Прецизионные
технологические виброзащитные платформы для приборостроения
УДК 628.517.4, 539.3.
Юрьев Г.С., Родионов
А.И.
В статье говорится о новом классе виброизоляторов,
обеспечивающих заметное повышение точности выполняемых операций в
приборостроении. Известно, что этому мешает множество помех. И в первую очередь
вибрационных. Борьба с ними возможна путем виброизоляции
прецизионного оборудования: оно устанавливается на виброзащитные
столы и платформы, опорами которых служат виброизоляторы.
В НГТУ под руководством проф. Г.С. Юрьева разработаны принципиально новые
рессорно-пружинные анизотропно-упругие устройства - модули квазинулевой
жесткости. На их основе были созданы опытные и серийные прецизионные
технологические виброзащитные платформы для
оптико-электронного приборостроения, превосходящие по своим параметрам российские и зарубежные аналоги. В основу
их работы положен эффект аномального роста гистерезисных потерь и снижения собственной
частоты в модулях квазинулевой жесткости. Объяснение
этому эффекту дал проф. А.И. Родионов. Публикация посвящена обсуждению этих вопросов.
THE PRECITION TECHNOLOGICAL VIBRATION
PROTECTION PLATFORMS FOR DIVICE BUILDING
This
article deal with a new class of vibro- protection
systems providing noticeable increasing of precision of carried out operations
in device building. It is known that this is prevented by many obstacles first
of all vibration ones. Their liquidation is possible by means of vibro - protection of precision equipment which is
installed on vibration protection platforms the supports for these platforms
are vibroinsulators. In NSTU principally new modules
of quasi-zero rigidity were developed under the leadership of Professor G.S. Yuriev. Their basis experimental and serial precision
technological vibration protection platforms for optic electronic device
building were created. These platforms are better than their Russian and
foreign analogs as far as their parameters are concerned. As a basis of their
work the effect of abnormal increasing of hysteresis losses and decreasing of
their own frequency in modules of quasi-zero rigidity is placed used. This
effect was explained by professor A.I. Rodionov. The paper is dedicated to the discussion of these
problems.
Развитие новых технологий в оптическом и оптоэлектронном приборостроении
связано с повышением точности выполняемых операций, таких как совмещение,
позиционирование, обработка деталей, которые осуществляются на прецизионных
установках. Точность операций иногда достигает 0.01мкм и превосходит уровень
фоновой вибрации. Последняя вызывается движением
транспорта, работой виброактивных машин и агрегатов и
проявляется в виде перемещения фундаментов прецизионного оборудования. Уровень
этих помех может превосходить точность операций в десятки раз.
Борьба с
помехами возможна путем виброизоляции прецизионного оборудования: оно
устанавливается на виброзащитные столы и платформы,
опорами которых служат виброизоляторы. Однако
множество их конструкций не удовлетворяет современным требованиям.
В системах виброизоляции, разработанных на кафедре теоретической механики и
сопротивления материалов Новосибирского государственного технического
университета под руководством проф. Юрьева Г.С., с упругим элементом типа
рессоры-балки, жесткость которой снижается осевыми силами сжатия,
экспериментально наблюдался аномальный рост гистерезисных потерь. Это явление
наиболее заметно при минимальной жесткости балок, или инфранизкой
собственной частоте колебаний в системах “балка-масса” защищаемого объекта.
(0,3-0,5 Гц). Содержание экспериментов по исследованию эффекта роста гистерезисных
потерь и некоторые результаты описаны в [1]. Сущность этих исследований состоит
в том, что при статическом и циклическом деформировании продольно-сжатой балки
диссипация энергии внутри ее может аномально увеличиваться, если продольная
сила каким-либо способом приближается к критическому значению. Объяснение роста
гистерезисных потерь при стремлении продольно-сжимающей силы к критическому
значению было дано проф. Родионовым А.И. в рамках феноменологической
классической теории [2]. Оно будет приведено в конце работы. Такая
закономерность, помимо познавательного интереса, имеет большое практическое
значение, например, для осуществления необходимого демпфирования в
колебательных и виброзащитных системах, содержащих
упомянутые упругие элементы.
