專利名稱：雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密隔振技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器。
背景技術(shù)：
隨著超精密加工與測量精度的不斷提高，環(huán)境振動成為制約超精密加工裝備與測量儀器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進(jìn)掃描光刻機為代表的超大規(guī)模集成電路加工裝備，技術(shù)密集度與復(fù)雜度極高，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了現(xiàn)有技術(shù)的極限，代表了超精密加工裝備的最高水平，超精密隔振成為此類裝備中的核心關(guān)鍵技術(shù)；步進(jìn)掃描光刻機的線寬已達(dá)到22nm及以下，硅片定位精度與套刻精度均達(dá)到幾納米，而工件臺運動速度達(dá)到lm/s以上，工件臺加速度達(dá)到重力加速度的幾十倍，這對現(xiàn)有的隔振技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。首先，光刻機需要為計量系統(tǒng)與光刻物鏡提供“超靜”的工作環(huán)境，同時又需要驅(qū)動工件臺以高速度與高加速度運動，這對隔振系統(tǒng)的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個方向的固有頻率均需要達(dá)到IHz以下；其次，光刻機各部件之間的相對位置，例如光刻物鏡與硅片表面的距離，均具有非常嚴(yán)格的要求，且處于位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的控制之下，要求隔振器上、下安裝板之間的相對位置精度達(dá)到10 μ m量級，傳統(tǒng)隔振器的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。根據(jù)隔振理論，被動式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負(fù)載質(zhì)量成反比，因此在負(fù)載質(zhì)量一定的前提下，降低隔振器的剛度是降低固有頻率、提高低頻與超低頻隔振性能的有效途徑。傳統(tǒng)空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態(tài)承載能力與剛度的固有矛盾，同時受材料特性、結(jié)構(gòu)剛度等因素制約，要進(jìn)一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對這一問題，研究人員將“擺”式結(jié)構(gòu)引入到空氣彈簧隔振器中，達(dá)到降低隔振器水平剛度的目的(1. Nikon Corp oration. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美國專利公開號US20040065517A1 ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Devicewith a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美國專利號US005844664A)。該方法能夠在一定程度上降低空氣彈簧隔振器的水平剛度，提升其低頻隔振性能。該方法存在的問題在于1)受材料特性與結(jié)構(gòu)剛度制約，隔振器垂向與水平向剛度降低的幅度有限；2)空氣彈簧隔振器的垂向與水平向定位精度均很差，無法滿足光刻工藝的要求；3)要達(dá)到較低的水平剛度需要較大的擺長，導(dǎo)致隔振器高度過大，容易發(fā)生弦膜共振，穩(wěn)定性差。通過對現(xiàn)有空氣彈簧隔振器技術(shù)方案的分析可見，現(xiàn)有空氣彈簧隔振器難以滿足光刻機對超低剛度與高定位精度的要求。德國IDE公司提出了一種摒棄傳統(tǒng)橡膠空氣彈簧的隔振器技術(shù)方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrie EinesSchwingungs iso Iat ions system.歐洲專利號EP1803965A2 ；2.1ntegrated DynamicsEngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.歐洲專利號EP1803970A2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國專利公開號US20080193061A1)。