（机械制造及其自动化专业论文）扫描探针显微镜主动隔振研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的发展和人类社会的进步，人们对各类高精尖技术领域振动的控 制要求也日趋严格。各种振动很大程度上限制着超精密仪器的性能发挥，例如扫描 探针显微镜( s p m ) 在加工检测时易受到外界干扰。尤其在各类高分辨率测量场合和 超精密加工制造过程更是如此，因此开展对超精密仪器隔振技术研究具有非常重要 的理论意义和实用价值。 本论文课题源自于国家自然科学基金资助项目“弹性浮动研磨新技术及其金刚 石研磨应用研究 ( n o 5 0 6 7 5 0 3 7 ) 和广东省科技计划项目“超微量基因注射检测装 置开发 ( n o 2 0 0 3 8 1 2 0 0 2 ) ，目的在于解决普通实验室下s p m 易受到外界干扰而 影响其纳米检测过程抗干扰能力的问题，在此基础上进行了主被动隔振相结合的混 合隔振研究。 论文中阐述了本论文的研究背景和意义，结合国内外大量文献详细介绍了当前 国内外振动主动控制技术的现状及发展并做出评述；针对现有隔振方法存在的问题 提出将主动隔振和被动隔振措施相结合的隔振方案来提高s p m 精密检测抗干扰能 力；以c s p m 4 0 0 0 型s p m 作为试验研究对象，在主被动隔振机理的基础上建立了隔 振系统及其动力学模型，并将作用力转化为三种反馈方式进行分析；在原有弹簧悬 架机构上自制了涡流耗能阻尼器，经试验取得较好实验效果。 针对低频振动特性，综合考虑s p m 主动隔振结构及成本因素，提出且制作了一套 隔振系统，包括信号拾取、控制系统和致动器三个部分，其中信号拾取由磁电式速 度传感器感应振动信号，控制部分由信号a d ( d a ) 转换、低通滤波、信号放大、f f t 数据处理等环节组成，其中a d ( d a ) 转换采用m a t l a b 控制计算机声卡实现，后续 信号处理运用m a t l a b 软件进行分析计算并施加控制策略。对于诸多主动控制策略 考虑各自的优缺点，就数字p i d 控制算法、模糊控制等控制方法在主动隔振控制中 的运用进行仿真研究，通过m a t l a b 的计算机仿真研究各个控制算法对于不同频段 不同波形干扰的隔振效果，分析比较结果；最终采用p i d 控制方法。然后分别在被 动隔振系统、主动隔振系统的情况下进行试验研究，并对实验结果分析比较，结果 显示在被动和主动隔振结合情况下能取得较好的隔振效果。 广东t 业大学t 学硕1 ：学位论文 关键词：扫描探针显微镜；被动隔振；主动隔振；p i d i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h ep r o g r e s so fh u m a n s o c i e t y ，p e o p l ec o n t r o lv i b r a t i o ni s o l a t i o ni na l lk i n d so fh i g ha n dp r e c i s ef i e l d sm o r e s t r i c t l y s e r i e so fv i b r a t i o nw i t hu n k n o w nf r e q u e n c i e sa n da m p l i t u d e sl i m i tt h e p r o c e s so fe x c e l l e n th i g ha n dp r e c i s ei n s t r u m e n t st oag r e a te x t e n t ，s u c ha ss c a n n i n g p r o b em i c r o s c o p e ( s p m ) ，a n de n c o u n t e r i n g i nv a r i o u sd e t e c t i v ef i e l d so fh i g h r e s o l u t i o na n dh i g ha n dp r e c i s em a c h i n i n gp r o c e s s e sp a r t i c u l a r l y t h e r e f o r e ，i ti sv e r y m e a n i n g f u li nt h e o r ya n du s e f u lv a l u et od e v e l o pv i b r a t i o ni s o l a t i o nt e c h n o l o g yf o r s u p e rp r e c i s ei n s t r u m e n t s t h er e s e a r c ht h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni sf r o mt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a - - - - - - s t u d yo ne l a s t i cf l o a tl a p p i n gt e c