¿¿ cómo "aislar" la vibración de los equipos de precisión? - - análisis en profundidad del principio de aislamiento pasivo de vibraciones y los parámetros clave

En el contenido preliminar, hemos reconocido el "daño invisible" de la vibración a los equipos de precisión y hemos dominado el método de "examen físico ambiental" a través de la curva vc. Cuando surge el problema de la vibración, el aislamiento pasivo de la vibración, como una amplia solución de aplicación zui, se convierte en la opción Shou para la mayoría de los equipos de precisión con las ventajas de no necesitar energía externa, bajo costo y alta fiabilidad. Este artículo se centrará en el aislamiento pasivo de vibraciones, desmontará sistemáticamente su esencia física, principios básicos, lógica de diseño y criterios de evaluación del rendimiento, y proporcionará apoyo teórico para la selección y el diseño del esquema de aislamiento pasivo de vibraciones.

I, La esencia del aislamiento de vibraciones: crear un "microambiente" tranquilo

El objetivo central del aislamiento de vibraciones no es eliminar todas las vibraciones, que en realidad no se pueden lograr, sino construir un "filtro de vibración" entre la fuente de vibración (como el suelo, el entorno circundante del equipo) y el equipo de precisión protegido. Al cambiar el camino de transmisión y la eficiencia de la energía de vibración, el filtro atenua considerablemente la energía de vibración transmitida al equipo, controla el impacto de la vibración dentro del rango de precisión permitido por el equipo, y finalmente garantiza la precisión de funcionamiento, la fiabilidad de los datos y la vida útil del equipo, creando un "microambiente" relativamente estático para El equipo.

Tomando como ejemplo el proceso de litografía de chips de 7 nanómetros en la industria de semiconductores, la Mesa de trabajo de la máquina de litografía debe completar el Movimiento con precisión nanométrica. Si el suelo transmite una vibración de 0,01 mm (aproximadamente 1 / 5 del diámetro del cabello), causará directamente el desplazamiento del patrón de litografía y causará el desguace de la obleas. En este momento, la tecnología de aislamiento de vibración pasiva necesita controlar el impacto de la vibración externa en la Mesa de trabajo en el "nivel nanométrico" y construir un entorno estable de "vibración insignificante" para el proceso de litografía a través de la sinergia entre la elasticidad y los elementos de amortiguación, que es una manifestación típica de la esencia del aislamiento de vibración pasiva.

2. conceptos básicos y parámetros clave de rendimiento del aislamiento pasivo de vibraciones

La base para comprender el aislamiento pasivo de vibraciones es dominar sus conceptos básicos e indicadores de rendimiento, que es un requisito previo para el análisis y diseño de principios posteriores.

1. definición y función de los conceptos básicos

2. Análisis de los parámetros clave de rendimiento

l Eficiencia de aislamiento de vibraciones (η): complementaria a la tasa de transmisión de vibraciones, la fórmula de cálculo es η = (1 - t) × 100%. Por ejemplo, cuando t = 0,2, η=80%， Significa que el 80% de la energía de vibración está aislada y solo el 20% se transmite al equipo, lo que refleja intuitivamente la capacidad de atenuación de energía del sistema de aislamiento de vibración pasiva.

l Pico de resonancia (tmáx): la tasa máxima de transmisión del sistema de aislamiento pasivo de vibraciones en el punto de resonancia (r = 1, es decir, frecuencia de excitación = frecuencia natural). Al ignorar la amortiguación, TmáxAcercarse al infinito; En la aplicación práctica, es necesario diseñar la amortiguación razonablemente para convertir tmáxControlar en el rango de Seguridad de menos 5 para evitar daños estructurales o fallos de precisión causados es es por resonancia.

l Rango de respuesta de frecuencia: rango de frecuencia en el que el sistema de aislamiento pasivo de vibraciones funciona eficazmente,f>.f0Banda de frecuencia. Por ejemplo, si el sistema

F = 2hz, el rango de aislamiento efectivo de vibración es F > 28288hz, que no puede desempeñar un papel de aislamiento en la vibración de baja frecuencia por debajo de 28288hz, que es una característica inherente del aislamiento pasivo de vibración.