該方案采用垂向與水平向氣浮面對各方向的振動進(jìn)行解耦與隔振，可以達(dá)到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問題在于1)已公開技術(shù)方案中，隔振器無法實現(xiàn)精確定位；2)專利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運動自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專利EP1803970A2與US20080193061A1采用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運動自由度，但由于橡膠塊角剛度很大，無法有效地進(jìn)行角運動自由度解耦，角運動自由度解耦機構(gòu)部件之間存在摩擦力而引入附加剛度，制約隔振性能。荷蘭ASML公司也提出了類似的隔振器技術(shù)方案(1. U. S. Philips Corp,ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply,and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美國專利號US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyB. V. Lithographic Pneumatic Support Device with Control led Gas Supply.國際專利公開號W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicAppara·tus, and Device Manufacturing Method Employing A SupportingDevice, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美國專利號USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands B. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.歐洲專利號EP1486825A1)。專利US006144442A與W099/22272中對氣源壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，達(dá)到提高隔振器的穩(wěn)定性與性能的目的；專利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設(shè)有振動傳感器，同時引入?yún)⒖颊駝酉到y(tǒng)，通過控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術(shù)方案仍然沒有解決隔振器的精確定位與上、下安裝板的角運動自由度解耦問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機等超大規(guī)模集成電路加工裝備對隔振器低固有頻率、高定位精度的迫切要求，提供一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，隔振器在三維均具有近似零剛度與極低的固有頻率，上、下安裝板之間能夠進(jìn)行精確定位與三維直線運動自由度、角運動自由度解耦，從而有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機中的精密隔振問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，由上安裝板、下安裝板、潔凈壓縮氣源、氣管和隔振器主體組成，隔振器主體安裝在上安裝板與下安裝板之間，潔凈壓縮氣源通過氣管與隔振器主體連通，所述隔振器主體的結(jié)構(gòu)中，套筒的下表面與氣浮板通過軸向承載平面氣浮面潤滑與支撐，活塞筒倒扣安裝在套筒內(nèi)，并與套筒通過徑向承載圓柱氣浮面潤滑與支撐，氣浮球軸承安裝在活塞筒和上安裝板之間，X向氣浮導(dǎo)軌的下表面與氣浮板剛性連接，套筒與X向氣浮導(dǎo)軌通過X向?qū)к墯飧∶鏉櫥c導(dǎo)向，Y向氣浮導(dǎo)軌的下表面與下安裝板剛性連接，氣浮板與下安裝板通過Z向承載氣浮面潤滑與支撐，氣浮板與Y向氣浮導(dǎo)軌通過Y向?qū)к墯飧∶鏉櫥c導(dǎo)向；z向音圈電機、Z向位移傳感器、Z向限位開關(guān)安裝在活塞筒與套筒之間，X向音圈電機、X向位移傳感器、X向限位開關(guān)安裝在套筒與