L’isolation des microvibrations est d’abord apparue comme un besoin dans les laboratoires de recherche sur les lasers. Newport Research Corporation, depuis 1969, a su répondre à ces besoins d’isolateurs destinés à supporter les tables d’optique dans les laboratoires. Ces isolateurs avaient été conçus pour assurer un maximum de transmissibilité, ou rapport entre le mouvement d’un objet isolé et le mouvement du sol, sur une bande de fréquences aussi large que possible.
Principes des isolateurs pneumatiques
Les isolateurs pneumatiques se composent essentiellement d’une chambre pneumatique fermée par un diaphragme flexible. Cette chambre supporte la charge utile sur un coussin d’air. Les modèles avec mise à niveau automatique comportent une vanne pour contrôler l’admission et l’échappement de l’air de la chambre. L’objectif des vannes de mise à niveau est d’assurer que les performances de l’isolateur soient relativement indépendantes de la charge, et de ramener la plate-forme en position après tout changement de distribution des charges. (Voir voir Compresseurs silencieux pour plus d’informations sur ces vannes.)
Principes de transmissibilité des isolateurs
L’isolateur prend place dans un système masse/ressort/amortisseur. Essentiellement, les isolateurs pneumatiques jouent le rôle de filtre mécanique. Avant que leur action ne devienne isolante, ils amplifient les mouvements du sol à leur fréquence propre. La fréquence propre est définie par:
où “k” est la raideur du système et “m” sa masse.
De ce fait, si l’on souhaite une isolation optimale et une largeur de bande maximale, il faut que la fréquence propre soit aussi basse que possible, normalement 1–2 Hz.
A des fréquences de vibration du sol qui sont inférieures à la fréquence propre du système isolé, la transmissibilité de l’isolateur est égale à 1 et le mouvement de la charge utile est identique à celui du sol. A la fréquence propre du système, l’isolateur passif amplifie le mouvement du sol d’un facteur compris entre 3 et 10 environ, en fonction de l’amortissement. Les systèmes fortement amortis connaissent une moindre amplification que les systèmes faiblement amortis. A une fréquence égale à 1,41 fois la fréquence propre, la transmissibilité reprend sa valeur de 1.
L’isolation commence au-dessus de la fréquence de 1,41 x fn. Lorsque la fréquence des vibrations augmente, la transmissibilité décroît en décrivant une pente de -40 dB/décade. Ce qui revient à dire que l’isolation s’améliore d’un facteur 100 pour toute augmentation de la fréquence d’un facteur 10.
Par exemple, prenons un système dont la fréquence propre est de 2 Hz ; il a donc une transmissibilité de 1 à la fréquence de 2,8 Hz (1,41 x 2) ; à 28 Hz la transmissibilité est réduite de–40 dB, soit 0,01.
Dans les isolateurs Newport, l’isolation horizontale est assurée par un système pendulaire. Le comportement de l’isolateur pendulaire (horizontalement) est fondamentalement le même que celui de l’isolateur pneumatique dans le sens vertical. La fréquence propre du pendule est donnée par :
où “L” est la longueur du pendule et “g” est l’accélération de la pesanteur.
La fréquence propre horizontale est généralement d’environ 1,5 Hz. L’isolateur passif commence ensuite à assurer une atténuation des vibrations à partir de 2–3 Hz, l’efficacité augmentant au fur et à mesure que la fréquence s’élève.
Dans les systèmes d’isolation passive des applications de recherche, on voulait une fréquence propre basse : plus elle était basse, plus l’isolation était bonne.
L’inconvénient des isolateurs-amortisseurs passifs de type masse/ressort est qu’ils constituent des systèmes de suspension très souples. Or, plus l’isolation est élevée, plus ils sont souples. La perturbation la plus minime de la charge utile peut se traduire par des mouvements importants et des temps de stabilisation qui peuvent atteindre dix secondes. C’est généralement acceptable dans le monde de la recherche. Mais depuis que les projets de recherche ont essaimé en direction des environnements de production et d’inspection, les longs temps de stabilisation sont devenus inacceptables sur les systèmes automatiques en raison des cycles de travail. De plus, il existe de nombreuses opérations de précision, dans la fabrication comme dans la mesure, qui ne peuvent plus accepter un mouvement ou un basculement de la base.
La qualité d’un système d’isolation pour équipement de fabrication fait appel à un concept plus large, qui dépend fortement de l’application. La « fréquence propre la plus basse » n’est plus le seul critère d’appréciation des systèmes d’isolation passive.
Critères de performance des isolateurs
Les critères de performance utilisés pour évaluer des isolateurs pneumatiques doivent englober les aspects suivants :
- Isolation (faible fréquence propre).
- Délai de stabilisation (dans le sens vertical et horizontal après une perturbation).
- Précision de mise à niveau.
- Capacité à conserver le niveau pendant les variations de la charge (mouvement du chariot).
- Ampleur des mouvements horizontaux acceptables du fait des forces de réaction au mouvement du chariot.
Les performances globales de l’isolateur constituent un compromis entre tous ces critères.
