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        精密設(shè)備三級(jí)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法研究

        2022-11-23 02:37:42戚江鳳張穎
        河南科技 2022年21期
        關(guān)鍵詞:振動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        戚江鳳 張穎

        (華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450000)

        0 引言

        隨著精密加工和精密測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,精密設(shè)備的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣,其精度也在不斷提高,對(duì)工作環(huán)境也有了更高的防微振要求。對(duì)要求較高的精密儀器及設(shè)備,只采取單一的措施無(wú)法實(shí)現(xiàn)防微振,要采取綜合措施。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程人員對(duì)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已展開(kāi)研究,沈國(guó)強(qiáng)等[1]采用主被動(dòng)控制相結(jié)合的方式,利用彈簧和橡膠墊來(lái)減隔高頻振動(dòng),利用超磁致伸縮作動(dòng)器作為主動(dòng)控制器來(lái)降低低頻振動(dòng),并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證,最終得到滿意的抑振效果。而對(duì)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三級(jí)控制設(shè)計(jì)方法的研究相對(duì)較少,本研究設(shè)計(jì)三級(jí)微振動(dòng)控制方案,通過(guò)延長(zhǎng)振動(dòng)傳遞路徑,并增設(shè)振動(dòng)傳遞屏障的方法,使振動(dòng)傳遞能量逐級(jí)消耗,最終實(shí)現(xiàn)微納級(jí)振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn),減小振動(dòng)對(duì)振敏對(duì)象(如精密設(shè)備等)的影響,促進(jìn)我國(guó)高精尖領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

        1 微振動(dòng)控制技術(shù)原理

        微振動(dòng)能產(chǎn)生微米量級(jí)的振動(dòng)位移、毫米每二次方秒量級(jí)的振動(dòng)加速度,其會(huì)使精密儀器及設(shè)備產(chǎn)生額外的相對(duì)運(yùn)動(dòng),從而無(wú)法滿足使用要求。例如,在超精密磨削機(jī)床中,如果存在微振動(dòng),會(huì)使零件表面產(chǎn)生多角形的輪廓形狀;在精密光學(xué)工程領(lǐng)域中,光學(xué)干涉顯微鏡和掃描電子顯微鏡等電鏡類精密光學(xué)儀器的分辨率已達(dá)到微米、亞微米量級(jí),環(huán)境微振動(dòng)將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)失真,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞儀器設(shè)備[2]。

        被動(dòng)隔振由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、具備阻尼的特性,能減少共振頻率產(chǎn)生的響應(yīng),對(duì)大于2倍固有頻率的外界振動(dòng)激勵(lì)有著可靠的隔振效果,但其對(duì)低頻及超低頻外界激勵(lì)隔振效果并不理想,且在對(duì)低頻外擾隔振時(shí)會(huì)遇到靜變形過(guò)大和失穩(wěn)問(wèn)題,其隔振效果較差[3]。

        主動(dòng)隔振技術(shù)是指能夠根據(jù)外界振動(dòng)激勵(lì)特性來(lái)采取相應(yīng)的控制策略,實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器輸出控制力,從而達(dá)到隔振的目的。相比于被動(dòng)控制,其對(duì)低頻及超低頻外界激勵(lì)的主動(dòng)隔振效果優(yōu)良,但主動(dòng)隔振控制的成本稍高。主動(dòng)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(jí)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)理論

        在簡(jiǎn)諧激勵(lì)的作用下,單自由度體系的位移反應(yīng)系數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(1)。

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

        位移反應(yīng)系數(shù)Rd與頻率比ω/ωn的變化曲線見(jiàn)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(wú)關(guān),因而u0≈(ust)0=P0/k,即動(dòng)力反應(yīng)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(yīng)由體系的質(zhì)量控制;如果頻率比ω/ωn≈1(即擾動(dòng)頻率接近于體系的固有頻率),則Rd對(duì)阻尼非常敏感,對(duì)較小的阻尼值,Rd可以是1的若干倍,這意味著動(dòng)力反應(yīng)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(yīng)由體系的阻尼控制。

