DE112006001416T5

DE112006001416T5 - Systeme und Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung

Info

Publication number: DE112006001416T5
Application number: DE112006001416T
Authority: DE
Inventors: Emil Newton Kraner
Original assignee: Technical Manufacturing Corp
Current assignee: Technical Manufacturing Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2008-05-08
Also published as: JP2013080911A; JP5166253B2; US7726452B2; WO2006132777A3; WO2006132777A2; JP2009507359A; US20060272910A1

Abstract

System zum Dämpfen einer Schwingung von einer abgestützten Nutzlast, wobei das System umfasst:
eine Stützfeder, die sich von einer isolierten Plattform, an der die Nutzlast abgestützt ist, zu einer Plattform gegenüber der isolierten Plattform erstreckt, um statische Kräften von der Nutzlast abzustützen;
einen aktiven Dämpfer, der sich zwischen der isolierten Plattform und der Basisplattform parallel und in beabstandeter Beziehung zur Stützfeder erstreckt, um dynamische Kräften von der Nutzlast zu dämpfen, wobei der aktive Dämpfer umfasst:
einen Aktuator mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende, der in der Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Ende variabel ist, wobei das zweite Ende mit der Basisplattform gekoppelt ist;
eine Zwischenmasse mit einem Körperabschnitt und in axialer Ausrichtung auf das erste Ende des Aktuators, wobei die Zwischenmasse einen Punkt bereitstellt, auf den die dynamischen Kräfte von der Nutzlast gedämpft werden können; und
einen passiven Dämpfer mit einem...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Verfahren und Systeme zur aktiven Schwingungsdämpfung von abgestützten Nutzlasten und insbesondere auf Schwingungsdämpfungssysteme und -verfahren, die statische und dynamische Kräfte, die durch die abgestützten Nutzlasten erzeugt werden, entkoppeln und dynamische Kräfte auf einen aktiv isolierten Punkt dämpfen.
STAND DER TECHNIK
Der Bedarf in der Industrie für die Schwingungsisolation nimmt zu. Beispielsweise besteht immer weniger Toleranz für die Umgebungsschwingung in Ultraviolett-Schrittmotoren, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden. Da die Fertigung von Halbleitern und anderen Produkten immer präziser wird, wird der Bedarf an der Unterdrückung einer Umgebungsschwingung immer größer.
Viele derzeit zur Verfügung stehenden Schwingungsisolationsanwendungen, die auf "weichen Federn" basieren, erfordern auch ein relativ hohes Dämpfungsniveau. Dämpfer werden häufig verwendet, um die Schwingungsverstärkung bei der Resonanzfrequenz der Feder zu verringern und um die an der isolierten Masse durch die Bewegungstische, Motoren usw. erzeugte Verzerrung zu minimieren. Annehmbare Dämpfungsniveaus können leider in den meisten zur Verfügung stehenden Systemen sehr begrenzt sein. Ein begrenzender Faktor kann der Steifigkeitserhöhung des kombinierten Dämpfer-Feder-Systems zugeschrieben werden, die zur Aufwärtsverschiebung der Resonanzfrequenz des Systems und zur Verringerung der Verstärkungs-/Frequenz-Funktion, d. h. der "Dämpfungs"-Neigung über der Resonanzfrequenz, führen kann. Folglich besteht gewöhnlich ein signifikanter Verlust in der Schwingungsisolationsverstärkung jenseits der Resonanzfrequenz.
Im Allgemeinen kann das Dämpfungsniveau durch (i) die Einschwingzeit, die direkt mit der Resonanzfrequenz des Systems und dem Schwingungsverstärkungsniveau bei dieser Frequenz in Beziehung steht, (ii) die Schwingungsisolationsspezifikation insbesondere bei einer hohen Frequenz und/oder (iii) den Dämpfertyp (z. B. aktiv, passiv) bestimmt werden. Bekannte Beispiele von passiven Dämpfern umfassen Luftkissendämpfer und Fluiddämpfer. Passive Dämpfer werden typischerweise verwendet, um die Systemschwingungsisolation bei der Resonanzfrequenz der Feder zu begünstigen. Da diese Dämpfer gewöhnlich mit der schwingenden Basisplattform gekoppelt sind, können jedoch diese Dämpfer für Frequenzen über den Resonanzfrequenzen Schwingungsisolationsverstärkungen um ungefähr 20 dB pro Dekade verringern.
Aktive Dämpfer können andererseits beispielsweise Schwingspulendämpfer oder Motorelemente umfassen. Aktive Dämpfer können verwendet werden, um relativ hohe Kompensationskräfte zu erzeugen, und können zusammen mit Sensoren an der isolierten Nutzlast die Kräfte, die durch die schwere Nutzlast erzeugt werden, die mit hoher Beschleunigung bewegt wird, kompensieren. Aktive Dämpfer weisen jedoch auch eine sehr begrenzte aktive Bandbreitenverstärkung auf. Insbesondere kann die Kopplung von Nutzlastresonanzen mit erfassten Ausgangssignalen die Stabilitätstoleranzen beeinträchtigen. Diese Begrenzung kann an der Servoschleifenstabilität liegen, die durch die erforderliche Befestigung von Schwingungssensoren an der isolierten Plattform, die ihre mehreren Resonanzen abtasten, begrenzt werden kann.
Im Allgemeinen kann eine abgestützte Nutzlast häufig sich bewegende mechanische Komponenten beinhalten, die dynamische Kräfte erzeugen können, die auf die Nutzlast einwirken und verursachen, dass sie in Reaktion darauf schwingt. Die Nutzlast besitzt außerdem eine Masse, die eine statische Kraft erzeugt. In den meisten existierenden Isolationssystemen wird ermöglicht, dass sowohl die statischen als auch die dynamischen Kräfte auf einen Schwingungskompensationsmechanismus, beispielsweise einen Aktuator, wirken und erfordern solche Kompensationsmechanismen, um sowohl die statischen als auch dynamischen Kräfte anzugehen, wenn die Schwingung minimiert wird. Eine solche Methode erfordert die Verwendung eines sehr leistungsstarken Aktuators oder von mehreren Aktuatoren, was beides sehr teuer und voluminös sein kann. Überdies kann das Finden eines Kompromisses zwischen dem Dämpfungsniveau und der Schwingungsisolationsverstärkung eine schwierige Konstruktionsaufgabe sein.