氣浮板之間，Y向音圈電機、Y向位移傳感器、Y向限位開關(guān)安裝在氣浮板與下安裝板之間；z向音圈電機的驅(qū)動力方向為豎直方向，X向音圈電機與Y向音圈電機的驅(qū)動力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，x、Y、z向位移傳感器和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)的作用線方向與Χ、γ、ζ向音圈電機的驅(qū)動力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)分別與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與驅(qū)動器的信號輸入端連接，驅(qū)動器的信號輸出端分別與Χ、Υ、Ζ向音圈電機連接；在氣浮板上表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機驅(qū)動力方向安裝X向永磁體構(gòu)成X向電磁阻尼器，在氣浮板上表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機驅(qū)動力方向安裝Y向永磁體構(gòu)成Y向電磁阻尼器，在活塞筒外圓柱面?zhèn)缺谘豘向音圈電機驅(qū)動力方向安裝Z向永磁體構(gòu)成Z向電磁阻尼器，Χ、Υ向永磁體的磁極方向垂直于氣浮板的上表面，且N、S極交替布置，Z向永磁體的磁極方向垂直于活塞筒的外圓柱面,且N、S極交替布置,活塞筒與氣浮板采用鐵磁材料，套筒采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。所述活塞筒內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器，活塞筒上設(shè)有進(jìn)氣口和電磁閥，氣體壓力傳感器與控制器的信號輸入端連接，控制器的信號輸出端與驅(qū)動器的信號輸入端連接，驅(qū)動器的信號輸出端與電磁閥連接。所述X、Y、Z向音圈電機為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。所述X向氣浮導(dǎo)軌和Y向氣浮導(dǎo)軌為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。所述X、Y、Z向位移傳感器為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。所述X、Y、Z向限位開關(guān)為機械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。所述活塞筒內(nèi)氣體 壓力為O.1MPa O. 8MPa。所述軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面、X向?qū)к墯飧∶妗向?qū)к墯飧∶婧蚙向承載氣浮面的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。所述活塞筒上的圓柱氣浮面節(jié)流孔和套筒上的平面氣浮面節(jié)流孔的直徑為Φ O.1mm Φ 1mm。本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于(I)本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)基于彈性元件/機構(gòu)的隔振器技術(shù)方案，采用軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面分別對水平向與垂向振動進(jìn)行解耦與隔振，氣浮面無摩擦，剛度近似為零，可使隔振器獲得近似的零剛度特性和突出的超低頻隔振性能，解決了現(xiàn)有技術(shù)受結(jié)構(gòu)剛度、材料特性限制，剛度難以進(jìn)一步降低，剛度與穩(wěn)定性不能兼顧的問題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一。(2)本發(fā)明采用位移傳感器、限位開關(guān)、控制器、驅(qū)動器與音圈電機等構(gòu)成豎直方向與水平方向的位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對上、下安裝板之間的相對位置進(jìn)行精確控制，定位精度可達(dá)到IOym級及以上，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)方案定位精度低、定位精度與剛度、隔振性能不能兼顧的問題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。