DE112018004189T5

DE112018004189T5 - Präzisions-Schwingungsisolationssystem mit Boden-Feed-Forward-Unterstützung

Info

Publication number: DE112018004189T5
Application number: DE112018004189.1T
Authority: DE
Inventors: Igor Kordunsky; Jeffrey I. Worthey; Antonio Lopes
Original assignee: Technical Manufacturing Corp
Current assignee: Technical Manufacturing Corp
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2020-04-30
Also published as: JP2023054028A; US11512757B2; US20200217386A1; US20230092923A1; US20240133443A1; US11873880B2; JP2020531758A; KR20230147750A; KR102588515B1; JP7477670B2; JP7225210B2; KR20200041904A; WO2019035882A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung sowie Verfahren zum Verringern unerwünschter Bewegungen in Präzisionsinstrumenten beschrieben. Ein aktives Schwingungsisolationssystem kann eine Rückkopplungsschleife aufweisen, welche die Bewegung einer Zwischenmasse sensiert. In störungsintensiven Umgebungen, wo die Rückkopplungsschleife ansonsten versagen oder eine unzureichend Isolation bereitstellen würde, kann eine Feed-Forward-Steuerung implementiert werden, um Bodenvibrationen zu sensieren und die Bewegung der Zwischenmasse zu verringern, die andernfalls durch die Bodenvibrationen induziert würden. Die Feed-Forward-Steuerung kann die Bewegung der Zwischenmasse auf ein Niveau beschränken, bei dem es der Rückkopplungsschleife möglich ist, zufriedenstellend zu arbeiten.

Description

QUERBEZUG AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/545,948 , eingereicht am 15. August 2017, mit dem Titel „Präzisions-Schwingungsisolationssystem mit Boden-Feed-Forward-Unterstützung“, die durch Rückbezug vollumfänglich in die vorliegende Schrift aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die Technologie betrifft aktive Schwingungsisolationssysteme, die eine unerwünschte Bewegung an einer gelagerten Nutzlast verringern. In manchen Implementierungen kann die gelagerte Nutzlast ein empfindliches Instrument sein, beispielsweise ein optisches, ein Rasterkraftmikroskop oder ein Elektronenstrahlmikroskop.
Technischer Hintergrund
Präzisionsinstrumente, die auf verschiedenen technischen Gebieten zum Einsatz kommen (beispielsweise der Herstellung von integrierten Schaltkreisen, Messtechnik, verschiedenen Gebieten der Mikroskopie, medizinische Präzisionsinstrumente etc.) profitieren von einer Isolation von umliegenden Störquellen, die unerwünschte Bewegungen (beispielsweise Schwingungen, Impulse) in ein Präzisionsinstrument einkoppeln können. Ein Ansatz zur Schwingungsisolation ist es, ein Instrument an einer Plattform zu montieren, die passive Bewegungsdämpfer aufweist (beispielsweise eine Luftdämpfungssystem und ein Federdämpfungssystem mit Bewegungsdämpfungsbauteilen, wie etwa passiven Dämpfern mir viskosem Fluid oder Material). In manchen Fällen kann es sein, dass ein Präzisionsinstrument eine Schwingungsisolation gegenüber externen Quellen bis zu einem Grad benötigt, bei dem passive Schwingungsdämpfer keine adäquate Isolation bereitstellen. Um ein solches Verhalten zu erreichen, kann ein aktives Schwingungsisolationssystem zwischen einem Präzisionsinstrument und einer Basis eingesetzt werden, welche das Instrument lagert. Beispielsweise kann ein aktives Rückkopplungssystem verwendet werden, um Aktoren dahingehend anzusteuern, einer von außen eingeleiteten Bewegung des Präzisionsinstruments entgegenzuwirken.
DARSTELLUNG
Eine Vorrichtung sowie Verfahren zum Verbessern eines aktiven Schwingungsisolationssystems werden beschrieben. Gemäß manchen Ausführungsformen weist ein aktives Schwingungsisolationssystem ein Rückkopplungssystem auf, das einen oder mehr Aktuatoren ansteuert, die einer extern und/oder intern induzierten Bewegung einer Zwischenmasse entgegenwirken, die eine Nutzlast, wie etwa ein Präzisionsinstrument lagert. Bei rausch- bzw. störungsintensiven Einrichtungen kann das Betriebsspektrum des Rückkopplungssystems von externen Bewegungsquellen überschritten werden. Um eine Überlastung des Rückkopplungssystem zu verhindern, kann ein Schwingungssensor an einer Basis montiert werden, die das Schwingungsisolationssystem und die Feed-Forward-Steuerung, die einem Aktuator bereitgestellt wird, um die Zwischenmasse anzusteuern, deren Bewegung zu reduzieren und das System konform zu machen. Wenn es konform ist, kann das Rückkopplungssystem zufriedenstellend arbeiten, um Schwingungen zu reduzieren, wie sie normalerweise in einer störungsärmeren Umgebung vorhanden wären. Indem die wie vorliegend beschriebene Feed-Forward-Steuerung bzw. Vorwärtskopplungssteuerung eingesetzt wird, kann das Rückkopplungssystem in einer Umgebung mit größeren Störungen bzw. Rauschen arbeiten, was es ansonsten nicht könnte, ohne dass Änderungen an dem Rückkopplungssystem erforderlich wären. Auf diese Weise können das effektive Betriebsspektrum und/oder die Leistung eines bestehenden Rückkopplungssystems erhöht werden, ohne Hardwareänderungen an dem Rückkopplungssystem vorzunehmen.
Manche Ausführungsformen betreffen ein aktives Schwingungsisolationssystem, das eine Zwischenmasse, einen Feedback- bzw. Rückkopplungs-Bewegungssensor mit einer ersten Empfindlichkeit, der eingerichtet ist, eine Bewegung der Zwischenmasse zu sensieren, einen Feed-Forward-Bewegungssensor bzw. Vorwärtskopplungs-Bewegungssensor mit einer zweiten Empfindlichkeit, die geringer ist als die erste Empfindlichkeit, und der eingerichtet ist, eine Bewegung einer Basis zu sensieren, welche die Zwischenmasse lagert, einen Aktuator, der eingerichtet ist, die Zwischenmasse bezüglich der Basis anzusteuern, und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten und ein Ansteuersignal auszugeben, um den Aktuator anzusteuern, unerwünschte Schwingungsbewegungen der Zwischenmasse zu verringern, aufweist.
Manche Ausführungsformen betreffen Verfahren zum Bereitstellen von Schwingungsisolation für eine Nutzlast an einem Installationsort. Ein Verfahren kann Vorgänge des Bestimmens umfassen, dass Schwingungspegel am Installationsort Signale sättigen, die von einem oder mehr Rückkopplungssensoren empfangen werden, die an einer Zwischenmasse eines aktiven Schwingungsisolationssystem montiert sind, wobei das aktive Schwingungsisolationssystem einen Aktuator, der eingerichtet ist, die Zwischenmasse bezüglich der Basis anzusteuern, und eine Steuerschaltung aufweist, die eingerichtet ist, Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten und ein oder mehr Ansteuersignale auszugeben, um den zumindest einen Aktuator anzusteuern. Ein Verfahren zum Bereitstellen von Schwingungsisolation kann ferner Vorgänge des Bereitstellens von Signalen von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren, die an der Basis montiert sind, der Steuerschaltung; das Verarbeiten der Signale von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren mit der Steuerschaltung; sowie das Ansteuern des Aktuators als Reaktion auf die verarbeiteten Signale von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren umfassen, um eine Bewegung der Zwischenmasse, die durch die Bewegung der Basis induziert wird, derart zu verringern, dass sich Signale, die von einem oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren empfangen werden, nicht sättigen.
Die vorgenannte Darstellung wird lediglich zur Veranschaulichung bereitgestellt und soll nicht als beschränkend ausgelegt werden. Die vorgenannte Vorrichtung und das vorgenannte Verfahren können mit einer beliebigen geeigneten Kombination von Aspekten, Merkmalen und Vorgängen verwirklicht werden, die oben beschrieben wurden oder unten ausführlicher erläutert werden. Diese und weitere Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale der vorliegenden Lehren können aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen besser nachvollzogen werden.
Figurenliste
Ein Fachmann wird verstehen, dass die hier beschriebenen Figuren lediglich Veranschaulichungszwecken dienen. Es wird angemerkt, dass zum besseren Verständnis der Ausführungsformen zuweilen verschiedene Aspekte der Ausführungsformen übertrieben oder vergrößert dargestellt werden. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale, funktionsgleiche und/oder baugleiche Elemente in den verschiedenen Figuren. Die Zeichnungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu, sondern der Schwerpunkt wird darauf gelegt, die Prinzipien der Lehren zu veranschaulichen. Die Zeichnungen sollen den Schutzumfang der vorliegenden Lehren in keiner Weise beschränken.

1 veranschaulicht ein aktives Schwingungsisolationssystem gemäß einigen Ausführungsformen;
2 veranschaulicht ein aktives Schwingungsisolationssystem, das Feed-Forward-Unterstützung aufweist, gemäß einigen Ausführungsformen;
3A veranschaulich eine Steuerschaltung für ein aktives Schwingungsisolationssystem gemäß manchen Ausführungsformen,
3B veranschaulicht eine Steuerschaltung für ein aktives Schwingungsisolationssystem gemäß einigen Ausführungsformen;
4 veranschaulicht eine Funktionskurve eines beispielhaften Signals von einem ersten Bewegungssensor an einem ersten Einbauort, bei dem weder Rückkopplungs- noch Feed-Forward-Steuerung zum Einsatz kommen;
5 veranschaulicht eine Funktionskurve eines beispielhaften Signals von demselben Bewegungssensor in dem Schwingungsisolationssystem aus 4, bei dem nur eine Rückkopplungssteuerung eingesetzt wird;
6 veranschaulicht eine Funktionskurve von zwei beispielhaften Signalen von zwei Bewegungssensoren in einem zweiten Schwingungsisolationssystem an einem zweiten Einbauort, bei dem Rückkopplungssteuerung zum Einsatz kommt; und
7 veranschaulicht eine Funktionskurve von zwei beispielhaften Signalen der gleichen Bewegungssensoren in dem Schwingungsisolationssystem aus 6, bei dem Rückkopplungs- und Boden-Feed-Forward-Unterstützung zum Einsatz kommen.

Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale der vorliegenden Lehren können aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die wissenschaftlichen Forschungsverbände und die Mikrofertigungs-, Medizin-, Nanotechnologie-, Optik- und Halbleiterindustrie entwickeln weiterhin eine anspruchsvolle Nachfrage an Schwingungsisolationssystemen für Präzisionsinstrumenten, die im Umfeld von Forschung und Handel verwendet werden. Eine Schwingungsisolation erfordert typischerweise das Unterbinden dynamischer Kräfte (üblicherweise aus externen Quellen), die andernfalls ein Präzisionsinstrument stören und sein Leistungsverhalten beeinträchtigen würden. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb sowie ein verbessertes Leistungsverhalten mancher Präzisionsinstrumente zu erhalten, kann es notwendig sein, ungewollte Bewegungen eines Instruments auf eine Größenordnung von Mikrometer oder gar 100-Nanometer zu unterbinden.
Die Erfinder haben erkannt und angemerkt, dass sich Präzisionsinstrumente in einer breiten Palette von Umgebungen befinden können, wo weniger oder mehr Quellen, die unterwünschte Bewegung verursachen, vorhanden sein können. Manche Quellen können außerhalb des Präzisionsinstruments sein, und manche Quellen können ihren Ursprung im Inneren des Präzisionsinstruments haben. In manchen Fällen können dynamische Kräfte, die ein Präzisionsinstrument stören, außerhalb des Instruments liegen, sich in das Instrument einkoppeln (beispielsweise durch eine Lagerung der Basis, Versorgungsleitungen und/oder akustische Kopplung mit der Ausrüstung) und eine unerwünschte Bewegung des Instruments hervorrufen.
Ein Ansatz zum Bereitstellen von Schwingungsisolation an Stellen mit stark unterschiedlichen Rausch- bzw. Störungsquellen, wo passive Schwingungsisolation nicht ausreichend sein kann, ist es, ein aktives Schwingungsisolationssystem bereitzustellen. Ein aktives Schwingungsisolationssystem kann einen oder mehr Bewegungssensoren und ein oder mehr Rückkopplungssysteme aufweisen. Ein Bewegungssensor kann eingerichtet sein, Bewegung in zumindest einem Freiheitsgrad einer Struktur zu sensieren, die das Präzisionsinstrument lagert, und das Rückkopplungssystem kann eingerichtet sein, die Struktur elektromechanisch anzusteuern, um jedweder durch die Störquellen induzierter Bewegung entgegenzuwirken. Zum Beispiel kann das Rückkopplungssystem einen oder mehr Aktuatoren aufweisen, die von einem oder mehr Rückkopplungssignalen angetrieben bzw. angesteuert werden, um einer Bewegung der Struktur, die durch Störquellen induziert wird, entgegenzuwirken.
Oft kann zum Erreichen eines besseren Leistungsverhaltens ein aktives Schwingungsisolationssystem auf die Nutzlast, die es lagert, und auf die Umgebung, in der es sich befinden wird, abgestimmt sein. Beispielsweise kann ein Ingenieur zunächst eine Ortsbegehung machen, um die Störumgebung zu charakterisieren. Während des Besuchs gesammelte Daten können während der Herstellung des aktiven Schwingungsisolationssystems verwendet werden, um das aktive Schwingungsisolationssystem abzustimmen (beispielsweise Parameter für Gain- und Rauschfilter für eine Rückkopplungsschleife in dem aktiven Schwingungsisolationssystem festzulegen), um der Störumgebung gerecht zu werden. In manchen Fällen kann die Abstimmung elektronisch erfolgen, indem Gain-Werte und Filtereinstellungen in Softwarecode angepasst werden, beispielsweise ohne die Systemhardware zu ändern. Auf diese Weise kann sich ein bestehendes aktives Schwingungsisolationssystem an unterschiedliche Störumgebungen anpassen, ohne dass die Systemhardware verändert wird. Das Verändern der Systemhardware würde unerwünscht zu den Systemkosten beitragen und könnte Herstellungsverzögerungen hervorrufen.
1 veranschaulicht ein vereinfachtes Schaubild eines aktiven Schwingungsisolationssystems 100, in dem eine Rückkopplungsschleife zum Einsatz kommt, gemäß einigen Ausführungsformen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein aktives Schwingungsisolationssystem 100 eine Zwischenmasse 110 aufweisen, die oberhalb einer Basis 105 von einer Vielzahl von Isolationsanordnungen 105a, 105b gelagert wird. Einer oder mehr Bewegungssensoren 112 kann an der Zwischenmasse montiert sein, um die Bewegung der Zwischenmasse in einer oder mehr Richtungen zu sensieren (beispielsweise der z-Richtung bei der in 1 dargestellten Ausführungsform, obwohl x- und y-Richtung in anderen Ausführungsformen mit zusätzlichen Sensoren sensiert werden können). In manchen Fällen kann ein einzelner mehrachsiger Sensor (beispielsweise ein mehrachsiges Geophon oder ein Beschleunigungssensor) Bewegungen der Zwischenmasse in einer oder mehr Richtungen sensieren. Ausgaben aus den Bewegungssensoren/dem Bewegungssensor können der Steuerschaltung 160 bereitgestellt werden, welche die Signale/das Signal verarbeitet und den Aktuatoren 107a, 107b in den Isolationsanordnungen 105a, 105b Antriebssignale bereitstellt, um sensierten Bewegungen entgegenzuwirken und diese zu verringern. Die Aktuatoren 107a, 107b können eingerichtet sein, die Zwischenmasse 110 bezüglich der Basis 105 anzutreiben bzw. anzusteuern. Eine solche Rückkopplungssteuerung arbeitet dahingehend, unerwünschte Bewegungen der Zwischenmasse 110 zu verringern. Ein aktives Schwingungsisolationssystem 100 kann ferner eine Stützstruktur (beispielsweise eine Nutzlaststütze 130) mit passiver Schwingungsisolation (beispielsweise Dämpfer 120a, 120b, und Federn 126a, 126b) aufweisen, die sich oberhalb der Zwischenmasse befinden, welche eine Nutzlast 162 lagert. In manchen Fällen kann die Nutzlast 162 ein Präzisionsinstrument sein, von dem Beispiele oben angegeben sind.
Obgleich die Zeichnung der 1 nur zwei Isolationsanordnungen 105a, 105b zeigt, kann ein aktives Schwingungsisolationssystem 100 drei oder mehr Isolationsanordnungen aufweisen, die zwischen einer Zwischenmasse 110 und der Basis 105 angeordnet sind. Bei manchen Ausführungsformen kann es Isolationsanordnungen geben, die eingerichtet sind, Schwingungsisolation in mehreren Richtungen (beispielsweise in der x und/oder y-Richtung und angeordnet zwischen der Zwischenmasse 110 und Seitenwänden oder Pfosten, die sich von der Basis 105 nach oben erstrecken) und nicht nur in der Z-Richtung bereitzustellen, wie in 1 gezeigt.
In manchen Fällen können die Isolationsanordnungen eingerichtet sein, eine Isolation gegen Störungen bereitzustellen, die andernfalls Nick-, Roll- und/oder Gierwinkel der Zwischenmasse 110 beeinträchtigen würden. Beispielsweise können zwei oder drei Bewegungssensoren an unterschiedlichen Orten an der Zwischenmasse 110 eine Nick-, Roll- und/oder Gierbewegung der Zwischenmasse 110 detektieren und Rückkopplungssignale erzeugen, die von der Steuerschaltung 160 verarbeitet werden können, um Aktuatoren dahingehend anzusteuern, die detektierten Nick-, Roll- und/oder Gier-Bewegungen aufzuheben. Als lediglich ein Beispiel einer Rollbewegung kann ein erster Sensor nahe einer ersten Isolationsanordnung 105a eine andere z-Bewegung der Zwischenmasse 110 detektieren, als sie von einem zweiten Sensor nahe einer zweiten Isolationsanordnung 105b detektiert wird. Als Reaktion auf die Unterschiede in der detektierten z-Bewegung (die die Rollbewegung der Zwischenmasse 110 angibt) kann die Steuerschaltung einen ersten Aktuator 107a anders ansteuern als einen zweiten Aktuator 107b, um die Rollbewegung aufzuheben.
In manchen Ausführungsformen können Isolationsanordnungen Entlastungsfedern und Aktuatoren aufweisen. Beispielsweise kann eine erste Isolationsanordnung 105a eine Entlastungsfeder 116a und einen Aktuator 107a aufweisen. In manchen Implementierungen können die Entlastungsfedern 116a, 116b eine höhere Steifigkeit besitzen als die Aktuatoren 107a, 107b, so dass die Entlastungsfedern den Großteil des Gewichts oder das gesamte Gewicht der Nutzlast 162, der Zwischenmasse 110 und der Lagerungsstruktur oberhalb der Zwischenmasse 110 tragen. Beispiele von Systemen, bei denen die Entlastungsfedern eine größere Steifigkeit besitzen als die Aktuatoren sind in den US-Patenten 8,899,393 und 9,353,824 beschrieben, die vollumfänglich durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen werden. In solchen Implementierungen kann der Aktuator einen weichen Aktor wie beispielsweise einen Schwingspulen-Antrieb bzw. -Treiber aufweisen.
In manchen Ausführungsformen müssen die Entlastungsfedern 116a, 116b nicht vorhanden sein oder können eine Steifigkeit besitzen, die geringer ist als jene der Aktuatoren 107a, 107b, so dass die Aktuatoren den Großteil des Gewichts oder das gesamte Gewicht der Nutzlast 162, der Zwischenmasse 110 und der Lagerungsstruktur oberhalb der Zwischenmasse 110 tragen. Beispiele von Systemen, bei denen die Entlastungsfedern weniger Steifigkeit haben als die Aktuatoren sind im US-Patent Nr. 5,660,255 beschrieben, welches durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Schrift aufgenommen wird. In solchen Implementierungen kann der Aktor einen steifen bzw. starren Aktor, wie etwa einen piezoelektrischen Aktor aufweisen.