h n o l o g ya n dd i a m o n d a p p l i c a t i o n ( n o 5 0 6 7 5 0 3 7 ) a n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a mo fg u a n g d o n g p r o v i n c e - - - - d e v e l o p m e n to fs u p e rm i c r og e n ei n j e c t i o nd e v i c e ( n o 2 0 0 3 8 1 2 0 0 2 ) ， a i m e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p ea v o i d i n gd i s t u r b a n c e i no r d i n a r yl a b o r a t o r ya sat o o lf o rn a n o m e t e rm a c h i n i n ga n dd e t e c t i o n m e a n w h i l e ， l e a r n i n gn e wt h e o r ya n dt e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a da sw e l la sd e e pr e s e a r c ho f a c t i v ei s o l a t i o nv i b r a t i o no ni m p r o v e m e n to fp r e c i s ed e t e c t i o na n da n t i - d i s t u r b a n c e h a sb e e nd o n ef r o mt h ep o i n to fv i e ww h i c hi s t h e o r y ，e x p e r i m e n ta n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n i nt h ed i s s e r t a t i o nt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ha r e i n t r o d u c e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n da n dt h e c u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n sa r e p r o p o s e d a sw e l l ，c o m b i n e dw i t hl o t so fl i t e r a t u r e sa th o m ea n da b r o a d i ti s c o n s i d e r e di t sv e r ym e a n i n g f u lc o m b i n i n gp a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o nw i t ha c t i v e v i b r a t i o ni s o l a t i o n a tt h es a m et i m e t h em a i nc o n t e n t sa r ei n t r o d u c e db r i e f l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n t a k i n gt h ec s p m 4 0 0 0a s t h er e s e a r c ho b j e c t ，w h i c hw a sm a d ei n b e n y u a nn a n oi n s t r u m e n t sc o l t d ，t h ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e ma n di t sd y n a m i c s m o d e la r eb u i l tb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs p ma n da c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n i ti s 1 1 1 广东t 业人学工学硕- j 二学位论文 p r e s e n t e dt h a tc o m b i n i n ga c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o nw i t hp a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n f o rv i b r a t i o ni s o l a t i o na b o u tl o wf r