Comment « isoler » les vibrations pour un équipement de précision? - analyse en profondeur du principe d'isolation vibratoire passive et des paramètres clés

Dans le contenu préliminaire, nous avons reconnu les « dommages invisibles» causés par les vibrations aux équipements de précision et avons maîtrisé la méthode de réalisation d'un « Examen physique environnemental» par la courbe VC. Lorsque les problèmes de vibration se posent, l'isolation passive des vibrations en tant qu'application zui large gamme de solutions, avec l'avantage de ne pas avoir besoin d'énergie externe, faible coût et haute fiabilité, est devenu le choix shou de la plupart des équipements de précision. Cet article se concentrera sur l'isolation passive, le système démonte sa nature physique, ses principes fondamentaux, sa logique de conception et ses critères d'évaluation des performances pour fournir un support théorique au choix et à la conception du système d'isolation passive.

Un, L’essence de l’isolation vibratoire: créer un « micro - environnement » silencieux

L’objectif principal de l’isolation vibratoire n’est pas d’éliminer toutes les vibrations – ce qui n’est pas réalisable dans la réalité – mais de construire un « filtre vibratoire » entre la source des vibrations (par exemple, le sol, l’environnement périphérique de l’appareil) et l’équipement de précision protégé. Ce filtre atténue considérablement l'énergie de vibration transmise à l'équipement en modifiant le chemin de transmission de l'énergie de vibration et l'efficacité, en contrôlant l'impact des vibrations dans la plage de précision permise par l'équipement et en garantissant finalement la précision de fonctionnement, la fiabilité des données et la durée de vie de l'équipement, créant un « micro - environnement» relativement statique pour l'équipement.

Prenant le procédé de lithographie de puce de 7 nanomètres dans l'industrie des semi - conducteurs, par exemple, la table de lithographie doit être déplacée avec une précision nanométrique. Si le sol transmet une vibration de 0,01 mm (environ 1 / 5 du diamètre de la mèche de cheveux), cela entraînera directement un décalage du motif lithographique, ce qui entraînera la mise au rebut de la plaquette. À ce stade, la technologie d'isolation vibratoire passive nécessite de contrôler l'influence des vibrations extérieures sur la table de travail à l'échelle "sub - nanométrique", en créant un environnement stable "vibratoire négligeable" pour le processus de lithographie grâce à la synergie de l'élasticité avec l'élément amortisseur, ce qui est typique de la nature de l'isolation vibratoire passive.

II. Concept de base d'isolation vibratoire passive et paramètres de performance clés

La base de la compréhension de l'isolation vibratoire passive est la maîtrise de ses concepts de base et des indicateurs de performance, qui sont les prémisses de l'analyse et de la conception des principes ultérieurs.

Définition et rôle du concept de base

2. Résolution des paramètres de performance clés

l Efficacité d'isolation vibratoire (η): complémentaire de la transmission des vibrations, la formule de calcul est η = (1 - t) × 100%. Par example, lorsque t = 0,2, η=80%， Indique que 80% de l'énergie de vibration est isolée et que seulement 20% est transmise à l'appareil, reflétant visuellement la capacité d'atténuation de l'énergie du système d'isolation passive des vibrations.

l Pic de résonance (tmax): la transmission maximale du système d'isolation passive au point de résonance (R = 1, c'est - à - dire la fréquence d'excitation = fréquence propre). En ignorant l'amortissement, TmaxSe rapprocher de l'infini; Dans l'application pratique, il faut amortir par une conception raisonnable, mettre tmaxContrôle dans une plage de sécurité < 5 pour éviter que la résonance ne cause des dommages à la structure de l'appareil ou une défaillance de la précision.

l Plage de réponse en fréquence: intervalle de fréquence dans lequel le système d'isolation passive des vibrations fonctionne efficacement,f>f0La bande de fréquences. Par exemple, si le système

F₀ = 2 Hz, avec une plage d'isolation efficace de f > 2.828hz, ne peut pas fonctionner comme isolant pour les vibrations de basse fréquence inférieures à 2.828hz, qui sont des propriétés intrinsèques de l'isolation passive.

