微制造平台的精密隔振系统研究

　　1　引　　言

　　上世纪80年代末,在世界范围内兴起了对微机电系统(MEMS)的研究热潮,它标志着人类对微观领域的探索又迈出了新的一步。它的发展将引起一场新的工业革命。关于MEMS目前国际上尚无公认的定义,但一般是指整个构件大小从几mm到几μm量级的微系统,有人也把1mm~10mm的小型机械和nm量级的分子机械也称为MEMS[2]。微机电系统必要技术大致可分为三类:基础技术、机能装置技术和系统化技术,而其中最基本且最重要的是基础技术,主要包括加工、材料、设计、检测、评价、装配等技术[1],由于MEMS的微型性和精密性方面的要求,基础技术中加工、检测和装配等工作必须在一个具有良好隔振性能的微制造平台进行。

　　微制造平台的精密隔振系统设计需要考虑的环境微振动干扰是复杂的,不仅有地面传来的振动,还有台面试验仪器的运动干扰以及太阳和月球引潮力的干扰等。大地脉动型地面振动频率主要在0Hz~1Hz ,实验室工作人员走动所引起的振动频率在1Hz~3Hz,通风管道、变压器和马达所引起的振动在6Hz~65Hz之间,建筑物本身一般在10Hz~100Hz频率之间摆动[3].因此,微制造平台隔振系统设计需要考虑的振动频率范围为0Hz~100Hz,这就要求设计的隔振系统不仅对中高频扰力具有良好的隔振效果,而且对低频和超低频扰力也能进行有效的隔离。文献[4]中采用多级被动隔振方法设计出了纳米级微动试验台的隔振系统,虽然仿真结果表明,该系统具有良好的隔振性能,但是,由于该系统采用被动隔振形式,对低频或超低频扰力成分不能进行有效隔振。文献[3]中提出了采用主动控制的高精度隔振平台的设计方案,并考虑了包括太阳和月球引潮力在内的各种扰力的影响,但由于其致动器采用普通电磁控制器,控制精度不高。文献[9]中采用压电材料作为致动器建立了6自由度微动控制系统,由于压电材料本身的局限性,使致动器的致动行程短并且致动力小,实用价值不高。

　　为了克服以上问题,作者对微制造平台的隔振系统进行研究,设计了一种新型的隔振系统模型,该系统主要具有以下特点:(1)采用仿生学原理对隔振系统结构模型进行设计;(2)采用主动隔振和被动隔振相结合技术;(3)采用超磁致伸缩致动器,并设计了致动器的恒温控制系统,消除了线圈升温引起的附加热变形。

　　2　微制造平台隔振系统的整体结构设计

　　许多鸟类的头部均具备良好的隔振性能,如啄木鸟、鸡等,尤其是啄木鸟,当它以约为音速1.6倍的速度敲啄树木时,啄木鸟头部所要承受的冲击力是其本身重量的1500倍,但它的大脑似乎不受丝毫损伤,经生物科学家研究发现啄木鸟的头部构造相当奇特,除了强大的肌肉群、细密松软的骨骼之外,在其坚韧的外脑膜与脑髓之间还存在一条狭窄的空隙,把经肌肉、骨骼吸收后的强烈震波减弱到安全限值内,这就是为什么啄木鸟频频啄击坚硬的树干而大脑却不受任何伤害的主要原因[5],如图1(a)所示。通过对具有良好隔振性能的鸟类头部构造和隔振机理的分析,利用仿生学原理建立了微制造平台隔振系统结构模型,见图1(b)。对微制造平台底座与地面之间采用被动隔振技术,在两者之间放置橡胶垫层(对应于鸟类头部的外脑膜外连接的软骨和肌肉群),从而使地面传来的各种中高频扰力得到有效的隔离。在微制造平台和平台底座之间采用主动隔振技术,以空气弹簧作为弹性元件(对应于鸟类头部外脑膜和脑髓之间的空隙),以超磁致伸缩材料作为致动器(对应于鸟类头部外脑膜和脑髓之间连接的神经和肌肉),通过与动力检测系统一起构成闭环主动振动控制系统,可以有效地消除由平台底座传递过来的各种频率范围的振动扰力,即使对于被动隔振系统难以消除的低频或超低频扰力,也能进行有效地隔离。