基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法
阅读说明：本技术 基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法 (Piezoelectric superstructure modal damping enhancement guiding mechanism and method based on compliant mechanism ) 是由 陈忠 钟喜能 石俊杰 张宪民 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法,包括基座、桥式位移放大机构及导向机构,所述桥式位移放大机构内嵌有压电陶瓷驱动器,导向机构的一端与桥式位移放大机构的输出端连接,桥式位移放大机构的输入端及导向机构的另一端分别与基座连接,所述导向机构包括两根对称设置在桥式位移放大机构输出端两侧的导向梁,导向梁的外表面粘贴有压电超结构。本发明不但能根据导向机构的降价合成模态振型精确地增强导向机构的阻尼,而且所设计的结构简单以及制造成本低廉。(The invention discloses a piezoelectric superstructure modal damping enhancement guide mechanism and method based on a compliant mechanism, and the guide mechanism comprises a base, a bridge type displacement amplification mechanism and a guide mechanism, wherein a piezoelectric ceramic driver is embedded in the bridge type displacement amplification mechanism, one end of the guide mechanism is connected with the output end of the bridge type displacement amplification mechanism, the input end of the bridge type displacement amplification mechanism and the other end of the guide mechanism are respectively connected with the base, the guide mechanism comprises two guide beams symmetrically arranged on two sides of the output end of the bridge type displacement amplification mechanism, and the piezoelectric superstructure is adhered to the outer surface of each guide beam. The invention not only can accurately enhance the damping of the guide mechanism according to the reduced-price synthesis mode shape of the guide mechanism, but also has simple designed structure and low manufacturing cost.)
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构及方法。
背景技术
随着集成电路技术的快速发展，尤其是5G芯片需求的到来，芯片制造工艺越来越受关注。光刻机是芯片制造工艺不可或缺的关键精密设备，其纳米精密定位的核心在于纳米精密定位平台。而柔顺机构是纳米精密定位平台的核心构件，其基于压电驱动的动力学特性会直接限制平台的运动控制带宽。因为由控制理论可知，二阶动力学模型的最大控制带宽小于固有频率与阻尼比的乘积的两倍，且压电驱动柔顺机构的最大带宽通常不超过其一阶固有频率的2％(柔顺机构的阻尼比一般为0.01量级)。而基于柔顺机构的纳米精密定位平台，其末端平台常常采用柔性导向机构，以保证纳米精密定位平台的运动定位精度与输出方向性。因此，通常将导向机构的导向刚度设计足够大同时也将导向机构的质量设计足够小，即尽可能以更大的低阶固有频率来保证柔性导向机构的导向运动控制带宽。但是基于压电驱动柔顺机构的压电陶瓷驱动器的驱动能力有限以及刚度/输出位移关系的矛盾等限制了该设计思想的推广应用。显然，提高阻尼比即增强柔性导向机构的阻尼是另一种更好的选择。