        基于上述動(dòng)力學(xué)原理,振動(dòng)控制設(shè)計(jì)可分為偏向于質(zhì)量設(shè)計(jì)、偏向于剛度設(shè)計(jì)、偏向于阻尼設(shè)計(jì)3種設(shè)計(jì)導(dǎo)向分析。

        2.1 大體積基礎(chǔ)防微振設(shè)計(jì)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(yīng)由體系的質(zhì)量控制。大體積混凝土即為質(zhì)量控制,故其體積越大質(zhì)量越大,隔振性能越好。

        2.2 超低頻氣浮式控制設(shè)計(jì)原理

        超低頻氣浮式控制裝置中的主要部件為空氣彈簧??諝鈴椈墒且环N內(nèi)部充氣的柔性密閉容器,利用空氣內(nèi)能變化從而達(dá)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??諝鈴椈删哂泻艿偷膭偠燃翱烧{(diào)節(jié)的阻尼值,使隔振系統(tǒng)具有很低的固有振動(dòng)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(shè)備及儀器的被動(dòng)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(fā)生變化,承載越大,內(nèi)壓增大,剛度也隨之增大。因而,即使荷載發(fā)生很大的變化,隔振系統(tǒng)的固有頻率也不會(huì)產(chǎn)生太大的變化。

        在對(duì)空氣彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),為了得到較低的彈簧剛度和較低的自振頻率,應(yīng)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(shù)、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?yàn)楫?dāng)這些參數(shù)大到一定程度時(shí),空氣彈簧的改善速度會(huì)下降,勢(shì)必會(huì)造成浪費(fèi)。

        2.3 伺服主動(dòng)控制設(shè)計(jì)原理

        主動(dòng)控制隔振系統(tǒng)的控制原理示意圖如圖2所示。由圖2可知,隔振臺(tái)座質(zhì)量為m、空氣彈簧支撐體系中的彈簧剛度為k、阻尼系數(shù)為c,傳感器S安放在隔振臺(tái)座頂面,可實(shí)時(shí)測(cè)到絕對(duì)位移ug, 有傳感器傳出電信號(hào)至控制器C中,控制器包括A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)計(jì)算處理功能。根據(jù)控制算法將其產(chǎn)生控制信號(hào)輸出到作動(dòng)器A上,并產(chǎn)生作動(dòng)力f,通過(guò)實(shí)時(shí)施加控制臺(tái)座的運(yùn)動(dòng),改變u,使得u能滿足精密設(shè)備安全工作的需求。

        該原理是以反饋機(jī)制為基礎(chǔ)的主動(dòng)控制隔振原理,可實(shí)現(xiàn)假設(shè)作動(dòng)器輸出的力f到位移傳感器S的傳遞函數(shù)為H(s),見(jiàn)式(2)。

        式中:C(s)、D(s)為正系數(shù)多項(xiàng)式,且C(0)=1,D(0)=1,正實(shí)數(shù)K為放大系數(shù)[2]。

        根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理,可寫(xiě)出結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程,見(jiàn)式(3)、式(4)。

        對(duì)式(3)進(jìn)行Laplace變換,可得式(5)。

        通過(guò)式(4)來(lái)消去f c(t),可得隔振平臺(tái)位移u對(duì)基礎(chǔ)位移ug的傳遞函數(shù)G(s),見(jiàn)式(6)。

        將s=jω代入式(6)中,分離實(shí)部和虛部后可得隔振平臺(tái)位移u對(duì)基礎(chǔ)位移ug的幅頻特性,即主動(dòng)隔振系統(tǒng)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(tǒng)的放大系數(shù)遠(yuǎn)大于隔振平臺(tái)支承的剛度系數(shù)k,主動(dòng)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(dòng)隔振系統(tǒng)隔離超低頻振動(dòng)的能力比被動(dòng)隔振系統(tǒng)要強(qiáng)得多[2]。

