DE102019202709A1

DE102019202709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung

Info

Publication number: DE102019202709A1
Application number: DE102019202709.1A
Authority: DE
Inventors: Philipp Mayinger
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2020-09-03
Also published as: US20200278076A1; US11371647B2; US11708936B2; US20220275905A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung (2), wobei die Vorrichtung (12) eine Grundplatte (13) für die Positioniereinrichtung (2), mindestens aktives Lagerelement (14) zur Lagerung der Grundplatte (13) auf/an einem Fundament (7) und mindestens eine Auswerte- und Steuereinrichtung (15) umfasst, wobei die Vorrichtung (12) mindestens ein Mittel zur Bestimmung einer fundamentbewegungsabhängigen Größe umfasst, wobei das aktive Lagerelement (14) mittels der mindestens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung (15) in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängigen Größe steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung, insbesondere einer Koordinatenmesseinrichtung.
Positioniereinrichtungen, beispielsweise Koordinatenmessgeräte oder Roboter, können auf einer Grundplatte befestigt sein, die aufgrund ihrer hohen Masse zur Schwingungsisolierung der Positioniereinrichtung gegenüber sogenannten Bodenschwingungen dient. Diese Schwingungsisolierung ermöglicht, dass die Positioniereinrichtung möglichst ruhig angeordnet ist, wodurch wiederum eine hohe Positioniergenauigkeit und im Falle einer Koordinatenmesseinrichtung auch eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht wird.
Bekannt ist die Verwendung von Schwingungsisolatoren nach einem Feder-Masse-Dämpfer-Prinzip. Hierzu kann ein Lagerelement zur Lagerung der Grundplatte auf einem Fundament, beispielsweise einem Boden, ein nicht geregeltes oder gesteuertes Dämpferelement und ein nicht geregeltes oder gesteuertes Federelement umfassen. Diese bilden in Gesamtwirkung mit der Grundplatte das erläuterte Feder-Masse-DämpferElement. Bei Koordinatenmesseinrichtungen ist es üblicherweise wünschenswert, das Gesamtsystem niederfrequent abzustimmen, insbesondere derart, dass bereits bei niedrigen Frequenzen, z.B. Frequenzen, die gleich oder größer als 3 Hz sind, eine schwingungsisolierende Wirkung eintritt.
Auch ist die Verwendung von aktiven Komponenten zur Lagerung eines Maschinenbetts vom Boden bekannt. So beschreibt die EP 2 505 956 A1 , dass aktive Komponenten für eine Entkopplung eines Messmaschinenbetts vom Boden genutzt werden können.
Weiter bekannt ist die Verwendung von aktiven Federelementen im Bereich von Koordinatenmessgeräten, die z.B. in der DE 102 29 823 A1 beschrieben ist. Um die grundlegenden Anforderungen der verwendeten Luft-Federelemente zu erfüllen, werden jedoch hohe Massen der Grundplatte benötigt. Somit kann sichergestellt werden, dass niedrige Eigenfrequenzen erreicht werden.
Weiter sind Lagerelemente bekannt, die eine gegenphasige Schwingung erzeugen, um lokale Anregungen zu minimieren. Dies kann auch als Schwingungskompensation bezeichnet werden. Die WO 2016/173625 beschreibt ein Verfahren zur dynamischen Kompensation von dynamischen Effekten, die bei der Bewegung einer Messeinrichtung auftreten.
Es stellt sich das technische Problem, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung, insbesondere einer Koordinatenmesseinrichtung, zu schaffen, welche eine zuverlässige und in ihren Eigenschaften einstellbare Isolierung der Positioniereinrichtung gegenüber Bodenschwingungen ermöglichen, wobei ein Gewicht der Vorrichtung möglichst gering ist.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung. Die Positioniereinrichtung kann zur Positionierung einer Messeinrichtung, beispielsweise eines Sensors, insbesondere eines Sensors mit einem Tastkopf oder einem optischen Sensor, zur Erzeugung von Messpunkten dienen. In diesem Fall kann die Positioniereinrichtung insbesondere eine Koordinatenmesseinrichtung oder einen Teil einer Koordinatenmesseinrichtung bilden. Diese Koordinatenmesseinrichtung kann beispielsweise in einer sogenannten Ständer- oder einer sogenannten Portalbauweise ausgeführt sein.
Alternativ kann die Positioniereinrichtung aber auch zur Positionierung eines sogenannten Endeffektors, beispielsweise eines Bearbeitungswerkzeuges oder eines Greifers, dienen. In diesem Fall kann die Positioniereinrichtung als Roboter, beispielsweise als sogenannter Gelenkarmroboter, ausgebildet sein.
Die Positioniereinrichtung ermöglicht eine Positionierung eines zu positionierenden Objekts, also z.B. des Endeffektors oder der Messeinrichtung, im Raum mit einem oder mehreren, beispielsweise 6, Freiheitsgraden.
Eine Positioniereinrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass eine Positionierung des zu positionierenden Objekts mit einem Impuls größer als oder gleich 100 mNs ermöglicht wird.
Die Schwingungsisolierung bezeichnet hierbei eine Isolierung der Positioniereinrichtung gegenüber Schwingungen des Bodens, auf dem die Positioniereinrichtung über die vorgeschlagene Vorrichtung gelagert ist. Dies kann bedeuten, dass sich Schwingungen des Bodens nicht oder nur in einem verminderten, also gedämpften, Maß auf die Positioniereinrichtung und somit das zu positionierende Objekt übertragen. Im theoretisch idealen Fall bedeutet dies, dass das zu positionierende Objekt der Positioniereinrichtung keine Bewegung ausführt, wenn Bodenschwingungen auftreten.
Die Vorrichtung umfasst eine Grundplatte für die Positioniereinrichtung. Die Positioniereinrichtung kann hierbei auf einer Oberfläche der Grundplatte angeordnet, insbesondere befestigt oder gelagert, sein. Dementsprechend kann die Grundplatte entsprechende Mittel zur Anordnung, beispielsweise Befestigungs- oder Lagerelemente, aufweisen oder ausbilden. Die Grundplatte kann hierbei aus einem gewünschten Material, beispielsweise aus Granit, aus Marmor, Keramik, Beton, Glas, ausgebildet sein. Allerdings ist es auch möglich, dass die Grundplatte in der vorgeschlagenen Vorrichtung aus einem anderen Material, beispielsweise aus Metall, z.B. aus Eisen, Stahl, Titan, aus beschichteten Metallen, z.B. mit Nickel oder Wolfram beschichteten Metallen, aber auch aus nicht-metallischen Materialien, z.B. aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, ausgebildet ist. Denkbar ist insbesondere, Materialien zu verwenden, die die Herstellung einer guten Oberflächenebenheit ermöglichen, ein geringes Elastizitätsmodul und/oder einen geringen anisotropen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Ebenfalls ist vorstellbar, Materialen mit Waben- oder Schaumstrukturen zu verwenden.
Die Grundplatte kann hierbei auch ein Teil der Positioniereinrichtung bilden.
