專利名稱：雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器的制作方法
雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于精密隔振技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器。
背景技術(shù)：
隨著超精密加工與測(cè)量精度的不斷提高，環(huán)境振動(dòng)成為制約超精密加工裝備與測(cè)量?jī)x器精度和性能提高的重要因素。尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)為代表的超大規(guī)模集成電路加工裝備，技術(shù)密集度與復(fù)雜度極高，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了現(xiàn)有技術(shù)的極限，代表了超精密加工裝備的最高水平，超精密隔振成為此類裝備中的核心關(guān)鍵技術(shù)；步進(jìn)掃描光刻機(jī)的線寬已達(dá)到22nm及以下，硅片定位精度與套刻精度均達(dá)到幾納米，而工件臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到 lm/s以上，工件臺(tái)加速度達(dá)到重力加速度的幾十倍，這對(duì)現(xiàn)有的隔振技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。 首先，光刻機(jī)需要為計(jì)量系統(tǒng)與光刻物鏡提供“超靜”的工作環(huán)境，同時(shí)又需要驅(qū)動(dòng)工件臺(tái)以高速度與高加速度運(yùn)動(dòng)，這對(duì)隔振系統(tǒng)的隔振性能提出了極其苛刻的要求，其三個(gè)方向的固有頻率均需要達(dá)到IHz以下；其次，光刻機(jī)各部件之間的相對(duì)位置，例如光刻物鏡與硅片表面的距離，均具有非常嚴(yán)格的要求，且處于位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的控制之下，要求隔振器上、下安裝板之間的相對(duì)位置精度達(dá)到10 μ m量級(jí)，傳統(tǒng)隔振器的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。
根據(jù)隔振理論，被動(dòng)式隔振器的固有頻率與剛度成正比、與負(fù)載質(zhì)量成反比，因此在負(fù)載質(zhì)量一定的前提下，降低隔振器的剛度是降低固有頻率、提高低頻與超低頻隔振性能的有效途徑。傳統(tǒng)空氣彈簧等形式的隔振器存在靜態(tài)承載能力與剛度的固有矛盾，同時(shí)受材料特性、結(jié)構(gòu)剛度等因素制約，要進(jìn)一步降低其剛度、尤其是水平向剛度十分困難。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員將“擺”式結(jié)構(gòu)引入到空氣彈簧隔振器中，達(dá)到降低隔振器水平剛度的目的(1. Nikon Corporation. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness. 美國(guó)專利公開號(hào)US20040065517A1 ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Device with a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements, and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美國(guó)專利號(hào) US005844664A)。該方法能夠在一定程度上降低空氣彈簧隔振器的水平剛度，提升其低頻隔振性能。該方法存在的問(wèn)題在于1)受材料特性與結(jié)構(gòu)剛度制約，隔振器垂向與水平向剛度降低的幅度有限；2)空氣彈簧隔振器的垂向與水平向定位精度均很差，無(wú)法滿足光刻工藝的要求；3)要達(dá)到較低的水平剛度需要較大的擺長(zhǎng)，導(dǎo)致隔振器高度過(guò)大，容易發(fā)生弦膜共振，穩(wěn)定性差。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有空氣彈簧隔振器技術(shù)方案的分析可見，現(xiàn)有空氣彈簧隔振器難以滿足光刻機(jī)對(duì)超低剛度與高定位精度的要求。德國(guó)IDE公司提出了一種摒棄傳統(tǒng)橡膠空氣彈簧的隔振器技術(shù)方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrie E inesSchwingungs iso Iat ions system.歐洲專利號(hào)EP1803965A2 ；2.1ntegrated Dynamics`EngineeringGmbH. Schwingungsisolationssystem Mit Pneumatischem Tiefpassfilter.歐洲專利號(hào)EP1803970A2 ;3· Integrated Dynamics Engineering GmbH. Air Bearing withConsideration of High-Frequency Resonances.美國(guó)專利公開號(hào)US20080193061A1)。該方案采用垂向與水平向氣浮面對(duì)各方向的振動(dòng)進(jìn)行解耦與隔振，可以達(dá)到極低的剛度與固有頻率。