【摘要】：隔振技術(shù)是高精尖制造、加工、測量領(lǐng)域的共性核心技術(shù),在以光刻機(jī)為代表的半導(dǎo)體制造領(lǐng)域,以金剛石車床為代表的超精密加工領(lǐng)域,以超分辨熒光顯微鏡、引力波探測為代表的超精密測量領(lǐng)域,都需要精密隔振系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的環(huán)境保障。主動隔振系統(tǒng)能兼顧基礎(chǔ)振動和直接擾動,提供寬頻帶的隔振。本課題提出一種應(yīng)用復(fù)合型致動器的隔振實驗單元,并設(shè)計了H_∞控制器對其進(jìn)行主動控制,主要研究工作如下。首先在分析動力吸振原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了隔振實驗單元的機(jī)械結(jié)構(gòu),提出將音圈電機(jī)與壓電致動器串聯(lián)作為主動致動器,利用支撐彈簧與壓電陶瓷產(chǎn)生的串聯(lián)剛度,結(jié)合音圈電機(jī)動子與壓電陶瓷組成中間質(zhì)量,實現(xiàn)動力吸振特性。其次,對隔振實驗單元進(jìn)行了動力學(xué)建模。分析了壓電致動器輸出力與其控制電壓以及音圈電機(jī)輸出力與其控制電流的關(guān)系,建立隔振實驗單元的動力學(xué)模型,然后推導(dǎo)開環(huán)系統(tǒng)地面振動位移到負(fù)載位移以及負(fù)載直接擾動力到負(fù)載位移的傳遞函數(shù),分析了開環(huán)系統(tǒng)頻率特性。然后,設(shè)計了H_∞控制器并進(jìn)行仿真分析。針對隔振實驗單元開環(huán)頻率特性,需要對兩個固有頻率附近的地面振動和負(fù)載直接擾動力進(jìn)行主動控制,采用H_∞控制,通過選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)函數(shù)進(jìn)行頻率特性整形設(shè)計,并對控制量進(jìn)行限制。利用Matlab/Simulink對設(shè)計的控制器進(jìn)行仿真,通過仿真驗證了控制器的有效性。最后,完成了實驗系統(tǒng)的搭建。對設(shè)計的壓電致動器進(jìn)行測試,其位移范圍0-55μm,電壓-位移曲線線性度良好,遲滯環(huán)較小,動態(tài)位移特性良好。對速度傳感器設(shè)計了濾波和低頻補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。對隔振實驗單元主動控制效果和隔振性能進(jìn)行了實驗,實驗結(jié)果表明,隔振實驗單元在無控制時反共振頻率為11.6Hz,反共振頻率附近振動衰減明顯;進(jìn)行主動控制后,共振峰被消除,傳遞率在全頻帶都小于0dB,對于所有頻率的振動都有衰減;當(dāng)?shù)孛嬲駝幼畲笏俣葹?mm/s時,有控制和無控制時負(fù)載振動最大速度分別為1.3mm/s和4mm/s;同樣大小的直接擾動力作用于負(fù)載,有控制和無控制時負(fù)載速度最大值分別為2.66mm/s和5.36mm/s,主動控制使得負(fù)載抵抗直接擾動的能力更強(qiáng)。
【圖文】：

1.2 隔振技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 隔振器產(chǎn)品研究現(xiàn)狀當(dāng)前高性能精密隔振商用產(chǎn)品主要掌握在美國、德國和日本的幾個廠商手中，包括美國的 TMC 公司和 Kinetic Systems 公司，德國的 IDE 公司和Halcyonics 公司，日本的倉敷化工、明立精機(jī)公司等[12-13]。荷蘭 ASML 公司 2005 年研制成功了干式 ArF 光刻機(jī) TWINSCANXT:1400[14-15]，實現(xiàn)了 65nm 線寬的加工能力，其 300mm 硅片的產(chǎn)率在保持133WPH 的情況下套刻精度仍能小于 8nm。該光刻機(jī)配套使用德國 IDE 公司NGI 90 型隔微振裝置[16-17]，如圖 1-1 所示，隔振裝置采用正負(fù)剛度并聯(lián)來降低隔振器的結(jié)構(gòu)剛度，獲得優(yōu)異隔振性能。重力補(bǔ)償采用倒立安裝方式，空氣彈簧的底部是由柔性密封材料制成的，當(dāng)空氣彈簧充滿空氣時，倒立擺結(jié)構(gòu)具有水平負(fù)剛度。倒立擺與其上端的正剛度片簧機(jī)構(gòu)連接。正負(fù)剛度并聯(lián)，可以獲得水平方向近零剛度特性。垂直方向通過空氣彈簧正剛度與可調(diào)磁浮負(fù)剛度機(jī)構(gòu)并聯(lián)，可有效降低垂向剛度。該隔振器固有頻率為 0.5-1.5Hz，10Hz 處能取得-45dB 的振動衰減。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文國 Minus K 公司的 SM-1 型精密隔振器是基于一種負(fù)剛度可調(diào)結(jié)構(gòu)的被振器[18-19]，該型精密隔振器豎直方向采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，壓桿機(jī)構(gòu)具有非剛度，而彈性懸架是正剛度的，二者并聯(lián)得到低剛度，如圖 1-2 所示，的大小是可變的，這是由于彈簧的預(yù)壓力可以通過調(diào)節(jié)垂向調(diào)節(jié)螺栓來水平向利用倒立擺獲得低剛度，系統(tǒng)固有頻率可低至 0.5Hz，對于 1Hz振動信號隔離效果較好。為了保證隔振器工作在負(fù)剛度線性區(qū)，隔振負(fù)向位置可以被改變，，通過由垂向負(fù)載調(diào)節(jié)螺栓驅(qū)動的蝸輪蝸桿。為了抑固有頻率附近的傳遞率，使用彈性阻尼耗散系統(tǒng)振動速度，獲得固有頻動傳遞率減小 20dB 的隔振性能。該隔振器無需供電和氣源，適用于真，在航天器測試、太空環(huán)境地面模擬裝置中有廣泛應(yīng)用。頂板塔板套管
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB535

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本文編號：2621431