高精度激光加工设备隔振系统的设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

激光技术、超精密测量和加工技术的不断发展，对环境振动隔离的要求越来越高，例如由中科院光电研究院研制的高精度激光加工设备，所要求的加工定位精度和焦距调节精度皆为 1 Ixm。由于设备芭于实验室建筑内，环境不可避免会给设备带来振动，如大地脉动振动频率-般为0 Hz～1 Hz，人员走动所引起的振动频率在1 Hz-3 Hz，其它水、气、电设备往往会产生几十 Hz的振动，建筑物本身- 般也会有 1 Hz～100 Hz的振摆。因而，在高精度激光加工设备的设计中，为了减蟹境振动对系统性能的影响，主要从两个方面进行考虑：(1)优化设计平台 、激光内外光路的机械结构(包括材料选型)，从而提高结构的整体刚度、减小振动响应，并使结构的固有频率远离环境的振动频率；(2)采用隔振系统对平台及光路结构进行有效的振动隔离，使各种频率环境振动大幅度衰减 ]，对系统的精度影响控制在允许范围内。

1 设备结构及隔振要求高精度激光加工设备的工作方式为：激光器发2013年 1月 18日收到，1月31日修改第-作者简介 ：貊泽强，男，中国科学院光电研究院硕士研究生。研究方向：光学工程。E.mail：wsmzq009###163.com。

出的光束通过镜片组的传导、扩束、整形处理后，由物镜聚焦，在固定于电动工作台上的工件表面形成聚焦光斑，通过电动工作台的移动实现对工件表面的加工。加工结果的优劣主要体现在：(1)加工线宽；(2)定位精度。通过理论分析与实验，得出影响加工线宽和定位精度的因素如下：(1)影响加工线宽的主要因素有三个：激光脉冲频率与工件运动速度之比、激光单脉冲能量和聚焦光斑尺寸。上述的三个因素中，前两项与系统的结构设计无关联，为了得到尺寸小的聚焦光斑，需采用高倍率的聚焦物镜。由于聚焦物镜的放大倍率和焦距的关系为：丁-250/f，对于放大倍率高的聚焦物镜，焦距就会相应地较小，并且焦深也比较校对 于 Nikon的 M Plan NUV 物镜，焦距 为17.0 mm，焦深为 ±1.7 txm，所以微小的机械形变以及周围环境的振动就会影响聚焦尺寸的大小，从而引起加工线宽的变化。因此要保证整个图案的线宽保持-致，就必须令物镜与工件的相对位置在加工过程中保持稳定；(2)影响激光加工定位精度的因素主要有两个：工作台的位移控制精度和聚焦光斑的稳定性。

工作台的位移控制精度撒于工作台的加工质量、控制方式等因素，在工作台选型、购买后就已经基本确定。而对于聚焦光斑的稳定性来说，在理想情21期 貊泽强，等：高精度激光加工设备隔振系统的设计 6083况下，光斑应该聚焦于工作台的原点位置，但实际由于受到光路中光学元件的位置姿态不稳和周围环境震动的影响，聚焦光斑相对工作台原点的位置会有微小 的跳动，这种跳动会产生第二个成形运动，造成加工图案的畸变。

由以上分析可知，加工设备机械结构设计的中心目标是稳定性。为了保证设备结构的稳定性以及将周围环境的振动影响降至最小，本次研究对支撑平台和光路传输系统进行了优化设计。光学平台采用内置蜂窝结构并增加空气弹簧 j，可以有效吸收振动，减小共振 J。外光路系统采用了铸钢龙门结构 ，有效加强了设备结构的刚度和稳定性 ，其中加工设备的结构如图1所示。

光学平图 1 高精度激光微加工设备结构图1.1 系统结构稳定性的有限元分析 由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，因此了解结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和振型，就可避免在使用中因共振因素造成不必要的损失。目前，对结构动态性能研究的方法主要是模态分析法 精度激光微加工设备结构的三维有限元模型，如图2所示，并利用有限元分析软件对其进行模态分析 ，得出了前十阶固有频率如表 1所示∩以看出，整个结构系统固有频率的-阶值较高，大于加工系统实际的工作频率50 Hz范围，因而能有效避开共振区，保证结构的加工精度。

图2 设备有限元分析网格模型表 1 模态分析计算所得各阶固有频率由于低阶固有振型要比高阶对设备结构的振动影响大，越是低阶影响就越大，因此低阶振型对结构的动态特性起决定作用。图3列出了前四阶固有频率下的振型情况，振型的大小只是-个相对的量值(位移相对值)，它表征的是各点在某-阶固有频率上振动量值的相对比值，反应该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值。从整个系统模态分析的结果可以看出，变形主要集中在龙门及其上组件附件，变形也从开始的整体摆动到后续的某个部位大幅度扭动。

