TWI467099B - 一種雙層平台減震裝置及其減震的方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種雙層平台減震裝置及其減震的方法，特別是一種使用雙層減震結構與擾動響應分解技術以抑制震動的裝置與方法。
隨著各項精密工業的日漸蓬勃發展，「震動」對各項工業產品性能或是產品的製造過程的影響程度日益增大，亦愈受到各界的普遍重視。而一般所常見的震動來源可略分為兩種，第一種為外界環境的擾動，例如大地的震動、或是實驗室工作人員移動所產生的震動，亦或是建築物本體的擺動。而第二種為桌面儀器的震動，例如精密儀器本身所發出的震動，工業馬達運轉時所產生的震動，亦或是高頻聲波所發出的各式震動等。
基本上，為了克服震動的問題，工業界曾提出各種不同的解決方法，例如加強穩固建築物本身的地基，或是建構減震平台以達到抑制震動的目的。
傳統上的減震平台包括了被動式減震平台系統與主動式減震平台系統。例如被動式光學減震桌藉由彈簧元件以及阻尼元件以降低環境擾動的影響。而近年來，常使用氣浮式結構以進行隔震；氣浮式結構的好處是反應快速，且內部彈簧以及阻尼的參數可以依照氣壓值、氣墊彈簧以及阻尼孔隙的設計以進行各項調整，藉以隔離地面擾動。此外，主動式減震平台系統則以外加的能量，透過訊號量測及回饋控制，驅動例如壓電材料或音圈馬達致動器，可提昇系統性能。
而傳統上，被動式減震平台系統，通常可抑制地面傳至桌面的外界環境擾動，但仍無法有效地針對桌面擾動加以抑制。而主動式控制雖然可以同時考慮地面與桌面的擾動以進行抑制，但若在同時存在兩種擾動作用下，控制器的設計會因耦合的關係變得相當複雜，而減震性能也勢必因受到前述之地面與桌面兩種擾動的影響而有所限制。例如：系統對於地面震動必須相對地「軟」，才能讓桌面上完全感受不到地面的震動；而另一方面，須使系統相對地「硬」，如此才可以快速地吸收桌面震動的能量，而使系統穩定。因此，傳統的減震平台系統仍必需在相互耦合且矛盾的性能需求上取得平衡之運作。
故而，為了能產生更有效率的減震平台系統，需要研發新式之減震平台技術，藉以提高減震效率且降低減震系統設計的時間與相關成本。
本發明的目的在於提供一種雙層平台減震裝置及其減震的方法，藉以改善現有減震平台裝置而提高減震性能。
本發明所提出的雙層平台減震裝置，係串連兩層減震機構，其中上層減震機構由被動式減震元件與致動器組合而成；下層減震結構則可由被動式減震元件組成，藉由量測上層質量運動之加速度與上下層之位移差，經過擾動響應分解技巧設計回授控制迴路，可將桌面擾動響應進行分解處理；再經過適當的控制器設計，使用主動式致動器以抑制桌面擾動。同時，地面擾動亦可由整體雙層架構之被動元件加以抑制。
本發明係利用擾動響應分解技巧，使用回授控制架構，將來自桌面與地面的擾動分解處理，使得主動式控制器的設計安裝僅與桌面擾動有關，而不會影響整個減震系統對地面擾動的抑制能力。
本發明可被用於任何需要抑制外界震動對主體影響的平台或載具上，例如汽車工業、火車工業、建築產業、避震系統、精密機械、光學減震平台等。
本發明之技術特點在於透過擾動響應分解技術，結合雙層減震結構，並搭配適當的回授控制，使得致動器的訊號僅受桌面擾動激發，而不受地面震動的影響。故可使用主動式減震以控制桌面擾動，而使用被動式減震抑制地面震動。
本發明的上層主動控制層可用來抑制桌面的擾動，亦可以透過「負彈簧」的概念，用以提升對地面震動的抑制能力。
本發明的上層主動控制層使用音圈馬達以作為致動器，亦可以壓電致動器(Piezoelectric actuator)串聯一彈簧，以達成抑制桌面擾動之用途。
本發明所提出的使用擾動響應分解之雙層減震架構，不僅可以提升制震設計的自由度，更可以有效地提高減震性能。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及附圖式解說來得到進一步的瞭解。
