Инженерная методика расчета и экспериментальные исследования платформы для активной виброзащиты

УДК 62-822+537.622.4

В. П. Михайлов, Туп Лип Аут

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Инженерная методика расчета и экспериментальные исследования платформы для активной виброзащиты

Разработана инженерная методика расчета и приведены результаты экспериментальных исследований платформы для активной виброзащиты, в которой используются активные демпферы на основе магнитореологических (MP) эластомеров. Платформа может быть также использована как привод точного позиционирования. Свойства MP эластомера используются для регулирования параметров точности и динамики активных демпферов. Для решения этих задач была экспериментально исследована работа активных демпферов при резонансе в пассивном и полуактивном режимах.

Ключевые слова: прецизионное оборудование, магнитореологический (MP) эластомер, демпфер, позиционирование.

V.P. Mikhailov, Тип Lin Aung Bauman Moscow State Technical University

Engineering calculation method and experimental researches of the platform for active vibration protection

In this paper, we develop an engineering calculation method and give the results of the experimental research of the platform for active vibration protection in which active dampers based on magnetorheological (MR) elastomers are used. The platform can also be used as a precise positioning actuator. The properties of the MR elastomer are used to control the parameters, precision and dynamics of active dampers. To solve these problems the work of the active dampers with resonance in passive and semi-active modes is experimentally-investigated.

Key words: precision equipment, vibration isolation, magnetorheological (MR) elastomer, damper, positioning.

1. Введение

В современном мире производство микроэлектронной продукции связано с множеством проблем, одной из которых является воздействие вибраций на технологическое оборудование. При изготовлении микроэлектронных компонентов, размеры которых не превышают нескольких микрометров, малейшие вибрации приводят к браку, поэтому необходима виброзащита платформ, на которых установлено оборудование [1, 2]. В МГ ГУ им. Н.Э. Баумана на кафедре «Электронные технологии в машиностроении» была разработана платформа для активной виброзащиты. Платформа содержит нижнюю и верхнюю плиты, четыре активных демпфера и четыре узла упругой подвески с массовым корректором, расположенных равномерно по периметру платформы (рис. 1). Активный демпфер содержит мембрану из МР эластомера с подвижным жестким центром, корпус, электромагнитную катушку, сердечник, основание. Сердечник образует с жестким центром воздушный зазор. Демпфер работает следующим образом: при подаче управляющего тока в

© Михайлов В. П., Тун Лин Аунг, 2018

(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)», 2018

элсктромш'нитную катушку в электромагнитной системе возникает замкнутое магнитное ноле. В мембране формируется радиальное магнитное ноле с индукцией, величина которой имеет максимум вблизи жесткого центра. Под действием этой магнитной индукции мембрана с жестким центром перемещается в осевом направлении в пределах воздушного зазора. Платформа для активной виброизоляции может быть также использована как привод точного позиционирования для работы в следящем режиме или режиме стабилизации положения. Свойства МР эластомера используются для регулирования параметров точности, динамики и амплитудно-частотных характеристик активного демпфера. Для решения этих задач была экспериментально исследована работа активных демпферов при резонансе в пассивном и полуактивном режимах.

Рис. 1. Фотография экспериментального образца платформы для активной виброизоляции

2. Инженерная методика расчета

Была разработана инженерная методика расчета узла упругой подвески, который представляет собой горизонтальный маятник массой т с несущей пружиной жесткостью с и массовым корректором ти (рис. 2). Схема горизонтального маятника с массовым коррек-

т

эквивалент одной четверти массы виброизолируемого объекта. Период колебаний горизонтального маятника с массовым корректором составит [3]

Т= 2п

3

Х1 - ти

где 3 — момент инерции массы маятника 3 = тЬ2, х^ — угловая жесткость упругой

подвески Х-1 = с1

Рис. 2. Горизонтальный маятник с массовым корректором: а) схема: б) общий вид

Таким образом, узлы упругой подвески позволяют настраивать платформу для активной виброизоляции на требуемую массу объекта при помощи пружины с жесткостью с и резонансную частоту при помощи массового корректора с массой ши [3].

3. Экспериментальные стенды

Схема экспериментального стенда показана на рис. 3. Частота и амплитуда вибраций основания задавались с помощью генератора сигналов и вибратора напольного 12 МВЭ 2/50-010. Частота вибраций изменялась в диапазоне от 10 до 200 Гц, амплитуда виброперемещений составляла около 300 мкм. Сигналы перемещений активного демпфера и основания определялись при помощи двух емкостных датчиков измерительной системы САРА NCDT 6200 с погрешностью измерения 0,04 мкм и диапазоном 1 мм, подавались на АЦП USB 6009 и управляющий компьютер. Фотографии стенда для определения коэффициента передачи амплитуды колебаний активного демпфера и измерительной системы показаны на рис. 4.

