eng
Выпуск #3-4/2022
В.П.Михайлов, А.А.Копылов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Просмотры: 914
DOI: 10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.232.238
Дано описание платформы, содержащей демпферы на основе магнитореологического (МР) эластомера для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. Представлены результаты экспериментальных исследований активного демпфера и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Дано описание платформы, содержащей демпферы на основе магнитореологического (МР) эластомера для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. Представлены результаты экспериментальных исследований активного демпфера и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Теги: active and passive vibration isolation damper magnetorheological elastomer vibration amplitude transfer coefficient vibration isolation активная и пассивная виброизоляция виброизоляция демпфер коэффициент передачи амплитуды виброперемещений магнитореологический эластомер
Получено: 25.04.2022 г. | Принято: 30.04.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.232.238
Научная статья
RESEARCH OF THE PLATFORM FOR ACTIVE VIBRATION ISOLATION OF THE NANOTECHNOLOGICAL EQUIPMENT
В.П.Михайлов1, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
А.А.Копылов1, аспирант, ORCID: 0000-0001-5528-6518
Аннотация. Дано описание платформы, содержащей демпферы на основе магнитореологического (МР) эластомера для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. Представлены результаты экспериментальных исследований активного демпфера и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Ключевые слова: магнитореологический эластомер, виброизоляция, активная и пассивная виброизоляция, демпфер, коэффициент передачи амплитуды виброперемещений
Для цитирования: В.П. Михайлов, А.А. Копылов. Исследование платформы для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 3–4. С. 232–238.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.232.238
ВВЕДЕНИЕ
Для защиты нанотехнологического оборудования (оборудования для микро- и нанолитографии, электронных микроскопов, сканирующих зондовых микроскопов и др.) от внешних вибрационных возмущений применяются различные типы виброизолирующих систем (пневматических, гидравлических, пьезоэлектрических и др.), которые подразделяются на пассивные и активные [1–3].
Пассивные системы эффективно подавляют вибрации при частотах более 50 Гц, при этом в низкочастотной области такие системы малоэффективны, так как не могут скомпенсировать резонансные явления. Для виброизоляции в низкочастотном диапазоне применяют системы активной виброизоляции, использующие энергию дополнительного источника. Наибольшей эффективностью обладают современные системы, объединяющие в себе активную и пассивную виброизоляцию [4–9].
Описание платформы и демпфера для активной виброизоляции с замкнутой системой управления
Платформа для активной виброизоляции (рис.1) представляет собой две плиты, между которыми располагаются четыре узла пассивной системы квазинулевой жесткости на основе упругой подвески с массовыми корректорами и четыре активных демпфера на основе магнитореологического (МР) эластомера [10–14].
Для проведения исследований активного демпфера был собран стенд, общий вид которого показан на рис.2, а схема на рис.3. Активный демпфер I (рис.3) содержит жесткий центр 1, мембрану 2 из МР эластомера, корпус 3, электромагнитную катушку 4, сердечник 5, основание демпфера 6.
Активный демпфер (поз. I на рис.3) работает следующим образом. При подаче управляющего тока в электромагнитную катушку 4 в магнитопроводе возникает замкнутое магнитное поле. Между сердечником 5 и мембраной 2 из МР эластомера формируется осевое магнитное поле с заданной индукцией. Под действием магнитной индукции мембрана 2 из МР эластомера начинает деформироваться в осевом направлении в пределах воздушного зазора и перемещать жесткий центр 1.
На основание демпфера 6 действуют периодические колебания с заданными характеристиками, генерируемые винтовым виброзадатчиком. Амплитуда перемещений, создаваемых виброзадатчиком, обусловлена шагом резьбы винтовой передачи и углом поворота шагового двигателя 9. Винтовая передача содержит гайку 7 с толкателем и ходовой винт 8. Величина амплитуды перемещений рассчитывается заранее для обеспечения рабочего хода до 0,5 мм. Частота вибраций задается и регулируется во время эксперимента генератором сигналов Rigol DG1022. Принцип работы виброзадатчика следующий: в драйвер шагового двигателя 9 подаются напряжение питания и сигнал с требуемой частотой вибрации с генератора сигналов Rigol DG1022. Шаговый двигатель 9 передает вращение на ходовой винт 8, на котором установлена гайка 7. С целью преобразования вращения ходового винта в линейное перемещение гайка 7 фиксирована от поворота и жестко соединена с основанием демпфера 6, обеспечивая точность перемещения демпфера.
Замкнутая система автоматического управления активным демпфером (рис.3) включает в себя микроконтроллер STM32F407VET6 на отладочной плате, блок усилителей (БУ), блок АЦП/ЦАП USB-6009АЦП для чтения показаний емкостных датчиков перемещения Д1, 2, 3 с контроллером датчиков DL6220/ECL2, ЦАП1 для передачи аналогового сигнала на блок усилителей, дисплей персонального компьютера (ПК) для вывода отладочной информации.
