DE102012010196A1 - Aufstellelement - Google Patents

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Markus Wabner
Steffen Ihlenfeldt
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16MFRAMES, CASINGS OR BEDS OF ENGINES, MACHINES OR APPARATUS, NOT SPECIFIC TO ENGINES, MACHINES OR APPARATUS PROVIDED FOR ELSEWHERE; STANDS; SUPPORTS
    • F16M7/00Details of attaching or adjusting engine beds, frames, or supporting-legs on foundation or base; Attaching non-moving engine parts, e.g. cylinder blocks

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Aufstellelement, welches eine erste und eine zweite Druckplatte, mindestens ein erstes und ein zweites Festkörpergelenk, die jeweils mit der ersten und der zweiten Druckplatte eine Druckkammer begrenzen, und eine Mittelplatte, die zwischen dem ersten und dem zweiten Festkörpergelenk angeordnet ist, umfasst. Ein derart aufgebautes Aufstellelement kann sowohl geregelt als auch ungeregelt betrieben werden. Durch Beaufschlagung der beiden Druckkammern mit einem (statischen, quasistatischen oder dynamischen) Differenzdruck ergibt sich in Verbindung mit der Elastizität der Festkörpergelenke eine Relativverschiebung der Mittelplatte in Bezug auf die beiden Druckplatten. Aber auch ohne Regelung (z. B. bei Ausfall oder wenn Regelung nicht notwendig ist) wird durch die Verwendung von Festkörpergelenken eine hohe passive Steifigkeit des Aufstellelementes zur Schwingungsisolation bereitgestellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Aufstellelement, das beispielsweise zur schwingungsfreien oder zumindest schwingungsgedämpften Aufstellung von Maschinen, Anlagen und sonstigen Aggregaten auf einer Aufstellfläche verwendet werden kann.
  • Schwingungen werden von jeder Maschine mit umlaufender oder hin- und hergehender Unwucht erzeugt, wobei die erzeugten Vibrationen neben Lärm auch ernsthafte Störungen an in der Nähe aufgestellten schwingungsempfindlichen Maschinen und Instrumenten hervorrufen können, was zum Teil enorme Kosten verursacht.
  • Diese negativen Schwingungsauswirkungen werden durch den Trend zu immer kompakteren Produktionslinien mit einer zunehmenden örtlichen Nähe von schwingungsverursachenden und schwingungsempfindlichen Maschinen, aber auch durch die Modernisierung und Nachrüstung bestehender, starken Erschütterungen ausgesetzter Gebäude mit schwingungsempfindlichen Anlagen und Geräten noch weiter verstärkt.
  • Demzufolge ist vorab eine sorgfältige, schwingungstechnische Planung und Projektierung mit umfangreichen und kostenintensiven Einzeluntersuchungen erforderlich, bevor schwingungsverursachende und schwingungsempfindliche Geräte in Gebäuden aufgestellt werden können.
  • Ein Ansatz zur Verringerung der Schwingungsimmission und der durch Schwingungsschäden verursachten Kosten besteht darin, eine gewisse Unwucht der schwingungsverursachenden Maschinen weiter zuzulassen und ihre schädlichen Wirkungen durch schwingungsisolierende Aufstellelemente auszuschalten oder zumindest zu minimieren.
  • Diese Aufstellelemente lassen sich rein mechanisch (passive Aufstellelemente) als auch mechanisch-elektronisch (mechatronische bzw. aktive Aufstellelemente) realisieren, wobei aktive Aufstellelemente gegenüber rein passiven Ausführungsformen den Vorteil besitzen, dass sie bedingt durch die regelungstechnisch realisierbare Anpassung auf verschiedene Parameterschwankungen (wie z. B. Werkstückmasse) der zu schützenden Maschine reagieren können und demzufolge erheblich effizienter wirken.
  • Passive (ungeregelte) Aufstellelemente sind zwar meist technisch einfacher aufgebaut und somit kostengünstiger herstellbar als aktive (regelbare) Ausführungen, jedoch können sie nur einmalig bzw. nur manuell in ihrer schwingungsisolierenden Wirkung auf die zu schützende Maschine abgestimmt werden. Eine aktive, d. h. in einem automatischen Regelkreis an die jeweils herrschenden äußeren Parameter (wie Drehzahl und Last) anpassbare Schwingungsisolierung bzw. Deformationskompensation ist aber durch derartige passive Aufstellelemente nicht möglich.
  • Trotzdem sind passive Aufstellelemente aufgrund ihrer kostengünstigen Bauart und ihrer schnellen und einfachen Montierbarkeit und Demontierbarkeit in der allgemeinen Produktionstechnik weit verbreitet und werden in unterschiedlichsten Formen (z. B. als Nivellierschuh, Viskosedämpfer, Isolierplatte etc.) auf dem Markt als Hilfskomponenten zur Maschinenaufstellung angeboten.
  • Aktive, mechatronische Aufstellelemente sind indes vor allem bei Fertigungsgeräten in der Halbleiterindustrie weit verbreitet, da diese Ultrapräzisionsgeräte besonders empfindlich auf Schwingungen und Erschütterungen reagieren und demzufolge von den Halbleiterherstellern besonders hohe Anforderungen an den Schutz ihrer Geräte vor Schwingungsimmissionen gestellt werden. Auch ist es bekannt, solche aktiven (geregelten) schwingungsisolierenden Aufstellelemente bei hochempfindlichen Messsystemen (wie z. B. Koordinatenmessgeräten) einzusetzen, um keine schwingungsbedingten Einbußen bei der Messgenauigkeit in Kauf nehmen zu müssen.