Folglich ist es erwünscht, ein praktikables Dämpfungssystem zu schaffen, das relativ hohe Dämpfungskräfte vorsehen kann, während es gleichzeitig die Schwingungsisolation verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein aktives Schwingungsdämpfungssystem, das statische und dynamische Kräfte, die durch eine Nutzlast erzeugt werden, entkoppelt, das ermöglicht, dass jede der zwei Kräfte durch separate Mechanismen angesprochen wird, und das die Schwingungsisolation durch Richten von dynamischen Kräften von der Nutzlast auf einen aktiv isolierten Punkt verbessert. Das Schwingungsdämpfungssystem umfasst in einer Ausführungsform eine Stützfeder zum Angehen der statischen Kraft von der Nutzlastmasse und einen aktiv isolierten Dämpfer, der parallel zwischen der Nutzlastmasse wie z. B. einer isolierten Plattform und einer Schwingungsquelle wie z. B. dem Boden, einem externen Gehäuse oder einer schwingenden Basisplattform angeordnet ist, um die dynamische Kraft von der Nutzlastmasse zu dämpfen. Der aktiv isolierte Dämpfer ("aktive Dämpfer") umfasst in einer Ausführungsform eine kleine Zwischenmasse, die von der Nutzlastmasse verschieden und elastisch abgekoppelt ist. Die kleine Zwischenmasse kann mindestens eine Größenordnung kleiner sein als der Bereich von Massen, für deren Abstützung oder Isolation das System ausgelegt ist, und kann als Stützpunkt für eine dynamische Last wirken. Der aktive Dämpfer umfasst auch mindestens einen Aktuator wie z. B. ein piezoelektrisches Motorelement mit einer ersten Oberfläche, die mit der kleinen Zwischenmasse gekoppelt ist, und einer zweiten Oberfläche, die mit der schwingenden Basisplattform gekoppelt ist. Der Aktuator kann ein Federsystem umfassen, das so ausgelegt ist, dass es mindestens eine Größenordnung in der Steifigkeit höher ist als die Stützfeder. Der aktive Dämpfer umfasst ferner ein passives Isolatorelement wie z. B. einen passiven Fluiddämpfer ("passiven Dämpfer") zum Koppeln der isolierten Plattform mit der kleinen Zwischenmasse. In einer Ausführungsform kann ein Bewegungssensor mit der kleinen Zwischenmasse gekoppelt sein, um ein Rückkopplungssignal für den Aktuator als Funktion der Bewegung der kleinen Zwischenmasse zu erzeugen. Der Bewegungssensor kann so ausgelegt sein, dass er von der isolierten Plattform abgekoppelt ist.
Das Schwingungsdämpfungssystem der vorliegenden Erfindung kann auch mit einem Kompensationsmodul versehen sein, um das Rückkopplungssignal vom Bewegungssensor zu empfangen. In einer Ausführungsform kann das Kompensationsmodul mit dem Aktuator kommunizieren, um zu ermöglichen, dass der Aktuator seine Länge als Funktion des Rückkopplungssignals verändert, um die Schwin gung für den passiven Dämpfer und die Zwischenmasse zu verringern. Das Kompensationsmodul kann auch in einer solchen Weise konstruiert sein, dass das aktive Rückkopplungssystem über einen vorbestimmten Bereich von Schwingungsfrequenzen unabhängig von den Nutzlastmassen stabil sein kann. In einer Ausführungsform kann das Kompensationsmodul entlang einer Achse vorgesehen sein, in der der passive Dämpfer arbeitet, um zu ermöglichen, dass die Zwischenmasse von der Schwingung in dieser gleichen Achse aktiv isoliert wird. Alternativ können unabhängige Kompensationsmodule entlang jeder der "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen vorgesehen sein, um zu ermöglichen, dass die Zwischenmasse von der Schwingung entlang sechs Freiheitsgraden aktiv isoliert wird. Mit anderen Worten, die Schwingung entlang jeder der "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen sowie die Rotationsschwingung um die "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen kann isoliert werden. Die Zwischenmasse und der Bewegungssensor können innerhalb eines Gehäuses aufgenommen sein und können an der Basis in mindestens einer Achse durch mindestens einen Aktuator aufgehängt sein. Die Zwischenmasse und der Bewegungssensor können natürlich in jeder der "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen durch mindestens einen Aktuator in jeder Richtung aufgehängt sein.
Ein Scherentkoppler kann zwischen dem Aktuator und der Zwischenmasse angeordnet sein, die entlang der aktiv gesteuerten "Z"-Achse liegt, um die Ausübung von Scherspannungen auf den Aktuator zu begrenzen. Ein Scherentkoppler kann auch in den "X"- und "Y"-Achsen zwischen den jeweiligen Aktuatoren und der Zwischenmasse angeordnet sein, um die Querachsenschwingung zu minimieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zusätzliche Kompensationsschaltungen durch das Kompensationsmodul verwendet werden, um Signale zu verarbeiten, die von einem Sensor gesandt werden, der an der Nutzlastmasse montiert ist. Diese Signale, die Nutzlastbewegungen darstellen können, können mit den Signalen vom Bewegungssensor an der Zwischenmasse kombiniert werden, um die Nutzlastschwingung weiter zu kompensieren.
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Bewegungssensor an der Basisplattform angebracht sein und die Mitkopplungssignale davon können verwendet werden, um die Bewegung von der Basisplattform zu kompensieren.
Die vorliegende Erfindung schafft unter anderem ein praktisches aktives Schwingungsdämpfungssystem auf der Basis eines aktiven Isolationsdämpfers und einer Stützfeder, die beide zwischen der Nutzlastmasse und der Basisplattform angeordnet sind. Die Verwendung eines aktiven Isolationsdämpfers mit einer Zwischenmasse mit einer Resonanzfrequenz über der aktiven Bandbreite zusammen mit einem passiven Dämpfer zum Abkoppeln der Nutzlastresonanzen von der Zwischenmasse sowie zum Schaffen einer passiven Isolation außerhalb des Frequenzbereichs der aktiven Isolation und einem Aktuator zum aktiven Kompensieren der Bodenschwingung und zum Erzeugen von Steifigkeit, die verhältnismäßig höher ist als die Steifigkeit der Stützfeder, kann die Schwingung minimieren, die von der Nutzlastmasse von Umgebungsquellen erfahren wird. Außerdem kann die Verwendung von Bewegungssensoren zu den Aktuatoren unter anderem Rückkopplungssignale auf der Basis von Bewegungssignalen von den verschiedenen Komponenten liefern, um die Rückkopplungsinstabilität für das System weiter zu minimieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein System zur aktiven Schwingungsisolation oder -dämpfung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt ein detailliertes Diagramm eines aktiven Dämpfers zur Verwendung in Verbindung mit dem System in 1 dar.
3 stellt ein System zur aktiven Schwingungsisolation oder -dämpfung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
4 ist ein schematischer Blockschaltplan, der die elektrischen Verbindungen zwischen Bewegungssensoren, einer Kompensationsschaltungsanordnung und Aktuatoren für ein dreidimensionales Schwingungsisolations- oder -dämpfungssystem darstellt.
5 stellt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems entlang zweier Achsen dar.
BESCHREIBUNG VON SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Eine abgestützte Nutzlast erzeugt typischerweise statische und dynamische Kräfte, die beide angegangen werden müssen, wenn die durch die Nutzlastbewegung verursachte Schwingung kompensiert oder minimiert wird. Um beide von diesen Kräften anzugehen, schafft die vorliegende Erfindung ein Schwingungsdämpfungssystem, das statische und dynamische Kräfte entkoppelt, die durch eine abgestützte Nutzlast erzeugt werden, und ermöglicht, dass jede der zwei Kräfte durch separate Mechanismen angegangen wird.
In 1 schafft die vorliegende Erfindung ein aktives Schwingungsdämpfungssystem 10, das einer Bewegung einer abgestützten Nutzlast auf Grund von durch die Nutzlast induzierten Kräften durch die Verwendung einer Stützfeder 11 zum Angehen von statischen Kräften und eines unabhängigen aktiv isolierten Dämpfers 12 ("aktiven Dämpfers"), der parallel und in beabstandeter Beziehung zur Feder 11 angeordnet ist, zum Angehen von dynamischen Kräften Widerstand leisten oder diese minimieren kann. Sowohl die Feder 11 als auch der aktive Dämpfer 12 können zwischen einer Nutzlastmasse wie z. B. jener an oder mit einer isolierten Plattform 13 und einer Schwingungsquelle wie z. B. dem Boden, einem externen Gehäuse oder einer schwingenden Basisplattform 14 angeordnet werden. 1 stellt ein System dar, das eine aktive oder dynamische Schwingung in einer von drei Dimensionen angeht. Diese Vereinfachung wurde für die leichte Erläuterung gemacht. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass das System verwendet werden kann, um eine aktive Schwingungsisolation in bis zu allen sechs Freiheitsgraden zu ermöglichen.
