eng
Выпуск #5/2023
В.П.Михайлов, А.А.Копылов
ПЛАТФОРМА ДЛЯ АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ПЛАТФОРМА ДЛЯ АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Просмотры: 560
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
Даны результаты математического моделирования системы автоматического регулирования активного демпфера на основе магнитореодогического эластомера в среде Simulink MATLAB. Представлены результаты экспериментальных исследований платформы и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Даны результаты математического моделирования системы автоматического регулирования активного демпфера на основе магнитореодогического эластомера в среде Simulink MATLAB. Представлены результаты экспериментальных исследований платформы и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Теги: active vibration isolation automatic control magnetorheological elastomers автоматическое регулирование активная виброизоляция магнитореологические эластомеры
ПЛАТФОРМА ДЛЯ АКТИВНОЙ ВИБРОИЗОЛЯЦИИ нанотехнологического ОБОРУДОВАНИЯ
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. Даны результаты математического моделирования системы автоматического регулирования активного демпфера на основе магнитореодогического эластомера в среде Simulink MATLAB. Представлены результаты экспериментальных исследований платформы и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Ключевые слова: активная виброизоляция, магнитореологические эластомеры, автоматическое регулирование
Для цитирования: В.П. Михайлов, А.А. Копылов. Платформа для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 5. С. 282–287. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
Received: 23.07.2023 | Accepted: 28.07.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
Original paper
PLATFORM FOR ACTIVE VIBRATION ISOLATION OF NANOTECHNOLOGICAL EQUIPMENT
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
A.A.Kopylov1, Post-graduate, ORCID: 0000-0001-5528-6518
Abstract. The results of mathematical modeling of the active damper automatic control system based on a magnetorheodogical elastomer in the Simulink MATLAB environment are given. The results of experimental studies of the platform are presented and the transmission coefficients of the amplitude of vibration displacements in the low-frequency range are determined.
Keywords: active vibration isolation, magnetorheological elastomers, automatic control
For citation: V.P. Mikhailov, A.A. Kopylov. Platform for active vibration isolation of nanotechnological equipment. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 5. PP. 282–287. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии производства и исследования микро- и наноструктур (пленок, объемных структур) обладают широким набором методов формирования и контроля локальных свойств поверхности, для чего необходимо проводить работы с разрешением менее 100 нм [1–3]. К подобному технологическому и исследовательскому оборудованию относятся установки, использующие для обработки и анализа поверхности ионные, электронные или рентгеновские пучки (электронные микроскопы, сканирующие зондовые микроскопы, оборудование для микро- и нанолитографии, оборудование нанолокальной ионной и электронной обработки и др.), а также оптическое излучение (оптические микроскопы высокого разрешения и др.). При этом важнейшей задачей обеспечения качества работы такого оборудования является его эффективная защита от внешних вибрационных воздействий в области низких частот, при которых проявляются резонансные явления. Это особенно важно при интенсивном развитии нанотехнологий, которые реализуются в основном за счет использования сверхвысоковакуумного оборудования, элементы которого имеют низкую жесткость (тонкостенные вакуумные камеры, сильфоны, вводы движения в вакуум и др.) и, соответственно, низкие резонансные частоты.
Для этого применяются различные типы виброизолирующих систем, которые подразделяются на пассивные и активные [4–8]. Пассивные системы эффективно подавляют вибрации при частотах более 40–50 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. В зависимости от типа исполнительного механизма активные системы можно разделить на следующие группы: гидравлические, пневматические, электромагнитные, пьезоэлектрические, магнитострикционные, магнитореологические и др. [10–14].
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОГО ДЕМПФЕРА
Научной группой МГТУ им. Н.Э. Баумана разработана платформа активной виброизоляции на основе магнитореологических (МР) эластомеров [15]. Проведено моделирование разработанной системы автоматического регулирования (САР) активного МР-демпфера в программной среде Simulink MATLAB. В процессе моделирования была проанализирована реакция системы при одновременном действии гармонических вибрационных возмущений и ступенчатом управляющем сигнале с пошаговым перемещением МР-демпфера на 5 мкм. Было проведено сравнение моделей поведения работы трехкоординатного и однокоординатного МР-демпферов при осевом перемещении, которое показало сходные динамические характеристики при небольшом уменьшении осевой жесткости трехкоординатного демпфера. При этом коэффициент передачи амплитуды виброперемещений для обеих моделей не превышает 0,1 в диапазоне частот 0,3–100 Гц. Моделирование позволило также выбрать алгоритмы управления, структуру и состав управляющей системы. Структурная схема САР одного канала управления трехкоординатного МР-демпфера с ПИД-регулятором приведена на рис.1.
ПИД-регулятор 1 встроен после сумматора сигналов последовательно со звеньями САР МР-демпфера: электромагнитной катушкой 2, магнитопроводом 3, МР-эластомером 4, подвижным сердечником 5, измерительной системой 6. Переходный процесс САР трехкоординатного МР-демпфера при воздействии синусоидального вибрационного воздействия с амплитудой колебаний 5 мкм и частотой 20 Гц, с входным ступенчатым сигналом – 5 мкм – показан на рис.2.