(3)本發(fā)明采用雙層正交氣浮導(dǎo)軌對隔振器上、下安裝板之間的水平直線運動自由度進(jìn)行解耦，氣浮導(dǎo)軌無摩擦與磨損，不引入附加剛度，解耦效果好，可使隔振器達(dá)到高定位精度與隔振性能；采用氣浮球軸承對角運動自由度進(jìn)行解耦，氣浮球軸承無摩擦與磨損，不引入附加角剛度，可有效解決現(xiàn)有采用彈性體解耦的技術(shù)方案引入較大附加剛度，制約固有頻率與低頻隔振性能等問題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之三。(4)本發(fā)明采用氣體壓力傳感器、電磁閥與控制器、驅(qū)動器等構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，精確控制套筒內(nèi)的氣體壓力使之保持恒定，對隔振器的軸向載荷進(jìn)行重力平衡與補償，在徑向承載圓柱氣浮面的作用下，承載負(fù)載重力的活塞筒可沿套筒以零剛度自由上下滑動，從而實現(xiàn)理想的重力平衡與零剛度隔振效果。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之四。(5)本發(fā)明采用主動執(zhí)行器對上、下安裝板之間的相對位置進(jìn)行主動控制，隔振器參數(shù)可根據(jù)被隔振對象特點與工作環(huán)境變化實時調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同的工況，具有較好的靈活性、適應(yīng)性與穩(wěn)定性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之五。(6)本發(fā)明采用基于磁極交替永磁陣列的電磁阻尼器，能夠很好地與隔振器集成于一體，電磁阻尼器具有較理想的線性阻尼特性，可有效衰減振動能量，減小電機驅(qū)動定位的超調(diào)，提供隔振器的穩(wěn)定性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之六。


圖1為拆除上安裝板后的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面、X向?qū)к墯飧∶婧颓蛎鏆飧∶娴牟灰鈭D；圖4為Y向?qū)к墯飧∶婧蚙向承載氣浮面的示意圖；圖5為套筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器的控制結(jié)構(gòu)框圖；圖7為套筒上平面氣浮面節(jié)流孔的示意圖；圖8為活塞筒上圓柱氣浮面節(jié)流孔和球面氣浮面節(jié)流孔的示意圖；圖9為Z向電磁阻尼器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為X、Y向電磁阻尼器的局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為Z向永磁體在活塞筒外圓柱面?zhèn)缺谝环N安裝方式的A-A向剖視圖；圖12為Z向永磁體在活塞筒外圓柱面?zhèn)缺诹硪环N安裝方式的A-A向剖視圖；圖13為X、Y向永磁體在氣浮板上表面?zhèn)缺诘囊环N安裝方式不意圖；圖14為X、Y向永磁體在氣浮板上表面?zhèn)缺诘牧硪环N安裝方式不意圖。圖中件號說明1上安裝板、2下安裝板、3潔凈壓縮氣源、4隔振器主體、5活塞筒、6套筒、7氣浮球軸承、8Χ向音圈電機、8a X向電機鐵軛、8b X向電機磁鋼、8c X向電機線圈骨架、8d X向電機線圈、9Y向音圈電機、IOZ向音圈電機、IOa Z向電機鐵軛、IOb Z向電機磁鋼、IOc Z向電機線圈骨架、IOd Z向電機線圈、IOe Z向電機過渡件、IlX向位移傳感器、IlaX向光柵讀數(shù)頭過渡件、lib X向光柵讀數(shù)頭、lie X向玻璃光柵尺、12Y向位移傳感器、
13Z向位移傳感器、13a Z向光柵讀數(shù)頭過渡件、13b Z向光柵讀數(shù)頭、13c Z向玻璃光柵尺、14X向限位開關(guān)、14aX向限位塊、14b X向霍爾開關(guān)、14c X向限位開關(guān)過渡件、14d X向限位塊過渡件、15Y向限位開關(guān)、16Z向限位開關(guān)、16a Z向限位塊、16b Z向霍爾開關(guān)、16c Z向限位開關(guān)過渡件、17氣體壓力傳感器、18電磁閥、19控制器、20驅(qū)動器、21軸向承載平面氣浮面、22徑向承載圓柱氣浮面、23進(jìn)氣口、24平面氣浮面節(jié)流孔、25圓柱氣浮面節(jié)流孔、26氣管、27球面氣浮面、28球面氣浮面節(jié)流孔、29X向氣浮導(dǎo)軌、30Y向氣浮導(dǎo)軌、31X向?qū)к墯飧∶妗?2Y向?qū)к墯飧∶妗?3Z向承載氣浮面、34氣浮板、40X向電磁阻尼器、40AX向永磁體、41Y向電磁阻尼器、41AY向永磁體、42Z向電磁阻尼器、42AZ向永磁體。