該方案存在的問(wèn)題在于1)已公開技術(shù)方案中，隔振器無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位；2)專利EP1803965A2中，上、下安裝板之間不存在繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運(yùn)動(dòng)自由度，該方向的角剛度與固有頻率都很高；專利EP1803970A2與US20080193061A1采用橡膠塊為上、下安裝板提供繞水平軸旋轉(zhuǎn)的角運(yùn)動(dòng)自由度，但由于橡膠塊角剛度很大，無(wú)法有效地進(jìn)行角運(yùn)動(dòng)自由度解耦，角運(yùn)動(dòng)自由度解耦機(jī)構(gòu)部件之間存在摩擦力而引入附加剛度，制約隔振性能。荷蘭ASML公司也提出了類似的隔振器技術(shù)方案(1. U. S. Philips Corp,ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply,and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美國(guó)專利號(hào)US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyB. V. Lithographic Pneumatic Support Device with Control led Gas Supply.國(guó)際專利公開號(hào)W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicApparatus, and Device Manufacturing Method Employing A SupportingDevice, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美國(guó)專利號(hào)USOO7O8^i956B2 ;4. ASML Netherlands B. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.歐洲專利號(hào)EP1486825A1)。專利US006144442A與W099/22272中對(duì)氣源壓力進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，達(dá)到提高隔振器的穩(wěn)定性與性能的目的；專利US007084956B2與EP1486825A1中在上安裝板上設(shè)有振動(dòng)傳感器，同時(shí)引入?yún)⒖颊駝?dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技術(shù)方案仍然沒(méi)有解決隔振器的精確定位與上、下安裝板的角運(yùn)動(dòng)自由度解耦問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)超精密測(cè)量?jī)x器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)等超大規(guī)模集成電路加工裝備對(duì)隔振 器低固有頻率、高定位精度的迫切要求，提供一種雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，隔振器在三維均具有近似零剛度與極低的固有頻率，上、下安裝板之間能夠進(jìn)行精確定位與三維直線運(yùn)動(dòng)自由度、角運(yùn)動(dòng)自由度解耦，從而有效解決超精密測(cè)量?jī)x器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)中的精密隔振問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，由上安裝板、下安裝板、潔凈壓縮氣源、氣管和隔振器主體組成，隔振器主體安裝在上安裝板與下安裝板之間，潔凈壓縮氣源通過(guò)氣管與隔振器主體連通，所述隔振器主體的結(jié)構(gòu)中，套筒的下表面與氣浮板通過(guò)軸向承載平面氣浮面潤(rùn)滑與支撐，活塞筒倒扣安裝在套筒內(nèi)，并與套筒通過(guò)徑向承載圓柱氣浮面潤(rùn)滑與支撐，滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承安裝在活塞筒和上安裝板之間，X向氣浮導(dǎo)軌的下表面與氣浮板剛性連接，套筒與X向氣浮導(dǎo)軌通過(guò)X向?qū)к墯飧∶鏉?rùn)滑與導(dǎo)向，Y向氣浮導(dǎo)軌的下表面與下安裝板剛性連接，氣浮板與下安裝板通過(guò)Z向承載氣浮面潤(rùn)滑與支撐，氣浮板與Y向氣浮導(dǎo)軌通過(guò)Y向?qū)к墯飧∶鏉?rùn)滑與導(dǎo)向；z向音圈電機(jī)、Z向位移傳感器、Z向限位開關(guān)、Z向電渦流阻尼器安裝在活塞筒與套筒之間，X向音圈電機(jī)、X向位移傳感器、X向限位開關(guān)、X向電渦流阻尼器、Y向電渦流阻尼器安裝在套筒與氣浮板之間， Y向音圈電機(jī)、Y向位移傳感器、Y向限位開關(guān)安裝在氣浮板與下安裝板之間，z向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，X向音圈電機(jī)與Y向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，X、Y、Z向位移傳感器和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)的作用線方向與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向一致，Χ、γ、ζ向電渦流阻尼器的阻尼力方向分別與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力方向一致；χ、Y、Z向位移傳感器和X、Y、Z向限位開關(guān)分別與控制器的信號(hào)輸入端連接，控制器的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端分別與χ、υ、ζ向音圈電機(jī)連接。
