戚江鳳 張穎

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著精密加工和精密測量技術(shù)的不斷發(fā)展，精密設(shè)備的應(yīng)用范圍也越來越廣，其精度也在不斷提高，對工作環(huán)境也有了更高的防微振要求。對要求較高的精密儀器及設(shè)備，只采取單一的措施無法實現(xiàn)防微振，要采取綜合措施。目前，國內(nèi)外學(xué)者和工程人員對防微振實驗平臺已展開研究，沈國強等［1］采用主被動控制相結(jié)合的方式,利用彈簧和橡膠墊來減隔高頻振動,利用超磁致伸縮作動器作為主動控制器來降低低頻振動,并對其進(jìn)行數(shù)值仿真與試驗驗證,最終得到滿意的抑振效果。而對防微振實驗平臺三級控制設(shè)計方法的研究相對較少，本研究設(shè)計三級微振動控制方案，通過延長振動傳遞路徑，并增設(shè)振動傳遞屏障的方法，使振動傳遞能量逐級消耗，最終實現(xiàn)微納級振動控制標(biāo)準(zhǔn)，減小振動對振敏對象（如精密設(shè)備等）的影響，促進(jìn)我國高精尖領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。

1 微振動控制技術(shù)原理

微振動能產(chǎn)生微米量級的振動位移、毫米每二次方秒量級的振動加速度，其會使精密儀器及設(shè)備產(chǎn)生額外的相對運動，從而無法滿足使用要求。例如，在超精密磨削機床中，如果存在微振動，會使零件表面產(chǎn)生多角形的輪廓形狀；在精密光學(xué)工程領(lǐng)域中，光學(xué)干涉顯微鏡和掃描電子顯微鏡等電鏡類精密光學(xué)儀器的分辨率已達(dá)到微米、亞微米量級，環(huán)境微振動將導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)失真，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞儀器設(shè)備［2］。

被動隔振由于構(gòu)造簡單、具備阻尼的特性，能減少共振頻率產(chǎn)生的響應(yīng)，對大于2倍固有頻率的外界振動激勵有著可靠的隔振效果，但其對低頻及超低頻外界激勵隔振效果并不理想，且在對低頻外擾隔振時會遇到靜變形過大和失穩(wěn)問題，其隔振效果較差［3］。

主動隔振技術(shù)是指能夠根據(jù)外界振動激勵特性來采取相應(yīng)的控制策略，實時驅(qū)動執(zhí)行器輸出控制力，從而達(dá)到隔振的目的。相比于被動控制，其對低頻及超低頻外界激勵的主動隔振效果優(yōu)良，但主動隔振控制的成本稍高。主動隔振元件的形式有壓電陶瓷式、磁致伸縮式、形狀記憶合金式等。

2 三級防微振實驗平臺設(shè)計理論

在簡諧激勵的作用下，單自由度體系的位移反應(yīng)系數(shù)表達(dá)式見式（1）。

式中：u0為振動位移幅值；(ust)0為振動位移靜位移；ω為激振荷載頻率；ωn為系統(tǒng)固有頻率。

位移反應(yīng)系數(shù)Rd與頻率比ω/ωn的變化曲線見圖1。

由 圖1可 知，如 果 與 頻 率 比ω/ωn?1（即T?Tn，力是緩慢變化的），Rd比1稍大一些，基本與阻尼無關(guān)，因而u0≈(ust)0=P0/k，即動力反應(yīng)的幅值基本上與靜位移相同，由體系的剛度控制；如果頻率比ω/ωn?1（即T?Tn，力是迅速變化的），則隨著ω/ωn的增加，Rd趨近于0，基本不受阻尼的影響，因而u0≈(ust)0ω2n/ω2=P0/mω2，即反應(yīng)由體系的質(zhì)量控制；如果頻率比ω/ωn≈1（即擾動頻率接近于體系的固有頻率），則Rd對阻尼非常敏感，對較小的阻尼值，Rd可以是1的若干倍，這意味著動力反應(yīng)的幅值比靜位移大許多。如果ω=ωn，則有u0=(ust)0/2ζ=P0/cωn，即反應(yīng)由體系的阻尼控制。