Die Zwischenmasse 110 kann aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, etwa Aluminium, Edelstahl oder einer Kombination aus diesen, obgleich bei manchen Ausführungsformen andere Materialien verwendet werden können. Obgleich 1 eine Zwischenmasse 110 zeigt, die mehrere Isolationsanordnungen 105a, 105b überspannt, kann in manchen Fällen jede Isolationsanordnung ihre eigene Zwischenmasse besitzen, die nicht mit der Zwischenmasse aller anderen Isolationsanordnungen verbunden ist. In solchen Fällen können an jeder Zwischenmasse jeder Isolationsanordnung ein oder mehr Bewegungssensoren 112 montiert sein, um eine Bewegung in einer oder mehr Richtungen zu sensieren. Jede Isolationsanordnung kann getrennte Bereiche einer Nutzlast 162 lagern bzw. stützen. In manchen Fällen kann jede Isolationsanordnung durch dieselbe Rückkopplungsschleife für eine vorgegebene Richtung gelagert werden, so dass die Isolationsanordnungen parallel zu einem gemeinsamen Aktuatoransteuerungssignal arbeiten. In manchen Fällen kann jede Isolationsanordnung von unterschiedlichen Rückkopplungsschleifen für eine vorgegebene Richtung gesteuert werden, so dass die Isolationsanordnungen parallel zu unterschiedlichen Aktuatoransteuerungssignalen arbeiten. Wenn jede Isolationsanordnung von einer anderen Rückkopplungsschleife gesteuert wird und die Isolationsanordnungen getrennt sind, kann die Aufhebung von Nick-, Roll- und/oder Gier-Bewegungen automatisch auftreten und muss nicht gesondert sensiert und berücksichtigt werden.
Die Basis 105 kann ein beliebiges geeignetes Material aufweisen, etwa Aluminium, Edelstahl oder eine Kombination aus diesen, obgleich andere Materialien verwendet werden können. In manchen Implementierungen kann die Basis 105 einen Boden, einen Tisch oder eine andere Struktur aufweisen, die sich in einer Einrichtung befinden, und muss nicht als Teil eines hergestellten Schwingungsisolationssystems 100 enthalten sein. In solchen Implementierungen kann eine Isolationsanordnung 105a als getrennt eingehauste Anordnung bereitgestellt werden, die eingerichtet ist, zwischen der Nutzlast 162 und einer Basis 105 montiert zu werden.
Gemäß manchen Implementierungen können Höhenverstelleinrichtungen 108a, 108b in einer Isolationsanordnung enthalten sein, um die Höhe der Zwischenmasse 110 und/oder der Nutzlast 162 zu verstellen. Beispielsweise kann eine Höhenverstelleinrichtung 108a, 108b eine Gewindetriebanordnung aufweisen, die an einen Aktuator 107a gekoppelt ist und (manuell und/oder automatisch) gedreht werden kann, um eine Höhe eines Aktuators 107a, 107b über einer Basis 105 zu verstellen. In manchen Fällen kann eine Höhenverstelleinrichtung ferner die Höhe einer Entlastungsfeder 116a oberhalb der Basis 105 verstellen bzw. anpassen.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein Bewegungssensor 112 einen Beschleunigungssensor oder ein Geophon aufweisen, und kann mindestens ein Signal, das eine Bewegung in einer Richtung (beispielsweise der z-Richtung) angibt, an die Steuerschaltung 160 ausgeben. Andere Arten von Bewegungssensoren (beispielsweise Dehnungsmessstreifen-Sensoren, mikroelektromechanische Sensoren, Gyrometer, optische Interferenzsensoren etc.) können ebenfalls verwendet werden und die Erfindung ist nicht nur auf Beschleunigungssensoren und Geophone beschränkt. In mehrachsigen Schwingungsisolationssystemen können einer oder mehr Sensoren 112 Signale ausgeben, die die Bewegung in zwei oder mehr Richtungen darstellen (beispielsweise eine beliebige Kombination aus x, y, z, Nick-, Roll- und Gier-Bewegung). Die Steuerschaltung 160 kann eingerichtet sein, Signale von dem/den Bewegungssensor(en) 112 zu verarbeiten und Ansteuersignale an die Aktuatoren 107a, 107b auszugeben, welche die Zwischenmasse 110 derart ansteuern, um der von dem Bewegungssensor sensierten Bewegung entgegenzuwirken. Einige Beispiele einer Rückkopplungssteuerung, die in der Steuerschaltung 160 enthalten sein kann, werden in Zusammenhang mit den 1, 2, 4, 18, 19 und 22 in US-Patent Nr. 5,823,307 und in Zusammenhang mit 4 in US-Patent Nr. 7,726,452 beschrieben, die beide durch Bezugnahme in die vorliegende Schrift aufgenommen sind. Die Steuerschaltung 160 kann passive, aktive, analoge und/oder digitale Schaltungsbauteile aufweisen und kann Verarbeitungselektronik (zum Beispiel Logikbauteile, einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, ein Feld-programmierbares Gate-Array FPGA, eine anwendungsspezifische, integrierte Schaltung ASIC, einen Digitalsignalprozessor DSP oder Kombinationen dieser) aufweisen, die eingerichtet ist, eine Rückkopplungsaufhebung einer unerwünschter Bewegung wie vorliegend und in den Absätzen der vorgenannten US-Patente beschrieben, durchzuführen.
Eine Nutzerschnittstelle bzw. Benutzeroberfläche 180 kann gemäß manchen Ausführungsformen mit der Steuerschaltung 160 kommunizieren und kann eingerichtet sein, Nutzereingaben zu empfangen und eine Stabilität des Betriebs des Schwingungsisolationssystems anzuzeigen. Eine Nutzerschnittstelle kann einen Berührbildschirm, ein Berührfeld, eine graphische Benutzeroberfläche, mechanische Knöpfe, Tasten, Kippschalter oder Schalter, Anzeigeleuchten, eine Bildgebungsanzeige oder Kombinationen hiervon aufweisen. In manchen Implementierungen weist eine Nutzerschnittstelle 180 einen PC oder ein Smartphone auf, der/das mit der Steuerschaltung durch eine kabellose oder kabelgebundene Kommunikationsanbindung kommuniziert. Eine gewöhnliche Softwareanwendung kann auf dem PC oder dem Smartphone ausgeführt werden, die eine Kommunikation mit und eine Rekonfiguration von Softwareelementen erlaubt, die auf Verarbeitungselektronik der Steuerschaltung 160 ausgeführt werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann eine Nutzlaststütze 130 über der Zwischenmasse 110 durch zusätzliche Stützfedern 126a, 126b gelagert werden. Ebenfalls können Dämpfer 120a, 120b zwischen der Nutzlaststütze 130 und der Zwischenmasse 110 angeordnet sein, um die Bewegung der Nutzlaststütze zu dämpfen. Bei manchen Ausführungsformen können drei oder mehr Mengen von Stützfedern 126a, 126b und Dämpfern 120a, 120b vorhanden sein. In manchen Fällen können Höhenverstelleinrichtungen 108a, 108b zwischen der Nutzlaststütze 130 und der Zwischenmasse 110 vorhanden sein, um die Nutzlaststütze 130 und/oder Nutzlast 162 höhenmäßig zu verstellen. In manchen Implementierungen kann die Nutzlast 162 direkt an einer einzigen Nutzlaststütze 130 montiert sein, die eine Vielzahl von Stützfedern 126a, 126b und Dämpfern 120a, 120b spannt, wie zu sehen ist. In anderen Implementierungen kann es sein, dass die Nutzlaststütze 130 nicht mehrere Stützfedern und Dämpfer überspannt. Stattdessen können sich an jeder Stützfeder und jedem Dämpfer getrennte Nutzlaststützplatten befinden und einen Teil der Nutzlast 162 lagern bzw. stützen. In manchen Fällen können die Stützfedern 126a, 126b und die Dämpfer 120a, 120b direkt mit getrennten Orten an der Nutzlast 162 verbunden sein, und es kann sein, dass keine Nutzlaststütze oder Nutzlaststützplatten verwendet werden.
Die Erfinder haben erkannt und angemerkt, dass manche Einbauorte die Grenzen bestehender vorgefertigter Schwingungsisolationssysteme, wie solche, die in Zusammenschau mit 1 beschrieben wurden, überschreiten. Solche Einbauorte können Stockwerke auf höheren Ebenen (beispielsweise höher als das dritte Stockwerk) in großen Stahlstrukturgebäuden sein (beispielsweise Gebäuden, die eine Seitenlänge von mehr als 500 m besitzen). An solchen Orten können die Bodenvibrationen bzw. Schwingungen so stark sein, dass die Rückkopplungsschleife in dem Schwingungsisolationssystem nicht geschlossen werden und ordnungsgemäß arbeiten kann, um eine ausreichende Verringerung der Schwingungen bzw. Vibrationen bereitzustellen, um eine Vorgabe für ein Präzisionsinstrument zu erfüllen, obwohl die Rückkopplungsschleife andernfalls ordnungsgemäß arbeiten würde.
Die Erfinder haben entdeckt, dass in einer Umgebung mit vielen Störungen es zu einem Problem mit den Sensoren 112 kommen kann, die an der Zwischenmasse montiert sind. Üblicherweise sind die Bewegungssensoren 112 sehr empfindlich, so dass sie eine Bewegung im Sub-Mikrometerbereich detektieren können. Für Schwingungen großer Amplitude können die Bewegungssensoren 112 in ihrer Reaktion nichtlinear werden. Beispielsweise können sie ein Signal ausgeben, dass sich bei hohen Schwingungspegeln sättigt (überrollt und/oder abflacht). Das nichtlineare Verhalten der Sensoren 112 kann keine korrekten Bewegungssensiersignale bereitstellen, denen von der Rückkopplungsschleife zweckmäßig Rechnungen getragen werden kann, was zu einer unerwünschten Leistung des Schwingungsisolationssystems 100 führt.
