基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺的製作方法

2023-07-03 00:21:56

專利名稱：基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於超精密測量與超精密加工裝備，主要涉及一種基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺。
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的平臺是進行精密測量和大規模集成電路製造的基本保證。高質量水平姿態氣浮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，並且會直接影響氣浮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製造設備的精度等級的提高，環境振動對儀器設備的影響越來越大。氣浮隔振平臺作為新興的隔振設備也隨著精密儀器製造業的發展而發展。而氣浮隔振平臺的水平姿態則直接影響到其上面所放儀器和裝備的精度，因此氣浮隔振平臺姿態的穩定在精密儀器製造和科研中顯得格外重要。特別是對於我國科研單位和企業，隨著超大規模集成電路製造業的高速發展以及對測量精度和測量穩定性要求的不斷提高，作為基礎的隔振平臺的穩定性也受到了更加嚴峻的考驗。隨著超精密儀器及系統對工作環境要求的提高，傳統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檯與基座之間，阻尼器件具有一個電執行器，執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於1)工作檯不具備姿態調整功能；2)位置傳感器反饋信號為相對量，沒有絕對零位基準，無法對工作檯位置精確定位。為了實現隔振臺臺體姿態調整功能，中國計量學院提出了一種隔振平臺氣動姿態調整方案(隔振地基精密調平系統。專利公開號CN 101353897A)。該方案採用兩級隔振平臺，精密光學隔振平臺放置於隔振地基上，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的目的。該方案存在的問題在於1)已公開技術方案中，隔振平臺無法實現精確定位；2)通過對空氣彈簧充放氣調整隔振平臺姿態，系統響應速度慢。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，上層採用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質心，提高了隔振效率。該方案的問題在於，僅採用被動隔振方式，無法隔離低頻振動信號。重慶師範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)。該方案採用兩層隔振結構，第一層被動隔振器由空氣彈簧與磁流變體並聯構成，第二層隔振器由空氣彈簧與微作動器並聯構成，兩層結構串聯布置，該方案提高了隔振裝置對低頻信號的隔振性能。該方案的問題在於，隔振平臺不具備姿態調整功能。現有發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。氣浮隔振平臺臺體水平姿態的檢測方案有多種，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，測量臺體各自由度位移變化。氣浮隔振平臺臺體的位移測量需採用光學非接觸式測量方法，否則傳感器將會給隔振系統附加剛度和阻尼，破壞氣浮隔振平臺固有頻率，降低隔振性能。傳統非接觸式光學測量位移的方法種類有基於CCD圖像檢測、基於雷射的鑑頻和鑑幅測量等。由於平臺臺體是六個自由度上的位移變化，各自由度之間相互幹涉，基於圖像的測量方法無法實現；而基於雷射檢測的方法又受雷射自身漂移的影響很難實現高精度的測量。但是，對氣浮隔振平臺隔振性能要求的不斷提高，對臺體姿態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、隔振性能優異、達到VC-F級別以上的大型或超大型氣浮隔振平臺是目前國內外超精密測量和加工製造設備迫切需求的隔/減振設備。

發明內容
本發明的目的就是針對上述現有技術存在的問題，結合實際需求，設計提供一種基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，達到提高雷射束零位基準的穩定性、實現參考光束校準、提高平臺隔振性能的目的。