基于上述動力學(xué)原理，振動控制設(shè)計可分為偏向于質(zhì)量設(shè)計、偏向于剛度設(shè)計、偏向于阻尼設(shè)計3種設(shè)計導(dǎo)向分析。

2.1 大體積基礎(chǔ)防微振設(shè)計原理

由圖1可知，如果頻率比ω/ωn?1（即T?Tn，力是迅速變化的），則隨著ω/ωn的增加，Rd趨近于0，基本不受阻尼影響，因而u0≈(ust)0ω2n/ω2=P0/mω2，即反應(yīng)由體系的質(zhì)量控制。大體積混凝土即為質(zhì)量控制，故其體積越大質(zhì)量越大，隔振性能越好。

2.2 超低頻氣浮式控制設(shè)計原理

超低頻氣浮式控制裝置中的主要部件為空氣彈簧?？諝鈴椈墒且环N內(nèi)部充氣的柔性密閉容器，利用空氣內(nèi)能變化從而達(dá)到隔振的目的，其通常由橡膠簾線膠囊、附加氣室和阻尼器三部分組成，按膠囊形式將其分為囊式、膜式和袖筒式?？諝鈴椈删哂泻艿偷膭偠燃翱烧{(diào)節(jié)的阻尼值，使隔振系統(tǒng)具有很低的固有振動頻率和較高的阻尼性能。因此，其具有良好的隔振效果及防撞效果，特別適用于精密設(shè)備及儀器的被動隔振。

作為一種變剛度隔振原件，空氣彈簧的剛度隨著承載的不同而發(fā)生變化，承載越大，內(nèi)壓增大，剛度也隨之增大。因而，即使荷載發(fā)生很大的變化，隔振系統(tǒng)的固有頻率也不會產(chǎn)生太大的變化。

在對空氣彈簧進(jìn)行設(shè)計時，為了得到較低的彈簧剛度和較低的自振頻率，應(yīng)盡量選用比較小的有效面積，以期得到比較高的工作壓力,從而有效降低彈簧的剛度和自振頻率［4］。因此，要選取合適的阻尼系數(shù)、合理的增加工作壓力和附加氣室的容積、合理的增大阻尼的空氣彈簧。因為當(dāng)這些參數(shù)大到一定程度時，空氣彈簧的改善速度會下降，勢必會造成浪費。

2.3 伺服主動控制設(shè)計原理

主動控制隔振系統(tǒng)的控制原理示意圖如圖2所示。由圖2可知，隔振臺座質(zhì)量為m、空氣彈簧支撐體系中的彈簧剛度為k、阻尼系數(shù)為c，傳感器S安放在隔振臺座頂面，可實時測到絕對位移ug， 有傳感器傳出電信號至控制器C中，控制器包括A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)計算處理功能。根據(jù)控制算法將其產(chǎn)生控制信號輸出到作動器A上，并產(chǎn)生作動力f，通過實時施加控制臺座的運動，改變u，使得u能滿足精密設(shè)備安全工作的需求。

該原理是以反饋機制為基礎(chǔ)的主動控制隔振原理，可實現(xiàn)假設(shè)作動器輸出的力f到位移傳感器S的傳遞函數(shù)為H（s），見式（2）。

式中：C(s)、D(s)為正系數(shù)多項式，且C(0)=1，D(0)=1，正實數(shù)K為放大系數(shù)［2］。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，可寫出結(jié)構(gòu)的運動方程，見式（3）、式（4）。

對式（3）進(jìn)行Laplace變換，可得式（5）。

通過式（4）來消去f c（t），可得隔振平臺位移u對基礎(chǔ)位移ug的傳遞函數(shù)G(s)，見式（6）。

將s=jω代入式（6）中，分離實部和虛部后可得隔振平臺位移u對基礎(chǔ)位移ug的幅頻特性，即主動隔振系統(tǒng)的隔振傳遞率T(ω)在超低頻階段，利用式（6）可推出式（7）。