3. aislamiento pasivo de vibraciones(aislamiento de vibración pasiva)Principio central: masa de un solo grado de libertad - Resorte - sistema de amortiguación

El aislamiento pasivo es un método común de aislamiento de vibraciones para zui, sin entrada de energía externa, y solo cambia las características de transmisión de vibraciones a través de un sistema compuesto por elementos elásticos (como resortes, caucho) y elementos de amortiguación (como amortiguadores)..

El modelo teórico más básico e importante esMasa de un solo grado de libertad - sistema de amortiguación de resorte（Figura 1(...). describe abstractamentePasivoLas características físicas centrales del sistema de aislamiento de vibraciones son la piedra angular teórica del diseño de todos los aisladores de vibración complejos.

1. composición del modelo del sistema

El sistema es el modelo básico para comprender el aislamiento pasivo de vibraciones y contiene tres elementos básicos.:

Figura 1

l AisladocalidadBloque (m:Masa de la carga aislada(...):Los representantes necesitan serla CuarentenaLa carga, aquí reducida a una masa única sin resonancia internaBloque (unidad: kg).

l resorte()k: rigidez del resorte(...): Los elementos de soporte elástico que representan el aislador (como el resorte de aire en el aislador neumático tmc) actúan comoApoyar la carga y aplicar una fuerza a la carga, que se da por la siguiente fórmula:

entreyyRepresentan el suelo por separado（Zhenyuan(...)Y la posición dinámica de la cargaCuanto menor sea la rigidez del resorte k, menor será la frecuencia natural del sistema f, más fácil será entrar en la zona de aislamiento de vibración efectiva.

l Amortiguador (b: coeficiente de amortiguación):Componentes que representan el consumo de energía de vibración como los agujeros de amortiguación en TMC gimbal Piston、 Aceite de amortiguación en maxdamp),La disipación de energía se logra mediante la conversión de la energía cinética del bloque de masa en calor, como el calor de fricción del fluido en el agujero de amortiguación, lo que finalmente devuelve el sistema a la reposo..Esto se logra generando una fuerza proporcional a la velocidad de la carga con respecto al suelo y en la dirección opuesta:

Como se puede ver en la fórmula mecánica, ambas ecuaciones existen，La vibración del suelo se transmite al bloque de masa aislado en forma de fuerza a través de resortes y amortiguadores. el núcleo del aislamiento pasivo es cambiar la eficiencia de transmisión de vibración ajustando los parámetros de k, B y M para lograr el objetivo de "filtrar" la vibración.

2, Fórmula de transmisión de vibración y características de la curva

Normalmente, no usamos parámetrosM, k, y b.Y para describir el sistema, sino para definir un nuevo conjunto de parámetros que pueden asociarse más directamente con las características observables del sistema de resorte de masa.

La primera es la frecuencia natural:

Describe la frecuencia de las oscilaciones libres del sistema sin ninguna amortiguación (b = 0). Por lo general, se utiliza uno de los siguientes dos parámetros comunes para describir la amortiguación en el sistema: el factor de calidad q y la relación de amortiguaciónζ

La tasa de transmisión de este sistema idealizado es:

（1）

La siguiente imagenDibuja para varios factores de calidad diferentesQLa curva de la tasa de transmisión del sistema con la relación de frecuencia. DibujadoQEl rango de valores es de 0,5 a 100.Q = 0,5El caso es un caso especial llamado amortiguación crítica,Se refiere al sistema actualocurrirAl liberarse después del desplazamiento, no se superará el nivel de amortiguación de la posición de equilibrio. La relación de amortiguación es la relación entre la amortiguación del sistema y la amortiguación crítica.Usamos q en lugar deζ, porque para q superior a aproximadamente 2, en Omega = Omega 0deEl momento, T≈Q。（entreωyω0Es la frecuencia angular, Omega = 2 Pi F).