Da ein bestehendes aktives Schwingungsisolationssystem 100 hergestellt und bezüglich seiner Sensoren 112 abgestimmt werden kann, kann das Austauschen der Rückkopplungssensoren 112 eine Neuabstimmung der Rückkopplungsschaltung und möglicherweise das Tauschen zusätzlicher Hardwarebauteile in dem aktiven Schwingungsisolationssystem 100 nach sich ziehen. Wie oben beschrieben können solche Änderungen kostspielig sein und zu Herstellungsverzögerungen führen. In manchen Fällen kann ein aktives Schwingungsisolationssystem 100 bereits an einem Ort installiert sein und im Vorfeld zufriedenstellende Leistung erbracht haben. Es kann jedoch sein, dass sich Rausch- bzw. Störbedingungen am Einbauort im Laufe der Zeit erhöht haben, so dass sie die Reichweite des aktiven Schwingungsisolationssystems 100 übersteigen. Anstatt ein bestehendes aktives Schwingungsisolationssystem 100 umzubauen, wäre es bevorzugt, das aktive Schwingungsisolationssystem 100 in einer störintensiveren Umgebung zu nutzen, als jener, in der es ursprünglich eingerichtet war, um die Wirkungen von Rauschen bzw. Störungen aus der Umgebung korrekt zu detektieren auf ein Ausmaß zu begrenzen, bei dem das aktive Schwingungsisolationssystem 100 ordnungsgemäß arbeiten kann.
2 stellt ein aktives Schwingungsisolationssystem 200 dar, das zumindest eine Rückkopplungsschleife aufweist, die von Feed-Forward-Steuerung unterstützt wird. Bei manchen Ausführungsformen können ein oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren 114 an einer Basis 105 (beispielsweise einem Boden) montiert sein, die das aktive Schwingungsisolationssystem 200 lagert. Der eine oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren 114 kann eine Bewegung der Basis 105 in einer oder mehr Richtungen sensieren. Ein Feed-Forward-Bewegungssensor 114 kann vom gleichen Typ oder einem anderen Typ sein als ein Rückkopplungs-Bewegungssensor 112, kann jedoch weniger empfindlich sein als der Bewegungssensor 112, so dass sich sein Ausgabesignal in der störintensiven Umgebung, in der sich das aktive Schwingungsisolationssystem 200 befindet, nicht sättigt. Bei manchen Ausführungsformen liegt die Empfindlichkeit von Feed-Forward-Bewegungssensoren 114 zwischen einem Faktor 1,5 und 30 geringer als eine Empfindlichkeit des Rückkopplungs-Bewegungssensors 112. Die Empfindlichkeit der Bewegungssensoren kann hinsichtlich Volt- oder Stromausgang pro sensierter Bewegungseinheit (bspw. Volt pro Mikrometer) gemessen werden. Indem er eine niedrigere Empfindlichkeit aufweist, kann der Feed-Forward-Bewegungssensor 114 größere Mengen an Schwingungsbewegung messen als der Rückkopplungs-Bewegungssensor 112, ohne sich zu sättigen. Dementsprechend kann sich der Feed-Forward-Bewegungssensor 114 bei höheren Schwingungsbewegungspegeln sättigen als der Rückkopplungs-Bewegungssensor 112. In manchen Fällen kann die Empfindlichkeit des Feed-Forward-Bewegungssensors 114 ungefähr die gleiche sein wie die Empfindlichkeit des Rückkopplungs-Bewegungssensors 112.
Ein Signal von einem Feed-Forward-Bewegungssensor 114 kann der Steuerschaltung 160 bereitgestellt werden. Die Steuerschaltung 160 kann das von dem Feed-Forward-Bewegungssensor 114 empfangene Signal verarbeiten und einem oder mehr Aktuatoren 107a, 107b ein Feed-Forward-Ansteuersignal bereitstellen, um der Bewegung der Zwischenmassen 110a, 110b entgegenwirken, die durch die von dem Feed-Forward-Bewegungssensor 114 sensierte Bewegung induziert würde. Wenn der Feed-Forward-Bewegungssensor 114 beispielsweise Bodenbewegung in der positiven Z-Richtung (+-z-Richtung) sensiert, kann die Steuerschaltung 160 ein Feed-Forward-Ansteuersignal an die Aktuatoren 107a, 107b ausgeben, um die Zwischenmassen in der negativen Z-Richtung (-z-Richtung) zu bewegen. In manchen Implementierungen können die Signale/das Signal von dem Basis-montierten Feed-Forward-Bewegungssensor(en) 114 getrennt von dem Signal(en), das bzw. die aus den an der Zwischenmasse montierten Rückkopplungssensoren 112 empfangen wird bzw. werden, verarbeitet werden.
Die in 2 abgebildete Ausführungsform zeigt eine getrennte Zwischenmasse 110a, 110b als Teil von jeder Isolationsanordnung 105a, 105b. In solchen Fällen kann jede Isolationsanordnung als Stützeinheit untergebracht sein. Eine Isolationsanordnung 105a kann ferner eine Stützfeder 126a und einen Dämpfer 120a aufweisen. In manchen Fällen kann jede Isolationsanordnung ferner eine gesonderte Nutzlaststütze (anstelle einer einzelnen Nutzlaststütze 130) aufweisen, so dass die Isolationsanordnung unter einem Teil eines Instruments 162 oder eine Plattform positioniert werden kann, auf der das Instrument aufliegt.
In manchen Fällen können das/die Signal(e) aus dem/den Basis-montierten Feed-Forward-Sensor(en) auf eine bestimmte Bandbreite beschränkt sein, für die Schwingungen der Basis 105 am stärksten ausgeprägt sind. Beispielsweise können das/die Signal(e) aus den Basis-montierten Feed-Forward-Sensoren 114 durch ein Bandpassfilter gefiltert werden. Eine Bandbreite des Bandpassfilters (gemessen als volle Halbwertsbreite) kann ungefähr mit einer Bandbreite von Frequenzen (gemessen als volle Halbwertsbreite, FWHM, full width at half maximum) von der Basis 105 übereinstimmen oder größer als diese sein, welche die größte Bewegung der Zwischenmassen 110a, 110b induziert. Falls die Basis 105 eine einzelne Frequenz oder ein kleines Cluster von Frequenzen zeigt, das/die verantwortlich dafür ist/sind, dass die größte Bewegung der Zwischenmassen 110a, 110b induziert wird, kann das Bandpassfilter im Wesentlichen an dieser Frequenz zentriert werden und eine Bandbreite haben, die deutlich größer ist als die Frequenz oder das Frequenzcluster. In manchen Implementierungen kann ein Bandpassfilter einen FWHM-Wert zwischen 20% und 50% eines mittleren Frequenzwerts haben, bei dem eine schmalere Bandbreite mit niedrigeren Frequenzen verwendet wird. Beispielsweise kann ein FWHM-Wert für eine Störung, die bei 5 Hz zentriert ist, 1 Hz sein, und ein FWHM-Wert für eine Störung, die bei 100 Hz zentriert ist, kann 50 Hz sein. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Bandpassfilter als Softwarefilter ausgeführt sein, welches in einer Steuerschaltung 160 implementiert ist. In manchen Fällen kann ein Bandpassfilter als Schaltung bzw. Schaltkreis verwirklicht sein. In manchen Fällen können mehrere Filter verwendet werden, um mehrere Störungen, die sich auf unterschiedlichen Frequenzen befinden, zu leiten, und ein kombinierter Bandpass der mehreren Filter kann größer als 50 % (beispielsweise bis zu 500 %) von einer der Störfrequenzen sein. In manchen Implementierungen kann ein Filter digital implementiert sein, um einen ausgewählten Bereich von Frequenzen aufzuspannen, die von einer Gleichspannung bis zu einem Frequenzwert reichen können, der bis hin zum Fünffachen einer höchsten Frequenz einer detektierten Störung in einer Störumgebung betragen kann.
Im Betrieb kann eine Feed-Forward-Steuerung, die von den Basis-montierten Feed-Forward-Sensoren 114, der Steuerschaltung 160 und Aktuatoren 107a, 107b bereitgestellt wird, die Bewegung der Zwischenmasse 110 abschwächen, die durch die Bewegung der Basis bis hin zu einem Ausmaß induziert wird, das der/die empfindlichere(n) Rückkopplungssensor(en) 112, die an der Zwischenmasse montiert ist/sind, kein nichtlineares Verhalten oder Sättigung zeigen. Dies kann es der Rückkopplungsschleife des Systems (aufweisend die an der Zwischenmasse montierten Sensoren 112, die Steuerschaltung 160 und Aktuatoren 107a, 107b) ermöglichen, normal zu arbeiten und eine geeignete Schwingungsisolation für die Zwischenmasse 110 und die Nutzlast 162 an einem Einbauort bereitzustellen, die andernfalls ein vorgefertigtes aktives Schwingungsisolationssystem 100 überlasten würden und eine Neukonfiguration von Systemhardware (beispielsweise einen Austausch von Bewegungssensoren 112, einen Austausch von Aktuatoren 107a, 107b) erfordern würden.