本發明的技術解決方案是基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，所述的氣浮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檯構成，隔振器工作檯安裝在隔振器基座內，隔振器支架配置在隔振器基座外側部上，在各個隔振器與氣浮隔振平臺臺體之間配置垂向位移執行器和水平位移執行器，所述的垂向位移執行器採用垂向放置的旋轉型音圈電機，垂向位移執行器的旋轉型音圈電機動子與氣浮隔振平臺臺體固連，垂向位移執行器的旋轉型音圈電機定子配置在隔振器支座上，所述的水平位移執行器採用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執行器的旋轉型音圈電機動子與氣浮隔振平臺臺體固連，水平位移執行器的旋轉型音圈電機定子配置在隔振器支座上；測量氣浮隔振平臺臺體六自由度姿態的雷射位置測量光路由He-Ne雷射器、雷射自準直系統、零位基準裝置、臺體姿態光電檢測器、臺體姿態分光稜鏡構成，其中臺體姿態光電檢測器、臺體姿態分光稜鏡固裝在氣浮隔振平臺臺體下側部上，所述的臺體姿態分光稜鏡包括第一分光稜鏡、第二分光稜鏡、第三分光稜鏡和第四分光稜鏡，且第一分光稜鏡位於雷射自準直系統的後側透射雷射光路上，第二分光稜鏡和第三分光稜鏡分別位於第一分光稜鏡的透射和反射光路上，第四分光稜鏡位於第三分光稜鏡的反射光路上；所述的臺體姿態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於第二分光稜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於第四分光稜鏡的透射和反射光路上；所述的雷射自準直系統由雷射擴束準直系統、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稜鏡構成，其中光束調整機構位於雷射擴束準直系統和平漂與角漂檢測分光稜鏡之間，凸透鏡位於平漂與角漂檢測分光稜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稜鏡、楔角稜鏡；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於O. 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，並位於雷射自準直系統的下側折射光路上；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垂直，且接收面中心與對應光束中心重合。所述的臺體姿態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和矽光電池。所述的被動減振器採用氣磁結構，且被動減振器為零剛度減振器。所述的垂向位移執行器採用垂向放置的旋轉型音圈電機，垂向位移執行器的旋轉型音圈電機動子與氣浮隔振平臺臺體固連，垂向位移執行器的旋轉型音圈電機定子配置在隔振器支座上；水平位移執行器採用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執行器的旋轉型音圈電機動子與氣浮隔振平臺臺體固連，水平位移執行器的旋轉型音圈電機定子配置在隔振器支座上。本發明的技術創新性及產生的良好效果在於I)該裝置零位基準裝置採用被動減振器支撐，被動減振器固有頻率低於O. 5Hz,可有效隔離地面的振動對參考光束檢測的影響，大大提高了雷射束零位基準的穩定性，這是本發明的創新點和突出優點之一。2)本發明採用兩個光電檢測器分別檢測參考光束的平漂和角漂，並用一對可調整相對位置間距和角度的楔角稜鏡實時消減參考光束的平漂和角漂，實現參考光束校準；採用光電檢測器和分光稜鏡實現平臺六自由度姿態監測，並由垂向位移執行器和水平位移執行器分別實現隔/減振平臺垂直方向和水平姿態運動高精度控制，提高了平臺隔振性能，這是本發明的創新點和突出優點之二。


圖1是基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺三維結構示意圖；圖2是基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺的結構示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4是雷射自準直系統結構示意圖；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是雷射光束平漂與角漂檢測原理示意圖；圖8是隔振器與垂直位移執行器、水平位移執行器裝配結構示意圖。圖中件號=1-He-Ne雷射器；2_雷射自準直系統；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-隔振器工作檯；5-基座；6_氣浮隔振平臺臺體；7_臺體姿態光電檢測器；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_垂向位移執行器；8a_旋轉型音圈電機動子；8b_旋轉型音圈電機定子；9_水平位移執行器；9a_旋轉型音圈電機動子；9b_旋轉型音圈電機定子；10_臺體姿態分光稜鏡；10a_第一分光稜鏡；10b-第二分光稜鏡；10c-第三分光稜鏡；IOd-第四分光稜鏡；11_雷射擴束準直系統；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-楔角稜鏡A ；14b-楔角稜鏡B ;15_平漂與角漂檢測分光稜鏡。