  • Vorgenannte Geräte sind extrem empfindlich gegen Schwingungen des Fundaments, d. h. des Gebäudes, des Laborbodens und/oder der Labormöbel, wie beispielsweise eines Tisches, auf dem die Apparatur aufgebaut ist, so dass eine passive Schwingungsisolation in der Regel nicht ausreichend ist. Aktive Aufstellelemente sind mit einer Sensorik verknüpft, die Schwingungen an kritischen Stellen im zu schützenden Gerät misst, wobei eine Steuereinheit daraus die notwendigen Gegenbewegungen des Gerätes berechnet, um die Schwingungen auszugleichen, und eine im Aufstellelement integrierte Aktorik (z. B. pneumatische, elektrodynamische oder piezoelektrische Aktoren) bringt diese Gegenbewegungen in das Gerät ein.
  • Hingegen ergibt sich bei bekannten ungeregelten, passiven Aufstellelementen in der allgemeinen Produktionstechnik ein Problem dadurch, dass solche Aufstellelemente nur über eine endliche Federsteifigkeit verfügen. Folglich kann es insbesondere bei wandernden Lasten, wie sie z. B. bei Werkzeugmaschinen durch den wiederkehrend beschleunigten und abgebremsten, schweren Werkzeugschlitten verursacht werden, leicht zu elastischen oder gar plastischen Deformationen am Hallenboden, am Aufstellelement oder an den Führungen und dem Maschinenbett der Werkzeugmaschine kommen. Diese Deformationen können insbesondere in den Randbereichen des Maschinenbettes und der Führungen zu einem Verkippen des Werkzeugschlittens führen. Das kann sich negativ auf die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit auswirken oder führt zu kostenintensiven Überdimensionierungen der Werkzeugmaschine, da die Herstellungskosten bei sehr massiv konstruierten Maschinen hoch sind und bei weiter verbesserter Steifigkeit von einzelnen Maschinenteilen (z. B. Maschinenbett) außerordentlich schnell ansteigen.
  • Dieses Problem kann auch nicht durch den Einsatz von bekannten mechatronischen, aktiven Aufstellelementen gelöst werden, da solche Aufstellelemente für die Lagerung von Werkzeugmaschinen nicht geeignet sind. Sie besitzen nämlich im ungeregelten (passiven) Zustand eine zu geringe Steifigkeit und sind nur dafür ausgelegt, im geregelten (aktiven) Zustand ihre Isolierfunktion auszufüllen. Mechatronische Aufstellelemente müssen daher immer im geregelten (aktiven) Betriebszustand gehalten werden, da andernfalls (z. B. bei einer Störung der Steuerung bzw. Regelung) das Aufstellelement wegen seiner geringen passiven Steifigkeit durch die von der aufgesetzten Maschine aus wirkenden Belastungen deformiert und somit irreversibel beschädigt werden kann.
  • Auch die Verwendung von Hydraulikzylindern ist aufgrund der reibungsbehafteten Relativbewegung von Kolben und Zylinder ungünstig (insbesondere bei Schwingungsgenerierung).
  • Ein schwingungsisolierendes Aufstellelement, das sowohl eine hohe aktive (geregelte) Tragfähigkeit als auch eine hohe passive (ungeregelte) Steifigkeit in sich vereint, um Deformationen zuverlässig ausschließen zu können, ist jedoch bislang nicht bekannt geworden. Ein solches Schwingungsisoliersystem wäre jedoch vorteilhaft, da es je nach Bedarf sowohl geregelt als auch ungeregelt betrieben werden könnte. Das Aufstellelement sollte immer dann in einen aktivierten, geregelten Zustand geschaltet sein, wenn hohe Genauigkeitsanforderungen an die vor Schwingungen zu schützende Maschine gestellt werden, während das Aufstellelement in einem passiven, ungeregelten Zustand verbleiben kann, wenn nur geringe Genauigkeitsanforderungen an die jeweilige Maschine bestehen. Dadurch könnte der energetische Aufwand für das Schwingungsisoliersystem erheblich reduziert werden.
  • Zudem würde ein Aufstellelement, das eine solche doppelte Betriebsweise ermöglichen würde, gleichzeitig erlauben, das Schwingungsisoliersystem redundant zu gestalten, da selbst bei einem regelungstechnischen Totalausfall des Systems das Aufstellelement zumindest immer noch eine ungeregelte, passive Eigensteifigkeit aufweist, die hoch genug ist, um elastische Deformationen an der Maschine unterhalb definierter Grenzen zu halten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufstellelement, insbesondere für ein auf eine Aufstellfläche aufzustellendes Gerät zu schaffen, das eine sichere, schwingungsarme oder -freie Aufstellbasis für Einrichtungen bereitstellen kann, die auf einer Aufstellfläche aufgestellt werden sollen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aufstellelement nach Anspruch 1 gelöst.
