隔振平台设计，哪种台面最适合您的应用-花岗岩，夹层还是蜂窝？

【概述】

高性能台面

        台面是进行许多类型的测量和过程的平台。它们可以作为不同组件之间的机械参考(如激光、镜头、胶片等)，也可以简单地提供一个安静的工作表面。顶部通常使用三种结构之一：复合层压板，固体材料（花岗岩）或轻质蜂窝结构。构造的选择取决于应用的类型和大小。

        图11显示了一个典型的层压结构。这些通常是2到4英寸厚，由钢和/或复合材料层环氧粘合成一个无缝不锈钢锅的圆角和棱角。板间可使用粘弹性粘合剂，以增强复合层所提供的阻尼。所有粘合材料的选择都是为了防止由于热、湿度或老化而导致组件分层。铁磁不锈钢板提供耐腐蚀，耐用的表面，工作良好的磁性夹具。这些台面的“标准”尺寸从24平方英寸到6×12英尺，重量可以从100到5000磅。这种结构不能很好地适用于那些需要大量安装孔（抽头或其他）的应用。钢与轻量阻尼复合材料在核心的比例主要取决于顶部的期望质量。

 在许多应用程序中，沉重的顶部是有益的。它可以降低系统的ZX，其中的引力稳定性是一个问题。如果有效载荷是动态的“活跃的”（就像一个移动的舞台的显微镜），那么增加的质量将减少顶部的反应运动。ZH，非常强，及有非常大质量的有效载荷的钢可能需要这种强度。

        花岗岩和固体复合材料的顶部具有相对较高的质量和刚度，提供适度的阻尼，并且在较小的尺寸上具有成本效益。它们的非磁性性能在许多应用中都是理想的，而且它们可以被研磨成精确的表面。安装到花岗岩表面是困难的，然而，花岗岩是更昂贵和较差的阻尼比大尺寸层压板顶部。性能ZG的工作台面是蜂窝芯工作台。

4.1 蜂窝光学平台

        蜂窝芯台面因其刚性而非常轻便，适用于需要螺栓固定或较大工作台面的应用场合。它们可以做成任何尺寸，从边长1英尺或几英寸厚，到5×16英尺，超过2英尺厚。更大的顶部也可以“连接”成一个几乎在大小和形状上没有限制的表面。较小的表面通常被称为“面包板”，较大的尺寸“光学顶部”或“光学平台”。蜂窝芯工作台最初是为全息摄影等高精度光学实验而开发的。它们的发展是由于花岗岩表面的限制，花岗岩表面非常沉重和昂贵，在更大的尺寸上，很难安全地安装物体。我们的目标是开发一个具有花岗岩稳定性，但没有这些缺点的工作台面。

        蜂窝芯台面是刚性的，与“工字梁”结构相同的原因。工字梁有一个垂直的“腹板”，支撑顶部和底部翼缘。由于重量被应用到梁上，顶部翼缘受压，底部翼缘受拉，因为腹板保持了他们的分离常数。梁的主要刚度来自翼缘的压缩和扩张。腹板还通过抵抗其平面的切变，有助于刚度。

        同样的事情也发生在光学平台中（参见图12）。平台的表面有一个非常高的阻力被拉伸或压缩（像工字梁的翼缘）。蜂窝状的核心是非常抵抗沿其单元的压缩（服务相同的作用，工字梁的腹板）。随着岩心密度的增加（单元尺寸的减小），岩心的压缩刚度和剪切模量增加，与表面的机械耦合改善——改善了平台的性能。

        在热性能方面，光学平台也比花岗岩表面好得多。由于其金属结构和非常低的热容量（由于他们相对轻的质量），蜂窝状核心平台与他们的环境达到热平衡比花岗岩同行快得多。其结果是减少了工作表面的热引起的变形。

4.2 光学平台结构

        使用蜂窝式内核还有很多其他好处。细胞的开放中 心允许安装孔阵列被放置在桌子的表面。这些孔可以盖上，以防止液体污染物进入核心和“登记”核心的细胞。在TMC光学台面施工过程中，顶部表层面朝下放置在参考面（研磨过的花岗岩块）上，环氧树脂、芯材、侧壁、底部表层和阻尼系统建立在其上。整个组件被夹在一起，用了30吨的力。这迫使顶部表面采取相同的形状（平面）的精密花岗岩块。一旦环氧树脂固化，台面的表层就能保持整个表面精确的平整度（通常为±0.005英寸）。