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實施例。一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，由上安裝板1、下安裝板2、潔凈壓縮氣源3、氣管26和隔振器主體4組成，隔振器主體4安裝在上安裝板I與下安裝板2之間，潔凈壓縮氣源3通過氣管26與隔振器主體4連通，所述隔振器主體4的結(jié)構(gòu)中，套筒6的下表面與氣浮板34通過軸向承載平面氣浮面21潤滑與支撐，活塞筒5倒扣安裝在套筒6內(nèi)，并與套筒6通過徑向承載圓柱氣浮面22潤滑與支撐，氣浮球軸承7安裝在活塞筒5和上安裝板I之間，X向氣浮導(dǎo)軌29的下表面與氣浮板34剛性連接，套筒6與X向氣浮導(dǎo)軌29通過X向?qū)к墯飧∶?1潤滑與導(dǎo)向，Y向氣浮導(dǎo)軌30的下表面與下安裝板2剛性連接，氣浮板33與下安裝板2通過Z向承載氣浮面33潤滑與支撐，氣浮板34與Y向氣浮導(dǎo)軌30通過Y向?qū)к墯飧∶?2潤滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機10、Z向位移傳感器13、Z向限位開關(guān)16安裝在活塞筒5與套筒6之間，X向音圈電機8、X向位移傳感器11、X向限位開關(guān)14安裝在套筒6與氣浮板34之間，Y向音圈電機9、Y向位移傳感器12、Y向限位開關(guān)15安裝在氣浮板34與下安裝板2之間；Z向音圈電機10的驅(qū)動力方向為豎直方向，X向音圈電機8與Y向音圈電機9的驅(qū)動力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機8、9、10的驅(qū)動力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16分別與控制器19的信號輸入端連接,控制器19的信號輸出端與驅(qū)動器20的信號輸入端連接，驅(qū)動器20的信號輸出端分別`與Χ、Υ、Ζ向音圈電機8、9、10連接；在氣浮板34上表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機8驅(qū)動力方向安裝X向永磁體40Α構(gòu)成X向電磁阻尼器40,在氣浮板34上表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機9驅(qū)動力方向安裝Y向永磁體41Α構(gòu)成Y向電磁阻尼器41,在活塞筒5外圓柱面?zhèn)缺谘豘向音圈電機10驅(qū)動力方向安裝Z向永磁體42Α構(gòu)成Z向電磁阻尼器42, Χ、Υ向永磁體40Α、41Α的磁極方向垂直于氣浮板34的上表面,且N、S極交替布置，Z向永磁體42Α的磁極方向垂直于活塞筒5的外圓柱面,且N、S極交替布置,活塞筒5與氣浮板34采用鐵磁材料，套筒6采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13對X、Y、Z向音圈電機8、9、10輸出的位移進(jìn)行測量，Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16對X、Y、Z向音圈電機8、9、10運動的行程進(jìn)行限制；控制器19根據(jù)X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16的反饋信號，控制X、Y、Z向音圈電機8、9、10對上、下安裝板1、2之間的相對位置進(jìn)行精確控制。所述活塞筒5內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器17，活塞筒5上設(shè)有進(jìn)氣口 23和電磁閥18，氣體壓力傳感器17與控制器19的信號輸入端連接,控制器19的信號輸出端與驅(qū)動器20的信號輸入端連接，驅(qū)動器20的信號輸出端與電磁閥18連接。所述X、Y、Z向音圈電機8、9、10為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。所述X向氣浮導(dǎo)軌29和Y向氣浮導(dǎo)軌30為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。所述X、Y、Z向位移傳感器11、12、13為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。