  • Ein derart aufgebautes Aufstellelement hat den entscheidenden Vorteil, dass es sowohl geregelt als auch ungeregelt betrieben werden kann. Somit kann das erfindungsgemäße Aufstellelement insbesondere auch zur Schwingungsisolation von Werkzeugmaschinen verwendet werden, in denen hohe dynamische Lasten auftreten, die im ungedämpften Zustand schnell schädliche Deformationen bewirken können.
  • Das erfindungsgemäße Aufstellelement ist deshalb für solche Applikationen besonders geeignet, weil es gegenüber den bekannten Schwingungsisolationselementen eine hohe ungeregelte Steifigkeit besitzt und daher auch ohne Regelung betrieben werden kann. Ein solcher ungeregelter Zustand kann bewusst eingestellt werden, wenn keine hohen Genauigkeitsanforderungen an die Werkzeugmaschine gestellt und daher Energie für das Schwingungsisolationssystem eingespart werden soll. Ein ungeregelter Betriebszustand des Aufstellelementes kann aber auch gezwungenermaßen bei einem störungsbedingten Ausfall der Regelung auftreten, so dass trotz dieses Regelungsausfalls in redundanter Weise immer ein Schutz vor Schwingungsschäden (z. B. Deformationen) an der Werkzeugmaschine gegeben ist, da das Aufstellelement über eine hohe ungeregelte Eigensteifigkeit verfügt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • In bevorzugter Weise können die beiden Druckplatten, z. B. mittels mindestens eines, zwischen den beiden Druckplatten angeordneten Distanzstückes, fest miteinander verbunden sein, so dass die beiden Druckplatten eine Einheit bilden. Somit können die Druckplatten als stationäre Einheit beispielsweise an ein aufzustellendes, vor Schwingungen zu schützendes Gerät angeschlossen werden, während die Mittelplatte als relativ zu dieser stationären Einheit verschiebbare (z. B. heb- und senkbare) Einheit an die entsprechende Aufstellfläche (z. B. den Hallenboden) anzuschließen wäre.
  • Vorzugsweise ist zudem vorgesehen, dass das Festkörpergelenk jeweils fest mit der jeweiligen Druckplatte und mit der Mittelplatte verbunden ist, so dass zwischen den beiden Druckplatten und der Mittelplatte eine elastische Verbindung hergestellt ist. Durch diese elastische Verbindung wird einerseits im aktiven (geregelten) Betriebszustand eine Übertragung des Differenzdruckes von den Druckkammern auf die Mittelplatte gewährleistet, wobei andererseits im passiven (ungeregelten) Betriebszustand trotz fehlender Druckbeaufschlagung allein durch die Eigenelastizität des Festkörpergelenkes eine schwingungsisolierende Relativbewegung zwischen den Druckplatten und der Mittelplatte weiterhin möglich bleibt.
  • In weiter bevorzugter Weise erfolgt im aktiven Betriebszustand des Aufstellelementes die Differenzdruckerzeugung gesteuert oder geregelt mit zusätzlichen Sensoren für die Erfassung von Daten (z. B. Weg, Schwingung, Druck etc.) aus dem Aufstellelement und/oder dem Umfeld des Aufstellelementes, wobei der Differenzdruck statisch, quasistatisch oder dynamisch einstellbar ist. Dadurch ist es möglich, in Abhängigkeit von diesen erfassten Sensordaten die Schwingungsisolation durch die zentrale Steuerung so zu aktivieren, dass gezielt ein Differenzdruckverlauf mit bestimmter Frequenz und Amplitude über die Druckkammern des Aufstellelementes erzeugt wird, welcher definierte Gegenschwingungen im angeschlossenen Gerät hervorruft, um die potentiell schädigenden Schwingungen aus dem Hallenboden auszugleichen.
  • Zur Druckerzeugung in den Druckkammern weisen in bevorzugter Ausgestaltung die Druckkammern jeweils mindestens eine Zuführung für ein flüssiges oder gasförmiges Medium sowie mindestens jeweils eine Entlüftung auf. Die Druckkammern können mit dem Druckmedium jeweils so befüllt werden, dass ein genau definierter Differenzdruck zur aktiven Verschiebung der Mittelplatte einstellbar ist, wobei zur Versteifung des Aufstellelementes beide Druckkammern auch mit dem gleichen Druck beaufschlagt werden können, so dass die passive Verschiebung der Mittelplatte allein durch die Eigenelastizität des Festkörpergelenkes festgelegt ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Festkörpergelenk eine flexible Membran, die vorzugsweise lösbar und somit austauschbar an der jeweiligen Druckplatte bzw. an der Mittelplatte befestigt ist, so dass auch formatflexible Anpassungen der Membran an den jeweiligen Anwendungsfall möglich sind (z. B. Verwendung einer mehrschichtigen oder dickeren Membran, wenn eine höhere passive (ungeregelte) Steifigkeit des Aufstellelementes wünschenswert ist).
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Aufstellelementes (Druntersicht, schematisch),
  • 1A ein Querschnitt entlang der Linie A-A in 1,
  • 1B ein Querschnitt entlang der Linie B-B in 1.
  • 1C ein Querschnitt entlang der Linie C-C in 1A.