        TMC的专有CleanTop®II设计允许核心直接粘到台面的顶部和底部的表层。这提高了核心的压缩刚度，减少了平台的热松弛时间。用于粘合平台的环氧树脂非常坚硬而不脆，同时允许平台的热膨胀和收缩而不影响台芯和表层之间的粘合。

        蜂窝芯台面也可以由多种材料制成，包括非磁性不锈钢，用于磁敏感应用的铝，以及用于对热稳定性要求ZG等级的应用的超级因瓦。ZH，密封顶部表层孔的单个杯子（专为TMC的CleanTop®II设计）由不锈钢或尼龙制成，以抵抗广泛的腐蚀性溶剂。

        光学平台的侧壁也可以由许多材料制成。TMC的一些竞争对手的顶部使用普通的“碎纸板”侧壁，虽然很潮湿，但不是很坚固，在搬运或潮湿时很容易损坏。TMC平台采用全钢侧壁结构，带有限制层阻尼，以提供同等高水平的阻尼和更大的机械强度。

4.3 蜂窝光学平台性能

        光学平台的性能特点是其静、动刚度。两者都描述了当受到外力作用时平台如何弯曲。第①个是它对静态负载的响应，而第二个描述了平台的“自由振荡”。

        图13显示了如何测量一个平台的静态刚度。平台被放置在一组线接触支架上。在平台的中 心施加一个力，然后测量平台的挠度。这就给了以µin/lbf （或µm/N）形式的静态刚性。这种刚性是由平台的尺寸、顶部和底部表层、侧壁、核心的物理特性以及它们如何组装而成的。

4.3.1 转角柔度曲线

        动态刚度是测量一个施加的冲动力激励下平台振动的峰到峰的运动。当人们用锤子敲击平台时，平台会被激发出几种正常的振动模式，每一种都有自己的频率。图14显示了一个平台的四个ZD频率模式。动态顺应性是通过用冲击测试锤（测量冲击力的水平在平台的角落附近）敲击平台的角落来测量的。平台的响应是用一个加速度计来测量的，加速度计被固定在顶部，尽可能靠近撞击的位置。信号被送入一个频谱分析仪，产生一个角柔度曲线。它测量了在10到1000hz之间的频率下，平台的位移，单位为：µin/lbf （或mm/N）。

 顶部的每一个正态共振在其共振频率处出现在这条曲线上。引用顶部动态顺应性的标准方法是陈述ZD频率峰值（通常主导响应）的峰值振幅和频率。图15显示了低水平阻尼表的顺应性曲线（强调共振峰）。峰值对应于图14所示的模式。斜率为1/f2的曲线有时被（错误地）称为“质量线”，它代表了平台的刚体运动。“质量线”具有误导性，因为顶部的刚体响应涉及转动和平动自由度，因此，除了质量外，还涉及到平台的两个惯性矩。由于这个原因，这条线可能比仅用平台质量计算的线高10倍或更多。

图15：f0-f3显示了平台的四个ZD共振。

        柔度曲线主要用来显示平台的阻尼情况。阻尼水平越高，在符合性测试中峰值越低，平台在冲击扰动后的衰减越快。有两种方法来阻尼一个平台的模式：窄带阻尼和宽带阻尼。首 个使用调谐的机械振荡器匹配的频率的常态振荡要被阻尼。每一个匹配的振荡器都能以单一频率去除能量。TMC使用宽频带阻尼，其中模态的阻尼是通过一个有损化合物耦合平台到一个第二质量。它可以阻尼所有的模态和所有的频率。