所述Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16為機械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。所述活塞筒5內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。所述軸向承載平面氣浮面21、徑向承載圓柱氣浮面22、X向?qū)к墯飧∶?1、Y向?qū)к墯飧∶?2和Z向承載氣浮面33的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。所述活塞筒5上的圓柱氣浮面節(jié)流孔25和套筒6上的平面氣浮面節(jié)流孔24的直徑為 Φ O.1mm Φ 1mm。下面結(jié)合圖1 圖6給出本發(fā)明的一個實施例。本實施例中，隔振器工作時，下安裝板2安裝在地基、儀器的基座或基礎(chǔ)框架上，上安裝板I與被隔振的負(fù)載連接。X、Y、Z向音圈電機8、9、10均米用圓筒型音圈電機。以X向音圈電機8為例,其主要包括X向電機鐵軛8a、X向電機磁鋼8b、X向電機線圈骨架8c、X向電機線圈8d。X向電機鐵軛8a和X向電機線圈骨架8c為圓筒形，X向電機磁鋼8b為圓柱形，X向電機線圈8d繞于線圈骨架8c上。X向電機鐵軛8a和X向電機磁鋼8b構(gòu)成電機的定子，X向電機線圈骨架8c和X向電機線圈8d構(gòu)成電機的動子。Z向音圈電機10中，Z向電機過渡件IOe提供Z向電機線圈骨架IOc的安裝結(jié)構(gòu)。電機工作時線圈中通以電流，根據(jù)電磁理論，通電線圈在磁場中會受到音圈力作用，通過控制電流的大小 和方向可以控制電機輸出驅(qū)動力的大小和方向。氣浮球軸承7的安裝方式為氣浮球軸承7的下表面安裝在活塞筒5上，并通過球面氣浮面27潤滑與支撐，氣浮球軸承7的上表面與上安裝板I剛性連接。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13采用光柵尺。以Z向位移傳感器13為例，其主要包括Z向光柵讀數(shù)頭過渡件13a、Z向光柵讀數(shù)頭13b和Z向玻璃光柵尺13c等部件，Z向光柵讀數(shù)頭過渡件13a提供Z向光柵讀數(shù)頭13b的安裝結(jié)構(gòu)。光柵尺工作時，Z向光柵讀數(shù)頭13b能夠?qū)⑵渑cZ向玻璃光柵尺13c的相對位移檢測出來，并通過信號導(dǎo)線送給控制器19。X、Y、Z向限位開關(guān)14、15、16采用霍爾式限位開關(guān)。以Z向限位開關(guān)16為例，其主要包括Z向限位塊16a、Z向霍爾開關(guān)16b和Z向限位開關(guān)過渡件16c等部件。兩個Z向霍爾開關(guān)16b背靠背安裝,兩個Z向限位塊16a為金屬材料,與Z向霍爾開關(guān)16b的敏感端相對安裝。Z向限位開關(guān)過渡件16c提供Z向霍爾開關(guān)16b的安裝結(jié)構(gòu)。限位開關(guān)工作時，當(dāng)Z向霍爾開關(guān)16b接近Z向限位塊16a時，Z向霍爾開關(guān)16b給出限位信號，并通過信號導(dǎo)線送給控制器19。本實施例中，Z向音圈電機10、Z向位移傳感器13和Z向限位開關(guān)16安裝在活塞筒5和套筒6之間，且均安裝在活塞筒5內(nèi)部。隔振器對負(fù)載的承載采用如下方式實現(xiàn)潔凈壓縮氣源3通過氣管26、經(jīng)電磁閥18、進(jìn)氣口 23向活塞筒5內(nèi)輸送潔凈壓縮空氣?？刂破?9根據(jù)氣體壓力傳感器17的反饋信號，控制電磁閥18的開度，調(diào)節(jié)輸入到活塞筒5內(nèi)的氣體流量，從而調(diào)節(jié)活塞筒5內(nèi)潔凈壓縮空氣的壓力，使?jié)崈魤嚎s空氣對活塞筒5向上的作用力與負(fù)載、活塞筒5及加載于活塞筒5上的其它零部件的重力相平衡，實現(xiàn)理想的重力補償與零剛度隔振效果。本實施例中，活塞筒5內(nèi)潔凈壓縮空氣的壓力為O. 4Mpa，活塞筒5下表面的有效半徑為100_，則單個隔振器承載的質(zhì)量為m = pX Jir2/g ^ 1282kg，其中p為氣體壓力，P = O. 4Mpa, r為活塞筒5下表面的有效半徑，r = 100mm, g為重力加速度，g = 9. 8m/m2。圖7給出套筒上平面氣浮面節(jié)流孔的一個實施例。本實施例中，套筒6下表面圍繞圓心沿圓周方向均布8個平面氣浮面節(jié)流孔24，直徑為Φ0. 2mm。圖8給出活塞筒上圓柱氣浮面節(jié)流孔和球面氣浮面節(jié)流孔的一個實施例。本實施例中，活塞筒5側(cè)壁上沿圓周方向均布兩排圓柱氣浮面節(jié)流孔25，每排圓柱氣浮面節(jié)流孔25的數(shù)量為8個，直徑為Φ0. 