Die Erfinder haben außerdem herausgefunden, dass die Feed-Forward-Steuerung die Leistung eines aktiven Schwingungsisolationssystems 100, das unter normaler Rückkopplungssteuerung arbeitet, (mindestens um Faktor 2 bis 5) verbessern kann. Beispielsweise kann ein aktives Schwingungsisolationssystem 100, dass eine Dämpfung von 20 dB von Schwingungen in der z-Richtung einer Nutzlast 162 auf einer speziellen Frequenz (bspw. 2 Hz) bereitstellt, durch Hinzufügen eines z-Richtungs- Feed-Forward-Bewegungssensors 114 und einer Feed-Forward-Steuerung wie oben beschrieben verbessert werden kann, um 26 dB bis 30 dB Dämpfung von Schwingungen in der z-Richtung der Nutzlast 162 bei derselben Frequenz in einer Umgebung bereitzustellen, die das aktive Schwingungsisolationssystem 100 ansonsten überlasten bzw. überwältigen würde. Größere Verbesserungen der Leistung können auch erhalten werden, indem wie vorliegend beschrieben eine Feed-Forward-Steuerung hinzuergänzt wird. Allgemein kann ein aktives Schwingungsisolationssystem 200, das eine Feed-Forward-Steuerung aufweist, eine Isolation (deutliche Abschwächung von Schwingungen) aus externen niederfrequenten dynamischen Kräften über einen großen Frequenzbereich, der von ungefähr 0,3 Hz bis ungefähr 100 Hz reichen kann, bereitstellen. Zusätzlich können passive Dämpfungsbauteile (wie etwa Stützfedern 126a, 126b und passive Dämpfer 120a, 120b) eines aktiven Schwingungsisolationssystems 200 eine Isolation bei Frequenzen oberhalb einer Eigenresonanzfrequenz des Systems bereitstellen, beispielsweise bis in Frequenzen von mehreren Kilohertz.
Ein Beispiel einer Steuerschaltung 160 zur Rückkopplungssteuerung und Feed-Forward-Unterstützung ist in 3A gezeigt, obgleich die Erfindung nicht nur auf die in der Zeichnung gezeigte Schaltungskonfiguration beschränkt ist. Gemäß manchen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 160 mindestens eine Rückkopplungsschaltung aufweisen, die ein Frequenzfilter 220, einen Phasensteller 230, einen Verstärker 240 und einen Signalteiler 250 aufweist. Das Frequenzfilter, der Phasensteller und der Verstärker können in einer anderen als der in der Zeichnung gezeigten Reihenfolge angeordnet sein, obgleich zumindest eines dieser Bauteile ein Signal von einem Bewegungssensor 112 empfangen kann. Es kann sein, dass manche Ausführungsformen kein Frequenzfilter 220 und/oder Phasensteller 230 aufweisen. In manchen Fällen kann der Verstärker 120 eine Funktionalität zur Frequenzfilterung und/oder Phasenstellung umfassen. Manche Ausführungsformen können einen Integrator (nicht gezeigt) in der Rückkopplungsschleife aufweisen, der das Frequenzfilter 220, den Phasensteller 230 und einen Verstärker 240 enthält. In manchen Ausführungsformen kann ein Parameter, der mit einer Integrationszeitkonstante für den Integrator in Beziehung steht, durch eine Nutzer-verstellbare Schwingungsisolationseinstellung verändert werden. Der Signalteiler 250 kann mehrere Signale ausgeben, um mehrere Aktuatoren 107a-107b anzusteuern, die mit der Zwischenmasse 110 verbunden sind. In manchen Implementierungen wird dasselbe Signal für einen bestimmten Freiheitsgrad an alle Aktuatoren angelegt (beispielsweise an vier Aktuatoren 107a-107d, um eine z-gerichtete Stützung der Zwischenmasse 110 in 1 bereitzustellen). In manchen Fällen kann durch einen Prozessor 270 oder passive Bauteile auf einem empfangenen Rückkopplungs- oder Feed-Forward-Signal oder einem verarbeitetem Rückkopplungs- oder Feed-Forward-Signal gearbeitet werden. In manchen Fällen kann jeder Aktuator seinen eigenen Sensor 112 und eine Rückkopplungsschaltung aufweisen, so dass wie oben beschrieben unterschiedliche Signale an die Aktuatoren 107a-107d angelegt werden.
Obwohl in 3A vier Aktuatoren abgebildet sind, kann ein aktives Schwingungsisolationssystem 200 weniger oder mehr Aktuatoren aufweisen, die von der Steuerschaltung 160 gesteuert werden. In manchen Fällen kann es in einem System 200 mehr als eine Steuerschaltung 160 geben. Beispielsweise können in einem System manche Aktuatoren angeordnet werden, um Schwingungen in einer ersten Richtung (bspw. einer Vertikalrichtung) zu unterdrücken, und können von einer Steuerschaltung gesteuert werden, und mache Aktuatoren in dem System können angeordnet werden, um Schwingungen in einer zweiten anderen Richtung (bspw. einer Horizontalrichtung) zu unterdrücken.
Genauer kann die in 3A gezeigte Schaltung eine aktive Schwingungsisolationssteuerung mit Feed-Forward-Unterstützung in zumindest einer Richtung (bezogen auf 2 beispielsweise der z-Richtung) bereitstellen. Der Rückkopplungs-Bewegungssensor 112 kann an der Zwischenmasse 110 ausgebildet sein, um Bewegung in der z-Richtung zu sensieren. Die Rückkopplungsschaltung kann die sensierte, in Z-Richtung verlaufende Bewegung verarbeiten und ein Steuersignal erzeugen, das an die Aktuatoren 107a-107b gesendet wird und das die unerwünschte Bewegung in der z-Richtung unterbindet. Manche Ausführungsformen können einen oder mehr zusätzliche Rückkopplungs-Bewegungssensoren 112, zusätzliche(n) Filter 220, zusätzliche(n) Phasensteller 230, zusätzliche(n) Verstärker 240 und mindestens einen zusätzlichen Aktuator 107 für zusätzliche Freiheitsgrade (beispielsweise, x, y, Nick, Roll und Gier) aufweisen, für die eine Schwingungsisolationssteuerung gewünscht ist. In manchen Fällen kann jede Rückkopplungssteuerung unabhängig von den anderen Rückkopplungsschaltungen arbeiten.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann das Frequenzfilter 220 ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor 112 empfangen und verschiedene Spektralkomponenten des empfangenen Signals um unterschiedliche Mengen abschwächen bzw. dämpfen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Frequenzfilter 220 mehrere einstellbare Filter aufweisen, die Mengen von Abschwächungen bzw. Dämpfungen für unterschiedliche Spektralbandbreiten ermitteln, auf denen das Frequenzfilter 220 arbeitet. Beispielsweise kann ein Filterparameterwert einen Abschwächungswert bzw. Dämpfungswert für eine oder mehr Spektralbandbreiten ermitteln. Gemäß manchen Ausführungsformen können Filterparameterwerte über einen Frequenzbereich von 0,01 Hz bis 30 kHz eingestellt werden. Ein Frequenzfilter 220 kann in Hardware, Software oder einer Kombination dieser implementiert werden.
Ein Phasensteller 230 kann Phasen von einem oder mehr Frequenzkomponenten eines Signals, das von einem Rückkopplungs-Bewegungssensor 112 empfangen wurde, verändern (ihnen beispielsweise eine Signalverzögerung hinzuaddieren). Bei manchen Ausführungsformen kann ein Phasensteller 230 mehrere einstellbare Phasenparameter umfassen, die Mengen einer Phasenanpassung über unterschiedliche Spektralbandbreiten bestimmen. Beispielsweise kann ein Phasenparameterwert eine Menge einer Signalverzögerung bestimmen, die einer konkreten Spektralbandbreite hinzuaddiert wurde. Ein Phasensteller 230 kann in Hardware, Software oder einer Kombination dieser implementiert werden.
Der Verstärker 240 kann einen beliebigen geeigneten Verstärker aufweisen, der ein aus dem Rückkopplungs-Bewegungssensor 112 empfangenes Signal verstärkt und ein Ausgabesignal bereitstellt, um einen oder mehrere Aktuatoren eines aktiven Schwingungsisolationssystems 200 anzutreiben bzw. anzusteuern. Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein Verstärker 240 einen oder mehrere einstellbare Gain-Parameter umfassen, die Gain-Werte für eine oder mehr Spektralbandbereiten bestimmen, auf denen der Verstärker arbeitet. Bei manchen Ausführungsformen kann der Verstärker einen einstellbaren Gain-Wert haben, der über die gesamte Bandbreite eines verstärkten Signals angelegt wird. In manchen Fällen kann der Verstärker 240 ein invertierender Verstärker sein. Ein Leistungszuwachswert für einen Verstärker 240 kann gemäß manchen Ausführungsformen zwischen 1,5 und 5 sein, obwohl höhere oder niedrigere Zuwachswerte möglich sind. Bei manchen Ausführungsformen können unterschiedliche Zuwachswerte für unterschiedliche Freiheitsgrade verwendet werden, deren Schwingung gesteuert wird. Beispielsweise können unterschiedliche Zuwachswerte für aktive Schwingungsisolationssteuerung in der x, y, und z-Richtung verwendet werden. In manchen Implementierungen kann zusätzlicher Gain innerhalb einer Rückkopplungsschaltung vorliegen, und der Schleifen-Gain für eine Rückkopplungsschaltung kann einen Wert zwischen 1,5 und 200 haben. In manchen Fällen kann ein Verstärker 240 mit einstellbarem Gain zum Einstellen einer Schleife enthalten sein. Ein Verstärker 240 kann in Hardware, Software oder einer Kombination dieser verwirklicht sein. In manchen Implementierungen kann ein einstellbarer Abschwächer bzw. eine einstellbare Dämpfungseinrichtung in einer Rückkopplungsschleife enthalten sein, um den Gain einer Schleife anzupassen.