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施方案作進一步詳細說明基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，所述的氣浮隔振平臺臺體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和隔振器工作檯4c構成，隔振器工作檯4c安裝在隔振器基座4a內，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與氣浮隔振平臺臺體6之間配置垂向位移執行器8和水平位移執行器9，所述的垂向位移執行器8採用垂向放置的旋轉型音圈電機，垂向位移執行器8的旋轉型音圈電機動子8a與氣浮隔振平臺臺體6固連，垂向位移執行器8的旋轉型音圈電機定子Sb配置在隔振器支座4b上，所述的水平位移執行器9採用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執行器9的旋轉型音圈電機動子9a與氣浮隔振平臺臺體6固連，水平位移執行器9的旋轉型音圈電機定子9b配置在隔振器支座4b上；測量氣浮隔振平臺臺體6六自由度姿態的雷射位置測量光路由He-Ne雷射器1、雷射自準直系統2、零位基準裝置3、臺體姿態光電檢測器7、臺體姿態分光稜鏡10構成，其中臺體姿態光電檢測器7、臺體姿態分光稜鏡10固裝在氣浮隔振平臺臺體6下側部上，所述的臺體姿態分光稜鏡10包括第一分光稜鏡10a、第二分光稜鏡10b、第三分光稜鏡IOc和第四分光稜鏡IOd,且第一分光稜鏡IOa位於雷射自準直系統2的後側透射雷射光路上，第二分光稜鏡IOb和第三分光稜鏡IOc分別位於第一分光稜鏡IOa的透射和反射光路上，第四分光稜鏡IOd位於第三分光稜鏡IOc的反射光路上；所述的臺體姿態光電檢測器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分別位於第二分光稜鏡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分別位於第四分光稜鏡IOd的透射和反射光路上；所述的雷射自準直系統2由雷射擴束準直系統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稜鏡15構成，其中光束調整機構14位於雷射擴束準直系統11和平漂與角漂檢測分光稜鏡15之間，凸透鏡12位於平漂與角漂檢測分光稜鏡15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稜鏡A14a、楔角稜鏡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和固有頻率低於O. 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，並位於雷射自準直系統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垂直，且接收面中心與對應光束中心重合。
所述的臺體姿態光電檢測器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和矽光電池。所述的被動減振器3b採用氣磁結構，且被動減振器3b為零剛度減振器。所述的垂向位移執行器8採用垂向放置的旋轉型音圈電機，垂向位移執行器8的旋轉型音圈電機動子8a與氣浮隔振平臺臺體6固連，垂向位移執行器8的旋轉型音圈電機定子Sb配置在隔振器支座4b上；所述的水平位移執行器9採用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執行器9的旋轉型音圈電機動子9a與氣浮隔振平臺臺體6固連，水平位移執行器9的旋轉型音圈電機定子9b配置在隔振器支座4b上。本發明的工作流程如下臺體姿態由雷射位置測量光路測量，雷射器I發出的一束源雷射首先通過雷射自準直系統2，由平漂與角漂檢測分光稜鏡15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，最後通過光束調整機構14實時調整其平漂和角漂。平漂與角漂檢測光電檢測器13有效隔離大於O. 5Hz的振動對參考光束檢測的影響，實現零位基準裝置3與臺體和大地隔離，作為氣浮隔振平臺臺體6六個自由度的位置絕對零位基準。光束再經臺體姿態分光稜鏡10分出四路光束，最終由臺體姿態光電檢測器7接收，由此實現臺體姿態的六個自由度的位置檢測，經過解算後再通過垂向位移執行器8和水平位移執行器9實現臺體姿態六自由度實時調整控制。由於雷射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，並均由光束調整機構14抑制。光束調整機構14通過調整兩個楔角稜鏡的角度和相對位置間距，抑制光束的角漂和平漂。確定參考光束之後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，並把剩下的10個值取平均值分別與各自的初值作比較，經過處理就可以得到氣浮隔振平臺臺體6在地面振動影響下的姿態變化。控制系統根據該測量值控制垂向位移執行器8和水平位移執行器9六自由度調整臺體姿態誤差，使氣浮隔振平臺臺體處於相對穩定狀態，從而使氣浮隔振平臺具有較小的振動傳遞率，實現隔/減振。
權利要求