本發明為一種雙層平台減震裝置及其減震的方法，係採用擾動響應分解技術，故可提高制震結構之設計自由度，進而可提昇減震性能。
本發明一種雙層平台減震裝置及其減震的方法之實施例，配合圖示分別詳細說明如下列：如第1圖所示為本發明之雙層平台減震裝置的示意圖。雙層平台減震裝置100包含了上層質量端101(桌板)，102下層接地端(地面)與中層質量端103。而減震機制則包含第一被動式減震元件104(可為任意形式之元件，例：市售氣壓減震機構)、第二被動式減震元件105(可為任意形式之元件，例如阻尼)與第三被動式減震元件106(可為任意形式之元件，例如彈簧)，且在雙層平台減震裝置100的上層包含一個可抑制桌面擾動的主動式致動器107(例如音圈馬達、壓電致動器等)。感測器部分則是由加速規108與線性差動變壓器109所組成。而擾動訊號分解控制迴路架構110及控制器111則可將擾動訊號輸出至個人電腦(PC)進行運算，最後運算的控制訊號再回饋給致動器107。而所提供的雙層平台減震裝置100可被用於任何需要抑制外界震動對主體影響的平台或載具上，例如汽車工業、火車工業、建築產業、避震系統、精密機械、光學減震平台等不同領域上。
仍如第1圖所示，透過應用擾動響應分解技術，將感測器加速規108所量測之上層質量端101的加速度訊號與線性差動變壓器109所量測之上結構層的相對位移，z s
-z u
，回授至由擾動響應分解技術所推導出來的控制架構，也就是將回授訊號經過擾動訊號分解控制迴路架構110運算後，而其控制訊號只受桌面擾動控制訊號所激發，再透過安裝控制器111以計算對應的控制訊號，並輸出給致動器107，將電子訊號轉換成等效之物理量以抑制桌面震動。此外，在量測訊號時，可進行量測1.加速度訊號，以及2.兩端位移訊號以進行回饋控制。而已由學理上證明，前述方式可達到任何「全訊號回饋」(亦即量測所有可能的訊號)所能達到的性能。
如第2圖所示，本發明另一實施例200，亦即Θ3
=0的實施方式。在移除第三被動式減震元件106後，致動器107則採用音圈馬達，故致動器107的輸出成為「作用力」。同樣地，為了達到擾動響應分解的效果，仍然需要安裝控制迴路架構。因此，將Θ3
=0代入前述雙層平台減震裝置100的控制迴路，即可得該實施例下的控制迴路。
仍如第2圖所示，使用兩個主要的外界擾動F s
與z r
，以說明擾動響應分解。在只有地面擾動z r
的情況下，則地面的擾動能量，會因為透過被動式減震元件105與被動式減震元件106的傳遞而減少，故輸入至致動器107的控制訊號u
，則會因為控制迴路的設計而不會激發出任何訊號，亦即u
=0。同理，在只有桌面擾動F s
的情況下，則u
≠0，所以可以使用致動器107與控制器111以抑制桌面擾動。而在桌面擾動F s
與地面震動z s
同時作用的情況下，安裝擾動響應分解的控制迴路，僅針對桌面擾動F s
，可產生對應的控制訊號u
。此外，本第2圖中之被動式減震元件104係使用市售的氣浮式減震平台Newport I-2000 LabLegsTM
，以及被動式減震元件105與主動式致動器107。
如第3圖標示300所示，係為前述可抑制桌面擾動的主動式致動器107之剖面分解圖，其具有可達成擾動分解功能。於第3圖標示300中，包含上蓋彈簧固定座301與下蓋彈簧固定座302，可固定靜態負重之彈簧303，在結構的中間安置線性軸承座304與軸承固定座305後，放入與音圈馬達308之線圈所共同固定的磨光圓棒306，藉以拘束運動方向，並確保音圈馬達308不受側向施力的影響，並於機構側邊加入量測相對位移用的線性差動變壓器(LVDT)主體309與線性差動變壓器中心棒之延長桿307。