Iii. Isolation passive des vibrations(Isolation de vibrations passives)Principe de base: qualité à un seul degré de liberté - ressort - système d'amortissement

L'isolation passive des vibrations est la méthode d'isolation des vibrations couramment utilisée par Zui, sans apport d'énergie externe, en changeant les caractéristiques de transmission des vibrations uniquement par un système constitué d'éléments élastiques tels que des ressorts, du caoutchouc, des éléments amortisseurs tels que des amortisseurs.- Oui.

Le modèle théorique le plus fondamental et le plus important estQualité de degré de liberté unique - ressort - système d'amortissement（Figure 1) et. Il décrit abstraitementPassifLes caractéristiques physiques de base du système d'isolation vibratoire sont la pierre angulaire théorique de la conception de tous les isolateurs de vibrations complexes.

1. Composition du modèle de système

Le système est le modèle de base pour comprendre l'isolation passive des vibrations et contient trois éléments de basePour:

Figure 1

l IsoléqualitéBloc (MPour:Qualité de la charge isolée contre les vibrations) etPour:Les représentants doivent êtreisolementLa charge, ici réduite à une seule masse sans résonance interneBloc (en kg)- Oui.

l Le ressort(k: rigidité du ressort) etPour: Un élément de support élastique représentant un isolateur de vibrations (tel qu'un ressort à air dans un isolateur pneumatique TMC), agissant commeSoutenir la charge et lui appliquer une force donnée par la formule suivante:

Parmi lesquelsetetReprésentant respectivement le sol（Source de vibration) etEt position dynamique de la charge; plus la raideur K du ressort est faible, plus la fréquence propre f ₀ du système est faible et plus il est facile d'accéder à la zone d'isolation efficace des vibrations.

l Amortisseur (B: coefficient d'amortissement):Éléments représentatifs de la consommation d'énergie vibratoire tels que les trous d'amortissement dans TMC gimbal piston、 Huile d'amortissement dans maxdamp),La dissipation d'énergie est obtenue en convertissant l'énergie cinétique de la masse en chaleur, comme la chaleur de frottement du fluide dans les trous d'amortissement, ce qui permet finalement au système de revenir au repos.- Oui.Ceci est réalisé en générant une force proportionnelle à la vitesse de la charge par rapport au sol et de sens opposé:

Visible de la formule mécanique, présente dans les deux équations，Les vibrations du sol sont transmises à la masse isolée sous forme de force par le ressort et l'amortisseur, le noyau de l'isolation passive des vibrations est en ajustant les paramètres de K, B, m, changer l'efficacité de transmission des vibrations et atteindre l'objectif de "filtrer" les vibrations.

2, Formule de transmission des vibrations et caractéristiques de la courbe

En général, nous n'utilisons pas de paramètresM, k et bEt décrire le système, mais plutôt définir un nouvel ensemble de paramètres qui peuvent être plus directement liés aux caractéristiques observables du système masse - ressort.

La première est la fréquence intrinsèque:

Il décrit la fréquence à laquelle le système oscille librement sans aucun amortissement (b = 0). L'un des deux paramètres communs suivants est généralement utilisé pour décrire l'amortissement dans un système: facteur de qualité Q et rapport d'amortissementζ

Le taux de transfert de ce système idéalisé est:

（1）

Ci - dessousDessiné pour plusieurs facteurs de qualité différentsQ, courbe de la vitesse de transfert du système en fonction du rapport de fréquence. PeintQLes valeurs vont de 0,5 à 100.Q = 0,5Le cas est un cas particulier, appelé amortissement critique,Signifie que lorsque le systèmeSe produitLibéré après déplacement, le niveau d'amortissement en position d'équilibre n'est pas dépassé. Le rapport d'amortissement est le rapport entre l'amortissement du système et l'amortissement critique.Nous utilisons Q au lieu deζParce que pour q supérieur à environ 2, dans ω = ω 0deLe temps, T≈Q。（Parmi lesquelsωetω0Est la fréquence angulaire, ω = 2πf).