Construction à chambre hybride du Stabilizer™ de Newport et construction conventionnelle
Pour une charge donnée, les performances d’isolation dépendent avant tout du volume élastique de l’isolateur. En réduisant la raideur du diaphragme et de la vanne de mise à niveau, on améliore également l’isolation. Tous les isolateurs pneumatiques doivent en outre intégrer un certain amortissement pneumatique vertical, faute de quoi l’isolateur serait instable. Les isolateurs conventionnels se composent donc d’une chambre élastique (ressort) connectée à une chambre d’amortissement. Le compromis essentiel doit être trouvé à la conception entre l’isolation et l’amortissement. Améliorer l’amortissement amène à sacrifier l’isolation — puisque, lorsque l’amortissement est augmenté, la fréquence propre remonte, ce qui réduit la bande des fréquences isolées. Des isolateurs conventionnels présentant ce type de caractéristiques sont proposés par un certain nombre de constructeurs.
Tous les isolateurs Newport conçus depuis environ 1991 reprennent la construction brevetée du Stabilizer™. La construction à chambre « hybride » du Stabilizer exploite le comportement élastique de la totalité du volume de l’isolateur (donc des deux « chambres »). La construction exclusive de Newport comprend un élément amortisseur à flux laminaire placé sur une paroi qui entoure étroitement le piston de l’isolateur à l’intérieur du volume d’air de l’isolateur. Cette solution autorise une large gamme d’amortissements, légers pour les applications de recherche, très poussés pour les applications industrielles avec chariots mobiles. Une augmentation minime de la fréquence propre (réduction de l’efficacité de l’isolation) est observée sur les versions très fortement amorties. Certains constructeurs ne proposent que la construction conventionnelle à deux chambres reliées par un petit orifice d’étranglement. La chambre la plus proche du diaphragme donne l’élasticité de l’isolateur (aspect ressort). L’orifice et la seconde chambre assurent l’effet d’amortissement, lorsque l’air passe d’une chambre à l’autre. La taille de l’orifice est un élément critique. Si elle est optimisée pour l’isolation du sol, elle sera trop faible pour amortir de manière optimale les mouvements importants dus à des variations de la charge ou à des déplacements des chariots.
Dans la construction conventionnelle à deux chambres qu’utilisent d’autres constructeurs, il est impossible d’augmenter fortement l’amortissement vertical pour encaisser les mouvements du sol de type sismique sans relever la fréquence propre de l’isolateur, ce qui affecte l’isolation des hautes fréquences et réduit l’amortissement des perturbations les plus importantes.
Amortissement des systèmes industriels
L’amortissement est généralement choisi pour assurer une amplification de la transmissibilité d’un facteur 3 (9,5 dB) à la résonance verticale du système charge/isolateur. Un tel amortissement constitue un bon équilibre entre une faible amplification en résonance et une bonne isolation aux fréquences supérieures. Cependant, cet amortissement ne suffit pas pour assurer un repositionnement rapide après un mouvement du chariot ou une autre perturbation due à la charge. Ces perturbations se classent en deux types — celles qui ne modifient pas la charge de l’isolateur et celles qui la modifient :
- Les perturbations qui ne changent pas la charge des isolateurs sont les contacts accidentels avec la charge et les interventions sur le système pour effectuer des réglages. Pour améliorer les temps de repositionnement de ces applications, il est possible de bloquer une partie des éléments à flux laminaire (ou d’en concevoir des spéciaux pour les modèles sur mesure), afin de limiter l’amplification en résonance à un facteur 2. Un tel amortissement plus élevé autorise des temps de repositionnement de moins de 3 secondes après une perturbation majeure de la charge.
- Les perturbations avec effets sur la charge des isolateurs sont le chargement et le déchargement des pièces produites ainsi que le déplacement des chariots. Dans de telles applications, un amortissement supérieur des isolateurs permet d’employer des vannes de mise à niveau dont le gain est plus élevé (rapport entre le débit d’air de la vanne et l’erreur de hauteur de la charge utile). Il est alors possible d’avoir un débit plus élevé d’échappement ou d’injection, sans toutefois que le système ne se mette à osciller. Un débit d’air supérieur permet à la charge utile de rester à niveau pendant les mouvements des chariots ainsi que dans les opérations de chargement et de déchargement.
Amortirssement des systèmes d’isolation pneumatique
A partir de la technologie Stabilizer et de ses performances d’isolation, les isolateurs de type Damping ont été développés en 1997 afin d’offrir un meilleur amortissement aux applications où la charge utile se déplace. Les systèmes d’isolation avec amortissement utilisent des orifices réduits d’écoulement laminaire et des vannes à gain élevé. Les configurations standards d’isolateurs Damping réduisent l’écoulement laminaire d’environ 50 %, ce qui améliore considérablement la stabilité du système lors des mouvements de charges. Des constructions sur mesure peuvent être optimisées pour répondre aux besoins en réglant l’écoulement laminaire, le gain des vannes et même la raideur des diaphragmes.
Élastomères NewDamp™
Certains systèmes à très haut débit peuvent ne pas tolérer les systèmes pneumatiques à cause des accélérations élevées qui sont observées. Les élastomères NewDamp ont été mis au point en 1997 pour nos systèmes de positionnement de wafers à haut débit MAT350 et DynamYX Newport. Ces élastomères spécifiques offrent des propriétés d’amortissement bien plus élevées que d’autres matériaux. Ils permettent de surmonter l’un des inconvénients traditionnels de ces matériaux
qui est la variation de la fréquence propre sous l’effet de la variation des charges. Les réalisations de type CNF (Constant Natural Frequency – fréquence propre constante) assurent plus de souplesse que les systèmes d’isolation utilisant des élastomères classiques. Newport a investi beaucoup de temps et de tests de modélisation pour concevoir spécifiquement ces élastomères en fonction des nécessités des machines.