Die Steuerschaltung 160 kann ferner ein Frequenzfilter 222, einen Phasensteller 232 und einen Verstärker 242 aufweisen, die alle parallel zur Feed-Forward-Steuerung verwendet werden. Das Frequenzfilter 222, der Phasensteller 232 und der Verstärker 242 können gleich oder ähnlich dem Frequenzfilter 220, dem Phasensteller 230 und dem Verstärker 240 sein, die oben beschrieben wurden. In manchen Fällen kann jede Isolationsanordnung 105a, 105b eine dedizierte Feed-Forward-Steuerschaltung aufweisen. In anderen Fällen kann eine gemeinsame Feed-Forward-Steuerschaltung verwendet werden, um Aktuatoren in mehreren Isolationsanordnungen zu steuern.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann ein Feed-Forward-Signal von einem Feed-Forward-Verstärker 242 einem Rückkopplungssignal hinzuaddiert werden, das aus einem Rückkopplungsverstärker 240 ausgegeben wird, so dass an den einen oder mehr Aktuatoren ein kombiniertes Rückkopplungs-/Feed-Forward-Signal angelegt wird. Beispielsweise kann ein Feed-Forward-Signal einem Rückkopplungssignal hinzuaddiert werden, bevor oder nachdem es von dem Signalteiler 150 geteilt wurde. In manchen Implementierungen kann ein Signalteiler eingerichtet sein, das Feed-Forward-Signal und die Rückkopplungssignale an seinem Eingang aufzusummieren und das resultierende kombinierte Signal zur Übertragung an einen oder mehr Aktuatoren zu splitten bzw. zu teilen. Bei manchen Ausführungsformen kann einem Rückkopplungssignal vor der Verstärkung ein Feed-Forward-Signal hinzuaddiert werden, so dass ein kombiniertes Feed-Forward-/Rückkopplungssignal von einem einzelnen Verstärker verstärkt und dann an den einen oder mehr Aktuatoren angelegt werden kann.
Wie vorliegend verwendet ist ein Rückkopplungssignal ein Signal, das aus einer sensierten Bewegung einer Zwischenmasse 110 abgeleitet wird und reaktiv angelegt wird, um der sensierten Bewegung der Zwischenmasse entgegengerichtet zu sein. Ein Feed-Forward-Signal ist ein Signal, das aus sensierter Bewegung einer Basis 105 zum Lagern der Zwischenmasse 110 abgleitet wird und proaktiv angelegt wird, um eine antizipierte Bewegung der Zwischenmasse aufgrund der sensierten Bewegung der Basis aufzuheben.
Die Steuerschaltung 160 kann ferner einen Parametersetzer 210 aufweisen, der eingerichtet ist, ein Signal von einem Eingabeelement 205 zu empfangen. Das Eingabeelement kann gemäß manchen Ausführungsformen einen Teil einer Nutzerschnittstelle 180 aufweisen (beispielsweise einen mechanischen Knopf, einen Kippschalter, Drucktaster oder ein Element auf einer grafischen Benutzeroberfläche). Ein Nutzer, der das Eingabeelement 205 bedient, kann eine aus einer Vielzahl von „Schwingungsisolations“-Einstellungen auswählen, die von dem Schwingungsisolationssystem bereitgestellt werden.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 160 auch einen Prozessor 270 aufweisen, der mit maschinenlesbarem Code eingerichtet sein kann, um eine Parametereinstellung und/oder Filterung und/oder Phaseneinstellung und/oder Verstärkungsfunktionalität, die oben beschrieben wurden, auszuführen. Der Prozessor 270 kann Logikschaltungen, einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, einen Digitalsignalprozessor DSP, ein Feld-programmierbares Gate-Array FPGA oder Kombinationen aus diesen aufweisen. Die Steuerschaltung 160 kann ferner eine Datenspeichervorrichtung 275 (beispielsweise einen Speicher vom ROM und/oder RAM-Typ) aufzuweisen, die mit dem Prozessor 270 kommuniziert. Der Prozessor 270 kann in manchen Ausführungsformen auch mit dem Parametersetzer 210 kommunizieren.
Obgleich 3A einen einzelnen Prozessor 270 in einer Steuerschaltung 160 darstellt, die eine Rückkopplung sowie eine Feed-Forward-Unterstützung aufweist, ist die Erfindung nicht auf einen einzelnen Prozessor 270 beschränkt. Bei manchen Ausführungsformen kann ein dedizierter Prozessor für eine oder mehr Regelschleifen jeder Schwingungsisolationsanordnung vorhanden sein, oder für eine Gruppe von Regelschleifen, die für zwei oder mehr Schwingungsisolationsanordnungen verwirklicht sind. Beispielsweise kann ein erster dedizierter Prozessor für eine erste Schwingungsisolationsanordnung 105a, der zwei oder mehr der x-, y-, z-Regelschleifen für diese Anordnung verwaltet, ein zweiter dedizierter Prozessor für eine zweite Schwingungsisolationsanordnung 105b, und so weiter, für jede Schwingungsisolationsanordnung in einem Schwingungsisolationssystem 200 vorhanden sein. Alternativ kann ein erster Prozessor vorhanden sein, der alle y-Regelschleifen für manche oder alle der Schwingungsisolationsanordnungen in einem System verwaltet. Bei manchen Ausführungsformen können die Prozessoren 270 miteinander kommunizieren. Einer der Prozessoren, oder ein getrennter Prozessor, kann eingerichtet sein, als Hauptcontroller bzw. Master-Controller zu fungieren und kann koordinierte Operationen der Prozessoren überwachen und/oder verwalten. Ein Vorteil der Verwendung von mehreren Prozessoren ist es, das komplexere Filteralgorithmen an jedem Prozessor zur Anwendung kommen und parallel laufen können, anstatt zu versuchen, mehrere komplexe Filter-, Rückkopplungs-, und/oder Feed-Forward-Algorithmen gleichzeitig mit einem einzelnen Prozessor zu bewältigen. In manchen Fällen kann ein einzelner Prozessor keine geeignete Verarbeitungsleistung besitzen, um mehrere komplexe Filter-, Rückkopplungs- und/oder Feed-Forward-Algorithmen gleichzeitig für eine Störumgebung zu bewältigen bzw. zu behandeln.
3B stellt eine Ausführungsform einer Steuerschaltung 161 dar, bei der eine Anzahl von Bauteilen in Software implementiert sind, die auf einem Prozessor 270 ausgeführt wird. Beispielsweise können Frequenzfilter 220, 222, Phasensteller 230, 232 und Verstärker 240, 242 in Software implementiert sein, um die oben in Verbindung mit 3A beschriebenen Funktionen zu haben. In manchen Implementierungen können Analogvorverstärker 244, 246 enthalten sein, um Signale von einem Rückkopplungs-Bewegungssensor 112 bzw. einem Feed-Forward-Bewegungssensor 114 zu verstärken. Ausgaben von den Vorverstärkern können den Analog/Digitalwandlern (A/D-Wandlern) 212, 214 bereitgestellt werden. In manchen Fällen weisen A/D-Wandler Hardwareeingangsschaltungen an Signaleingangsanschlüssen der Prozessoren 270 auf, die zum Empfangen von Analogsignalen eingerichtet sind. Ausgaben aus Digitalverstärkern 240, 242 können vom Prozessor 270 summiert und als einzelnes Ausgangssignal einem Antriebsverstärker 248 bereitgestellt werden, der eingerichtet ist, zumindest einen Aktuator 107a anzusteuern. Ein Ansteuerungsverstärker 248 mit fester oder einstellbarer Verstärkung Gs kann einen Leistungshardwareverstärker aufweisen, der genug Strom bereitstellt, um den Aktuator 107a anzusteuern.
Die in 3B abgebildete Steuerschaltung 161 ist derart dargestellt, dass sie einen einzelnen Aktuator antreibt bzw. ansteuert. Bei solchen Ausführungsformen kann für jeden Aktuator eine gesonderte Steuerschaltung in einem aktiven Schwingungsisolationssystem 200 vorhanden sein. Bei manchen Ausführungsformen kann ein einzelner Feed-Forward-Bewegungssensor 114 verwendet werden, um eine Bewegung einer Basis 105 in einer Richtung zu sensieren. Ein Ausgangssignal von dem Feed-Forward-Bewegungssensor 114 kann an einer beliebigen Stelle entlang des Feed-Forward-Signalpfads vor der Aufsummierung geteilt werden, und kann einer oder mehr Steuerschaltungen 161 bereitgestellt werden, die eingerichtet sind, um mehrere Aktuatoren anzusteuern. Bei manchen Ausführungsformen kann die in 3B abgebildete Steuerschaltung 161 verwendet werden, um mehrere Aktuatoren anzusteuern, indem sie einen Signalteiler 250, wie in 3A abgebildet, und zusätzliche Antriebsverstärker aufweist.
Die Funktionskurve der 4 veranschaulicht ein beispielhaftes, von einem Bewegungssensor 112 (Geophon) detektiertes Signal in einem aktiven Schwingungsisolationssystem 200, ähnlich dem System, das in Verbindung mit 2 beschrieben wurde, an einem ersten Einbauort. Der Bewegungssensor 112 ist eingerichtet, Bewegung in einer y-Richtung an einem ersten Ort an dem aktiven Schwingungsisolationssystems 200 zu sensieren. Weitere Sensoren an mehreren, unterschiedlichen Orten an dem System waren ebenfalls vorhanden, um die in x-, y-, und z-Richtung gerichtete Bewegung an mehr als einem Ort an dem System zu sensieren, Signale von diesen Sensoren sind jedoch zur Vereinfachung des Schaubilds nicht abgebildet. Bei manchen Ausführungsformen können einer oder mehr Bewegungssensoren vorhanden sein, die sich an einzelnen Isolationsanordnungen 105a, 105b befinden, die jeweils eine Zwischenmassenplatte aufweisen und die jeweils eine Nutzlast an einem anderen Ort lagern. Das Signal, das im Schaubild der 4 aufgetragen ist, wurde an einem Einbauort erhalten, wenn keine Rückkopplungs- oder Feed-Forward-Steuerung aktiviert war, um eine Grundliniencharakterisierung schwingungsinduzierter Bewegung der Zwischenmasse an dem Ort zu erhalten. Die Spur gibt an, dass sich Signale von den Bewegungssensoren 112 zu verschiedenen Zeitpunkten sättigen können (Signalpegel von +/- 30.000 Zählern übersteigen). Schwingungsinduzierte Bewegung eines Präzisionsinstruments an diesem Einbauort würden die Fähigkeit oder den Arbeitsbereich eines aktiven Schwingungsisolationssystems 100, das lediglich eine Rückkopplungssteuerung einsetzt, übersteigen, da sie die Linearreichweite des Rückkopplungs-Bewegungssensors 112 übersteigt.
