主动减振器的结构技术研究进展

主动减振器的结构技术研究进展

主动振动检测器为精密设备提供了一个非常安静的内部环境。主动振动技术是我国的一项重要技术：电路制造、精确测量、医疗检测等设备的技术支持[1.3]。精密设备的精度和分辨率等指标受限于外部环境振动,而减振器的性能则直接决定了其振动的等级。相比被动减振器,主动减振器在维持优异的中高频隔振性能的同时,还能较好的衰减固有频率处的结构共振。由于主动减振器兼具较好的位置稳定性和隔振性能,广泛应用在以IC光刻机为代表的集成电路制造领域,以AFM、SEM/TEM等为代表的精密测量领域,以精密车床等为代表的精密加工领域,以核磁共振成像仪MRI等为代表的医疗设备,以太阳能面板驱动装置、太空望远镜等为代表的航空航天领域等。围绕改善主动减振器的稳定性和减振性能,国外研究单位和厂商针做了大量的研究。主动减振器生产商包括德国的IDE公司和Halcyonics公司、日本的特许公司和明立精机公司、美国的TMC公司和KineticSystems公司等。世界三大投影光刻机制造商:ASML公司、Nikon公司和Canon公司,提出了大量新型结构的软式主动减振器,并深入研究了其控制方法[1,10,11,12,13,14]。针对软式主动器的输入扰动和结构的不确定性,荷兰的Eindhoven大学基于IDE公司的TCN型减振器,研究了软式主动减振器的线性时变控制和鲁棒控制技术[15~17]。荷兰Twente大学设计了用于光刻机的投影物镜隔振的SmartDisc硬式减振系统,以及用于光刻机内部测量框架减振的SmartMount硬式减振系统[18~20]。日本Saitama大学基于低刚度的正负刚度串联结构,设计了理论上无穷大刚度磁浮硬式减振器[21~23]。美国的MIT大学等在重力波探测中,深入研究了主动减振技术以衰减地基振动噪声[24~27]。另外还有东京工业大学、南安普顿大学等单位围绕主动减振控制技术作了大量的研究。目前国内还没有发现国产的主动减振器产品在市场上销售,国内许多高校研究单位对主动减振器的结构和控制等关键技术做了大量研究。华中科技大学提出了多种主动减振器新构型,研究了软式减振器的自适应前馈和反馈控制算法[28~34]。哈尔滨工业大学研究了大型重载隔振基础的速度反馈控制技术。中南大学研究了用于扫描投影光刻机的硬式减振器的主动控制技术。上海交通大学、浙江大学等单位也对主动控制技术做了一定的研究。1主动减振器主要技术难点减振器按工作原理可分为主动减振器、被动减振器和半主动减振器。图1为主动减振器的结构原理图,通过驱动执行器,衰减地基传递到负载的振动,主动补偿作用在负载上的直接扰动力,以维持负载的绝对稳定性。主动减振器的关键技术指标包括:固有频率(naturalfrequency)、振动传递率(vibrationtransmissibility)、响应时间(settingtime)、调平精度(levelingaccuracy)等指标。其中固有频率和振动传递率主要用于衡量对地基的隔振性能,响应时间和调平精度主要用于衡量抗负载直接扰动性能。针对不同的应用需求,主动减振器主要技术难点如下:1)高刚性的主动减振器在极大衰减负载扰动和结构模态振动的同时,具备优异的地基隔振性能;2)低刚性的主动减振器在隔离地基低频振动同时,能维持较好的位置稳定性;3)针对特定类型的主动减振器,设计强鲁棒性的控制方法,能同时保证负载的位置稳定性和隔振性能。主动减振器按固有频率的大小差异可分为硬式减振器和软式减振器。Dijk指出软式主动减振器的支撑共振频率小于1Hz,而硬式减振器的支撑共振频率在10Hz~20Hz之间。Poel按固有频率大小对软式减振器和硬式减振器作了严格区分,认为固有频率大于等于5Hz为硬式减振器,而固有频率小于5Hz为软式减振器。硬式主动减振器和软式主动减振器都采用绝对速度反馈控制用于增大系统的天棚阻尼,消除共振,但是两者的隔振性能和抗负载扰动性能差异较大。硬式主动减振器刚度较大,抗直接扰动力性能较强,但是由地基传递到负载的1Hz~10Hz的低频振动也越大。硬式主动减振器能用于衰减中高频的结构模态振动及负载平台的直接扰动。硬式减振器的典型生产商为TMC公司,代表性产品为STA-CIS系列减振器。