Durch den Begriff Grundplatte ist nicht zwingendermaßen eine plattenförmige Ausbildung der Grundplatte festgelegt. Vielmehr kann die Grundplatte auch von einer plattenförmigen Ausbildung verschiedene Formen/Ausbildungen annehmen. Die Grundplatte kann auch als Maschinenbett bezeichnet werden oder ein Maschinenbett sein.
Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens ein aktives Lagerelement zur Lagerung der Grundplatte auf/an einem Fundament. Das Fundament kann ein Boden, beispielsweise ein Erdboden, ein Fußboden oder ein weiterer Boden, sein. Auch kann das Fundament eine Wand sein oder umfassen. Somit kann die Grundplatte auch Mittel zur Anordnung, insbesondere Befestigung und/oder Lagerung, des mindestens einen aktiven Lagerelements aufweisen oder ausbilden. Das aktive Lagerelement wiederum kann Mittel zur Anordnung auf/an dem Fundament aufweisen oder ausbilden.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mehrere aktive Lagerelemente, insbesondere drei oder mehr als drei aktive Lagerelemente. Diese können in verschiedenen Bereichen an der Grundplatte angeordnet sein, wobei diese dann über alle Lagerelemente auf/an dem Fundament gelagert ist.
Ein aktives Lagerelement kann hierbei beim Betrieb Energie, insbesondere elektrische Energie, verbrauchen, die einer Energiequelle, beispielsweise einer Energiespeichereinrichtung oder einem Energieversorgungsnetz, entnommen wird. Ein passives Lagerelement kann hierbei beim Betrieb keine derartige Energie verbrauchen.
Ein aktives Lagerelement kann insbesondere ein steuerbares Lagerelement bezeichnen. Dies kann bedeuten, dass Eigenschaften des Lagerelements durch entsprechende Steuersignale einstellbar sind.
Das aktive Lagerelement kann auch mindestens einen Aktor zur Erzeugung einer Kraft und/oder einer Bewegung eines beweglichen Teils des aktiven Lagerelements umfassen. Der Aktor kann das bewegliche Teil umfassen. Somit ist es möglich, die zu erzeugende Kraft oder mindestens eine Bewegungsgröße der zu erzeugenden Bewegung, beispielsweise einen Weg, eine Geschwindigkeit oder eine Beschleunigung, einzustellen.
Weiter umfasst die Vorrichtung mindestens eine Auswerte- und Steuereinrichtung. Diese kann als Recheneinrichtung ausgebildet sein oder eine solche umfassen. Eine Recheneinrichtung wiederum kann als Mikrocontroller oder integrierte Schaltung ausgebildet sein oder eine solche umfassen.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung weiter mindestens ein Mittel zur Bestimmung einer fundamentbewegungsabhängigen Größe. Eine fundamentbewegungsabhängige Größe bezeichnet hierbei eine, insbesondere physikalische, Größe, die von der Fundamentbewegung abhängig ist oder diese charakterisiert.
Die fundamentbewegungsabhängige Größe kann beispielsweise eine Fundamentkraft, eine Fundamentbeschleunigung, eine Fundamentgeschwindigkeit oder eine Position des Fundaments sein. Die fundamentbewegungsabhängige Größe kann hierbei insbesondere eine von der Relativbewegung zwischen Fundament und Grundplatte abhängige Größe sein.
Vorzugsweise ist die fundamentbewegungsabhängige Größe die Fundamentbeschleunigung. Diese kann insbesondere unmittelbar erfasst werden oder in Abhängigkeit einer der anderen fundamentbewegungsabhängigen Größe bestimmt werden.
Die Fundamentkraft bezeichnet hierbei eine Kraft, die vom Fundament auf die Vorrichtung, insbesondere die Grundplatte und/oder eine an der Grundplatte angeordnete Positioniereinrichtung, ausgeübt wird. Die Fundamentkraft kann hierbei die über das mindestens eine aktive Lagerelement vom Fundament auf die Grundplatte übertragene Kraft bezeichnen. Sind mehrere aktive Lagerelemente vorhanden, so können auch voneinander verschiedene Fundamentkräfte, nämlich lagerelementspezifische Fundamentkräfte, bestimmt werden.
Im Sinne dieser Erfindung umfasst der Begriff Kraft auch ein Drehmoment, insbesondere um eine vorbestimmte Achse des Referenzkoordinatensystems.
Im Sinne dieser Erfindung kann der Begriff „Bestimmen“ ein Erfassen, insbesondere ein unmittelbares Erfassen, einer Größe bezeichnen. So kann das Mittel zur Bestimmung der fundamentbewegungsabhängige Größe ein Mittel zur Erfassung der fundamentbewegungsabhängige Größe, beispielsweise ein Kraft-, Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- oder Positionssensor, sein. Als Beschleunigungssensoren können insbesondere piezoelektrische Sensoren oder MEMS-basierte Sensoren genutzt werden. Auch bezeichnet der Begriff „Bestimmen“ jedoch ein ausschließlich oder zumindest teilweise rechnerisches Bestimmen einer gewünschten Größe. So kann die zu bestimmende Größe beispielsweise in Abhängigkeit mindestens einer von der zu bestimmenden Größe verschiedenen Größe bestimmt werden, beispielsweise über vorbekannte Zusammenhänge, insbesondere funktionelle Zusammenhänge oder Zuordnungen. Die mindestens eine verschiedene Größe kann wiederum erfasst, insbesondere unmittelbar erfasst, oder ebenfalls rechnerisch bestimmt werden.
So ist auch eine modellbasierte Bestimmung der fundamentbewegungsabhängigen Größe möglich, wobei ein Modell beispielsweise einen Zusammenhang zwischen mindestens einer von der fundamentbewegungsabhängige Größe verschiedenen Eingangsgröße und der zu bestimmenden fundamentbewegungsabhängige Größe bezeichnet.
Auch kann die fundamentbewegungsabhängige Größe also als Bewegungsgröße einer Fundamentbewegung oder Grundplattenbewegung bestimmt werden, wobei die Bewegungsgröße z.B. erfasst werden kann.
Es ist beispielsweise möglich, die fundamentbewegungsabhängige Größe als eine Fundamentbeschleunigung oder in Abhängigkeit der Fundamentbeschleunigung und/oder einer Beschleunigung der Grundplatte zu erfassen/bestimmen, beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors. Alternativ ist es möglich, eine Fundamentgeschwindigkeit oder eine Geschwindigkeit der Grundplatte zu erfassen, beispielsweise mittels eines Geschwindigkeitssensors, und dann die fundamentbewegungsabhängige Größe in Abhängigkeit der Fundamentgeschwindigkeit oder als Fundamentgeschwindigkeit zu bestimmen. Weiter alternativ ist es möglich, einen Fundamentweg, also einen vom Fundament zurückgelegten Weg, zu bestimmen und dann die fundamentbewegungsabhängige Größe in Abhängigkeit oder als dieser Weg zu bestimmen. Auch ist es beispielsweise möglich, die Fundamentbeschleunigung in Abhängigkeit, beispielsweise durch geeignete Ableitungen, aus der Fundamentgeschwindigkeit oder dem Fundamentweg zu bestimmen.
