主动隔振
许多应用要求尽可能安装在无振动的环境下才能正常运行。高精度测量系统,如白光干涉仪、扫描电子显微镜或用于光学控制的高倍率显微镜,都会受到振动激励的影响。这同样适用于生产工厂,例如半导体行业。除了良好的隔离外,快速瞬态响应在这里也非常重要,因为这可以提高生产力等。
隔振是指平台与周围振动的解耦。环境源尤其包括建筑物振动和地基振动,它们受到脚下跌落冲击、风力以及道路和火车交通的刺激。生产机器、打印机、电梯和空调系统也会导致大量的振动激励。这些建筑物振动发生在2到5Hz 之间的低频频谱中,具体取决于建筑物的形状和高度以及激励源。
隔振的目的是尽可能减少这些现有的振动,以便只剩下一部分留在隔振平台上(图 1)。所谓的传递率可以用来对这种性能进行分类。它是指隔离顶板的振动幅度与底座的振动幅度之比。比值为 1 表示两个振幅相等,是没有隔离作用的。值 0.1 或 10% 表示振幅降低了 10 倍,并且只有 10% 的激励仍然存在于隔离平台上。隔振率通常以分贝(dB)为单位,通过对数表示。上述 T=1 和 T=0.1 的示例数字对应于 0 dB 和 -20 dB。T=0.01=1% 的更高隔振率对应于-40dB。
隔振器,无论是被动还是主动,都表现出与频率相关的传递率。这意味着,2 Hz时的隔振率与 10Hz或30Hz 时的隔振率不同。因此,传递率通常以相对于频率轴的图形形式给出。

图 1: 隔振原理图
被动隔振与主动隔振
尽管无源和有源隔离器的内部设计存在根本差异,但传递率曲线基本上非常相似。典型曲线如图 2 所示。
传递率曲线的特征是在谐振频率处有一个显著的峰值。在该频率下,隔振器实际上放大了振动的传递。对于较低频率,传递率接近 1(0 dB)的值,高于谐振时,传递率或多或少会下降。
因此,频率范围可以分为放大范围和隔离范围,其中隔离范围从谐振频率以上开始(准确地说,是谐振频率的 1.41 倍)。因此,隔振器的谐振频率是一个重要的设计标准,应尽可能低。典型的空气弹簧隔振器可实现约 2.5 Hz 的谐振,并隔离 3.5 Hz以上的频率。使用简单的橡胶缓冲器时,仅能隔离 10 或 15 Hz 以上的频率。
阻尼的效果如图 3 所示。虽然共振放大因阻尼而降低,但仍保持在 1 以上,从而放大了地面振动,但由于传递率的形状更加平坦,隔振率大大降低。因此,几乎无法达到 -40 dB 的隔振率。选择阻尼时,存在无法以被动方式解决的目标冲突。
有源隔振器(如 Seismion Reactio)在机械上也基于弹性支架。但是,还有一个主动控制系统,它被设置为经典的反馈控制。专门开发的采用压电陶瓷的加速度传感器可以高精度地监测隔离平台的振幅。这些测量信号通过模拟控制系统转换为所需的驱动力,从而驱动非接触式音圈执行器。多个主动控制回路正在运行,以隔离所有六个自由度。
主动控制的基本思想是再现所谓的“天钩原理阻尼器”(图 4)。与被动系统不同,该阻尼器不是耦合到(振动的)地板上,而是耦合到一个虚拟的、固定的连接点。因此,通过这个虚拟阻尼器不会将来自地面的进一步干扰引入系统,并且天钩阻尼器仅具有隔离和稳定目的的优势。图 5 中相应的传递率曲线表明,谐振可以被天钩阻尼完全抑制,并且能明显隔离较低的频率。
由于多种原因,理想的天钩原理阻尼器几乎不可能实现。因此,主动隔振系统虽仍存在共谐振增益现象,然而,在Seismion主动隔振系统中,其谐振频率已显著低于1Hz。

图 2: 典型传输率曲线和隔振范围

图 3: 阻尼对传输率曲线的影响

图 4: shyhook 原理阻尼器

图 5: 理想的 skyhook 减振系统的传输率
无源和有源隔离器的性能比较
为了将 Seismion Reactio 主动隔振系统的隔振性能与典型空气弹簧系统的隔振性能进行比较,两种透射率如图 6 所示。
很明显,由于谐振频率低,Seismion Reactio 隔振器的隔离效果要好得多。特别是在 1-10 Hz 的临界频率范围内,隔离效果比最先进的空气弹簧好7倍。在 2.5 Hz 的空气弹簧共振范围内,Reactio 隔振效果甚至要好 37 倍!
改善稳定时间
同样令人印象深刻的是稳定时间的差异。这是系统在被激发后返回其静止位置所需的时间。这反映了空气弹簧等被动隔振器的一个主要缺点:由于隔振依赖于通过弹簧 c 和阻尼器 d 的接地激励的微弱传输路径(见图 4),因此直接激励不可避免地会降低稳定性。因此,空气弹簧系统会振荡很长时间,图 7。由于阻尼较弱,该系统需要许多周期才能稳定下来。即使在 5 秒后,仍然存在明显的振动。
相较传统方案,Reactio主动隔振系统具备卓越的稳定性特性。其技术本质在于:该系统并非依赖低刚度弱阻尼悬挂机构,而是基于天钩原理阻尼技术构建。当遭遇直接激励时,高效的天钩阻尼器可瞬时抵消振动能量,使系统实现毫秒级恢复稳定。该特性在XY工作台类设备(如表面扫描仪、粗糙度测量仪等需人机交互的精密系统)中具有显著优势。
主动隔振系统的优点
作为Reactio主动隔振系统的用户,您将即刻体验到隔离效能与稳定性的跨越式提升。
即便在传统气动系统难以胜任的强扰动环境下,仍可保障亚微米级测量精度;
生产可以以更高的循环速率运行,因为与空气弹簧相比;Reactio 主动隔振系统的稳定时间也得到了显著改善。
Reactio 发展趋势是尺寸更小、精度要求更高;

图 6: 空气弹簧隔振器和Seismion Reactio 隔振性能对比

图 7: 空气弹簧隔振器和Seismion Reactio 稳定性能对比