精密设备三级防微振实验平台设计方法研究

戚江凤 张颖

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

0 引言

随着精密加工和精密测量技术的不断发展，精密设备的应用范围也越来越广，其精度也在不断提高，对工作环境也有了更高的防微振要求。对要求较高的精密仪器及设备，只采取单一的措施无法实现防微振，要采取综合措施。目前，国内外学者和工程人员对防微振实验平台已展开研究，沈国强等［1］采用主被动控制相结合的方式,利用弹簧和橡胶垫来减隔高频振动,利用超磁致伸缩作动器作为主动控制器来降低低频振动,并对其进行数值仿真与试验验证,最终得到满意的抑振效果。而对防微振实验平台三级控制设计方法的研究相对较少，本研究设计三级微振动控制方案，通过延长振动传递路径，并增设振动传递屏障的方法，使振动传递能量逐级消耗，最终实现微纳级振动控制标准，减小振动对振敏对象（如精密设备等）的影响，促进我国高精尖领域的技术发展。

1 微振动控制技术原理

微振动能产生微米量级的振动位移、毫米每二次方秒量级的振动加速度，其会使精密仪器及设备产生额外的相对运动，从而无法满足使用要求。例如，在超精密磨削机床中，如果存在微振动，会使零件表面产生多角形的轮廓形状；在精密光学工程领域中，光学干涉显微镜和扫描电子显微镜等电镜类精密光学仪器的分辨率已达到微米、亚微米量级，环境微振动将导致测试结果出现失真，严重时甚至会损坏仪器设备［2］。

被动隔振由于构造简单、具备阻尼的特性，能减少共振频率产生的响应，对大于2倍固有频率的外界振动激励有着可靠的隔振效果，但其对低频及超低频外界激励隔振效果并不理想，且在对低频外扰隔振时会遇到静变形过大和失稳问题，其隔振效果较差［3］。

主动隔振技术是指能够根据外界振动激励特性来采取相应的控制策略，实时驱动执行器输出控制力，从而达到隔振的目的。相比于被动控制，其对低频及超低频外界激励的主动隔振效果优良，但主动隔振控制的成本稍高。主动隔振元件的形式有压电陶瓷式、磁致伸缩式、形状记忆合金式等。

2 三级防微振实验平台设计理论

在简谐激励的作用下，单自由度体系的位移反应系数表达式见式（1）。

式中：u0为振动位移幅值；(ust)0为振动位移静位移；ω为激振荷载频率；ωn为系统固有频率。

位移反应系数Rd与频率比ω/ωn的变化曲线见图1。

由 图1可 知，如 果 与 频 率 比ω/ωn≪1（即T≫Tn，力是缓慢变化的），Rd比1稍大一些，基本与阻尼无关，因而u0≈(ust)0=P0/k，即动力反应的幅值基本上与静位移相同，由体系的刚度控制；如果频率比ω/ωn≫1（即T≪Tn，力是迅速变化的），则随着ω/ωn的增加，Rd趋近于0，基本不受阻尼的影响，因而u0≈(ust)0ω2n/ω2=P0/mω2，即反应由体系的质量控制；如果频率比ω/ωn≈1（即扰动频率接近于体系的固有频率），则Rd对阻尼非常敏感，对较小的阻尼值，Rd可以是1的若干倍，这意味着动力反应的幅值比静位移大许多。如果ω=ωn，则有u0=(ust)0/2ζ=P0/cωn，即反应由体系的阻尼控制。

基于上述动力学原理，振动控制设计可分为偏向于质量设计、偏向于刚度设计、偏向于阻尼设计3种设计导向分析。

2.1 大体积基础防微振设计原理

由图1可知，如果频率比ω/ωn≫1（即T≪Tn，力是迅速变化的），则随着ω/ωn的增加，Rd趋近于0，基本不受阻尼影响，因而u0≈(ust)0ω2n/ω2=P0/mω2，即反应由体系的质量控制。大体积混凝土即为质量控制，故其体积越大质量越大，隔振性能越好。

2.2 超低频气浮式控制设计原理

超低频气浮式控制装置中的主要部件为空气弹簧。空气弹簧是一种内部充气的柔性密闭容器，利用空气内能变化从而达到隔振的目的，其通常由橡胶帘线胶囊、附加气室和阻尼器三部分组成，按胶囊形式将其分为囊式、膜式和袖筒式。空气弹簧具有很低的刚度及可调节的阻尼值，使隔振系统具有很低的固有振动频率和较高的阻尼性能。因此，其具有良好的隔振效果及防撞效果，特别适用于精密设备及仪器的被动隔振。

作为一种变刚度隔振原件，空气弹簧的刚度随着承载的不同而发生变化，承载越大，内压增大，刚度也随之增大。因而，即使荷载发生很大的变化，隔振系统的固有频率也不会产生太大的变化。