Время переходного процесса составило не более 0,2 с, при этом наблюдаются остаточные вибрации, не компенсируемые ПИД-регулятором. Величина коэффициента передачи амплитуды виброперемещений составляет 0,03...0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Были проведены эксперименты в диапазоне частот от 0,3 до 100 Гц, при максимальном размахе вибрационных возмущений 600 мкм. На рис.3 приведен график зависимости коэффициента передачи амплитуды виброперемещений (КПАВ) платформы от частоты внешних возмущений для режима активной виброизоляции металлографического микроскопа ММР-1, показывающий высокую эффективность работы системы, при этом максимальное значение коэффициента передачи амплитуды перемещения во всем исследуемом диапазоне не превышает 0,071.
Этот параметр важен для оценки эффективности работы активного демпфера и платформы в целом, то есть для оценки ее виброизолируюших свойств: , где А1 – амплитуда виброперемещений жесткого центра мембраны из МР-эластомера, на котором закреплен защищаемый объект; А0 – амплитуда виброперемещений основания демпфера и платформы.
В результате проведенных исследований была доказана высокая эффективность разработанной системы автоматического управления платформой активной виброизоляции на основе МР-демпферов в области экстремально низких частот, при которых возникают опасные резонансные колебания прецизионного оборудования.
На рис.4 показаны сравнительные графики зависимости КПАВ от частоты внешних возмущений для предлагаемой платформы и современных систем активной виброизоляции.
Платформа на основе МР-демпферов (кривая 3) демонстрирует более высокую эффективность виброизоляции в диапазоне частот 0,3–3 Гц по сравнению с пьезоэлектрической системой STACIS (кривая 1) и в диапазоне частот 0,3–20 Гц по сравнению с платформой на основе электромагнитного силового привода DVIA-MB (кривая 2).
ВЫВОДЫ
Аналитический обзор современного прецизионного оборудования, средств защиты от вибрационных воздействий и методов их автоматизации позволил сформулировать комплекс требований к системам активной виброизоляции, в том числе требование обеспечения коэффициента передачи амплитуды виброперемещений не более 0,1 на низких частотах.
Моделирование системы автоматического регулирования активного МР-демпфера в программной среде Simulink MATLAB позволило определить переходный процесс перемещения демпфера при воздействии гармонических вибрационных воздействий, выбрать тип регулятора и рассчитать его настроечные параметры, повысить устойчивость, быстродействие и точность системы.
Экспериментально полученная амплитудно-частотная характеристика автоматически управляемой при помощи микроконтроллера платформы на основе активных МР-демпферов и упругой подвески с квазинулевой жесткостью показала высокую эффективность виброизоляции при частотах 0,3–100 Гц с коэффициентом передачи амплитуды виброперемещений не более 0,075 и подтвердила результаты моделирования.
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.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
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. Даны результаты математического моделирования системы автоматического регулирования активного демпфера на основе магнитореодогического эластомера в среде Simulink MATLAB. Представлены результаты экспериментальных исследований платформы и определены коэффициенты передачи амплитуды виброперемещений в низкочастотном диапазоне.
Ключевые слова: активная виброизоляция, магнитореологические эластомеры, автоматическое регулирование
Для цитирования: В.П. Михайлов, А.А. Копылов. Платформа для активной виброизоляции нанотехнологического оборудования. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 5. С. 282–287. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
Received: 23.07.2023 | Accepted: 28.07.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
Original paper
PLATFORM FOR ACTIVE VIBRATION ISOLATION OF NANOTECHNOLOGICAL EQUIPMENT
V.P.Mikhailov1, Doct. of Sci. (Tech), Prof., ORCID: 0000-0003-3638-7932 / mikhailov@bmstu.ru
A.A.Kopylov1, Post-graduate, ORCID: 0000-0001-5528-6518
Abstract. The results of mathematical modeling of the active damper automatic control system based on a magnetorheodogical elastomer in the Simulink MATLAB environment are given. The results of experimental studies of the platform are presented and the transmission coefficients of the amplitude of vibration displacements in the low-frequency range are determined.
Keywords: active vibration isolation, magnetorheological elastomers, automatic control
For citation: V.P. Mikhailov, A.A. Kopylov. Platform for active vibration isolation of nanotechnological equipment. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 5. PP. 282–287. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.5.282.287
ВВЕДЕНИЕ
Современные технологии производства и исследования микро- и наноструктур (пленок, объемных структур) обладают широким набором методов формирования и контроля локальных свойств поверхности, для чего необходимо проводить работы с разрешением менее 100 нм [1–3]. К подобному технологическому и исследовательскому оборудованию относятся установки, использующие для обработки и анализа поверхности ионные, электронные или рентгеновские пучки (электронные микроскопы, сканирующие зондовые микроскопы, оборудование для микро- и нанолитографии, оборудование нанолокальной ионной и электронной обработки и др.), а также оптическое излучение (оптические микроскопы высокого разрешения и др.). При этом важнейшей задачей обеспечения качества работы такого оборудования является его эффективная защита от внешних вибрационных воздействий в области низких частот, при которых проявляются резонансные явления. Это особенно важно при интенсивном развитии нанотехнологий, которые реализуются в основном за счет использования сверхвысоковакуумного оборудования, элементы которого имеют низкую жесткость (тонкостенные вакуумные камеры, сильфоны, вводы движения в вакуум и др.) и, соответственно, низкие резонансные частоты.
