專利名稱：基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超精密測量與超精密加工裝備，主要涉及一種基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺。
背景技術：
在超精密計量測試和超精密加工領域中，具有高質量水平姿態(tài)的平臺是進行精密測量和大規(guī)模集成電路制造的基本保證。高質量水平姿態(tài)氣磁隔振平臺的應用十分廣泛。在生物科學、電子光學、精密機械加工、理化試驗及其研究相關的工廠中，平臺的水平姿態(tài)控制會影響到機器設備的測量實驗結果和儀表器械的使用性能，并且會直接影響氣磁隔振平臺對振動的抑制性能。隨著超精密測量儀器和超精密加工制造設備的精度等級的提高，環(huán)境振動對儀器設備的影響越來越大。氣磁隔振平臺作為新興的隔振設備也隨著精密儀器制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。而氣磁隔振平臺的水平姿態(tài)則直接影響到其上面所放儀器和裝備的精度，因此氣磁隔振平臺姿態(tài)的穩(wěn)定在精密儀器制造和科研中顯得格外重要。特別是對于我國科研單位和企業(yè)，隨著超大規(guī)模集成電路制造業(yè)的高速發(fā)展以及對測量精度和測量穩(wěn)定性要求的不斷提高，作為基礎的隔振平臺的穩(wěn)定性也受到了更加嚴峻的考驗。隨著超精密儀器及系統(tǒng)對工作環(huán)境要求的提高，傳統(tǒng)的被動隔振方式受隔振器材料特性、結構剛度等因素制約，已無法滿足對低頻信號的隔振要求。針對這一問題，研究人員將主動隔振技術與被動隔振器相結合，達到提升低頻隔振性能的目的(VibrationIsolation Apparatus For Stage.美國專利公開號 US006327024B1)。該方法將一個或多個振動阻尼器安裝在工作臺與基座之間，阻尼器件具有一個電執(zhí)行器，執(zhí)行器對一個位置傳感器的信號進行響應，起到主動隔振作用，提升了其低頻隔振性能。該方法存在的問題在于1)工作臺不具備姿態(tài)調整功能；2)位置傳感器反饋信號為相對量，沒有絕對零位基準，無法對工作臺位置精確定位。為了實現(xiàn)隔振臺臺體姿態(tài)調整功能，中國計量學院提出了一種隔振平臺氣動姿態(tài)調整方案(隔振地基精密調平系統(tǒng)。專利公開號CN 101353897A)。該方案采用兩級隔振平臺，精密光學隔振平臺放置于隔振地基上，通過測量隔振平臺與水平面的夾角，對空氣彈簧進行充放氣控制，達到調整隔振平臺姿態(tài)的目的。該方案存在的問題在于1)已公開技術方案中，隔振平臺無法實現(xiàn)精確定位；2)通過對空氣彈簧充放氣調整隔振平臺姿態(tài)，系統(tǒng)響應速度慢。中船第九設計研究院工程有限公司提出一種隔微振基礎(多臺精密儀器集中布置的防微振基礎。專利公開號CN 200920078087.9)。該方案設計了上下兩層獨立的隔振臺，上層采用T型截面隔振座，隔振座由隔振元件支撐在下層砼梁上，該結構能夠降低隔振系統(tǒng)質心，提高了隔振效率。該方案的問題在于，僅采用被動隔振方式，無法隔離低頻振動信號。重慶師范大學提出一種精密隔振裝置(一種精密隔振裝置。公開號CN200920207338. 9)。該方案采用兩層隔振結構，第一層被動隔振器由空氣彈簧與磁流變體并聯(lián)構成，第二層隔振器由空氣彈簧與微作動器并聯(lián)構成，兩層結構串聯(lián)布置，該方案提高了隔振裝置對低頻信號的隔振性能。該方案的問題在于，隔振平臺不具備姿態(tài)調整功能?，F(xiàn)有發(fā)明專利存在的共性問題1.對隔振平臺的測量均為相對位置，沒有絕對零位基準，因此無法對隔振平臺位置進行精確定位；2.沒有對隔振平臺的姿態(tài)高精度控制方案，因此隔振平臺無法獲得高水平隔振性倉泛。氣磁隔振平臺臺體水平姿態(tài)的檢測方案有多種，精確定位的方法主要是通過建立直角坐標系來檢測水平姿態(tài)，測量臺體各自由度位移變化。氣磁隔振平臺臺體的位移測量需采用光學非接觸式測量方法，否則傳感器將會給隔振系統(tǒng)附加剛度和阻尼，破壞氣磁隔振平臺固有頻率，降低隔振性能。傳統(tǒng)非接觸式光學測量位移的方法種類有基于CCD圖像檢測、基于激光的鑒頻和鑒幅測量等。