一种重载精密减振器及其构成的减振系统技术方案

一种重载精密减振器，其特征在于：它包括空气弹簧（１０），倒立摆机构（２０），主动减振执行器（３０）；　空气弹簧（１０）为内气室（１１）、外气室（１２）构成的环形双气室密封结构，内气室（１１）与外气室（１２）之间由节流孔（１４）连通，外气室（１２）上设有进气孔（１３）；　倒立摆机构（２０）包括主支承杆和至少两根柔性摆杆，主支承杆和各柔性摆杆均由内气室（１１）的内腔包围；　主动减振执行器包括垂向直线电机（３０２）和二个水平向直线电机（３０３、３０４），三个直线电机正交布置，其定子均固定在外部端盖上，其动子均与顶部接口盘或被隔振设备固定连接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密减振
，具体涉及一种重载精密减振器及其构 成的减振系统，是具有环形双气室的多自由度、超低频、高衰减率的重载 精密减振器件。
技术介绍
精密减振在极大规模IC制造、精密测量、航空航天等领域应用广泛，主要起隔离外界振动的作用。其中由于光刻机定位精度要求高达几个纳米， 对精密减振的性能要求是目前上述所有装备中最高的。精密减振的性能的好坏直接影响着ic装置的运动性能。现有光刻机的精密减振装置，在垂直方向上采用的是单一气室的空气 弹簧与洛伦兹电子串联实现精密减振和定位的。因其空气弹簧阻尼不可调，完全依靠洛伦兹电机产生作用力抑制低频振动的幅度；另外仅依靠供气阀 主动调节空气弹簧压力，压力波动调节能力有限，很难实现使空气弹簧刚 度接近零，因此对外部振动的隔离有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种重载精密减振器及其构成的减振系统，均 具有多自由度、超低频、高衰减率的特点。本专利技术提供的重载精密减振器，其特征在于它包括空气弹簧，倒立 摆机构，主动减振执行器；空气弹簧为内气室、外气室构成的环形双气室密封结构，内气室与外气室之间由节流孔连通，外气室上设有进气孔；倒立摆机构包括主支承杆和至少两根柔性摆杆，主支承杆和各柔性摆 杆均由内气室的内腔包围；主动减振执行器包括垂向直线电机和二个水平向直线电机，三个直线 电机正交布置，其定子均固定在外部端盖上，其动子均与顶部接口盘或被 隔振设备固定连接。本专利技术在垂直方向上采用空气弹簧提供大的承载力和超低频被动隔振 功能，在水平方向上采用内置于空气弹簧气室中的倒立摆机构实现水平振 动隔离，通过水平向和垂向执行器产生作用力提供大的主动阻尼抑制振动， 同时通过气动系统控制还可实现被隔振设备的精密定位。空气弹簧设计为 可环形双气室结构，由双气室之间的节流孔形成低频振动的大阻尼和高频 振动的小阻尼作用；双气室设计为环形，可以尽量增加倒立摆的长度，实 现水平方向的超低刚度。该精密减振器可以同时实现多自由度的超低频、 高衰减率的主动减振和精密定位功能。采用三个以上的该精密减振器，可 以实现6自由度精密减振，即有效地隔离被隔振设备的外界环境振动、抑 制内部工作激励的影响，同时实现被隔振设备的精密定位。具体而言，本 专利技术具有以下技术效果1) 本专利技术所提出的环形双气室的精密减振器可以实现多自由度、超 低频、高衰减率的精密减振；2) 双气室间的节流孔设计可以实现低频振动的大阻尼和高频振动的小 阻尼，从而可以实现高的振动衰减率；3) 该减振装置同时可以实现垂向精密定位功能。4) 该减振装置中的气动执行器和电磁执行器组合，可以实现对被隔振 设备的多自由度、宽频带激振，用于振动模态测试。附图说明图1为第一种实施方式下的精密减振器整体结构图2为第一种实施方式下的精密减振器横剖仰视图； 图3为第一种实施方式下的精密减振器横剖俯视图；图4为第一种实施方式下的变体积环形气室内腔组合，其中图4.1为主视半剖图，图4.2为左视图，图4.3为俯视半剖图；图5为第二种实施方式下的精密减振器整体结构； 图6为第三种实施方式下的精密减振器整体结构；图7为整机减振框架，其中图7.1为整个减振系统结构框架主视图， 图7.2为整个减振系统结构框架俯视图。具体实施方式本专利技术采用由节流孔相连的双气室结构，可以自动调节空气弹簧的垂向阻尼，具体原理如下当被隔振系统在垂直方向上处于低频振动状态时， 气室内腔相对于气室中间腔在垂直方向缓慢地作往复运动且运动幅度相对 较大，而气室中间腔相对于气室外腔基本静止不动，因此副气室中气体的 体积基本不变，而主气室中气体的体积和压力成反比变化，主气室与副气 室中的压力空气经节流孔进行交换，细长的节流孔可以增大整个空气弹簧 系统的阻尼；当被隔振系统在垂直方向上处于高频振动状态时，气室内腔 相对于气室中间腔在垂直方向作高频、小幅度往复运动，主气室与副气室 中的压力空气交换非常有限，几乎可以认为没有空气交换，因此高频振动 皇太下仅主气室工作，空气弹簧的阻尼非常小。