超精密运动平台主动隔振系统动力学模型理论与实验研究

    0 引言

    日益加剧的市场竞争对机械产品制造周期要求很短，工业产品零件朝微型化和精密化发展，各种微小尺寸的零件也越来越多，对微加工提出了更高的技术要求，使微细加工技术成为更多领域的技术关键。精密、超精密加工技术成为衡量一个国家综合国力的象征［1-2］，应用前景十分广阔。在超精密加工设备领域，高性能超精密定位系统占据着重要的地位。高性能的超精密系统通常由工作台及其减振系统，精密定位系统，测量系统，控制系统等组成。其中，减振与隔振成为精密机械加工中保证质量的关键技术之一，对设备工作环境和平台自身的设计提出了更严格的要求，检测及加工过程中要求在一个具有良好隔振性能的测量平台进行，否则，微小振动都会影响平台的工作性能［3］。振动是影响超精密机床加工精度的重要因素，需要充分考虑隔离基础振动对超精密机床的影响，因此，研发具有高速度、高稳定性、高精度的运动系统具有十分重要的意义。

    通过对国内外大量文献的参考和研究，国内外大多采用空气弹簧作为隔振元件进行振动隔离，并取得了良好的效果。本研究的隔振方案采用了主动振动隔离系统，为微纳米测量及加工提供一个良好的隔振环境，进行了模型构建，并对平台进行了隔振系统主动隔振性能的测试分析与实验。

    1 系统结构

    移动平台能实现 X、Y、Z 三个方向上的精密定位移动，工作平台的行程为 150mm × 150mm × 100mm。由花岗岩平台、桥架、X/Y 运动平台及 Z 向运动平台所构成。机架采用的材料为“济南青”花岗岩，其具有特有的吸震性和热稳定性，相比于普通的其它材料更符合运动平台的要求。平台在 X、Y、Z 三个方向的结构安排采用下述方案，即 X 轴直线平台在水平面内垂直叠放于 Y 轴上，Z 轴平台固定于的龙门型立柱上，通过分别启动 X，Y 方向的压电陶瓷电机的触头摩擦电机陶瓷条，使工作台同气浮导轨上的气浮套一起沿导轨在 X，Y 方向上来回移动，如图 1 所示。在竖直方向上，平台的自身重量比较大，而选用的精密陶瓷电机的负载能力有限，对于 Z 向平台的自重采用滑轮配重结构的方式进行平衡。通过 Ansys 分析对比 C 形和龙门型两种机架的工作载荷变形，发现 C 形机架在同样载荷作用下变形是龙门型载荷的 5 倍以上，如图 2 所示，本结构采用龙门型机架的结构。

    微位移机构是定位系统进给元件，也是工艺系统误差进行动态、静态补偿的关键机构。实现微量位移传统的方法可以用机械传动、弹性变形、液压传动、磁致收缩和热致收缩等原理，在一定的应用领域取得很好效果。但存在着诸如传动链长、接触刚度比较低、存在爬行、摩擦、磨损、弹性变形以及结构复杂、分辨率和定位精度不高、不便计算机控制等缺点［4］。在传动上采用"直线电机( 蠕动式直线电机) + 滚动导轨"，采用以色列Naomotino 公司的压电陶瓷电机( Ls8-1-3s 系列电机)作为驱动，减少运动传递的中间环节，同时直线导轨的摩系数很低，保证了平台在低速进给运动时，不会出现爬行现象。LS 系列电机具有很高的重复定位精度和定位零伺服抖动的稳定性能，反馈系统选择RENISHAW 的 RGH25 光栅。