本發(fā)明涉及一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振單元。

背景技術(shù)：

隨著精密制造技術(shù)和微測量技術(shù)的快速發(fā)展，微振動的控制技術(shù)已成為一個(gè)十分重要的研究課題。2015年頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)《電子工業(yè)防微振技術(shù)規(guī)范》(GB51706-2015)規(guī)定了精密裝置和儀器的容許振動值，對于一般透射電鏡及掃描電鏡而言，容許的振動速度為6um/s，對于納米研發(fā)裝置其容許的振動速度更要小于0.75um/s。要達(dá)到這樣的微振動水平，通常所采用的被動隔振技術(shù)難以達(dá)到這一目標(biāo)，本發(fā)明的主動空氣隔振單元將解決這一難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振單元。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明公開一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振單元，其包括設(shè)置在地面上的底座，所述底座上設(shè)置有用于放置精密儀器的隔振臺，所述隔振臺包括頂板和側(cè)板；所述頂板和所述底座之間設(shè)置有垂直空氣彈簧；所述側(cè)板和所述底座之間設(shè)置有水平空氣彈簧；所述垂直空氣彈簧和所述水平空氣彈簧均連接氣源；所述隔振臺和所述底座形成的空間內(nèi)部設(shè)置有垂直加速度傳感器、水平加速度傳感器、垂直位移傳感器和水平位移傳感器；主動空氣隔振單元所在的地面上設(shè)置有地面垂直加速度傳感器以及地面水平加速度傳感器。

進(jìn)一步地，所述垂直空氣彈簧和所述水平空氣彈簧與所述氣源之間均設(shè)置有氣閥，所述氣閥連接控制器。

一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振系統(tǒng)，其包括若干個(gè)所述的主動空氣隔振單元。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：

本發(fā)明隔振單元內(nèi)部加速度傳感器及位移傳感器測量隔振單元上部精密設(shè)備的振動信號，地面加速度傳感器測量地面對精密設(shè)備的輸入信號，外部的控制器根據(jù)測量的實(shí)時(shí)信號，對氣閥進(jìn)行充放氣，從而改變垂直空氣彈簧及水平空氣彈簧內(nèi)部的壓力，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的主動控制力來消除主動空氣隔振單元上部精密儀器的振動，能夠達(dá)到較好的隔振效果。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為裝有主動隔振單元和沒有主動隔振單元時(shí)精密設(shè)備的振動水平在X方向的減振效果圖；

圖4為裝有主動隔振單元和沒有主動隔振單元時(shí)精密設(shè)備的振動水平在Y方向的減振效果圖；

圖5為裝有主動隔振單元和沒有主動隔振單元時(shí)精密設(shè)備的振動水平在Z方向的減振效果圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明公開一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振單元，其包括設(shè)置在地面13上的底座1，所述底座1上設(shè)置有用于放置精密儀器的隔振臺2，所述隔振臺2包括頂板21和側(cè)板22；所述頂板21和所述底座1之間設(shè)置有垂直空氣彈簧3；所述側(cè)板22和所述底座1之間設(shè)置有水平空氣彈簧4；所述垂直空氣彈簧3和所述水平空氣彈簧4均連接氣源5；所述隔振臺2和所述底座1形成的空間內(nèi)部設(shè)置有垂直加速度傳感器6、水平加速度傳感器7、垂直位移傳感器8和水平位移傳感器9；主動空氣隔振單元所在的地面上設(shè)置有地面垂直加速度傳感器10以及地面水平加速度傳感器11。

本實(shí)施例中，所述垂直空氣彈簧3和所述水平空氣彈簧4與所述氣源5之間均設(shè)置有氣閥12，所述氣閥12連接控制器。

隔振單元內(nèi)部加速度傳感器及位移傳感器測量隔振單元上部精密設(shè)備的振動信號，地面加速度傳感器測量地面對精密設(shè)備的輸入信號，外部的控制器根據(jù)測量的實(shí)時(shí)信號，對氣閥進(jìn)行充放氣，從而改變垂直空氣彈簧及水平空氣彈簧內(nèi)部的壓力，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的主動控制力來消除主動空氣隔振單元上部精密儀器的振動。

