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| AOI 與量測設備的被動式與主動式減振比較
羽昌科技工程團隊|技術文章|2026 年 10 月
重點摘要: 被動式減振(空氣彈簧、橡膠)是機械式低通濾波器:在自然頻率 fn 附近會放大振動,要到 √2·fn 以上才開始隔振,所以 fn 約 3 Hz 的空氣彈簧大約從 4.2 Hz 起才有效。主動式減振加上感測器、控制器與致動器,可以壓制共振、把隔振延伸到更低頻,並用平台前饋訊號抵消機台自身運動造成的反作用力。同儕審查文獻指出,選型正確、阻尼足夠的被動式系統已能滿足多數精密設備;主動式主要用在低頻地板振動差,或平台反作用力主導產能的情況。
一、兩種擾動
-
地板振動:空調、幫浦、交通、鄰近機台,經由減振器向上傳遞。
-
機台自身力量:平台與機械手臂加減速的反作用力,直接作用在被隔離的質量上,讓軟支撐搖晃。
兩者互相拉扯:支撐越軟、地板隔振越好,但平台加速時機台傾斜越大 [1]。
二、廠房規範:VC 曲線
精密廠房常用 VC 曲線,以 1/3 倍頻程 RMS 速度表示;曲線範圍 4–100 Hz(8 Hz 以上為定速度限值)。Gordon 也指出空氣彈簧的共振頻率多在 1–3 Hz,低於原始曲線範圍 [2]。
| 曲線 | RMS 速度 | 典型用途(Gordon 1999) |
|---|---|---|
| VC-A | 50 µm/s | 400 倍光學顯微鏡、微量天平、近接/投影曝光機 |
| VC-B | 25 µm/s | 1000 倍顯微鏡;3 µm 線寬的檢查與微影設備 |
| VC-C | 12.5 µm/s | 1 µm 尺度的多數微影與檢查設備 |
| VC-D | 6 µm/s | TEM/SEM、電子束等最嚴苛設備 |
| VC-E | 3 µm/s | 長光程雷射等極度敏感系統 |
實際選型應以機台規格和現場地板實測為準。
三、被動式減振的物理
單自由度系統,阻尼比 ζ、頻率比 r = f/fn:
T = √[(1 + (2ζr)²) / ((1 − r²)² + (2ζr)²)]
| 區間 | 行為 |
|---|---|
| r ≪ 1 | T ≈ 1,跟著地板動 |
| r ≈ 1 | 共振,輕阻尼時峰值約 1/(2ζ) |
| r = √2 | 不論阻尼 T = 1,從這裡開始隔振 |
| r ≫ 1 | 無阻尼時趨近每十倍頻 −40 dB;黏性阻尼會使其趨近 −20 dB |
例:fn ≈ 3 Hz 的空氣彈簧,在 3 Hz 附近放大,約 4.2 Hz 起隔振,30 Hz(r = 10)時無阻尼模型 T ≈ 1/99 ≈ 1%。阻尼越大共振峰越低,但高頻隔振會變差,這是典型的取捨。
優點:不需電子與電力、可靠、成本低,對數 Hz 以上有效。限制:共振本身;軟支撐在平台移動後搖晃、穩定時間長;√2·fn 以下無法隔振。
四、主動式減振
加上慣性感測器(地震計或加速度計)、即時控制器與致動器(音圈或壓電),通常與空氣彈簧並聯。
-
回授(天鉤阻尼)壓制共振峰,把隔振延伸到更低頻。
-
前饋:由平台軌跡產生器提供加速度訊號,同步施加反向力,減少傾斜與穩定時間。
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代價:電力、配線、調機、與結構模態的交互作用、價格較高。
五、比較
| 項目 | 被動式(空氣彈簧/橡膠) | 主動式(感測器+致動器) |
|---|---|---|
| 開始隔振 | 約 √2·fn(3 Hz 系統約 4 Hz) | 更低,視感測器與控制器而定 |
| 共振 | 放大峰 1/(2ζ) | 主動壓制 |
| 平台引起的搖晃 | 較大,穩定時間較長 | 前饋可降低 |
| 公用設施 | 乾淨壓縮空氣 | 電力(混合式另需空氣) |
| 複雜度 | 調水平與氣壓 | 控制器設定與調機 |
六、實務選型
-
先以 1/3 倍頻程實測地板,對照機台規格。
-
問題在約 5 Hz 以上:阻尼足夠的被動式系統配上剛性高、質量大的基座通常就夠 [1]。
-
約 4 Hz 以下地板差,或步進停定產能受平台反作用力限制:評估主動式或混合式。
-
不論哪種,減振器上方的結構都要夠剛,讓結構共振遠高於伺服與控制頻寬。厚重的花崗石基座也能降低移動質量比,直接減少搖晃。
羽昌的角色
羽昌加工精密花崗石基座與結構件(單件最大 4,000 × 2,500 × 300 mm、10 噸,平面度最高 0.015 mm,依尺寸與等級),以及陶瓷結構件,可配合您選用的任何減振系統,依減振器安裝點與平台配置設計基座。台灣客戶如需氣壓式減振模組的選型與安裝,可另洽羽昌業務。
常見問題
為什麼要到 √2 倍自然頻率才開始隔振? 低於這個比值時傳遞率大於或等於 1,地板振動會被傳過來甚至放大;高於它才小於 1。
氣壓式減振器的自然頻率大約多少? Gordon(1999)指出空氣彈簧共振多在 1–3 Hz;3 Hz 系統約從 4.2 Hz(√2 × 3)起隔振。
被動式之後能升級成主動式嗎? 有空間與承載餘裕時有機會,但控制迴路會與結構模態交互作用,必須重新評估整體結構。
什麼是混合式減振? 空氣彈簧承擔靜重,並聯的主動致動器負責壓制共振與抵消平台作用力。
基座越重越好嗎? 對機台自身擾動有幫助:同樣的平台力量,質量越大傾斜越小。但地板隔振取決於 fn 與阻尼,與質量無直接關係。
參考文獻
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E. I. Rivin, "Vibration isolation of precision equipment," Precision Engineering 17(1) (1995) 41–56. https://doi.org/10.1016/0141-6359(94)00006-L
-
C. G. Gordon, "Generic vibration criteria for vibration-sensitive equipment," Proc. SPIE 3786 (1999). https://doi.org/10.1117/12.363802 (full text: https://www.octava.info/files/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/Gordon-SPIE99.pdf)
-
C. G. Gordon, "Generic criteria for vibration-sensitive equipment," Proc. SPIE 1619 (1992) 71–85. https://doi.org/10.1117/12.56826
-
E. I. Rivin, "Vibration Isolation of Precision Objects," Sound and Vibration, July 2006. http://www.sandv.com/downloads/0607rivi.pdf
作者:羽昌科技工程團隊(羽昌科技股份有限公司,台中)
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