  • Da in einer Unteransicht nach 1 eines Aufstellelementes 1 nur eine untere Druckplatte 3 und zwei radial herausragenden, diametral gegenüberliegenden Verlängerungsarme 8a der Mittelplatte 8 erkennbar sind, sind in den 1A bis 1C verschiedene Querschnitte durch das Aufstellelement 1 dargestellt, um weitere Einzelheiten des Aufstellelementes 1 nach der vorliegenden Ausführungsform zu verdeutlichen.
  • Wie beispielsweise aus 1A ersichtlich, besteht das Aufstellelement 1 aus einer ersten, oberen Druckplatte 2 und aus einer zweiten, unteren Druckplatte 3, die jeweils baugleich ausgeführt sind und einen kreisscheibenförmigen Grundkörper 2b, 3b besitzen, wobei dieser Grundkörper 2b, 3b am Rand jeweils mit einem ringförmigen, vertikal verlaufenden Schenkel 2a, 3a ausgestattet ist. Die beiden Druckplatten 2, 3 sind koaxial zueinander und vertikal übereinander angeordnet, wobei die ringförmigen Schenkel 2a, 3a der beiden Druckplatten 2, 3 im Abstand einander zugewandt sind.
  • Durch den kreisscheibenförmigen Grundkörper 2b, 3b und den ringförmigen Randschenkel 2a, 3a sind die Druckplatten 2, 3 im Querschnitt jeweils U-förmig ausgebildet (vgl. 1A und 1B) und umgrenzen dabei jeweils einen einseitig offenen zylindrischen Hohlraum 6, 7. Die Druckplatten 2, 3 weisen somit jeweils eine zylindrische Topfform auf, wobei die Druckplatten 2, 3 koaxial mit ihren Topföffnungen einander zugewandt sind.
  • Durch eine flexible Membran 4, 5, die den gleichen Außendurchmesser wie die beiden Druckplatten 2, 3 aufweist, wird der offene U-förmige Querschnitt der beiden Druckplatten 2, 3 jeweils abgedeckt, d. h. die flexible Membran 4, 5 bildet jeweils den deckelförmigen Abschluss für die beiden topfförmigen Druckplatten 2, 3. Auf diese Weise wird stirnseitig vom kreisscheibenförmigen Grundkörper 2b, 3b der Druckplatte 2, 3 und von der flexiblen Membran 4, 5 und umfangsseitig vom ringförmigen, vertikalen Schenkel 2a, 3a der Druckplatte 2, 3 jeweils eine zylindrische Kammer 6, 7 umschlossen.
  • Diese beiden Kammern 6, 7 dienen als Druckkammern, weshalb in den seitlichen Schenkeln 2a, 3a der beiden Druckplatten 2, 3 jeweils zwei radiale Durchgangsbohrungen 10 zur Zuführung eines Druckmediums und zwei radiale Durchgangsbohrungen 11 zur Entlüftung vorgesehen sind. Durch Befüllung mit dem Druckmedium über die beiden Zugangsbohrungen 10 kann in der Druckkammer 6, 7 jeweils ein Druck aufgebaut werden, der die beiden einander zugewandten und im Abstand voneinander angeordneten flexiblen Membranen 4, 5 in vertikaler Richtung verbiegt.
  • Über zwei diametral einander gegenüberliegende, ringsegmentförmige Distanzstücke 9, die randseitig zwischen den einander zugewandten Schenkeln 2a, 3a der beiden Druckplatten 2, 3 und somit zwischen den beiden flexiblen Membranen 4, 5 angeordnet sind, sind die beiden Druckplatten 2, 3 fest miteinander verbunden, so dass die beiden Druckplatten 2, 3 und die beiden flexiblen Membranen 4, 5 sowie die durch sie eingeschlossenen, zwei Druckkammern 6, 7 eine einzige feststehende Einheit bilden. Innerhalb dieser Einheit wird durch das Distanzstück 9 ein vertikales Intervall zwischen den beiden, jeweils von den Druckkammern 6, 7 mit Druck beaufschlagbaren, flexiblen Membranen 4, 5 frei gehalten.
  • In diesem Intervall ist eine kreisscheibenförmige Mittelplatte 8 angeordnet, deren Höhe der Höhe der beiden Distanzstücke 9 entspricht, so dass die Mittelplatte 8 mit ihren beiden Stirnflächen jeweils bündig an der flexiblen Membran 4, 5 der oberen bzw. der unteren Druckkammer 6, 7 anliegt. Die Mittelplatte 8 ist koaxial zu den beiden Druckplatten 2, 3 und den beiden flexiblen Membranen 4, 5 angeordnet, weist jedoch einen kleineren Außendurchmesser als diese auf.
  • Die beiden flexiblen Membranen 4, 5 sind einerseits an ihrem Außenumfang fest mit den ringförmigen Schenkeln 2a, 3a der beiden Druckplatten 2, 3 verbunden und andererseits mit einem inneren Bereich ihrer Fläche jeweils mit der Stirnfläche der Mittelplatte 8 verbunden. Die Mittelplatte 8 ist nur indirekt über diese Verbindung mit den beiden flexiblen Membranen 4, 5 mit den Druckplatten 2, 3 verbunden, wohingegen eine direkte, feste Verbindung zwischen den Druckplatten 2, 3 und der Mittelplatte 8 nicht besteht. Auf diese Weise ist eine elastische Verbindung zwischen den beiden Druckplatten 2, 3 einerseits und der Mittelplatte 8 andererseits hergestellt, die eine Verschiebung der Mittelplatte 8 relativ zu den beiden Druckplatten 2, 3 in vertikaler Richtung (Hub- und Senkbewegung) gestattet.
