Как "изолировать" вибрации для прецизионного оборудования? Углубленный анализ принципов пассивной виброизоляции и ключевых параметров

В предварительном содержании мы признали "невидимое повреждение" вибраций на прецизионных устройствах и освоили методы проведения "экологического осмотра" через кривую VC. Когда возникают проблемы с вибрацией, пассивная виброизоляция как широкое решение для применения zui, благодаря преимуществам отсутствия внешней энергии, низкой стоимости и высокой надежности, стала выбором shou для большинства прецизионных устройств. В этой статье основное внимание будет уделено пассивной виброизоляции, системе демонтажа ее физической природы, основных принципов, логики проектирования и стандартов оценки производительности, для выбора и проектирования пассивной виброизоляции обеспечивает теоретическую поддержку.

I. СОДЕРЖАНИЕ Сущность виброизоляции: создание тихой « микросреды»

Основная цель виброизоляции заключается не в устранении всех вибраций - недостижимых в реальности, а в создании « вибрационного фильтра» между источником вибрации (например, землей, окружающей средой устройства) и защищенным прецизионным оборудованием. Фильтр изменяет путь и эффективность передачи энергии вибрации, значительно ослабляет передачу энергии вибрации устройства, контролирует влияние вибрации в пределах допустимой точности устройства, в конечном итоге гарантирует точность работы оборудования, надежность данных и срок службы, создает относительно статическую « микросреду» для оборудования.

В качестве примера возьмем 7 - нм фотолитографию на микросхемах в полупроводниковой промышленности, где рабочий стол должен быть перемещен с точностью нанометра. Если земля передает вибрацию 0,01 мм (около 1 / 5 диаметра волосяной нити), это непосредственно приводит к смещению фотолитографического рисунка, что приводит к утилизации кристаллического круга. На этом этапе технология пассивной виброизоляции должна контролировать влияние внешней вибрации на рабочий стол на « субнанометровом уровне», благодаря синергии упругих и демпфирующих элементов, для фотолитографического процесса, чтобы построить стабильную среду « вибрации можно игнорировать», что является типичным проявлением природы пассивной виброизоляции.

Основные концепции пассивной виброизоляции и ключевые параметры производительности

Понимание пассивной виброизоляции основано на овладении его основными концепциями и показателями производительности, что является предпосылкой для последующего принципиального анализа и проектирования.

Основные понятия определения и роли

2. Анализ ключевых параметров производительности

л Эффективность виброизоляции (известь): дополняет скорость передачи вибрации, формула вычисления составляет известь = (1 - Т) × 100%. Например, когда Т = 0,2, η=80%， Это означает, что 80% энергии вибрации изолированы и только 20% передаются на устройство, интуитивно отражая способность пассивной системы виброизоляции к ослаблению энергии.

л Резонансные пики (Т)максМаксимальная скорость передачи пассивной виброизоляционной системы в резонансной точке (r = 1, то есть частота возбуждения = собственная частота). Игнорируя демпфирование, TмаксПриближается к бесконечности; В практическом применении, необходимо путем разумного проектирования демпфирования, TмаксКонтролируйте безопасный диапазон < 5, чтобы избежать резонанса, который может привести к повреждению конструкции устройства или потере точности.

л Диапазон частотных откликов: частотный интервал, в котором пассивная виброизоляционная система работает эффективно,f> >f0Частотный диапазон. Например, если система

f 8320 = 2 Гц, эффективный диапазон виброизоляции f > 2.828 Гц, не может изолировать низкочастотные колебания ниже 2.828 Гц, что является неотъемлемой характеристикой пассивной виброизоляции.

III. Пассивная виброизоляция(Пассивная вибрационная изоляция)Основной принцип: масса с одной степенью свободы - пружинно - демпфирующая система

Пассивная виброизоляция - это метод виброизоляции, обычно используемый Zui, который не требует внешнего ввода энергии и изменяет характеристики передачи вибрации только через систему, состоящую из эластичных элементов (например, пружин, резины), демпферов (например, демпферов)А.

