采用实用的气动隔振器，不影响小振幅隔振性能

图1显示了TMC的Gimbal Piston™隔离器的剖面图，该隔离器使用了两个气室而不是一个。这些腔室由一个小孔连接。当活塞上下运动时，空气被迫通过节流孔，对负载产生阻尼力。

活塞大位移时阻尼非常强，小位移时阻尼较弱。这使得载荷能够快速沉降，而不影响小振幅隔振性能。对于几毫米量级的位移，这种类型的阻尼通常产生Q≈3。

图1所示。

节流孔提供的阻尼受许多因素的限制。TMC的MaxDamp^®光电隔离器使用不同的方法:多轴粘性流体阻尼(专利号5,918,862)。对于需要阻尼的应用，这些隔离器将阻尼扩展到接近临界的水平。

例如，半导体检测设备经常使用快速移动stage来传输晶圆。app亚博体育MaxDamp^®隔离器允许有效载荷快速沉降后的阶段运动，即使提供了大量的振动隔离。

隔离器使用极低的排气，合成油与高粘度，这是密封密封在隔离器的单一空气室。一种特殊的几何结构确保隔离器阻尼垂直和水平运动(在X和Y方向)具有相同的效率。

万向节活塞™和MaxDamp^®隔振器有一个坚固和简单的钟摆隔振器，以提供水平隔离。与空气弹簧类似，钟摆也产生ω₀，与载荷无关，等于√g/l，其中l为摆长。

在常平架活塞™中，摆实际上就是活塞。负载由负载盘支撑，负载盘通过负载销将负载转移到活塞井的底部。所述负载销通过一个旋转推力轴承与活塞孔的底部接触。

当有效载荷侧向移动时，活塞井在隔膜平面上像万向节一样旋转。因此，形成了一个钟摆，其长度等于从横隔膜中的辊到负载销底部的垂直距离。

台湾记忆体公司的紧凑亚赫兹摆(CSP^®)系统(专利号5,779,010)使用了一种不同类型的钟摆概念，将水平共振频率扩展到低至0.3 Hz。在这个隔离器中，一个几何杠杆效应被用来“折叠”0.3 Hz的摆成一个小于16英寸的包。(400毫米)高。

一个等效的单摆需要110英寸。(几乎3米)高。欲了解更多信息，读者可访问TMC的OEM应用气动隔振器页面。

在大多数隔震器中，水平阻尼来自于水平-倾斜耦合。当有效载荷侧向移动时，它会在垂直方向(通过倾斜)运动隔离器，提供阻尼。一些系统，如TMC的MaxDamp^®隔离器，用流体阻尼阻尼水平运动。

在小振幅时，滚动膜片中的少量摩擦和由于阻尼孔产生的低流动阻力会影响隔振器的性能。这就是为什么在测量它们的透射率时，使用较小的激发电平是重要的。

隔离器的数量和位置

三个或更多的隔离器需要支持一个有效载荷，通常的数字是4。由于一个系统只能有三个阀门(参见水平阀部分)，4柱系统中的两个支路需要连接成主/从组合。

虽然主从组合形成了一个有效的支撑点，但所产生的阻尼效果与使用单个(较大)隔震器时的阻尼效果大不相同。TMC的建议包括使用至少四个隔离器(除了像核磁共振谱仪这样的“圆形”有效载荷)。将这些隔离器置于有效载荷下对系统的性能有显著影响。

对于小的刚性有效载荷，如半导体制造设备中的花岗岩结构，最好将隔离器放置在有效载荷的近角处。app亚博体育这极大地提高了系统的倾斜稳定性，减少了由机载干扰引起的有效载荷运动，并提高了系统的水平和稳定时间。

调平时间定义为阀门系统使负载达到正确高度和倾斜的时间。沉淀时间是指在脉冲扰动后有效载荷进入静止状态的时间。

在扩展表面的情况下，包括大型光学工作台，隔离器需要放置在表面的节点线下，以最大限度地减少隔离器传递给工作台的力的影响。对于这两种类型的有效载荷，最好将有效载荷的重心放置在与隔离器的有效支撑点相同的平面上。这增强了系统的稳定性(见重力不稳定性部分)，并断开了有效载荷的水平和倾斜运动。

有几种技术可以适应不平整的地板。大多数TMC隔离器有±0.5英寸。旅行范围，为几乎所有应用程序提供足够的灵活性。一些系统提供调平脚。如果地板很不平整，可能需要用桥墩来安装隔震器。