由于平臺臺體是六個自由度上的位移變化，各自由度之間相互干涉，基于圖像的測量方法無法實現(xiàn)；而基于激光檢測的方法又受激光自身漂移的影響很難實現(xiàn)高精度的測量。但是，對氣磁隔振平臺隔振性能要求的不斷提高，對臺體姿態(tài)位移的控制精度要求達到微米量級，而且平臺均是大或超大臺體情況下。所以具有位移控制精度高、隔振性能優(yōu)異、達到VC-F級別以上的大型或超大型氣磁隔振平臺是目前國內(nèi)外超精密測量和加工制造設備迫切需求的隔/減振設備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，結合實際需求，設計提供一種基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，達到提高激光束零位基準的穩(wěn)定性、實現(xiàn)參考光束校準、提高平臺隔振性能的目的。本發(fā)明的技術解決方案是基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，所述的氣磁隔振平臺臺體配置在3個或3個以上均勻分布的隔振器上，隔振器配置在基座上，所述隔振器由隔振器基座、隔振器支架和隔振器工作臺構成，隔振器工作臺安裝在隔振器基座內(nèi)，隔振器支架配置在隔振器基座外側部上，在各個隔振器與氣磁隔振平臺臺體之間配置水平位移執(zhí)行器，所述的水平位移執(zhí)行器采用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執(zhí)行器的旋轉型音圈電機動子與氣磁隔振平臺臺體固連，水平位移執(zhí)行器的旋轉型音圈電機定子配置在隔振器支座上；測量氣磁隔振平臺臺體六自由度姿態(tài)的激光位置測量光路由He-Ne激光器、激光自準直系統(tǒng)、零位基準裝置、臺體姿態(tài)光電檢測器、臺體姿態(tài)分光棱鏡構成，其中臺體姿態(tài)光電檢測器、臺體姿態(tài)分光棱鏡固裝在氣磁隔振平臺臺體下側部上，所述的臺體姿態(tài)分光棱鏡包括第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、第三分光棱鏡和第四分光棱鏡，且第一分光棱鏡位于激光自準直系統(tǒng)的后側透射激光光路上，第二分光棱鏡和第三分光棱鏡分別位于第一分光棱鏡的透射和反射光路上，第四分光棱鏡位于第三分光棱鏡的反射光路上；所述的臺體姿態(tài)光電檢測器包括第一光電檢測器、第二光電檢測器、第三光電檢測器和第四光電檢測器，其中第一光電檢測器和第二光電檢測器分別位于第二分光棱鏡的透射和反射光路上，第三光電檢測器和第四光電檢測器分別位于第四分光棱鏡的透射和反射光路上；所述的激光自準直系統(tǒng)由激光擴束準直系統(tǒng)、凸透鏡、平漂與角漂檢測光電檢測器、光束調整機構、平漂與角漂檢測分光棱鏡構成，其中光束調整機構位于激光擴束準直系統(tǒng)和平漂與角漂檢測分光棱鏡之間，凸透鏡位于平漂與角漂檢測分光棱鏡和平漂與角漂檢測光電檢測器之間，光束調整機構包括可調整相對位置間距和角度的楔角棱鏡、楔角棱鏡；所述的零位基準裝置包括零位基準光電檢測器安裝平臺和固有頻率低于0. 5Hz的被動減振器，零位基準光電檢測器安裝平臺通過被動減振器安裝在基座上，并位于激光自準直系統(tǒng)的下側折射光路上；由平漂光電檢測器和角漂光電檢測器構成的平漂與角漂檢測光電檢測器固裝在零位基準裝置零位基準光電檢測器安裝平臺上，其初始位置，各平漂、角漂光電檢測器接收面分別與各自運動方向水平，且接收面中心與對應光束中心重合。所述的臺體姿態(tài)光電檢測器和平漂與角漂檢測光電檢測器包括位置敏感器件PSD、CXD、四象限探測器QPD和硅光電池。所述的被動減振器采用氣磁結構，且被動減振器為零剛度減振器。所述的水平位移執(zhí)行器采用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執(zhí)行器的旋轉型音圈電機動子與氣磁隔振平臺臺體固連，水平位移執(zhí)行器的旋轉型音圈電機定子配置在隔振器支座上。本發(fā)明的技術創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于I)該裝置零位基準裝置采用被動減振器支撐，被動減振器固有頻率低于0. 5Hz,可有效隔離地面的振動對參考光束檢測的影響，大大提高了激光束零位基準的穩(wěn)定性，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之一。2)本發(fā)明采用兩個光電檢測器分別檢測參考光束的平漂和角漂，并用一對可調整相對位置間距和角度的楔角棱鏡實時消減參考光束的平漂和角漂，實現(xiàn)參考光束校準；采用光電檢測器和分光棱鏡實現(xiàn)平臺六自由度姿態(tài)監(jiān)測，并由水平位移執(zhí)行器實現(xiàn)隔/減振平臺水平方向運動高精度控制，提高了平臺隔振性能，這是本發(fā)明的創(chuàng)新點和突出優(yōu)點之