Die Stützfeder 11 kann in einer Ausführungsform mit der isolierten Plattform 13 an einem Ende gekoppelt sein und zur Basisplattform 14 an einem entgegengesetzten Ende verlängert sein und kann zum Abstützen der durch die Nutzlastmasse erzeugten statischen Kraft wirken. Die Feder 11 kann auch zum Halten der isolierten Plattform 13 in im Wesentlichen parallelen Beziehungen zur Basisplattform 14 wirken. Obwohl 1 nur eine Feder 11 darstellt, sollte erkannt werden, dass zusätzliche Federn 11 in Abhängigkeit von der Steifigkeit der Feder 11 relativ zur Masse der isolierten Plattform 13 verwendet werden können. Somit können zwei, drei, vier oder mehr Federn 11 verwendet werden, solange die isolierte Plattform 13 in im Wesentlichen parallelen Beziehungen zur Basisplattform 14 gehalten werden kann. Die Feder 11 kann in einer Ausführungsform eine Metallfeder, eine Schraubenfeder, eine Matrizenfeder, eine passive pneumatische Feder, eine pneumatische Feder mit aktiver Höhensteuerung oder beliebige andere ähnliche Federn sein.
Der aktive Dämpfer 12, der vorgesehen ist, um dynamische Kräfte von der Nutzlast zu isolieren und zu minimieren, umfasst in einer Ausführungsform einen Aktuator 15, der mit der Basisplattform 14 gekoppelt sein kann, eine kleine Zwischenmasse 16 ("Zwischenmasse"), die am Aktuator 15 abgestützt ist, und ein passives Isolatorelement 17 ("passiver Dämpfer") für die dynamische Kopplung der isolierten Plattform 13 mit der Zwischenmasse 16. Der aktive Dämpfer 12 kann auch einen Bewegungssensor 18 umfassen, der an der Zwischenmasse 16 befestigt ist, so dass Signale, die durch die Bewegung der Zwischenmasse 16 erzeugt werden, als Teil einer aktiven Rückkopplungskompensationsschleife 19 kompensiert werden können, um Stabilität über einen vorbestimmten Bereich von Schwingungsfrequenzen vorzusehen.
Wenn nun 2 betrachtet wird, ist in einer Ausführungsform ein aktiver Dämpfer 22 zur Verwendung in Verbindung mit dem System 10 ähnlich zum aktiven Dämpfer 12 von 1 gezeigt. Der aktive Dämpfer 22 umfasst in dieser Ausführungsform einen Aktuator 25 mit einem unteren Ende 251, das an einer schwingenden Basisplattform 24 befestigt ist. Der Aktuator 25 umfasst auch ein oberes Ende 252, das im Wesentlichen bewegungslos oder ungefähr so bleiben kann, mit dem Ziel der Minimierung der Bewegung auf beispielsweise 0,01 mal der Bewegung der Basisplattform 24. Der aktive Dämpfer 22 der vorliegenden Erfindung kann dazu ausgelegt sein, die Schwingung der Basisplattform 24 entlang der Achse Z zu isolieren, die zur Achse der Verlagerung des Aktuators 25 im Wesentlichen parallel ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Aktuator 25 ein piezoelektrischer Stapel sein. In einer solchen Ausführungsform kann der Aktuator 25 ein erstes im Wesentlichen starres Element, z. B. einen Stapel 253, mit einer Länge entlang der Achse Z, die als Funktion eines daran angelegten Steuersignals variabel ist, umfassen.
Als piezoelektrischer Stapel (z. B. Modell P-010-20 von Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in Karlsruhe/Palmbach, Deutschland) kann der Aktuator 25 als Motorfeder 254 mit ausreichender Steifigkeit modelliert werden. Die Steifigkeit der Feder 254 entlang ihrer Achse ermöglicht, dass sich der Aktuator 25 gemäß dem an ihn angelegten Befehlssignal und unabhängig von der statischen Kraft der Nutzlast leicht zusammenzieht oder dehnt. Die Steifigkeit der Feder 254 kann in einer Ausführungsform mindestens eine Größenordnung in der Steifigkeit höher sein als jene der Stützfeder 11 und vorzugsweise mindestens zwei Größenordnungen in der Steifigkeit höher sein. In einem Beispiel kann die Steifigkeit der Feder 254 etwa 1,9 Millionen Pfund pro Inch sein, wohingegen die Verlagerungs-Spannungs-Beziehung etwa 1 Million Volt pro Inch Spitze sein kann.
Bei bestimmten Arten von Piezoaktuatoren ((z. B. Modell P-010-20 von Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG in Karlsruhe/Palmbach, Deutschland), kann es erforderlich sein, den Aktuator 25 vorzubelasten, so dass unter dem tatsächlichen Betrieb verhindert werden kann, dass der Aktuator 25 in Spannung geht. Die Feder 231 kann daher verwendet werden, um den Aktuator 25 vorzubelasten. In einer Ausführungsform kann die Feder 231 eine Stahlfeder sein und kann verwendet werden, um eine Vorbelastungskompression vorzusehen, die messbar größer ist als die an der Nutzlast entlang einer Kompressionsachse, beispielsweise der Achse "Z", erzeugten maximalen dynamischen Kräfte. Die Feder 231 kann durch die Verwendung einer Kompressionsstellschraube oder eines anderen Mittels (nicht dargestellt) vorbelastet werden, um die erforderliche Pfund-Schubkraft in der Kompressionsrichtung zu liefern.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stapel 253 so ausgelegt sein, dass er eine maximale relative Stapelverlagerung von etwa 0,001 bis etwa 0,005 Inch Spitze aufweist. Um eine solche Verlagerung zu erzeugen, kann eine Spannung von etwa 800 Volt erforderlich sein, um den Aktuator 25 dementsprechend zu bewegen. Außerdem kann die Spannung so beschaffen sein, dass für keine Bewegung etwa 400 Volt Gleichspannung an den Aktuator 25 angelegt werden können. Diese Vorspannung erfordert einen Strom von null und dehnt den Aktuator 25 um etwa die Hälfte seiner maximalen relativen Verlagerung im Voraus aus. Das Erhöhen oder Verringern der Spannung kann verursachen, dass sich der Aktuator 25 folglich ausdehnt oder zusammenzieht. In einer Ausführungsform kann der Aktuator 25 seinen vollständig zusammengezogenen Zustand bei null Volt erreichen und kann seinen vollständig ausgedehnten Zustand bei etwa 1000 Volt erreichen. Das Ausdehnen und Zusammenziehen des Aktuators 25 in Bezug auf die angelegte Spannung kann daher im Wesentlichen linear sein.
Es sollte beachtet werden, dass, da der Aktuator 25 in einer Ausführungsform der Erfindung nur die dynamische Schwingung von der Nutzlast angeht und nicht die durch die Masse (d. h. das Gewicht) der Nutzlast erzeugten statischen Kräfte angeht, der aktive Dämpfer 22 nur einen Aktuator verwenden müssen kann, um seine Dämpfungsaktivität ausreichend zu erreichen, selbst wenn die Masse der Nutzlast zunimmt. Überdies kann ein Aktuator, der weniger teuer und weniger leistungsstark relativ zu einem ist, der die Masse der Nutzlast abstützen muss sowie die dynamischen Kräfte angeht, verwendet werden. Wenn ein Aktuator, der gleich leistungsstark ist wie einer, der die Masse der Nutzlast abstützen muss, während er die dynamischen Kräfte angehegt, verwendet wird, kann eine solche zusätzliche Leistung vom Aktuator natürlich verwendet werden, um sich auf das Angehen der dynamischen Kräfte zu konzentrieren, um eine verbesserte Schwingungsdämpfung zu schaffen.