空气弹簧的体积越大，因振动位移引起的体积和压力的相对变化越小， 可以实现的支承刚度越低。由于高频振动状态下仅主气室工作，而低频振 动状态下主气室和副气室共同工作，因此需要将主气室的体积设计得比副 气室大。为了尽量降低空气弹簧的支承刚度，通过在气室内腔侧壁上加工 适当大小的孔，以扇形柱状弹性膜片密封主气室的压力空气，可以通过弹 性膜片变形减小气室内腔压力变化，起到进一步降低空气弹簧刚度、从而 实现垂向超低频隔振的作用。精密减振器的水平方向隔振采用的是倒立摆机构，通过柔性摆杆在水平方向的弹性变形可以实现水平方向的隔振。将倒立摆机构内置于空气弹 簧里面，可以使整个精密减振器结构紧凑。倒立摆机构的设计主要考虑尽 量降低柔性摆杆的弯曲刚度以降低水平隔振谐振频率，同时提高柔性摆杆 的抗拉强度以提高精密减振器的垂向承载力。除通过选择合适的材料以外， 可以在保证柔性摆杆直径的前提下增加其长度来同时满足垂向高强度和高 刚度以及水平方向低刚度的要求。为增大倒立摆机构的长度以降低倒立摆 机构的水平隔振刚度，将双气室结构设计成内外环形而非传统的上下结构， 可以最大限度利用整个精密减振器的垂向尺寸。精密减振器的主动减振系统主要包括传感器、执行器、驱动控制器(图2中未显示)等。由于顶部接口盘与被隔振设备固连，因此安装在顶部接口 盘上的传感器检测的信号反映的也就是被隔振设备的振动信息。水平向正 交布置的加速度传感器检测顶部接口盘的X、 Y两个水平方向的振动加速 度，水平向正交布置的速度传感器检测顶部接口盘的X、 Y两个水平方向 的振动速度，分别反馈给水平向正交布置的电机，产生作用力施加给顶部 接口盘，形成较大的水平向负刚度补偿力和等效阻尼力，降低水平向谐振 频率、抑制被隔振设备的水平振动幅度。垂向加速度传感器检测顶部接口 盘的垂向振动加速度，垂向速度传感器检测顶部接口盘的垂向振动速度， 反馈给垂向电机，产生作用力施加给顶部接口盘，形成较大的垂向负刚度 补偿力和等效阻尼力，降低垂向谐振频率、抑制被隔振设备的垂向振动幅 度。垂向位移传感器检测顶部接口盘的垂向振动位移，反馈给精密气动调 节系统，通过供气或排气增大或降低空气弹簧气压，增大或减小空气弹簧 体积，实现对被隔振设备的垂向精密定位。下面结合附图和实例对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。 如图l一4所示，本专利技术提供的重载精密减振器在总体上可以分为空气 弹簧IO (起垂向被动隔振作用)、倒立摆机构20 (起水平被动隔振作用)、 主动减振执行器30三部分。第一气室内腔111侧壁上开有通孔，扇形柱状弹性膜片112密封安装在 杯状第一气室内腔111侧壁上通孔部位的外测；第一气室内腔111上端部与 气室内腔端盖114连接，二者之间通过第一密封圈113密封。环形簧片115的内、外部分别与气室内腔端盖14、气室中间腔116的上端部密封连接。第一气室内腔111、扇形柱状弹性膜片112、气室内腔端盖114、环形 簧片115和气室中间腔116密封构成内气室11。扇形柱状弹性膜片112的变形减小气压的变化，从而实现空气弹簧的 超低刚度，实现超低频振动隔离。气室外腔121为杯状，它与气室中间腔116的上端部通过第二密封圈 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重载精密减振器，其特征在于：它包括空气弹簧（１０），倒立摆机构（２０），主动减振执行器（３０）；　空气弹簧（１０）为内气室（１１）、外气室（１２）构成的环形双气室密封结构，内气室（１１）与外气室（１２）之间由节流孔（１４）连通，外气室（１２）上设有进气孔（１３）；　倒立摆机构（２０）包括主支承杆和至少两根柔性摆杆，主支承杆和各柔性摆杆均由内气室（１１）的内腔包围；　主动减振执行器包括垂向直线电机（３０２）和二个水平向直线电机（３０３、３０４），三个直线电机正交布置，其定子均固定在外部端盖上，其动子均与顶部接口盘或被隔振设备固定连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，宋宝，姜伟，蒲华燕，罗欣，李小平，曾理湛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83