Bei Tischsystemen mit sehr hohem Massenschwerpunkt können Stabilitätsprobleme auftreten. Dies trifft vor allem auf Anwendungen zu, bei denen sehr dicke und/oder schmale Tische eingesetzt werden. Die Verwendung von Tischabdeckungen oder hochbauenden Geräten wie Raster-Elektronen-Mikroskopen kann daher zu einer Instabilität des Systems führen. Nachstehend finden Sie eine Beschreibung der Stabilitätsprobleme und eine Prüfliste für konkrete Anwendungen.
Es gibt zwei Arten von Schaukel- oder Pendelbewegungen, für welche pneumatisch isolierte Tischsysteme anfällig sind: Die erste ist eine einfache statische Instabilität, die durch einen hohen Schwerpunkt des Aufbaus und durch einen engen Abstand zwischen den Isolatoren hervorgerufen wird. Sie ist an der Art zu erkennen, wie sich der Tisch wiederholt langsam von einer Seite zur anderen neigt. Die zweite besteht aus einer dynamischen Oszillation. In diesem Fall schwingt der Tisch mit etwa 2 Hz von Seite zu Seite und lässt erhebliche Mengen Luft durch die Regelventile der Isolatoren ab. Die Ursachen und möglichen Gegenmaßnahmen dieser zwei Probleme sind unterschiedlich, aber immer noch ähnlich genug, um zu Verwechslungen führen zu können.
Statische Instabilität
Das Tischsystem schwingt um einen Drehpunkt, der mittig zwischen den am engsten stehenden Isolatoren auf Höhe der flexiblen Isolatordichtungen liegt. Da sich in den meisten Systemen der Schwerpunkt oberhalb der Isolatordichtungen und damit oberhalb des Drehpunktes befindet, bewegt er sich von einer Seite zur anderen, wenn der Aufbau verkippt wird. Da sich der Schwerpunkt hierbei horizontal verschiebt und damit vom Drehpunkt entfernt, sorgt die Last auf dem Tisch für ein weiteres Verkippen. Dieser Tendenz, immer weiter zu kippen, arbeiten die Isolatoren, abhängig von ihrer Steifigkeit, entgegen. Anders ausgedrückt ist das System solange statisch stabil, wie das aufrichtende Moment größer als das Kippmoment ist.
Es gilt:
[Isolatorsteifigkeit x 1/2 Isolatorabstand] > [Schwerpunktverschiebung der Nutzlast x Nutzlastgewicht]
Das bedeutet, je steifer die Isolatoren sind, umso besser ist die Stabilität des Systems. Unglücklicherweise isolieren steife Isolatoren weniger gut als weiche, wodurch beim Design ein Kompromiss gefunden werden muss.
Bei einem gegebenen Kippwinkel verändert sich die Lage eines hohen Massenschwerpunkts stärker als der eines niedrigen. Als Ergebnis tritt statische Instabilität dann auf, wenn das Produkt aus Schwerpunktverschiebung und Gewicht der Nutzlast das aufrichtende Moment übersteigt. Für Systeme mit üblichen pneumatischen Isolatoren liegt die kritische Höhe des Massenschwerpunkts, ausgehend von der Höhe der Isolatordichtungen, ungefähr bei der Hälfte des engsten Abstandes zwischen zwei benachbarten Isolatoren. Diese Daumenregel wird nachstehend illustriert.
Die statische Stabilität ist von den Regelventilen der Isolatoren, deren Einstellung und dem Luftdruck, solange er ausreicht, das System anzuheben und zu isolieren, unabhängig. Um zu überprüfen, ob ein System statisch instabil ist, sollte es von Hand stabilisiert und die Nadelventile der drei Regelventile vollständig geschlossen werden. Anschließend wird das System wieder losgelassen. Neigt es sich zu einer Seite und verbleibt dort, ist es statisch instabil.
Wichtig zu wissen ist, dass, auch wenn einige Systeme instabiler als andere sein mögen, kein instabiles System eine leistungsfähige Schwingungsisolierung bieten kann.