In einem Beispiel kann, wenn die abgestützte Nutzlast M_p direkt durch den Aktuator 25 abgestützt werden würde, die Nutzlast-Resonanzfrequenz ungefähr 130 Zyklen pro Sekunde sein, wenn die Nutzlastmasse M_p beispielsweise etwa 1000 Pfund im Gewicht ist. Eine solche Resonanzfrequenz kann zu einer Verringerung der Schwingungsisolationsverstärkung führen. Die gewünschte Verstärkung kann bei Frequenzen nahe jener der Nutzlast-Resonanzfrequenz, die in diesem Fall 130 Zyklen pro Sekunde sein kann, schwierig oder unmöglich zu erreichen sein. Außerdem verstärkt das System ohne Korrektur die Schwingung bei der Nutzlast-Resonanzfrequenz erheblich und der meiste Vorteil der Schwingungsisolation kann verloren gehen.
Um dieses Problem anzugehen, kann der aktive Dämpfer 22 mit einer Zwischenmasse 26 versehen sein, die zwischen dem Aktuator 25 und der isolierten Plattform angeordnet ist und von der Nutzlast durch einen passiven Dämpfer 27 (siehe nachstehend) abgekoppelt ist, um als aktiv isolierender Punkt zu wirken, auf den dynamische Kräfte von der Nutzlast gedämpft werden können. In einer Ausführungsform kann die Zwischenmasse 26 einen Massenwert von M_s aufweisen, der mindestens eine Größenordnung oder mehr (z. B. zwei Größenordnungen) kleiner sein kann als der Bereich von Massen, für deren Abstützung oder Isolation das System 10 ausgelegt ist, M_p. Das Verhältnis von M_s zu M_p sollte vorzugsweise im Bereich von etwa 1 lb. bis etwa 10 lbs liegen. Die Zwischenmasse 26, wie in 2 dargestellt, kann ein Gehäuse 260 mit einem oberen Ende 261, einem unteren Ende 262 und einem Körperabschnitt 263, der sich dazwischen erstreckt, umfassen. Die Zwischenmasse 26 kann an ihrem unteren Ende 262 direkt am oberen Ende 252 des Aktuators 25 angeordnet sein. Um die Position der Zwischenmasse 26 über dem Aktuator 25 zu befestigen und die seitliche oder radiale Bewegung der Zwischenmasse 26 zu minimieren, kann ein aktiver Dämpfer 22 mit einem externen Gehäuse 21 vorgesehen sein, in dem sich der Aktuator 25 und die Zwischenmasse 26 befinden können. In einer Ausführungsform kann das Gehäuse 21 einen oberen Abschnitt 211 und einen unteren Abschnitt 212 umfassen, die in der Lage sind, sich axial entlang der "Z"-Achse relativ zueinander zu bewegen. Eine Strebe 23 kann entlang des Inneren des Gehäuses 21 vorgesehen sein, zwischen der die Zwischenmasse 26 angeordnet sein kann, um die seitliche oder radiale Bewegung der Zwischenmasse 26 weiter zu minimieren. Beliebige andere Mechanismen, die auf dem Fachgebiet bekannt sind, können natürlich verwendet werden, um die seitliche oder radiale Bewegung der Zwischenmasse 26 zu minimieren, beispielsweise Vorsehen eines O-Rings, der zwischen die Zwischenmasse 26 und das Innere des Gehäuses 21 eingekeilt wird. In der in 2 gezeigten Ausführungsform kann die Strebe 23 am Gehäuse 21 durch Befestigungsvorrichtungen 265 befestigt werden und die Zwischenmasse 26 kann zwischen der Strebe 23 auch unter Verwendung von Befestigungsvorrichtungen 265 befestigt werden. Die Strebe 23 kann in einer Ausführungsform aus einem flexiblen Material bestehen, um eine geringfügige axiale Bewegung des oberen Abschnitts 211 relativ zum unteren Abschnitt 212 des Gehäuses 21 aufzunehmen.
Die Feder 231, die verwendet werden kann, um den Aktuator 25 in einen Vorlastkompressionszustand zu schieben, kann in einer Ausführungsform zwischen dem oberen Ende 261 und dem unteren Ende 262 um den Körperabschnitt 263 der Zwischenmasse 26 liegen. Um die Feder 231 zwischen dem oberen Ende 261 und dem unteren Ende 262 festzuhalten, kann die Feder 231 innerhalb der Strebe 23 in einem Raum zwischen der Zwischenmasse 26 und dem Inneren des Gehäuses 21 angeordnet sein.
Immer noch beim Betrachten von 2 kann ein passiver Dämpfer 27 zwischen die Zwischenmasse 26 und die isolierte Plattform eingefügt werden. In der in 2 gezeigten Ausführungsform kann der passive Dämpfer 27 ein Teil der Zwischenmasse 26 sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass ein separater passiver Dämpfer unabhängig von der Zwischenmasse vorgesehen sein kann, wie z. B. der in 1 gezeigte. Die Bereitstellung einer Zwischenmasse 26 und eines passiven Dämpfers 27 schafft, wie vorher angegeben, einen aktiv isolierten Punkt, auf den dynamische Kräfte von der Nutzlast gedämpft werden können, und ermöglicht eine Rückkopplungsverstärkung bei sehr hohen Frequenzen, da der passive Dämpfer 27 eine passive Schwingungsisolation bei diesen hohen Frequenzen vorsehen kann.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform kann der passive Dämpfer 27 ein elastischer Fluiddämpfer sein und kann ein Volumen eines viskosen Fluids 271 wie z. B. Öl, Silikonöl oder irgendeines anderen viskosen Fluids innerhalb des Körperabschnitts 263 der Zwischenmasse 26 umfassen. Der passive Dämpfer 27 kann auch einen Kolben 272 umfassen, der sich im Wesentlichen vertikal entlang der Achse Z durch das obere Ende 261 und in das viskose Fluid innerhalb des Körperabschnitts 263 der Zwischenmasse 26 erstreckt. Um sich auf die Ausdehnung des Kolbens 272 durch das obere Ende 261 einzustellen, kann eine Öffnung 264 im oberen Ende 261 der Zwischenmasse 26 vorgesehen sein. Der Kolben 272 umfasst in einer Ausführungsform eine Stange 273 mit einem äußeren Ende 274 zur Anordnung an der isolierten Plattform 13 (siehe 1) und einem inneren Ende 275 zur Anordnung innerhalb des Volumens des viskosen Fluids 271 im Körperabschnitt 263 der Zwischenmasse 26. Die Stange 273 kann gemäß einer Ausführungsform in der aktiven Achse, z. B. Z-Achse, stark und starr und entlang der zur Stange 273 im Wesentlichen senkrechten Ebenen weniger starr sein. Der Kolben 272 umfasst ferner eine verbreiterte Oberfläche wie z. B. eine Platte 276 am inneren Ende 275 der Stange 273. Die Platte 276 wirkt in Gegenwart einer Schwingung vom System 10 zum Ermöglichen, dass der passive Dämpfer 27 die erforderliche Dämpfungswirkung erzeugt. Die Platte 276 kann in einer Ausführungsform eine massive Platte sein. Die Platte 276 kann jedoch auch perforiert sein, um die Dämpfungswirkung einzustellen. Obwohl er als Fluidddämpfer beschrieben wird, kann der passive Dämpfer 26 beliebige auf dem Fachgebiet bekannte passive Dämpfer sein.