Die Fundamentkraft oder eine Bewegungsgröße einer Fundamentbewegung kann hierbei in einem Referenzkoordinatensystem, beispielsweise einem globalen Koordinatensystem, bestimmt werden. Das globale Koordinatensystem kann insbesondere ein GNSSbasiertes Koordinatensystem sein.
Die fundamentbewegungsabhängige Größe kann unmittelbar am Fundament, insbesondere einer mechanischen Schnittstelle zwischen Fundament und dem aktiven Lagerelement, oder in Abhängigkeit einer dort bestimmten Größe bestimmt werden. Auch kann die fundamentbewegungsabhängige Größe in Abhängigkeit einer Größe bestimmt werden, die an/in der Grundplatte oder an/in der Positioniereinrichtung bestimmt wird. Insbesondere in diesem Fall kann eine modellbasierte Bestimmung erfolgen, wobei das zur Bestimmung verwendete Modell ein dynamisches Modell der Vorrichtung und gegebenenfalls weiterer Komponenten umfasst.
Weiter ist das aktive Lagerelement mittels der mindestens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängige Größe steuerbar. Beispielsweise kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit der Fundamentkraft ein Steuersignal für das mindestens eine aktive Lagerelement erzeugen. Insbesondere kann die mindestens eine Steuer- und Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängige Größe das aktive Lagerelement derart ansteuern, dass dieses eine von dieser Größe abhängige Kraft erzeugt und/oder eine von dieser Größe abhängige Bewegungsgröße einstellt. Hierbei kann insbesondere die Richtung und/oder die Höhe der vom aktiven Lagerelement zu erzeugenden Kraft und/oder die Richtung und/oder der Betrag von mindestens einer Bewegungsgröße der von dem aktiven Lagerelement zu erzeugenden Bewegung eingestellt werden.
Hierzu können dem Fachmann bekannte Verfahren zur Steuerung oder Regelung genutzt werden. So kann die Steuerung des aktiven Lagerelements in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängige Größe insbesondere mittels bekannter Steuer- oder Regelverfahren durchgeführt werden.
Durch die Steuerung des aktiven Lagerelements, insbesondere durch die Einstellung der zu erzeugenden Kraft und/oder der zu erzeugenden Bewegungsgröße, kann eine Eigenfrequenz und ein Dämpfungsverhalten des aktiven Lagerelements eingestellt werden, insbesondere auf eine Soll-Steifigkeit, die z.B. vorbestimmt sein kann. Hierdurch kann wiederum ein Schwingungsübertragungsverhalten des aktiven Lagerelements beeinflusst und wie gewünscht eingestellt werden. Beispielweise kann die Steifigkeit des Lagerelements derart eingestellt werden, dass das Lagerelement eine gewünschte Grenzfrequenz aufweist. Auch kann es beispielsweise ermöglicht werden, dass das aktive Lagerelement ein gewünschtes Tiefpass-, Hochpass- oder Bandpassverhalten bei der Übertragung von Schwingungen vom Fundament auf die Grundplatte aufweist. Vorzugsweise wird das aktive Lagerelement derart angesteuert, dass das Übertragungsverhalten ein Hochpassverhalten mit einer Grenzfrequenz im Bereich von 0.1 Hz bis 1.0 kHz aufweist. Auch kann das Übertragungsverhalten ein Bandstoppverhalten mit Grenzfrequenzen aus dem genannten Bereich sein.
Somit kann durch die Steuerung das Übertragungsverhalten derart beeinflusst werden, dass Fundamentschwingungen sich nicht oder in einem nur reduzierten Maße auf die Grundplatte und somit auch die Positioniereinrichtung übertragen. Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Schwingungsisolierung, wobei eine Schwingungsisolierung bedeutet, dass Schwingungen aufgrund des Übertragungsverhaltens des aktiven Lagerelements nicht oder in reduziertem Maß vom Fundament auf die Grundplatte übertragen werden.
Zusätzlich kann in vorteilhafter Weise auch eine Schwingungskompensation ermöglicht werden. Hierbei kann das aktive Lagerelement insbesondere derart angesteuert werden, dass eine zur Fundamentschwingung gegenphasige Schwingung erzeugt wird. Dies kann bedeuten, dass ein bewegliches Teil des aktiven Lagerelements sich derart bewegt, dass trotz Fundamentbewegung die Grundplatte im vorhergehend erläuterten Referenzkoordinatensystem ortsfest angeordnet ist. In diesem Fall können beispielsweise Bewegungsgrößen der Bewegung des beweglichen Teils des Aktors des aktiven Lagerelements derart eingestellt werden, dass das bewegliche Teil des aktiven Elements eine Bewegung mit der gleichen Frequenz und der gleichen Amplitude wie das Fundament ausführt, wobei die Bewegungsrichtung derart eingestellt wird, dass die vorhergehend erläuterte ortsfeste Anordnung der Grundplatte erreicht wird. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine weiter verbesserte Robustheit der Schwingungsdämpfung.
Hieraus wiederum ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein Gewicht der Grundplatte reduziert werden kann, da auch die Anforderungen an die schwingungsisolierenden Eigenschaften reduziert sind. Ist die Grundplatte ein Teil der Positioniereinrichtung, so kann auch ein Gewicht der Positioniereinrichtung reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das aktive Lagerelement zusätzlich ein Federelement, insbesondere ein passives Federelement. Alternativ oder kumulativ umfasst das aktive Lagerelement zusätzlich mindestens ein Dämpferelement, insbesondere ein passives Dämpferelement. Ein Federelement kann hierbei vorbestimmte Federeigenschaften, insbesondere eine vorbestimmte Federsteifigkeit, aufweisen. Ein Dämpferelement kann hierbei eine vorbestimmte, insbesondere konstante, Dämpfungskonstante aufweisen.
Das Federelement und/oder das Dämpferelement sowie der Aktor des aktiven Lagerelements können hierbei mechanisch parallel angeordnet sein. Allerdings sind auch andere mechanische Anordnungen, insbesondere eine mechanische Reihenschaltung oder eine Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen, dieser Elemente vorstellbar.
Durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Federelements und/oder eines zusätzlichen Dämpferelements kann in vorteilhafter Weise eine statische Belastung durch die Grundplatte und gegebenenfalls die Positioniereinrichtung vom aktiven Lagerelement aufgenommen werden, ohne dass bei der statischen Aufnahme Energie verbraucht wird. Durch die Bereitstellung eines zusätzlichen Dämpferelements kann in vorteilhafter Weise ein Schwingungsübertragungsverhalten des Lagerelements im nicht aktivierten Zustand des aktiven Lagerelements, also einem Zustand ohne Energieverbrauch, eingestellt werden. Weiter ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die zusätzlich mechanische Dämpfung durch das Federelement und/oder das Dämpferelement geringeren Anforderungen genügen muss als in einer Ausbildung ohne aktives Lagerelement, wodurch in vorteilhafter Weise Bauraum und Herstellungskosten für das Feder- und/oder Dämpferelement eingespart werden können.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Bestimmung oder Erfassung einer grundplattenbewegungsabhängigen Größe.
Die grundplattenbewegungsabhängige Größe bezeichnet hierbei eine, insbesondere physikalische, Größe, die von der Bewegung der Grundplatte abhängig ist oder diese charakterisiert.