在对空气弹簧进行设计时，为了得到较低的弹簧刚度和较低的自振频率，应尽量选用比较小的有效面积，以期得到比较高的工作压力,从而有效降低弹簧的刚度和自振频率［4］。因此，要选取合适的阻尼系数、合理的增加工作压力和附加气室的容积、合理的增大阻尼的空气弹簧。因为当这些参数大到一定程度时，空气弹簧的改善速度会下降，势必会造成浪费。

2.3 伺服主动控制设计原理

主动控制隔振系统的控制原理示意图如图2所示。由图2可知，隔振台座质量为m、空气弹簧支撑体系中的弹簧刚度为k、阻尼系数为c，传感器S安放在隔振台座顶面，可实时测到绝对位移ug， 有传感器传出电信号至控制器C中，控制器包括A/D转换和数据计算处理功能。根据控制算法将其产生控制信号输出到作动器A上，并产生作动力f，通过实时施加控制台座的运动，改变u，使得u能满足精密设备安全工作的需求。

该原理是以反馈机制为基础的主动控制隔振原理，可实现假设作动器输出的力f到位移传感器S的传递函数为H（s），见式（2）。

式中：C(s)、D(s)为正系数多项式，且C(0)=1，D(0)=1，正实数K为放大系数［2］。

根据结构动力学原理，可写出结构的运动方程，见式（3）、式（4）。

对式（3）进行Laplace变换，可得式（5）。

通过式（4）来消去f c（t），可得隔振平台位移u对基础位移ug的传递函数G(s)，见式（6）。

将s=jω代入式（6）中，分离实部和虚部后可得隔振平台位移u对基础位移ug的幅频特性，即主动隔振系统的隔振传递率T(ω)在超低频阶段，利用式（6）可推出式（7）。

由此可得，如果控制系统的放大系数远大于隔振平台支承的刚度系数k，主动隔振在超低频阶段就能得到非常小的隔振传递率。因此，主动隔振系统隔离超低频振动的能力比被动隔振系统要强得多［2］。

3 三级防微振实验平台设计方法

3.1 一级隔振方案设计

一级隔振系统采用“大体积混凝土基础+聚氨酯减振垫”的设计方案，主要部分有基础垫层、基础支墩、减振垫、大体积混凝土基础。设计尺寸如图3所示。地下空间清理完毕后，首先铺设100 mm厚的垫层，起到找平、防水、防腐的作用。大体积混凝土基础整体采用下部收缩设计，在保证系统稳定性的同时，也为隔振系统的安装、检修及监控设备的布设、维护预留操作空间。大体积混凝土基础下设6组支墩，在满足承载力要求的同时，为减振垫层的更换或系统升级改造预留空间。

3.2 二级隔振方案设计

二级隔振系统采用“T型台+空气弹簧”的气浮平台系统设计方案，将自身附带的空气压缩机作为供气气源。二级系统主要由支墩、空气弹簧、T型台、空气压缩机、多功能操作平台组成。设计尺寸如图4所示。

为保证气浮平台系统的稳定性，平台板要进行质刚重合设计。因此，要在平台板下方设置下挂，平台板整体呈T型，下挂高度为1 100 mm。鉴于空气弹簧高度约600 mm，在其下部设置高700 mm的支墩，保证空气弹簧对T型台的支通长设计，并在其顶层铺设聚四氟乙烯板，该材料表面光滑，更换空气弹簧时可直接拖拽。T型台下方设有顶升装置，更换空气弹簧时采用顶升装置对T型台进行支撑。综合考虑T型台的重量与单个空气弹簧的承载力，本系统使用4个空气弹簧（对称式布置），空气弹簧下底面通过螺栓固定到条形支墩上的预埋件内，上部不固定。

3.3 三级隔振方案设计

三级控制采用“高刚性钢平台+控制单元”的主动伺服系统设计方案，设计内容为“主动伺服装置+高架地板”。气浮系统尺寸如图5所示。主动控制装置的控制单元上下两端均要进行固定，要按尺寸在下方T型台上增设预埋件，并在高刚性平台板对应的位置打孔。因三级隔振系统较二级隔振系统尺寸小，为保障房间内使用空间及人员安全，要在周边架设高架地板，地板底部通过架设的钢梁进行支撑，地板表面与主动隔振系统齐平。考虑周边振动环境有可能恶化，选用高性能主动控制单元，保证有足够的冗余性设计。

4 结语

本研究根据刚度、阻尼、质量的振动设计原理，进行三级微振动控制平台设计，Ⅰ级可隔离中高频，Ⅱ级进一步耗能增稳，Ⅲ级低频滤波，从而达到精密仪器微振动控制的目标，为精密仪器微振动控制提供参考思路。