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负刚度与主动隔振在临界纳米精度应用中的对比

发布时间:2021-02-04 11:47:08 浏览量:119 作者:Richard

摘要

在低频干扰的环境中隔振,需要满足隔振系统的固有频率足够小,这在工艺和弹性元件选择上都有一定的困难。此处提供一种通过刚性

弹簧与负刚度结构相结合的方法,在低频隔振上实现优良的性能。

正文



在研究和制造的许多领域中,对纳米精度的需求变得越来越重要,这些领域包括了微电子制造,激光/光学系统的应用和生物学研究。

这也意味着需要振动隔离技术,以便更好地操作敏感仪器,例如原子力显微镜,扫描隧道显微镜,激光干涉仪和光学陀螺仪。


气动(气体或空气加压)隔振台曾经是学术界和工业界最关键的微型机械设备的支柱,但如今在隔离破坏性低频振动方面却表现不理

想。在建筑物中将敏感的仪器放置在承受极高振动水平的位置上的趋势正在增长,这是气动隔振台的重要障碍,意味着需要新的隔振解

决方案来替代。


振动源

纳米级仪器对由多种因素引起的极小的有效载荷振动都表现敏感。每个结构(建筑)都会从内部和外部源传递振动。在建筑物中、供暖

和通风系统、风扇、泵和电梯产生的振动只是一部分,在建筑物外部,附近的道路交通、建筑物、飞机、甚至还有其它产生振动的机械

装置。仪器受振动的影响程度取决于仪器在建筑物中的位置以及与振动源的距离。

负刚度隔离器原理图

隔振关键应用

在过去的25年中,两种隔振技术因其在纳米级仪器隔振能力而受到关注,即主动振动隔离(也称电动除振)和负刚度振动隔离(也称

为作为被动隔振)。


主动和负刚度隔振都是为需要生产或测量小于微米结构的应用而独特配置的,这些技术提供的功能通常是气动隔振台无法实现的。


主动隔振

主动隔振系统已经使用了半个多世纪,由于更复杂的电子设备和控制器的出现,在1990年代中期开始才广泛用于精密应用。


这些系统使用电子设备感应运动,然后施加校正力以抵消振动。它们采用传感器,变频器和执行器的组合,这些都是由算法控制以减弱

振动。传感器检测沿X,Y和Z轴的振动,并将此信息发送到控制器,然后控制器将信号发送到执行器以减少振动。


主动隔振系统使用反馈控制,但也可以使用前馈控制来衰减振动。反馈主动控制系统会连续监视所控制的平台,并根据获取到的振动数

据修改其输出。具体来说,它可以测量引起振动的力,并将校正信号发送到驱动器以减小振动。


前馈主动控制系统以预定义的方式来控制输入振动。如果可以很好地了解受控力(振动)的行为,例如在平台运动,阀门等产生脉冲的

情况下,则可以部署这种类型的控制系统。前馈主动控制系统已经具有了关振动的信息,并可以用所需的力来抵消振动。


反馈主动控制系统必须平衡响应于传入振动惯性的反馈的复杂性,以实现较高的精度。如果将初始反馈水平地应用于传入的低频振动,

这将具有挑战性。反馈和前馈有源控制系统均使用六自由度(DOF)方向,由三个线性轴和三个旋转轴组成。使用水平驱动驱动器

(X,Y和yaw)控制水平自由度,对水平耦合造成了倾斜问题通过加速有效载荷,可能会产生不良结果,从性能下降到实际增加振

动。


使用水平驱动执行器(X、Y和偏航})控制的水平DOF,当有效载荷被水平驱动器横向推进并倾斜时,会产生水平耦合倾斜的问题,惯性

传感器读取倾斜并试图通过加速有效载荷来纠正倾斜。这可能会产生不想要的结果,可能导致性能下降和增加振动。


负刚度隔振器水平运动图

负刚度隔振