Die grundplattenbewegungsabhängige Größe kann beispielsweise eine Grundplattenkraft, eine Grundplattenbeschleunigung, eine Grundplattengeschwindigkeit oder eine Position der Grundplatten sein. Die grundplattenbewegungsabhängige Größe kann hierbei insbesondere eine von der Relativbewegung zwischen Grundplatte und dem Fundament abhängige Größe sein.
Die Grundplattenkraft kann hierbei eine Kraft bezeichnen, die von der Grundplatte über das aktive Lagerelement auf das Fundament wirkt. Entsprechend den vorhergehenden Ausführungen bezüglich des Mittels zur Bestimmung der fundamentbewegungsabhängige Größe kann auch das Mittel zur Bestimmung der grundplattenbewegungsabhängigen Größe in verschiedenen Formen realisiert sein. So kann die Grundplattenkraft beispielsweise in Abhängigkeit einer Bewegungsgröße der Bewegung der Grundplatte bestimmt werden, wobei die Bewegungsgröße erfasst oder ebenfalls bestimmt werden kann. Auch kann eine der genannten grundplattenbewegungsabhängige Größe in Abhängigkeit einer davon verschiedenen, weiteren grundplattenbewegungsabhängigen Größe bestimmt werden.
Alternativ oder kumulativ umfasst die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Bestimmung einer eigenbewegungsabhängigen Größe der Positioniereinrichtung. Die eigenbewegungsabhängige Größe der Positioniereinrichtung bezeichnet hierbei eine, insbesondere physikalische, Größe, die von der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung abhängig, z.B. durch diese verursacht, ist oder diese charakterisiert.
Die eigenbewegungsabhängige Größe kann beispielsweise eine während der Bewegung eines beweglichen Teils der Positioniereinrichtung entstehende Positioniereinrichtungskraft, eine Beschleunigung, eine Geschwindigkeit oder eine Position eines beweglichen Teils der Positioniereinrichtung während einer Eigenbewegung der Positioniereinrichtung sein, die nachfolgend noch näher erläutert wird. Die eigenbewegungsabhängige Größe kann hierbei insbesondere eine von der Relativbewegung zwischen Positioniereinrichtung und Grundplatte abhängige Größe sein.
Hierbei bezeichnet die Positioniereinrichtungskraft eine Kraft, die von der Positioniereinrichtung über die Grundplatte und das aktive Lagerelement auf das Fundament übertragen wird und somit auch über das aktive Lagerelement. Diese Positioniereinrichtungskraft kann zu störenden Bewegungen führen, wenn Schwingungsisolation in dem entsprechenden Frequenzbereich nicht ausreichend isolierend oder kompensierend eingestellt ist.
Die Positioniereinrichtungskraft kann hierbei die Gesamtheit aus einer (statischen) Gewichtskraft und von einer dynamischen Kraft der Positioniereinrichtung oder aber ausschließlich die dynamische Kraft bezeichnen, die von der Positioniereinrichtung über die Grundplatte und das aktive Lagerelement auf das Fundament übertragen wird. Hierbei bezeichnet eine dynamische Kraft eine aus der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung resultierende Kraft.
Entsprechend den vorhergehenden Ausführungen zur Ausbildung eines Mittels zur Bestimmung der fundamentbewegungsabhängige Größe kann auch das Mittel zur Bestimmung der eigenbewegungsabhängige Größe in verschiedenen Ausführungsformen realisiert sein. So kann die eigenbewegungsabhängige Größe beispielsweise als eine der genannten eigenbewegungsabhängigen Größen oder in Abhängigkeit einer weiteren, davon verschiedenen eigenbewegungsabhängigen Größe der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung bestimmt werden, wobei diese erfasst oder ebenfalls bestimmt werden kann.
Die Positioniereinrichtungskraft kann hierbei eine von der Gewichtskraft der Positioniereinrichtung verschiedene Kraft bezeichnen. Insbesondere kann die Positioniereinrichtungskraft durch eine Eigenbewegung der Positioniereinrichtung erzeugt werden. Die Eigenbewegung bezeichnet eine Bewegung, die durch mindestens eine Antriebseinrichtung der Positioniereinrichtung erzeugt wird. Diese Antriebseinrichtung ist vom aktiven Lagerelement verschieden. Die Eigenbewegung kann eine Bewegung eines beweglichen Teils der Positioniereinrichtung, z.B. eines Gelenks oder des zu positionierenden Objekts, sein. Die Bewegungsgröße der Grundplattenbewegung und der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung kann hierbei in dem erläuterten Referenzkoordinatensystem bestimmt werden.
Weiter ist das aktive Lagerelement mittels der mindestens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit der grundplattenbewegungsabhängigen Größe und/oder der eigenbewegungsabhängigen Größe der Positioniereinrichtung steuerbar.
Die eigenbewegungsabhängige Größe kann hierbei unmittelbar erfasst werden, z.B. mit einem Sensor, oder bestimmt werden, beispielsweise modellbasiert. Die Steuer- und Auswerteeinrichtung kann hierbei daten- und/oder signaltechnisch mit mindestens einem Mittel zum Bestimmen der Bewegungsgröße verbunden sein.
Z.B. kann in Abhängigkeit der bestimmten eigenbewegungsabhängigen Größe die vorhergehend erläuterte Positioniereinrichtungskraft und/oder die vorhergehend erläuterte grundplattenbewegungsabhängige Größe bestimmt werden. Dann kann das aktive Lagerelement derart angesteuert werden, dass die Grundplattenkraft und/oder die von der Positioniereinrichtung über die Grundplatte auf das aktive Lagerelement übertragene Kraft und/oder die Positioniereinrichtungskraft kompensiert wird. Insbesondere kann somit die vom aktiven Lagerelement auf die Grundplatte ausgeübte Kraft die Positioniereinrichtungskraft kompensieren.
Auch ist es möglich, mindestens eine Bewegungsgröße der Grundplatte, z.B. in Abhängigkeit der grundplattenbewegungsabhängigen Größe und/oder der eigenbewegungsabhängigen Größe, zu bestimmen und das aktive Lagerelement derart anzusteuern, dass die tatsächliche Bewegung der Grundplatte verhindert oder auf ein gewünschtes Maß reduziert wird.
Mit anderen Worten kann eine durch die Bewegung der Positioniereinrichtung, insbesondere eines zu positionierenden Objekts, verursachte Bewegung der Grundplatte bestimmt werden. Dann kann das aktive Lagerelement, insbesondere ein bewegliches Teil des aktiven Lagerelements, derart angesteuert werden, dass diese durch die Positioniereinrichtung induzierte Bewegung der Grundplatte reduziert oder eliminiert wird.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch durch eine Eigenbewegung der Positioniereinrichtung induzierte Schwingungen der Grundplatte zuverlässig eliminiert oder reduziert werden können. Dies wiederum verbessert in vorteilhafter Weise die Positionier- bzw. Messgenauigkeit der Positioniereinrichtung.