Die Funktionskurve in 5 veranschaulicht ein beispielhaftes Signal, das von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor 112 detektiert wurde, wenn Rückkopplung nur für das in Zusammenhang mit 4 beschriebene Schwingungsisolationssystem zur Anwendung kommt. Die aktive Schwingungsisolation, bei der eine Rückkopplung zum Einsatz kommt, wird bei etwa 2 Sekunden eingeleitet und ist nicht optimal. Große absolute Bewegung (größer als +/- 15.000 Zähler) wird immer noch von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor detektiert. Diese Ergebnisse zeigen an, dass die Rückkopplungs-Bewegungssteuerung allein nicht ausreichend sein kann, um eine von außen induzierte Bewegung in manchen, störungsintensiven Umgebungen auf geeignete Weise zu unterdrücken.
Die Funktionskurve in 6 veranschaulicht zwei beispielhafte Signale von zwei Rückkopplungs-Bewegungssensoren 112 in einem zweiten Schwingungsisolationssystem an einem zweiten Einbauort, bei dem lediglich eine Rückkopplungssteuerung zum Einsatz kommt. Das zweite Schwingungsisolationssystem ist im Wesentlichen gleich dem ersten Schwingungsisolationssystem, wenngleich die Umweltstörungen unterschiedlich sind. Obgleich es verglichen mit dem Fall der 5 weniger Hochfrequenzrauschen und eine verbesserte Rückkopplungssteuerung gibt, gibt es zufällige große Störungen in der Umwelt, die die Rückkopplungs-Bewegungssensoren 112 sättigen können, wie etwa die Störung einer Zwischenmasse 110, die von einem x-Sensor 112 bei etwa 2,5 Sekunden detektiert wurde. Ein Signal von einem y-Sensor 112 ist ebenfalls in der Funktionskurve der 6 gezeigt. Auch in dieser Umgebung können detektierte Abweichungen der Zwischenmasse 15.000 Zähler übersteigen, wenn leidglich eine Rückkopplungssteuerung zum Einsatz kommt.
7 stellt zwei beispielhafte Signale von den gleichen 2 Bewegungssensoren 112 in dem System der 6 dar. Für den Fall der 7 werden wie oben beschrieben sowohl eine Rückkopplungs- als auch eine Boden-Feed-Forward-Steuerung eingesetzt. Bei diesem Beispiel wird die Boden-Feed-Forward-Steuerung bei etwa 5 Sekunden eingeschaltet und der bereits in Betrieb befindlichen Rückkopplungssteuerung hinzuaddiert. Ansonsten sind die Bedingungen die gleichen wie jene für 6. Mit Unterstützung der Boden-Feed-Forward-Steuerung kann das aktive Schwingungsisolationssystem 200 eine geeignete Abschwächung von Schwingungen bereitstellen, ohne zu versagen. Eine Auslenkung der Zwischenmasse um Beträge von mehr als 30.000 Zählern kann auf weniger als 5000 Zähler gedrückt werden, eine Gesamtverringerung um höher als Faktor 6. Selbst verglichen mit dem reinen Rückkopplungsfall, der in 6 gezeigt ist, kann die Verbesserung um mindestens Faktor 4 erfolgen.
Ausführungsformen umfassen Verfahren zum Betreiben aktiver Schwingungsisolationssysteme, die oben beschrieben sind. Ein beispielhaftes Verfahren kann Vorgänge des Installierens eines aktiven Schwingungsisolationssystems mit einem Rückkopplungssensor an einem Einbauort umfassen, der einen Rausch- bzw. Störpegel hat, der den Bereich der Schwingung übersteigt, der von dem aktiven Schwingungsisolationssystem aufgehoben werden kann. Das Verfahren kann das Bereitstellen eines Boden-Feed-Forward-Steuerung-Bewegungssensors umfassen, der eine Empfindlichkeit hat, die kleiner ist als die des Rückkopplungssensors, um die Bewegung einer Basis des aktiven Schwingungsisolationssystems zu detektieren, und das Bereitstellen von Signalen von dem Feed-Forward-Bewegungssensor an Aktuatoren des aktiven Schwingungsisolationssystems umfassen, um die Wirkungen des Schwingungsstörpegels auf einen Bereich zu verringern, der mit einer Rückkopplungssteuerung des aktiven Schwingungsisolationssystems ausgeglichen werden kann.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren kann Vorgänge zum Empfangen eines Feed-Forward-Signals von einem Feed-Forward-Bewegungssensor umfassen, der an einer Basis eines aktiven Schwingungsisolationssystems verbaut ist, wobei das Schwingungsisolationssystem an einem Ort verbaut ist, an dem Schwingungsstörpegel einen Arbeitsbereich einer Rückkopplungsschaltung des Schwingungsisolationssystems übersteigen. Das Verfahren kann ferner das Verarbeiten des Feed-Forward-Signals parallel mit einem Rückkopplungssignal umfassen, das von einem Rückkopplungssensor empfangen wird, der an einer Zwischenmasse des aktiven Schwingungsisolationssystems montiert ist, sowie das Anlegen eines Ansteuersignals zumindest basierend auf dem Feed-Forward-Signal an einen Aktuator des aktiven Schwingungsisolationssystems, um die Wirkungen der Schwingungsstörpegel auf einen Bereich zu verringern, der durch die Rückkopplungssteuerung des aktiven Schwingungsisolationssystems kompensiert werden kann.
Die hier beschriebenen Schwingungsisolationssysteme können in verschiedenen Ausführungen verwirklicht werden. Ausführungsbeispiele können Kombinationen der Ausführungen (1) bis (12) umfassen, die nachfolgend beschrieben werden.

(1) Ein Aktives Schwingungsisolationssystem, aufweisend eine Zwischenmasse; einen Rückkopplungs-Bewegungssensor mit einer ersten Empfindlichkeit, der eingerichtet ist, eine Bewegung der Zwischenmasse zu sensieren; einen Feed-Forward-Bewegungssensor mit einer zweiten Empfindlichkeit, die geringer ist als die erste Empfindlichkeit, und der eingerichtet ist, eine Bewegung einer Basis zu sensieren, welche die Zwischenmasse lagert; einen Aktuator, der eingerichtet ist, die Zwischenmasse bezüglich der Basis anzusteuern; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten und ein Ansteuersignal auszugeben, um den Aktuator anzusteuern, unerwünschte Schwingungsbewegung der Zwischenmasse zu verringern.
(2) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (1), wobei ohne das Anlegen eines Signals von dem Feed-Forward-Bewegungssensor an der Steuerschaltung, Schwingungspegel an einem Installationsort des aktiven Schwingungsisolationssystems Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor sättigen.
(3) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (1) oder (2), wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, um: ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor parallel mit einem Signal von dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten; und die verarbeiteten Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu summieren, um das Ansteuersignal zu erzeugen.
(4) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (3), wobei die Steuerschaltung einen ersten Signalpfad aufweist, der ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor empfängt, wobei der erste Signalpfad aufweist: ein erstes Signalfilter; einen ersten Phasensteller; und einen ersten Verstärker.
(5) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (4), ferner aufweisend einen Analog/Digital-Wandler in dem ersten Signalpfad, wobei das Signalfilter, der Phasensteller und der Verstärker als Software verwirklicht sind, die auf einem Prozessor ausgeführt wird.
(6) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (4) oder (5), wobei die Steuerschaltung einen zweiten Signalpfad aufweist, der ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor empfängt, wobei der zweite Signalpfad aufweist: ein zweites Signalfilter, einen zweiten Phasensteller; und einen zweiten Verstärker.
(7) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (1) bis (6), ferner aufweisend eine Isolationsanordnung, welche beinhaltet: den Aktuator; und eine Entlastungsfeder, die eingerichtet ist, die Zwischenmasse zu lagern.
(8) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (7), wobei die Isolationsanordnung ferner die Zwischenmasse und eine Höhenverstelleinrichtung aufweist.
(9) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung 8, wobei die Isolationsanordnung ferner aufweist: eine Nutzlaststütze; eine Nutzlaststützenfeder, die zwischen die Nutzlaststütze und die Zwischenmasse gekoppelt ist; und einen Dämpfer, der parallel mit der Nutzlaststützenfeder zwischen die Nutzlaststütze und die Zwischenmasse gekoppelt ist.
(10) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (7) bis (9), wobei die Entlastungsfeder bemessen ist, um näherungsweise das gesamte Gewicht einer Nutzlast zu lagern, die an einem Installationsort auf die Isolationsanordnung einwirkt, so dass der Aktuator im Wesentlichen kein Gewicht der Nutzlast lagert.
(11) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (1) bis (10), wobei der Aktuator ein Schwingspulenmotor ist.
(12) Das aktive Schwingungsisolationssystem gemäß Ausgestaltung (1) bis (11), ferner aufweisend: eine erste Isolationsanordnung, die den Aktuator und die Steuerschaltung aufweist, einen ersten Prozessor in der Steuerschaltung, der eingerichtet ist, die Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten; eine zweite Isolationsanordnung, die aufweist: einen zweiten Aktuator, der eingerichtet ist, eine zweite Zwischenmasse bezüglich der Basis anzusteuern; und eine zweite Steuerschaltung, die eingerichtet ist, zweite Signale von einem zweiten Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten und ein zweites Ansteuersignal auszugeben, um den zweiten Aktuator dahingehend anzusteuern, unerwünschte Schwingungsbewegung der zweiten Zwischenmasse zu verringern; und einen zweiten Prozessor in der zweiten Steuerschaltung, der eingerichtet ist, parallel mit dem ersten Prozessor die zweiten Signale von dem zweiten Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten. Verfahren zum Betreiben einer Schwingungsisolationsvorrichtung der vorstehenden Ausgestaltungen umfassen unterschiedliche Kombinationen von Vorgängen, wie sie in den Verfahren (13) bis (17) nachfolgend beschrieben werden.