所述X向電渦流阻尼器由套筒下表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)力方向安裝的X向永磁體構(gòu)成，Y向電渦流阻尼器由套筒下表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)力方向安裝的Y向永磁體構(gòu)成，Z向電渦流阻尼器由套筒內(nèi)圓柱面?zhèn)缺谘豘向音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)力方向安裝的Z向永磁體構(gòu)成，X、Y、Z向永磁體的磁極方向垂直于套筒的表面,且N、S極交替布置,套筒米用鐵磁材料，活塞筒與氣浮板采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。
所述活塞筒內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器，活塞筒上設(shè)有進(jìn)氣口和電磁閥，氣體壓力傳感器與控制器的信號(hào)輸入端連接，控制器的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端與電磁閥連接。
所述Χ、Υ、Ζ向音圈電機(jī)為圓筒型音圈電機(jī)或平板型音圈電機(jī)。
所述X向氣浮導(dǎo)軌和Y向氣浮導(dǎo)軌為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
所述X、Y、Z向位移傳感器為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。
所述X、Y、Z向限位開關(guān)為機(jī)械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。
所述活塞筒內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa0
所述軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面、X向?qū)к墯飧∶?、Y向?qū)к墯飧∶婧蚙向承載氣浮面的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。
所述活塞筒上的圓柱氣浮面節(jié)流孔和套筒上的平面氣浮面節(jié)流孔的直徑為 Φ O.1mm Φ 1mm。
本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于
(1)本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)基于彈性元件/機(jī)構(gòu)的隔振器技術(shù)方案，采用軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面分別對(duì)水平向與垂向振動(dòng)進(jìn)行解耦與隔振，氣浮面無(wú)摩擦， 剛度近似為零，可使隔振器獲得近似的零剛度特性和突出的超低頻隔振性能，解決了現(xiàn)有技術(shù)受結(jié)構(gòu)剛度、材料特性限制，剛度難以進(jìn)一步降低，剛度與穩(wěn)定性不能兼顧的問(wèn)題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。
(2)本發(fā)明采用位移傳感器、限位開關(guān)、控制器、驅(qū)動(dòng)器與音圈電機(jī)等構(gòu)成豎直方向與水平方向的位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對(duì)上、下 安裝板之間的相對(duì)位置進(jìn)行精確控制，定位精度可達(dá)到IOym級(jí)及以上，可有效解決現(xiàn)有技術(shù)方案定位精度低、定位精度與剛度、隔振性能不能兼顧的問(wèn)題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。
(3)本發(fā)明采用雙層正交氣浮導(dǎo)軌和滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承對(duì)隔振器上、下安裝板之間的直線運(yùn)動(dòng)自由度和角運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行解耦，氣浮導(dǎo)軌無(wú)摩擦與磨損，滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承引入附加角剛度較小，同時(shí)具有很大的承載能力，可有效解決現(xiàn)有采用彈性體解耦的技術(shù)方案引入附加剛度過(guò)大、嚴(yán)重制約固有頻率與低頻隔振性能等問(wèn)題。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。(4)本發(fā)明采用氣體壓力傳感器、電磁閥與控制器、驅(qū)動(dòng)器等構(gòu)成壓力閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，精確控制套筒內(nèi)的氣體壓力使之保持恒定，對(duì)隔振器的軸向載荷進(jìn)行重力平衡與補(bǔ)償，在徑向承載圓柱氣浮面的作用下，承載負(fù)載重力的活塞筒可沿套筒以零剛度自由上下滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)理想的重力平衡與零剛度隔振效果。