Mit anderen Worten können Auswirkungen einer Eigenbewegung der Positioniereinrichtung auf eine Position und/oder Orientierung der Grundplatte reduziert werden. So kann insbesondere bei geringen Massen der Grundplatte die Eigenbewegung der Positioniereinrichtung unerwünschte Bewegungen der Grundplatte, insbesondere mit Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz des resultierenden mechanischen Systems, verursachen. Durch die vorgeschlagene Steuerung des aktiven Lagerelements kann dieser Effekt in vorteilhafter Weise vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die eigenbewegungsabhängige Größe modellbasiert bestimmt. Das Modell kann insbesondere einen Zusammenhang zwischen einer Bewegungsgröße der Positioniereinrichtung, insbesondere einer Bewegungsgröße des zu positionierenden Objekts, und der vorhergehend erläuterten Positioniereinrichtungskraft sein. Auch kann das Modell einen Zusammenhang zwischen Steuersignalen zur Einstellung einer Bewegungsgröße der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung und der Positioniereinrichtungskraft sein.
Die mindestens eine Bewegungsgröße kann hierbei bestimmt oder erfasst werden. Somit kann also in Abhängigkeit einer erfolgenden Eigenbewegung der Positioniereinrichtung oder einer Soll-Eigenbewegung der Positioniereinrichtung die eigenbewegungsabhängige Größe, insbesondere die Positioniereinrichtungskraft, bestimmt werden und das mindestens eine aktive Lagerelement entsprechend angesteuert werden.
Selbstverständlich kann das Modell auch einen Zusammenhang zwischen zusätzlichen Eigenschaften der Positioniereinrichtung und/oder des zu positionierenden Objekts, z.B. einem Gewicht, beschreiben. In diesem Fall kann die Positioniereinrichtungskraft zusätzlich auch in Abhängigkeit dieser Eigenschaften bestimmt werden.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung von Grundplatten mit einer geringen Masse. Hierdurch kann ein Bauraum sowie Herstellungskosten für die Vorrichtung reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine maximal erzeugbare Kraft des aktiven Lagerelements größer als 100 N. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass vom Betrag her hohe Fundamentkräfte und/oder Positioniereinrichtungskräfte und somit auch die hieraus resultierenden Bewegung der Grundplatte kompensiert werden können und somit z.B. auch hohe Beschleunigungen der Positioniereinrichtung möglich sind. Weiter ergibt sich, dass eine obere Grenzfrequenz der Schwingungsisolierung und - kompensation umso höher ist je höher die maximal erzeugbare Kraft ist und in der vorgeschlagenen Ausführungsform somit eine gewünschte Schwingungsisolierung und - kompensation möglich ist. Alternativ oder kumulativ ist eine Dynamik des aktiven Lagerelements größer als 50 Hz, insbesondere größer als 100 Hz. Die Dynamik kann hierbei bezeichnen, mit welcher Frequenz ein bewegliches Element des aktiven Lagerelements mit einer vorbestimmten Amplitude, beispielsweise in Höhe von 30µm, bewegt werden kann. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise das Bodenschwingungen und gegebenenfalls auch durch die Eigenbewegung der Positioniereinrichtung verursachte Bewegungen der Grundplatte zuverlässig isoliert oder kompensiert werden können.
Weiter alternativ oder kumulativ ist eine durch das aktive Lagerelement bereitgestellte Dämpfung größer als 50% bei für Frequenzen kleiner als 10 Hz. Das aktive Lagerelement kann hierbei also derart ausgebildet, angeordnet und/oder angesteuert werden, dass eine Amplitude der durch die Fundamentschwingung mit einer Frequenz kleiner als 10 Hz bedingten Bewegung der Grundplatte mit dem aktiven Lagerelement um mehr als 50% geringer ist als ohne das aktive Lagerelement, insbesondere bei einer starren Kopplung von Fundament und Grundplatte.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das aktive Lagerelement ein Piezoaktor. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und kostengünstige Ausbildung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Alternativ umfasst das aktive Lagerelement ein elektromagnetischer Aktor. Weiter alternativ umfasst das aktive Lagerelement ein kapazitiver Aktor. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ebenfalls eine einfache und kostengünstige Ausbildung des Aktors.
Weiter ist es möglich, dass die Menge von Lagerelementen, über die die Grundplatte an dem Fundament gelagert ist, kein Luftlagerelement umfasst.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das aktive Lagerelement mindestens eine Positionserfassungseinrichtung. Mittels der Positionserfassungseinrichtung kann insbesondere eine aktuelle Position eines beweglichen Teils des aktiven Lagerelements, insbesondere des Aktors, erfasst werden. Durch eine solche Positionserfassungseinrichtung kann zusätzlich zu der durch den Aktor des aktiven Lagerelements verursachte Eigenbewegung auch eine fremdverursachte Bewegung des beweglichen Teils, beispielsweise eine durch Bodenschwingungen oder Grundplattenbewegungen verursachte Bewegung des beweglichen Teils, bestimmt werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, aktuelle Schwingungen im System, insbesondere sogenannte Restschwingungen, zu detektieren.
Weiter ist es möglich, das aktive Lagerelement in Abhängigkeit der von der Positionserfassungseinrichtung des aktiven Lagerelements erfassten Position oder Positionsänderung zu steuern, insbesondere um die erläuterten Restschwingungen zu reduzieren oder zu eliminieren. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafterweise eine weiter verbesserte Reduktion von Schwingungen und somit konsequenterweise auch eine verbesserte Positionier- bzw. Messgenauigkeit.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens drei aktive Lagerelemente. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafterweise, dass auch Drehschwingungen, insbesondere durch eine Eigenbewegung der Positioniereinrichtung verursachte Drehschwingungen oder -bewegungen der Grundplatte durch einen entsprechend gesteuerten bzw. geregelten Betrieb der mindestens drei aktiven Lagerelemente eliminiert oder zumindest reduziert werden können.
Weiter ist es möglich, dass die vorgeschlagene Vorrichtung mehrere aktive Lagerelemente umfasst, wobei diese derart ausgebildet und/oder angeordnet sind, dass unerwünschte Bewegungen, insbesondere Schwingungen der Grundplatte (und somit der Positioniereinrichtung), ausschließlich entlang von oder parallel zu genau einer Raumrichtung oder entlang von oder parallel zu mehreren, insbesondere zwei oder drei linear voneinander unabhängigen Raumrichtungen, reduziert oder eliminiert werden können. So ist es z.B. möglich, dass das vorhergehend erläuterte Referenzkoordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem ist, wobei eine Vertikalachse (z-Achse) parallel und entgegengesetzt zu einer Richtung einer Gravitationskraft orientiert ist. Eine Längsachse und eine Querachse (x-Achse, y-Achse) können dann eine Ebene aufspannen, die senkrecht zur Vertikalachse orientiert ist. In diesem Fall kann das mindestens eine aktive Lagerelement derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass ausschließlich unerwünschte Bewegungen/Schwingungen entlang genau einer der genannten Achsen, insbesondere entlang der Vertikalachse, reduziert oder eliminiert werden können. Allerdings ist es auch möglich, dass mehrere aktive Lagerelemente derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass unerwünschte Bewegungen/Schwingungen entlang genau zwei oder genau der erläuterten Achsen reduziert oder eliminiert werden können. Ferner ist es möglich, dass die aktiven Lagerelemente derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass unerwünschte Drehbewegungen/Drehschwingungen um genau eine der erläuterten Achsen, insbesondere um die Vertikalachse, oder um genau zwei oder genau drei der erläuterten Achsen reduziert oder eliminiert werden können.
Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine zuverlässige und verbesserte Stabilisierung der Position der Grundplatte.
Umfasst die Vorrichtung mehrere aktive Lagerelemente, so kann eine lagerelementspezifische Bestimmung der fundamentbewegungsabhängigen Größe erfolgen. Dies bedeutet, dass die über das spezifische aktive Lagerelement auf die Grundplatte übertragene fundamentbewegungsabhängige Größe bestimmt wird. In entsprechender Weise kann eine lagerelementspezifische Bestimmung einer grundplattenbewegungsabhängigen Größe und/oder einer eigenbewegungsabhängige Größe der Positioniereinrichtung erfolgen. Auch kann eine lagerelementspezifische Bestimmung einer Bewegungsgröße des Fundaments, der Grundplatte und/oder der Positioniereinrichtung erfolgen. Dies kann bedeuten, dass die Bewegungsgröße einer Bewegung eines Abschnitts bestimmt wird, an dem das aktive Lagerelement angeordnet ist. Dann kann die Steuerung des aktiven Lagerelements in Abhängigkeit dieser lagerelementspezifischen Größen erfolgen.
Weiter vorgeschlagen wird eine Anordnung aus einer Positioniereinrichtung und einer Vorrichtung zur Schwingungsisolierung gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei ist die Positioniereinrichtung auf oder an der Grundplatte der Vorrichtung gelagert.
Weiter beschrieben wird ein Verfahren zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung mittels einer Vorrichtung zur Schwingungsisolierung gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen. Hierbei wird eine fundamentbewegungsabhängige Größe bestimmt. Weiter wird das aktive Lagerelement in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängige Größe gesteuert. Somit ist die in dieser Offenbarung beschriebene Vorrichtung derart konfiguriert, dass das beschriebene Verfahren mittels der Vorrichtung ausführbar ist.
Insbesondere kann das aktive Lagerelement, insbesondere ein Aktor des aktiven Lagerelements, derart gesteuert werden, dass eine durch die fundamentbewegungsabhängige Größe verursachte Bewegung der Grundplatte (und somit auch der Positioniereinrichtung) reduziert oder vollständig eliminiert wird. Auch ist es möglich, das aktive Lagerelement in Abhängigkeit einer Bewegungsgröße einer Fundamentbewegung zu steuern.
Wie vorhergehend erläutert ist es auch möglich, dass das aktive Lagerelement zusätzlich in Abhängigkeit einer grundplattenbewegungsabhängigen Größe und/oder einer eigenbewegungsabhängige Größe der Positioniereinrichtung und/oder in Abhängigkeit einer Bewegungsgröße der Bewegung der Grundplatte und/oder in Abhängigkeit einer Bewegungsgröße der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung und/oder in Abhängigkeit einer von einer Positionserfassungseinrichtung des aktiven Lagerelements erfassten Position gesteuert wird. Insbesondere kann das aktive Lagerelement dann derart gesteuert werden, dass unerwünschte Bewegungen, insbesondere Schwingungen, reduziert oder vollständig eliminiert werden. Wird das aktive Lagerelement zusätzlich in Abhängigkeit der eigenbewegungsabhängige Größe gesteuert, so kann es insbesondere derart gesteuert werden, dass eine von der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung verursachte Bewegung der Grundplatte reduziert oder vollständig eliminiert wird.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Schwingungsisolierung mit einer Positioniereinrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Positioniereinrichtung;
3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Positioniereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Positioniereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Positioniereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Positioniereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Positioniereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
8 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Schwingungsisolierung einer als Koordinatenmesseinrichtung 2 ausgebildeten Positioniereinrichtung gemäß dem Stand der Technik. Diese Vorrichtung 1 umfasst eine Grundplatte 3, die z.B. als Granitplatte ausgebildet sein kann. Weiter umfasst die Vorrichtung 1 passive Dämpferelemente 4 und passive Federelemente 5, die mechanisch parallel zueinander angeordnet sind. Ein erstes Dämpferelement 4a und ein erstes Federelement 5a bilden ein erstes passives Lagerelement 6a. Entsprechend bilden ein zweites Dämpferelement 4b und ein zweites Federelement 5b ein zweites passives Lagerelement 6b, wobei die Grundplatte 3 über die Lagerelemente 6a, 6b mit einem Fundament 7 mechanisch verbunden sind. Insbesondere ist die Grundplatte 3 über die Lagerelemente 6a, 6b auf dem Fundament 7 gelagert. Dargestellt ist ein Referenzkoordinatensystem mit einer Vertikalachse z und einer Querachse y. Nicht dargestellt ist eine Längsachse x, die rechtwinklig zur Vertikalachse z und zur Querachse y orientiert ist. Die Vertikalachse z ist hierbei parallel und entgegengesetzt zur Richtung einer Gravitationskraft orientiert. Die Koordinatenmesseinrichtung 2 ist hierbei eine in Portalbauweise ausgebildete Koordinatenmesseinrichtung 2, wobei bewegliche Teile dieser Positioniereinrichtung 2 zur räumlichen Positionierung einer Messeinrichtung 8 dienen, der an einer Pinole 9 der Koordinatenmesseinrichtung 2 befestigt ist. Die Messeinrichtung 8 kann einen optischen oder taktilen Sensor zur Erzeugung von Messpunkten zur Vermessung eines Messobjekts umfassen. Weiter dargestellt ist eine Traverse 10, wobei die Pinole 9 entlang der Querrichtung y entlang der Traverse 10 bewegt werden kann. Weiter kann die Messeinrichtung 8 entlang der Pinole 9 entlang der Vertikalrichtung bewegt werden, um die Messeinrichtung 8 zu positionieren. Ständerelemente 11, auf denen die Traverse 10 gelagert ist, können hierbei entlang der nicht dargestellten Längsrichtung bewegt werden.