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圖1是基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺三維結構示意圖；圖2是基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺的結構示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是激光自準直系統(tǒng)結構示意圖；圖5是零位基準裝置結構示意圖；圖6是光束調整機構兩種方案結構示意圖；圖7是激光光束平漂與角漂檢測原理示意圖；圖8是隔振器與水平位移執(zhí)行器裝配結構示意圖。圖中件號=1-He-Ne激光器；2_激光自準直系統(tǒng)；3_零位基準裝置；3a_零位基準光電檢測器安裝平臺；3b-被動減振器；4_隔振器；4a-隔振器基座；4b-隔振器支架；4c-隔振器工作臺；5-基座；6_氣磁隔振平臺臺體；7_臺體姿態(tài)光電檢測器；7a-第一光電檢測器；7b-第二光電檢測器 ；7c-第三光電檢測器；7d-第四光電檢測器；8_水平位移執(zhí)行器；8a-旋轉型音圈電機動子；8b-旋轉型音圈電機定子；9_平漂與角漂檢測分光棱鏡；10-臺體姿態(tài)分光棱鏡；10a_第一分光棱鏡；10b_第二分光棱鏡；10c_第三分光棱鏡；IOd-第四分光棱鏡；11-激光擴束準直系統(tǒng)；12_凸透鏡；13-平漂與角漂檢測光電檢測器；13a-平漂光電檢測器；13b-角漂光電檢測器；14-光束調整機構；14a-楔角棱鏡A ; 14b-楔角棱鏡B。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明實施方案作進一步詳細說明基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，所述的氣磁隔振平臺臺體6配置在3個或3個以上均勻分布的隔振器4上，隔振器4配置在基座5上，所述隔振器4由隔振器基座4a、隔振器支架4b和隔振器工作臺4c構成，隔振器工作臺4c安裝在隔振器基座4a內(nèi)，隔振器支架4b配置在隔振器基座4a外側部上，在各個隔振器4與氣磁隔振平臺臺體6之間配置水平位移執(zhí)行器8，所述的水平位移執(zhí)行器8采用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執(zhí)行器8的旋轉型音圈電機動子8a與氣磁隔振平臺臺體6固連，水平位移執(zhí)行器8的旋轉型音圈電機定子Sb配置在隔振器支座4b上；測量氣磁隔振平臺臺體6六自由度姿態(tài)的激光位置測量光路由He-Ne激光器1、激光自準直系統(tǒng)2、零位基準裝置3、臺體姿態(tài)光電檢測器7、臺體姿態(tài)分光棱鏡10構成，其中臺體姿態(tài)光電檢測器7、臺體姿態(tài)分光棱鏡10固裝在氣磁隔振平臺臺體6下側部上，所述的臺體姿態(tài)分光棱鏡10包括第一分光棱鏡10a、第二分光棱鏡10b、第三分光棱鏡IOc和第四分光棱鏡IOd,且第一分光棱鏡IOa位于激光自準直系統(tǒng)2的后側透射激光光路上,第二分光棱鏡IOb和第三分光棱鏡IOc分別位于第一分光棱鏡IOa的透射和反射光路上,第四分光棱鏡IOd位于第三分光棱鏡IOc的反射光路上；所述的臺體姿態(tài)光電檢測器7包括第一光電檢測器7a、第二光電檢測器7b、第三光電檢測器7c和第四光電檢測器7d,其中第一光電檢測器7a和第二光電檢測器7b分別位于第二分光棱鏡IOb的透射和反射光路上,第三光電檢測器7c和第四光電檢測器7d分別位于第四分光棱鏡IOd的透射和反射光路上；所述的激光自準直系統(tǒng)2由激光擴束準直系統(tǒng)11、凸透鏡12、平漂與角漂檢測光電檢測器13、光束調整機構14、平漂與角漂檢測分光棱鏡9構成，其中光束調整機構14位于激光擴束準直系統(tǒng)11和平漂與角漂檢測分光棱鏡9之間，凸透鏡12位于平漂與角漂檢測分光棱鏡9和平漂與角漂檢測光電檢測器13之間，光束調整機構14包括可調整相對位置間距和角度的楔角棱鏡A14a、楔角棱鏡B14b ;所述的零位基準裝置3包括零位基準光電檢測器安裝平臺3a和固有頻率低于0. 