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之四。(5)本發(fā)明采用主動(dòng)執(zhí)行器對(duì)上、下安裝板之間的相對(duì)位置進(jìn)行主動(dòng)控制，隔振器參數(shù)可根據(jù)被隔振對(duì)象特點(diǎn)與工作環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同的工況，具有較好的靈活性、適應(yīng)性與穩(wěn)定性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之五。(6)本發(fā)明采用基于磁極交替永磁陣列的電渦流阻尼器，能夠很好地與隔振器集成于一體，電渦流阻尼器具有較理想的線性阻尼特性，可有效衰減振動(dòng)能量，減小電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位的超調(diào)，提供隔振器的穩(wěn)定性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之六。


圖1為拆除上安裝板后的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為軸向承載平面氣浮面、徑向承載圓柱氣浮面和X向?qū)к墯飧∶娴氖疽鈭D；圖4為Y向?qū)к墯飧∶婧蚙向承載氣浮面的示意圖；圖5為套筒結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器的控制結(jié)構(gòu)框圖；圖8為套筒上平面氣浮面節(jié)流孔的示意圖；圖9為活塞筒上圓柱氣浮面節(jié)流孔的示意圖；圖10為電渦流阻尼器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為Z向永磁體在套筒內(nèi)圓柱面?zhèn)缺谝环N安裝方式的A-A向剖視圖；圖12為Z向永磁體在套筒內(nèi)圓柱面?zhèn)缺诹硪环N安裝方式的A-A向剖視圖；圖13為X、Y向永磁體在套筒下表面?zhèn)缺诘囊环N安裝方式示意圖；圖14為X、Y向永磁體在套筒下表面?zhèn)缺诘牧硪环N安裝方式示意圖。圖中件號(hào)說(shuō)明1上安裝板、2下安裝板、3潔凈壓縮氣源、4隔振器主體、5活塞筒、6套筒、7滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承、7a軸承體、7b軸承座、8X向音圈電機(jī)、8a X向電機(jī)鐵軛、8b X向電機(jī)磁鋼、8c X向電機(jī)線圈骨架、8d X向電機(jī)線圈、9Y向音圈電機(jī)、IOZ向音圈電機(jī)、IOaZ向電機(jī)鐵軛、IOb Z向電機(jī)磁鋼、IOc Z向電機(jī)線圈骨架、IOd Z向電機(jī)線圈、IOe Z向電機(jī)過(guò)渡件、IlX向位移傳感器、Ila X向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件、lib X向光柵讀數(shù)頭、lie X向玻璃光柵尺、12Y向位移傳感器、13Z向位移傳感器、13a Z向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件、13b Z向光柵讀數(shù)頭、13c Z向玻璃光柵尺、14X向限位開關(guān)、14a X向限位塊、14b X向霍爾開關(guān)、14cX向限位開關(guān)過(guò)渡件、14dX向限位塊過(guò)渡件、15Y向限位開關(guān)、16Z向限位開關(guān)、16aZ向限位塊、16b Z 向霍爾開關(guān)、16c Z向限位開關(guān)過(guò)渡件、17氣體壓力傳感器、18電磁閥、19控制器、20驅(qū)動(dòng)器、21軸向承載平面氣浮面、22徑向承載圓柱氣浮面、23進(jìn)氣口、24平面氣浮面節(jié)流孔、25 圓柱氣浮面節(jié)流孔、26氣管、29X向氣浮導(dǎo)軌、30Y向氣浮導(dǎo)軌、31X向?qū)к墯飧∶妗?2Y向?qū)к墯飧∶妗?3Z向承載氣浮面、34氣浮板、40X向電渦流阻尼器、40A X向永磁體、41Y向電渦流阻尼器、41A Y向永磁體、42Z向電渦流阻尼器、42A Z向永磁體。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。
一種雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，由上安裝板1、下安裝板2、潔凈壓縮氣源3、氣管26和隔振器主體4組成，隔振器主體4安裝在上安裝板I與下安裝板2之間，潔凈壓縮氣源3通過(guò)氣管26與隔振器主體4連通，所述隔振器主體4的結(jié)構(gòu)中，套筒6的下表面與氣浮板34通過(guò)軸向承載平面氣浮面21潤(rùn)滑與支撐，活塞筒5倒扣安裝在套筒6內(nèi)，并與套筒6通過(guò)徑向承載圓柱氣浮面22潤(rùn)滑與支撐，滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承7安裝在活塞筒5和上安裝板I之間，X向氣浮導(dǎo)軌29的下表面與氣浮板34剛性連接，套筒6與X向氣浮導(dǎo)軌29通過(guò)X向?qū)к墯飧∶?1潤(rùn)滑與導(dǎo)向，Y向氣浮導(dǎo)軌30的下表面與下安裝板2剛性連接，氣浮板33與下安裝板2通過(guò)Z向承載氣浮面33潤(rùn)滑與支撐， 