La stabilité peut poser des problèmes aux clients utilisant des tables dont le centre de gravité(CDG) est très élevé. Cela se produit avec des applications montées sur des tables épaisses et/ou étroites. L’installation d’équipements à CDG élevé, comme les enceintes de protection ou les microscopes électroniques à balayage, peut également provoquer des problèmes d’instabilité. Vous trouverez ci-dessous une description des problèmes rencontrés et une liste de contrôle à appliquer.
Les systèmes de tables montés sur des isolateurs pneumatiques peuvent présenter deux types de mouvements de bascule ou de pompage. Le premier est une simple instabilité statique due à une charge utile « haute » liée à un faible écartement des isolateurs. On le reconnaît à la manière dont la table bascule d’une position inclinée d’un côté vers une position inclinée de l’autre, s’arrête, puis recommence. Le second se manifeste sous la forme d’une oscillation dynamique de la commande de niveau. Dans ce cas, la table bascule rapidement d’un côté vers l’autre, à une fréquence d’environ 2 Hz, avec beaucoup de sifflements des vannes pneumatiques. Les causes et les solutions sont différentes, mais les phénomènes sont assez similaires pour susciter la confusion.
Instabilité statique
La table bascule autour du “ centre de roulis ”, à mi-chemin entre les isolateurs les plus proches, à la hauteur des diaphragmes des isolateurs. Comme le CDG de la plupart des systèmes isolés est plus haut que les diaphragmes, le CDG se déplace de part et d’autre lorsque la charge utile bascule. Lorsque le CDG de la charge utile s’éloigne horizontalement du centre de roulis, la masse de la charge utile a pour effet de la faire basculer encore plus. Cette tendance à basculer est contrecarrée par la rigidité des isolateurs. En termes de mécanique, le système est statiquement stable tant que le couple de rappel est plus grand que le couple de basculement.
Ce que l’on exprime de la manière suivante :
[rigidité de l’isolateur x 1/2 écartement des isolateurs] > [déplacement du CDG de la charge utile x masse de la charge]
La stabilité d’un système est meilleure si les isolateurs sont rigides. Malheureusement, des isolateurs rigides n’isolent pas aussi bien que des isolateurs souples, si bien qu’un compromis doit être accepté au niveau de la conception.
Pour un angle de basculement donné, un CDG plus élevé se déplace plus qu’un CDG moins élevé. De ce fait, l’instabilité statique se manifeste lorsque le produit (CDG de la charge x masse de la charge) dépasse le couple de rappel des systèmes à CDG élevés. Pour les isolateurs pneumatiques typiques, la hauteur critique du CDG, par rapport à la position des diaphragmes, est d’environ la moitié de la distance entre les isolateurs les plus proches. Cette règle empirique est illustrée ci-dessous.
La stabilité statique est indépendante des vannes de remise à niveau et de leur réglage de pression d’air, aussi longtemps qu’il y a suffisamment de pression d’air pour assurer le flottement du système. Pour confirmer qu’un système est statiquement instable, il faut le stabiliser manuellement, puis fermer à fond les vannes de remise à niveau. Relâcher le système. S’il bascule d’un côté et y reste, il est statiquement instable.
Il est important de noter que, même si certains systèmes sont moins instables statiquement que d’autres, aucun système instable ne peut assurer une isolation de qualité.
Remèdes à l’instabilité statique
Il n’existe que deux solutions efficaces à l’instabilité statique : soit réduire la hauteur du CDG par rapport au centre de roulis, soit augmenter l’écartement des isolateurs. La hauteur du CDG peut être réduite en utilisant une table de moindre épaisseur, en ajoutant des rallonges latérales ou en logeant l’extrémité des pieds à l’intérieur des tables.
Dans certains cas, du lest peut être ajouté au-dessous de la table pour abaisser le CDG total de la charge utile. Le lest doit être fixé à l’aide d’inserts pour éviter de décoller la peau inférieure. La meilleure manière d’écarter les isolateurs est d’utiliser une table plus large. Les rallonges latérales ont à la fois pour effet d’écarter les isolateurs et d’abaisser le CDG, mais ils encombrent l’espace libre du laboratoire sans augmenter la surface utile de la table. Des logements spécifiques peuvent être aménagés pour monter les pieds à l’intérieur des tables et ainsi abaisser le CDG, ils sont très efficaces dans le cas de tables épaisses.
La stabilité des tables légèrement instables peut être améliorée en déplaçant les isolateurs vers les bords. La position classique d’un isolateur est à 152 mm du bord de la table. Les plaques de fixation des isolateurs font 200 mm de diamètre, si bien que les isolateurs peuvent être déplacés de 50 mm. Dans ce cas, le corps des isolateurs va dépasser de quelques centimètres du bord de la table. En outre, il est nécessaire de percer et de tarauder de nouveaux trous de fixation pour obtenir des fixations antisismiques.