Figura 2

Sistemas con diferentes valores q (nivel de amortiguación), la tasa de transmisión con la relación de frecuencia r..,fPara la frecuencia de excitación, f0Es la frecuencia natural) el cambio presenta una ley clara y se puede dividir en tres etapas.

l Sección de vibración síncrona (r < 1, es decir, f < f): T ¿ 1, el bloque de masa aislado se mueve simultáneamente con el suelo, y el resorte y el amortiguador no pueden desempeñar un papel de aislamiento de vibración. Por ejemplo, cuando la frecuencia de vibración del suelo es de 1hz y el sistema f = 2hz, el equipo temblará simultáneamente con la vibración del suelo de 1hz, sin efecto de aislamiento de vibración.

l Sección peligrosa de resonancia (r ¿ 1, es decir, f 𔔂 f): t > 1, la vibración se amplifica, y el aumento es aproximadamente igual al valor q (cuanto mayor sea q, mayor será el pico de resonancia). Si en este momento tmáx> 5, que puede causar deformación estructural o falla de precisión del equipo, es necesario reducir el pico de resonancia aumentando la amortiguación (reduciendo q).

l Sección de aislamiento de vibración efectiva (r >, es decir, f +f₀）：Esta es la zona en la que funciona el aislador de vibraciones.T disminuye con el aumento de R m2El efecto de aislamiento de vibraciones aumenta gradualmente. En este momento, cuanto menor sea la amortiguación (mayor sea q), menor será el valor T y mejor será el efecto de aislamiento de vibraciones. Se puede ver que la baja amortiguación tiene más ventajas en la Sección de aislamiento de vibración efectiva.

Esta curva revela claramente la contradicción central del aislamiento pasivo de vibraciones: el aumento de la amortiguación puede inhibir la resonancia, pero debilitará el efecto de aislamiento efectivo de vibraciones; La reducción de la amortiguación puede mejorar el efecto efectivo de aislamiento de vibraciones, pero agravará el riesgo de resonancia. el diseño debe equilibrar la relación entre los dos de acuerdo con la escena real..

La fuerza ejercida directamente sobre la carga se transmite a la amplitud del Movimiento de la carga, su forma yFórmula1ExpresivoEs ligeramente diferente. Esta función de transferencia tiene una dimensión (como M / n) del desplazamiento causado por la fuerza unitaria, por lo que no debe confundirse con una tasa de transferencia (adimensional):

La siguiente imagenSe dibuja la curva de esta función con la frecuencia, y reducir el valor q reducirá la respuesta de la carga en todas las frecuencias.

Figura 3

Maxdamp de TMC ® El aislador de vibración aprovecha esta característica para aplicaciones en las que las principales perturbaciones se producen en la propia carga aislada de vibración. La figura 4 muestra la imagen con3Respuesta de dominio de tiempo de la carga correspondiente a la curva media. La imagen también muestra la atenuación del sistema una vez perturbado. El sobre de atenuación es.

Figura 4

Sistemas y mapas reales1Hay algunas diferencias significativas en el modelo simple mostrado, y lo más importante es que el sistema real tiene seis grados de libertad de movimiento ((dof). Estos grados de libertad no son independientes y hay un fuerte acoplamiento en la mayoría de los sistemas. Por ejemplo,“Función de transferencia horizontal",Por lo general, se muestran dos picos de resonancia, ya que el movimiento horizontal de la carga causa un movimiento de inclinación y viceversa.

4, Objetivos de diseño del aislador de vibraciones、Ideas y compensaciones clave

（uno(...)Objetivos básicos de diseño

El núcleo de diseño del aislador pasivo es "coincidir con la frecuencia natural F y la relación de amortiguación zeta", logrando dos objetivos principales:

(1) Asegúrese de que el sistema pueda entrar en la zona de aislamiento de vibración efectiva (r +), es decir, la principal frecuencia de vibración a la que se enfrenta realmente el equipo F >.f0

(2) Controlar el pico de resonancia en un rango seguro para evitar daños en el equipo por resonancia.

Por lo tanto, los objetivos de diseño más centrales del aislador de vibración son muy claros..De acuerdo con la fórmula de frecuencia natural，Bajar F es ampliarLa clave de la zona de aislamiento de vibración efectiva: cuanto menor sea f, la frecuencia inicial de la zona de aislamiento de vibración efectiva..f0Cuanto menor sea, puede cubrir más escenarios de vibración de baja frecuencia (como la vibración común de 2 - 10hz en el suelo).Entre ellos: k es la rigidez del aislador de vibración (cuanto más "suave", mejor) m es la masa que lleva el aislador de vibración (cuanto más "pesado", mejor).