        调谐阻尼有几个问题。如果平台的频率改变（因为在它上面放置了一些质量），那么阻尼器就会失去一些效力。此外，必须使用几个阻尼器，每个关注的一个模态（频率）。这加剧了匹配问题。每个阻尼器都安装在平台的不同角落。这导致了平台的每个角都有不同的依从性度量。因此，所引依从曲线可能只适用于一个顶部的四个角之一。此外，调谐阻尼器在降低Q值方面受到很大限制。例如，使用合理尺寸的阻尼器很难达到临界阻尼的10倍。

        在宽频阻尼中，第二质量通过平台均匀分布，产生一个不依赖于角的柔度曲线。它对平台谐振频率的变化也不敏感，并将阻尼所有模式——而不仅仅是那些有匹配阻尼器的模式。事实上，TMCZG等级的平台可以有接近临界阻尼的ZD模式（取决于高宽比，厚度等）。

4.3.2 柔度曲线作为标准

        虽然使用作为衡量平台性能的标准，角落依从曲线是远不是一个统一和明确的价值的数字。问题不仅在于使用调优阻尼的平台。所有的测量都对测试冲击和监控传感器的精确位置非常敏感。TMC通过将传感器放置在平台侧面6英寸的角落，并在传感器的内测撞击平台来测量顺应性曲线。因为平台的核心是从平台的边缘凹进1-2英寸，撞击平台更靠近角落产生“边缘效应”。测试的结果是，从一个角落到另一个角落，甚至撞击到另一个角落都不一致。另一方面，在平台的前几种模式下，从角开始测量可能会使传感器和冲击点危险地接近一个节点线（图14）。这是非常敏感的，几英寸就会对顶部的测量依从性产生戏剧性的影响。

        正确地支持被测试的平台也很重要。TMC在四个点上支持平台，沿着从平台末端22%起的两个节点行。这种测试可以使用气动减振器或更硬的橡胶支架（尽管橡胶支架可能会改变高阶模态的阻尼）。虽然这对于制造商来说是相当标准的，但客户必须知道，只有当他们以这种方式支撑他们的顶部时，依从性测试才代表他们的安装。

        由于没有行业或政府标准的测试标准（如TMC传感器位置的标准6英寸），节点形状在作为优劣标准图形的角柔度曲线的均匀性方面存在一个主要问题。部分问题在于测量点——模态的节点线附近——是共振振幅变化ZD的位置：从节点的零点到平台的边缘的ZD值。进行符合性测量的理想位置是模态形状“平”的位置。例如，这将是图14中第①种模式的平台的中 心。在这里，测量几乎是独立的传感器或冲击位置的第①模态。然而，对于许多更高的模态，这是在节点线上的死中 心，产生本质上毫无意义的结果。无论是好是坏，角落合规测试已经成为标准，而不是对每个模态形状进行单独测试以轰炸客户。

        近年来，已经作出了一些尝试来产生其他有价值的图形。TMC不使用这些，因为它们将依从性测试的不确定性与其他几个假设混合在一起。所谓的“动态偏转系数”和“ZD相对运动”*从柔度曲线中获取信息，并将其与假定的输入力谱相结合。不幸的是，你观察到的“真实的”相对运动也取决于你的平台被支持的方式。例如，如果你的顶部被位于ZD模式节点线上的减振器适当地支撑（相隔0.53 L），那么就没有来自减振器的ZD模式激励（这些优点的数字是基于此）。同样，如果你不正确地支持一个顶部，模式可以驱动到大振幅。此外，“假定的”输入取决于两个定义很差的因素：地面噪音和减振器效率。即使这些频率被很好地定义，噪声源更有可能在这些频率（通常是100- 1000hz）占主导地位。由于所有这些原因，我们认为这些有价值的替代数字基本上没有意义，所以不使用它们。

*这些特别有价值的图形是由加州Newport Corporation of Irvine公司开发的。

关于TMC

      TMC为纳米技术设计和制造先进的建筑地面隔振系统。TMC隔离器支持超精密测量、仪器和制造。我们继续领先于行业先进的主动、惯性振动消除系统，具有压电驱动器和数字控制器。我们的无源产品范围从简单的、桌面隔离显微镜底座，到几乎任何尺寸的光学表系统。
      TMC产品让光子学、半导体制造、生命科学、药物发现和纳米技术等领域的超精密研究、测量和制造成为可能。

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