e q u e n c yd i s t u r b a n c ea c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e o fd i s t u r b a n c ei nt h eo r d i n a r yl a b o r a t o r y a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c eo fl o wf r e q u e n c ya n dc o n s i d e r i n gw i t ht h ec o s t o fa c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ，av i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mi sp r e s e n ta n dp r o d u c e d c o n s i s t so ft h r e ep a r t s ，w h i c ha r es i g n a li n d u c t i o n ，c o n t r o ls y s t e ma n da c t u a t o r a n d t h e s i g n a l i n d u c t i o ni sa c h i e v e d t h a tv i b r a t i o n s i g n a l i si n d u c e d b y t h e m a g n e t o - e l e c t r i cs e n s o r ，c o n t r o ls y s t e mc o n c l u d e ss i g n a la d ( d a ) t r a n s f o r m ，l o w p a s sf i l t e r i n g ，s i g n a la m p l i f y i n g ，f f tp r o c e s s i n g ，a n da d ( d a ) c o n v e r s i o n i s a c t u a l i z e db yt h ea c o u s t i cc a r di np c ，t h eo t h e rp r o c e s s i n gi sa c h i e v e db ym a t l a b s o f t w a r ew i t ha n a l y z i n ga n dc o m p u t i n gw i t ha d d i n gc o n t r o lp o l i c y t os om a n y c o n t r o l p o l i c i e s o fa c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o na n dt a k i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，d i g i t a lp i dc o n t r o lp o l i c y ，f u z z yc o n t r o la r ec h o s et oi n v e s t i g a t ei n a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n s t u d y i n gv i b r a t i o ni s o l a t i o ne f f e c tf o rd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s v i ac o m p u t e rs i m u l a t i o ni nm a t l a bw i t hd i f f e r e n tc o n t r o lp o l i c i e s ，r e s u l t sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d f i n a l l y ，p i dc o n t r o lp o l i c yi sa d o p t e d i n v e s t i g a t i n gu n d e r s e v e r a lc o n d i t i o n ss e p a r a t e l y ，t h e ya r ew o r k i n gw i t hp a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ，o r w i t ha c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ，a n dc o m p a r i n gt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ，i ti sg a i n e d f r o mt h er e s u l ta n a l y z e dt h