如第4圖所示為光學桌減震平台的示意圖。光學桌減震平台400包含了四組雙層平台減震裝置200之實施例，係先由一對(即第一對)雙層平台減震裝置200成對相連後，再以一光學平台桌板401連接另外一對(即第二對)雙層平台減震裝置200。搭載雙層平台減震裝置200是為了能有效地提高控制性能，因此擾動響應分解技術再次引入於全桌平台的控制，但由於全桌平台係為具有7個自由度的運動模式，則透過對稱轉換及kl-
simplicity轉換成-回彈、抬頭、翻滾、及彎曲，四個相互耦合的模態，而前述模態可視為各別的雙層平台減震結構200之應用。而如第5圖所示為該光學桌減震平台之減震基本原理的簡化過程。
如第6圖所示，為本發明裝置運作的減震控制流程圖600。首先針對控制目標601以轉化形成減震控制器，當光學桌板401受到外界擾動之後，經過安裝於各主動層之線性差動變壓器模組604與桌板平台四個角落的加速規模組605量測回授訊號，經過訊號處理端602的處理，其中包含了分解模態，達成擾動響應分解與控制訊號計算等步驟，再將控制訊號傳送至安置於各主動層的致動器603，達到抑制桌面震動的控制目的。而在此同時，地面擾動仍透過被動式元件加以抑制之。
本發明實施例之實驗結果如第7圖至第10圖所示。第7圖表示系統承受外界擾動後，控制訊號僅受桌面擾動而激發。
如第8圖所示，與傳統的氣浮式減震系統相互比較，本發明雙層平台減震裝置，以及在主動式控制器啟動下之本發明雙層平台減震裝置，而由結果可看出，在只有地面擾動存在的情況之下，主動式控制器並不會影響系統原有的性能。
如第9圖所示為施加一個桌面擾動的情形，由其結果可以得知，主動式控制器安裝後，可以有效的提升減震性能。而當施加外力干擾後，系統的時域圖如第10圖所示，可以明顯看出性能有大幅度的提升。
本發明所提出的雙層平台減震系統裝置，係串連兩層減震機構，其中上層減震機構由任意形式之被動式減震元件(例如彈簧、阻尼)與致動器組合而成；下層減震結構則可由任意之形式之被動式減震元件(例如彈簧、阻尼)組成，藉由量測上層質量運動之加速度與上下層之位移差，經過擾動響應分解技巧設計回授控制迴路，可將桌面擾動響應進行分解處理；再經過適當的控制器設計，使用主動式致動器(例如音圈馬達)，產生對應之機械力，以抑制桌面擾動。同時，地面擾動亦可由整體雙層架構之被動元件加以抑制。
本發明藉助兩組被動式減震元件，例如彈簧與阻尼並聯結構的串聯，且於上層架構中加入一組致動器，用以將控制訊號(電壓)轉換成作用於兩端點的物理量(力)。故而換句話說，上層結構可視為主動式控制減震機構；下層結構則為被動式減震機構。與傳統的光學減震平台相比較，若要得到較好的減震性能，則僅能單對桌面或地面震動進行抑制。但如果要同時提升對桌面與地面地擾動抑制的能力，勢必受到兩者結構的不同需求，而有所限制。因此使用本發明所提出的擾動響應分解之雙層減震架構，不僅可以提升制震設計的自由度，更可以有效地提高減震性能。
綜合上述，本發明主利用雙層減震機構搭配擾動響應分解技巧，可以有效的提高系統減震的能力，其特徵在於可以將桌面以及地面的擾動分開各別處理，而不會相互影響。本發明以被動元件抑制地面擾動，而以主動控制提昇對於桌面擾動的性能；亦可利用相同原理，以被動元件抑制桌面擾動，而以主動控制提昇對於地面擾動的性能。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100．．．雙層平台減震裝置
101．．．上層質量端
102．．．下層接地端
103．．．中層質量端
104．．．第一被動式減震元件
105．．．第二被動式減震元件
106．．．第三被動式減震元件
107．．．主動式致動器
108．．．加速規
109．．．線性差動變壓器
110．．．擾動訊號分解控制迴路架構
111．．．控制器
200．．．雙層平台減震裝置
211．．．擾動訊號分解控制迴路架構
300．．．上層減震結構