如果地板表面质量较差，一些独立的隔离器或支架，如刚性三脚架，需要将其灌浆到地板上。快凝“预拌”混凝土或环氧树脂适合这种情况。

安全特性

气动光电隔离器可以轻松举起数千磅的有效载荷。隔震器可以用“铁条”绑在一起，这样就大大降低了由于意外事故或地震等事件而使如此沉重的负荷倾倒的风险。TMC公司的系杆是大尺寸的，形成的通道，使用约束层阻尼来防止它们产生共振。

由于在这些频率下的隔振器具有很高的隔振效率，因此可能不需要这种阻尼。此外，系统还可以配备地震抑制支架，以防止载荷在极端事件中从隔离器上脱落。

TMC所有隔离器内置的行程限制是重要的安全特性。在图1中，一个内部“键”(黄色)可以防止系统在空载条件下压力达到120psi (830kpa)时过度延伸。

由于可能有几千磅的力作用在隔离器的活塞上，一个没有移动限制的隔离器在突然卸载时可以变成一门大炮。保护包括链连接的压力释放，不能提供本质上的高安全水平的机械旅行限制。

调平阀

只有三个高度控制阀用于所有刚性有效载荷，即使那些有十个隔离器。由于三个点定义了一个平面，使用更多的阀门会在机械上过度限制系统，导致位置稳定性差(就像一个四条腿的餐厅桌子)和不停地消耗空气。三个阀门的适当位置和管道是优化系统性能的关键。

图2 a。

图2 b。

图2a和2b显示了四柱和六柱系统的公共管道。该系统包括三个阀门，一个压力调节器/过滤器(可选)，一些快速连接三通管，以及每个隔离器上的一个孔口“pigtail”，这是插入一个孔口的一小段油管。

区段上标有红色环，一端有连接高度控制阀的空气管路的管接头。节流孔限制伺服(机械阀门系统)的“增益”，以防止振荡。一些高重心系统可能需要更小的孔板来防止不稳定性。由于使用方便和长期稳定，TMC采用固定孔板代替可调针阀。

对于有四个或更多隔离器的系统，需要将两个或两个以上的隔离器绑在一起。通常，阀门安装在一个隔离器附近(为了方便)，隔离器被称为“主”。使用主阀的远程隔离器(S)被称为“奴隶”。

选择腿作为“主”和“从”会影响系统的稳定性(见重力不稳定性部分)，并影响系统的动态行为。在具有快速移动工作台的半导体检测设备中，动态性能是非常重要的。

有许多“经验法则”可以用于做出正确的选择，尽管它们在一些系统上可能相互冲突。为了确定最佳选择，可能需要进行一些试验。

这些规则按其重要性大致排列为:

1. 主从机的有效支撑点位于它们的几何中心。对于一个单从主机，几何中心是中间的坐骑。对于任何系统，总是只有三个“有效”支撑点，并将这些支撑点连接起来形成一个“负载三角形”。如果有效载荷的质量中心(COM)接近三角形的中心，系统将更稳定。例如，在一个4杆系统上，主/从组合需要支持负载较轻的一端。
2. 规则1的一个推论是，系统需要管道，以使所有隔离器之间的压差最小化。
3. 系统的重力倾斜稳定性与隔振器之间距离的平方成正比。因此，为了更好的稳定性，主/从组合需要在有效载荷的长侧。
4. 倾斜轴具有最高的刚度，稳定性和阻尼平行于主和从腿之间的线(在一个4柱系统)。对于移动舞台应用，主舞台运动需要垂直于主和从腿之间的线。
5. 由于主/从阀腿的阀门没有与有效支撑点位于同一位置，因此移动工作台可能会造成交叉轴倾斜。因此，在许多系统中，阀门需要从主支腿移动到有效支撑点。
6. 阀门与载荷的三个接触点形成一个控制三角形。与载荷三角形相似，当COM位于控制三角形内时，系统具有最大的稳定性和最佳的定位精度。这些阀门必须安装好，并旋转它们的“臂”，使三角形的面积尽可能大。
7. 遵循上述规则有时会导致系统具有较差的高度和倾斜定位精度。在这种情况下，可能需要一个主/从组合的替代选择。

