精密设备系统主动隔振的基础理论与技术.pdf

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1、万方数据第25卷第4期204年7月兵工学报ACTAARMA^1ENTARIIVbI．25No．4Jul．2004精密设备系统主动隔振的基础理论与技术*李国平一+魏燕定‘陈子辰。(浙江大学现代制造工程研究所，浙江杭州，310027。)(宁波大学工学院一)摘要本文分析了精密设备隔振平台的激励环境，从理论分析角度将被动隔振和主动隔振的隔振传递率进行了对比，得出在超低频阶段主动隔振传递率远远低于被动隔振中的隔振传递率的结论。从应用技术角度阐述了精密隔振中广泛应用的超磁致伸缩驱动器的性能，并通过实验测得了其静态位移输出特性。此外，介绍了

2、主动隔振系统常用的控制方法，给出了模糊PID方法的振动控制效果。关键词机械学；精密设备；主动隔振；超磁致伸缩驱动器；振动控制中图分类号THll3．1定向与制导、精密加工与测量、精密仪器仪表等技术的发展，对环境的振动和冲击提出了越来越严格的要求。特别是微电子机械(MEMs)技术和纳米技术的飞速发展，对物体的操作尺度已进入亚微米及纳米级别，这样对环境和操作平台的振动控制也就要求达到纳米级。目前国内外一般较为成熟的隔振技术为被动隔振技术。它通过使用参数固定的弹簧和阻尼器等元件来完成对被控对象的减振，具有结构简单，工作可靠，不依赖电源

3、，不消耗附加能量等特点，在车辆减振、车间振动隔离等一般工业场合有比较理想的应用效果。但它对于隔离低频和超低频振动效果不理想；另外由于其特征值为定值，响应时间比较长，又缺乏灵活的控制算法，所以被动隔振技术已经越来越不适应高精度、快响应的振动控制要求。而主动隔振技术由于采取对振动系统实行闭环校正，在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，因而具有理想的隔振效果，已广泛应用于精密制造、测试与装配的高精度的隔振平台中。1隔振平台激励环境的分析隔振有两种类型，第一种是将运转的动力机械等振源与基础隔离，简称为隔力；第二种是隔离从基2003年4

4、月收稿，2004年6月定稿。*国家自然科学基金资助项目(50005020)*浙江省自然科学基金资助项目(599085)础传向精密仪器等隔振对象的振动，简称为隔幅。这两种类型的隔振虽然目的有所不同，但隔振原理是相同的，隔振传递率的表达式也是相同的。作为精密设备的隔振平台，既要隔离平台上设备运转、空气流动和操作干扰引起的振动，又要隔离从基础传来的地球自转、人员走动等引起的细微振动。也就是说，隔振平台应该能同时起到隔力和隔幅的作用。根据平台所受激励(干扰)随时间变化规律的不同，常见的激励可分为如下三类：(1)周期性激励这种激励是时间

5、的周期性函数，例如匀速回转轴的偏心质量引起的惯性力就是周期性激励。其中简谐激励是一种变化规律最简单而又最常见的周期性激励，许多文献上的振动理论分析和实验研究都是以简谐激励为典型加以讨论的。简谐激励的隔振指标是隔振系统的幅频特性(即隔振传递率)。(2)随机激励对精密仪器的人工操作、金属加工时刀具所受的切削阻力以及作用在设备基础上的地球脉动都是随机激励。同简谐激励的响应为离散函数不一样，随机响应的频谱通常是连续函数，含有各种频率分量，所以不能用隔振传递率来评价隔振系统的性能。因为随机响应的方差能描述样本函数绕其平均值波动的强度，而

6、随机隔振的目的主要是万方数据第4期精密设备系统主动隔振的基础理论与技术463抑制隔振对象随机振动的强度，所以采用隔振对象的随机响应方差作为随机激励隔振系统的品质指标。(3)冲击激励激励时间远小于受激振动系统的基本周期时，该种激励都可视为冲击激励。物体掉在工作台上、设备中机械开关的离合引起的激励都属于冲击激励。冲击激励可看成作用时间极短的样本函数，这样就可以将随机振动隔离的基本原理加以延伸来解决冲击隔离问题。2隔振理论分析2．1被动隔振系统本文以Ruzicka单级隔幅模型(图2．1)为例来说明被动隔振的理论[2

7、。图中为隔振对象

8、的质量，忌为主弹簧刚度系数，附加弹簧刚度系数为忌。，f为隔振器的阻尼系数，z为质量优的位移，z1为阻尼器和附加弹簧连接点的位移，基础位移为甜．按动力学定律该模型的运动方程组为三苫二篡_兰≯_}㈦-，cz一凹1一志azl=一愚a甜J式中，忌。=M，N为常数。图2．1被动隔振系统模型Fig．2．1vibrationp戚veidationSyst咖Ⅱ划el在零初始条件下对上式进行拉氏变换，得到复方程组为(ms2+∞+忌)x(5)一岱x1(s)=忌u(s)1岱x(s)一(∞+心)xl(s)=一心u(s)J(2．2)消去x，(s)，即可

9、导出隔振对象位移对基础位移“的传递函数为G㈥=霜而器掣持筹毒丽(2．3)引入系统无阻尼固有频率∞。=~／忌／优，临界阻尼系数c。=2√磁，阻尼比}=c几。，频率比叩=叫如。，该隔振系统隔振对象位移z对基础位移“的隔振传递率可由(2．3)式推得m岛N)=√再糟糕拦犏(2．4)分