a ti tc a na c h i e v eg o o dp e r f o r m a n c eo fi s o l a t i o nc o m b i n i n g a c t i v ei s o l a t i o nw i t hp a s s i v ei s o l a t i o n k e y w o r d s ：s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ；p a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ；a c t i v ev i b r a t i o n i s o l a t i o n ；p i d i v 广东t 业大学t 学顾1 ：学位论文 独创性声明 秉承学习严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作过的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 8 指导老师签字： 论文作者签字： 储匆匆 邱毒、脊 i 1 们譬年；月占日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景和意义 随着科学技术的发展和人类社会的进步，加工领域尺度越发不断地朝微观方 向迈进，由毫米级到微米级、纳米级，同时检测手段也不断细化。纳米科技将加工 和测量精度从微米级提高到纳米级，从宏观领域步入到微观领域，即从微米尺度 深入到了分子、原子级的纳米层次。l9 5 9 年，r f e y n m a n 曾设想微型机械系统l lj 。 1 9 8 1 年，g b i n n i g 和h r o h r e r 发明扫描隧道显微镜( s t m ) t 引，其测量分辨率极高， 能观测物体表面单个原子和分子的排列以及电子在物体表面的行为。19 8 6 年， g b i n n i g 和c q u a t e 等发明原子力显微镜( a f m ) 【3 】，检测非导体材料和软质材料 试件的表面微观形貌能达到原子级分辨率并能在液体中进行检测。s t m 、a f m 和 利用探针试件间不同作用力发明的高分辨率显微镜统称为扫描探针显微镜( s p m ) 。 目前s t m 已成功应用于单原子操纵，并且s t m 和a f m 等已经开始用于纳米级 微结构的精密加工1 4 5 】。和现在所有的加工方法相比，s p m 能够加工特别微小的 纳米尺度的微结构。现在加工微电子器件的电子束光刻技术，仅能加工的最小线 宽度为0 1 a m 厚度的极小线条，而用s p m 光刻可以加工出线宽小于1o n t o ，高宽 比大于1o 的立体线条。使用s p m 连续操纵原子，可以加工出宽度为2 3 n m 的沟 槽和纳米线。要利用s p m 实现如此精密加工系统必须要能有效隔离外界微小振动 的干扰。 随着科学研究技术的深入，s p m 作为超精密加工测量工具对环境振动要求也 更加趋于严格。这是因为各种频率与振幅的振动在很大程度上限制着高精密仪器 的性能发挥r 7 h 。例如，s t m 工作时，探针针尖试件间的距离小于l n m ，隧道电 流和隧道距离成指数关系，极为敏感，因此极为微小的振动都将干扰仪器的稳定 工作。s t m 使用恒电流扫描模式检测时，不少试件，特别是金属试件，如要求达 到原子级分辨率，就必须能检测出o 0 1y m 的表面起伏，因此对一台性能优异的 s t m 就必须要能很好的应对外界振动干扰，要求由振动引起的扰动导致的隧道间 隙变化小于0 0 0 1 y l m ；半导体行业中的平版印刷术系统将掩模精确投射到工件台 广东t 业人学工学硕1 j 学位论文 上的晶圆曝光，掩模与工件的对准由激光干涉测量精密定位的掩模台和工件台及 专门的光学对准系统完成。现在制造集成电路的光刻技术在生产中已经达到的最 小线宽为0 13 比m t 。理论上分析，现代光刻加工技术的物理极限为0 1 v m 1 2 】，光 刻中的最小光刻线宽除了和光波的波长有关外，成为最小光刻线宽的一个瓶颈就 是曝光机的镜头受到振动干扰i l3 | ，影响到聚焦成像和垫板的位置。要做到这些， 超精密仪器必须有十分优良的隔振装置，因此开展对超精密仪器隔振技术研究具 有非常重要的理论意义和实用价值。 针对这些振动干扰以往国内外传统的做法就是采用技术较为成熟的被动隔振 ( 无源隔振) 方法，即弹簧阻尼系统进行隔振。虽然被动隔振方法有结构简单，容 易实现，经济性好可靠性高等优点，但是其控制效果和适应性都不太好，被动隔 振一旦设计结构完成其参数就已经确定很难做出修改，而且只能对特定很窄的高 频段内振动进行衰减，有时甚至是产生共振不但没有减轻振动反而增强了振动。 虽然通常人们把被动隔振系统的本征频率做的很低，但是在实际应用上很难把被 动隔振系统固有频率控制在低于1 o h z ( 一般能做到2 - 5 h z ) | 1 4 l 范围内，所以对于 低频振动隔振仍然是一个亟待解决的问题，由表1 1 所示纳米测试实验室主要振 源干扰可知，超精密隔振系统设计主要需要考虑的振动频率范围就在o l o o h z 1 5 j ， 这就要求所设计的隔振系统能对低频( 通常以1 0 0 h z 为界) 超低频干扰力具有良好 的隔振效果，但由于般被动隔振系统的低通滤波【1 6 l 特性不能对纳米测试实验室 内的振动起到很好的效果，而主动隔振技术却能很好的解决这些问题。 