氣浮板34與Y向氣浮導(dǎo)軌30通過(guò)Y向?qū)к墯飧∶?2潤(rùn)滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機(jī)10、Z向位移傳感器13、Z向限位開關(guān)16、Z向電渦流阻尼器42安裝在活塞筒5與套筒6之間，X向音圈電機(jī)8、X向位移傳感器11、X向限位開關(guān)14、X向電渦流阻尼器40、Y向電渦流阻尼器 41安裝在套筒6與氣浮板34之間，Y向音圈電機(jī)9、Y向位移傳感器12、Υ向限位開關(guān)15安裝在氣浮板34與下安裝板2之間，Z向音圈電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，X向音圈電機(jī)8與Y向音圈電機(jī)9的驅(qū)動(dòng)力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，Χ、Υ、Ζ向位移傳感器11、12、 13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16的作用線方向與Χ、Υ、Ζ向音圈電機(jī)8、9、10的驅(qū)動(dòng)力方向一致，Χ、Υ、Ζ向電渦流阻尼器40、41、42的阻尼力方向分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10 的驅(qū)動(dòng)力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、 16分別與控制器19的信號(hào)輸入端連接，控制器19的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10連接。
所述X向電渦流阻尼器40由套筒6下表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機(jī)8驅(qū)動(dòng)力方向安裝的X向永磁體40Α構(gòu)成，Y向電渦流阻尼器41由套筒6下表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機(jī)9驅(qū)動(dòng)力方向安裝的Y向永磁體41Α構(gòu)成，Z向電渦流阻尼器42由套筒6內(nèi)圓柱面?zhèn)缺谘豘向音圈電機(jī)10驅(qū)動(dòng)力方向安裝的Z向永磁體42Α構(gòu)成，Χ、Υ、Ζ向永磁體40Α、41Α、42Α的磁極方向垂直于套筒6的表面,且N、S極交替布置,套筒6米用鐵磁材料,活塞筒5與氣浮板2 采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。
X、Y、Z向位移傳感器11、12、13對(duì)X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10輸出的位移進(jìn)行測(cè)量，Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16對(duì)X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10運(yùn)動(dòng)的行程進(jìn)行限制；控制器19根據(jù)X、Y、Z向位移傳感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16的反饋信號(hào)，控制X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10對(duì)上、下安裝板1、2之間的相對(duì)位置進(jìn)行精確控制。所述活塞筒5內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器17，活塞筒5上設(shè)有進(jìn)氣口 23和電磁閥18，氣體壓力傳感器17與控制器19的信號(hào)輸入端連接,控制器19的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器20的信號(hào)輸出端與電磁閥18連接。所述X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10為圓筒型音圈電機(jī)或平板型音圈電機(jī)。所述X向氣浮導(dǎo)軌29和Y向氣浮導(dǎo)軌30為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。所述Χ、Υ、Ζ向位移傳感器11、12、13為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。所述Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)14、15、16為機(jī)械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。所述活塞筒5內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa0所述軸向承載平面氣浮面21、徑向承載圓柱氣浮面22、X向?qū)к墯飧∶?1、Y向?qū)к墯飧∶?2和Z向承載氣浮面33的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。所述活塞筒5上的圓柱氣浮面節(jié)流孔25和套筒6上的平面氣浮面節(jié)流孔24的直徑為 Φ O.1mm Φ 1mm。下面結(jié)合圖1 圖5、圖7給出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，隔振器工作時(shí)，下安裝板2安裝在地基、儀器的基座或基礎(chǔ)框架上，上安裝板I與被隔振的負(fù)載連接。X、Y、Z向音圈電機(jī)8、9、10均采用圓筒型音圈電機(jī)。以X向音圈電機(jī)8為例，其主要包括X向電機(jī)鐵軛8a、X向電機(jī)磁鋼8b、X向電機(jī)線圈骨架8c、X向電機(jī)線圈8d。