Eine Eigenbewegung dieser Positioniereinrichtung kann somit in einer Bewegung dieser beweglichen Teile entlang der erläuterten Raumachsen umfassen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 12 mit einer als Koordinatenmesseinrichtung 2 ausgebildeten Positioniereinrichtung. Die Koordinatenmesseinrichtung 2 ist hierbei wie die in 1 dargestellte Koordinatenmesseinrichtung 2 ausgebildet. Daher wird auf die entsprechenden Ausführungen zu 1 verwiesen. Die Vorrichtung 12 umfasst eine Grundplatte 13. Diese kann z.B. aus Granitplatte ausgebildet sein. Allerdings ist dies nicht zwingend. Es ist z.B. auch vorstellbar, leichteres Material als Granit zur Ausbildung der Grundplatte 13 zu verwenden, beispielsweise Metall oder Kunststoff. Weiter umfasst die Vorrichtung 12 aktive Lagerelemente 14, wobei die Grundplatte 13 über diese aktiven Lagerelemente 14 auf einem Fundament 7 gelagert ist. Ein aktives Lagerelement 14 kann hierbei einen Aktor 17 umfassen, insbesondere einen Piezoaktor. Der Aktor 17 wiederum kann mindestens ein bewegliches Teil umfassen. Hierbei ist möglich, dass eine gewünschte Ausgangskraft von dem Aktor 17 und/oder eine gewünschte Bewegung des beweglichen Teils des Aktors 17 eingestellt wird, z.B. durch Ansteuerung des Aktors mittels entsprechender Steuersignale. Diese kann mittels einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 erfolgen, die die aktiven Lagerelemente 14 und somit auch deren Aktoren 17 entsprechend ansteuern kann. Weiter umfasst die Vorrichtung 12 als Beschleunigungssensoren 16 ausgebildete Mittel zum Bestimmen einer fundamentbewegungsabhängige Größe, nämlich einer Fundamentbeschleunigung. Aufgrund der Fundamentbeschleunigung wirkt eine Fundamentkraft, wobei die Fundamentkraft die vom Fundament 7 über die aktiven Lagerelemente 14 auf die Grundplatte 13 übertragene Kraft bezeichnet. Die Ausbildung der Mittel zur Bestimmung der Fundamentkraft als Beschleunigungssensoren 16 ist hierbei beispielhaft. Auch können die Mittel zum Bestimmen der fundamentbewegungsabhängigen Größe Mittel zum Bestimmen oder Erfassen der Fundamentkraft oder einer weiteren Bewegungsgröße einer Fundamentbewegung umfassen, beispielsweise einen Wegsensor, Geschwindigkeitssensor oder Kraftsensor. Weiter kann dann das Mittel zum Bestimmen der fundamentbewegungsabhängige Größe eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der fundamentbewegungsabhängige Größe in Abhängigkeit der Bewegungsgröße umfassen. Diese kann beispielsweise durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 gebildet werden.
Das Mittel zum Bestimmen der fundamentbewegungsabhängige Größe bzw. ein erläuterter Sensor kann an einem fundamentseitigen Ende des aktiven Lagerelements 14 angeordnet sein, insbesondere wenn das Mittel als Beschleunigungssensor ausgebildet ist oder einen solchen umfasst.
Es ist allerdings auch möglich, dass das Mittel zum Bestimmen der fundamentbewegungsabhängige Größe an anderer Stelle, z.B. an einem grundplattenseitigen Ende des aktiven Lagerelements 14, angeordnet ist, insbesondere wenn das Mittel als Kraftsensor ausgebildet ist oder einen solchen umfasst. Auch möglich ist, dass das Mittel an der Positioniereinrichtung oder an der Messeinrichtung angeordnet sein. In diesem Fall kann die fundamentbewegungsabhängige Größe insbesondere über ein Modell, z.B. ein mechanisches oder dynamisches Modell, der Positioniereinrichtung bestimmt werden.
Insbesondere kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 datentechnisch und/oder signaltechnisch mit den aktiven Lageelementen 14 und mit den Kraftsensoren 16 verbunden sein.
Mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 können die aktiven Lagerelemente 14 in Abhängigkeit der bestimmten fundamentbewegungsabhängige Größe gesteuert werden. Insbesondere kann eine Kraft des Aktors und/oder mindestens eine Bewegungsgröße einer Bewegung des beweglichen Teils des Aktors 17 durch die Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 eingestellt werden.
Insbesondere kann die Ausgangskraft des Aktors 17 des aktiven Lagerelements 14 und/oder die mindestens eine Bewegungsgröße der Bewegung des beweglichen Teils derart eingestellt werden, dass von einer Bewegung des Fundaments 7 verursachte Bewegung der Grundplatte 13 reduziert oder vollständig eliminiert wird.
Es ist auch möglich, dass mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15 die aktiven Lagerelemente 14 in Abhängigkeit einer Bewegungsgröße der Fundamentbewegung angesteuert werden, insbesondere derart, dass die durch die Fundamentbewegung verursachte Bewegung der Grundplatte 7 reduziert oder vollständig eliminiert wird.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 in einer weiteren Ausführungsform mit einer Positioniereinrichtung 2, wobei diese entsprechend der in 1 dargestellten Ausführungsform der Positioniereinrichtung 2 ausgebildet ist. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 12 umfasst ein aktives Lagerelement 14 zusätzlich zu dem Aktor 17 ein (passives) Federelement 5, welches mechanisch parallel zu dem Aktor 17 des entsprechenden aktiven Lagerelements 14 angeordnet ist. Insbesondere ist also die Grundplatte 13 über aktive Lagerelemente 14 auf dem Fundament 7 gelagert, die mechanisch parallel angeordnete Federelemente 5 und Aktoren 17 umfassen.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 12 zur Schwingungsisolierung in einer weiteren Ausführungsform mit einer Positioniereinrichtung 2, die gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ausgebildet ist. Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 12 umfasst die Vorrichtung 12 als Kraftsensoren 18 ausgebildete Mittel zur Erfassung einer Positioniereinrichtungskraft, wobei die Positioniereinrichtungskraft eine Kraft bezeichnet, die von der Positioniereinrichtung 2 auf die Grundplatte 13 ausgeübt bzw. übertragen wird. Insbesondere bezeichnet die Positioniereinrichtungskraft eine durch eine Eigenbewegung der Positioniereinrichtung 2 erzeugte Kraft, die auf die Grundplatte 13 wirkt. Diese Eigenbewegung bezeichnet hierbei eine Bewegung eines beweglichen Teils der Positioniereinrichtung 2 oder einer Bewegung eines zu positionierenden Objekts, z.B. der vorhergehend erläuterten Messeinrichtung 8.
Die Ausbildung der Mittel zur Bestimmung einer Positioniereinrichtungskraft als Kraftsensoren 18 ist hierbei rein exemplarisch. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Positioniereinrichtungskraft in anderer Weise zu bestimmen. Z.B. kann die Positioniereinrichtungskraft in Abhängigkeit mindestens einer Bewegungsgröße einer Bewegung eines beweglichen Teils der Positioniereinrichtung 2, beispielsweise einer Bewegung der Messeinrichtung 8, bestimmt werden. Beispielsweise kann eine solche Bewegungsgröße erfasst werden, z.B. mit einem Sensor. Auch ist es möglich, eine solche Bewegungsgröße zu bestimmen, insbesondere rechnerisch. Weiter kann dann in Abhängigkeit eines vorbestimmten Zusammenhangs zwischen der mindestens einen Bewegungsgröße und der Positioniereinrichtungskraft diese bestimmt werden. Dieser Zusammenhang kann insbesondere modellbasiert sein.
In 4 ist dargestellt, dass der Kraftsensor 19 zwischen einem Ständerfuß 19 und einer Oberfläche der Grundplatte 13 angeordnet ist. Auch ist es möglich, dort ein Mittel, insbesondere einen Sensor, zum Bestimmen einer Bewegungsgröße einer Relativbewegung zwischen Ständerfüßen 19 der Positioniereinrichtung 2 und der Grundplatte 13 anzuordnen und dann in Abhängigkeit dieser Bewegungsgröße die Positioniereinrichtungskraft zu bestimmen. Sind die Ständerfüße 19 z.B. an der Grundplatte 13 luftgelagert, so kann der Sensor beispielsweise ein Luftdrucksensor oder Abstandssensor zur Erfassung einer Breite des Luftspalts sein oder umfassen, wobei in Abhängigkeit des Luftdrucks oder der Breite die Positioniereinrichtungskraft bestimmt werden kann.