Wenn sich der Kolben 272 innerhalb des Körperabschnitts 263 der Zwischenmasse 26 auf und ab bewegt, um den erforderlichen Dämpfungseffekt zu erzeugen, kann, um das Vorkommnis, dass der Kolben 272 aus dem Körperabschnitt 263 der Zwischenmasse 26 verlagert wird, zu minimieren, die Platte 276 mit einer Breite hergestellt sein, die messbar größer sein kann als die Öffnung 264 im oberen Ende 261 der Zwischenmasse 26. Außerdem können Befestigungsvorrichtungen 265 verwendet werden, um das obere Ende 261 am Körperabschnitt 263 der Zwischenmasse 26 zu befestigen, so dass die Bewegung des Kolbens 272 das obere Ende 261 vom Körperabschnitt 263 nicht verlagert. Die Befestigungsvorrichtungen 265 können eine Schrauben/Bolzen-Kombination, eine Klemme oder beliebige bekannte, auf dem Fachgebiet bekannte Befestigungsmechanismen sein, beispielsweise kann das obere Ende 261 und der Körperabschnitt 263 mit komplementärem Gewinde zum Drehen des oberen Endes 261 auf den Körperabschnitt 263 versehen sein. Um vor einem potentiellen Verlust des viskosen Fluids 271 aus dem Körperabschnitt 263 der Zwischenmasse 26 während der Bewegung des Kolbens 272 zu bewahren, kann ferner eine Abdeckung 276 wie z. B. eine flexible Membran über der Öffnung 264 angeordnet sein. Wenn eine Abdeckung 276 verwendet wird, kann es erforderlich sein, ein Loch (nicht dargestellt) innerhalb der Abdeckung 276 zu erzeugen, so dass die Stange 273 des Kolbens 272 durch dieses aufgenommen werden kann. Das Loch kann in einer Ausführungsform ausreichend klein sein, um eine im Wesentlichen dichte Abdichtung mit der Stange 273 des Kolbens 272 zu erzeugen.
Mit Rückbezug auf 1 kann das System 10 so ausgelegt sein, dass es die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Aktuators 15 durch Anwendung einer Rückkopplungskompensationsschleife oder eines Rückkopplungskompensationssystems 19 steuert. Die Schleife 19 umfasst unter anderem ein Kompensations/Verstärker-Modul 191. In einer Ausführungsform kann das Modul 191 dazu ausgelegt sein, eine variable Spannung an den Aktuator 15 anzulegen, beispielsweise können etwa 800 Volt Gleichspannung in einem stationären Zustand an den Aktuator 15 angelegt werden. Die Schleife 19 umfasst auch in einer Ausführungsform einen Bewegungssensor 18, der an der Zwischenmasse 16 angeordnet ist (siehe auch Element 28 in 2), zum Erzeugen eines Signals, das integriert werden kann, um die Bewegung oder Verlagerung zu erhalten, die von der Zwischenmasse 16 gezeigt wird. Insbesondere kann ein Sensorsignal vom Sensor 18 zum Modul 191 übertragen werden, das das Signal integriert, um die Verlagerung zu erhalten, und die Verstärkung verstärkt. Das resultierende integrierte Signal kann anschließend vom Modul 191 verarbeitet werden, das verschiedene Kompensationsschaltungen enthält, um die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Aktuators 15 zu steuern.
Der Sensor 18 kann in einer Ausführungsform ein Servobeschleunigungsmesser oder vorzugsweise ein Geophon sein. Ein Geophon umfasst im Allgemeinen eine Drahtspule, die an mechanischen Federn mit relativ niedriger Steifigkeit abgestützt ist, wobei ein Magnetfeld durch die Spule verläuft. Das Magnetfeld induziert eine Spannung in der Spule, die zur relativen Geschwindigkeit der Spule in Bezug auf das Geophongehäuse, das den Magneten hält, zur Stärke im Magnetfeld, das durch die Spule verläuft und zur Anzahl von Drahtwindungen innerhalb der Spule proportional sein kann. Das Geophon hat auch niedrige Kosten, ein geringes Rauschen und eine hohe Empfindlichkeit. Das Geophon und die zugehörigen Kompensationsschaltungen, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können ähnlich zu jener sein, die im US-Patent Nr. 5 823 307 offenbart ist, wobei das Patent hiermit durch den Hinweis hierin aufgenommen wird.
Mit Bezug auf 3 beinhalten, wie vorher angegeben, viele der abgestützten Nutzlasten an der isolierten Plattform 13, wenn sie im System 10 isoliert sind, sich bewegende mechanische Komponenten, die Kräfte erzeugen können, die auf die Nutzlast wirken und verursachen, dass sie in Reaktion darauf schwingt. Folglich kann es erwünscht sein, dass das Dämpfungssystem 10 der Bewegung der abgestützten Nutzlast aufgrund von durch die Nutzlast induzierten Kräften Widerstand leistet oder diese minimiert. Dazu kann ein zweiter Bewegungssensor 31 in Verbindung mit dem System 10 verwendet werden. Der Sensor 31, der ein absoluter Geschwindigkeitssensor oder ein relativer Verlagerungssensor sein kann, kann an der isolierten Plattform 13 montiert werden. Signale vom Sensor 31 können mit Signalen vom Sensor 18 an der Zwischenmasse 16 kombiniert und integriert werden, um anschließend die Schwingungssteuerung der isolierten Plattform 13 zu verbessern.
In einer weiteren Ausführungsform kann das System 10 einen dritten Bewegungssensor 32 umfassen, der an der schwingenden Basisplattform 14 oder am Boden montiert ist. Ein Signal vom Sensor 32 kann zum Modul 191 übertragen werden, das dann das Signal integriert, um die Verlagerung zu erhalten, und die Verstärkung verstärkt. Das resultierende integrierte Signal kann anschließend durch das Modul 191 verarbeitet werden, das verschiedene Kompensationsschaltungen enthält, und als Mitkopplungssignal verwendet werden, um die Ausdehnung und das Zusammenziehen des Aktuators 15 zu steuern, um die Bewegung der schwingenden Basis zu kompensieren.
Immer noch mit Bezug auf 3 kann das System 10 auch eine Feder 33 umfassen, die in Reihe an einem Ende an der isolierten Plattform 13 befestigt ist und an einem entgegengesetzten Ende am passiven Dämpfer 17 befestigt ist. In der in 3 dargestellten Ausführungsform kann die Feder 33 mit dem Kolben 171 des passiven Dämpfers 17 gekoppelt sein. In dieser Weise kann die Feder 33 mit einer Resonanzfrequenz von mindestens einer Größenordnung höher als jene der Stützfeder 11 die Schwingungsisolationsverstärkung für das System 10 bei höheren Frequenzen verbessern.
Obwohl dargestellt ist, dass die Schwingung entlang einer Achse, d. h. der "Z"-Achse, aktiv isoliert wird, können die Zwischenmasse und das System der vorliegenden Erfindung dazu ausgelegt sein, die Schwingung entlang jeder der "X"-, "Y"- und "Z"-Achsen aktiv zu isolieren. Wenn nun 4 betrachtet wird, ist ein schematischer Schaltplan hoher Ebene gezeigt, der die elektrischen Verbindungen zwischen den Bewegungssensoren, der Kompensationsschaltungsanordnung und den Aktuatoren für das dreidimensionale Schwingungsdämpfungssystem darstellt. Eine elektronische Steuereinheit, die im Allgemeinen bei 40 angegeben ist, umfasst Kompensationsschaltungen 41, 42 und 43. Jede dieser Kompensationsschaltungen ist ähnlich zu der im US-Patent Nr. 5 823 304 offenbarten, das, wie vorher angegeben, durch den Hinweis hierin aufgenommen wird.