(2) ideas de diseño específicas

Por lo tanto, las ideas de diseño son claras.Hay dos maneras principales de reducir f:

1. Reducir la rigidez del elemento elástico k selecciona el elemento elástico "más suave" para reducir la fuerza necesaria para el desplazamiento unitario, reduciendo así la rigidez del sistema. Por ejemplo:

El aislador de vibración flotante de aire TMC utiliza las características de baja rigidez del aire comprimido, y la rigidez vertical puede ser tan baja como menos de 10n / m, reduciendo el F del sistema a 1,5 - 2,0 hz;

El aislador de vibración de caucho reduce la rigidez seleccionando materiales de caucho de baja dureza (como la dureza Shao de 30 - 50 grados), que son adecuados para el aislamiento de vibración de media y baja frecuencia.

2. Aumentar la masa aislada m，Cuando la rigidez del elemento elástico es fija, el aumento de la calidad de aislamiento puede reducir directamente f.

Por ejemplo:

Los equipos ópticos de precisión utilizan comúnmente una plataforma de granito de 500 - 1000 kg como base, aumentando m y cooperando con el bajo valor K del resorte de aire, para reducir el F del sistema por debajo de 2hz;

El equipo de detección de semiconductores reduce F al tiempo que mejora la estabilidad del sistema mediante la instalación de contrapesos de hierro fundido (la masa puede alcanzar más de 200 kg). Compensación clave: "rendimiento de aislamiento de vibraciones" vs "estabilidad del sistema"

(3) Compensación de diseño clave

Hay dos compensaciones básicas en el diseño de aislamiento pasivo de vibraciones, que deben ajustarse de manera flexible de acuerdo con la escena del equipo:

1, La compensación entre "f bajo" y "estabilidad estática"

Cuanto más "suave" sea el sistema (cuanto menor sea k, menor será f), mejor será el efecto de aislamiento de vibraciones, pero cuanto más tiempo se recupere después de la perturbación (como el Movimiento de las personas, el movimiento interno del equipo), peor será la estabilidad estática. Por ejemplo, después de que el sistema f = 1hz se perturba, se tarda entre 5 y 10 segundos en volver al Estado estático; Por su parte, el tiempo de recuperación del sistema de F = 5hz es de solo 0,5 - 1 segundos.

Esquema de optimización: controlar el asentamiento estático y, al mismo tiempo, mejorar la resistencia a la inclinación optimizando el Centro de gravedad del equipo (como reducir la altura del Centro de gravedad)Capacidad de cobertura.

2, El peso de la "supresión de resonancia" y el "aislamiento efectivo de vibraciones"Heng

Aumentar la amortiguación (zeta aumento) puede reducir el pico de resonancia, pero dará lugar a un aumento del valor t de la zona de aislamiento de vibración efectiva y una disminución de la eficiencia de aislamiento de vibración; Reducir la amortiguación (zeta) puede mejorar la eficiencia efectiva de aislamiento de vibraciones, pero aumentará el pico de resonancia.

Esquema de optimización: ajuste Zeta de acuerdo con la relación R entre la frecuencia de excitación y f:

Si r > 3 (la frecuencia de excitación está lejos de f, el riesgo de resonancia es bajo): tome una pequeña amortiguación (zeta = 0,05 - 0,1), dando prioridad a garantizar el efecto efectivo de aislamiento de vibraciones;

Si R = 1,5 - 2 (la frecuencia de excitación está cerca de f, el riesgo de resonancia es alto): tomar una gran amortiguación (zeta = 0,2 - 0,3) y dar prioridad a la supresión del pico de resonancia.

cinco. malentendidos comunes y direcciones de optimización del diseño de aislamiento pasivo de vibraciones

En el diseño y selección del esquema de aislamiento pasivo de vibraciones, es fácil que el efecto no sea bueno debido a la comprensión inadecuada del principio. los siguientes son tres malentendidos comunes y sugerencias de optimización:

Malentendido 1: búsqueda ciega de baja frecuencia inherente F

Pregunta:Una reducción excesiva de F puede conducir a un asentamiento estático DeltastUn aumento sustancial puede provocar el vuelco de equipos de alto Centro de gravedad (como fotolitografía vertical) o dañar los elementos elásticos (como los resortes) debido a la compresión excesiva; Al mismo tiempo, un F demasiado bajo alargará el tiempo de recuperación de la perturbación del sistema y afectará la estabilidad dinámica del equipo.