301．．．上蓋彈簧固定座
302．．．下蓋彈簧固定座
303．．．彈簧
304．．．線性軸承座
305．．．軸承固定座
306．．．磨光圓棒
307．．．線性差動變壓器中心棒之延長桿
308．．．音圈馬達
309．．．線性差動變壓器主體
400．．．光學桌減震平台
401．．．光學桌板
600．．．減震控制流程圖
601．．．控制目的
602．．．訊號處理端
603．．．安置於各主動層的致動器(4組)
604．．．量測各主動層之線性差動變壓器模組(4組)
605．．．裝置於桌板四個角落的加速規模組(4組)
第1圖所示為本發明實施例之雙層平台減震結構。
第2圖所示為本發明另一實施例之雙層平台減震結構。
第3圖所示為本發明另一實施例雙層平台減震結構之上層實施架構。
第4圖所示為本發明之全桌減震平台。
第5圖所示為本發明全桌減震平台分解模態之過程。
第6圖所示為本發明之減震控制流程圖。
第7圖所示為本發明訊號擾動響應之分解結果。
第8圖所示為之系統響應。
第9圖所示為之頻域響應。
第10圖所示為本發明之訊號時域響應。
100．．．雙層平台減震裝置
101．．．上層質量端
102．．．下層接地端
103．．．中層質量端
104．．．第一被動式減震元件
105．．．第二被動式減震元件
106．．．第三被動式減震元件
107．．．主動式致動器
108．．．加速規
109．．．線性差動變壓器
110．．．擾動訊號分解控制迴路架構
111．．．控制器
Claims (3)
- 一種具有加速規與線性差動變壓器之雙層平台減震裝置，至少包含：一上層質量端，其中該上層質量端包含一桌板；一中層質量端；一接地端；一減震機制，包含：第一被動式減震元件，其中該第一被動式減震元件包含一氣壓減震機構；第二被動式減震元件，其中該第二被動式減震元件包含一阻尼；第三被動式減震元件，其中該第三被動式減震元件包含一彈簧；以及一主動式致動器，其具有一分解擾動功能，該主動式致動器包含一音圈馬達；一感測器，包含：一加速規；以及一線性差動變壓器；一擾動訊號分解控制迴路架構；以及一控制器；其中該上層質量端連接該減震機制，再連接該中層質量端，續連接該下層接地端，該加速規連接該上層質量端且與該擾動訊號分解控制迴路架構相連接，該控制器連 接該主動式致動器且與該擾動訊號分解控制迴路架構相連接，該線性差動變壓器連接該中層質量端且與該擾動訊號分解控制迴路架構相連接，藉以形成該雙層平台減震裝置。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該主動式致動器更包含壓電致動器。
- 一種具有加速規與線性差動變壓器之雙層平台減震裝置，至少包含：一上層質量端，其中該上層質量端包含一桌板；一中層質量端；一接地端；一減震機制，包含：第一被動式減震元件，其中該第一被動式減震元件包含一氣壓減震機構；第二被動式減震元件，其中該第二被動式減震元件包含一阻尼；以及一主動式致動器，其具有一分解擾動功能，其中該主動式致動器包含一音圈馬達；一感測器，包含：一加速規；以及一線性差動變壓器；一擾動訊號分解控制迴路架構；以及一控制器；其中該上層質量端連接該減震機制，再連接該中層質量端，續連接該下層接地端，該加速規連接該上層質量 端且與該擾動訊號分解控制迴路架構相連接，該控制器連接該主動式致動器且與該擾動訊號分解控制迴路架構相連接，該線性差動變壓器連接該中層質量端且與該擾動訊號分解控制迴路架構相連接，藉以形成該雙層平台減震裝置。
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| TW201120331A (en) | 2011-06-16 |
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