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2010);臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級課題(2011ZD08);浙江教育廳科研項(xiàng)目(Y201122520)

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

(編輯 趙蓉)