        3 三級(jí)防微振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法

        3.1 一級(jí)隔振方案設(shè)計(jì)

        一級(jí)隔振系統(tǒng)采用“大體積混凝土基礎(chǔ)+聚氨酯減振墊”的設(shè)計(jì)方案,主要部分有基礎(chǔ)墊層、基礎(chǔ)支墩、減振墊、大體積混凝土基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。地下空間清理完畢后,首先鋪設(shè)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(chǔ)整體采用下部收縮設(shè)計(jì),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí),也為隔振系統(tǒng)的安裝、檢修及監(jiān)控設(shè)備的布設(shè)、維護(hù)預(yù)留操作空間。大體積混凝土基礎(chǔ)下設(shè)6組支墩,在滿足承載力要求的同時(shí),為減振墊層的更換或系統(tǒng)升級(jí)改造預(yù)留空間。

        3.2 二級(jí)隔振方案設(shè)計(jì)

        二級(jí)隔振系統(tǒng)采用“T型臺(tái)+空氣彈簧”的氣浮平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,將自身附帶的空氣壓縮機(jī)作為供氣氣源。二級(jí)系統(tǒng)主要由支墩、空氣彈簧、T型臺(tái)、空氣壓縮機(jī)、多功能操作平臺(tái)組成。設(shè)計(jì)尺寸如圖4所示。

        為保證氣浮平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,平臺(tái)板要進(jìn)行質(zhì)剛重合設(shè)計(jì)。因此,要在平臺(tái)板下方設(shè)置下掛,平臺(tái)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(shè)置高700 mm的支墩,保證空氣彈簧對(duì)T型臺(tái)的支通長(zhǎng)設(shè)計(jì),并在其頂層鋪設(shè)聚四氟乙烯板,該材料表面光滑,更換空氣彈簧時(shí)可直接拖拽。T型臺(tái)下方設(shè)有頂升裝置,更換空氣彈簧時(shí)采用頂升裝置對(duì)T型臺(tái)進(jìn)行支撐。綜合考慮T型臺(tái)的重量與單個(gè)空氣彈簧的承載力,本系統(tǒng)使用4個(gè)空氣彈簧(對(duì)稱式布置),空氣彈簧下底面通過(guò)螺栓固定到條形支墩上的預(yù)埋件內(nèi),上部不固定。

        3.3 三級(jí)隔振方案設(shè)計(jì)

        三級(jí)控制采用“高剛性鋼平臺(tái)+控制單元”的主動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)內(nèi)容為“主動(dòng)伺服裝置+高架地板”。氣浮系統(tǒng)尺寸如圖5所示。主動(dòng)控制裝置的控制單元上下兩端均要進(jìn)行固定,要按尺寸在下方T型臺(tái)上增設(shè)預(yù)埋件,并在高剛性平臺(tái)板對(duì)應(yīng)的位置打孔。因三級(jí)隔振系統(tǒng)較二級(jí)隔振系統(tǒng)尺寸小,為保障房間內(nèi)使用空間及人員安全,要在周邊架設(shè)高架地板,地板底部通過(guò)架設(shè)的鋼梁進(jìn)行支撐,地板表面與主動(dòng)隔振系統(tǒng)齊平??紤]周邊振動(dòng)環(huán)境有可能惡化,選用高性能主動(dòng)控制單元,保證有足夠的冗余性設(shè)計(jì)。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本研究根據(jù)剛度、阻尼、質(zhì)量的振動(dòng)設(shè)計(jì)原理,進(jìn)行三級(jí)微振動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)計(jì),Ⅰ級(jí)可隔離中高頻,Ⅱ級(jí)進(jìn)一步耗能增穩(wěn),Ⅲ級(jí)低頻濾波,從而達(dá)到精密儀器微振動(dòng)控制的目標(biāo),為精密儀器微振動(dòng)控制提供參考思路。

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