САУ обеспечивает обработку показаний емкостных датчиков перемещения, а также выдачу управляющего сигнала, передаваемого на блок усилителей и затем поступающего в электромагнитную катушку демпфера, создавая необходимое перемещение. Управляющая программа реализует алгоритм управления по закону ПИ регулятора.
Обработка результатов экспериментов
В ходе исследований был проведен эксперимент на частоте 2 Гц. На рис.4 представлен график зависимости перемещения от времени для датчиков Д1 и Д2, на котором показано сравнение работы системы управления на персональном компьютере, снижающее амплитуды вибрации со 150 до 20–25 мкм и системы управления на микропроцессоре, снижающее амплитуды вибрации со 150 до 10–15 мкм.
Были проведены также эксперименты в диапазоне частот от 0,5 до 20 Гц и определены зависимости коэффициента передачи амплитуды виброперемещений (КПАВ) от частоты внешних возмущений для замкнутых систем автоматического управления, реализованных на персональном компьютере и микроконтроллере (рис.5). КПАВ показывает, какая доля виброперемещений передается при вибрациях с основания демпфера на жесткий центр мембраны из МР-эластомера. Этот параметр важен для оценки эффективности работы активного демпфера и платформы в целом, то есть для оценки ее виброизолируюших свойств:
, (1)
где А1 – амплитуда виброперемещений жесткого центра; А0 – амплитуда виброперемещений основания демпфера.
График на рис.5 демонстрирует заметное увеличение эффективности виброизоляции в области низких частот для замкнутой системы управления, реализованной на микроконтроллере по сравнению с системой управления на основе персонального компьютера. Полученные результаты показывают, что активный демпфер с замкнутой системой управления на основе микроконтроллера STM32 способен эффективно уменьшать амплитуду виброперемещений в диапазоне опасных для нанотехнологического оборудования частот 0,5–10 Гц, при этом коэффициент передачи амплитуды виброперемещений находится в диапазоне 0,01…0,1.
ВЫВОДЫ
Для защиты нанотехнологического оборудования от внешних вибраций целесообразно использование активных демпферов и виброизолирующих платформ на основе магнитореологических эластомеров.
Наибольшей эффективностью виброзащиты обладает система, объединяющая в себе активную и пассивную виброизоляцию, в частности активную систему на основе МР-демпферов и пассивную систему квазинулевой жесткости на основе упругой подвески с массовыми корректорами.
Активный демпфер на основе МР-эластомера с замкнутой системой управления на микроконтроллере STM32 эффективно уменьшает вибрации в диапазоне частот 0,5–10 Гц с коэффициентом передачи амплитуды виброперемещений 0,01…0,1.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wigglesworth W., Jordan S. Semicond. Int., 2009, 32, 10, pp. 4–26.
Würzburg B.H., Grossenlupnitz R.R. US Patent No. 20080318045 A1. Appl. No. 11/574397, 25.08.2005, Date of Patent 27.08.2004.
Gruzevich Yu.K., Soldatenkov V.A., Achil’diev V.M., Levkovich A.D., Bedro A.N., Komarova M.N., Voronin I.V. Journal of Optical Technology. 2018. Vol. 85, Issue 5, PP. 308–313. https://doi.org/10.1364/JOT.85.000308
Электронный источник: Active Vibration Isolation. Accurion. http://www.accurion.com.
Ovchinnikov I., Brancevich P. 2017. Procedia Engineering. 176, PP. 610–617. https://10.1016/j.proeng.2017.02.304
Krestnikovskiy K.V., Panovko G.Ya., Shokhin A.E. 2016. Vibroengineering Procedia. Vol. 8. PP. 208–212.
Panovko G., Shokhin A., Eremeykin S. 2016. Vibroengineering Procedia. Vol. 8. PP. 174–178 (in Russian).
Chernikov S.A. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2015. 44. P. 439. https://doi.org/10.3103/S1052618815050052
Электронный источник: Micro-Epsilon capaNCDT 6200. https://www.microepsilon.com/download/manuals/man--capaNCDT-6200-en.pdf (дата обращения: 16.05.2019).
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. PP. 266–268. https://10.1016/j.jmmm.2016.10.007
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Dolinin P.A., Stepanov G.V. Instruments and Experimental Techniques. 2018. Vol. 61. No. 3. PP. 427–432.