X向電機(jī)鐵軛8a和X向電機(jī)線圈骨架8c為圓筒形 ，X向電機(jī)磁鋼8b為圓柱形，X向電機(jī)線圈8d繞于X向電機(jī)線圈骨架8c上。X向電機(jī)鐵軛8a和X向電機(jī)磁鋼8b構(gòu)成電機(jī)的定子，X向電機(jī)線圈骨架8c和X向電機(jī)線圈8d構(gòu)成電機(jī)的動(dòng)子。Z向音圈電機(jī)10中，Z向電機(jī)過(guò)渡件IOe提供Z向電機(jī)線圈骨架IOc的安裝結(jié)構(gòu)。電機(jī)工作時(shí)線圈中通以電流，根據(jù)電磁理論，通電線圈在磁場(chǎng)中會(huì)受到音圈力作用，通過(guò)控制電流的大小和方向可以控制電機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力的大小和方向。X、Y、Z向位移傳感器11、12、13采用光柵尺。以Z向位移傳感器13為例，其主要包括Z向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件13a、Z向光柵讀數(shù)頭13b和Z向玻璃光柵尺13c等部件，Z向光柵讀數(shù)頭過(guò)渡件13a提供Z向光柵讀數(shù)頭13b的安裝結(jié)構(gòu)。光柵尺工作時(shí)，Z向光柵讀數(shù)頭13b能夠?qū)⑵渑cZ向玻璃光柵尺13c的相對(duì)位移檢測(cè)出來(lái)，并通過(guò)信號(hào)導(dǎo)線送給控制器19。X、Y、Z向限位開關(guān)14、15、16采用霍爾式限位開關(guān)。以Z向限位開關(guān)16為例，其主要包括Z向限位塊16a、Z向霍爾開關(guān)16b和Z向限位開關(guān)過(guò)渡件16c等部件。兩個(gè)Z向霍爾開關(guān)16b背靠背安裝,兩個(gè)Z向限位塊16a為金屬材料,與Z向霍爾開關(guān)16b的敏感端相對(duì)安裝。Z向限位開關(guān)過(guò)渡件16c提供Z向霍爾開關(guān)16b的安裝結(jié)構(gòu)。限位開關(guān)工作時(shí)，當(dāng)Z向霍爾開關(guān)16b接近Z向限位塊16a時(shí)，Z向霍爾開關(guān)16b給出限位信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)導(dǎo)線送給控制器19。本實(shí)施例中，Z向音圈電機(jī)10、Z向位移傳感器13和Z向限位開關(guān)16安裝在活塞筒5和套筒6之間，且均安裝在活塞筒5內(nèi)部。隔振器對(duì)負(fù)載的承載采用如下方式實(shí)現(xiàn)潔凈壓縮氣源3通過(guò)氣管26、經(jīng)電磁閥18、進(jìn)氣口 23向活塞筒5內(nèi)輸送潔凈壓縮空氣?？刂破?9根據(jù)氣體壓力傳感器17的反饋信號(hào)，控制電磁閥18的開度，調(diào)節(jié)輸入到活塞筒5內(nèi)的氣體流量，從而調(diào)節(jié)活塞筒5內(nèi)潔凈壓縮空氣的壓力，使?jié)崈魤嚎s空氣對(duì)活塞筒5向上的作用力與負(fù)載、活塞筒5及加載于活塞筒5上的其它零部件的重力相平衡，實(shí)現(xiàn)理想的重力補(bǔ)償與零剛度隔振效果。
本實(shí)施例中，活塞筒5內(nèi)潔凈壓縮空氣的壓力為O. 4Mpa，活塞筒5下表面的有效半徑為100mm，則單個(gè)隔振器承載的質(zhì)量為m = pX Ji r2/g ^ 1282kg，其中p為氣體壓力， P = O. 4Mpa, r為活塞筒5下表面的有效半徑，r = 100mm, g為重力加速度，g = 9. 8m/m2。
圖2給出滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承的一種實(shí)施方式。滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承7主要由軸承體7a和軸承座7b組成，軸承座7b上具有凹球面，和軸承體7a上的凸球面構(gòu)成滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副，采用液體或固體潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑，對(duì)上、下安裝板1、2之間的角運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行解耦。
圖6給出滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承的另一種實(shí)施方式。軸承座7b上具有凸球面，和軸承體7a 上的凹球面構(gòu)成滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)副，采用液體或固體潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑，對(duì)上、下安裝板1、2之間的角運(yùn)動(dòng)自由度進(jìn)行解耦。
圖8給出套筒上平面氣浮面節(jié)流孔的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，套筒6下表面圍繞圓心沿圓周方向均布8個(gè)平面氣浮面節(jié)流孔24，直徑為Φ0. 2mm。
圖9給出活塞筒上圓柱氣浮面節(jié)流孔的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，活塞筒5側(cè)壁上沿圓周方向均布兩排圓柱氣浮面節(jié)流孔25，每排圓柱氣浮面節(jié)流孔25的數(shù)量為8個(gè)，直徑為Φ0. 2_。
