面向IC制造的超精密運動臺面臨著寬頻域、微幅/超微幅振動控制帶來的挑戰(zhàn),零剛度磁懸浮利用永磁體間作用力形成六自由度低剛度及重力補(bǔ)償能力,配合電磁力主動控制而成為一種適合于超精密微動臺的隔振支承新形式,然而其支承特性變化規(guī)律與調(diào)控方法尚有待深入研究。本文通過對國內(nèi)外技術(shù)的研究,分析了零剛度生成原理,進(jìn)行了磁場建模與結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析,提出了一種改進(jìn)的零剛度磁懸浮支承方案,設(shè)計開發(fā)了支承控制系統(tǒng),進(jìn)行了實驗驗證,并進(jìn)一步研究了基于該支承的磁懸浮微動臺動力學(xué)特性、聯(lián)合仿真建模及振動抑制控制技術(shù)。本文完成的主要工作有:首先介紹了零剛度磁懸浮支承的結(jié)構(gòu),分析得出了工作區(qū)域內(nèi)動子磁場徑向分量沿軸向線性變化的規(guī)律。基于畢奧-薩伐爾定律、橢圓積分方法和洛倫茲力方程建立了電磁場、電磁力的數(shù)學(xué)模型,分析了動子永磁陣列環(huán)厚度和定子永磁環(huán)尺寸的影響,得出了動子永磁陣列環(huán)不等厚、定子偏置的設(shè)計方案,計算了結(jié)構(gòu)參數(shù)并研制了實驗樣機(jī),搭建實驗平臺測試表明其軸向力保持不變而軸向剛度降低約4倍,達(dá)到10N/m,隔振性能、工作范圍均有改善。針對磁懸浮支承軸向單自由度控制,建立了電流、速度、位置環(huán)伺服控制模型,計算了各環(huán)路的PID控制參數(shù),仿真分析了控制器的有效性;基于NI系統(tǒng)和磁懸浮支承樣機(jī)搭建了伺服控制實驗臺,完成了基于LabVIEW的控制框圖設(shè)計,通過磁懸浮支承的單自由度伺服控制驗證了伺服控制效果。介紹了采用零剛度支承的磁懸浮微動臺結(jié)構(gòu)及工作原理,針對磁懸浮微動臺柔性振動抑制問題,建立了磁懸浮微動臺有限元模型,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)模態(tài)分析,獲得了具有柔性特性的動力學(xué)模型,提出了四個磁浮支承的前饋輸入整形結(jié)合模態(tài)力約束解耦的振動抑制方案,建立了動力學(xué)與控制聯(lián)合仿真模型,仿真分析表明有效抑制了磁懸浮微動臺一階模態(tài)的柔性振動和運動殘余振動。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH703.8
【部分圖文】：

（b）wi=wo（c）wi圖 2-7 三種動子永磁陣列方案的氣隙磁場磁陣列環(huán)厚度對中心氣隙磁場的影響，采用解析法對的氣隙磁場進(jìn)行解析，取輔助線軸向位置[-5,5]mm合出不同動子永磁陣列環(huán)方案的磁場徑向分量變化，wi<wo和 wi=wo的磁場徑向分量變化率的變化大于變化。這說明 wi>wo的動子永磁陣列環(huán)磁場徑向分?jǐn)?shù)，則磁場徑向分量沿軸向更具有線性變化特性，符

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文即定子永磁環(huán)厚度應(yīng)該小于 4mm，同時定子永磁環(huán)有[-1,1]mm 的工作區(qū)間，則定永磁環(huán)高度應(yīng)該小于 6mm。采用解析法可以得到不同定子永磁環(huán)高度和寬度的軸力和軸向剛度，如圖 2-12 所示，圖中 h 是定子永磁環(huán)高度，t 是定子永磁環(huán)厚度單位是 mm。

子永磁環(huán)均由瓦片永磁體組成。經(jīng)分析，采用少量瓦片永磁體粘合成永磁環(huán)會導(dǎo)致軸向力下降，而瓦片永磁體數(shù)量過多會導(dǎo)致永磁環(huán)粘合難度大，最終采用的永磁環(huán)由八個幅度為45°的瓦片狀永磁體粘合組成。粘接好的動子和定子實物圖如圖2-17所示。（a）粘接好的動子 （b）粘接好的定子圖 2-17 動子和定子實物圖基于粘接好的動子和定子搭建零剛度磁懸浮支承靜態(tài)性能測試實驗平臺，如圖 2-18 所示。在行程范圍內(nèi)整個動子每移動 0.1mm 時力的變化非常小，變化量大小在0.001N 左右， 因此需要一個高精度的力傳感器來保證軸向力的準(zhǔn)確性。而支承提供了 40N 左右的靜態(tài)軸向力，大量程的力傳感器受精度限制無法精確讀出該實驗平臺的力變化數(shù)據(jù)，已知動子自重 6.7N，故在動子上固連一個 30N 的配重塊，采用日本MTO 公司型號為 CD17 的稱重測力傳感器
【參考文獻(xiàn)】

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1 李鑫;楊開明;朱煜;張鳴;;基于模態(tài)力約束的平面電機(jī)振動抑制研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2015年12期

2 李廣;張鳴;朱煜;段廣洪;Masayoshi Tomizuka;;六自由度微動臺熱特性分析與散熱設(shè)計[J];組合機(jī)床與自動化加工技術(shù);2011年03期

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本文編號：2858656