Рис. 3. Схема стенда для определения коэффициента передачи амплитуды колебаний активного демпфера

а) б)

Рис. 4. Схема: а) стенда для определения коэффициента передачи амплитуды колебаний активного демпфера: б) измерительной системы САРА NCDT 6200

4. Результаты для исследования коэффициента передачи амплитуды виброперемещений активного демпфера

Коэффициент передачи амплитуды виброперемещений является основным параметром активного демпфера и определяется отношением амплитуд колебаний положения виброизо-лируемого объекта и основания. Для исследования работы активного демпфера при резо-

нанес были проведены измерения амплитуд виброперемещений виброизолируемохх) объекта и основания на разных частотах при нулевом управляющем токе. На основе полученных данных построен график зависимости КПАВ от частоты вибраций, создаваемых генератором сигналов в диапазоне от 10 до 200 Гц с шаххш 5 Гц (рис. 5).

Рис. 5. Схема стенда для определения коэффициента передачи амплитуды колебаний активного демпфера

Следующим этаном исследования стало выявление эффективности снижения КПАВ при резонансной частоте демпфера за счет подачи управляющих) сигнала на демпфер в диапазоне от 0 до 1,2 А с шаххш 0,05 А. На основе полученных данных построен график зависимости КПАВ от величины управляющих) тока (рис. 6). Из графика на рис. 5 видно, что эффективное снижение коэффициента передачи амплитуды виброперемещений актив-но!Х) демпфера более чем в пять раз происходит при подаче управляющих) тока 1 А.

Рис. 6. Зависимость коэффициента передачи амплитуды внброперемещеннй (КПАВ) активного демпфера при резонансной частоте колебаний от управляющего тока

5. Заключение

Дальнейшее уменьшение коэффициента передачи достигается за счет полностью за-мкнутохх) управления активным демпфером, при котором он работает как привод точ-

ного позиционирования. Для этого было проведено динамическое моделирование работы активного демпфера [4]. Была разработана структурная схема системы автоматического регулирования активного демпфера для режима активной виброизоляции в низкочастотном диапазоне при одновременном воздействии синусоидальных вибраций и ступенчатом управляющем сигнале при пошаговом перемещении демпфера на 5 мкм. Параметры воздействия: амплитуда колебаний основания демпфера - 5 мкм, частота колебаний - 4 Гц. В структурной схеме для обеспечения устойчивости и уменьшения времени переходных процессов использован ПИД-регулятор. Был получен переходный процесс САР активного демпфера. Время переходного процесса для погрешности позиционирования 0,25 мкм составляет 0,6 с. Коэффициент передачи амплитуды виброперемещений активного демпфера при этом составляет 0,02, что удовлетворяет требования к системам активной виброизоляции.

Литература

1. Михайлов В.П., Степанов Г.В., Базиненков A.M., Зобов И.К., Шахов К.Г. Управление активной виброизоляцией и позиционированием магнитореологических устройств // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 7. С. 5-9.

2. Deulin Е.А., Mikhailov V.P., Panfilov Y.V., Nevshupa R.A. Mechanics and Physics of Precise Vacuum Mechanisms: FMIA Volume 91. Series Editor by R. Moreau, Springer. 2010.

3. Алабужев П.М., Гритчин А.А., Ким Л.И. \u др.]. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью / под ред. К.М. Рагульскиса. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986.

4. Михайлов В.П., Товмачепко Д.К., Базиненков A.M., Степанов Г.В. Характеристики платформы для активной виброизоляции на основе магнитореологических эластомеров // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2016. № 12. С. 51-57.

References

1. Mikhailov V. P., Stepanov G. V., Bazylenko A. M., Zobov I. K., Shaki K. G. Control of active vibration isolation and positioning magnetorheological devices. Nano- and Microsystem technology. 2001. N 7. P. 5-9. (in Russian).

2. Deulin E.A., Mikhailov V.P., Panfilov Y.V., Nevshupa R.A. Mechanics and Physics of Precise Vacuum Mechanisms: FMIA Volume 91. Series Editor R. Moreau, Springer. 2010.

3. Alabuzhev M. P., Gritchin A.A., Kim I.L. \et al] Vibration protection system with quasi-zero stiffness. Editor by К. M. Ragulskis. Г.: Engineering, Peningr. Otd-nie. 1986. (in Russian).

4. Mikhailov V.P., Tovmachenko D.K., Bazinenkov A.M., Stepanov G.V. Characteristics of the platform for active vibration control based on magnetorheological elastomers. Proceedings of higher educational institutions. Mechanical Engineering. 2016. N 12. P. 51-57. (in Russian).

Поступим в редакцию 13.10.2017