负刚度隔振器于1990年代中期问世,在临界震动应用中应用广泛,这主要是因为它们能够有效地隔离垂直和水平方向的低频振动。


这些隔离器的工作方式与主动隔振系统完全不同,即以被动机械方式运行,不需要使用空气或电力,因此不需要使用电路,电机或泵。


垂直运动的负刚度隔振是通过支撑负重的刚性弹簧与负刚度结构组合提供的。在不影响弹簧的静态载荷支撑能力的情况下,使它的净垂

直刚度非常低。与垂直运动隔离器串联的梁柱可提供水平运动隔离。梁柱的作用类似于结合负刚度结构的刚性弹簧。


负刚度隔振器具有很高的性能,这是通过振动传递曲线测得的。振动传递率量度的是相对于输入振动通过隔离器传递的振动。


负刚度隔振器通常在0.5 Hz处谐振。大多数建筑在该频率区域几乎没有振动。在0.5 Hz处发现明显的振动将是非常不寻常的。频率高于

0.7 Hz的振动会随着频率的增加而迅速衰减。负刚度隔振器在2 Hz时达到大约93%的隔离效率,在5 Hz时达到99%的隔离效率,在10

 Hz时达到99.7%的隔离效率。


负刚度隔振器的水平固有频率为0.5至1.5 Hz(取决于型号),而垂直固有频率为0.5 Hz。当不需要较低的谐振频率时,它们可以灵活

地定制较高的谐振频率。


*请注意,对于固有频率为0.5 Hz的隔离系统,隔离始于0.7 Hz,隔振效果随着振动频率的增加而提高。固有频率更常用于描述系统性能。

负刚度隔振器垂直运动图


Minusk负刚度被动隔振

系统的比较

主动隔振系统和负刚度隔振器都具有各自的操作特性和功能,这可能会使其中一种更适合于某种应用。以下是要考虑的一些其他比较。


动态范围

主动隔振系统的电机范围有限,它会漏掉太大或太小的振动输入,太大的振动会导致系统进入正反馈状态,而太小的振动甚至可能无法

检测到。


负刚度隔振器具有很大的动态范围,也就是说,它在整个频谱的大部分范围内都具有较高的隔离度。根据模型,它可以处理从零到大约

+/- 0.1 英寸,或更大的振幅的振动。


负刚度隔振器可以放在任何典型的实验室工作台上,而不会影响其隔振能力。


组件噪声

有源隔振系统受反馈回路中每个组件的噪声影响。这包括传感器,变频器,执行器,放大器等。这限制了主动隔振系统在低振动环境中

的运行能力,最终限制了其隔振能力。


负刚度隔振器不使用任何上述部件,因此不受同样的限制。


负刚度被动隔振


桌面主动隔振


电缆

主动隔振系统可以通过异常坚硬的电缆来传递振动。处理电缆始终很重要。大多数电缆,如果运行正常不会造成问题,但有时电缆会很

硬或不能灵活地运行。负刚度隔振器可能有助于去除某些特定的振动。


调整有效负载

主动隔振系统在打开时会自动执行大部分有效负载调整。负刚度隔离器需要在有效载荷发生变化时进行简单的手动调整。


位置的灵活性

主动隔振系统必须在刚性非常大的结构上才能发挥其理论上的最佳性能。例如,如果把它放在一个100磅轻的实验室桌子上,上面有一

个250磅的仪器,则隔振可能会出现问题。主动隔振系统的工作原理是向有效载荷施加力,以减少振动。当有效载荷的重量超过工作台

的重量和/或工作台的刚性不是很高时,工作台将在施加校正力时移动。这可能会导致性能下降。


负刚度隔振器可以放在任何典型的实验室工作台上,而不会影响其隔振能力。对于垂直和水平矢量中的低频振动,它提供了很高的隔离

效率,使敏感的仪器可以放置在生产设备或实验室的任何地方,无论是在地下室还是在震动严重的第六层。


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