DE19628974C1 - Einrichtung zur Schwingungsisolierung - Google Patents
Einrichtung zur SchwingungsisolierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schwingungsisolierung eines
Objektes gegenüber einem Untergrund mit einer Luftfeder und einem Sensor
zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem Objekt und dem Untergrund.
Schwingungsempfindliche Meß- und Prüfgeräte benötigen eine aktive oder
passive Schwingungsisolierung und -dämpfung. Einerseits sollen damit
Erschütterungen oder Vibrationen des Aufstellortes mit in der Regel kleinen
Amplituden vom Meßgerät isoliert werden. Andererseits sollen geräteeigene
Schwingungen, die zum Beispiel nach Lastwechsel oder Verfahren beweglicher
Teile auftreten und meistens große Amplituden und niedrige Frequenzen
aufweisen, gedämpft werden. In vielen Anwendungen ist es zusätzlich
erforderlich, Laständerungen im Gerät mit Hilfe einer Niveauregelung zu
kompensieren.
Für diese Anforderungen stehen handelsübliche niveaugeregelte Luftfedern zur
Verfügung. Diese bestehen aus einer Luftfeder zur Schwingungsisolierung,
einer Nivellierschraube zur Festlegung des Sollniveaus des Objekts sowie
einem Regelkreis mit einem pneumatischen Regelventil zur Niveauregelung.
Technische Einzelheiten gehen aus dem Prospekt Nr. BC 6189 RWF 12/89/2000
der Firma Barry Controls GmbH zu ihren BARRY-ISOLAIR-Luftfedern hervor (heraus
gegeben 1989).
Üblicherweise wird ein gegen Bodenschwingungen zu isolierendes Objekt, das
eine Niveauregelung benötigt, auf beispielsweise einer Grundplatte angebracht,
welche auf vier niveaugeregelten Luftfedern aufliegt. Da mit drei
Auflagepunkten die Lage des Objekts statisch bestimmt ist, dürfen nur drei
Regelkreise vorliegen. Daher werden zwei niveaugeregelte Luftfedern
regelungstechnisch zu einer Einheit zusammengefaßt. Mit diesen drei
Regelkreisen wird die Lage des Objekts, zum Beispiel eines Meßgerätes oder
eines Mikroskops, konstant gehalten.
Durch die Verwendung von Luftfedern wird eine wirksame niederfrequente
Schwingungsisolierung bei Bodenerschütterungen bewirkt. Ebenso wird eine
gute Dämpfung bei geräteeigenen Schwingungen erzielt.
Die Funktion der Luftfeder ist durch die Verwendung eines Luftvolumens als
kompressibles Medium sowie einer speziell ausgelegten Membran zur
Eingrenzung des Luftvolumens gegeben. Der erforderliche Luftdruck in der
Feder ist von der aufgebrachten Belastung abhängig. Bei einfachen
Anwendungen werden die Luftfedern mittels einer Luftpumpe aufgeblasen.
Der
Luftdruck muß dabei von Zeit zu Zeit kontrolliert werden. Bei aufwendigeren
Systemen sind die Luftfedern ständig am Luftdrucknetz angeschlossen. Der
gewünschte Luftdruck wird über ein Drosselventil mit Hilfe eines Manometers und
einer Stellschraube auf einen festen Wert eingestellt.
Die Luftfeder besteht schematisch aus einem Unterteil, einem Oberteil und dem
dazwischen befindlichen federnden Luftpolster. Das Unterteil steht auf einem
Untergrund, zum Beispiel dem Gebäudeboden. Auf das Oberteil wird das Objekt
aufgelegt, welches gegen die Schwingungen des Untergrundes isoliert werden
soll.
Bei Lastverschiebungen auf dem Objekt ändern sich die Gewichts- und die
Druckverteilung und somit auch das ursprünglich eingestellte Niveau des
Objekts. Wenn dies unerwünscht ist, ist außer der reinen Schwingungs
isolierung als zusätzliche Funktion eine Niveauregelung erforderlich. Hierzu wird
das jeweils aktuelle Niveau des Objektes über dem Untergrund bestimmt. Wenn
sich das Niveau an einer der Meßstellen durch Lastverschiebung auf dem
Objekt ändert, wird diese Abweichung dadurch korrigiert, daß in der der
Meßstelle zugeordneten Luftfeder der Luftdruck erhöht oder erniedrigt wird. Die
Luftzufuhr und Luftabfuhr wird über das Niveauregelventil gesteuert.