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Dolinin P.A., Stepanov G.V. Russian Engineering Research, 2018. Vol. 38. No. 6. PP. 434–437. https://10.3103/S1068798X18060138
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Kazakov A.V., Rotar A.P., Ivanova D.A. Active vibration isolation of high-vacuum nanotechnology equipment. Journal of Physics: Conf. Series 1313. 2019. P. 012041. https://10.1088/1742-6596/1313/1/012041
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Kazakov A.V. Active vibration isolation of nanotechnology equipment. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 709. 2020. P. 044046 https://10.1088/1757-899X/709/4/044046
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Научная статья
RESEARCH OF THE PLATFORM FOR ACTIVE VIBRATION ISOLATION OF THE NANOTECHNOLOGICAL EQUIPMENT
В.П.Михайлов1, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
А.А.Копылов1, аспирант, ORCID: 0000-0001-5528-6518
Аннотация. Дано описание платформы, содержащей демпферы на основе магнитореологического (МР) эластомера для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. Представлены результаты экспериментальных исследований активного демпфера и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Ключевые слова: магнитореологический эластомер, виброизоляция, активная и пассивная виброизоляция, демпфер, коэффициент передачи амплитуды виброперемещений
Для цитирования: В.П. Михайлов, А.А. Копылов. Исследование платформы для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 3–4. С. 232–238.
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.3-4.232.238
ВВЕДЕНИЕ
Для защиты нанотехнологического оборудования (оборудования для микро- и нанолитографии, электронных микроскопов, сканирующих зондовых микроскопов и др.) от внешних вибрационных возмущений применяются различные типы виброизолирующих систем (пневматических, гидравлических, пьезоэлектрических и др.), которые подразделяются на пассивные и активные [1–3].
Пассивные системы эффективно подавляют вибрации при частотах более 50 Гц, при этом в низкочастотной области такие системы малоэффективны, так как не могут скомпенсировать резонансные явления. Для виброизоляции в низкочастотном диапазоне применяют системы активной виброизоляции, использующие энергию дополнительного источника. Наибольшей эффективностью обладают современные системы, объединяющие в себе активную и пассивную виброизоляцию [4–9].
Описание платформы и демпфера для активной виброизоляции с замкнутой системой управления
Платформа для активной виброизоляции (рис.1) представляет собой две плиты, между которыми располагаются четыре узла пассивной системы квазинулевой жесткости на основе упругой подвески с массовыми корректорами и четыре активных демпфера на основе магнитореологического (МР) эластомера [10–14].
Для проведения исследований активного демпфера был собран стенд, общий вид которого показан на рис.2, а схема на рис.3. Активный демпфер I (рис.3) содержит жесткий центр 1, мембрану 2 из МР эластомера, корпус 3, электромагнитную катушку 4, сердечник 5, основание демпфера 6.
Активный демпфер (поз. I на рис.3) работает следующим образом. При подаче управляющего тока в электромагнитную катушку 4 в магнитопроводе возникает замкнутое магнитное поле. Между сердечником 5 и мембраной 2 из МР эластомера формируется осевое магнитное поле с заданной индукцией. Под действием магнитной индукции мембрана 2 из МР эластомера начинает деформироваться в осевом направлении в пределах воздушного зазора и перемещать жесткий центр 1.
На основание демпфера 6 действуют периодические колебания с заданными характеристиками, генерируемые винтовым виброзадатчиком. Амплитуда перемещений, создаваемых виброзадатчиком, обусловлена шагом резьбы винтовой передачи и углом поворота шагового двигателя 9. Винтовая передача содержит гайку 7 с толкателем и ходовой винт 8. Величина амплитуды перемещений рассчитывается заранее для обеспечения рабочего хода до 0,5 мм. Частота вибраций задается и регулируется во время эксперимента генератором сигналов Rigol DG1022. Принцип работы виброзадатчика следующий: в драйвер шагового двигателя 9 подаются напряжение питания и сигнал с требуемой частотой вибрации с генератора сигналов Rigol DG1022. Шаговый двигатель 9 передает вращение на ходовой винт 8, на котором установлена гайка 7. С целью преобразования вращения ходового винта в линейное перемещение гайка 7 фиксирована от поворота и жестко соединена с основанием демпфера 6, обеспечивая точность перемещения демпфера.
Замкнутая система автоматического управления активным демпфером (рис.3) включает в себя микроконтроллер STM32F407VET6 на отладочной плате, блок усилителей (БУ), блок АЦП/ЦАП USB-6009АЦП для чтения показаний емкостных датчиков перемещения Д1, 2, 3 с контроллером датчиков DL6220/ECL2, ЦАП1 для передачи аналогового сигнала на блок усилителей, дисплей персонального компьютера (ПК) для вывода отладочной информации.
САУ обеспечивает обработку показаний емкостных датчиков перемещения, а также выдачу управляющего сигнала, передаваемого на блок усилителей и затем поступающего в электромагнитную катушку демпфера, создавая необходимое перемещение. Управляющая программа реализует алгоритм управления по закону ПИ регулятора.