Еще в
80-90-е годы 20-го века проф. Юрьев Г.С. с коллегами начал разрабатывать
принципиально новые рессорно-пружинные анизотропно-упругие устройства (модули квазинулевой жесткости), работающие на основе этого эффекта
[3-5]. В них сочетаются функции нелинейно-упругого элемента с квазинулевой жесткостью и направляющих движение без
конструкционного, вредного трения. На базе этих элементов были разработаны
макетные и опытные виброзащитные устройства.
Наибольшее распространение получил упругий элемент в виде балки, рабочая
(поперечная) жесткость которой управляется и снижается до нуля за счет распора
- напряжений сжатия. Конструктивно балка выполнена заодно с опорной рамкой
(камертон), что устраняет дефекты сборки и конструкционное трение. Остаточное
внутреннее рассеяние энергии колебаний является наиболее целесообразным и во
многих случаях достаточным для ограничения размахов в импульсных и резонансных
режимах работы. Таким образом, нулевые значения упругих и диссипативных сил
являются по существу теоретическим пределом эффективности виброизоляции,
рекордное значение которой было получено при испытании наших образцов.
В реальных
конструкциях во избежание большой статической осадки и раскачивания защищаемых
объектов применяют нелинейно-упругий элемент с квазинулевой
жесткостью, что достигается за счет введения обратной связи между прогибом
балки и продольной в ней силой (вариация задаваемой начальной и рабочей форм
изгиба балки). При значительном отклонении балки от рабочей точки происходит
уменьшение распорной силы и восстановление жесткости – равновесия объекта.
При создании виброзащитных
устройств необходимо учитывать не только основные формы колебаний, но и всякого
рода “паразитные”. Если основная частота балки составляет 0.5 Гц, то ее
следующая частота достигает порядка 1 кГц, что удовлетворяет многих
потребителей. Сложнее убрать резонансы плиты-столешницы, поэтому используются
комбинированные многослойные, сотовые и ячеистые конструкции.
В эти же
годы по заданию предприятий оптической и электронной промышленности СССР был
создан типовой ряд универсальных столов и платформ для установки специального
технологического и контрольного оборудования с массой от 30кг до 1,5 тонн,
которые были использованы в производстве больших интегральных микросхем и
оптических систем. Тяжелые платформы, которые обычно применяются для защиты
оборудования с перемещающимися массами в рабочем процессе, имеют автоматическое
управление несущей способностью упругого подвеса для оптимизации режима
виброизоляции (минимальный коэффициент передачи) в реальном масштабе времени.
Причем это управление не входит в классификацию управляемых упругих подвесов и
происходит без изменения жесткости и, следовательно, эффективности
защиты. Каждый узел управления подвесом содержит оптический датчик
положения рабочего стола и двигатель-редуктор настройки несущей способности
подвеса.
Результаты
лабораторных и опытно-промышленных испытаний образцов виброзащитных
платформ показали практическую их полезность и соответствие характеристик
расчетным моделям. По коэффициенту передачи при виброизоляции эти платформы
превосходили аналогичные отечественные и зарубежные устройства. Для сравнения
приведем значения коэффициента передачи вибрации разработанных (с участием
промышленного объединения "Обь", г. Искитим) платформ и аналогичных фирмы "Ньюпорт",
США, в которых применены пневматические упругие элементы.
Частота
возбуждения, Гц
2 4 8 16
Коэффициент передачи
вибрации:
наш вариант - 0,35 0,08
0,022 0,0075
фирмы
"Ньюпорт" _
1,8 0,44 0,077
0,014
Точность работы одной из прецизионных технологических
установок при использовании нашей виброзащитной
платформы была повышена в 50 раз (НИИ "Восток", г.
Новосибирск) и достигла величины 0.01 мкм.
Приведем
объяснение роста гистерезисных потерь в наших модулях квазинулевой
жесткости. Рассмотрим случай статического нагружения.