Наиболее фундаментальной и важной теоретической моделью являетсяСистема масс - пружин - демпфирования с одной степенью свободы（Диаграмма 1)Он описывает абстрактноПассивностьОсновные физические характеристики системы виброизоляции являются теоретическим краеугольным камнем всех сложных конструкций виброизоляторов.

1 Состав системной модели

Система является базовой моделью для понимания пассивной виброизоляции и содержит три основных элементаА.

Диаграмма 1

л Изоляция.качествоБлок (М)А.Масса виброизоляционных нагрузок)А.Представителям необходимо бытьизоляцияЗагрузка здесь сводится к одной массе без внутреннего резонанса.Блок (Единица: kg)А.

л пружина(к: Жесткость пружины)А. Упругие опорные элементы, представляющие виброизолятор (например, воздушная пружина в пневматическом виброизоляторе TMC), действуют следующим образом:Поддерживая нагрузку и накладывая на нее силу, эта сила определяется следующей формулой:

средиииОтдельные наземные（Источник)& Загрузить динамическое положениеЧем меньше жесткость пружины k, тем ниже внутренняя частота f ₀ системы, тем легче войти в эффективную зону виброизоляции.

л Амортизаторы (b): Коэффициент демпфирования* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *Элементы, которые потребляют энергию вибрации, такие как демпфирующие отверстия в TMC Gimbal Piston、 Защитные масла в MaxDamp),Расход энергии достигается путем преобразования кинетической энергии массивного блока в тепло (например, тепло трения жидкости в затухающем отверстии), что в конечном итоге приводит к восстановлению системы в состоянии покояА.Это достигается путем создания силы, прямо пропорциональной скорости нагрузки по отношению к земле и направленной в противоположном направлении:

Как видно из механических формул, оба уравнения существуют.，Земельные вибрации передаются через пружину и демпфер в виде силы в изолированный массив массы, ядро пассивной виброизоляции заключается в том, чтобы изменить эффективность передачи вибрации, регулируя параметры k, b, M, чтобы достичь цели « фильтрации» вибрации.

2. Формула скорости передачи вибраций и кривая

Обычно мы не используем параметрыМ, К, БИ для описания системы, но для определения нового набора параметров, которые могут быть более непосредственно связаны со значительными характеристиками системы масс - пружин.

Первая – это собственная частота:

Он описывает частоту свободных колебаний системы без какого - либо затухания (b = 0). Обычно для описания затухания в системе используется один из двух общих параметров: фактор качества Q и отношение затуханияζ

Скорость передачи этой идеализированной системы:

（1）

Рисунок нижеДля нескольких различных факторов качестваQКривая скорости передачи системы изменяется по отношению к частоте. РисунокQЗначения варьируются от 0,5 до 100.К = 0,5Это особый случай, называемый критическим демпфированием,Это когда системаВозникновениеПри высвобождении после смещения уровень затухания не превышает равновесного положения. Отношение затухания - это отношение затухания системы к критическому затуханию.Мы используем Q вместоζЭто потому, что для случаев, когда Q превышает около 2, Омега = Омега 0的Когда, T≈Q。（средиωиω0Для угловой частоты Омега = 2 π fВ)).

Диаграмма 2

Системы с различными значениями Q (уровень затухания), скорость передачи с частотой r (А,fДля стимулирования частоты, f0Для собственной частотыИзменения представляют собой четкие закономерности, которые можно разделить на три этапа.

л Синхронный вибрационный сегмент (r < 1, то есть f < f ₀): T EE 1, изолированный блок массы синхронизируется с землей, пружина и демпфер не могут играть виброизоляцию. Например, когда частота колебаний на земле составляет 1 Гц, а система f 8320 = 2 Гц, устройство синхронно колеблется, следуя вибрации на земле 1 Гц без эффекта виброизоляции.