Для этого применяются различные типы виброизолирующих систем, которые подразделяются на пассивные и активные [4–8]. Пассивные системы эффективно подавляют вибрации при частотах более 40–50 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. В зависимости от типа исполнительного механизма активные системы можно разделить на следующие группы: гидравлические, пневматические, электромагнитные, пьезоэлектрические, магнитострикционные, магнитореологические и др. [10–14].
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОГО ДЕМПФЕРА
Научной группой МГТУ им. Н.Э. Баумана разработана платформа активной виброизоляции на основе магнитореологических (МР) эластомеров [15]. Проведено моделирование разработанной системы автоматического регулирования (САР) активного МР-демпфера в программной среде Simulink MATLAB. В процессе моделирования была проанализирована реакция системы при одновременном действии гармонических вибрационных возмущений и ступенчатом управляющем сигнале с пошаговым перемещением МР-демпфера на 5 мкм. Было проведено сравнение моделей поведения работы трехкоординатного и однокоординатного МР-демпферов при осевом перемещении, которое показало сходные динамические характеристики при небольшом уменьшении осевой жесткости трехкоординатного демпфера. При этом коэффициент передачи амплитуды виброперемещений для обеих моделей не превышает 0,1 в диапазоне частот 0,3–100 Гц. Моделирование позволило также выбрать алгоритмы управления, структуру и состав управляющей системы. Структурная схема САР одного канала управления трехкоординатного МР-демпфера с ПИД-регулятором приведена на рис.1.
ПИД-регулятор 1 встроен после сумматора сигналов последовательно со звеньями САР МР-демпфера: электромагнитной катушкой 2, магнитопроводом 3, МР-эластомером 4, подвижным сердечником 5, измерительной системой 6. Переходный процесс САР трехкоординатного МР-демпфера при воздействии синусоидального вибрационного воздействия с амплитудой колебаний 5 мкм и частотой 20 Гц, с входным ступенчатым сигналом – 5 мкм – показан на рис.2.
Время переходного процесса составило не более 0,2 с, при этом наблюдаются остаточные вибрации, не компенсируемые ПИД-регулятором. Величина коэффициента передачи амплитуды виброперемещений составляет 0,03...0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Были проведены эксперименты в диапазоне частот от 0,3 до 100 Гц, при максимальном размахе вибрационных возмущений 600 мкм. На рис.3 приведен график зависимости коэффициента передачи амплитуды виброперемещений (КПАВ) платформы от частоты внешних возмущений для режима активной виброизоляции металлографического микроскопа ММР-1, показывающий высокую эффективность работы системы, при этом максимальное значение коэффициента передачи амплитуды перемещения во всем исследуемом диапазоне не превышает 0,071.
Этот параметр важен для оценки эффективности работы активного демпфера и платформы в целом, то есть для оценки ее виброизолируюших свойств: , где А1 – амплитуда виброперемещений жесткого центра мембраны из МР-эластомера, на котором закреплен защищаемый объект; А0 – амплитуда виброперемещений основания демпфера и платформы.
В результате проведенных исследований была доказана высокая эффективность разработанной системы автоматического управления платформой активной виброизоляции на основе МР-демпферов в области экстремально низких частот, при которых возникают опасные резонансные колебания прецизионного оборудования.
На рис.4 показаны сравнительные графики зависимости КПАВ от частоты внешних возмущений для предлагаемой платформы и современных систем активной виброизоляции.
Платформа на основе МР-демпферов (кривая 3) демонстрирует более высокую эффективность виброизоляции в диапазоне частот 0,3–3 Гц по сравнению с пьезоэлектрической системой STACIS (кривая 1) и в диапазоне частот 0,3–20 Гц по сравнению с платформой на основе электромагнитного силового привода DVIA-MB (кривая 2).
ВЫВОДЫ
Аналитический обзор современного прецизионного оборудования, средств защиты от вибрационных воздействий и методов их автоматизации позволил сформулировать комплекс требований к системам активной виброизоляции, в том числе требование обеспечения коэффициента передачи амплитуды виброперемещений не более 0,1 на низких частотах.
Моделирование системы автоматического регулирования активного МР-демпфера в программной среде Simulink MATLAB позволило определить переходный процесс перемещения демпфера при воздействии гармонических вибрационных воздействий, выбрать тип регулятора и рассчитать его настроечные параметры, повысить устойчивость, быстродействие и точность системы.
Экспериментально полученная амплитудно-частотная характеристика автоматически управляемой при помощи микроконтроллера платформы на основе активных МР-демпферов и упругой подвески с квазинулевой жесткостью показала высокую эффективность виброизоляции при частотах 0,3–100 Гц с коэффициентом передачи амплитуды виброперемещений не более 0,075 и подтвердила результаты моделирования.
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.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