(13) Ein Verfahren zur Bereitstellung einer Schwingungsisolation für eine Nutzlast an einem Installationsort, wobei das Verfahren folgende Vorgänge umfasst: Bestimmen, dass Schwingungspegel an dem Installationsort Signale sättigen, die von einem oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren empfangen werden, die an einer Zwischenmasse eines aktiven Schwingungsisolationssystems montiert sind, wobei das aktive Schwingungsisolationssystem aufweist: einen Aktuator, der eingerichtet ist, die Zwischenmasse bezüglich einer Basis anzusteuern; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, Signale von einem oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren zu empfangen und ein oder mehr Ansteuersignale auszugeben, um den Aktuator anzusteuern; Bereitstellen von Signalen von einem oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren, die an der Basis montiert sind, an die Steuerschaltung; Verarbeiten der Signale von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren mit der Steuerschaltung; und als Reaktion auf die verarbeiteten Signale von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren, Ansteuern des Aktuators dahingehend, die Bewegung der Zwischenmasse, die durch Bewegung der Basis induziert wird, derart zu verringern, dass Signale, die von dem einen oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren empfangen werden, sich nicht sättigen.
(14) Das Verfahren gemäß Ausgestaltung (13), wobei der eine oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren sich bei ersten Schwingungspegeln sättigen, die höher sind als zweite Schwingungspegel, bei denen sich der eine oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren sättigen.
(15) Das Verfahren gemäß Ausgestaltung (13) oder (14), ferner umfassend das Lagern von näherungsweise dem gesamten Gewicht der Zwischenmasse und eines Gewichts der Nutzlast, die auf die Zwischenmasse einwirkt, mit einer Entlastungsfeder, die parallel mit dem Aktuator zwischen die Zwischenmasse und die Basis gekoppelt ist.
(16) Das Verfahren gemäß Ausgestaltung (15), wobei der Aktuator und die Zwischenmasse Teil einer ersten Isolationsanordnung sind, die einen Teil des Gewichts der Nutzlast lagert, und das aktive Schwingungsisolationssystem zusätzliche Isolationsanordnungen aufweist, die beim Lagern des Gewichts der Nutzlast helfen.
(17) Das Verfahren gemäß Ausgestaltung (13) bis (16), wobei die Schwingungsisolation in mehr als einer Richtung bereitgestellt wird.

Die hier beschriebene Technologie kann als Verfahren verkörpert sein, von dem zumindest ein Beispiel beschrieben wurde. Die Vorgänge, die als Teils des Verfahren durchgeführt werden, können hinsichtlich ihrer Reihenfolge zweckmäßig erfolgen. Dementsprechend können Ausführungsformen konstruiert werden, bei denen Vorgänge in einer anderen als der dargelegten Reihenfolge durchgeführt werden, was das gleichzeitige Durchführen mancher Vorgänge umfassen kann, obgleich diese Vorgänge in Ausführungsbeispielen als aufeinanderfolgende Vorgänge beschrieben wurden. Zudem kann ein Verfahren in manchen Ausführungsformen mehr Vorgänge als die beschriebenen Vorgänge umfassen, und weniger Vorgänge als jene, die in anderen Ausführungsformen beschrieben werden.
Falls nicht anders angegeben werden die Ausdrücke „ungefähr“ und „etwa“ dahingehend verwendet, in manchen Ausführungsformen innerhalb von +/- 20 % einer Zielgröße, in manchen Ausführungsformen innerhalb von +/- 10 % einer Zielgröße, in manchen Ausführungsformen innerhalb von +/- 5 % einer Zielgröße, und in manchen Ausführungsformen innerhalb von +/- 2 % einer Zielgröße zu liegen. Die Ausdrücke „ungefähr“ und „etwa“ können die Zieldimension einschließen. Der Ausdruck „im Wesentlichen“ wird verwendet, um innerhalb von +/- 3% einer Zielgröße zum Ausdruck zu bringen.
Vor dem Hintergrund der Beschreibung zumindest eines Ausführungsbeispiels der Erfindung liegen einem Fachmann verschiedene Abwandlungen, Modifikationen und Verbesserungen nahe. Diese Abwandlungen, Modifikationen und Verbesserungen sollen innerhalb des Geistes und des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Dementsprechend ist die obige Beschreibung als beispielhaft zu verstehen und soll die vorliegende Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62545948 [0001]
US 8899393 [0017]
US 9353824 [0017]
US 5660255 [0018]
US 5823307 [0022]
US 7726452 [0022]

Claims

Aktives Schwingungsisolationssystem, aufweisend: eine Zwischenmasse; einen Rückkopplungs-Bewegungssensor mit einer ersten Empfindlichkeit, der eingerichtet ist, eine Bewegung der Zwischenmasse zu sensieren; einen Feed-Forward-Bewegungssensor mit einer zweiten Empfindlichkeit, die geringer ist als die erste Empfindlichkeit, und der eingerichtet ist, eine Bewegung einer Basis zu sensieren, welche die Zwischenmasse lagert; einen Aktuator, der eingerichtet ist, die Zwischenmasse bezüglich der Basis anzusteuern; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten und ein Ansteuersignal auszugeben, um den Aktuator anzusteuern, unerwünschte Schwingungsbewegung der Zwischenmasse zu verringern.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 1, wobei ohne das Anlegen eines Signals von dem Feed-Forward-Bewegungssensor an der Steuerschaltung, Schwingungspegel an einem Installationsort des aktiven Schwingungsisolationssystems Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor sättigen.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung eingerichtet ist, um: ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor parallel mit einem Signal von dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten; die verarbeiteten Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu summieren, um das Ansteuersignal zu erzeugen.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung einen ersten Signalpfad aufweist, der ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor empfängt, wobei der erste Signalpfad aufweist: ein erstes Signalfilter; einen ersten Phasensteller; und einen ersten Verstärker.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 4, ferner aufweisend einen Analog/Digital-Wandler in dem ersten Signalpfad, wobei das Signalfilter, der Phasensteller und der Verstärker als Software verwirklicht sind, die auf einem Prozessor ausgeführt wird.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 4, wobei die Steuerschaltung einen zweiten Signalpfad aufweist, der ein Signal von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor empfängt, wobei der zweite Signalpfad aufweist: ein zweites Signalfilter; einen zweiten Phasensteller; und einen zweiten Verstärker.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Isolationsanordnung, welche beinhaltet: den Aktuator, und eine Entlastungsfeder, die eingerichtet ist, die Zwischenmasse zu lagern.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 7, wobei die Isolationsanordnung ferner aufweist: eine Zwischenmasse; und eine Höhenverstelleinrichtung.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 8, wobei die Isolationsanordnung ferner aufweist: eine Nutzlaststütze; eine Nutzlaststützenfeder, die zwischen die Nutzlaststütze und die Zwischenmasse gekoppelt ist; und einen Dämpfer, der parallel mit der Nutzlaststützenfeder zwischen die Nutzlaststütze und die Zwischenmasse gekoppelt ist.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 7, wobei die Entlastungsfeder bemessen ist, um näherungsweise das gesamte Gewicht einer Nutzlast zu lagern, die an einem Installationsort auf die Isolationsanordnung einwirkt, so dass der Aktuator im Wesentlichen kein Gewicht der Nutzlast lagert.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Schwingspulenmotor ist.
Aktives Schwingungsisolationssystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: eine erste Isolationsanordnung, die den Aktuator und die Steuerschaltung aufweist; einen ersten Prozessor in der Steuerschaltung, der eingerichtet ist, die Signale von dem Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten; eine zweite Isolationsanordnung, die aufweist: einen zweiten Aktuator, der eingerichtet ist, eine zweite Zwischenmasse bezüglich der Basis anzusteuern; und eine zweite Steuerschaltung, die eingerichtet ist, zweite Signale von einem zweiten Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten und ein zweites Ansteuersignal auszugeben, um den zweiten Aktuator dahingehend anzusteuern, unerwünschte Schwingungsbewegung der zweiten Zwischenmasse zu verringern; und einen zweiten Prozessor in der zweiten Steuerschaltung, der eingerichtet ist, parallel mit dem ersten Prozessor die zweiten Signale von dem zweiten Rückkopplungs-Bewegungssensor und dem Feed-Forward-Bewegungssensor zu verarbeiten.
Verfahren zur Bereitstellung einer Schwingungsisolation für eine Nutzlast an einem Installationsort, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen, dass Schwingungspegel an dem Installationsort Signale sättigen, die aus einem oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren empfangen werden, die an einer Zwischenmasse eines aktiven Schwingungsisolationssystems montiert sind, wobei das aktive Schwingungsisolationssystem aufweist: einen Aktuator, der eingerichtet ist, die Zwischenmasse bezüglich einer Basis anzusteuern; eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, Signale von dem einem oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren zu empfangen und ein oder mehr Ansteuersignale auszugeben, um den Aktuator anzusteuern; Bereitstellen von Signalen von einem oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren, die an der Basis montiert sind, an die Steuerschaltung; Verarbeiten der Signale von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren mit der Steuerschaltung; und als Reaktion auf die verarbeiteten Signale von dem einen oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren, Ansteuern des Aktuators dahingehend, die Bewegung der Zwischenmasse, die durch Bewegung der Basis induziert wird, derart zu verringern, dass Signale, die von dem einen oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren empfangen werden, sich nicht sättigen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der eine oder mehr Feed-Forward-Bewegungssensoren sich bei ersten Schwingungspegeln sättigen, die höher sind als zweite Schwingungspegel, bei denen sich der eine oder mehr Rückkopplungs-Bewegungssensoren sättigen.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend das Lagern von näherungsweise dem gesamten Gewicht der Zwischenmasse und eines Gewichts der Nutzlast, die auf die Zwischenmasse einwirkt, mit einer Entlastungsfeder, die parallel mit dem Aktuator zwischen die Zwischenmasse und die Basis gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Aktuator und die Zwischenmasse Teil einer ersten Isolationsanordnung sind, die einen Teil des Gewichts der Nutzlast lagert, und das aktive Schwingungsisolationssystem zusätzliche Isolationsanordnungen aufweist, die beim Lagern des Gewichts der Nutzlast helfen.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schwingungsisolation in mehr als einer Richtung bereitgestellt wird.