Korrekturmaßnahmen bei statischer Instabilität
Es gibt nur zwei gegen die statische Instabilität wirksame Methoden. Entweder die Lage des Schwerpunktes wird in der Höhe reduziert oder der Abstand zwischen den Isolatoren muss vergrößert werden. Die Schwerpunkthöhe kann durch Verwendung dünnerer Tische, seitlicher Stützträger oder Isolatortaschen reduziert werden.
In manchen Fällen kann zusätzlicher Ballast unter dem Tisch angebracht werden, um den Gesamtschwerpunkt abzusenken. Dabei ist darauf zu achten, dass der Ballast an durchgehenden Einsätzen befestigt wird, um eine Delaminierung der Bodenplatte des Tisches zu vermeiden. Der einfachste Weg, den Abstand zwischen den Isolatoren zu erhöhen, besteht darin, einen breiteren Tisch zu verwenden. Seitliche Stützträger vergrößern den Abstand zwischen den Isolatoren und senken gleichzeitig den Massenschwerpunkt, benötigen jedoch zusätzlichen Raum im Labor, ohne die nutzbare Tischfläche zu vergrößern. Isolatortaschen wiederum senken den Schwerpunkt und sind bei dickeren Tischen sehr effizient.
Die Stabilität von fast stabilen Tischsystemen kann verbessert werden, indem man die Isolatoren näher an den Rand des Tisches stellt. Die Standardposition liegt gut 15 cm vom Rand entfernt. Da der Durchmesser der Auflagefläche des Isolators rund 20 cm beträgt, kann jeder Isolator 5 cm nach außen geschoben werden. In diesem Fall wird der Körper des Isolators unter dem Tisch geringfügig hervorragen.
Ein anderer Weg, die Stabilität von schmalen Tischen zu erhöhen, liegt darin, zwei Isolatoren auf einer langen Seite zu koppeln. Normalerweise werden von vier Isolatoren zwei, die auf einer kurzen Seite liegen, gekoppelt. Während der Tisch von einer Seite zur anderen schwingt, fließt die Luft zwischen diesen beiden Isolatoren hin und her, ohne aber ein aufrichtendes Moment zu erzeugen. In dieser Anordnung können somit nur zwei von den vier Isolatoren gegen das Rollen des Tisches wirken. Verbindet man dagegen zwei Isolatoren einer langen Seite, so unterstützen alle vier die Stabilität des Tisches. Ein Nachteil besteht darin, dass es schwieriger wird, das System zu nivellieren, und dass die Stabilität in Längsrichtung reduziert wird.
Die statische Instabilität kann aufgrund einer sehr wirkungsvollen Niveauregulierung verborgen bleiben, da diese keine großen Amplituden bei den Rollbewegungen zulässt. In einem solchen Fall wird der Tisch mit sehr kleiner Amplitude innerhalb des Unempfindlichkeitsbereichs der Regelventile oszillieren. Die Isolierung bei niedrigen Frequenzen wird davon erheblich beeinträchtigt.
Aktive Schwingungsisolierungssysteme, die pneumatische Isolatoren verwenden, um das Gewicht des Aufbaus zu unterstützen, unterliegen den gleichen Beschränkungen in der statischen Stabilität wie normale pneumatische Isolatoren. Systeme, welche auf weichen Stahlfedern aufgebaut sind, können weniger anfällig für statische Stabilitätsprobleme sein, wenn die Federn deutlich steifer als pneumatische Isolatoren sind. Die Stabilität von aktiven Isolierungen, die relativ steife Elastomerdämpfer einsetzen ist dagegen pneumatischen Systemen weit überlegen.