Die Kompensations-/Steuerschaltung 41 ist in einer Ausführungsform vorgesehen, um Sensorsignale vom vertikalen "Z"-Nutzlastsensor 31, der die Bewegung der Nutzlast entlang der "Z"-Achse abtastet, und vom vertikalen "Z"-Zwischenmassensensor 18, der die Bewegung der Zwischenmasse entlang der "Z"-Achse abtastet, zu empfangen. Die Kompensations-/Steuerschaltung 42 empfängt andererseits Sensorsignale von einem horizontalen "Y"-Nutzlastsensor 44, der die Bewegung der Nutzlast entlang der "Y"-Achse abtastet, und von einem "Y"-Zwischenmassensensor 45, der die Bewegung der Zwischenmasse in der "Y"-Richtung abtastet. Hinsichtlich der Kompensations-/Steuerschaltung 43 empfängt sie Signale von einem horizontalen "X"-Nutzlastsensor 46 und einem "X"-Richtungs-Zwischenmassensensor 47.
In einer Ausführungsform können Ausgangssteuersignale von der Schaltung 41 beispielsweise zum vertikalen "Z"-Aktuator 15 übertragen werden, wohingegen die Ausgangssteuersignale von der Schaltung 42 zu einem radialen "Y"-Aktuator 48 übertragen werden können. Ausgangssteuersignale von der Schaltung 43 können ebenso zu einem radialen "X"-Aktuator 49 übertragen werden. Wie zu sehen ist, besitzt die Sensor/Motor-Anordnung im Wesentlichen kein elektronisches Nebensprechen. Außerdem kann die Verwendung von verschiedenen Scherentkopplern, wie nachstehend beschrieben, ferner den Bedarf für die Handhabung von physikalischem Nebensprechen vermeiden.
Es sollte erkannt werden, dass die Kompensationsschaltungsanordnung der vorliegenden Erfindung in analoger oder digitaler Form implementiert werden kann. Außerdem kann eine solche Kompensationsschaltungsanordnung dazu ausgelegt sein, Signale von dem Sensor zu empfangen, der sich an der schwingenden Basisplattform befindet, wie z. B. vom Sensor 32 in 3. Überdies kann die Kompensationsschaltungsanordnung als einzelnes Modul verwendet werden, das in der Lage ist, Bewegungssignale von jedem von sechs Freiheitsgraden zu empfangen und Schwingungen entlang derer zu kompensieren. Alternativ können mehrere Kompensationsmodule, beispielsweise sechs, verwendet werden, wobei jedes für jeden der sechs Freiheitsgrade vorgesehen ist.
Beim Betrachten von 5 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems 50 in zwei Dimensionen dargestellt. Das System 50 umfasst eine abgestützte Nutzlast M, die an einem passiven Dämpfer 51 ruht, der wiederum durch eine Zwischenmasse 52 abgestützt sein kann. Ein Scherentkoppler 53 kann zwischen die Zwischenmasse 52 und einen vertikalen Aktuator 54 eingefügt sein. Im Allgemeinen sollte der Aktuator so konfiguriert sein, dass eine Zugbelastung in der axialen Belastung oder in der Biegebelastung nicht auftritt. Die Scherbelastung des Aktuators kann zulässig sein, solange die Scherbelastung keine Biegemomente erzeugt, die eine Zugbelastung im Teil des Aktuators verursachen können. Um die Scherbelastung innerhalb des Aktuators zu begrenzen oder zu minimieren, kann ein Scherentkoppler verwendet werden. Ein Scherentkoppler ist eine gut bekannte Vorrichtung und umfasst typischerweise eine erste steife Platte oder ein erstes steifes Element, das an ein Ende des Aktuators angrenzt, eine zweite steife Platte oder ein zweites steifes Element, das an die Zwischenmasse angrenzt, und eine dünne Scheibe oder ein dünnes Plättchen oder elastomeres Material zwischen den steifen Platten. Die steifen Platten können in einer Ausführungsform aus einem nicht elastischen Material wie z. B. Metall oder dergleichen bestehen.
Das System 50 schafft auch eine aktive Schwingungsisolation in einer zur Kraft, die von der Nutzlast ausgeübt wird, senkrechten Richtung, d. h. entlang der "Y"-Achse. Diese Isolation kann unter Verwendung eines radialen Aktuators 55, beispielsweise eines piezoelektrischen Motors und eines radialen Scherentkopplers 56, der zwischen dem Aktuator 55 und der Zwischenmasse 52 liegt, durchgeführt werden. Der radiale Aktuator 55 kann in einer Ausführungsform in gewisser Weise am schwingenden Boden, am externen Gehäuse, der Basis F, befestigt sein. Es sollte erkannt werden, dass die axiale Steifigkeit jedes Scherentkopplers hoch gehalten werden kann, während die radiale Steifigkeit relativ niedrig gehalten werden kann, wenn das Verhältnis der belasteten Fläche zur unbelasteten Fläche groß ist. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Verhältnis der axialen Steifigkeit zur radialen Steifigkeit des Scherentkopplers mindestens eine und vorzugsweise zwei oder mehr Größenordnungen sein.
Da es erwünscht ist, dass sich die Zwischenmasse 52 nur entlang der "Z"-Achse bewegt und sich nicht dreht, wenn sich der vertikale Aktuator 54 ausdehnt und/oder zusammenzieht, kann der Scherentkoppler 56 auf der anderen Seite der Zwischenmasse 52 durch einen Scherentkoppler 58 und ein Federelement 57 ausgeglichen werden. Die Anwesenheit des Scherentkopplers 58 und des Federelements 57 kann auch die Vorbelastung des radialen Aktuators 55 in der Ausführungsform, in der der radiale Aktuator 55 ein piezoelektrischer Stapel ist, unterstützen, so dass unter dem tatsächlichen Betrieb der Aktuator 55 nicht in Spannung geht. Insbesondere kann ein Druckfederelement 57 verwendet werden, um den radialen Aktuator 55 vorzubelasten. Das Federelement 57 umfasst in einer Ausführungsform eine Feder 571 wie z. B. eine konische Stahlfelder und eine Gummi- oder elastomere koaxiale Buchse 572 zum Führen der Feder 571. Das Federelement 57, wie in 5 gezeigt, kann zwischen einer Schwingungsquelle, z. B. einer Verlängerung des Bodens, einem äußeren Gehäuse oder einer schwingenden Basis F und dem Scherentkoppler 58 angeordnet sein, der wiederum zwischen dem Federelement 57 und der Zwischenmasse 52 liegen kann. Die lineare Anordnung des radialen Aktuators 55, des Scherentkopplers 56, des Scherentkopplers 58 und des Federelements 57 kann in einer zum Papier senkrechten Richtung, d. h. der "X"-Achse aus der Perspektive in 5, wiederholt werden, um eine Schwingungsisolation in allen drei Dimensionen und entlang der sechs Freiheitsgrade zu erreichen.
Das Federelement 57 kann in einer Ausführungsform so ausgelegt sein, dass es eine relativ niedrige Steifigkeit entlang der "Y"-Achse und eine relativ hohe radiale Steifigkeit in allen zur "Y"-Achse senkrechten Richtungen aufweist. In dieser Weise kann das Federelement 57 ermöglichen, dass der radiale Aktuator 55 sich leicht gemäß dem an ihn angelegten Befehlssignal zusammenzieht oder dehnt. Die Einfügung des Entkopplers 56 zwischen den radialen Aktuator 55 und die Zwischenmasse 52 kann überdies die Scherablenkung, die z. B. durch die Bewegung des die Nutzlast abstützenden vertikalen Aktuators 54 verursacht wird, in einem Beispiel auf etwa 0,7 % der Bewegung des radialen Aktuators 55 verringern.
