【摘要】：廣泛應用于IC光刻、超精密加工與測量等領域的高性能隔振是保障這些高端制造裝備／儀器工作性能的關鍵技術之一。由于不同裝備／儀器對環(huán)境振動隔離的要求有所區(qū)別,隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計必須平衡其隔振性能需求與制造經(jīng)濟性的關系,具體需要解決以下兩大問題：低固有頻率與高承載力矛盾的問題、低共振點傳遞率與寬頻域高衰減率矛盾的問題。為此,本論文針對三種典型精密設備的隔振需求,從隔振機構(gòu)動力學分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計以及實驗驗證三個方面展開深入研究,力求為高性能隔振系統(tǒng)的設計制造提供理論依據(jù)。 針對隔振系統(tǒng)經(jīng)濟性設計這一目標,利用獨立分量分析方法、離散傅立葉變換原理,給出了微振動在VC振動評價標準下的快速評級方法。建立了隔振系統(tǒng)的動力學模型,提出了被動隔振結(jié)構(gòu)與天棚阻尼相結(jié)合的隔振策略,解決了低共振點傳遞率與寬頻域高衰減率矛盾的問題�；诃h(huán)境振動情況以及精密設備類型的不同,將隔振系統(tǒng)分為超低頻隔振(≤1Hz)、低頻隔振(≤2Hz)以及一般隔振(≤5Hz)三類,從系統(tǒng)層面為高性能隔振系統(tǒng)設計提供依據(jù)。 在超低頻隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中,為解決低固有頻率與高承載力的矛盾,提出了正、負剛度機構(gòu)并聯(lián)的隔振策略。研究了負剛度機構(gòu)的動力學特性,其立方非線性引起的“跳躍現(xiàn)象”會使系統(tǒng)幅值陡增,為此,通過參數(shù)分析與優(yōu)化獲得了負剛度機構(gòu)最小非線性構(gòu)型。在此基礎上,設計了基于永磁負剛度與倒立擺負剛度機構(gòu)的超低頻主動隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了多自由度超低頻隔振。樣機隔振性能測試結(jié)果表明,其結(jié)構(gòu)固有頻率約為1Hz,傳遞率在2Hz以后低于-20dB,在10Hz以后低于-40dB。 在低頻隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中,為克服線性剛度彈簧存在的剛度和靜變形權(quán)衡的問題,采用空氣彈簧和擺機構(gòu)作為低頻隔振單元,通過理論建模-仿真分析-實驗研究相結(jié)合的方法,揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動力學特性的影響規(guī)律,為低頻隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計提供了理論指導。建立了系統(tǒng)動力學方程,分析了傳感器、作動器配置的合理性。樣機性能測試結(jié)果表明,其結(jié)構(gòu)固有頻率低于2Hz,固有頻率處傳遞率小于-5dB。 在一般隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計中,考慮到制造經(jīng)濟性采用了螺旋彈簧作為隔振元件。提出了基于粒子群算法的螺旋彈簧設計方法,優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用箱式構(gòu)型設計了高剛性輕量化的工作臺結(jié)構(gòu),保障了其在隔振系統(tǒng)中的應用。樣機傳遞率測試曲線表明,結(jié)構(gòu)固有頻率低于5Hz。 本文的研究內(nèi)容、方法和結(jié)論對滿足不同精密設備在不同應用場合下要求的隔振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設計具有一定的現(xiàn)實指導意義。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB535.1

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本文編號：2532759