一种用于精密制造机械振动控制的主动气垫减振器的新型三重驱动机构：实验工作
Hyung-Tae Kim,Cheol-Ho Kim,Seung-Bok Choi,Seok-Jun Moon,Won-Gil Song
摘要：为了在无尘室中进行振动控制和隔离，我们提出了一种新型的空气支架，其由气动，电磁（ME）和磁流变（MR）驱动器组成。气动减振器安装在半导体制造机器下方以减少由多余的振动引起的不利影响。所提出的机构将力集中在三个驱动器的并联连接中。MR部件设计成在安装EM部件的空气弹簧中操作。控制逻辑是用经典方法和开关模式开发的，以避免所产生的力之间的操作失配。基于扩展的微处理器，安装了便携式嵌入式控制器，以执行非线性逻辑和与外设的数字通信。气动力持续地支撑上部结构的重量并保持气动减振器的水平。MR阻尼器处理瞬态响应，而EM控制器减小谐振响应，其与阈值相互切换。振动由具有亚微米分辨率的激光位移传感器检测。三吨负载重量的冲击试验结果表明，通过提出的三重驱动机构可以减少导致半导体制造机的精确运动的瞬态响应以及空气悬架中的共振，其展示了实际的可行性。
关键词：振动控制，磁流变阻尼器，电磁驱动器，气垫减振器，气动传动装置
1 绪论
在洁净室中制造机器应该执行微小的过程；因此，需要建立微结构。具有数百个复杂的模式的小振动影响最终制造的产品的质量。Revin，Gornden和Ungar审查了这些环境的振动标准。已经提出了用于处理精确设备的一些既定标准。目前，美国仪器协会（ISA），国家标准和技术研究所（NIST），Beranek和Newman（BBN），Justervesenet（JV）和主要标准实验室提供相关行业的代表性标准。这些标准广泛应用于制造，微电子，激光和光学研究。影响的频率范围低于100Hz，并且幅度被限制在标准中的亚微米水平以下。标准被定义用于放置精确设备的地板，并且它们展示出了在精密制造领域（例如半导体制造）中振动如何重要。
工业空气弹簧是制造半导体和平板显示器时用于隔离振动的常用部件。防振系统由多个支撑机器下平板的空气弹簧组成。除了由机械振动发生的长振动之外，该系统能有效隔离地板振动。由于表面板的重量和空气弹簧的低刚度，防振系统的固有频率引起了振动。因此，附加的控制方案对于最大化减小系统中机器振动的影响是必要的。气动控制是许多主动的振动隔离方法中最常见的。通过根据表面板的振动调节空气管线上的阀来控制空气弹簧的气流。气动控制可以产生大量的动力，但由于机器振动，它具有一段很长的稳定时间。电磁（EM）装置可以用于控制振动的替代方案。EM力容易由电信号产生，
其在传输线中占据的体积小。然而，对于EM装置来说，需要大量的电线圈用来控制制造机器的振动。机械弹簧可以与EM力相关联，而地板振动可以通过机械弹簧的实心部分传递。磁流变（MR）流体是振动控制的另一种选择。当MR流体周围不同的磁场被驱动时，可以控制阻尼力。MR流体可用于空气弹簧。MR力大于电磁力，但它呈现非线性特性。 MR力通过阻尼机构吸收振动，所以不会产生主动运动。因此，MR阻尼器通常被称为半有源器件，需要非线性控制。压电装置可以产生大的力并且快速响应。然而，控制范围在100mu;m以下，该器件具有非线性特性。
独立单元中，用于主动振动控制的驱动部件被称为主动空气支架。空气支架必须满足地板振动的振动标准，并且还应能迅速吸收机器振动。我们已经开发了基于气动和EM力的安装在空气洁净室的精密机器。气动减振器是一种主动空气弹簧，其中EM驱动器存在于气动系统内。之前研究表明，可以减少谐振和稳定时间。然而，还已证实，由于EM力的极限，使用这两个驱动器不能减小瞬态响应。为了解决这个限制，在这项研究中，引入了一种具有一体化系统的新型三驱动机构，以同时产生三个力。这是这项研究工作的主要技术贡献。实验表明，提出的机制可以有效地减少瞬态响应和最大化减小长振荡。诸如位移的实验结果在时域和频域两者中呈现，以便提出所提出的新的振动控制机制的一些益处，其可以在诸如用于制造半导体的那些精密制造机器中使用。
2 三重驱动机构设计
2.1 机构的配置