1.基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，其特徵在於氣浮隔振平臺臺體(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)和隔振器工作檯(4c)構成，隔振器工作檯(4c)安裝在隔振器基座(4a)內，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)與氣浮隔振平臺臺體(6)之間配置垂向位移執行器(8)和水平位移執行器(9)，所述的垂向位移執行器(8)採用垂向放置的旋轉型音圈電機，垂向位移執行器(8)的旋轉型音圈電機動子(8a)與氣浮隔振平臺臺體(6)固連，垂向位移執行器(8)的旋轉型音圈電機定子(8b)配置在隔振器支座(4b)上，所述的水平位移執行器(9)採用水平放置的旋轉型音圈電機，水平位移執行器(9)的旋轉型音圈電機動子(9a)與氣浮隔振平臺臺體(6)固連，水平位移執行器(9)的旋轉型音圈電機定子(9b)配置在隔振器支座(4b)上；測量氣浮隔振平臺臺體(6)六自由度姿態的雷射位置測量光路由He-Ne雷射器(I)、雷射自準直系統(2)、零位基準裝置(3)、臺體姿態光電檢測器(7)、臺體姿態分光稜鏡(10)構成，其中臺體姿態光電檢測器(7)、臺體姿態分光稜鏡(10)固裝在氣浮隔振平臺臺體(6)下側部上，所述的臺體姿態分光稜鏡(10)包括第一分光稜鏡(10a)、第二分光稜鏡(10b)、第三分光稜鏡(IOc)和第四分光稜鏡(IOd),且第一分光稜鏡(IOa)位於雷射自準直系統(2)的後側透射雷射光路上，第二分光稜鏡(IOb)和第三分光稜鏡(IOc)分別位於第一分光稜鏡(IOa)的透射和反射光路上,第四分光稜鏡(IOd)位於第三分光稜鏡(IOc)的反射光路上；所述的臺體姿態光電檢測器(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)分別位於第二分光稜鏡(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)分別位於第四分光稜鏡(IOd)的透射和反射光路上；所述的雷射自準直系統(2)由雷射擴束準直系統(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稜鏡(15)構成，其中光束調整機構(14)位於雷射擴束準直系統(11)和平漂與角漂檢測分光稜鏡(15)之間，凸透鏡(12)位於平漂與角漂檢測分光稜鏡(15)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稜鏡A(14a)、楔角稜鏡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)和固有頻率低於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，並位於雷射自準直系統(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垂直，且接收面中心與對應光束中心重合。
2.根據權利要求1所述的基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，其特徵在於所述的臺體姿態光電檢測器(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和矽光電池。
3.根據權利要求1所述的基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，其特徵在於所述的被動減振器(3b)採用氣磁結構，且被動減振器(3b)為零剛度減振器。
4.根據權利要求1所述的基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺，其特徵在於所述的垂向位移執行器(8)採用垂向放置的旋轉型音圈電機，垂向位移執行器(8)的旋轉型音圈電機動子(8a)與氣浮隔振平臺臺體(6)固連，垂向位移執行器(8)的旋轉型音圈電機定子(8b)配置在隔振器支座(4b)上；所述的水平位移執行器(9)採用水平放置 的旋轉型音圈電機，水平位移執行器(9)的旋轉型音圈電機動子(9a)與氣浮隔振平臺臺體(6)固連，水平位移執行器(9)的旋轉型音圈電機定子(9b)配置在隔振器支座(4b)上。
全文摘要
基於氣磁零位基準和雷射自準直測量的氣浮隔振平臺屬於超精密測量與超精密加工裝備，該裝置採用3個或3個以上靜壓氣浮結構的隔振器支撐氣浮隔振平臺臺體及其負載，採用分光稜鏡和光電檢測器實現平臺六自由度姿態監測，並在隔振器與臺體之間垂向、水平位移執行器，實現臺體六自由度姿態調整；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，提高了雷射束零位基準的穩定性；採用光電檢測器檢測參考光束的平漂和角漂，並用一對可調整相對位置間距和角度的楔角稜鏡實時調整參考光束的平漂和角漂，實現參考光束校準，可顯著提高平臺隔振性能。
文檔編號F16M11/18GK103075618SQ20121057405
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者譚久彬, 聞榮偉, 王雷, 趙勃 申請人:哈爾濱工業大學