表1 1 纳米测试实验室的振源分析1 5 】 t a b 1 1a n a l y s i so fv i b r a t i o ns o u r c e si nn a n o m e t e rm e a s u r e m e n tl a b o r a t o r y 振源频率h z振源频率h z 人员走动 1 3 隔振工作台的气泵 1 0 0 15 0 交谈2 0 2 0 0 0 0计算机和各电气箱的排风扇4 0 6 0 开关门 1 2 照明系统的镇流、变压设备 4 0 ，一6 0 实验室附近的 厂和行驶车 地板、建筑的共振1 5 2 55 6 5 辆 建筑物摇摆 1 0 1 0 0 城市附近的海潮 1 2 空调系统、通风管道 5 6 5地震1 10 电气缆线 4 0 6 0 实验室外的强风 2 0 3 0 因此，我们有必要在被动隔振的基础上发展主动隔振技术。主动隔振技术对 振动系统实行闭环校正，在复合激励环境也能够有很强的抗干扰能力，加之被动 2 第一章绪论 隔振在高频段振动的良好隔振效果因而这种系统具有理想的隔振效果，能够适应 于高精密制造、测试和装配的工作环境中。 1 2 主动隔振技术的国内外研究现状 振动主动控制技术的研究于上世纪5 0 年代末6 0 年代初开始【】，最早由美国 科学家提出了有关有源隔振技术的研究报告，到7 0 年代受到世界各国普遍重视研 究进入了广泛探索阶段并且其研究成果初步应用到了工程领域。8 0 年代，振动主 动控制技术进入到蓬勃发展的阶段，人们不论是在理论研究上还是在各类振动控 制上都取得了显著的成果，主动隔离控制技术已经成功应用到了航天结构、车辆 工程、微幅隔振、土木工程等领域上。 1 2 1 国外的研究现状 主动隔振技术的发展主要依赖于微电子、自动控制理论、信号处理和计算机 等技术的发展。由于国外在主动隔振技术方面入手早，展开了深入细致的研究， 因此国外在超精密仪器的主动隔振技术也日益成熟，其研究对象已经由过去的单 自由度系统发展到现在的多自由度系统，由简单线性系统到复杂非线性系统；控 制系统从s i s o 发展到m i m o ；振动方向也从单方向发展到多方向耦合振动。所 以先后有一系列的研究成果产生，部分已商品化，其代表性的有u w es t o b e n e r i l 8 2 0 j 等在高性能测量仪器受外界振动干扰的影响下对隔振装置建模、参数辨识和控制 策略进行研究，由隔振前后振动波形图可知系统能较好的消除外界干扰，但这种 隔振系统结构相对复杂，传感器和致动器布置上存在不可避免的耦合问题，其造 价成本高昂不利于商品化推广。w e n s h e n gh u a 2 l 】等针对低频振动在水平方向和倾 斜方向的耦合特点通过“修正”传感器，用优化的f i r 滤波从水平加速度中分离 倾斜方向噪音达到了较好的效果但其结构模型非常复杂而且传感器布置也存在耦 合问题。j i a y u s hy e n a l 2 2 1 等在大行程扫描探针显微镜上利用m a l l o c k 结构采用离 散滑模控制得出其隔振效果优于传统的提前量型控制但其采用的m a l l o c k 几何结 构复杂难以加工批量化。j e r e m yw g l a r o s 2 3j 针对复杂的磁几何结构不能广泛得到 应用设计了磁被动弹簧运用到光学仪器中结果表明其装置具有潜力商业化。 h u a i s a nw a n g i “l 用音圈电机作致动器，配合一个p i d 控制器有效减小了特定频 率范围的振动但音圈电机伺服控制是一个难点。r y u h e is u g a h a r a 25 】用压电致动器 广东t 业火学t 学硕l ：学位论文 设计制作了一个主动隔振系统应用在粒子对撞项目上，从而解决了在主要的直线 加速器部分的隧道边墙稳定到几十个纳米，垂直方向作用区域可控制到亚纳米。 h i r o k a z uy o s h i o k a 拍】利用绝度速度反馈、地面运动反馈和虚拟t m d 方法设计了 主动隔振系统使得整个隔振平台振动减小到地面运动的1 1 0 0 。 1 2 2 国内的研究现状 国内主动隔振研究比较晚，现今主要是一些大学进行了相关的研究。c l z h a n gr z 7 l 等把仿生学运用到微振动制造平台，采用神经网络控制方法模拟仿真结 果显示主动隔振系统对于地面干扰有较好的隔振性能。郭安薪【7j 等人分析得出车 辆运行过程中引起的纵向地面微幅振动是影响高科技厂房精密仪器正常运行的重 要因素，以高科技厂房及精密仪器工作平台的有限元动力方程为基础，采用优化 控制方法建立分析模型，结果表明隔振系统能有效地减小精密仪器工作平台竖向 微幅振动。哈尔滨工业大学精密工程研究所1 2 s - 3 0 1 以自行研制的超精密车床为背 景，采用被动隔振与主动隔振相结合的混合控制技术研究其垂直方向的振动主动 控制。被动支撑原件为四个空气弹簧，主动隔振执行器采用电磁致动器，振动信 号由压电加速度传感器获取。实验结果表明振动加速度由隔振前的1 5 母1 0 。