[发明专利]载荷重心自适应主动减振器及由其构成的减振系统

说明书

技术领域

本发明属于精密减振领域，具体涉及一种载荷重心自适应超精密主动减振系统。该减振系统除可用于光刻机外，还可用作精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等的隔振平台。

背景技术

随着科技的发展，以光刻机、SEM、基因操作设备等为代表的超精密制造和测量设备的应用越来越广泛，其制造和测量的精度也越来越接近物理极限。在微/纳加工(测量)过程中，环境振动已成为制约加工(测量)精度的瓶颈。为了给超精密设备提供平稳(超静)的工作环境，超精密减振系统是不可或缺的基础装置。

为了实现多个自由度上的减振，需要由三个(或三个以上)的减振器来组成减振系统。由于振动在多个自由度上的耦合，在减振系统的控制环节需要用到模态解耦矩阵，来实现解耦控制。现有精密减振系统中的解耦矩阵是根据已知载荷分布和减振器的位置确定的，将减振系统的重心位置视为恒定值，因此其模态解耦矩阵亦为固定式。然而在许多实验中，减振系统所承受的载荷重心位置是随机分布的，实验前无法精确计算。例如，在光学实验中，光学器件的分布应满足光路的几何尺寸要求，其重心不能事先确定，更无法与精密减振平台的几何中心重合。在此情况下，减振系统的实际模态解耦矩阵与设计过程中的模态矩阵不同，因此导致减振系统的减振效果降低。

其次，在某些加工(测量)过程中，减振系统所承受的载荷重心位置是随时变化的。例如，在光刻机的工作过程中，掩模台和硅片沿Y方向以一定的速比反向运动。完成一场曝光后，硅片台沿X方向步进到下一场并继续曝光。由此可见，掩模台和硅片台在工作过程中一直在水平面内往复运动，这将造成掩模台和硅片台在水平面内的偏转，减振系统的负载重心位置随时发生变化。在此情况下，同样会导致减振系统实际模态解耦矩阵的变化，从而影响减振效果。特别是当运动件的质量较大时，对减振控制的影响尤为明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种载荷重心自适应主动减振器，它具有低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效地衰减，本发明还提供了由该减振器构成的减振系统，该系统能够自动适应载荷重心的变化，使减振系统始终保持好的减振效果。

本发明提供的一种载荷重心自适应主动减振器，其特征在于，它包括载荷传感器，用来实现对水平方向的减振的被动减振部件，以及用来实现对垂直方向的减振的主动减振单元，主动减振单元和被动减振单元为串联关系，载荷传感器安装在减振器的任意轴向力位置。

由上述的载荷重心自适应主动减振器构成的减振系统，其特征在于，所述减振系统由三个减振器和一个等边三角形的减振平台所组成；以减振平台的几何中心为圆心，三个减振器呈120度角均布在同一圆周上。

本发明提供的载荷重心自适应超精密减振系统由3个减振器组合而成，能进行X、Y、Z三个平动方向以及RX、RY、RZ三个转动方向的减振控制，实现对低频和超低频扰动的有效抑制和高频振动的衰减，并能实现在z方向的精确定位和调平功能。本发明所提供的减振系统具有载荷自动测量、重心自动计算、模态解耦矩阵自动生成、控制解耦矩阵自动更新的功能，克服了传统减振系统无法适应载荷重心变化的缺点，能使减振系统始终保持好的减振效果。

本发明可以为光刻机、精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等提供平稳(超静)的工作环境。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

(1)单个减振器采用主动减振和被动减振并联的方式，用空气弹簧实现被动减振，用洛仑兹(Lorentz)电机实现主动减振。减振器具有低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效地衰减。

(2)被动减振单元通过空气弹簧与压力控制阀组合的方式，根据减振平台的状态反馈，通过压力控制阀自动改变气体压力，提供被动阻尼。被动减振装置可实现在低频时的大阻尼和高频时的小阻尼，改善固有频率处的隔振效果，并提供高频处的较高衰减率。

(3)由于采用了较大容积的压力腔，有效地降低了减振器的垂向刚度，可以缓解被控对象运动或振动时对空气弹簧的冲击，使被控对象的运动更平稳。

(4)采用摆结构实现被动装置水平方向的低刚度，降低水平方向的固有频率，有效地实现对低频振动的衰减。

(5)采用3个减振器的组合，实现六自由度的振动衰减控制。通过精密载荷传感器(或压力传感器)，可以测量单个减振器承受的载荷。通过3个减振器的位置分布关系，实时计算载荷的重心位置，自动生成模态解耦矩阵，更新控制算法。减振系统能自动适应载荷重心的变化，保持好的减振性能。

附图说明

图1为本发明提供的精密减振器的结构示意图；