气动控制可产生高功率，双向主动运动和大位移。拥有优异的地板振动能力，但是由于气动传动装置的重量重和低刚度导致的低固有频率，吸收机器振动具有谐振问题。在半导体制造机中，防振系统的固有频率通常形成为低于10Hz。本研究中的气动控制旨在保持空气支架中的参考水平。 EM控制器可以在没有机械接触的情况下产生双向主动运动和快速响应，但由于有效功率和工作位移小，可以应用EM控制来消除小的振动。瞬时响应可以在机器启动之后发生，由MR控制器吸收。MR控制器具有围绕与阻尼系数相关的零点的死区，但是其不产生主动运动。当施加外力或振动时，MR力可以通过增加阻尼系数来保持当前位置，因此使用MR控制器来吸收大的振动。图1显示出了具有并联的空气弹簧，MR阻尼器和EM驱动器的所提出的机构构造。装置必须在有限的空间中构造，因此MR阻尼器被放置在空气弹簧中，并且EM驱动器被附接在空气弹簧周围。与平板接触的上板浮在空气弹簧上。上板的中心连接到浸没在MR流体中的柱塞。永磁体连接到上板的边缘，并且线圈在连接到地面的芯上布线。EM力可以在永磁体的上极和线圈的下极之间形成。因此，可以通过关联这三个驱动力来有效地减小机器振动的不同特性。
2.2 MR阻尼器
用于车辆悬架的MR阻尼器由于内部机构中的固体摩擦而不能用于隔离地板振动。因此，当它们用于精密设备时，必须去除MR阻尼器中的机械接触。图2显示了MR阻尼器的内部结构及其内部安装。空气弹簧中的空间紧凑，并且MR阻尼器中的部件数量被最小化。MR容器填充有MR流体，并且在运动部件插入之后在顶部上用橡胶密封。运动部件连接到上板，其接收机器振动并通过改变电流
（磁场强度）产生阻尼力。在运动部件中的芯周围的线圈漂浮在MR流体中并且应当与容器的壁保持小的间隙。间隙的大小可以控制MR流体的流动，并可以作为孔口。当电流被驱动到线圈时，在间隙中形成磁场，并且MR流体的表观粘度变化。间隙中的剪切力快速增加，因此可以精确地调节阻尼。所以，来自平台的振动通过柱塞传递到芯部，并且可以通过改变驱动电流来吸收。我们的测试模型设计为具有plusmn;5 mm的最大位移，120N阻尼力和3Hz目标频率。输入电流阻尼力的曲线如图3所示。该曲线是在目标频率plusmn;4 mm的激励试验中获得的。如果间隙保持恒定，位移对剪切力没有太大影响。使用测力传感器测量力，并且使用线性可变差动变压器（LVDT）测量位移。在零电流条件下检测初始阻尼力，并且测量作为电流函数的阻尼力。图3清楚地显示出阻尼力作为二次多项式函数增加。最大电流为plusmn;1.2A，相应的阻尼力分别为118.5N和-138.1N。二阶多项式是良好拟合的，因为正输入的R2 = 0.9996，负输入的R2 = 9978。如果考虑LVDT的偏移，则由最大电流产生的阻尼力为118.9N和-127.0N。MR阻尼器可以消除大的振动，但是它具有由于零电流输入周围的机械摩擦和非线性因素导致的小振动的问题。
2.3 EM驱动器
一对线圈布线在U形磁芯的两侧。一对极附接在永磁体的两侧上。永磁体附接到上板，并且线圈附接到安装框架。上侧的磁体的磁极和下侧的磁体的磁极在它们之间具有间隙地彼此面对。当电流被驱动到线圈以给予磁极相反的磁极性时，EM场形成在上极点和下极点之间的间隙中。通过改变驱动电流的符号使EM力是双向的。当在控制器上触发机器振动时，测量空气支架的运动。控制器产生驱动电流，并且振动可以被主动的双向EM力吸收。图4示出了EM部件和磁通路径的示意图。四对线圈和永磁体布置在空气弹簧周围。这个模型是用有限元方法磁性（FEMM）4.2设计和模拟的，如图5所示。最佳条件在芯材料，驱动电流，形状和最大力中找到。 EM力以小振动为目标，因此可以在静态状态下模拟。模拟结果表明，在最大电流plusmn;3A的情况下，一组电磁体可以产生-5.1N和60.3N的力。在模拟之后获得的固定位移为3mm的时间常数约为3ms。四组电磁体应用于气垫减振器，因为必须考虑驱动力的轴向对称性。
3气垫减振器和性能测试
3.1 机械系统
用于控制不需要的振动的所提出的气垫减振器由基架，石面板，四组空气支架，空气供应（SP），主调节器，三个子室（SR），四个激光传感器（LS） ，四个节流阀（TV）和八个流量控制阀（FV）。四个气垫减振器安装在基架上，并放置在基架的角上以支撑石头表面。空气管路在通过气动系统之后连接到空气支架。石面板为2.0mtimes;2.0mtimes;0.25m，重量为3吨。当空气压力通过调节阀时，调节空气压力的流量。被调节的空气被分配到每个振动控制装置。一对流量控制阀将空气供应到空气弹簧并将空气从空气弹簧释放到大气中。端口由来自控制器的数字信号打开和关闭。节流阀连接在流量控制阀之间，以设定每个空气弹簧中的空气流量。流量控制值之一用于空气充量，另一个用于空气喷射。控制器监测空气支架中的参考水平并确定端口的打开和关闭。图6显示了气动阀的连接。供应压力6.0〜8.0巴；调节空气压力为3.5〜5.0巴，空气消耗为4.41 min-1。
3.2 控制系统