4 9 下降 到6 0 4 * 1 0 一g ，对于低频段有一定隔振效果。胡强1 3 卜3 3 i 等对各种振源进行分析与 测试，综合考虑地面振动、工作台实验仪器内部振源干扰、太阳和月球引潮力等 环境因素干扰，并由此提出采用主动控制的高精度隔振平台设计方案，隔振平台 通过弹簧、阻尼器和电磁控制器支撑台体，控制执行器线圈电流大小来改变电磁 力实现隔振平台的主动控制，并且对隔振效果做了仿真。陈子晨【3 4 36 】等人分析精 密设备隔振平台的激励环境，设计了超精密装置二维f p i d 振动控制系统，通过 对被动隔振与主动隔振的理论传递率对比得出超低频段主动隔振传递率远远低于 被动隔振中的传递率。 目前国内主动控制技术的研究对象，要么专门针对超精密机床等大型设备， 要么就土木工程中的大型挠性建筑进行研究，而对实验室内超精密仪器仪表的主 动隔振未给予足够的重视，未能设计制造出适用于轻型超精密仪器仪表的主动隔 振装置，致使其工作性能很难达到仪器自身的标定值。此外，目前因为主动控制 技术的价格成本昂贵，因此发展经济实用的振动主动控制技术也应给予足够的重 视。 4 第一幸绪论 1 3 主动隔振技术的发展及其研究 主动隔振装置主要由传感器、控制器和致动器三部分组成，当前对于振动主 动控制研究也主要集中在这三个方面。 1 3 1 主动隔振中传感器的研究 传感器是将机械量如应变、力、位移、速度、加速度、温度等转化为容易测 量的非机械量如电、光等，然后传送给测量系统的信号调理环节的装置。从传感 器的工作原理分类，既有如加速度传感器、应变仪、接近式检测仪等传统型传感 器，又有基于压电材料、光纤和形状记忆合金的新型传感器及先进的非接触式传 感器。在主动隔振系统中，由于传感器处于测量设备的输入端，它和致动器将控 制器与受控对象联系起来，其性能将直接影响到整个测试系统的工作，因此传感 器的功能和性能对于整个控制系统的性能优劣十分重要。传感器的选择取决于所 检测的系统变量，从某种意义上讲，取决于所采用的信号处理方式1 37 1 。目前用于 振动主动控制的传感器主要有压电式【3 引、压阻式39 i 、磁电式【4 0 一42 1 、位移式37 l 、 应变式【4 3 4 引、形状记忆合金【4 6 1 等，如表1 2 所示。综合考虑各类传感器特征及减 振结构空间限制等因素，本论文中试验用传感器最终选用自行绕制的磁电式速度 传感器。 表1 2 应用于振动主动控制中的传感器一览表 t a b 1 - 2s c h e d u l eo fs e n s o r sa p p l i c a t e di na c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n 序号类型名称工作原理主要特征主要应用场合 体积小，重量轻，结构简机械，声学，宇航 1 压电传感器压电效应 堕 等 航空，地震，气象 2压阻传感器压阻效应频响高，体积小，精度高 等 无需外加电源，抗干扰性振动，扭矩，流量 3磁电传感器电磁感应 好等 智能控制，生产线 4 位移传感器电容电感稳定性好，精度高 等 测力，压力，扭矩 5 应变传感器应变效应体积小，精度高，频响好 等 形状记忆合形状记忆效应变大，耐腐蚀，复合性 6消声，电磁屏蔽等 金应好 广东t _ , j k 大学1 二学硕上学位论文 1 3 2 主动隔振中致动器的研究 致动器又称作动器或执行机构，其作用是将控制器输出的电量等非机械量转 变为应变、位移、力等机械力学量，按照实际需求响应系统，以实现对控制对象 的应变、位移、力驱动等目的。因此，它是主动振动控制系统中有着举足轻重地 位的一个环节。在实际应用中致动器应该具有时间延时短、频带宽、重量轻、非 线性程度低、有效性和可靠性等特性【4 川。目前应用到主动隔振中的致动器主要有 气动式、液压式、电气式、电磁式、压电( 电致伸缩) 式、形状记忆合金、超磁致 伸缩以及电流变流体等。致动器的选择取决于控制系统的需要，如所需的控制要 求( 控制力、力矩、应力或位移的大小等) 、功率的消耗、频率响应和物理约束( 如 尺寸和安装要求等) 【4 引。如表1 3 致动器一览表列出了应用于振动主动控制中的 致动器类型、工作原理及其主要性能。 表1 - 3 应用于振动主动控制中的致动器一览表3 9 1 t a b 1 3s c h e d u l eo fa c t u a t o r sa p p l i c a t e di na c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n 序 类型名称工作原理 主要性能主要应用场合 号 l 压电陶瓷( p z t )压电效应响应快，位移、力较小柔性板、壳智能结构 2 压电薄膜( p v d f ) 压电效应响应快，位移、力小柔性板、壳智能结构 响应快，位移小、力较 3 电致伸缩陶瓷( e s )电致效应柔性智能桁架 大 形状记忆合金 4 金属相变响应慢，位移、力较大柔性智能结构 ( s m a ) 5磁致伸缩合金( m s )磁致效应响应快，位移、力大柔性智能桁架 6 电流变流体( e r f )流体相变响应快，力较大主动阻尼 响应中等，位移、力很 7 液体作动液压传动 大型土木结构 大 响应中等，位移、力较 8 气体作动气压传动车辆减振 大 9 电气作动电气传动响应快，位移、力较人 通用型 气动致动器通常由气缸和供气泵组成，通过改变二位四通的气阀控制气缸活 塞上下运动，实现控制杆的位移和力的输出从而对振动进行控制。