2mm?；钊?上表面的凹球面上繞圓心沿圓周方向均勻分布8個球面氣浮面節(jié)流孔28，直徑為Φ O. 2mm。下面結(jié)合圖9、圖11給出Z向電磁阻尼器的一個實施例。本實施例中，隔振器具有二個Z向電磁阻尼器42，由安裝在活塞筒5外圓柱面?zhèn)缺诘腪向永磁體42A陣列構(gòu)成，活塞筒5采用45號鋼材料，具有較高的導(dǎo)磁率，套筒6采用紫銅材料，不導(dǎo)磁且具有高電導(dǎo)率。Z向永磁體42A為條形，沿Z向音圈電機10的驅(qū)動力方向、即活塞筒5的軸線方向布置，磁極方向垂直于活塞筒5的外圓柱面，且N、S極交替布置。當(dāng)套筒6與活塞筒5產(chǎn)生Z向相對運動時，套筒6切割磁力線而產(chǎn)生電渦流和阻尼力，Z向阻尼力與套筒6與活塞筒5的Z向相對運動速度成正比，方向與Z向音圈電機10的驅(qū)動力方向一致，達(dá)到消耗振動能量，提高定位穩(wěn)定性的目的。圖9、圖12給出了 Z電磁阻尼器的另一個實施例。本實施例中，隔振器具有四個Z向電磁阻尼器42,由安裝在活塞筒5外圓柱面?zhèn)缺诘腪向永磁體42A陣列構(gòu)成。Z向永磁體42A為條形，沿Z向音圈電機1 0的驅(qū)動力方向、即活塞筒5的軸線方向布置，磁極方向垂直于活塞筒5的外圓柱面，且N、S極交替布置。下面結(jié)合圖10、圖13給出X、Y向電磁阻尼器的一個實施例。本實施例中，隔振器具有兩個X向電磁阻尼器40，兩個Y向電磁阻尼器41，分別由安裝在氣浮板34上表面?zhèn)缺诘腦、Y向永磁體40Α、41Α陣列構(gòu)成，氣浮板34采用45號鋼材料，具有較高的導(dǎo)磁率，套筒6采用紫銅材料，不導(dǎo)磁且具有高電導(dǎo)率。X、Y向永磁體40Α、41Α為長條形狀，分別沿X、Y向音圈電機8、9的驅(qū)動力方向布置,磁極方向垂直于氣浮板34的上表面,且N、S極交替布置。當(dāng)套筒6與氣浮板34產(chǎn)生相對運動時，氣浮板34切割磁力線而產(chǎn)生電渦流和阻尼力，Χ、Υ向阻尼力與套筒6與氣浮板34在Χ、Υ向的相對運動速度成正比，方向與Χ、Υ向音圈電機8、9的驅(qū)動力方向一致，達(dá)到消耗振動能量，提高定位穩(wěn)定性的目的。圖10、圖14給出了 Χ、Υ向電磁阻尼器的另一個實施例。本實施例中，隔振器具有一個X向電磁阻尼器40，一個Y向電磁阻尼器41，分別由安裝在氣浮板34上表面?zhèn)缺诘腦、Y向永磁體40Α、41Α陣列構(gòu)成。Χ、Υ向永磁體40Α、41Α為長條形狀，分別沿Χ、Υ向音圈電機8、9的驅(qū)動力方向布置,磁極方向垂直于氣浮板34的上表面,且N、S極交替布置。
權(quán)利要求
1.一種雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，由上安裝板(I)、下安裝板(2)、潔凈壓縮氣源(3)、氣管(26)和隔振器主體(4)組成，隔振器主體(4) 安裝在上安裝板(I)與下安裝板(2)之間，潔凈壓縮氣源(3)通過氣管(26)與隔振器主體(4)連接，其特征在于所述隔振器主體(4)的結(jié)構(gòu)中，套筒(6)的下表面與氣浮板(34)通過軸向承載平面氣浮面(21)潤滑與支撐，活塞筒(5)倒扣安裝在套筒￠)內(nèi)，并與套筒(6) 通過徑向承載圓柱氣浮面(22)潤滑與支撐，氣浮球軸承(7)安裝在活塞筒(5)和上安裝板(I)之間，X向氣浮導(dǎo)軌(29)的下表面與氣浮板(34)剛性連接，套筒(6)與X向氣浮導(dǎo)軌 (29)通過X向?qū)к墯飧∶?31)潤滑與導(dǎo)向，Y向氣浮導(dǎo)軌(30)的下表面與下安裝板(2) 剛性連接，氣浮板(34)與下安裝板(2)通過Z向承載氣浮面(33)潤滑與支撐，氣浮板(34) 與Y向氣浮導(dǎo)軌(30)通過Y向?qū)к墯飧∶?32)潤滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機(10)、Z向位移傳感器(13)、Z向限位開關(guān)(16)安裝在活塞筒(5)與套筒(6)之間，X向音圈電機(8)、 