Традиционно учет внутренних потерь осуществляется через коэффициент поглощения
Ψ [6-8].
(1)
- потери энергии в
стержне за цикл нагружения;
- энергия упругой деформации. Такой способ учета
внутренних потерь правомочен, когда 
и не являются
функциями параметра 
. Здесь 
, 
- критическая эйлерова сила.
Однако, если хотя бы одна из этих величин является функцией, то оценку потерь энергии за цикл нагружения
можно сделать по теореме о среднем
(2).
Анализ выражений
(1,2) укажет на наличие или отсутствие аномального роста потерь при 
. Согласно [6] внутренняя энергия балки равна
, (3)
тогда 
(4)
Здесь 
и в последней
сумме величина заменена на
единицу, что мало влияет на результат, так как ряд является быстросходящимся.
Анализ формулы (4) показывает, что при должен наблюдаться
рост гистерезисных потерь, что и имеет место в эксперименте.
Рассмотрим динамический вариант
решения задачи. В этом случае объясним эффект в рамках модели с комплексным модулем Юнга. Как известно [9], введение
комплексного модуля упругости автоматически закладывает наличие гистерезисных потерь
любой природы. Рассмотрим эту модель.
Пусть 
- мало. В этом
случае уравнение поперечных колебаний стержня примет вид
(5)
и 
Здесь 
,
причем
При гармоническом
возбуждении добротность системы для каждой моды примет вид
(6)
Анализ приведенных
формул показывает, что через небольшой промежуток времени колебание балки будет
протекать на своей первой форме. В этом случае ее добротность будет
определяться выражением
. (7)
Анализ (7) однозначно показывает, что при 
добротность балки
будет падать. Это указывает на рост гистерезисных потерь при стремлении сжимающей
силы к критическому значению.
Таким образом, наличие эффекта роста гистерезисных потерь и уменьшения
основной собственной частоты колебания системы при стремлении значения
сжимающей силы к критической эйлеровой силе считаем
доказанным.
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юрьев, Г.С. Состояние совершенной неупругости твердого тела / Г.С. Юрьев // Изв. СО АН СССР– 1988.: сер.
техн. науки. - № 11. – С.101-105.
2. Родионов, А.И. Об аномальном росте гистерезисных потерь в продольно-сжатых
элементах стержневых виброизоляторов при стремлении
сжимающих к критическому значению. / А.И.Родионов, Г.С.Юрьев // Вопросы
динамики механических систем: сб.науч.
тр. / Новосиб. эл.-тех. ин-т; отв.ред. Г.С. Мигиренко.– Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1989. – С.107-112.
3.
Юрьев, Г. С. Виброзащитные
устройства для прецизионного технологического оборудования в производстве БИС и
СБИС / Г.С. Юрьев, Б.К. Бахтерев, В.И. Лазарев //
Электронная промышленность. – 1990. - № 5. – С.33-36.
4.
Пат. 2093730 РФ, МКИ6 F16F 13/00. Виброзащитная платформа / Г.С. Юрьев //
Изобретения. - 1992.
5.
Пат. 1155803 РФ, МКИ6 F16F 13/00; F16F 3/02. Амортизатор./ Г.С. Юрьев // Изобретения. -1993.
6.
Тимошенко, С.П. Статические и динамические проблемы
теории упругости: монография / С.П.Тимошенко – Киев: Наукова
думка, 1975. – 564 с.
7.
Постников В.С. Внутреннее трение в металлах: монография /
В.С. Постников – М.: Металлургия, 1974. – 352 с.
8.
Шпигельбурд, И.Я. Некоторые вопросы учета внутреннего трения в материале при
колебаниях элементов конструкций: учеб. пособие / И.Я. Шпигельбурд; Новосиб. электро-техн. ин-т. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1970. - 39 с.
9. Вибрации в технике: Справочник. В 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.). – М.: Машиностроение, 1978. – Т.I. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина.
– 1978. – 352 с.