其优点是由于 气动伺服致动器系统结构简单并且容易维持，致动器零件价格相对低廉，对于一 般的控制系统尤其是对控制精度要求不是很高的控制系统容易达到控制的目的， 操作安全易行，有很好的力输出和位移输出，稳定性和可靠性高，其缺点是机构 时延大，容易出现迟滞现象，对于气泵的输入输出管道要求高。 6 第一章绪论 液压致动器通常由液压缸和伺服阀组成。其工作原理和气动式类似，只是液 压致动器的工作介质是液压油。由于液压式致动器控制力( 位移) 大、稳定性及可 靠性高，因此得到广泛的应用。其缺点是机构延时大，精度不高，需要专门的液 压设备，容易出现迟滞、爬行、蠕动、噪声等缺点。其主要适用于低频控制力要 求较大大的场合，诸如车辆的主动悬挂和直升飞机舱的振动主动控制。但用于车 辆主动悬挂的液压致动器的上限频率为3 2 0 h z ，而用于结构振动主动控制的为 1 5 0 h z 4 8 】。 电磁致动器近年来在主动振动控制中逐渐受到重视，工作原理为利用磁与铁 的相互作用，通常由可动铁芯和固定的永久磁铁组成，磁铁上缠绕激励线圈。当 在激励线圈上施加交变电压时，所产生的交变磁场将驱动铁芯运动，输出力和位 移。电磁式致动器的优点是频率范围宽，响应速度快，可控性好，易于对复杂周 期振动及随机振动实施控制，主要适用于较高频率、控制力不大的场合。 压电致动器又叫电致伸缩致动器。对于压电材料，电场与机械应变场具有一 阶近似线性关系，且是双极性的，即正、逆压电效应。压电致动器就是利用压电 材料的正、逆压电效应，通过在外部施加电场把电能转换为机械能。压电式执行 器具有精度高、不发热、频响宽、响应速度较快、重量轻、机电转换效率高等优 点，但输出力小，位移量也较小，仅仅只有几个微米，所需驱动电压高且压电材 料存在滞后现象，即外加电压函数的伸长量依赖施压电压的升降，势必导致对结 构的非线性激励，因此主要用于高频、控制力不大的场合。 形状记忆合金【4 9 】既有传感功能，如感知并接收应力、应变、电、热等信号， 又具有驱动功能对激励产生响应。形状记忆合金具有源于热弹性马氏体相变的形 状记忆效应，可根据热、力、电各种物理参变量之间的关系对响应进行主、被动 控制。具体为当形状记忆合金处于低温或马氏体状态下，塑性成型并消除外部应 力，当加热时能够回复最初形状。形状记忆合金致动器具有很强的抗疲劳破坏能 力，每次被驱动所产生的应力、应变的大小都基本相同，而且也不易受环境因素 如湿度或真空的影响，但形状记忆合金致动器具有实时性差等缺点，也不适用于 高精度的微制造隔振平台的控制平台。 磁致伸缩致动器”o 。i j 是利用超磁致伸缩材料的磁致伸缩效应发展起来的致 动器，具有响应速度快、应变大、使用频带宽、驱动电压低等优点。磁致伸缩是 指磁性材料在被磁化时，随自身磁化状态改变的弹性形变现象。目前，镍、铁等 广东t 业人学t 学硕士学位论文 金属或合金作为磁致伸缩材料具有较大的磁致伸缩，但都仅限于1 0 - 61 0 巧数量级 内。由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄，主要用于声纳、超声 波发射等方面。 电流变液体【52 】是指能够产生电流变效应的液体。电流变效应是指某种特殊液 体在电场作用下发生液体向固体转变的非线性现象。电流变液体一般是两相悬浮 液，由可在电场下极化的介电微粒、具有良好绝缘性能的基础液、增加介电微粒表 面活性和液体稳定性的添加剂组成。电流变液体目前主要应用领域有工业自动化 设备、通用及专用机械、电力工程、离合器、电流变阀门及交通等。 综上所述，目前用于振动主动控制的致动器类型多种多样，但在实际应用中 致动器的选择应满足系统的需要，综合考虑实验成本和主动隔振装置空间结构等， 最终本论文中采用电磁式致动器进行主动隔振研究。 1 3 3 主动隔振中控制器的研究 控制器是振动主动控制中一个非常关键的部分。主动隔振时根据控制对象的 具体情况采用不同的控制策略和算法来设计控制器，一定程度上决定了不同的环 境条件以及要求精度下所能达到的对控制对象的隔振效果。从目前振动主动控制 的应用来看，控制器的设计方法主要集中在以下几个方面： 直接输出反馈就是将传感器的信号经过增益放大后直接送到对应致动器来进 行控制。它可以避免独立模态空间控制方法中的模态溢出、不稳定等问题而且可 以保证所有模态均是稳定的。b a l a s 5 3 j 指出只要符合相关条件就可以保证直接输出 反馈的控制系统呈稳定状态，但r l c l a r kp 4j 认为b a l a s 没有考虑传感器件的动 力学和刚体模态等问题而得出了相关结论，如果考虑传感器件动力学和电路信号 放大、调节的情况下，直接输出反馈将面临稳定性、鲁棒性的问题。 模态空间控制就是将系统运动方程从物理坐标系线性转换到模态坐标系，把 各模态耦合的物理坐标转换为在模态坐标系中表示的模态坐标，达到解耦的目的。 从控制方程方面来看，即将解一个复杂的高阶微分方程问题转换为解多个低阶微 分方程的问题。对于复杂结构，这种方法需要对模态进行截断，从而造成剩余模 态( 未控制模态) 的溢出【5 卜5 7 j 。 