Tischabmessungen
Statische Probleme treten meistens bei Tischen mit einer Dicke von 610 mm oder mehr auf. So liegt z.B. bei einem 610 mm dicken Tisch der Schwerpunkt rund 300 mm oberhalb der Bodenplatte und bereits 380 mm oberhalb des Drehpunktes, d.h. den Dichtungen der Isolatoren. Für einen 1,2 m breiten Tisch beträgt der Abstand zwischen den Isolatoren rund 914 mm, so dass die maximal akzeptable Höhe des Schwerpunktes bei 457 mm liegt. Das bedeutet, dass selbst ein relativ leichter Aufbau den Schwerpunkt bereits so weit anheben kann, dass das System statisch instabil wird. Daher sollte jeder Tisch mit einem Breiten-Dicken-Verhältnis von größer als 2,5 auf seine Stabilität überprüft werden.
Dynamische Instabilität
Die Regelventile von pneumatischen Isolatoren kontrollieren die Höhe und das Niveau des optischen Tisches. Die Ventile regeln die Tischhöhe, indem sie den Isolatoren im erforderlichen Maße Luft zuführen oder aus ihnen entfernen, um die gewünschte Höhe beizubehalten. Wird die Luft zu schnell zugeführt oder abgelassen, kann das System anfangen zu oszillieren.
Korrekturmaßnahmen bei dynamischer Instabilität
Die einfachste Maßnahme gegen die dynamische Instabilität besteht in einer reduzierten Luftzuführung. Stellen Sie die Druckluftversorgung auf einen Druck ein, der rund 0,5 bar oberhalb des Druckes liegt, bei dem die Isolatoren beginnen, das Tischsystem zu isolieren. Stellen Sie das Nadelventil für jeden Isolator manuell ein. Wenn das System immer noch oszilliert, reduzieren Sie den Luftdruck und schließen Sie die Nadelventile schrittweise, bis die Oszillation aufhört.
Zwischen statischer und dynamischer Instabilität gibt es eine Wechselwirkung. Systeme, welche im statischen Bereich gerade stabil sind, sind im dynamischen Bereich am schwierigsten zu stabilisieren.
Spezielle Anwendungen
Eine größer werdende Zahl von OEM-Anwendungen erfordert immer kürzere Rückstellzeiten und bessere Niveauregelgenauigkeiten für Isolierungssysteme, welche in hochpräzisen, automatisierten Inspektionssystemen eingesetzt werden. Für diese Anwendungen werden spezielle Ventile mit größerem Durchsatz und Isolatoren mit höherer Dämpfung verwendet. Ein einfaches Austauschen der Regelventile reicht dagegen nicht aus, die Rückstellzeiten oder Stabilität zu verbessern.
Die Dämpfung der Standard-Isolatoren von Newport ist für ein großes Spektrum von Anwendungen optimiert. Bei speziellen Anforderungen kann in alle Isolatoren von Newport eine anwendungsoptimierte Dämpfung eingebaut werden. Allerdings wirkt sich eine höhere Dämpfung nachteilig auf die Isolierung aus, erlaubt aber gleichzeitig einen größeren Luftstrom und reduzierte Rückstellzeiten. Da alle Anwendungen verschieden sind, können mehrere Versuche notwendig sein, um das Ergebnis zu optimieren.
Die Genauigkeit der Niveauregulierung ist größtenteils unabhängig von Fragen der Systemstabilität. Die Regelventile müssen entsprechend den geforderten Regelgenauigkeiten und Rückstellzeiten ausgewählt werden.
Allgemeine Stabilitäts-Prüfliste
- Verhält sich das System statisch stabil?
- Ist der Luftdruck korrekt?
- Sind die Nadelventile richtig eingestellt?
- Wie reagiert das System auf veränderte oder bewegte Lasten?
Zusammenfassung
Pneumatische Isolierungssysteme sind für die meisten Anwendungen mit unveränderlichen Lasten geeignet. Eine sorgfältige Spezifikation und Konstruktion des Systems gewährleistet den anschließenden stabilen Betrieb. Allerdings gibt es eine zunehmende Anzahl von Anwendungen, die an die Grenzen der Leistungsfähigkeit von pneumatischen Isolierungen gehen und eine sorgfältige Konstruktion erfordern, um den Anforderungen und Erwartungen des Kunden gerecht zu werden. Aktive Schwingungsisolierungen erfüllen darüber hinaus auch besonders kritische Anforderungen.