Figure 2

Système avec différentes valeurs de q (niveaux d'amortissement), rapport de la vitesse de transfert avec la fréquence R (,fPour la fréquence d'excitation, f0Pour la fréquence intrinsèque), les changements présentent des lois claires qui peuvent être divisées en trois phases

l Segment de vibration synchrone (R < 1, c'est - à - dire f < f₀): t ≈ 1, la masse isolée se déplace en synchronisme avec le sol, le ressort et l'amortisseur ne peuvent pas jouer un rôle d'isolation contre les vibrations. Par exemple, lorsque la fréquence de vibration du sol est de 1 Hz et que le système f₀ = 2 Hz, l'appareil oscille en synchronisme avec la vibration du sol de 1 Hz, sans effet d'isolation vibratoire.

l Le segment de risque de résonance (R ≈ 1, c'est - à - dire f ≈ f ₀): T > 1, la vibration est amplifiée avec un grossissement environ égal à la valeur de q (plus Q est grand, plus le pic de résonance est élevé). Si à ce moment tmax> 5, peut entraîner une déformation de la structure de l'appareil ou une défaillance de la précision, il est nécessaire de réduire le pic de résonance en augmentant l'amortissement (réduire q).

l Section d'isolation vibratoire efficace (R >C'est - à - dire f >f₀）：C'est la zone où l'isolateur de vibrations entre en jeu.T diminue avec l'augmentation de R²L'effet d'isolation vibratoire est progressivement renforcé. Plus l'amortissement est faible à ce moment - là (plus Q est grand), plus la valeur de t est faible et plus l'isolation vibratoire est efficace. Un faible amortissement visible est plus avantageux dans le segment d'isolation efficace des vibrations.

Cette courbe révèle clairement la contradiction centrale de l'isolation passive: l'augmentation de l'amortissement inhibe la résonance, mais affaiblit l'effet d'isolation efficace; La réduction de l'amortissement peut améliorer l'effet d'isolation efficace, mais peut aggraver le risque de résonance, conçu pour équilibrer les deux en fonction de la scène réelle- Oui.

La force exercée directement sur la charge est transmise à l'amplitude de mouvement de la charge, sous la forme d'unformule1ExpriméLégèrement différent. Cette fonction de transfert a la dimension du déplacement par unité de force (par exemple M / n) et ne doit donc pas être confondue avec la transmissibilité (sans dimension):

Ci - dessousLa courbe de cette fonction en fonction de la fréquence a été tracée, et la réduction de la valeur Q réduit la réponse de la charge à toutes les fréquences.

Figure 3

Maxdamp par TMC ® C'est cette caractéristique qui est exploitée par l'isolateur vibratoire et qui convient aux applications où les perturbations majeures sont générées par la charge isolée elle - même. La figure 4 montre avec la figure3Réponse dans le domaine temporel de la charge à laquelle correspond la courbe moyenne. Cette figure illustre également la situation d'atténuation du système une fois perturbé. L'enveloppe de l'atténuation est- Oui.

Figure 4

Système réel et diagramme1Il y a quelques différences significatives dans le modèle simple présenté, le point le plus important étant que le système réel a six degrés de liberté de mouvement ((DOF). Ces degrés de liberté ne sont pas indépendants et il existe un fort couplage dans la plupart des systèmes. Par exemple,“Fonction de transfert horizontale« etDeux pics de résonance sont généralement affichés car le mouvement horizontal de la charge provoque un mouvement d'inclinaison et vice versa.

Quatre, Objectifs de conception des isolateurs de vibrations、Idées et compromis clés

（Un) etObjectifs de conception de base

Le cœur de la conception de l'isolateur de vibrations passif est « l'adaptation de la fréquence propre f₀ au rapport d'amortissement ζ», qui atteint deux grands objectifs:

(1) S'assurer que le système entre dans la zone d'isolation efficace des vibrations (R >), c'est - à - dire la fréquence de vibration principale f >f0

(2) Gardez le pic de résonance dans la plage de sécurité et évitez les dommages causés à l'appareil par la résonance.

Par conséquent, les objectifs de conception les plus centraux des isolateurs de vibrations sont très clairs- Oui.Selon la formule de fréquence intrinsèque，Réduire f₀ est agrandirLa clé d'une zone d'isolation vibratoire efficace - plus f₀ est bas, la fréquence de départ de la zone d'isolation vibratoire efficace (f0), plus bas, peut couvrir plus de scènes de vibrations à basse fréquence (telles que les vibrations 2 - 10hz communes au sol).Où: K est la rigidité de l'isolateur (plus il est "mou", mieux c'est) m est la masse portée par l'isolateur (plus il est "lourd", mieux c'est)- Oui.