下面結(jié)合圖10、圖11給出Z向電渦流阻尼器的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，隔振器具有二個(gè)Z向電渦流阻尼器42，由安裝在套筒6內(nèi)圓柱面?zhèn)缺诘腪向永磁體42A陣列構(gòu)成， 套筒6采用45號(hào)鋼材料，具有較高的導(dǎo)磁率，活塞筒5采用紫銅材料，不導(dǎo)磁且具有高電導(dǎo)率。Z向永磁體42A為條形，沿Z向音圈電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)力方向、即套筒6的軸線方向布置， 磁極方向垂直于套筒6的內(nèi)圓柱面，且N、S極交替布置。當(dāng)套筒6與活塞筒5產(chǎn)生Z向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞筒5切割磁力線而產(chǎn)生電渦流和阻尼力，Z向阻尼力與套筒6與活塞筒5的 Z向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，方向與Z向音圈電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)力方向、即套筒6的軸線方向一致，達(dá)到消耗振動(dòng)能量，提高定位穩(wěn)定性的目的。
圖10、圖12給出 了 Z電渦流阻尼器的另一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，隔振器具有四個(gè)Z向電渦流阻尼器42，由安裝在套筒6內(nèi)圓柱面?zhèn)缺诘腪向永磁體42A陣列構(gòu)成。Z向永磁體42A為條形，沿Z向音圈電機(jī)10的驅(qū)動(dòng)力方向、即套筒6的軸線方向布置，磁極方向垂直于套筒6的內(nèi)圓柱面,且N、S極交替布置。
下面結(jié)合圖10、圖13給出X、Y向電渦流阻尼器的一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，隔振器具有兩個(gè)X向電渦流阻尼器40，兩個(gè)Y向電渦流阻尼器41，分別由安裝在套筒6下表面?zhèn)缺诘摩?、Υ向永磁體40Α、41Α陣列構(gòu)成，套筒6采用45號(hào)鋼材料，具有較高的導(dǎo)磁率，氣浮板34采用紫銅材料，不導(dǎo)磁且具有高電導(dǎo)率。X、Y向永磁體40Α、41Α為長(zhǎng)條形狀，分別沿 Χ、Υ向音圈電機(jī)8、9的驅(qū)動(dòng)力方向布置,磁極方向垂直于套筒6的下表面,且N、S極交替布置。當(dāng)套筒6與氣浮板34產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣浮板34切割磁力線而產(chǎn)生電渦流和阻尼力， X、Y向阻尼力與套筒6與氣浮板34在Χ、Υ向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，方向與Χ、Υ向音圈電機(jī)8、9的驅(qū)動(dòng)力方向一致，達(dá)到消耗振動(dòng)能量，提高定位穩(wěn)定性的目的。
圖10、圖14給出了 Χ、Υ向電渦流阻尼器的另一個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例中，隔振器具有一個(gè)X向電渦流阻尼器40，一個(gè)Y向電渦流阻尼器41，分別由安裝在套筒6下表面?zhèn)缺? 的X、Y向永磁體40A、41A陣列構(gòu)成。X、Y向永磁體40A、41A為長(zhǎng)條形狀，分別沿X、Y向音
圈電機(jī)8、9的驅(qū)動(dòng)力方向布置,磁極方向垂直于套筒6的下表面,且N、S極交替布置。
權(quán)利要求
1.一種雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，由上安裝板 (I)、下安裝板(2)、潔凈壓縮氣源(3)、氣管(26)和隔振器主體(4)組成，隔振器主體(4) 安裝在上安裝板(I)與下安裝板(2)之間，潔凈壓縮氣源(3)通過(guò)氣管(26)與隔振器主體(4)連接，其特征在于所述隔振器主體(4)的結(jié)構(gòu)中，套筒(6)的下表面與氣浮板(34) 通過(guò)軸向承載平面氣浮面(21)潤(rùn)滑與支撐，活塞筒(5)倒扣安裝在套筒￠)內(nèi)，并與套筒 (6)通過(guò)徑向承載圓柱氣浮面(22)潤(rùn)滑與支撐，滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承(7)安裝在活塞筒(5)和上安裝板(I)之間，X向氣浮導(dǎo)軌(29)的下表面與氣浮板(34)剛性連接，套筒(6)與X向氣浮導(dǎo)軌(29)通過(guò)X向?qū)к墯飧∶?31)潤(rùn)滑與導(dǎo)向，Y向氣浮導(dǎo)軌(30)的下表面與下安裝板(2)剛性連接，氣浮板(34)與下安裝板(2)通過(guò)Z向承載氣浮面(33)潤(rùn)滑與支撐，氣浮板(34)與Y向氣浮導(dǎo)軌(30)通過(guò)Y向?qū)к墯飧∶?32)潤(rùn)滑與導(dǎo)向；Z向音圈電機(jī)(10)、Z 向位移傳感器(13)、Z向限位開關(guān)(16)、Z向電渦流阻尼器(42)安裝在活塞筒(5)與套筒(6)之間，X向音圈電機(jī)(8)、X向位移傳感器(11)、X向限位開關(guān)(14)、X向電渦流阻尼器 (40)、Y向電渦流阻尼器(41)安裝在套筒(6)與氣浮板(34)之間，Y向音圈電機(jī)(9)、Υ向位移傳感器(12)、Υ向限位開關(guān)(15)安裝在氣浮板(34)與下安裝板(2)之間；Ζ向音圈電機(jī)(10)的驅(qū)動(dòng)力方向?yàn)樨Q直方向，X向音圈電機(jī)⑶與Y向音圈電機(jī)(9)的驅(qū)動(dòng)力方向在水平面內(nèi)且相互垂直，Χ、Υ、Ζ向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)(14、15、16) 