Zur Niveaubestimmung dient ein Ventilstößel eines pneumatischen Regelventils.
Das pneumatische Regelventil ist in der Druckluftzuleitung der Luftfeder
eingebaut und vertikal von außen an der Basis der Luftfeder montiert. Der
Ventilstößel ist vertikal in dem pneumatischen Regelventil angeordnet und durch
eine Rückstellfeder vorgespannt. Er ragt oben aus dem pneumatischen
Regelventil heraus. Die Lage des Ventilstößels regelt die Menge der
Druckluftzufuhr zur Luftfeder.
Das Sollniveau des isoliert gelagerten Objekts kann mittels einer verstellbaren
Referenz eingestellt werden. Dazu ist über dem pneumatischen Regelventil an
dem gefederten Oberteil der Luftfeder vertikal eine Nivellierschraube montiert.
Nach Belastung der Luftfeder durch Auflegen eines Objekts wird die
Nivellierschraube zur Einstellung des Sollniveaus nach oben gedreht, bis sie mit
ihrer Oberkante an die Unterseite des gelagerten Objekts anstößt. Die
Unterkante der Nivellierschraube steht in mechanischem Schluß zur Oberkante
des darunter angeordneten Ventilstößels.
Die Niveauregelung des Objekts erfolgt über das pneumatische Regelventil.
Dazu wird der Abstand des Objekts gegenüber dem Untergrund durch den
Ventilstößel erfaßt, der hier als mechanischer Abstandssensor arbeitet. Der
Ventilstößel hat infolge der mechanischen Federvorspannung dauernden
flexiblen mechanischen Kontakt zur Unterkante der darüber angeordneten
Nivellierschraube.
Steigt durch eine Lastverschiebung an dem Objekt das Gewicht über der
zugeordneten Luftfeder an, wird der Ventilstößel nach unten gedrückt. Dadurch
wird im Ventil ein Zuluftkanal geöffnet, so daß der Druck in der Luftfeder
ansteigt und dadurch das Objekt angehoben wird. Unter dem Einfluß der
Rückstellfeder folgt der Ventilstößel nach, bis das Sollniveau wieder erreicht und
der Zuluftkanal wieder geschlossen ist. Wenn sich das Gewicht über der Luftfeder
verringert und das Objekt angehoben wird, folgt der Ventilstößel und öffnet
damit einen Abluftkanal, über den die Luftdruck in der Luftfeder soweit abgebaut
wird, bis sich das Objekt wieder bis auf das Sollniveau abgesenkt und der
Ventilstößel den Abluftkanal geschlossen hat. Das pneumatische Regelventil
gleicht also den Luftdruck in der Feder in Abhängigkeit von der jeweiligen
Stellung des Ventilstößels so aus, daß die durch die Nivellierschraube
eingestellte Niveaulage wieder eingeregelt wird.
Der prinzipielle Nachteil des Systems liegt in der Verwendung eines
mechanischen Abstandssensors in Form des Ventilstößels. Durch den Kontakt
zwischen Ventilstößel und Nivellierschraube stellt das pneumatische Regelventil
eine mechanische Kopplung des schwingungsgedämpft gelagerten Objekts zum
Untergrund der Luftfeder dar, die im Sinne eines mechanischen
Nebenschlusses die niederfrequente Luftfeder überbrückt.
Ferner stellen die Masse des Ventilstößels und dessen Rückstellfeder ein
schwingungsfähiges System dar, das nach Anregung von außen, beispielsweise
schnellen rhythmischen Belastungsänderungen, Eigenschwingungen ausführen
kann. Dies führt dann zu ständigen Höhenbewegungen des aufgelegten
Objekts.