  • Dieser bereitgestellte Bewegungsfreiheitsgrad der Mittelplatte 8 relativ zu den beiden Druckplatten 2, 3 wird dazu ausgenutzt, um das Aufstellelement 1 zur aktiven Schwingungsisolation einzusetzen, indem die obere und die untere Druckkammer 6, 7 mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden. Aus einem solchen Differenzdruck resultiert eine unterschiedliche Verbiegung der beiden flexiblen Membranen 4, 5, so dass unterschiedliche vertikale Kräfte von den beiden flexiblen Membranen 4, 5 an die Mittelplatte 8 übertragen werden, was zu einer entsprechend gerichteten, vertikalen Hubbewegung der Mittelplatte 8 führt. Wird beispielsweise die obere Druckkammer 6 mit einem größeren Druck als die untere Druckkammer 7 beaufschlagt, so wird durch die Elastizität der beiden flexiblen Membranen 4, 5 jeweils eine Druckkraft auf die Mittelplatte 8 ausgeübt, wobei bedingt durch den größeren Druck der oberen Druckkammer 6 die von den beiden flexiblen Membranen 4, 5 in der Summe ausgeübte Druckkraft nach unten gerichtet ist, so dass relativ zu den beiden Druckplatten 2, 3 eine nach unten gerichtete Absenkbewegung der Mittelplatte 8 resultiert.
  • Der Betrag und die Richtung dieser vertikalen Relativverschiebung der Mittelplatte 8 (Hub- bzw. Höhenänderung) ist genau und reproduzierbar einstellbar, indem die obere und untere Druckkammer 6, 7, z. B. jeweils mittels eines Regelventils, mit einem Druckmedium so weit gefüllt werden, bis sich zwischen den beiden Druckkammern 6, 7 der gewünschte Differenzdruck einstellt, der in Verbindung mit der Elastizität der flexiblen Membranen 4, 5 zu einer in Betrag und Richtung definierten Verschiebung der Mittelplatte 8 relativ zu der feststehenden Einheit, bestehend aus unterer und oberer Druckplatte 2, 3 sowie aus Distanzstück 9, führt.
  • Der Differenzdruck kann nicht nur statisch oder quasistatisch, sondern auch dynamisch eingestellt werden, so dass die von der Mittelplatte 8 dementsprechend vollzogene Hubbewegung in ihrer Frequenz und Amplitude exakt einstellbar ist, um in das vom Aufstellelement 1 geschützte Gerät eine definierte Gegenschwingung zu induzieren, die an die im Gerät herrschenden schädlichen Schwingungen angepasst ist und diese kompensiert, bevor schwingungsbedingte Schädigungen (z. B. Deformationen) am Gerät auftreten. Zudem erfolgt mittels der vorgeschilderten Verschiebbarkeit der Mittelplatte 8 innerhalb des Aufstellelementes 1 eine aktive Isolation der jeweils aufzustellenden Maschine vor schädlichen Bodenschwingungen. Zu diesem Zweck werden durch die Mittelplatte 8 des Aufstellelementes 1 entsprechende Ausgleichsbewegungen aktiv ausgeführt.
  • Die definierte Einstellbarkeit und Regelbarkeit der Höhenänderung der Mittelplatte 8 innerhalb des Aufstellelementes 1 kann in einem System, das aus einem schwingenden Teilsystem (z. B. einer Werkzeugmaschine) und einem feststehenden Teilsystem (z. B. einem Fundament) besteht, dadurch ausgenutzt werden, dass ein Teilsystem mit der ersten und/oder der zweiten Druckplatte 2, 3 und das andere Teilsystem mit der Mittelplatte 8 des Aufstellelementes 1 verbunden ist.
  • Hierfür können entsprechende, in den Figuren nicht näher dargestellte Verbindungselemente an den Druckplatten 2, 3 und der Mittelplatte 8 vorgesehen sein (z. B. Gewindebohrungen, Flansche oder andere Befestigungsmittel zur Montage des Aufstellelementes 1).
  • Der Differenzdruck kann gesteuert oder geregelt eingestellt werden. Zum Beispiel können Sensoren zur Messung prozessrelevanter Daten im Aufstellelement 1 und/oder im Umfeld des Aufstellelementes 1 eingesetzt werden (z. B. Wegesensoren, Schwingungssensoren, Drucksensoren). Die Messdaten dieser Sensoren können in einer Steuereinheit verarbeitet und zur Berechnung der jeweils einzustellenden Differenzdruckwerte verwendet werden. Durch diese Kombination von Sensorik und Aktorik kann eine aktive, selbstanpassende Schwingungsisolation, d. h. eine schwingungsausgleichende Bewegungserzeugung, mit dem vorliegenden Aufstellelement 1 realisiert werden, indem Schwingungen kontinuierlich detektiert und daraus Vorgaben für den zu erzeugenden Differenzdruck abgeleitet werden. Die Differenzdruckerzeugung kann dabei – je nach den vorliegenden Betriebsbelastungen – statisch, quasistatisch oder dynamisch erfolgen.