的作用線方向與X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)的驅(qū)動(dòng)力方向一致，X、Y、Z向電渦流阻尼器 (40、41、42)的阻尼力方向分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)的驅(qū)動(dòng)力方向一致；X、Y、Z 向位移傳感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位開關(guān)(14、15、16)分別與控制器(19)的信號(hào)輸入端連接，控制器(19)的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸出端分別與X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述X向電渦流阻尼器(40)由套筒(6)下表面?zhèn)缺谘豖向音圈電機(jī) ⑶驅(qū)動(dòng)力方向安裝的X向永磁體(40Α)構(gòu)成，Y向電渦流阻尼器(41)由套筒(6)下表面?zhèn)缺谘豗向音圈電機(jī)(9)驅(qū)動(dòng)力方向安裝的Y向永磁體(41Α)構(gòu)成，Z向電渦流阻尼器(42) 由套筒(6)內(nèi)圓柱面?zhèn)缺谘豘向音圈電機(jī)(10)驅(qū)動(dòng)力方向安裝的Z向永磁體(42Α)構(gòu)成， Χ、Υ、Ζ向永磁體(40Α、41Α、42Α)的磁極方向垂直于套筒(6)的表面，且N、S極交替布置，套筒(6)采用鐵磁材料，活塞筒(5)與氣浮板(34)采用不導(dǎo)磁的良導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)內(nèi)設(shè)有氣體壓力傳感器(17)，活塞筒(5)上設(shè)有進(jìn)氣口(23)和電磁閥(18)，氣體壓力傳感器(17)與控制器(19)的信號(hào)輸入端連接，控制器 (19)的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸入端連接,驅(qū)動(dòng)器(20)的信號(hào)輸出端與電磁閥(18)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向音圈電機(jī)(8、9、10)為圓筒型音圈電機(jī)或平板型音圈電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述X向氣浮導(dǎo)軌(29)和Y向氣浮導(dǎo)軌(30)為單導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)或雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述Χ、γ、ζ向位移傳感器(11、12、13)為光柵尺、磁柵尺、容柵尺或直線式電位器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向限位開關(guān)(14、15、16)為機(jī)械式限位開關(guān)、霍爾式限位開關(guān)或光電式限位開關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)內(nèi)氣體壓力為O.1MPa O. 8MPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述軸向承載平面氣浮面(21)、徑向承載圓柱氣浮面(22)、X向?qū)к墯飧∶?31)、Y向?qū)к墯飧∶?32)和Z向承載氣浮面(33)的氣膜厚度為10 μ m 20 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)上的圓柱氣浮面節(jié)流孔(25)和套筒(6)上的平面氣浮面節(jié)流孔(24)的直徑為Φ0.1mm Φ 1mm。
全文摘要
雙層氣浮正交解耦與滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承角度解耦的電渦流阻尼隔振器屬于精密隔振技術(shù)領(lǐng)域，隔振器主體的套筒與氣浮板、氣浮板與下安裝板、活塞筒與套筒之間通過(guò)氣浮面進(jìn)行潤(rùn)滑與支撐，套筒與氣浮板之間通過(guò)電渦流阻尼器衰減振動(dòng)能量、提高穩(wěn)定性，上、下安裝板之間的水平直線運(yùn)動(dòng)自由度通過(guò)雙層正交氣浮導(dǎo)軌進(jìn)行解耦，角運(yùn)動(dòng)自由度通過(guò)滑動(dòng)關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行解耦，音圈電機(jī)、位移傳感器、限位開關(guān)和控制器、驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成位置閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對(duì)上、下安裝板的相對(duì)位置進(jìn)行精確控制；本發(fā)明具有三維零剛度、高定位精度、直線運(yùn)動(dòng)自由度和角運(yùn)動(dòng)自由度解耦的特性，可有效解決超精密測(cè)量?jī)x器與加工裝備、尤其是步進(jìn)掃描光刻機(jī)中的高性能隔振問(wèn)題。
文檔編號(hào)F16C32/06GK103047357SQ20121057523
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者崔俊寧, 譚久彬, 王雷 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)