ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 2, с. 105-110
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 628.517.4 + 699.842
АКТИВНЫЕ ДВУХКАСКАДНЫЕ ВИБРОЗАЩИТНЫЕ УСТРОЙСТВА
© 2013 г. В. А. Мелик-Шахназаров, В. И. Стрелов, Д. В. Софиянчук, И. Ж. Безбах
Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН Россия, 119333, Москва, Ленинский просп., 59 E-mail: kmikran@spark-mail.ru Поступила в редакцию 23.04.2012 г. После доработки 29.05.2012 г.
Описана конструкция двухкаскадного активного виброзащитного устройства, предназначенного для защиты приборов, особо чувствительных к вибрациям, установленных на опорах с высоким уровнем вибрации, а также на транспортных средствах. Система представляет собой два узла или два парциальных виброзащитных устройства, соединенных последовательно, так что полный коэффициент передачи является произведением коэффициентов передачи парциальных виброзащитных устройств. Разработанное двухкаскадное устройство легко адаптируется под заданные уровни вибраций опоры и остаточный уровень вибраций несущей плиты путем оптимизации параметров парциальных виброзащитных устройств. Расчетные значения наклона кривой подавления колебаний составляют «60 дБ/декаду. Максимальный коэффициент подавления колебаний ограничивается только тепловыми шумами механической конструкции и цепей измерения вибраций.
DOI: 10.7868/S0032816213010333
ВВЕДЕНИЕ
Переход к наноразмерным элементам в электронике, сенсорике и другой технике сопровождается разработкой высокоскоростных и высокочувствительных приборов с высоким пространственным разрешением. Эти измерительные приборы, а также точное технологическое оборудование часто нуждаются в эффективной защите от вибраций. К ним относятся: 1) дифрактометры высокого разрешения (реализующие плосковолновую топографию, малоугловое рассеяние в пленочных технологиях, метод стоячих волн и т.д.); 2) растровые и просвечивающие электронные микроскопы, системы позиционирования, сканирующие зондовые микроскопы, наноманипуляторы; 3) лазерные экспериментальные и технологические устройства; 4) аппаратура для выращивания биологических и неорганических кристаллов и т.д. Кроме того, в настоящее время существенно возросла необходимость в активной защите от вибраций (микроускорений) научной аппаратуры, располагаемой на космических аппаратах, самолетах и других транспортных средствах [1—4].
Дорогостоящие массивные фундаменты не всегда способны изолировать чувствительную аппаратуру от вибраций, вызванных как собственными (насосы, компрессоры, вентиляторы), так и внешними (тяжелые транспортные средства) источниками. В этих случаях активные виброзащитные устройства (а.в.у.) являются единственным эффективным средством защиты от вибраций. Важно
также, что а.в.у. существенно снижают требования к уровню вибраций в местах расположения измерительных приборов и технологического оборудования.
ХАРАКТЕРИСТИКИ А.В.У.
Известны фирмы Herzan (США) [5], Halcyon-ics (Германия, США) [6], HERZ (Япония) [7], производящие широкий набор активных виброзащитных столов (панелей) размерами от 400 х х 400 х 120 до 1000 х 800 х 130 мм для нагрузок от 60 до 1200 кг. Все эти а.в.у. характеризуются нижней границей активного диапазона частот ~2 Гц и максимальным коэффициентом подавления колебаний от 35 до 40 дБ, который достигается при ~10 Гц. Существенно, что все указанные характеристики являются предельными из-за "паразитного" сигнала наклона акселерометров, возникающего в поле притяжения Земли, который подавляет "полезный" сигнал и нарушает функционирование авторегуляторов при низких частотах. Для многих практических применений коммерческие а.в.у. недостаточно эффективны из-за ограничения активного диапазона в области низких частот (<2 Гц) и недостаточно большого коэффициента подавления колебаний (~40 дБ).
В работе [8] дано описание принципиально новой конструкции а.в.у., позволяющей преодолеть указанные ограничения, присущие коммерческим а.в.у., в результате чего нижняя граница активного диапазона а.в.у. смещается от 2 до 0.2 Гц, а
9
10
4
5
11
3
Рис. 1. Одномодовая схема двухкаскадного активного виброзащитного устройства. 1 — опорная плита; 2 — защищаемый объект; 3, 8 — упругие опоры; 4, 9 — несущие плиты; 5, 10 — акселерометры; 6, 11 — сервисные магнитоэлектрические движители; 7, 12 — электрические цепи авторегулирования/управления.
максимальный коэффициент подавления колебаний увеличивается от 40 до 60 дБ. Однако для особо чувствительных экспериментальных устройств (например, дифрактометров высокого разрешения, лазерных интерферометров, пользовательских станций источников синхротронного излучения), которые устанавливаются на опорах с высоким уровнем вибраций или в зданиях с близко расположенными транспортными магистралями или собственными источниками вибраций, эффективность однокаскадных а.в.у. может быть недостаточна. Такие же проблемы возникают при защите от вибраций на борту самолета или вертолета микрогравиметров для геологической разведки, гироскопических навигационных систем и т.д.