Allgemeiner gesagt kann eine Bewegungsgröße einer Relativbewegung zwischen dem positioniereinrichtungsseitigen Lagerabschnitt zur Lagerung der Positioniereinrichtung 2 auf der Grundplatte 13 sowie der Grundplatte 13 bestimmt werden, wobei dann in Abhängigkeit dieser Relativbewegung die Positioniereinrichtungskraft bestimmt wird.
Die Positioniereinrichtungskraft bildet hierbei eine eigenbewegungsabhängige Größe der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung 2. Generell ist es auch möglich, dass die Vorrichtung 12 Mittel zur Erfassung einer eigenbewegungsabhängige Größe umfasst, wobei diese z.B. eine Positioniereinrichtungsbeschleunigung, - geschwindigkeit oderweg/-position sein kann.
Dann können, wie vorhergehend erläutert, die aktive Lagerelemente 14 in Abhängigkeit der Positioniereinrichtungskraft oder der erläuterten eigenbewegungsabhängigen Größe angesteuert werden. Alternativ ist es auch möglich, die aktiven Lagerelemente 14 in Abhängigkeit einer Bewegungsgröße der erläuterten Relativbewegung oder der Eigenbewegung der Positioniereinrichtung 2 oder der Grundplatte 13 zu steuern.
5 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer Positioniereinrichtung 2, die entsprechend der in 1 dargestellten Positioniereinrichtung 2 ausgebildet ist. Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Vorrichtung 12 umfasst ein aktives Lagerelement 14 zusätzlich zu einem Aktor 17 und einem passiven Federelement 5 ein passives Dämpferelement 4, welches mechanisch parallel zu dem Aktor 17 angeordnet ist.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 12, in einer weiteren Ausführungsform mit einer Positioniereinrichtung 2, die gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ausgebildet ist.
Hierbei ist dargestellt, dass die Grundplatte 13 über eine Vielzahl von aktiven Lagerelementen 14 auf/an einem Fundament 7 gelagert ist. Insbesondere ist eine Unterseite der Grundplatte 13 über aktive Lagerelemente 14 auf dem Fundament 7 gelagert. Auf einer Oberseite der Grundplatte ist die Positioniereinrichtung 2 gelagert. Weiter sind Seitenflächen, also Längs- und Querseiten, der Grundplatte 13 über weitere aktive Lagerelemente 14 am dem Fundament 7 gelagert. Dies ermöglicht die Reduktion oder vollständige Elimination von Bewegungen der Grundplatte 13 auch entlang von Raumachsen, die von der Vertikalachse z verschieden sind, insbesondere entlang der Längsachse und/oder der Querachse y. Auch können unerwünschte Drehbewegungen der Grundplatte 13, die durch die Eigenbewegung der Positioniereinrichtung 2 und/oder durch die Fundamentbewegung verursacht werden, reduziert werden.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausführungsform ist die Positioniereinrichtung 2 nicht als Koordinatenmesseinrichtung, sondern als Roboter 20 ausgebildet, insbesondere als sogenannter Gelenkarmroboter.
8 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schwingungsisolierung mittels einer der in 2 bis 7 dargestellten Ausführungsformen. Hierbei wird in einem ersten Schritt S1 eine fundamentbewegungsabhängige Größe bestimmt, beispielsweise mittels den in 2 dargestellten Kraftsensoren 16 oder andersartig ausgebildeten Mitteln zur Bestimmung der fundamentbewegungsabhängigen Größe. Weiter wird, insbesondere mittels der Steuer- und Auswerteeinrichtung 15, in einem zweiten Schritt S2 ein aktives Lagerelement 14 in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängigen Größe gesteuert, insbesondere derart, dass die von einer Fundamentbewegung verursachte Bewegung der Grundplatte 13 reduziert oder eliminiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Schwingungsisolierung gemäß dem Stand der Technik
2: Positioniereinrichtung, Koordinatenmesseinrichtung
3: Grundplatte
4, 4a, 4b: passives Dämpferelement
5, 5a, 5b: passives Federelement
6a, 6b: Lagerelement
7: Fundament
8: Sensor
9: Pinole
10: Traverse
11: Ständer
12: Vorrichtung zur Schwingungsisolierung
13: Grundplatte
14: aktives Lagerelement
15: Steuer- und Auswerteeinrichtung
16: Beschleunigungssensor
17: Aktor
18: Kraftsensor
19: Lagerabschnitt
20: Gelenkarmroboter
S1: erster Schritt
S2: zweiter Schritt
z: Vertikalachse
y: Querachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2505956 A1 [0004]
DE 10229823 A1 [0005]
WO 2016/173625 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung (2), wobei die Vorrichtung (12) eine Grundplatte (13) für die Positioniereinrichtung (2), mindestens aktives Lagerelement (14) zur Lagerung der Grundplatte (13) auf/an einem Fundament (7) und mindestens eine Auswerte- und Steuereinrichtung (15) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (12) mindestens ein Mittel zur Bestimmung einer fundamentbewegungsabhängigen Größe umfasst, wobei das aktive Lagerelement (14) mittels der mindestens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung (15) in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängigen Größe steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lagerelement (14) zusätzlich ein Federelement (5) und/oder ein Dämpferelement (4) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (12) mindestens ein Mittel zur Bestimmung einer grundplattenbewegungsabhängigen Größe und/oder mindestens ein Mittel zur Bestimmung einer eigenbewegungsabhängigen Größe der Positioniereinrichtung (2) umfasst, wobei das aktive Lagerelement (14) mittels der mindestens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung (15) zusätzlich in Abhängigkeit der grundplattenbewegungsabhängigen Größe und/oder der eigenbewegungsabhängigen Größe der Positioniereinrichtung (2) steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eigenbewegungsabhängige Größe der Positioniereinrichtung (2) modellbasiert bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximal erzeugbare Kraft des aktiven Lagerelements (14) größer als 100 N ist und/oder eine Dynamik größer als 50 Hz ist und/oder eine durch das aktive Lagerelement bereitgestellte Dämpfung größer als 50% für Frequenzen kleiner als 10 Hz ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lagerelement (14) ein Piezoaktor oder einen elektromagnetischen Aktor oder einen kapazitiven Aktor umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lagerelement (14) mittels der mindestens einen Steuer- und Auswerteeinrichtung (15) zusätzlich in Abhängigkeit mindestens einer Bewegungsgröße der Positioniereinrichtung (12) steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Lagerelement (14) mindestens eine Positionserfassungseinrichtung umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens drei aktive Lagerelemente (14) umfasst.
Anordnung aus einer Positioniereinrichtung (2) und einer Vorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Positioniereinrichtung (2) auf oder an der Grundplatte (13) der Vorrichtung (12) gelagert ist.
Verfahren zur Schwingungsisolierung einer Positioniereinrichtung (2) mittels einer Vorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine fundamentbewegungsabhängigen Größe bestimmt wird, wobei das aktive Lagerelement (14) in Abhängigkeit der fundamentbewegungsabhängigen Größe gesteuert wird.