  • Zur aktiven Schwingungsisolation werden die beiden Druckkammern 6, 7 mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, wobei je nach Größe und Betrag des erzeugten Differenzdruckes eine entsprechende Verschiebung der Mittelplatte 8 erfolgt, wodurch gezielte Gegenschwingungen zur Kompensation in das zu schützende Gerät eingebracht werden. Zur passiven Schwingungsisolation kann jedoch auch eine Beaufschlagung der beiden Druckkammern 6, 7 mit gleichem Druck erfolgen, so dass das Aufstellelement 1 zwar keine Ausgleichsschwingungen erzeugt, jedoch weiterhin durch die elastische Verbindung zwischen den Druckplatten 2, 3 und der Mittelplatte 8 als einfaches, passives Schwingungsisolationselement fungiert. Der Wegfall des Differenzdruckes hat eine Versteifung des Aufstellelementes 1 zur Folge, da jetzt nicht länger die Druckdifferenz, sondern nur noch die Eigenelastizität der beiden zwischengefügten, horizontalen Membranen 4, 5 den Schwingungsbewegungen entgegenwirkt.
  • Die erfindungswesentliche elastische Verbindung der beiden Druckplatten 2, 3 mit der Mittelplatte 8 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit Hilfe einer die Druckplatten 2, 3 und Mittelplatte 8 miteinander verbindenden, scheibenförmigen Membran 4, 5 aus flexiblem Material realisiert worden. Allerdings kann statt einer Membran 4, 5 auch jedes andere beliebige Festkörpergelenk, d. h. jedes Bauteil, das eine Relativbewegung zwischen zwei starren Körpern erlaubt, zum Einsatz kommen.
  • Zur Herstellung der elastischen Verbindung zwischen den beiden Druckplatten 2, 3 und der Mittelplatte 8 ist die flexible Membran 4, 5 jeweils mit der entsprechenden Druckplatte 2, 3 und mit der Mittelplatte 8 verbunden, wobei diese Verbindung fest oder beweglich ausgeführt sein kann. Zum Beispiel kann die flexible Membran 4, 5 in ihrem inneren Oberflächenbereich durch zusätzliche Befestigungsmittel (z. B. Klebeschichten) an die Mittelplatte 8 fixiert werden oder aber die Membran 4, 5 liegt lediglich an der Mittelplatte 8 bündig an.
  • Vorteilhafterweise sind die Membranen 4, 5 sowohl mit den Druckplatten 2, 3 als auch mit der Mittelplatte 8 lösbar verbunden, so dass sie nach Öffnung des Aufstellelementes 1 ausgetauscht werden können, z. B. im Schadensfall oder wenn Membranen 4, 5 mit anderen Steifigkeitseigenschaften für das jeweils zu schützende Gerät eingesetzt werden sollen. So kann beispielsweise durch Verwendung von Membranen 4, 5 größerer Dicke oder durch die geschichtete Verwendung mehrerer Membranen 4, 5 die passive, d. h. ungeregelte, Steifigkeit des Aufstellelementes 1 erhöht werden, wodurch eine schädigende Deformation des Aufstellelementes 1 oder des jeweiligen Gerätes unter hohen Belastungen verhindert wird.
  • Die die beiden Druckkammern 6, 7 abschließenden, flexiblen Membranen 4, 5 können gleiche oder auch unterschiedliche Dicken besitzen, wobei sich durch unterschiedliche Membrandicken richtungsabhängig gezielt unterschiedliche Steifigkeiten einstellen lassen, was besondere Vorteile zu einer optimal angepassten Schwingungsreduzierung eröffnen kann.
  • Die Mittelplatte 8 ist bedingt durch die mittels der beiden Membranen 4, 5 realisierte elastische Verbindung relativ zu den beiden fest miteinander verbundenen, eine Einheit bildenden Druckplatten 2, 3 in vertikaler Richtung verschiebbar. Damit dieser vertikale Bewegungsfreiheitsgrad der Mittelplatte 8 zur Schwingungsisolation, d. h. zur ausgleichenden Bewegungserzeugung, ausgenutzt werden kann, erstrecken sich von der scheibenförmigen Mittelplatte 8 jeweils zwei diametral gegenüberliegende, L-förmig abgewinkelte Verlängerungsarme 8a radial nach außen, welche die beiden Druckplatten 2, 3 jeweils überragen, um mit einem nicht dargestellten, aufzustellenden Gerät und/oder mit einer nicht dargestellten, entsprechenden Aufstellfläche verbunden zu werden.
  • Die Vertikalbewegung der Mittelplatte 8 kann durch Befüllen der beiden Druckkammern 6, 7 mit einem Druckmedium (z. B. über ein Regelventil) und somit durch Anlegen eines gewünschten Differenzdruckes gezielt eingestellt werden, um Schwingungen aktiv durch eine entsprechende Regelung zu reduzieren. Das Druckmedium ist vorzugsweise flüssig (z. B. kostengünstiges Wasser, Hydrauliköl), kann aber auch gasförmig (z. B. Luft) sein.