通过模态分析可得到整体结构的各阶振型和固有频率，即各部位的相对振动情况，但是外力激励下各阶振型对设备结构振动的影响是不同的，因21期 貊泽强，等：高精度激光加工设备隔振系统的设计频率/Hz(a)X向位移-频率变化曲线332窭210频率 /Hz(b)Y向位移-频率变化曲线频率/Hz(c)Z向位移-频率变化曲线图5 y方向简谐力作用下位移-频率变化曲线的振动位移均达到较大值 ，因此为了提供加工精度，并保证加工时结构位移尽量小，则应在实际使用时尽量避免外部激励频率在 253 Hz附近及此频率以上。而-般外部激励频率如环境振动频率等均明显低于此-阶固有频率，因此加工设备结构的优化设计能保证设备系统的稳定性。

2 系统的减振方案在有限元分析结果中，该设备的机械结构稳定性已经得到了认证。然而，考虑到该系统的目标使用环境为无隔振地基的普通实验室，为设备加入-频率/Hz(a)X向位移-频率变化曲线：0频率 /Hz(b)Y向位移-频率变化曲线频率 /Hz(c)Z向位移-频率变化曲线图6 Z方向简谐力作用 F位移-频率变化曲线套有效的减振系统仍然十分必要。经过综合考虑性能、成本等因素，最终选定的减振系统为被动型空气弹簧减振系统。

空气弹簧是在柔性的密闭气室内充入压缩空气，利用空气的可压缩性实现弹性作用的-种非金属弹簧，具有在大载荷下的刚度的特点。因此在隔振应用领域中，空气弹簧具有金属弹簧和橡胶隔振垫无可比拟的优势。

空气弹簧分为主气室(1oad volume)和辅助气室(damping volume)，设两气室的容积为 、 ，高度8 2 4 6 8 4 2 4 6 8 0 7 6 5 4 3 2 1 O f1.1vA科 学 技 术 与 工 程 l3卷旁通阀图7 空气弹簧结构与简化模型为h 、h ，有效面积为 A 、A：，轴 向刚度为 k 、k：，则有警 警； (1)对于-般空气弹簧，A A2A，VAh，h：占h1，则k1k，k28k。

取平衡状态为初始状态，由简化模型可得运动方程：fk2( - 1)c(Jc-xi)k1( 1-y) (2)M k。( -Y)对(2)式进行拉普拉斯变换并整理，可得该系统的传递函数1 kI k2Mc s (k1k2)M s c k1sk1 k2 -M c 1 e)k M -k cs k (3) s( s 由此可得该系统的幅频特性：(to)、 (4)项目中所使用的空气弹簧中的参数如下(1)r4 mil，r为气室的横截面半径；(2)h 10 mm，h280 mm；(3)P6×10 Pa，y1.4。

由以上参数可计算得出空气弹簧的刚度： 4.2 ×10 N/m ，k2 0.5 × 10 N/m ，M 400 kg。

在Simulink中使用这些数据进行仿真，所得伯德图如图8所示。

10o 10频率/(rad s- )l0 10图8 空气弹簧的伯德图可见该空气弹簧的固有频率约为1 Hz，仿真结果表明大地脉动等低频振动的隔振效果在 80%，但对机器设备引起的较高频率的振动能够降低95%以上。然而，实验证明对激光刻划产生明显影响的主要是设备振动，低频振动由于幅度小，不会带来可观测的加工质量变化。因此，该减震系统可以满足设备的减震要求。图9显示了空气弹簧对 1 Hz、10 Hz、100 Hz振动的减震效果。

3 结论基于高精度激光加工的需求，本实验室在理论和实验研究基础上设计了高稳定性的高精度激光加工设备。本文围绕高精度激光加工设备的稳定性问题，开展了结构系统的振动特性和减震系统的减震性能研究。利用有限元分析方法，计算出整个系统的固有频率和谐响应谱线，结果表明-阶固有21期 貊泽强，等：高精度激光加工设备隔振系统的设计 6087OO- OO。/ 。 n 八替 f fl- / f 1 f f I f 黪/ /l /fa)振动频率 1Hz ， 八- 7'1 ㈠ ㈡I / l -/ V f(b)振动频率 1OHz， 八 、 、 / l ㈠ ㈠ l l 1 ；㈠ 7 1 ； I l l f IIjl l ： / V V(C)振动频率 100Hz图9 空气弹簧对不同频率振动的减震效果O频率在253 Hz左右，大于加工系统实际的工作频率50 Hz范围，且外部激励频率如环境振动等明显低于其-阶固有频率时，能有效避开共振区，保证结构的加工精度。并且采用空气弹簧进行系统减震，仿真结果表明，所用空气弹簧的固有频率约为 1 Hz，对大地脉动等低频振动的隔振效果在 80%，而对机器设备引起的较高频率的振动能够降低95%以上，因此该减震系统也可以满足设备的减震要求。研究结果为以后相关激光加工系统的稳定性设计提供了参考和依据。