Zusammengefasst wurde ein aktives Schwingungsdämpfungssystem gezeigt und beschrieben. Das Schwingungsdämpfungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung entkoppelt statische und dynamische Kräfte, die durch eine Nutzlast erzeugt werden, so dass jede separat durch unabhängige Mechanismen angegangen werden kann. Durch Entkoppeln dieser Kräfte kann eine verbesserte Verringerung der dynamischen Schwingung von der Nutzlast erreicht werden. Insbesondere schafft das System eine Stützfeder und einen unabhängigen aktiv isolierten Dämpfer, der zwischen die Nutzlastmasse (d. h. isolierte Plattform) und die Schwingungsquelle (d. h. Basisplattform) eingefügt ist, um die Resonanzfrequenz und erforderliche Verstärkung zu verringern. Die Stützfeder wirkt zum Abstützen und Angehen von statischen Kräften, d. h. des Gewichts, von der Nutzlast, um die isolierte Plattform in einer im Wesentlichen parallelen Beziehung zur Basisplattform zu halten. Der aktive Dämpfer geht andererseits die dynamische Schwingung von der Nutzlast an und umfasst mindestens einen Aktuator, eine durch den Aktuator abgestützte Zwischenmasse und einen passiven Dämpfer zwischen der Zwischenmasse und der isolierten Plattform. Die Zwischenmasse kann zusätzlich dazu, dass sie durch den Aktuator vertikal entlang der "Z"-Achse abgestützt ist, durch zusätzliche Aktuatoren entlang der "X"- und "Y"-Achsen radial abgestützt werden. Das System schafft auch eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern der Aktuatoren als Funktion von Verlagerungssignalen, die von Sensoren in der Zwischenmasse in der vertikalen Richtung oder in jeder der "X"-, "Y"- und "Z"-Richtungen erzeugt werden. Da der aktive Dämpfer das Gewicht der Nutzlast nicht abstützt, kann der in Verbindung mit dem aktiven Dämpfer der vorliegenden Erfindung verwendete Aktuator in einer Ausführungsform relativ kleiner und weniger teuer sein als jener, der in einem herkömmlichen Schwingungsisolationssystem verwendet wird, wo das Gewicht der Nutzlast auch durch den Aktuator abgestützt werden muss.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit deren speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass sie zu einer weiteren Modifikation in der Lage ist. Ferner soll diese Anmeldung beliebige Veränderungen, Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung, einschließlich solcher Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung, die in die bekannte oder übliche Praxis im Fachgebiet fallen, das die Erfindung betrifft, und in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen, abdecken.
Zusammenfassung
Ein aktives Schwingungsdämpfungssystem mit einer Stützfeder zum Angehen einer statischen Kraft von einer Nutzlast und einem unabhängigen aktiv isolierten Dämpfer, der parallel zwischen einer Nutzlast und einer Schwingungsquelle angeordnet ist, zum Dämpfen einer dynamischen Kraft von der Nutzlast auf einen aktiv isolierten Punkt. Der aktiv isolierte Dämpfer umfasst eine kleine Zwischenmasse, die von der Nutzlastmasse verschieden und abgekoppelt ist, und ein passives Isolatorelement zum dynamischen Koppeln der isolierten Plattform mit der kleinen Zwischenmasse. Die kleine Zwischenmasse schafft einen Punkt, auf den dynamische Kräfte von der Nutzlast gedämpft werden können. Der aktive Dämpfer umfasst auch mindestens einen Aktuator, der an einer Oberfläche mit der kleinen Zwischenmasse gekoppelt ist und an einer zweiten Oberfläche mit der schwingenden Basisplattform gekoppelt ist. Ein Bewegungssensor kann auch an der kleinen Zwischenmasse vorgesehen sein, um ein Rückkopplungssignal als Funktion der Bewegung der kleinen Zwischenmasse zu erzeugen. Der Bewegungssensor zusammen mit einem Kompensations-/Verstärkermodul und der Aktuator wirken als Teil einer Rückkopplungskompensationsschleife zum Minimieren der Schwingung.

Claims

System zum Dämpfen einer Schwingung von einer abgestützten Nutzlast, wobei das System umfasst: eine Stützfeder, die sich von einer isolierten Plattform, an der die Nutzlast abgestützt ist, zu einer Plattform gegenüber der isolierten Plattform erstreckt, um statische Kräften von der Nutzlast abzustützen; einen aktiven Dämpfer, der sich zwischen der isolierten Plattform und der Basisplattform parallel und in beabstandeter Beziehung zur Stützfeder erstreckt, um dynamische Kräften von der Nutzlast zu dämpfen, wobei der aktive Dämpfer umfasst: einen Aktuator mit einem ersten und einem zweiten, gegenüberliegenden Ende, der in der Länge zwischen dem ersten und dem zweiten Ende variabel ist, wobei das zweite Ende mit der Basisplattform gekoppelt ist; eine Zwischenmasse mit einem Körperabschnitt und in axialer Ausrichtung auf das erste Ende des Aktuators, wobei die Zwischenmasse einen Punkt bereitstellt, auf den die dynamischen Kräfte von der Nutzlast gedämpft werden können; und einen passiven Dämpfer mit einem Kolben, der mit der isolierten Plattform an einem Ende gekoppelt ist und sich in Richtung der Zwischenmasse an einem gegenüberliegenden Ende erstreckt; und einen Bewegungssensor, der mit der Zwischenmasse des aktiven Dämpfers gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewegung der Zwischenmasse ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Stützfeder mit der isolierten Plattform an einem Ende und der Basisplattform an einem gegenüberliegenden Ende gekoppelt ist und ferner wirkt, um die isolierte Plattform in im Wesentlichen parallelen Beziehungen zur Basisplattform zu halten.
System nach Anspruch 1, wobei die Stützfeder in der Steifigkeit mindestens eine Größenordnung niedriger ist als jene, die der Aktuator zeigt.
System nach Anspruch 1, wobei die Zwischenmasse in der Masse mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Nutzlast.
System nach Anspruch 1, wobei der Körperabschnitt der Zwischenmasse das Volumen des viskosen Fluids aufnehmen kann.
System nach Anspruch 5, wobei der Körperabschnitt der Zwischenmasse ein unteres Ende und ein oberes Ende mit einer Öffnung, durch die sich der Kolben des passiven Dämpfers erstrecken kann, umfasst.
System nach Anspruch 6, wobei die Öffnung ausreichend bemessen sein kann, um das Vorkommnis, dass der Kolben vom Körperabschnitt verlagert wird, zu minimieren.
System nach Anspruch 6, wobei die Zwischenmasse eine Membran umfasst, die sich über die Öffnung erstreckt, um den Verlust des viskosen Fluids aus dem Körperabschnitt zu minimieren.
System nach Anspruch 1, wobei der Kolben eine Platte umfasst, die am Ende des Kolbens innerhalb des viskosen Fluids befestigt ist, um zu ermöglichen, dass der passive Dämpfer die erforderliche Dämpfungswirkung erzeugt.
System nach Anspruch 1, wobei die Zwischenmasse und der passive Dämpfer separate Komponenten sind.
System nach Anspruch 1, wobei der aktive Dämpfer ferner einen Scherentkoppler zwischen der Zwischenmasse und dem ersten Ende des Aktuators umfasst, um das Ausüben von Scherspannungen auf den Aktuator zu begrenzen.