Une autre méthode pour améliorer la stabilité des systèmes étroits est d’asservir les isolateurs placés sur la longueur de la table. Dans le schéma classique de raccordement, les isolateurs sont associés aux deux extrémités. Lorsque la table subit un mouvement de roulis, ces isolateurs se contentent d’échanger de l’air comprimé alternativement, et ne fournissent pas de couple de rappel. Dans un système standard à quatre isolateurs, deux isolateurs seulement contribuent à la stabilité. En asservissant les isolateurs sur la longueur, tous les isolateurs contribuent à la stabilité. L’inconvénient de cette démarche est que le système est plus difficile à mettre de niveau, à cause de la plus grande distance entre les pieds. La stabilit longitudinale est donc réduite.
L’instabilité statique peut être masquée en utilisant un système de mise à niveau très efficace, empêchant un roulis de grande amplitude. Dans ce cas, la table oscille avec une très faible amplitude dans la zone d’insensibilité de la vanne de mise à niveau. L’isolation aux faibles fréquences est très gravement affectée.
Problèmes de taille
Les problèmes de stabilité statique se rencontrent fréquemment avec les tables épaisses de 600 mm et plus. Par exemple, le centre de gravité d’une table de 600 mm se trouve à 300 mm au-dessus de la peau inférieure et à 380 mm au-dessus des diaphragmes des isolateurs. L’écartement des isolateurs d’une table de 1200 mm de largeur est de 915 mm. Il suffit d’une faible charge utile pour remonter le CDG du système et le rendre statiquement instable. La stabilité doit faire l’objet d’un contrôle sur tous les systèmes présentant un rapport largeur/hauteur inférieur à environ 2,5.
Instabilité dynamique
Les vannes de mise à niveau sont les pilotes d’un servo-système pneumatique de positionnement qui contrôle la hauteur de la table. Les vannes répondent aux changements de hauteur en injectant ou en otant de l’air comprimé dans les isolateurs, de manière à rétablir la hauteur voulue. Si l’addition ou l’expulsion d’air se fait trop rapidement, le système se met à osciller.
Remèdes à l’instabilité dynamique
La solution la plus simple pour éviter l’instabilité dynamique est de réduire le débit d’air. Régler la pression de l’alimentation pneumatique de manière à ce qu’elle soit supérieure de 0,14 à 0,7 kg/cm² à celle qui est nécessaire pour faire flotter le système. Régler manuellement les vannes à pointeau sur chaque isolateur. Si le système continue d’osciller, réduire la pression d’air et fermer progressivement les vannes à pointeau jusqu’à ce que l’oscillation cesse.
Il existe une interaction entre l’instabilité statique et l’instabilité dynamique. Les systèmes qui ont une stabilité statique médiocre sont les plus difficiles à stabiliser dynamiquement.
Applications spécifiques
Un nombre croissant d’applications OEM exige des systèmes d’isolation offrant des temps de stabilisation et de mise à niveau plus rapides, ainsi qu’une précision de mise à niveau supérieure, ceci afin de réaliser des systèmes d’inspection automatique de grande précision. Pour ces applications, on utilise des vannes spécifiques à fort débit ainsi que des isolateurs particuliers à amortissement élevé. Le seul remplacement des vannes de mise à niveau ne suffit pas pour améliorer les délais de repositionnement ou la stabilité.
Nos isolateurs sont conçus pour des amortissements répondant à une large gamme d’applications. Dans certains cas spécifiques, il est possible de réaliser un amortissement sur mesure avec tous nos isolateurs. Un amortissement supérieur modifie profondément l’isolation, mais permet des débits d’air important et offre une réduction des temps de repositionnement et de stabilisation. Toutes les applications sont différentes et il peut être nécessaire de procéder à des expérimentations pour obtenir les résultats voulus.
La précision de la mise à niveau est largement indépendante des questions de stabilité des systèmes. Les vannes de mise à niveau doivent être sélectionnées en fonction de la précision du positionnement et du temps de stabilisation souhaité.
Liste de contrôle pour la stabilité (stade de l’étude)
- Le système est-il stable statistiquement ?
- La pression d'air est-elle correcte ?
- Les vannes à aiguille sont-elles correctement ajustées ?
- Comment le système réagit-il à des charges variables ou en mouvement ?
Résumé
Les systèmes d’isolation pneumatique conviennent pour la plupart des applications dont la charge ne varie pas. Un calcul et une conception soignés des systèmes d’isolation assureront un fonctionnement stable. Cependant, il existe de plus en plus d’applications qui se situent aux limites des performances des systèmes pneumatiques et nécessitent un travail spécifique pour qu’elles puissent répondre à votre attentes. Les systèmes d’isolation active répondront aux spécifications les plus sévères à venir.