  • Durch die mittels der flexiblen Membran 4, 5 oder eines sonstigen Festkörpergelenkes zwischen den beiden Druckplatten 2, 3 einerseits und der Mittelplatte 8 andererseits erhaltene elastische Verbindung wird eine reibungsbehaftete Relativbewegung zwischen diesen beiden Einheiten vermieden. Die Relativbewegung wird vielmehr allein durch die reversible, elastische Verformung des Festkörpergelenkes 4, 5 ermöglicht, ohne dass dabei zwischen den übereinander gelagerten Scheiben 2, 3, 4, 5, 8 des Aufstellelementes 1 Verschleiß auftritt.
  • Allein durch die elastische Steifigkeit des Festkörpergelenkes (hier: der beiden Membranen 4, 5) wird somit eine elastische Steifigkeit des Aufstellelementes 1 auch im passiven (ungeregelten) Betrieb des Aufstellelementes 1 gewährleistet. Dies bedeutet, dass über das Aufstellelement 1 selbst bei einem Ausfall der aktiven Schwingungsregelung (z. B. wenn wegen einer Leckage in der Druckmedienzuführung 10 keine Druckdifferenz im Aufstellelement 1 aufgebaut werden kann) weiterhin eine hohe passive Steifigkeit erzielt werden kann.
  • Durch Variation der Anzahl oder der konstruktiven Dimensionierung (z. B. Dicke und/oder Form) der Festkörpergelenke 4, 5 kann die passive, ungeregelte Steifigkeit des Aufstellelementes 1 in ihrer Größe an die Maschinenanforderungen angepasst werden. Beispielsweise kann durch eine Vergrößerung der Dicke der im Ausführungsbeispiel verwendeten flexiblen Membranen 4, 5 eine höhere Steifigkeit des Aufstellelementes 1 erreicht werden, die insbesondere zur wirkungsvollen Isolation hochfrequenter Schwingungen im ungeregelten Zustand notwendig ist. Denkbar wäre es auch, die Dicke über den Querschnitt der flexiblen Membran 4, 5 zu variieren, um so eine variable Steifigkeit der flexiblen Membran 4, 5 über den Belastungsweg (nichtlineare Federkennlinie) zu erhalten und somit auch die Isolationswirkung variabel an die auftretenden Schwingungsamplituden anpassen zu können.
  • Durch die erfindungsgemäße Bildung von zwei Druckkammern 6, 7 innerhalb des Aufstellelementes 1 können sehr hohe Kräfte erzeugt werden. Die Mittelplatte 8 ist hierzu beidseitig (von oben und von unten) über die Druckkammern 6, 7 mit Druck beaufschlagbar, wozu die Druckkammern 6, 7 über Zuführungsanschlüsse 10 mit einer nicht gezeigten Quelle eines Druckmediums verbunden sind, und wobei die effektive Druckbeaufschlagungsfläche etwa der doppelten Membranoberfläche abzüglich der Ringfläche der vertikalen Schenkel 2a, 3a der beiden Druckplatten 2, 3 entspricht.
  • Das erfindungsgemäße Aufstellelement 1 kombiniert die Vorteile eines aktiven Schwingungsisolationselementes mit denen eines passiven Schwingungsisolationselementes. Einerseits können durch die beiden Druckkammern 6, 7 in Verbindung mit einer entsprechenden Regelung zur Einstellung eines jeweils an die herrschenden Schwingungsverhältnisse angepassten Differenzdruckes Schwingungen aktiv kompensiert werden und andererseits können durch die zumindest zwei zwischengefügten Festkörpergelenke (z. B. flexible Membranen 4, 5) und ihre konstruktiv anpassbare Eigensteifigkeit Schwingungen auch passiv isoliert werden.
  • Das Aufstellelement 1 kann als schwingungsisolierendes Element zur Isolation von schädlichen Schwingungen im zu schützenden Gerät eingesetzt werden. Jedoch kann es auch als schwingungsgenerierendes Element, also als Schwingungsaktor verwendet werden, durch den Gegenschwingungen zu den schädlichen Schwingungen, z. B. Motorschwingungen, des zu schützenden Gerätes erzeugbar sind. Durch eine solche Verwendung als Schwingungsaktor können insbesondere Deformationen an Werkzeugmaschinen und anderen produktionstechnischen Systemen durch das Aufstellelement 1 kompensiert und/oder gezielt eingestellt werden.
  • Zusammenfassend lässt sich aber festhalten, dass das erfindungsgemäße Aufstellelement 1 immer bei Systemen zur Anwendung gelangt, die aus einem schwingenden Teilsystem (z. B. einer entsprechenden Aufstellfläche) und einem feststehenden Teilsystem (z. B. einem aufzustellenden Gerät) bestehen.
  • Insbesondere ist der in den vorausgehenden Abschnitten beschriebene Aufbau des Aufstellelementes 1 dazu geeignet, bei Werkzeugmaschinen zum Einsatz zu kommen. Um einen sicheren Schutz dieser teils sehr hochwertigen Maschinen vor Schwingungsschäden zu gewährleisten, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, dass das Aufstellelement 1 zur Aufstellung dieser Werkzeugmaschinen jederzeit (also sowohl im geregelten als auch im ungeregelten Betriebszustand) eine zuverlässige Schwingungsisolation bewirkt.