л Резонансный опасный сегмент (r EE 1, то есть f EE F ₀): T > 1, вибрация усиливается, кратное усиление приблизительно равно Q (чем больше Q, тем выше резонансный пик). Если в это время Тмакс< 5, может вызвать структурную деформацию устройства или отказ точности, необходимо уменьшить резонансный пик путем увеличения демпфирования (уменьшение Q).

л Эффективная виброизоляция (r >То есть f >f₀）：Это область, где работает виброизолятор.Т уменьшается с увеличением R².Постепенно усиливается эффект виброизоляции. Чем меньше затухание в это время (чем больше Q), тем меньше значение T, тем лучше эффект виброизоляции. Видимое низкое затухание имеет больше преимуществ в эффективном диапазоне виброизоляции.

Эта кривая четко раскрывает основное противоречие пассивной виброизоляции: увеличение демпфирования может подавлять резонанс, но ослабляет эффективный виброизоляционный эффект; Уменьшение демпфирования может повысить эффективный виброизоляционный эффект, но может усугубить резонансный риск, дизайн должен быть сбалансирован в соответствии с реальной сценойА.

Сила, непосредственно воздействующая на нагрузку, передается на амплитуду движения нагрузки в форме иформула1ВыражениеНемного по - другому. Эта передаточная функция имеет размерность смещения, вызванного единицей силы (например, m / N), поэтому ее не следует путать со скоростью передачи (безразмерной):

Рисунок нижеНарисуйте кривую, в которой функция изменяется с частотой, и снижение Q уменьшает реакцию нагрузки на всех частотах.

Диаграмма 3

Скачать MaxDamp от TMC ® Именно эта особенность используется в виброизоляционных устройствах, подходящих для применения, где основные возмущения возникают из самой виброизоляционной нагрузки. Рисунок 4 показывает & диаграмму3Средняя кривая соответствует нагрузке временной области отклика. На диаграмме также показано затухание системы после возмущения. Упадок покрытияА.

Диаграмма 4

Реальная система и диаграмма1Представленные простые модели имеют некоторые значительные различия, наиболее важным из которых является то, что реальная система имеет шесть степеней свободы движения (DOF). Эти степени свободы не являются независимыми, и в большинстве систем существует сильная связь. Например,“Горизонтальная передаточная функция"Обычно отображаются два резонансных пика, так как горизонтальное движение нагрузки вызывает движение наклона и наоборот.

IV. Цель конструкции виброизолятора、Мысли и ключевые компромиссы

（один)Основные проектные цели

В основе конструкции пассивного виброизолятора лежит « соответствие собственной частоты f ₀ и отношения затухания к ZET» для достижения двух основных целей:

(1) Убедитесь, что система входит в эффективную виброизоляционную зону (r >То есть основная частота вибрации, с которой фактически сталкивается устройство f >f0

(2) Контролируйте резонансные пики в безопасном диапазоне, чтобы избежать повреждения устройства резонансом.

Поэтому основная цель конструкции виброизолятора очень ясна.А.В соответствии с формулой собственной частоты，Снижение f) является расширениемКлюч к эффективной зоне виброизоляции - чем ниже f ₀, тем ниже начальная частота эффективной зоны виброизоляции (f0Чем ниже, тем больше может покрывать более низкочастотные вибрационные сценарии (например, общие вибрации 2 - 10 Гц на земле).Среди них: k - жесткость виброизолятора (чем "мягче", тем лучше) m - масса, которую несет виброизолятор (чем "тяжелее", тем лучше)А.

