晶体炉称重模块的被动隔振研究论文_张军胜

摘要：针对晶体生长炉称重模块的振动导致测得重量值的跳动，提出针对该模块的被动减振系统模型通过MATLAB软件仿真，从中选取减振效果最好的参数，由最终分析结果可得，加入的减振系统具有良好的减振性，提高称重模块的稳定性，取得了较好的效果。

关键词：晶体炉；被动减振；参数优化

Research on Passive Vibration Reduction of Crystal Furnace Weigh Module

ZHANG Jun Sheng, TANG Jing Yuan, YANG Jun Liang, LIU yunxia

(Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

Abstract: In view of the vibration of the weighing module during the use of the crystal growth furnace, the measured weight value is beaten, and a passive damping system is proposed for the device. At the same time, the system is designed in detail, and the parameters with the best damping effect are selected through MATLAB software simulation. The shock absorption system has good shock absorption to the equipment, improves the stability of the weighing module, and achieves good results.

Key words: Crystal furnace; Passive damping; Parameter optimization

引言

对于提拉法晶体生长，为了控制晶体的等径生长，数据的采集由称重传感器采集，通过计算得到两个重量数据，一个是绝对重量，也就是晶体的实际重量，另一个是重量增加量，即所设定的时间内晶体增加的重量。根据所采集这两个数据，和响应时间内提拉的长度计算出晶体直径信息，并与晶体直径的设定值进行比较做差。又因为晶体的生长速度十分缓慢，一般生长速度为1g/min,这就对称重传感器的分辨率达到0.02g，为了保证称重传感器的精度，则需要对其进行减振晶体炉的称重称重传感器采集器如图1.1所示：

图1.1晶体炉的称重系统

Fig.1 Crystal furnace weighing system

1称重系统振动建模建模

本节主要计算机体的振动对称重传感器的影响，机体的振动来源分为外部的干扰例如地面传递到机体振动；也有机体自身的水泵，提升电机等的振动。由原先的只有设备的整体减振，增加为在为在称重传感器和机体之间增加弹簧阻尼系统。增加的位置如图1.2所示：

　

图1.2机体增加减振位置

Fig. 1.2 increase vibration reduction position of engine body

增加完减振模块后，称重模块相对于地面由原来的单自由度变成了双自由度系统，其数学模型和振动幅度将大幅度降低，对称重模块建立模型如图1.3：

图1.3当机体受到振动时对称重系统建模

Fig. 1.3 modeling of symmetrical weight system when the body is subject to vibration

其中，数学建模的动力学方程为：

（1.1）

（1.2）

对（1.1）、（1.2）进行拉普拉斯变换，并且令初始条件等于零，得

（1.3）

（1.4）

消除X1(s)求得

（1.5）

系统的传递函数为

（1.6）

由参数：

（1.7）

是系统自由振动的固有角频率

（1.8）

　是临界阻尼系数

（1.9）

将阻尼比和固有频率wn带入（1.6），则传递

（1.10）

将已知的m1=1000kg,m2=10kg,k1=1e06N/m,c1=10N/(m/s)带入（1.10），得公式（1.11）。

（1.11）

2动力学方程进行频谱响应分析

为减少称重传感器的振动，对全频段进行测试，对传递函数进行计算得出当称重传感器的固有频率wn2与机体固有频率wn1相同机体的振动最小，即wn2=wn1=31.6，频率与传递率如图1.4：

图1.4频率与传递率的关系曲线图

Fig1.4 relation curve between frequency and transmission rate

从图中可以看出，随着阻尼比ξ2的值增加，则出现共振频率的称重传感器振幅比峰值也会增加。增加的弹簧阻尼模型设计可减少机体的振动。并且最大振幅比为2.3e-5。

3动力学方程进行单位脉冲响应分析

在设备使用中为避免出现意外的单位脉冲振动，因此对系统进行单位脉冲分析，当系统输入单位脉冲信号时，系统的反应如图1.5：

图1.5系统受单位脉冲响应

Fig. 1.5 response of system to unit impulse

从图中可以看出当受到单位脉冲时ξ2=0.2时系统振幅最大为5e-5，并且到4s时衰减到可接受范围。

4 对结果进行计算分析

经过分析得当机体m1受到外部波动干扰时随着ξ2的增大而增大并且在共振点wn2=31.6处达到最大值，机体m1受到单位脉冲干扰时随着ξ2的增大而减少并且在t=4s时衰减到4%以内；当称重传感器m2受到波动干扰时随着阻尼比ξ2的增大而增减少并且在共振点wn2=31.6两侧达到最大，但是在共振点迅速为最小，称重传感器m2受到单位脉冲干扰时随着ξ2的增大而减少并且在t=1s时衰减到4%以内.

综上所述，选取wn2=31.4，ξ2=0.6，由m2=10kg，计算出弹簧系数k=m2wn22=1e4N/m。阻尼系数c=2ξ2wn2=38N/(m/s)。

论文作者:张军胜

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期

论文发表时间:2020/4/28

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