Außerdem können die Regelparameter des Niveauregelkreises vom Anwender
nicht beeinflußt werden. In manchen Fällen ist es wünschenswert, die Größe
des Volumenstroms oder die Einschwingzeiten zu verändern. Zum Beispiel,
wenn sich durch eine ungünstige geometrische Anordnung der Lagerpunkte die
unabhängig von einander arbeitenden Regelkreise gegenseitig beeinflussen
und das System zur Instabilität, also zum Aufschaukeln, führen oder eine
Blockierung der Schwingungsentkopplung verursachen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße
Einrichtung zur Schwingungsisolierung anzugeben, welche eine mechanische
Entkopplung zwischen Untergrund und dem schwingungszudämpfenden Objekt
gewährleistet und eine Niveauhöheneinstellung mit einstellbaren Regelpara
metern aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen berührungslos arbeitenden
Abstandssensor mit einem elektrisch steuerbaren Durchflußventil und einem
elektronischen Regler in einem Regelkreis zu kombinieren. Über die Auswahl
und Ansteuerung des elektronischen Reglers kann die durchgelassene
Luftmenge im elektrisch steuerbaren Durchflußventil beeinflußt werden. Dabei
kommt der Auswahl des Durchflußventils besondere Bedeutung zu. Als
elektrisch steuerbare Durchflußventile kommen nur Aktoren in Frage. Unter
einem Aktor versteht man allgemein ein Bauteil, das elektrische Signale in
physikalische Größen, wie zum Beispiel Druck oder Kraft, umformt. Aktoren
werden in Regelkreisen als Stellglieder eingesetzt.
Zur Durchflußregelung wird hier ein thermopneumatischer Aktor ausgewählt. Je
nach Anwendungsfall ist auch der Einsatz von piezoelektrischen oder
elektrostatischen Aktoren oder auch von Bimetall-Aktoren möglich.
Piezoelektrische Aktoren sind sehr klein und sehr schnell, können aber nur
kleine Flußmengen oder Drücke steuern. Elektrostatische Aktoren arbeiten bei
kleinen Bauformen nicht proportional, weisen dafür jedoch kurze
Reaktionszeiten auf. Bimetall-Aktoren besitzen kleine Bauformen und
Proportionalverhalten, sind jedoch relativ träge und nur für niedrige Drücke und
Flußraten geeignet.
Den breitesten Anwendungsbereich bietet im Vergleich der thermopneu
matische Aktor. Er arbeitet als reales Proportionalventil und ermöglicht präzises
und hochdynamisches Regelverhalten selbst bei hohen Eingangsdrücken.
Der thermopneumatische Aktor ist ein mikromechanisches Bauteil von geringen
Außenabmessungen von wenigen Kubikmillimetern und geringem Gewicht von
ungefähr 0,2 g. Er besteht im Kern aus einem Siliziumplättchen, in das eine
Vertiefung geätzt ist. Der Vertiefungsboden ist als Membran ausgebildet. Die
Vertiefung ist mit einer Arbeitsflüssigkeit mit hohem Wärmeausdehnungskoeffi
zienten ausgefüllt. Den Deckel über der Vertiefung bildet eine erste Pyrexglas
scheibe mit integriertem Heizwiderstand.
Unter der Membran ist ein Hohlraum, der über die Druckluftzuleitung mit Luft
gefüllt ist. Nach unten ist der Hohlraum durch eine weitere Pyrexglasscheibe
abgeschlossen. Diese zweite Pyrexglasscheibe unter dem Hohlraum besitzt
exakte Kanäle zum Auslassen der Luft.
Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Heizwiderstand dehnt sich
die Arbeitsflüssigkeit aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus
und drückt die Membran gegen die zweite Pyrexglasscheibe, die durch die
exakten Kanäle einen kontrollierten Austritt der Druckluft gewährleistet.
Damit wird der Druckluftdurchsatz durch die Bewegung der extrem leichten
Membran gesteuert, welche wiederum mittelbar elektrisch angesteuert wird. Ein
mechanisches Aufschaukeln wie im pneumatischen Regelventil ist beim
thermopneumatischen Aktor daher ausgeschlossen.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der
schematischen Zeichnung näher erläutert, in der ein Objekt mit mechanisch
isolierter, niveaugeregelter Schwingungsisolierung dargestellt ist.
Die Figur zeigt ein Objekt 1, welches zwecks Schwingungsisolierung auf einer
Luftfeder 2 gelagert ist. Die Luftfeder 2 steht auf einem Untergrund 3. Zur
Bestimmung des Niveaus des Objekts 1 über dem Untergrund 3 ist zwischen
beiden als Abstandssensor ein induktiver Sensor 4 angeordnet. Grundsätzlich
ist jeder berührungsfrei arbeitende Sensor für diese Anwendung geeignet.