除了阀门的位置，还有几种不同类型的阀门可供选择。TMC提供标准机械阀门和精密机械阀门。标准阀门更便宜，定位精度(死区)约0.1英寸。(2.5毫米)。

它的特性是，对于比这个更小的运动，阀门是紧密密封的。这使得它适用于需要使用加压气瓶作为空气供应的系统。精密阀门提供0.01英寸。(0.3 mm)或更好的定位精度，但泄漏少量空气(全金属阀座内部使用)。

这限制了它们用于气瓶操作。最后，TMC提供电子阀门系统，如精密电子定位系统(PEPS)^®)，美国专利号5,832,806)。(约2µm)位置稳定性。欲了解更多信息，读者可访问TMC的PEPS和PEPS- vx页面。

对于洁净室应用，TMC提供不锈钢机械阀门和/或提供通风的排气管道。

引力不稳定性

就像笔尖上的笔一样，COM下面支持的有效负载本质上是不稳定的。当有效载荷倾斜时，其COM水平移动，从而进一步增加倾斜。抵消这是气动隔离器的刚度，它试图恢复有效载荷到一个水平位置。

图3。

这两种力的平衡决定了系统的重力稳定性。图3说明了由两个理想的气动隔离器支持的有效载荷。W为隔离器中心之间的宽度，H为有效载荷COM高于隔离器有效支撑点的高度，X为COM距离隔离器之间中心线的水平位置。稳定性区域表示为:

［1］

或者，对于X = 0，

[２]

n是气体常数，等于1.4。

这种关系在图3中以反向抛物线的形式说明，它定义了COM位置的稳定和不稳定区域。由第二方程可知，稳定性随隔振器分离度的平方而增强。

这是至关重要的，因为它表明宽高比H/W并不决定系统的稳定性(正如一些参考文献所声称的那样)，而且稳定区域不是“金字塔”或“三角形”。然而，实际的系统并不像图3所示的那样简单。

式1和式2中的比值A/V表示隔振器的刚度。然而，在双腔隔离器中，合适的V值是多少?与图3所示的具有固定弹簧常数的隔离器不同，真正的隔离器具有与频率相关的弹簧常数。

高频时，两腔之间的孔板成功地阻挡了气流，V可以单独作为顶风量。在系统共振时，“有效”风量存在于顶部和总容积(顶部加底部)之间。在低频率下，高度控制阀为隔离器提供非常高的刚度(对应非常小的V)。

此外，高度控制阀还试图迫使有效载荷回到水平方向。这就是为什么公式1不能应用于双腔隔离器的一些原因。

相反，可以划分三个区域，稳定、不稳定和边界;前两项指标分别基于“总”和“仅限”空气流量。此外，稳定区域对于平行于主/从隔离器轴和垂直于轴是不同的。

图4。

图4为四脚系统定义了两个不同的轴。俯仰轴不太稳定，因为左边的主/从腿对低频的俯仰没有阻力(尽管它们对大约1hz以上的频率有阻力)。

为了补偿这一点，主/从组合以这样一种方式选择W_p大于W_r(来自“调平阀门”章节的规则3)。稳定区域是沿两轴的倒抛物线所覆盖的体积。

绝对稳定性公式为:

[３]

绝对不稳定性公式为:

[４]

音量介于“勉强”和“可能”之间。

A/V比率不是通用的，需要确认的各种型号和容量的隔离器，但约0.1英寸¹为(A / V)_前和0.05¹为(A / V)_合计．图5显示了双腔隔离器的边缘稳定区域。

不幸的是，许多系统的COM最终在这个不确定区域结束。这些规则没有考虑高度控制阀的作用，高度控制阀总是会提高系统的稳定性。这些规则可以改变，如果有效载荷的质量可以改变(一个钟摆或一个液体浴)。

图5。

方程5和6给出了计算系统稳定性的“经验法则”。与所有这些规则一样，系统的稳定性只是一个基于“平均”隔离系统的近似。使用低COM总是更好的。

[５]

MaxDamp^®隔离器更稳定，因为它们使用一个空气室，因此，规则是:

［6］

TMC公司的Gimbal Piston™隔离器的有效支撑点约为7英寸。在隔离器顶部以下。对于负载较轻的隔振器，这些条件低估了系统的稳定性。如果系统违反了这些方程，或者是边界情况，稳定性可以通过使用特殊的体积隔离器、平衡器、不同的隔离阀等来提高。

这些信息已经从TMC提供的材料中获得、审查和改编。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问台湾记忆体公司。