如圖2所示，一種用于微振動技術(shù)的主動空氣隔振系統(tǒng)，其包括四個(gè)所述的主動空氣隔振單元。該系統(tǒng)的運(yùn)動微分方程可表示為下列6自由度方程：

式中:[M]為質(zhì)量矩陣(6×6),[M]＝diag[m m m J_X J_Y J_Z],

m為隔振平臺的質(zhì)量，J_X,J_Y,J_Z分別為隔振平臺繞X,Y,Z軸的慣性矩；

[C]為阻尼矩陣(6×6),[C]＝diag[C_X C_Y C_Z C_θX C_θY C_θZ]；

[K]為剛度矩陣(6×6),[K]＝diag[K_X K_Y K_Z K_θX K_θY K_θZ]；

{x}為絕對位移矢量(6×1)，

{x}＝{x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆}^T＝{x_g y_g z_g θ_X θ_Y θ_Z}^T；

{x₀}為基礎(chǔ)干擾位移矢量(6×1)，

{x₀}＝{x₀₁ x₀₂ x₀₃ x₀₄ x₀₅ x₀₆}^T＝{x_d y_d z_d 0 0 0}^T；

{u}為空氣氣閥的控制電流矢量(n×1),

{u}＝{I₁ I₂ I₃ ... I_n}^T,[K_a]為考慮到安裝位置時(shí)，所有空氣氣閥的輸出力因子矩陣(6×n)

此時(shí)，隔振系統(tǒng)的動力學(xué)方程可以解藕，方程(1)可表示為

式中:ξ_i為阻尼比；ω_i為固有頻率；u_i(t)為控制信號，且有{u_i(t)}＝[M]^-1[K_a]{u}；ξ_t(t)為基礎(chǔ)干擾，且有.

考慮到系統(tǒng)的干擾一類為基礎(chǔ)干擾，包括基礎(chǔ)干擾的振動位移x₀和振動速度另一類為微制造設(shè)備產(chǎn)生的直接干擾f_d。這些干擾均為隨機(jī)干擾，這時(shí)相應(yīng)的性能指標(biāo)自然也是隨機(jī)變量，所以對微制造平臺微振動的最優(yōu)控制問題，其性能指標(biāo)取為

式中，Q₀，Q，R為加權(quán)對稱陣。

根據(jù)分離定理，隨機(jī)最優(yōu)控制律為

先按確定性最優(yōu)控制問題得到的反饋增益矩陣L為L＝R^-1B^TS

式中，S可以通過求解以下控制器的Riccati代數(shù)方程得到SA+A^TS-SBR^-1B^TS+Q＝0

由于所研究的微制造平臺隔振系統(tǒng)完全可觀，因而上述方程中的狀態(tài)估計(jì)可用Kalman濾波得到

式中，K為估計(jì)增益矩陣

式中，P滿足估計(jì)器的Riccati代數(shù)方程

獲得狀態(tài)估計(jì)和最優(yōu)控制反饋增益矩陣L后，就可以用濾波估計(jì)和最優(yōu)控制的串聯(lián)形式構(gòu)成反饋回路進(jìn)行控制，得出最優(yōu)控制律。

圖3為裝有主動隔振單元和沒有主動隔振單元時(shí)精密設(shè)備的振動水平在X方向的減振效果圖；

圖4為裝有主動隔振單元和沒有主動隔振單元時(shí)精密設(shè)備的振動水平在Y方向的減振效果圖；

圖5為裝有主動隔振單元和沒有主動隔振單元時(shí)精密設(shè)備的振動水平在Z方向的減振效果圖。

在圖3到圖5中，b線代表裝有主動隔振單元，a線代表沒有主動隔振單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明主動隔振單元非常有效。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。