Optimizar la dirección:Establecer una F razonable de acuerdo con el escenario de uso del equipo:

Ambiente de vibración de baja frecuencia (como la vibración de 2 - 5 Hz en el suelo del laboratorio): F se controla en 1,5 - 2,5 Hz para garantizarF < 2hz, cubriendo vibraciones de baja frecuencia;

Entorno de vibración de media y alta frecuencia (como la vibración de 10 - 50hz en el taller de la fábrica): F se controla en 3 - 5hz, equilibrando la estabilidad y el efecto de aislamiento de vibraciones; Controlar estrictamente el asentamiento estático y evitar dificultades de nivelación.

Malentendido 2: ignorar el doble efecto de la amortiguación, aumentar o disminuir excesivamente la amortiguación

Pregunta:En algunos diseños, para perseguir el "aislamiento de vibración causado por ji", se reduce excesivamente la amortiguación (zeta < 0,05), lo que conduce al pico de resonancia T.máx> 5, la precisión del equipo se ve gravemente dañada cuando funciona a una frecuencia de resonancia; O para "evitar la resonancia", aumentar excesivamente la amortiguación (zeta > 0,3), de modo que el valor t de la zona de aislamiento de vibración efectiva sea superior a 0,3 (la eficiencia de aislamiento de vibración es inferior al 70%), lo que no puede satisfacer las necesidades de equipos de precisión.

Optimizar la dirección:Ajustar la amortiguación basada en la distribución de la frecuencia de excitación:

En primer lugar, la frecuencia de vibración ambiental se detecta a través de la curva VC para determinar la relación R entre la frecuencia de vibración Principal F y el sistema f;

Si r > 3, elija Zeta = 0,05 - 0,1 (por ejemplo, aislamiento de vibración flotante con amortiguador de baja amortiguación);

Malentendido 3: los componentes elásticos no coinciden con la carga, la rigidez o la capacidad de carga están desequilibradas

Problema: al seleccionar los componentes flexibles, la rigidez y la capacidad de carga no se coinciden con precisión de acuerdo con el "peso del equipo + peso de la base":

Rigidez demasiado alta (k demasiado grande): causa F demasiado alta, frecuencia inicial de la zona de aislamiento de vibración efectivaF > frecuencia de vibración principal, sin efecto de aislamiento de vibración;

Capacidad de carga insuficiente (carga nominal del elemento elástico < carga real): el elemento elástico Yong se deforma durante mucho tiempo y la rigidez falla;

Exceso de capacidad de carga (la carga nominal es mucho mayor que la carga real): las variables de forma de los componentes elásticos son demasiado pequeñas para desempeñar un papel de "soporte suave", y F es alto.

Optimizar la dirección: calcular con precisión la carga total mtotal= peso del equipo + peso de la base, según el valor objetivo de f, por fórmulaCalcular la rigidez necesaria; Al seleccionar el elemento elástico, asegúrese de que su carga nominal sea mtotal1,2 - 1,5 veces para evitar sobrecarga o carga insuficiente;

Al aislar la vibración de varios puntos de apoyo (como los equipos de soporte de cuatro aisladores de vibración), es necesario garantizar una carga uniforme en cada punto de apoyo para evitar la desviación de rigidez causada por la fuerza desigual de los elementos elásticos.

seisResumen y práctica de TMC

El aislamiento de vibraciones no es "cuanto más estricto, mejor", sino que requiere seleccionar el plan basado en los resultados de la evaluación de la curva vc, combinando los requisitos de precisión experimental y las características de vibración ambiental. La razón por la que la tecnología de aislamiento de vibraciones de TMC puede ser ampliamente utilizada en el campo de la precisión global es que siempre está "basada en la teoría y orientada a la escena".Del clásico gimbal Piston ™ Aislador de vibración flotante de aireaMaxdamp de alta amortiguación ® Serie, su diseño sigue estrictamente estos principios básicos y ha logrado jizhi en ingeniería, proporcionando a los clientes soluciones de aislamiento de vibraciones en diferentes escenarios de aplicación.

En el siguiente contenido, nos centraremos aún más en el diseño estructural específico, el método de selección de parámetros y los casos de aplicación típicos de la industria de los productos de aislamiento de vibración pasiva tmc.Ayudar a todos a comprender mejor la selección y aplicación del plan de aislamiento pasivo de vibraciones, por favor espere con interés¡!

- -