目前所研究的阻尼方法主要包括主动阻尼和被动阻尼两种。对于主动阻尼，国内外研究者先后提出了多种固定结构/低阶和复杂结构的主动阻尼控制律，其中固定结构/低阶控制律有的对系统动力学特性变化的适应性较差，有的会损失部分压电驱动能力。而复杂结构控制律的控制算法相对较复杂，会影响柔顺机构的闭环控制带宽。对于被动阻尼，常见的被动阻尼主要包括自由层阻尼、约束层阻尼以及压电分流阻尼等，其中自由层阻尼和约束层阻尼虽然能够较好地适应系统的动力学特性的变化，但其宽频特性会引起系统非共振区能量的损耗，从而降低了压电驱动柔顺机构的运动敏捷性。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的首要目的是提供一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构。
本发明的次要目的是提供一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构的方法。
本发明的首要目的是通过如下技术方案实现：
一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构，包括基座、桥式位移放大机构及导向机构，所述桥式位移放大机构内嵌有压电陶瓷驱动器，导向机构的一端与桥式位移放大机构的输出端连接，桥式位移放大机构的输入端及导向机构的另一端分别与基座固定，所述导向机构包括两根对称设置的导向梁，两根导向梁设置在桥式位移放大机构输出端两侧，导向梁的两个表面粘贴有压电超结构，两个表面为相对面。
进一步，所述压电超结构包括多块尺寸相同的压电分流单元。
进一步，所述压电分流单元包括压电陶瓷片、导线和耗能电子元器件，所述压电陶瓷片的上下极板分别外接分流电路以形成回路。
进一步，所述压电陶瓷片为压电晶体、压电纤维或压电聚合物。
进一步，所述分流电路包括导线、电阻、合成阻抗及电容。
进一步，所述压电分流单元粘贴的位置及相邻压电分流单元的间距由所要控制的降阶合成模态振型及应力大小来确定。
进一步，在一阶模态下，应力越大，压电分流单元的间距越小，分布越密集；当应力越小或为零时，压电分流单元的间距越大或者不贴。
进一步，当需要控制其他任意两种或两种以上模态振型阻尼时，根据其各自模态振型的应力绝对值叠加结果来布置压电分流单元的位置。
本发明的次要目的是通过如下技术方案实现：
一种压电超结构模态阻尼增强导向机构的控制方法，压电陶瓷驱动器在控制系统的作用下产生微小位移，然后经过桥式位移放大机构放大后从输出端输出以带动导向机构的导向梁发生变形，接着导向梁上的压电分流单元随着导向梁的变形而变形，所述的压电分流单元由于变形而产生压电效应以形成电流，所形成的电流再经过外分流电路后产生逆压电效应，从而使得柔性导向梁的阻尼增强以达到抑制机构的振动效果。
本发明的有益效果：
(1)本发明所使用的阻尼增强技术为被动阻尼，即无需外加电源和控制系统就可以使机构产生阻尼，从而能有效地达到机构阻尼增强的目的。
(2)本发明减少了自由层阻尼或约束层阻尼所引起的系统非共振区能量的损耗，从而保证了压电驱动柔顺机构的运动敏捷性。
(3)本发明通过应力与压电分流单元的对应关系，设置压电分流单元可以针对不同模态振型进行精确控制，进一步对不同模态振型所带来的影响进行准确的阻尼增强控制。
(4)本发明制造工艺简单、成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例的整个机构的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例的整个机构的三维结构示意图；
图3(a)为本发明实施例的单根导向梁的一阶模态示意图；
图3(b)为本发明实施例的单根导向梁在一阶模态下的应力状态示意图；
图3(c)为本发明实施例的单根导向梁在一阶模态下的压电分流单元位置分布示意图；
图4(a)为本发明实施例的单根导向梁的二阶模态示意图；
图4(b)为本发明实施例的单根导向梁在二阶模态下的应力状态示意图；
图4(c)为本发明实施例的单根导向梁在二阶模态下的压电分流单元位置分布示意图；
图5(a)为本发明实施例的单根导向梁一阶模态和二阶模态的应力绝对值叠加结果示意图；
图5(b)为本发明实施例的单根导向梁一阶模态和二阶模态混合时的压电分流单元位置分布示意图；
图6为本发明实施例的压电分流单元的分流电路示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1和图2所示，一种基于柔顺机构的压电超结构模态阻尼增强导向机构，适用于柔顺机构，主要包括桥式位移放大机构3、基座1及导向机构4。
具体设置方式为：