Для повышения эффективности а.в.у., представляющих собой электромеханические аналоги электрических частотных фильтров, естественно использовать составную конструкцию с последовательным включением парциальных элементов. Коэффициент передачи составного фильтра в этом случае будет равен произведению коэффициентов передачи его парциальных элементов. В основу представленной разработки двухкаскадных а.в.у. положены результаты, полученные для однокаскадных а.в.у. [8].
КОНСТРУКЦИЯ А.В.У.
Одномодовая конструкция двухкаскадного а.в.у. схематически представлена на рис. 1. Механическая часть устройства состоит из двух узлов, представляющих собой парциальные активные виброзащитные устройства, соединенные последовательно
Рис. 2. Расположение акселерометров и магнитоэлектрических движителей на несущей плите. Каждая стрелка (1—8) обозначает соосно-расположенную пару акселерометр—движитель.
так, что несущая плита нижнего узла служит опорной плитой верхнего узла.
В реальной конструкции на несущих плитах парциальных а.в.у. (4 и 9) установлены группы из восьми акселерометров и восьми сервисных движителей, как показано схематически на рис. 2. На схеме каждая стрелка изображает ориентированную коаксиально пару акселерометр-сервисный движитель. Такая конструкция, как показано в [8], позволяет измерять все шесть мод колебаний несущей плиты (три торсионные Т и три поступательные Ь) и управлять каждой модой раздельно. Важно, что при этом появляется возможность компенсировать "паразитный" сигнал наклона акселерометров в поле притяжения Земли, что, в свою очередь, смещает нижнюю границу активного диапазона виброзащитных устройств от 2 до 0.2 Гц и увеличивает максимальный коэффициент подавления колебаний от 40 до 60 дБ. Таким образом, новая система управления а.в.у. позволяет преодолеть указанные выше "врожденные" ограничения коммерческих приборов.
Механическая конструкция а.в.у. показана на рис. 3, где видна несущая плита (600 х 600 х 30 мм), изготовленная из мягкого алюминия, на которой установлены сервисные движители, акселерометры, упругие опоры и усилители сигнала акселерометров. Движители и акселерометры установлены в соответствии со схемой на рис. 2. Жесткость опорных пружин выбрана такой, чтобы собственные частоты всех шести мод колебаний несущей плиты располагались вблизи 10 Гц. Рабочие нагрузки пружин соответствуют предельной массе защищаемых объектов »100 кг.
Устойчивость и динамические характеристики каждого парциального авторегулятора определяются правильным расчетом петлевой функции передачи Н (/ш) = М (/ш) К (/ш), где М (/ш) — функция
1
Рис. 3. Внешний вид несущей плиты с установленными на ней сервисными движителями 1а—8а, акселерометрами 1б— 8б, упругими опорами 9 и усилителями 10 сигнала акселерометров.
передачи электрических цепей, а Х(т) — полная функция передачи механической системы. Последняя может быть представлена в виде произведения К (/ю) = КА (/ю) Км (/ю) Кв (/ю), где КА (/ю), Км (/ю), Кв (/ю) — функции передачи соответственно акселерометра, механического осциллятора/подвеса, магнитоэлектрического движителя. Обычно конструкции акселерометров и магнитоэлектрических движителей выбирают так, чтобы в активном диапазоне частот они не вносили существенного сдвига фазы в К(/ю). В таком случае можно считать, что К (/ю) = КАКм (/ю) Кв, где КА и Кв — коэффициенты передачи акселерометров и движителей соответственно.
Петлевая функция передачи цепи управления Н(/ю) рассчитывалась методом диаграммы Боде [9]. Полученная структурная схема цепи управления показана на рис. 4. Функция передачи объекта управления — несущей плиты, установленной на упругих опорах, соответствует функции передачи механического осциллятора с частотой резонанса ~10 Гц. Линейный сервисный бесконтактный движитель выполнен в виде катушки с током в поле постоянного магнита. При использовании редкоземельных магнитов коэффициент передачи движителей ¥/1« 1.5 кгс/А. Усилитель мощности собран на операционном усилителе ОРА548,
рассчитанном на выходной ток до 3 А при напряжении до ±30 В.
Наибольшие проблемы в реализации цепей авторегулирования связаны с выбором акселерометров, в сущности определяющих эффективность а.в.у. К ним предъявляются следующие требования. Во-первых, коэффициент передачи акселерометров по напряжению должен быть в интервале от 0.2 В/g0 до 2 В/£0, что обеспечивает остаточный уровень шумов виброзащитной плиты 10-6^0—10-7^0 в области частот 0.1—10 Гц (использовались малошумящие операционные усилители ОРА627, ОРА111). Во-вторых, резонансная частота акселерометров должна быть выше ~1 кГц, чтобы резонанс не располагался в активном диапазоне частот. В-третьих, пьезоэлемент акселерометра не должен быть закреплен непосредственно на его корпусе. Это требование связано с необычно низкой граничной частотой измерительных цепей (~0.05 Гц), в результате чего в цепи возникает паразитный медленный (десятки минут) температурный дрейф сигнала, вызванный термическим расширением корпуса акселерометра и пье-зоэлемента. (Для устранения этого эффекта использовалась многослойная тепловая изоляция
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.