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精密设备的被动及主动振动控制对策

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被动隔振和主动隔振的性能比较
在以半导体制造为代表的微纳加工(包括检测和分析)过程中,设备要求其使用环境处在允许的微振动范围以内。因此,工艺流程中使用的制造设备和测试设备通常都有对安装场地的振动允许值设定。在环境振动超过允许值的场合,需要根据设备的要求,采取相应的隔振措施。本实例结合工厂的实测振动数据,通过对比被动隔振和主动隔振的性能来介绍被动隔振与主动隔振的差别

空气弹簧隔振系统与被动・主动控制隔振方式

通常的隔振措施是使用弹性体支撑设备,减少从安装场地传递到设备的振动(如图1所示)。 弹性材料的类型和特性决定了基本的隔振性能,材料越软,隔振性能越高。
当隔振对象是精密设备时,常使用空气弹簧作为弹性元件,主要理由如下
・ 可通过增加附加气室将设计低固有频率以达到高隔振效果
・ 能对应非均布载荷。可调整每个支撑点的悬浮水平达到水平面调平
・ 可通过调节气路中的节流口来调整阻尼
这种利用弹性体的弹簧特性进行振动隔振的方式被称为「被动振动隔离」。在此基础上,附加有主动控制系统(用于反馈控制和前馈控制的加速度传感器,用于位置控制的位移传感器,执行器和控制器)的隔振方式被称为「主动隔振」。

采用被动隔振的场合有下述缺陷
・不可避免地存在着伴随弹簧特性(固有频率)的振动增幅
・在固有频率附近的频段,隔振台上的振动大于场地振动
・姿势稳定性差(特别是在有设备工件台等直接扰动力施加的场合,位移响应大,振动收敛时间长)
主动隔振改善了上述不足之处,既可抑制和隔离固有频率附近的振动放大,而且,可实现微米量级的位置和姿势复原控制。
被动隔振与主动隔振的传递特性如图2所示。

主动隔振作为高性能隔振系统,适合于对安装场地微振动环境要求严格的精密设备,可应用于需要精确姿势控制和高产量的设备。



图1 隔振系统模型
(1自由度模型)



图2 被动隔振与主动隔振的性能比较
(频域特性)

精密设备的振动环境测试实例(精密设备与隔振系统简介)

表1为隔振对象的精密设备和隔振系统的简介。被动隔振系统是FPD制造设备的隔振实例,主动隔振系统是电子显微镜的隔振实例。虽然两种设备的重量和尺寸不同,但安装场地的振动环境几乎等同。因此,就此对比被动隔振系统和主动隔振系统的性能效果。(两种设备都安装在中间楼层。场地的振动数据参见图3,图4)

  • 表1 精密设备与隔振系统简介

振动测试结果(根据VC振动标准进行隔振效果比较)

图3,图4是垂直方向的地板面振动数据(红线)和隔振台面的振动数据(蓝线)。被动隔振实例(图3)和主动隔振实例(图4)都显示出良好的隔振性能。但是,采用被动隔振方式时,可见圆圈处4Hz以下的频带,隔振台面的振动大于地板面的振动。此处便是伴随被动隔振系统弹簧特性的振幅增幅范围。根据VC振动标准评价,对比主动隔振效果达到VC-F,可见被动隔振因为有增幅发生,隔振效果只达到VC-C为止。

  • 图3 被动隔振系统振动测试结果
    (VC振动标准分析)

  • 图4 主动隔振系统振动测试结果
    (VC振动标准分析)

振动测试结果(根据传递特性进行隔振效果比较)

隔振系统的传递特性如图5·,图6所示。图5,图6显示了表示隔振系统性能的地板到隔振台面的振动比率。0dB(分贝)表示地板面与隔振台面的振动相同(1:1),如果比值小于0 dB表示隔振有效(反之,如果比值大于0dB,表示隔振台面振动大于地板面振动)。
图5为被动隔振实例的传递特性。图中圆圈处可见2.5Hz的峰值,此为被动隔振系统的固有频率,振动在此频率附近放大。与此对比,是图6主动隔振实例的传递特性。可见无振幅增幅, 100Hz以下全频率范围内实现了隔振。

  • 图5 被动隔振系统振动测试结果
    (地板到隔振台上的传递特性)

  • 图6 主动隔振系统振动测试结果
    (地板到隔振台上的传递特性)

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