使用四个激光传感器（微型ε ILD-2200-10）检测振动。激光传感器测量传感器头与平板之间的间隙，分辨率为0.1mu;m，范围为5mm。通过移动传感器夹具并将其固定在基于传感器的最小和最大间隙的指定位置来调整初始间隙。测量的间隙通过RS-422端口以10 kHz的速率传输到嵌入式控制器。与传感器和控制器的距离至少为1.5 m，并暴露在高电流环境中。因此，应用RS-422和控制器局域网（CAN）通信以最小化噪声的影响。便携式嵌入式控制器基于PCI扩展仪器（PXI）总线实现。该PXI控制器通过基于PC的系统构成，该系统由16位模数（AD），16位数模转换器（DA），数字输入和输出（DIO）和RS-422和CAN端口（NI PXI-8108, 6250,6733,8434和8512）。气动阀和MR阻尼器的控制输出由CAN传输到远程解码器。CAN协议传送气动阀的打开时间和MR阻尼器的力的大小。 MR阻尼器的驱动器由主中央处理单元（CPU）板，前板和放大器（AMP）板组成。 CPU板解释协议，处理内部逻辑，并计算输出。驱动MR阻尼器所需的高电流由AMP板产生。 CPU板基于C320F28335数字信号处理（DSP），AMP板基于STM32F103设计。前面板与操作员连接，通过功能键盘接收内部参数。这些板连接到具有可扩展通道的母板。 MR驱动器中的协议是双向125 Kbit sec -1 CAN。内部逻辑存储在128 KB Flash只读存储器（ROM）中，变量分配给20 KB静态随机存取存储器（SRAM）。驱动器使用光耦隔离，以保护电路板，防止外部噪声。
气动部件的解码器转换脉冲宽度调制（PWM）模式，这些模式被传送以激活阀门中的电磁阀。DA信号被传送到外部双极AMP。AMP的电流根据DA信号产生EM力。图7显示了控制单元之间的信号连接图。所提出的设备与三个独立的部分相关联，因此重要的是分配控制定时以避免设备之间的操作失配。第一控制规则是气动控制旨在保持在无声状态下测量的参考水平并且总是被激活。其次，EM和MR由速度阈值切换。当速度大于阈值时，MR阻尼器被激活。当速度变得小于阈值时，EM驱动器被激活。这些规则总结在图8中。比例（P）控制应用于MR控制器，而比例微分（PD）控制应用于EM和气动控制。
3.3 冲击试验
执行冲击测试测量空气底座的响应。用冲击锤在表面板拐角处施加冲击。加速度计（PCB3713D1FD3G）放置在表面板的角落附近，以检查冲击触发器。通过加速度测量的脉冲响应可以包括固体振动，并且结果可能失真；加速度计在10Hz以下的低频信号下较弱。当冲击传递到石材表面板时，可能发生高频固体振动。因此，加速度计仅用于检测触发。来自激光传感器的值每20 ms记录在PXI控制器中。在静音状态下获取参考电平。气动控制在测试期间总是激活。当脉冲被检测为触发信号时，EM和MR控制器被交替地激活。在气动控制，气动加EM和综合模式的情况下重复冲击试验。
4 结果和讨论
图9显示出了由位移表示的脉冲响应，其使用激光传感器测量。水平轴是时间（秒），垂直轴是位移（um）。开环控制在非振动状态下显示噪声形状的响应，但是在激活空气安装之后，响应稳定。瞬态响应中的振荡是开环控制中最大和最不可预测的。纯气动控制稳定了冲击响应，但振荡小。附加EM控制减小了小振动，但第一个峰值与纯气动控制几乎相同。然而，我们清楚地看到，通过施加额外的MR阻尼力减小了瞬态响应的第一峰值。因此，气动控制稳定了稳态响应，EM控制缩短了稳态前的小振动，并且MR控制器降低了振动的幅度。这是所提出的三驱动机构的显著优点。已经确定在EM控制之前的稳定时间是2.4s，并且在EM控制之后它降低到1.2s。此外，我们清楚地观察到，通过激活MR控制器，第一峰减少了约44.7％。时域中的响应被转换到频域，如图10所示。我们观察到峰值振幅发生在3.3Hz的开环控制中。纯气动控制中的幅度为4.1Hz，具有平滑的边缘，这意味着激活的控制改变共振频率并吸收机械振动。加入EM和MR控制后峰值振幅变小。值得注意的是我们确定在添加MR控制之后，振幅在谐振频率中降低-12dB，在峰-峰比较中降低-10dB。在这种情况下，稳定状态下的调平精度保持在plusmn;2um内。
5 结论
提出了一种用于主动气垫减振器的集成的驱动三重机构，以控制精密制造机器中的振动。所提出的气垫减振器包括气动，MR阻尼器和EM驱动器的并联连接。作为第一步骤，已经考虑了用于三个驱动器的最佳位置的振动的各种特性。MR阻尼器安装在空气支架的内部位置，而EM驱动器位于空气弹簧周围。为了证明所提出的三重机构的有效性，使用三吨负载重量，嵌入式控制器，空气支架，激光传感器和气动系统构建了实验装置。实现了开关和阈值逻辑，以避免气动、EM和MR控制力
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