(II) idées de conception spécifiques

Les idées de design sont donc clairesIl existe deux voies principales pour réduire f₀:

1. Réduction de la rigidité des éléments élastiques K optez pour des éléments élastiques « plus souples » qui réduisent la force nécessaire au déplacement unitaire et réduisent ainsi la rigidité du système. Par exemple:

L'isolateur flottant TMC utilise les caractéristiques de faible rigidité de l'air comprimé, la rigidité verticale peut être aussi faible que 10 N / M, ce qui permet au système f₀ de descendre à 1,5 - 2,0 Hz;

L'isolateur de vibration en caoutchouc réduit la rigidité en choisissant un matériau en caoutchouc de faible dureté (par exemple, la dureté Shaw de 30 à 50 degrés), adapté à l'isolation vibratoire à moyenne et basse fréquence.

2. Augmentation de la masse isolée m，Lorsque la rigidité de l'élément élastique est fixée, l'augmentation de la masse isolée peut directement réduire f₀.

Par exemple:

L'équipement optique de précision utilise généralement une plate - forme de granit de 500 à 1000 kg comme base, en augmentant M, en conjonction avec la faible valeur de K du ressort à air, de sorte que le système f₀ tombe en dessous de 2 Hz;

L'équipement d'inspection de semi - conducteur réduit le f₀ tout en augmentant la stabilité du système en chargeant le bloc de contrepoids en fonte (la masse peut atteindre plus de 200 kg). Compromis clé: "performance d'isolation vibratoire" vs "stabilité du système"

(trois) Compromis de conception clé

Il existe deux compromis principaux dans la conception d'isolation vibratoire passive, qui doivent être ajustés de manière flexible en fonction du scénario de l'équipement:

1, Compromis entre "faible f₀" et "stabilité statique"

Plus le système est « mou » (plus K est petit, plus f₀ est bas), mieux l’isolation vibratoire est efficace, mais plus le temps de récupération après une perturbation (par exemple, le déplacement du personnel, les mouvements internes de l’équipement) est long, moins la stabilité statique est bonne. Par exemple, il faut 5 à 10 secondes pour revenir à l'état de repos après une perturbation du système avec f₀ = 1 Hz; Alors que le temps de récupération du système pour f₀ = 5 Hz ne prend que 0,5 à 1 seconde.

Schéma d'optimisation: contrôle de la quantité de sédimentation statique tout en augmentant la résistance au basculement en optimisant le Centre de gravité de l'équipement (par exemple en abaissant la hauteur du Centre de gravité)Capacité à couvrir.

2, Droit à "l'inhibition de résonance" par rapport à "l'isolation efficace"Balance

L'augmentation de l'amortissement (ζ augmentation) diminue le pic de résonance, mais entraîne une augmentation de la valeur de t de la zone d'isolation efficace et une diminution de l'efficacité d'isolation; La réduction de l'amortissement (ζ réduit) augmente l'efficacité d'isolation efficace, mais augmente le pic de résonance.

Schéma d'optimisation: ajustement de ζ en fonction du rapport r de la fréquence d'excitation sur f₀:

Si R > 3 (fréquence d'excitation éloignée de f₀, faible risque de résonance): on prend un faible amortissement (ζ = 0,05 - 0,1) qui garantit préférentiellement un effet d'isolation efficace;

Si r = 1,5 - 2 (fréquence d'excitation proche de f₀, risque de résonance élevé): prendre un amortissement important (ζ = 0,2 - 0,3) et inhiber préférentiellement le pic de résonance.

CinqConception passive d'isolation vibratoire erreurs courantes et orientation optimisée

Dans la conception et l'option du schéma d'isolation passive des vibrations, les raisons pour lesquelles la compréhension des principes n'est pas profonde conduisent à de mauvais résultats, voici les trois erreurs courantes et les recommandations d'optimisation:

Mythe 1: poursuite aveugle des basses fréquences intrinsèques f₀

Question:Une réduction excessive de f₀ conduit à une quantité de sédimentation statique δStAugmenter considérablement, ce qui peut provoquer le renversement d'un équipement à Centre de gravité élevé, tel qu'une lithographie verticale, ou endommager définitivement un élément élastique, tel qu'un ressort, en raison d'une compression excessive; Dans le même temps, un f₀ trop faible prolonge le temps de récupération des perturbations du système, ce qui affecte la stabilité dynamique de l'appareil.