Обработка результатов экспериментов
В ходе исследований был проведен эксперимент на частоте 2 Гц. На рис.4 представлен график зависимости перемещения от времени для датчиков Д1 и Д2, на котором показано сравнение работы системы управления на персональном компьютере, снижающее амплитуды вибрации со 150 до 20–25 мкм и системы управления на микропроцессоре, снижающее амплитуды вибрации со 150 до 10–15 мкм.
Были проведены также эксперименты в диапазоне частот от 0,5 до 20 Гц и определены зависимости коэффициента передачи амплитуды виброперемещений (КПАВ) от частоты внешних возмущений для замкнутых систем автоматического управления, реализованных на персональном компьютере и микроконтроллере (рис.5). КПАВ показывает, какая доля виброперемещений передается при вибрациях с основания демпфера на жесткий центр мембраны из МР-эластомера. Этот параметр важен для оценки эффективности работы активного демпфера и платформы в целом, то есть для оценки ее виброизолируюших свойств:
, (1)
где А1 – амплитуда виброперемещений жесткого центра; А0 – амплитуда виброперемещений основания демпфера.
График на рис.5 демонстрирует заметное увеличение эффективности виброизоляции в области низких частот для замкнутой системы управления, реализованной на микроконтроллере по сравнению с системой управления на основе персонального компьютера. Полученные результаты показывают, что активный демпфер с замкнутой системой управления на основе микроконтроллера STM32 способен эффективно уменьшать амплитуду виброперемещений в диапазоне опасных для нанотехнологического оборудования частот 0,5–10 Гц, при этом коэффициент передачи амплитуды виброперемещений находится в диапазоне 0,01…0,1.
ВЫВОДЫ
Для защиты нанотехнологического оборудования от внешних вибраций целесообразно использование активных демпферов и виброизолирующих платформ на основе магнитореологических эластомеров.
Наибольшей эффективностью виброзащиты обладает система, объединяющая в себе активную и пассивную виброизоляцию, в частности активную систему на основе МР-демпферов и пассивную систему квазинулевой жесткости на основе упругой подвески с массовыми корректорами.
Активный демпфер на основе МР-эластомера с замкнутой системой управления на микроконтроллере STM32 эффективно уменьшает вибрации в диапазоне частот 0,5–10 Гц с коэффициентом передачи амплитуды виброперемещений 0,01…0,1.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wigglesworth W., Jordan S. Semicond. Int., 2009, 32, 10, pp. 4–26.
Würzburg B.H., Grossenlupnitz R.R. US Patent No. 20080318045 A1. Appl. No. 11/574397, 25.08.2005, Date of Patent 27.08.2004.
Gruzevich Yu.K., Soldatenkov V.A., Achil’diev V.M., Levkovich A.D., Bedro A.N., Komarova M.N., Voronin I.V. Journal of Optical Technology. 2018. Vol. 85, Issue 5, PP. 308–313. https://doi.org/10.1364/JOT.85.000308
Электронный источник: Active Vibration Isolation. Accurion. http://www.accurion.com.
Ovchinnikov I., Brancevich P. 2017. Procedia Engineering. 176, PP. 610–617. https://10.1016/j.proeng.2017.02.304
Krestnikovskiy K.V., Panovko G.Ya., Shokhin A.E. 2016. Vibroengineering Procedia. Vol. 8. PP. 208–212.
Panovko G., Shokhin A., Eremeykin S. 2016. Vibroengineering Procedia. Vol. 8. PP. 174–178 (in Russian).
Chernikov S.A. Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2015. 44. P. 439. https://doi.org/10.3103/S1052618815050052
Электронный источник: Micro-Epsilon capaNCDT 6200. https://www.microepsilon.com/download/manuals/man--capaNCDT-6200-en.pdf (дата обращения: 16.05.2019).
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. PP. 266–268. https://10.1016/j.jmmm.2016.10.007
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Dolinin P.A., Stepanov G.V. Instruments and Experimental Techniques. 2018. Vol. 61. No. 3. PP. 427–432.
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Dolinin P.A., Stepanov G.V. Russian Engineering Research, 2018. Vol. 38. No. 6. PP. 434–437. https://10.3103/S1068798X18060138
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Kazakov A.V., Rotar A.P., Ivanova D.A. Active vibration isolation of high-vacuum nanotechnology equipment. Journal of Physics: Conf. Series 1313. 2019. P. 012041. https://10.1088/1742-6596/1313/1/012041
Mikhailov V.P., Bazinenkov A.M., Kazakov A.V. Active vibration isolation of nanotechnology equipment. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 709. 2020. P. 044046 https://10.1088/1757-899X/709/4/044046
Декларация о конфликте интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