(2) Конкретные дизайнерские идеи

Идеи дизайна ясны.Есть два основных способа снижения F:

1. Снижение жесткости эластичного элемента k Выберите « более мягкий» эластичный элемент, чтобы уменьшить силу, необходимую для перемещения единицы, тем самым уменьшая жесткость системы. Например:

Воздушный плавучий виброизолятор TMC использует характеристики низкой жесткости сжатого воздуха, вертикальная жесткость может быть ниже 10 Н / м, так что система f ₀ снижается до 1,5 - 2,0 Гц;

Резиновый виброизолятор уменьшает жесткость, выбирая резиновый материал низкой твердости (например, твердость Шао 30 - 50 градусов), подходит для изоляции вибрации средней и низкой частоты.

2. Повышение качества изоляции М，При фиксированной жесткости эластичного элемента увеличение изолированной массы может непосредственно уменьшить f ₀.

Например:

Прецизионные оптические устройства обычно используют гранитную платформу 500 - 1000 кг в качестве основания, увеличивая М, в сочетании с низким K - значением воздушной пружины, так что система f ₀ опускается ниже 2 Гц;

Полупроводниковое контрольно - измерительное оборудование путем установки чугунных весовых блоков (масса до 200 кг или более), чтобы повысить стабильность системы при снижении f ₀. Ключевые компромиссы: "виброизоляционные свойства" vs "стабильность системы"

(Три) Ключевые проектные компромиссы

В конструкции пассивной виброизоляции есть два основных компромисса, которые должны быть гибко скорректированы в соответствии со сценарием устройства:

1. Взвешивание « низкой f ₀» и « статической стабильности»

Чем "мягче" система (чем меньше k, чем ниже f ₀), тем лучше эффект виброизоляции, но чем дольше восстановление после возмущения (например, перемещение персонала, внутреннее движение устройства), тем хуже статическая стабильность. Например, после возмущения системы f 8320 = 1 Гц требуется 5 - 10 секунд, чтобы вернуться в состояние покоя; Время восстановления системы f 8320 = 5 Гц составляет всего 0,5 - 1 секунды.

Оптимизация схемы: управление статическим осаждением при одновременном повышении сопротивления наклону путем оптимизации центра тяжести устройства (например, снижения высоты центра тяжести)Способность покрытия.

2. Право "резонансного подавления" и "эффективной виброизоляции"Хэн

Увеличение демпфирования (увеличение дзета) может снизить резонансный пик, но приведет к увеличению Т - значения эффективной зоны виброизоляции и снижению эффективности виброизоляции; Уменьшение демпфирования (уменьшение дзета) повышает эффективность эффективной виброизоляции, но повышает резонансные пики.

Оптимизация: настройка Zeta в соответствии с соотношением частоты возбуждения r к f ₀:

Если r > 3 (частота возбуждения удалена от f ₀, резонансный риск низкий): Возьмите небольшое демпфирование (Дзета = 0,05 - 0,1), приоритет для обеспечения эффективного виброизоляционного эффекта;

Если r = 1.5 - 2 (частота возбуждения близка к f ₀, резонансный риск высок): взять большое затухание (дзета = 0.2 - 0.3), отдавая приоритет подавлению резонансных пиков.

пятьПассивный виброизоляционный дизайн часто ошибается и оптимизирует направление

В проектировании и выборе схемы пассивной виброизоляции, легко из - за отсутствия глубокого понимания принципа, что приводит к плохому эффекту, вот три распространенных недоразумения и предложения по оптимизации:

Миф 1: Слепое стремление к низкой собственной частоте f ₀

Вопрос:Чрезмерное снижение f ₀ приводит к статическому осаждению дельтастЗначительное увеличение может вызвать опрокидывание высокоцентрового оборудования (например, вертикальной фотолитографии) или привести к повреждению эластичных элементов (например, пружин) из - за чрезмерного сжатия при вечном jiu; В то же время слишком низкий f ₀ продлевает время восстановления системных возмущений и влияет на динамическую стабильность устройства.