Orientation optimisée:Réglage raisonnable f₀ selon le scénario d'utilisation de l'appareil:

Environnement de vibration à basse fréquence (par exemple, Vibration au sol de laboratoire 2 - 5hz): f₀ contrôle à 1,5 - 2,5 Hz, assureF ₀ < 2hz, couvrant les vibrations basse fréquence;

Environnement de vibration à moyenne et haute fréquence (par exemple, Vibration 10 - 50hz dans l'atelier d'usine): contrôle f₀ à 3 - 5hz, équilibre entre la stabilité et l'effet d'isolation vibratoire; Contrôle strict de la quantité de sédimentation statique pour éviter les difficultés de nivellement.

Mythe 2: ignorer le double effet de l'amortissement, l'amortissement excessif

Question:Dans une partie de la conception, pour la poursuite de l '« Isolation induite par Ji », l'amortissement est trop réduit (ζ < 0,05), ce qui entraîne un pic de résonance tmax> 5, la précision de l'appareil est gravement compromise lorsqu'il fonctionne à la fréquence de résonance; Ou pour "éviter la résonance", l'amortissement est trop augmenté (ζ > 0,3), de sorte que la valeur de la zone d'isolation efficace T > 0,3 (efficacité d'isolation & lt; 70%) ne peut pas répondre aux besoins de l'équipement de précision.

Orientation optimisée:Ajustement de l'amortissement en fonction de la distribution de fréquence d'excitation:

On détecte d'abord la fréquence de vibration ambiante par la courbe VC, on détermine le rapport r de la fréquence de vibration principale F au système f₀;

Si R > 3, choisissez ζ = 0,05 - 0,1 (par exemple, un vibreur à flotteur d'air avec un amortisseur à faible amortissement);

Mythe 3: les éléments élastiques ne correspondent pas à la charge, déséquilibre de rigidité ou de capacité de charge

Problème: lorsque l'élément élastique est sélectionné, la rigidité et la capacité de charge ne sont pas exactement adaptées selon "poids de l'équipement + poids de la base":

Rigidité trop élevée (k trop grande): conduit à f₀ trop élevé, fréquence de départ de la zone d'isolation efficace des vibrationsF₀ > fréquence de vibration principale, aucun effet d'isolation vibratoire;

Capacité de charge insuffisante (charge nominale de l'élément élastique < charge réelle): déformation prolongée de l'élément élastique Yong, défaillance de la rigidité;

Capacité de charge excessive (la charge nominale est beaucoup plus grande que la charge réelle): la variable de forme de l'élément élastique est trop petite pour jouer le rôle de "support souple", f₀ est élevée.

Optimisation de la direction: calcul précis de la charge totale mtotal= poids de l'appareil + poids de la base, selon la valeur cible f₀, par la formuleCalcul de la rigidité requise; Lorsque vous sélectionnez un élément élastique, assurez - vous que sa charge nominale est mtotal1,2 - 1,5 fois pour éviter la surcharge ou le Sous - Chargement;

Lors de l'isolation de vibrations Multi - pivot (par exemple, 4 dispositifs de support d'isolateur de vibration), vous devez garantir que chaque charge pivot est uniforme et éviter les écarts de rigidité causés par des forces inégales sur les éléments élastiques.

sixRésumé de la pratique avec TMC

L'isolation des vibrations n'est pas "plus stricte, mieux c'est", mais plutôt la nécessité d'évaluer les résultats sur la base de la courbe VC, en combinaison avec les exigences de précision expérimentale, les caractéristiques vibratoires environnementales, le choix du Protocole. La raison pour laquelle la technologie d'isolation vibratoire de TMC est largement utilisée dans le domaine de la précision mondiale réside dans le fait qu'elle est toujours « basée sur la théorie et axée sur la scène».Du classique gimbal piston ™ Isolateur de vibrations à flotteur d'airàMaxdamp avec amortissement élevé ® La série, dont la conception suit strictement ces principes fondamentaux et l'ingénierie a été réalisée pour fournir aux clients des solutions d'isolation vibratoire dans différents scénarios d'application.

Le contenu suivant, nous nous concentrerons davantage sur la conception structurelle spécifique des produits d'isolation passive TMC, la méthode de sélection des paramètres et les cas d'application typiques de l'industrie,Aidez tout le monde à mieux comprendre le choix et l'application du Programme d'isolation passive des vibrations, attendez - vous à- Oui!

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