X向位移傳感器(11)、X向限位開關(guān)(14)安裝在套筒(6)與氣浮板(34)之間，Y向音圈電機(9)、Y向位移傳感器(12)、Υ向限位開關(guān)(15)安裝在氣浮板(34)與下安裝板(2)之間； Z向音圈電機(10)的驅(qū)動力方向為豎直方向，X向音圈電機⑶與Y向音圈電機(9)的驅(qū)動力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，Χ、Υ、Ζ向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān) (14、15、16)的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機(8、9、10)的驅(qū)動力方向一致；X、Y、Z向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)(14、15、16)分別與控制器(19)的信號輸入端連接，控制器(19)的信號輸出端與驅(qū)動器(20)的信號輸入端連接，驅(qū)動器(20)的信號輸出端分別與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(8、9、10)連接；在氣浮板(34)上表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機 ⑶驅(qū)動力方向安裝X向永磁體(40Α)構(gòu)成X向電磁阻尼器(40),在氣浮板(34)上表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機(9)驅(qū)動力方向安裝Y向永磁體(41Α)構(gòu)成Y向電磁阻尼器(41)，在活塞筒(5)外圓柱面?zhèn)缺谘豘向音圈電機(10)驅(qū)動力方向安裝Z向永磁體(42Α)構(gòu)成Z向電磁阻尼器(42),Χ、Υ向永磁體(40Α、41Α)的磁極方向垂直于氣浮板(34)的上表面,且N、 S極交替布置，Z向永磁體(42Α)的磁極方向垂直于活塞筒(5)的外圓柱面,且N、S極交替布置，活塞筒(5)與氣浮板(34)采用鐵磁材料，套筒(6)采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器(17)，活塞筒(5)上設(shè)有進(jìn)氣口(23)和電磁閥(18)，氣體壓力傳感器(17)與控制器(19)的信號輸入端連接，控制器(19) 的信號輸出端與驅(qū)動器(20)的信號輸入端連接,驅(qū)動器(20)的信號輸出端與電磁閥(18) 連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述Χ、Υ、Ζ向音圈電機(8、9、10)為圓筒型音圈電機或平板型音圈電機。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述X向氣浮導(dǎo)軌(29)和Y向氣浮導(dǎo)軌(30)為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述Χ、Υ、Ζ向位移傳感器(11、12、13)為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向限位開關(guān)(14、15、16)為機械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述軸向承載平面氣浮面(21)、徑向承載圓柱氣浮面(22)、X向?qū)к墯飧∶?31)、Y向?qū)к墯飧∶?32)和Z向承載氣浮面(33)的氣膜厚度為IOym 20μπι。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)上的圓柱氣浮面節(jié)流孔(25)和套筒(6)上的平面氣浮面節(jié)流孔(24)的直徑為Φ0.1mm Φ 1mm。
全文摘要
雙層氣浮正交解耦與氣浮球軸承角度解耦的電磁阻尼隔振器屬于精密隔振技術(shù)領(lǐng)域，隔振器主體的套筒與氣浮板通過氣浮面潤滑與支撐，通過電磁阻尼器衰減振動能量、提高穩(wěn)定性，氣浮板與下安裝板、活塞筒與套筒通過氣浮面潤滑與支撐，上、下安裝板之間的水平直線運動自由度通過雙層正交氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行解耦，角運動自由度通過氣浮球軸承進(jìn)行解耦，音圈電機、位移傳感器、限位開關(guān)和控制器、驅(qū)動器構(gòu)成位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對上、下安裝板的相對位置進(jìn)行精確控制；本發(fā)明具有三維零剛度、高定位精度、直線運動自由度和角運動自由度充分解耦的特性，可有效解決超精密測量儀器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機中的高性能隔振問題。
文檔編號F16F15/03GK103047345SQ20121057470
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者崔俊寧, 譚久彬, 王雷 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)