5Hz的被動減振器3b，零位基準光電檢測器安裝平臺3a通過被動減振器3b安裝在基座5上，并位于激光自準直系統(tǒng)2的下側折射光路上；由平漂光電檢測器13a和角漂光電檢測器13b構成的平漂與角漂檢測光電檢測器13固裝在零位基準裝置3的零位基準光電檢測器安裝平臺3a上，其初始位置，各平漂、角漂光電檢測器13a、13b接收面分別與各自運動方向水平，且接收面中心與對應光束中心重合。所述的臺體姿態(tài)光電檢測器7和平漂與角漂檢測光電檢測器13包括位置敏感器件PSD、(XD、四象限探測器QPD和硅光電池。所述的被動減振器3b采用氣磁結構，且被動減振器3b為零剛度減振器。所述的水平位移執(zhí)行器8采用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執(zhí)行器8的旋轉型音圈電機動子8a與氣磁隔振平臺臺體6固連，水平位移執(zhí)行器8的旋轉型音圈電機定子Sb配置在隔振器支座4b上。
本發(fā)明的工作流程如下臺體姿態(tài)由激光位置測量光路測量，激光器I發(fā)出的一束源激光首先通過激光自準直系統(tǒng)2，由平漂與角漂檢測分光棱鏡9分出兩束參考光束，分別由平漂光電檢測器13a和角漂光電檢測器13b接收，檢測參考光束自身的平漂移量和角漂移量，最后通過光束調整機構14實時調整其平漂和角漂。平漂與角漂檢測光電檢測器13有效隔離大于0. 5Hz的振動對參考光束檢測的影響，實現(xiàn)零位基準裝置3與臺體和大地隔離，作為氣磁隔振平臺臺體6六個自由度的位置絕對零位基準。光束再經(jīng)臺體姿態(tài)分光棱鏡10分出四路光束，最終由臺體姿態(tài)光電檢測器7接收，由此實現(xiàn)臺體姿態(tài)的六個自由度的位置檢測，經(jīng)過解算后再通過水平位移執(zhí)行器8實現(xiàn)臺體姿態(tài)三自由度實時調整控制。由于激光光束具有平漂和角漂，因此參考光路會有一定的偏差，所以需要每時每刻都進行調整，以保證參考光束的準確性。保證參考光束的水平是保證平臺水平姿態(tài)的基礎。參考光束的平漂與角漂由固定在零位基準裝置3上的平漂與角漂檢測光電檢測器13測量。光束的平漂由光電檢測器13a檢測，光束角漂由帶有凸透鏡12的光電檢測器13b檢測，并均由光束調整機構14抑制。光束調整機構14通過調整兩個楔角棱鏡的角度和相對位置間距，抑制光束的角漂和平漂。確定參考光束之后記錄標定平漂與角漂檢測光電檢測器13的輸出值為初值，校準時使輸出值向標定的初值逼近即可。工作時，參考光束被實時校準，光電檢測器實時米樣，每次米12個值去掉一個最大值和一個最小值，并把剩下的10個值取平均值分別與各自的初值作比較，經(jīng)過處理就可以得到氣磁隔振平臺臺體6在地面振動影響下的姿態(tài)變化?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)該測量值控制水平位移執(zhí)行器8三自由度調整臺體姿態(tài)誤差，使氣磁隔振平臺臺體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，從而使氣磁隔振平臺具有較小的振動傳遞率，實現(xiàn)隔/減振。
權利要求
1.基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，其特征在于氣磁隔振平臺臺體(6)配置在3個或3個以上均勻分布的隔振器(4)上，隔振器(4)配置在基座(5)上，所述隔振器⑷由隔振器基座(4a)、隔振器支架(4b)和隔振器工作臺(4c)構成，隔振器工作臺(4c)安裝在隔振器基座(4a)內(nèi)，隔振器支架(4b)配置在隔振器基座(4a)外側部上，在各個隔振器(4)與氣磁隔振平臺臺體(6)之間配置水平位移執(zhí)行器(8)，所述的水平位移執(zhí)行器(8)采用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執(zhí)行器(8)的旋轉型音圈電機動子(Sa)與氣磁隔振平臺臺體(6)固連，水平位移執(zhí)行器⑶的旋轉型音圈電機