由此可得，如果控制系統(tǒng)的放大系數(shù)遠(yuǎn)大于隔振平臺支承的剛度系數(shù)k，主動隔振在超低頻階段就能得到非常小的隔振傳遞率。因此，主動隔振系統(tǒng)隔離超低頻振動的能力比被動隔振系統(tǒng)要強得多［2］。

3 三級防微振實驗平臺設(shè)計方法

3.1 一級隔振方案設(shè)計

一級隔振系統(tǒng)采用“大體積混凝土基礎(chǔ)+聚氨酯減振墊”的設(shè)計方案，主要部分有基礎(chǔ)墊層、基礎(chǔ)支墩、減振墊、大體積混凝土基礎(chǔ)。設(shè)計尺寸如圖3所示。地下空間清理完畢后，首先鋪設(shè)100 mm厚的墊層，起到找平、防水、防腐的作用。大體積混凝土基礎(chǔ)整體采用下部收縮設(shè)計，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，也為隔振系統(tǒng)的安裝、檢修及監(jiān)控設(shè)備的布設(shè)、維護(hù)預(yù)留操作空間。大體積混凝土基礎(chǔ)下設(shè)6組支墩，在滿足承載力要求的同時，為減振墊層的更換或系統(tǒng)升級改造預(yù)留空間。

3.2 二級隔振方案設(shè)計

二級隔振系統(tǒng)采用“T型臺+空氣彈簧”的氣浮平臺系統(tǒng)設(shè)計方案，將自身附帶的空氣壓縮機作為供氣氣源。二級系統(tǒng)主要由支墩、空氣彈簧、T型臺、空氣壓縮機、多功能操作平臺組成。設(shè)計尺寸如圖4所示。

為保證氣浮平臺系統(tǒng)的穩(wěn)定性，平臺板要進(jìn)行質(zhì)剛重合設(shè)計。因此，要在平臺板下方設(shè)置下掛，平臺板整體呈T型，下掛高度為1 100 mm。鑒于空氣彈簧高度約600 mm，在其下部設(shè)置高700 mm的支墩，保證空氣彈簧對T型臺的支通長設(shè)計，并在其頂層鋪設(shè)聚四氟乙烯板，該材料表面光滑，更換空氣彈簧時可直接拖拽。T型臺下方設(shè)有頂升裝置，更換空氣彈簧時采用頂升裝置對T型臺進(jìn)行支撐。綜合考慮T型臺的重量與單個空氣彈簧的承載力，本系統(tǒng)使用4個空氣彈簧（對稱式布置），空氣彈簧下底面通過螺栓固定到條形支墩上的預(yù)埋件內(nèi)，上部不固定。

3.3 三級隔振方案設(shè)計

三級控制采用“高剛性鋼平臺+控制單元”的主動伺服系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計內(nèi)容為“主動伺服裝置+高架地板”。氣浮系統(tǒng)尺寸如圖5所示。主動控制裝置的控制單元上下兩端均要進(jìn)行固定，要按尺寸在下方T型臺上增設(shè)預(yù)埋件，并在高剛性平臺板對應(yīng)的位置打孔。因三級隔振系統(tǒng)較二級隔振系統(tǒng)尺寸小，為保障房間內(nèi)使用空間及人員安全，要在周邊架設(shè)高架地板，地板底部通過架設(shè)的鋼梁進(jìn)行支撐，地板表面與主動隔振系統(tǒng)齊平?？紤]周邊振動環(huán)境有可能惡化，選用高性能主動控制單元，保證有足夠的冗余性設(shè)計。

4 結(jié)語

本研究根據(jù)剛度、阻尼、質(zhì)量的振動設(shè)計原理，進(jìn)行三級微振動控制平臺設(shè)計，Ⅰ級可隔離中高頻，Ⅱ級進(jìn)一步耗能增穩(wěn)，Ⅲ級低頻濾波，從而達(dá)到精密儀器微振動控制的目標(biāo)，為精密儀器微振動控制提供參考思路。