软式主动减振器的隔振性能更为优异,能隔离低于1Hz低频地基振动,但是其抗直接扰动能力稍弱。软式主动减振器能应用于对振动要求最为严格高端光刻机,以及精密测量设备等场合。软式减振器的主流生产商包括IDE公司、特许公司和明立精机公司等。2压缩支撑、撑硬式减振器按负载的支撑形式分为悬挂支撑和压缩支撑;按单个减振器隔振自由度的多少分为单自由度和多自由度。以下按照硬式减振器隔振自由度的多少进行分别描述。2.1单自由度主动减振器st4采用3个或3个以上的单自由度减振器,按照一定的拓扑结构并联,可构成Stewart减振平台,从而实现对负载的3自由度或多自由度的主动减振。每个单自由度减振器一般包括柔性铰链、传感器、制动器。Hanieh设计了立方Stewart硬式隔振平台,包括柔性铰链、力传感器和压电陶瓷致动器,其构造如图2所示。该Stewart平台能用于光学镜头、望远镜等的精密定位,也能用于衰减负载的结构振动。CSA公司、PI公司和IAI公司等也有类似Stewart平台。2.2硬式主动减振器reastortepterficienBeard等人最早提出了一种三自由度隔振的硬式减振器结构,其动力学原理如图3所示。该减振器采用被动元件和主动元件串联而成,两者的刚度都较大,从而硬式减振器的固有频率为20Hz左右。中间质量块Mi质量较小,用于消除主动控制环路和地基的模态耦合。Schubert等人也在1994年和1997年申请了此类硬式隔振系统的专利,其结构原理如图4所示。该硬式主动减振器的被动元件为大阻尼的橡胶结构,支撑在中间质量块和负载之间,结构频率为20Hz左右。中间质量块约为5kg,在其上布置有3个相互正交的地音传感器,测量中间质量块的振动。在中间质量块和基座之间布置有3个压电陶瓷制动器,用于衰减地音传感器所测量的振动。由于整个减振器的刚性较强,抗直接扰动能力较强。TMC公司的STACIS系列减振器就是基于该原理设计。荷兰Twente大学的Nijsse等提出了两自由度的硬式主动减振器结构,如图5所示。每一个硬式减振的包括成正交方向布置的压电陶瓷致动器,压电陶瓷致动器的两端分别安装有两个加速度传感器,用于测量扰动源和基座的振动。柔性铰链的沿着轴线方向刚性较强,而垂直于轴线方向刚性较小,用于解耦。沿着轴线的结构固有频率达200Hz,该减振器可隔离大于150Hz的高频扰动力。采用3组硬式减振器可以实现六自由度的隔振,能应用于MRI扫描仪。Holterman等人提出了两自由度的主动减振器(SmartDisc)结构。其特点是抗剪切元件和主动隔振元件串联,压力传感器和压电陶瓷致动器串联构成主动隔振元件。主动控制3个所设计的硬式主动减振器可用于衰减光刻机投影物镜的结构模态振动。日本Saitama大学提出采用正负刚度串联的硬式减振器的构造形式。采用低刚度的正刚度弹簧和负刚度的磁浮结构理论上可实现无穷大刚度。总之,硬式主动减振器具有结构刚度高,频率响应带宽大、位置稳定性好的优点,主要用于衰减负载扰动造成的振动,但其对地基的隔振性能稍弱。3抗振性好的地基振动主动减振器软式主动减振器采用低刚度的被动隔振单元支撑负载,以实现对地基振动优异的隔振性能。软式主动减振器一般采用主动元件和低刚度被动隔振元件并联而成。按隔振自由度的多少可将软式主动减振器分为单自由度型和多自由度型。3.1软式减振器多个单自由度软式主动减振器按一定的拓扑结构并联构成软式Stewart隔振平台,一般用于隔离微重力环境的振动。Preumont等人提出了一种软式减振器,其结构如图6所示。其结构一般包括柔性接头、力传感器、音圈电机、低刚度支撑单元,能实现有效隔振带宽达5Hz到400Hz,并且,50Hz到200Hz带宽内的振动衰减率达-40dB。所设计的隔振平台应用于太空环境下的太阳能面板驱动装置和低温制冷机等的隔振。国内的哈尔滨工业大学等也有类似的Stewart平台,用于隔离运载火箭到卫星的振动。3.2被动隔振单元刚度多自由度的软式主动减振器一般用于构成重力环境下的主动隔振平台。软式减振器主要通过降低减振器被动隔振单元刚度来实现超低频隔振。减振器中的被动隔振单元构造形式多样,如钢弹簧、欧拉压杆、柔性铰链、摆、空气弹簧等结构,都能实现极低的结构支撑刚度。在软式主动减振器中,根据被动隔振单元对负载重力支撑方式的不同,可划分为3种形式为空气弹簧、磁浮弹簧和接触式支撑结构。