System nach Anspruch 1, wobei der aktive Dämpfer ferner eine Feder um den Körperabschnitt der Zwischenmasse und zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende umfasst, um beim Schieben des Aktuators in eine zusammengedrückte Vorlastposition zu unterstützen.
System nach Anspruch 1, welches ferner ein Kompensationsmodul mit einer Schaltungsanordnung, die den Bewegungssensor mit dem Aktuator koppelt, umfasst, um die Länge des Aktuators auf der Basis des Signals vom Bewegungssensor zu verändern, so dass der aktive Dämpfer zum Stabilisieren der isolierten Plattform über einen vorbestimmten Bereich von Schwingungsfrequenzen wirkt.
System nach Anspruch 13, welches ferner einen Bewegungssensor umfasst, der mit der isolierten Plattform gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewegung der isolierten Plattform ist, wobei der Bewegungssensor an der isolierten Plattform mit dem Kompensationsmodul in Verbindung steht, so dass Signale von diesem Sensor mit dem Bewegungssensor an der Zwischenmasse kombiniert werden können, um eine verbesserte Schwingungssteuerung der isolierten Plattform zu schaffen.
System nach Anspruch 13, welches ferner einen Bewegungssensor umfasst, der mit der Basisplattform gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewegung der Basisplattform ist, wobei dieser Sensor mit dem Kompensationsmodul derart in Verbindung steht, dass Signale von diesem Sensor als Mitkopplungssignale verwendet werden können, um die Schwingung von der Basisplattform zu kompensieren.
System nach Anspruch 1, welches ferner eine Feder umfasst, die in Reihe an einem Ende an der isolierten Plattform und an einem entgegengesetzten Ende am passiven Dämpfer befestigt ist.
System zum Dämpfen einer Schwingung von einer abgestützten Nutzlast, wobei das System umfasst: eine Stützfeder, die sich von einer isolierten Plattform, an der die Nutzlast abgestützt ist, zu einer Basisplattform gegenüber der isolierten Plattform erstreckt, zum Abstützen von statischen Kräften von der Nutzlast; eine Zwischenmasse parallel und in beabstandeter Beziehung zur Stützfeder zum Schaffen eines Punkts, auf den dynamische Kräfte von der Nutzlast gedämpft werden können; mehrere Aktuatoren, die jeweils in der Länge entlang einer jeweiligen Achse veränderbar sind, wobei jeder Aktuator ein erstes Ende, das an die Zwischenmasse angrenzt, und ein zweites, entgegengesetztes Ende, das mit einem schwingungsfähigen Träger gekoppelt ist, aufweist; und einen Bewegungssensor, der mit der Zwischenmasse gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewegung der Zwischenmasse ist.
System nach Anspruch 17, wobei die Stützfeder mit der isolierten Plattform an einem Ende und der Basisplattform an einem entgegengesetzten Ende ge koppelt ist und ferner zum Halten der isolierten Plattform in im Wesentlichen parallelen Beziehungen zur Basisplattform wirkt.
System nach Anspruch 17, wobei die Stützfeder in der Steifigkeit mindestens eine Größenordnung niedriger ist als die vom Aktuator aufgezeigte.
System nach Anspruch 17, wobei die Zwischenmasse in der Masse mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Nutzlast.
System nach Anspruch 17, welches ferner einen passiven Dämpfer in axialer Ausrichtung auf die Zwischenmasse umfasst, wobei der passive Dämpfer ein Volumen eines viskosen Fluids und einen Kolben aufweist, der mit der isolierten Plattform an einem Ende gekoppelt ist und sich in das Volumen des viskosen Fluids an einem entgegengesetzten Ende erstreckt.
System nach Anspruch 21, wobei die Zwischenmasse einen Körperabschnitt zum Aufnehmen des Volumens des viskosen Fluids umfasst.
System nach Anspruch 21, welches ferner eine zweite Feder umfasst, die in Reihe an einem Ende an der isolierten Plattform und an einem entgegengesetzten Ende am passiven Dämpfer befestigt ist.
System nach Anspruch 17, welches ferner einen Scherentkoppler zwischen der Zwischenmasse und dem ersten Ende jedes Aktuators umfasst, um das Ausüben von Scherspannungen auf den Aktuator zu begrenzen.
System nach Anspruch 17, welches ferner ein Kompensationsmodul mit einer Schaltungsanordnung, die den Bewegungssensor mit dem Aktuator koppelt, umfasst, um die Länge des Aktuators auf der Basis des Signals vom Bewegungssensor zu verändern, so dass der aktive Dämpfer zum Stabilisieren der Nutzlastmasse über einen vorbestimmten Bereich von Schwingungsfrequenzen wirkt.
System nach Anspruch 25, welches ferner einen Bewegungssensor umfasst, der mit der isolierten Plattform gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewegung der isolierten Plattform ist, wobei der Bewegungssensor an der isolierten Plattform mit dem Kompensationsmodul derart in Verbindung steht, dass Signale von diesem Sensor mit dem Bewegungssensor an der Zwi schenmasse kombiniert werden können, um eine verbesserte Schwingungssteuerung der isolierten Plattform zu schaffen.
System nach Anspruch 25, welches ferner einen Bewegungssensor umfasst, der mit der Basisplattform gekoppelt ist, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Bewegung der Basisplattform ist, wobei dieser Sensor mit dem Kompensationsmodul derart in Verbindung steht, dass Signale von diesem Sensor als Mitkopplungssignale verwendet werden können, um die Schwingung von der Basisplattform zu kompensieren.
Verfahren zum Dämpfen einer Schwingung von einer an einer isolierten Plattform abgestützten Nutzlast, wobei das Verfahren umfasst: Befestigen eines Endes einer Stützfeder an der isolierten Plattform und Ausdehnen eines entgegengesetzten Endes der Feder an einer Basisplattform, um statische Kräfte von der Nutzlast anzugehen; Positionieren eines Aktuators an der Basisplattform parallel und in beabstandeter Beziehung zur Stützfeder; Anordnen einer Zwischenmasse am Aktuator in axialer Ausrichtung auf diesen; Koppeln eines passiven Dämpfers mit der isolierten Plattform und der Zwischenmasse; Abtasten der Bewegung der Zwischenmasse und Erzeugen eines Bewegungssignals, das eine Funktion der Bewegung der Zwischenmasse ist; Erzeugen eines Steuersignals auf der Basis des Bewegungssignals; und Anlegen des Steuersignals an den Aktuator, um zu ermöglichen, dass der Aktuator in der Länge variiert, um die von der Nutzlast erfahrene Schwingung zu dämpfen.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner umfasst: Abtasten der Bewegung der isolierten Plattform und Erzeugen eines Bewegungssignals, das eine Funktion der Bewegung der isolierten Plattform ist; Integrieren des Bewegungssignals von der isolierten Plattform mit dem Bewegungssignal von der Zwischenmasse; Erzeugen eines integrierten Steuersignals auf der Basis der Bewegungssignale von der isolierten Plattform und der Zwischenmasse; und Anlegen des integrierten Steuersignals an den Aktuator, um zu ermöglichen, dass der Aktuator in der Länge variiert, um eine verbesserte Dämpfung der von der Nutzlast erfahrenen Schwingung zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner umfasst: Abtasten der Bewegung der Basisplattform und Erzeugen eines Bewegungssignals, das eine Funktion der Bewegung der Basisplattform ist; Erzeugen eines Mitkopplungssteuersignals auf der Basis des Bewegungssignals von der Basisplattform; und Anlegen des Mitkopplungssteuersignals an den Aktuator, um die Schwingung von der Basisplattform zu kompensieren.