极点配置法又叫特征结构配置法1 5 引，是根据对被控系统动态特性的要求确定 系统特征值( 极点) 与特征向量的分布，通过状态反馈或输出反馈来将系统的闭环 第一章绪论 极点配置在复平面上期望的位置，从而实现预定的瞬态和稳态要求。但是在实际的 工程运用中极点配置很难调整到合适的位置，为克服普通极点配置法仅能配置频 率的缺点，陈大跃【59 j 等提出频率、模态向量的特征结构配置法，兼顾零极点分布。 马扣根i 州j 1 等在常规极点配置法基础上提出同时优化系统极点和传感器致动器位 置的联合优化设计方法。 最优控制是根据承载载荷及振动系统的反应值，应用控制理论中的极值原理、 动态规划以及最优滤波等最优化方法对控制机构的参数进行优化，求解最优控制 力，以便系统的振动达到理想的控制效果法。它所能解决的主要对象是结构参数 模型比较准确、激励和测量信号比较确定的系统。该算法目前应用比较多，其中 以线性二次优化控制应用最广。顾仲权【6 | j 把极点区配置与最优化控制相结合，提 出了一种低阶控制器的设计方法。俞文伯等【6 2 】贝0 对悬臂梁随机振动进行了最优化 控制。 模糊控制是以模糊集合理论为基础的控制手段，其核心是利用模糊几何理论 把人的控制策略语言转化为计算机能接受的算法语言，这种控制方法可以模拟人 的思维方式对无法构造数学模型的被控对象进行有效控制。1 9 6 5 年l a z a d e h 提 出模糊集合论，自此便用模糊集合理论来建立系统模型，设计控制器。19 7 4 年 e h m a m d a n i 首先把模糊集理论应用于锅炉和蒸汽机的控制，效果良好。后来人 们把操作人员的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理 论将其定量化，使控制器得以接受人的经验，模仿人的操作策略，这样就产生了 模糊控制器。目前，模糊技术在振动控制中得到了较广泛的应用 6 3 - 6 5 。 神经网络【6 “6 9 】是由大量简单的神经元广泛相互连接而形成的复杂网络系统， 反应了人脑功能的许多基本特征，是一个高度复杂的非线性动力学系统，因此可 以用来描述几乎任意的非线性系统。神经元能够模拟人脑功能，综合由连接权获 得的信息并依据某种激励函数进行处理，根据一定的学习规则，实现网络的学习 和关系映射。神经网络具有大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和 自学习能力、鲁棒性、容错性能力，不仅可以用于系统模型的辨识，也可用于系 统振动控制。 自适应控制是基于一定的数学模型和一定的性能指标综合出来的，但由于先 验知识很少，需要根据系统运行的信息，应用在线辨识的方法，使模型逐步完善， 从而使控制系统获得了一定的适应能力。自适应控制的研究对象主要是结构和参 9 广东工业人学丁学硕i j 学位论文 数具有严重不确定性的系统，即指被控对象的数学模型不是完全确定的，其中包 含一些未知因素和随机因素。由于复杂系统中往往含有未知参数，因此自适应控 制在振动控制中也得到了广泛的应用【7 7 3 j 。 鲁棒控制设计是指选择线性反馈律使得闭环系统的稳定性或性能对于扰动具 有一定的抵抗能力。当系统有一个小扰动时，实际模态可能发生很大的变化，此 时基于模态控制的方法对此无能为力，另外由于隔振系统的不确定性和干扰的时 变性使得在振动控制设计中必须考虑鲁棒性问题。鲁棒控制器设计方法如风等在 振动控制中得到了广泛的应用，它在保证闭环系统各回路稳定的条件下使相对于 干扰的输出取极少的一种优化控制方法1 7 4 7 6 j 。 1 4 现有隔振方法存在的问题及本研究的难点 目前扫描探针显微镜设备供应商所提供的隔振系统仅为一个简单的沙箱，在 一般的测量试验中，减振沙箱仅能对一些高频振动进行一定幅度衰减，但其减振 效果无法满足使用要求。为了能取得更好的测量结果，必须对以沙箱为基础的被 动隔振系统进行改进。 主动隔振系统中由于传感器处于整个系统的输入端，其对振动信号的拾取性 能将直接影响到隔振系统的工作。由上述可知本论文选取磁电式速度传感器拾取 振动信号，由于当前实验室的振源控制频率基本在o 10 0 h z 范围内，为了能够很 好的感应拾取外界振动干扰信号，传感器必须能够检测到低于10 0 h z 的信号。而 工程上用的磁电式速度传感器由于受机械结构限制固有频率不能做的过低，一般 为1 0 1 5 h z ，少数低于5 h z 左右。因此制作能拾取低频振动信号的传感器成为了 一个难点。虽然有人通过补偿电路对传感器低频响应扩展，但都需要配备专门的 外围电路，比较复杂。 如前所述，用于振动主动控制的致动器已经大大发展了。但是由于其开发成 本如致动器价格昂贵等原因致使主动隔振技术的快速发展受到很大的制约。另外 由于隔振系统的结构空间限制，一般致动器在此机构上难于利用。 本文针对上述问题进行研究，制作了涡流耗能阻尼器改善被动隔振性能，根 据主动隔振成本控制和隔振系统结构空间限制自行绕制磁电式速度传感器和电磁 致动器进行主动隔振。 1 0 第一章绪论 1 5 课题来源与主要的研究内容 1 5 1 课题来源 本课题得到国家自然科学基金项目“弹性浮动研磨新技术及其金刚石研磨 应用研究”( n o 5 0 6 7 5 0 3 7 ) 与广东省科技计划项目“超微量基因注射检测装置开 发( n o 2 0