定子(Sb)配置在隔振器支座(4b)上；測量氣磁隔振平臺臺體(6)六自由度姿態(tài)的激光位置測量光路由He-Ne激光器(I)、激光自準直系統(tǒng)(2)、零位基準裝置(3)、臺體姿態(tài)光電檢測器(7)、臺體姿態(tài)分光棱鏡(10)構成，其中臺體姿態(tài)光電檢測器(7)、臺體姿態(tài)分光棱鏡(10)固裝在氣磁隔振平臺臺體(6)下側部上，所述的臺體姿態(tài)分光棱鏡(10)包括第一分光棱鏡(IOa)、第二分光棱鏡(10b)、第三分光棱鏡(IOc)和第四分光棱鏡(IOd),且第一分光棱鏡(IOa)位于激光自準直系統(tǒng)(2)的后側透射激光光路上，第二分光棱鏡(IOb)和第三分光棱鏡(IOc)分別位于第一分光棱鏡(IOa)的透射和反射光路上,第四分光棱鏡(IOd)位于第三分光棱鏡(IOc)的反射光路上；所述的臺體姿態(tài)光電檢測器(7)包括第一光電檢測器(7a)、第二光電檢測器(7b)、第三光電檢測器(7c)和第四光電檢測器(7d)，其中第一光電檢測器(7a)和第二光電檢測器(7b)分別位于第二分光棱鏡(IOb)的透射和反射光路上,第三光電檢測器(7c)和第四光電檢測器(7d)分別位于第四分光棱鏡(IOd)的透射和反射光路上；所述的激光自準直系統(tǒng)(2)由激光擴束準直系統(tǒng)(11)、凸透鏡(12)、平漂與角漂檢測光電檢測器(13)、光束調整機構(14)、平漂與角漂檢測分光棱鏡(9)構成，其中光束調整機構(14)位于激光擴束準直系統(tǒng)(11)和平漂與角漂檢測分光棱鏡(9)之間，凸透鏡(12)位于平漂與角漂檢測分光棱鏡(9)和平漂與角漂檢測光電檢測器(13)之間，光束調整機構(14)包括可調整相對位置間距和角度的楔角棱鏡A (14a)、楔角棱鏡B (14b);所述的零位基準裝置(3)包括零位基準光電檢測器安裝平臺(3a)和固有頻率低于0. 5Hz的被動減振器(3b)，零位基準光電檢測器安裝平臺(3a)通過被動減振器(3b)安裝在基座(5)上，并位于激光自準直系統(tǒng)(2)的下側折射光路上；由平漂光電檢測器(13a)和角漂光電檢測器(13b)構成的平漂與角漂檢測光電檢測器(13)固裝在零位基準裝置(3)的零位基準光電檢測器安裝平臺(3a)上，其初始位置，各平漂、角漂光電檢測器(13a、13b)接收面分別與各自運動方向水平,且接收面中心與對應光束中心重合。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，其特征在于所述的臺體姿態(tài)光電檢測器(7)和平漂與角漂檢測光電檢測器(13)包括位置敏感器件PSD、CXD、四象限探測器QPD和硅光電池。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，其特征在于所述的被動減振器(3b)采用氣磁結構，且被動減振器(3b)為零剛度減振器。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺，其特征在于所述的水平位移執(zhí)行器(8)采用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執(zhí)行器(8)的旋轉型音圈電機動子(8a)與氣磁隔振平臺臺體(6)固連，水平位移執(zhí)行器⑶的旋轉型音圈電機定子(8b)配置在隔振器支座(4b)上。
全文摘要
基于氣磁零位基準和激光自準直測量的氣磁隔振平臺屬于超精密測量與超精密加工裝備，該裝置采用3個或3個以上靜壓氣磁結構的隔振器支撐氣磁隔振平臺臺體及其負載，采用分光棱鏡和光電檢測器實現(xiàn)平臺六自由度姿態(tài)監(jiān)測，并在隔振器與臺體之間水平位移執(zhí)行器，實現(xiàn)臺體三自由度姿態(tài)調整；該裝置中由氣磁式減振器支撐的零位基準裝置有效隔離地面的振動對參考光束檢測的影響，提高了激光束零位基準的穩(wěn)定性；采用光電檢測器檢測參考光束的平漂和角漂，并用一對可調整相對位置間距和角度的楔角棱鏡實時調整參考光束的平漂和角漂，實現(xiàn)參考光束校準，可顯著提高平臺隔振性能。
文檔編號F16M11/18GK103062583SQ20121057196
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權日2012年12月19日
發(fā)明者趙勃, 譚久彬, 王雷 申請人:哈爾濱工業(yè)大學