  • Ein solcher redundanter Schutz gegen Schwingungen (im geregelten und ungeregelten Modus) konnte durch bisherige aktive Aufstell- bzw. Isolationselemente nicht realisiert werden, da diese jeweils eine zu niedrige passive (ungeregelte) Steifigkeit aufweisen. Das erfindungsgemäße Aufstellelement 1 besitzt demgegenüber eine hohe ungeregelte Steifigkeit und kann daher auch ohne Regelung (z. B. bei einem Störungsausfall oder wenn eine Regelung nicht notwendig ist) betrieben werden. Durch diese doppelte Betriebsweise des erfindungsgemäßen Aufstellelementes 1 eröffnen sich somit in der Praxis mannigfache Anwendungsmöglichkeiten, die bisher für mechatronische Aufstellelemente wegen ihrer zu geringen passiven Steifigkeit für immer verschlossen schienen.

Claims (15)

  1. Aufstellelement (1), aufweisend: – eine erste und eine zweite Druckplatte (2, 3), – mindestens ein erstes und ein zweites Festkörpergelenk (4, 5), die jeweils mit der ersten und der zweiten Druckplatte (2, 3) eine Druckkammer (6, 7) begrenzen, und – eine Mittelplatte (8), die zwischen dem ersten und dem zweiten Festkörpergelenk (4, 5) angeordnet ist.
  2. Aufstellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Druckplatten (2, 3) fest verbunden sind und eine Einheit bilden.
  3. Aufstellelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Druckplatten (2, 3) mindestens ein die beiden Druckplatten (2, 3) fest miteinander verbindendes Distanzstück (9) angeordnet ist.
  4. Aufstellelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörpergelenk (4, 5) jeweils fest mit der jeweiligen Druckplatte (2, 3) und mit der Mittelplatte (8) verbunden ist, so dass zwischen den beiden Druckplatten (2, 3) und der Mittelplatte (8) eine elastische Verbindung hergestellt ist.
  5. Aufstellelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Druckkammern (6, 7) mit unterschiedlichem Druck beaufschlagbar sind, so dass durch den erzeugten Differenzdruck und durch die elastische Verbindung eine Relativverschiebung zwischen den beiden Druckplatten (2, 3) einerseits und der Mittelplatte (8) andererseits erhaltbar ist.
  6. Aufstellelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenzdruckerzeugung gesteuert oder geregelt mit zusätzlichen Sensoren für die Erfassung von Daten (z. B. Weg, Schwingung, Druck) aus dem Aufstellelement (1) und/oder dem Umfeld des Aufstellelementes (1) erfolgt, wobei der Differenzdruck statisch, quasistatisch oder dynamisch einstellbar ist.
  7. Aufstellelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (6, 7) jeweils mindestens eine Zuführung (10) für ein flüssiges oder gasförmiges Druckmedium sowie mindestens jeweils eine Entlüftung (11) aufweist.
  8. Aufstellelement nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch, gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenke (4, 5), vorzugsweise ausgebildet als flexible Membran, lösbar und somit austauschbar an der jeweiligen Druckplatte (2, 3) bzw. an der Mittelplatte (8) befestigt sind.
  9. Aufstellelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenke (4, 5) aus einer Mehrzahl von Schichten aufgebaut sind und/oder in ihrer Dicke und/oder Form und/oder Anzahl variieren, um die passive, ungeregelte Steifigkeit des Aufstellelementes (1) anzupassen.
  10. Aufstellelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatten (2, 3), die Festkörpergelenke (4, 5) und die Mittelplatte (8) jeweils scheibenförmig ausgebildet sind und koaxial zueinander übereinander angeordnet sind.
  11. Aufstellelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatten (2, 3) jeweils einen U-förmigen Querschnitt besitzen und mit ihren Schenkeln (2a, 3a) einander zugewandt angeordnet sind, wobei der offene U-förmige Querschnitt der Druckplatte (2, 3) jeweils mit mindestens einem Festkörpergelenk (4, 5) unter Bildung einer Druckkammer (6, 7) abgedeckt ist.
  12. Aufstellelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelplatte (8) mindestens einen, vorzugsweise zwei oder mehrere diametral gegenüberliegende Verlängerungsarme (8a) aufweist, die die Druckplatten (2, 3) nach außen überragen und mit einem aufzustellenden Gerät bzw. einer aufzustellenden Einrichtung und/oder mit einer entsprechenden Aufstellfläche verbindbar sind.
  13. Aufstellelement nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten und/oder der zweiten Druckplatte (2, 3) und/oder der Mittelplatte (8) Verbindungselemente, z. B. Gewindebohrungen zur Anbindung des Aufstellelementes (1) an ein aufzustellendes Gerät und/oder eine entsprechende Aufstellfläche vorgesehen sind.
  14. Verwendung eines Aufstellelementes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Schwingungsisolation; zur Schwingungsgenerierung oder zur Kompensation und/oder gezielten Einstellung von Deformationen.
  15. System, das aus einem schwingenden und einem feststehenden Teilsystem besteht, wobei ein Teilsystem mit der ersten und/oder der zweiten Druckplatte (2, 3) und das andere Teilsystem mit der Mittelplatte (8) eines Aufstellelementes (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14 verbunden ist.
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