所述桥式位移放大机构3的输入端与基座1固定，所述桥式位移放大机构3内嵌有压电陶瓷驱动器2，导向机构4包括两根相互对称设置的导向梁，两根导向梁的一端设置在桥式位移放大机构输出端的两侧，其另一端与基座固定，所述导向梁的表面一及表面二分别粘贴有压电超结构，表面一及表面二为相对面，本实施例中导向梁优选为矩形梁，其表面一及表面二为矩形梁的上表面及下表面。所述压电超结构包括多块相同尺寸的压电分流单元5。
所述压电分流单元5需要粘贴的具体位置和粘贴的间距d根据所要控制的降价合成模态振型及应力大小来确定。所述的压电分流单元5主要包括压电陶瓷片5x、导线501、电阻Rx和电感Lx。所述压电分流单元5的压电陶瓷片上下极板分别外接分流电路以形成回路。所述压电陶瓷片5x也可以用压电晶体、压电纤维和压电聚合物等来代替。
其工作流程为：
所述压电陶瓷驱动器2在控制系统的作用下产生微小位移，然后经过桥式位移放大机构3放大后从输出端输出以带动导向机构4的导向梁发生变形，接着导向梁上的压电分流单元5随着导向梁的变形而变形。所述的压电分流单元5由于变形而产生压电效应以形成电流，所形成的电流再经过外分流电路后产生逆压电效应，从而使得柔性导向梁的阻尼增强以达到抑制机构的振动效果。
本实施例中采用的控制系统为可指由PI控制器组成的系统或由IRC控制器组成的系统等。
所述导向机构主要用于柔顺机构的导向部分起到导向作用，其导向梁的长度根据具体设计情况确定。
所述柔顺机构的导向部分包括菱形位移放大机构的导向、桥式位移放大机构的导向、圆柱式位移放大机构的导向和杠杆式位移放大机构的导向等。
如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，其中图3(a)为单根导向梁的一阶模态示意图，图3(b)为单根导向梁在一阶模态下的应力状态示意图，图3(b)中的正负符号分别代表拉应力和压应力，即导向梁上表面受拉和受压，其横向应力位置与导向梁在一阶模态下的实际应力位置一一对应，其纵向宽度的大小表示应力的大小，即越宽应力越大，宽度为一点时即应力为零。图3(c)为单根导向梁在一阶模态下的压电分流单元5位置分布示意图，当应力越大时，所粘贴的压电分流单元5的间距d越小，即其分布越密集。当应力越小或为零时，所粘贴的压电分流单元5的间距d越大或者不贴。如此一方面可以针对不同模态振型进行精确的控制，另一方面又可以减少压电分流单元粘贴的数量。
如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，其与图3(a)、图3(b)和图3(c)所示的作用原理一致，只是图4(a)为导向梁的二阶模态图，而图3(a)为导向梁的一阶模态图。此处用图4(a)、图4(b)和图4(c)主要为了说明导向梁在不同模态下压电分流单元5的间距d和粘贴位置的分布情况存在一定的差异，即要根据具体模态情况进行处理，从而达到精确控制的目的。
如图5(a)和图5(b)所示，其中图5(a)为一阶模态和二阶模态的应力绝对值叠加结果示意图，而图5(b)为一阶模态和二阶模态混合时的压电分流单元5位置分布示意图。当需要同时增强一阶模态振型和二阶模态振型状态下导向梁的阻尼时，其压电分流单元的位置分布可以按照图5(b)所示来进行布置。同理，当需要控制其他任意两种或两种以上模态振型阻尼时，也可以根据其各自模态振型的应力绝对值叠加结果来布置压电分流单元5的位置。
如图6所示，所述的压电超结构由多块相同尺寸的压电分流单元5组成，所述的压电分流单元5所粘贴的具体位置和粘贴的间距d根据所要控制的降价合成模态振型及应力大小来确定。所述的压电分流单元5由压电陶瓷片5x的上下极板连接导线501、电阻Rx和电感Lx组成，其中符号“5x、Rx、Lx”中的“x”表示不同模态下不同位置所对应的压电分流单元。因为不同模态下不同位置的应力分布不同，所以所需要的电阻阻值和电感系数值也不同。也正因为如此，所设计的压电超结构可以达到精确控制模态阻尼的目的。所述压电分流单元5的工作原理为：
当导向机构4上的导向梁受力变形时，会拉伸或压缩粘贴在导向梁表面上的压电分流单元5。压电分流单元5本身在受外力而发生变形时，其会产生正压电效应。当在压电陶瓷片5x的上下极板外接一个分流电路时，即接图6所示的导线501、电阻Rx和电感Lx时，压电陶瓷片5x两块极板上的极性相反的电荷就会经过分流电路，产生电荷转移，从而形成电流。与此同时压电陶瓷片5x的两块极板上的电压会产生变化，而变化的电压又会在负载电阻Rx和电感Lx的作用下产生逆压电效应，反过来对导向机构4上的导向梁产生一个阻碍力的作用，从而限制导向机构的振动，即增加了导向机构的阻尼，最终使得整个导向机构的阻尼增强。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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