Оптимизация направления:В соответствии со сценарием использования устройства настраивается разумное f ₀:

Низкочастотная вибрационная среда (например, лабораторные колебания 2 - 5 Гц на земле): f ₀ контролируется на 1,5 - 2,5 Гц, обеспечиваяf ₀ < 2 Гц, покрытие низкочастотных колебаний;

вибрационная среда средней и высокой частоты (например, вибрация 10 - 50 Гц в заводском цехе): f ₀ контролируется на 3 - 5 Гц, балансирующая стабильность и эффект виброизоляции; Строго контролируйте количество статического осаждения, чтобы избежать трудностей с выравниванием.

Миф 2: Игнорирование двойного эффекта демпфирования, чрезмерное увеличение или уменьшение демпфирования

Вопрос:Часть конструкции для погони за « Ji - индуцированной виброизоляцией», чрезмерное уменьшение демпфирования (Дзета < 0,05), что приводит к резонансному пику Tмакс> 5, при работе устройства на резонансной частоте серьезно нарушена точность; Или для того, чтобы « избежать резонанса», чрезмерное увеличение демпфирования (дзета > 0,3), так что эффективное значение T зоны виброизоляции > 0,3 (эффективность виброизоляции < 70%), не может удовлетворить потребности прецизионного оборудования.

Оптимизация направления:Корректировка демпфирования на основе распределения частот возбуждения:

Сначала проверьте частоту вибрации окружающей среды с помощью кривой VC, чтобы определить отношение основной частоты вибрации f к системе f ₀ r;

Если r > 3, выберите дзета = 0.05 - 0.1 (например, воздушный плавучий виброизолятор с демпфером с низким затуханием);

Миф 3: эластичный элемент не соответствует нагрузке, жесткость или несбалансированность несущей способности

Проблема: При выборе эластичного элемента жесткость и несущая способность не соответствуют точно в соответствии с "весом устройства + весом основания":

Высокая жесткость (k слишком большая): приводит к завышению f ₀, начальная частота эффективной зоны виброизоляцииf ₀₀₀ Основная частота вибрации, без виброизоляционного эффекта;

Недостаточная несущая способность (номинальная нагрузка эластичного элемента < фактическая нагрузка): эластичный элемент имеет длительную деформацию, отказ жесткости;

Избыток несущей способности (номинальная нагрузка намного больше фактической нагрузки): переменная формы эластичного элемента слишком мала, чтобы играть роль « мягкой поддержки», f ₀ выше.

Оптимизация направления:: Точный расчет общей нагрузки МВсего= Вес оборудования + вес основания, в соответствии с целевым значением f ₀, по формулеРасчет требуемой жесткости; При выборе эластичного элемента убедитесь, что его номинальная нагрузка MВсегов 1,2 - 1,5 раза, избегая перегрузки или недостаточной нагрузки;

При многоточечной виброизоляции (например, 4 устройства поддержки виброизолятора) необходимо обеспечить равномерную нагрузку на каждую точку опоры, чтобы избежать неравномерного напряжения упругих элементов, приводящего к отклонению жесткости.

шестьРезюме и практика TMC

Виброизоляция - это не "чем строже, тем лучше", но необходимо основываться на результатах оценки кривой VC, в сочетании с требованиями экспериментальной точности, вибрационными характеристиками окружающей среды, выбор вариантов. Причина, по которой технология виброизоляции TMC может быть широко применена в области глобальной точности, заключается в том, что она всегда была « теоретической и сценарной ориентацией» -Классический Gimbal Piston ™ ПВУ пневмоплавучий виброизолятордоВысокое затухание MaxDamp ® Серия, дизайн которой строго соответствует этим основным принципам и инженерно выполнена Ji Zhi, предоставляет клиентам виброизоляционные решения в различных сценариях применения.

Далее мы сосредоточимся на конкретном структурном проектировании продуктов пассивной виброизоляции TMC, методах выбора параметров и типичных отраслевых приложениях,Помогите лучше понять выбор и применение пассивной виброизоляции, пожалуйста, с нетерпением ждемЭй!

- Да.