3.2.1空气弹簧的垂向刚度空气弹簧具有大负载,超低频的隔振能力,并且具有一定的位置调整功能,广泛用于软式减振器的垂向负载支撑和隔振。在微小位移下,采用空气弹簧支撑负载质量为M的负载,则其垂向刚度为式中:P0为大气压力;κ为绝热指数;A为空气弹簧的有效支撑面积;V为空气弹簧的气室容积。从公式(1)可看出,要减小软式减振器空气弹簧的垂向刚度Ka,最直接的方法是增大气室的容积V。软式减振器水平向隔振结构设计则具有多样性,典型的结构包括空气弹簧、摆机构、滚珠轴承、气浮轴承和正负刚度并联机构等。1主动控制装置早期的软式主动减振器在水平向采用空气弹簧隔振,如图7所示。其垂向采用一个双腔室空气弹簧隔振,水平向采用两个双腔室空气弹簧支撑隔振,其中一个用于被动支撑隔振,一个用于主动控制。支撑柱由橡胶片和金属片层叠而成,以确保足够的刚度和一定的阻尼。加速度传感器和速度传感器分别测量负载的垂向和水平向的绝对加速度和相对位置,用于反馈控制电磁阀,实现主动减振。这种主动减振器构造形式简单,垂向空气弹簧和水平向空气弹簧可以用于低刚度被动支撑元件,同时也用作气动执行器,实现主动减振。但是采用空气弹簧支撑要实现低刚度,则减振器的体积非常大。另外采用空气弹簧作为气动控制执行器具有响应速度慢,控制精度低,气动带宽小的缺点。佳能公司用于光刻机的主动减振器也有类似的结构。2摆机构主动减振器Johannes等人提出了一种水平向采用摆机构隔振的软式主动减振器,其结构如图8所示。该减振器摆机构采用3根对称布置的柔性杆将负载悬吊在空气弹簧的活塞上,3根柔性杆在垂向具有高刚度,而水平向具有低刚度。同时,采用地音传感器测量负载的水平向和垂向的绝对速度,反馈控制水平向和垂向的音圈电机,用于增加系统的天棚阻尼(sky-hookdamping)。位置传感器测量负载相对地基的在水平向和垂向的相对位置,反馈控制垂向空气弹簧和水平向音圈电机,用于维持减振系统的相对位置稳定性。主动减振器采用摆机构隔振具有体积小、刚度低的优点,同时采用音圈电机作为主动减振执行器具有直接驱动、结构简单;低噪声、低振动;高加减速,线性推力等优点。IDE公司应用该结构设计了TCN系列减振器,其固有频率为2Hz左右,成功用于ASML公司的PAS5500系列光刻机,MIT大学研制的激光扫描束干涉光刻机等场合。Newport公司和TMC公司都有类似基于摆机构水平隔振的减振器。基于摆结构的主动减振器已经取得广泛的应用,华中科技大学对该典型结构减振器原理深入分析,针对该结构阻尼较小的问题提出了改进的构型,并针对该类型的主动减振器深入研究了负载扰动力前馈控制算法。基于摆机构的主动减振器的垂向刚度由空气弹簧决定,水平向刚度由摆机构决定。空气弹簧的刚度可通过式(1)得出,摆机构的刚度则可通过理论建模的方法得出从式(2)可得出,摆机构的水平向刚度依赖于摆杆的长度L,柔性部分的长度l,以及负载质量M。针对该类型减振器垂向阻尼较小并且不可调整的问题,陈学东等人提出了采用节流阀自动调节空气弹簧的结构阻尼,以及采用可变簧片调节垂向阻尼的方案。并且在不增大摆机构杆长情况下,设计了水平向二自由度的负刚度结构,进一步降低减振器的刚度。3滚珠首率回复力的计算Yasuda等人提出了一种在水平向采用滚珠轴承隔离水平振动的主动减振器,其结构如图9所示。该主动减振器的活塞和负载之间设计了多个滚动单元,这些滚动单元的上下表面为球形,并且具有不同的半径。地基的水平向振动造成滚动单元的旋转,由于上下表面的半径的不一致将产生回复力,该回复力大小与上下两表面的平均曲率半径(R和r)及上下两表面曲率中心的距离H相关。滚动单元的水平向的固有频率为从公式(3)可看出,滚动单元在水平向的固有频率与负载无关,并且通过合理设计滚珠的长度H和上下表面半径,可以在很小的体积下,实现极低的水平固有频率。基于该技术,特许公司设计了其独有的α系列主动减振器,广泛用于光刻机和精密测量设备等。4空气弹簧式力学性能水平向采用气浮轴承隔振,理论上具有接近于0的刚度。基于该原理,ASML公司和Nikon公司设计了应用于光刻机的主动减振器构型。Erik等人提出了水平向采用气浮轴承隔振的软式主动减振器,其结构如图10所示。