Alternativ könnte beispielsweise auch ein optoelektronischer oder ein kapazitiver
Sensor eingesetzt werden. Das Sollniveau wird beispielsweise durch eine
Referenzfläche vorgegeben, die an der Unterseite des Objekts angebracht ist
und deren Höhe über dem Untergrund mittels einer Schraube verändert werden
kann. Diese Referenzfläche ist beispielsweise beim Einsatz einer
Reflexlichtschranke eine optische Reflexionsfläche, beim Einsatz eines
induktiven Sensors eine metallische Fläche oder beim Einsatz eines
magnetoresistiven Sensors eine magnetische Fläche. Anstelle der
höhenverstellbaren Referenzfläche kann auch eine Höhenverstellung des
berührungsfrei arbeitenden Sensors vorgesehen werden, wie dies in der Figur
gezeigt ist.
Das Sensorausgangssignal wird auf den Eingang eines elektronischen Reglers
5 geführt. Das Reglerausgangssignal wird dem elektrischen Eingang eines
elektrisch steuerbaren Durchflußventils 6 in der Druckluftzuleitung 7 der
Luftfeder 2 zugeführt, welches hier durch einen thermopneumatischen Aktor
realisiert ist.
In Abhängigkeit vom Reglerausgangssignal, welches Eingangssignal des
thermopneumatischen Aktors ist, steuert dieser die Druckluftzufuhr zur Luftfeder
2. Der induktive Sensor 4, der elektronische Regler 5 und der
thermopneumatische Aktor bilden einen Regelkreis zur Niveauregelung des
Objekts 1 ohne mechanisch bewegte Teile und ohne mechanischen
Nebenschluß zum Untergrund 3. Bei Druckerhöhung in der Luftfeder 2
oberhalb einer definierten Toleranzgrenze, zum Beispiel bei zusätzlicher
Belastung des Objekts 1, sorgt ein Drosselventil 8 für die erforderliche
Entlüftung.
Bei der hier angewendeten berührungslosen Abstandserfassung wird die
mechanische Kopplung bisher bekannter Isolierungssysteme mit mechanischer
Lageerfassung vermieden und eine echte mechanische Schwingungsisolierung
realisiert. Durch die Verwendung eines thermopneumatischen Aktors als
elektrisch steuerbares Durchflußventil ist ein mechanische Aufschaukeln des
Dämpfungssystems ausgeschlossen. Mit dem elektronischen Regler wird
sowohl die Niveauhöhenregelung als auch die Einstellung der Regelparameter
vorgenommen. Damit kombiniert die Erfindung eine echte
Schwingungsisolierung mit dem Vorzug, die für den jeweiligen Anwendungsfall
günstigsten Regelkreisparameter frei wählen zu können.
Bezugszeichenliste
1 Objekt
2 Luftfeder
3 Untergrund
4 induktiver Sensor als Abstandssensor
5 elektronischer Regler
6 thermopneumatischer Aktor als elektrisch steuerbares Durchflußventil
7 Druckluftzuleitung der Luftfeder
8 Drosselventil
2 Luftfeder
3 Untergrund
4 induktiver Sensor als Abstandssensor
5 elektronischer Regler
6 thermopneumatischer Aktor als elektrisch steuerbares Durchflußventil
7 Druckluftzuleitung der Luftfeder
8 Drosselventil
Claims (5)
1. Einrichtung zur Schwingungsisolierung eines Objekts (1) gegenüber einem
Untergrund (3) mit einer Luftfeder (2) und einem Sensor (4) zur Bestimmung
des Abstandes zwischen dem Objekt (1) und dem Untergrund (3),
dadurch gekennzeichnet, daß
ein berührungslos arbeitender Abstandssensor (4) mit einem elektrischen
Sensorausgangssignal, ein von dem Sensorausgangssignal angesteuerter
elektronischen Regler (5) mit einem Reglerausgangssignal und ein vom
Reglerausgangssignal angesteuertes elektrisch steuerbares Durchflußventil
(6), welches in der Druckluftzuleitung (7) der Luftfeder (2) eingebaut ist, als
Regelkreis angeordnet sind.
2. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslos arbeitende Abstands
sensor (4) ein optoelektronischer Sensor ist.
3. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslos arbeitende Abstands
sensor (3) ein kapazitiver Sensor ist.
4. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslos arbeitende Abstands
sensor (3) ein induktiver Sensor ist.
5. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch steuerbares Durchflußventil (6)
ein thermopneumatischer Aktor eingebaut ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19628974A DE19628974C1 (de) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | Einrichtung zur Schwingungsisolierung |
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Publication Number | Publication Date |
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DE19628974A Revoked DE19628974C1 (de) | 1996-07-18 | 1996-07-18 | Einrichtung zur Schwingungsisolierung |
Country Status (3)
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