该减振器采用止推气浮轴承将地基和负载在水平向完全隔离开,理论上其水平向刚度近似为0。空气弹簧的活塞采用了径向气浮导向,从而消除常规采用膜结构导向所带来的摩擦力影响。支撑块上部为圆弧形,用于旋转运动解耦。在空气弹簧外接一个气室,从而可按公式(1)实现接近于零的垂向刚度。采用该方案的主动减振器在水平向和垂向的刚度都趋于零,能实现超低频地基振动隔离,但是该减振器需要向外界排放大量气体,并且由于其刚度极低,对负载扰动非常敏感,必须要施加主动控制才能使系统稳定,增大了系统装调的难度。基于水平向气浮轴承的主动减振结构,IDE公司设计了ATC系列主动减振器,其固有频率低于0.5Hz,能用于对振动要求极高的高端光刻机,如ASML公司的TWINSCAN1950i光刻机。5负刚度串联串联振动减振器正负刚度并联技术由于其体积较小,能实现极低的结构刚度,广泛用于被动减振器。Heiland在软式主动减振器中采用正负刚度并联技术,以降低结构刚度,其结构如图11所示。金属波纹管在水平向具有极大的刚度,在垂向具有极低的刚度,并且在垂直于重力方向能自由扭转。这样,柔性铰链和金属波纹管在负载重力作用下,形成了在水平方向为负刚度的倒立摆结构。在水平两个正交方向,设计了正刚度的片簧结构,与倒立摆的负刚度并联,从而实现了接近于0的刚度。在垂向,可以通过增大附加气室的容积从而降低减振器的垂向刚度,或者在负载和地基之间增加图12所示的基于磁铁的负刚度结构,部分抵消空气弹簧的正刚度,从而实现垂向极低的刚度。IDE公司基于该专利技术,设计了NGI系列减振器,可以广泛用于真空环境的电子束光刻机(EPL)、EUV光刻机。在软式主动减振器中由于使用了正负刚度并联技术,在一定程度上增大了减振器结构的设计及安装调试的复杂性,同时也具有如下的技术优点:1)由于不需要安装降低刚度的大气罐,主动减振器的体积大减小;2)减振器的固有频率能降低到0.5Hz以下;3)无需向外界排放气体,可用于真空环境。3.2.2磁浮主动减振器结构设计主动减振器采用磁浮弹簧来支撑负载重力具有气浮的无摩擦、静态位置可调等优点,还具备气浮支撑所没有优点如下:1)其应用对环境要求低,不需外界提供气源,也不会向环境排放空气;2)能量损耗极小;3)采用直线电机作为主动元件具有高效率。由于磁浮减振器的诸多优点,许多学者作了大量的研究。Robertson设计了基于正负刚度并联的磁浮结构,研究了零刚度的磁浮主动减振器结构设计和控制技术。图13所示为Robertson设计单自由度磁浮实验平台,正刚度机构基于磁铁同极相斥的原理,负刚度机构基于正负磁极相吸的原理,正负刚度并联就形成了刚度近似等于零的磁浮弹簧。在单自由度平台基础上,Robertson设计了用于大负载的磁浮弹簧原型,如图14所示。基于磁浮弹簧的主动减振器具有效率高、能耗低、对环境的依赖小的优点,但是磁浮自身存在较强的非线性,增大了结构参数设计和控制器设计的难度,另外,磁浮应用在大负载情况下有一定的难度。由于这些问题还没有很好的解决,目前还没有可商用的基于磁浮弹簧的主动减振器。3.2.3悬臂弹簧控制负载优化低刚度的接触式支撑结构包括钢弹簧、欧拉压杆和橡胶等广泛应用于被动减振器,而在主动减振器中应用较少。Halcyonics公司的小型主动减振器中,应用了接触式支撑结构,具有六自由度减振功能。该技术应用于Halcyonics公司Micro系列减振器中,隔振带宽为0.6Hz到200Hz,但是只能应用于负载质量小于100kg的场合,并且需要根据负载质量大小手动调整减振器的静态位置。用于重力波探测的主动减振系统应用了悬臂弹簧支撑负载重力。接触式支撑结构对环境的依赖较小,设计成熟,但是其无法自动调整负载的静态位置,限制了其在主动减振器中的应用。综上所述,软式主动减振器具有刚度小、支撑负载大的优点,能隔离极低频率的地基振动,同时应用主动控制后,能具有较强的抗直接扰动性能,应用最为广泛。目前主流的商用软式主动减振器基本采用空气弹簧构造,基于磁浮弹簧的减振器还处在研究阶段。4结构刚度方面的研究主动减振器技术经历了数十年的发展,已经在高端扫描投影光刻机中得到了应用。随着精密设备的精度进一步提升,以及减振器自身受环境和机械体积的约束制约,主动减振器技术的发展面临极大的挑战:1)硬式主动减振器的被动支撑单元采用橡胶结构、磁浮结构等