DE3106154A1 - Pneumatikkolbenanordnung fuer ein luftisolationssystem und verfahren zum isolieren einer last - Google Patents

Description

Technical Manufacturing Corporation Woburn, MA, V.St.A.

Pneumatikkolbenanordnunft für ein Luf ti so lati ons system und Verfahren zum Isolieren einer Last

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen· der Ansprüche 1 bzw. 10.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Schwingungsisolationssystem.

Die Erfindung betrifft im einzelnen eine pneumatische Schwingungsisolationsvorrichtung der Luftfederbauart, die die waagerechten Komponenten von störenden Schwingungen schwächt und die senkrechten Isolationseigenschaften der pneumatischen Vorrichtung verbessert.

Alle Gebäude schwingen. Durch den Boden übertragene Schwingungen beeinflussen Instrumente und Geräte in unterschiedlichem Ausmass. Ein Schwingungsisolationssystem muss eine

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Eigenfrequenz (Resonanz) haben, die merklich unter der untersten Bodenfrequenz liegt. Hochfrequenzschwingungen (über 25 Hz) können durch herkömmliche statische Steuersysteme leicht geschwächt werden, z. B. durch eine Marmorplatte, die auf G-ummiauflagen, Korb, Glasfaser oder aufgeblasenen Bälgen getragen wird. Ernste Probleme treten für gewöhnlich dann auf, wenn die Böden mit niedriger Frequenzen (7-25 Hz) schwingen. Die meisten statischen Systeme haben ihre Resonanz in oder über diesem Frequenzbereich und verstärken daher die niederfrequenten Schwingungen. Herkömmliche statische Systeme, die für Probleme in Verbindung mit niederfrequenten Schwingungen ausgelegt sind, sind für gewöhnlich zu massiv oder zu instabil, um für die meisten Anwendungen praktisch verwendbar zu sein. Jegliches statischen Niederfrequenzsystem ist sehr empfindlich auf Laständerungen, die Biveauänderungen in der oberen Oberfläche und offensichtliche Operatorprobleme verursachen.

Luftisolationssysteme sind nicht statisch. Sie haben in typischer Weise eine aussergewöhnlich niedrige Eigenfrequenz, was einen hohen Grad an Schwächung und Dämpfung ergibt. Einige Systeme, etwa das MICRO-g-System der Technical Manufacturing Vorporation of Woburn, Massachusetts, haben eine automatische Selbstnivellierung, die hohe Stabilität und eine statische Nullauslenkung ergibt. Diese Luftisolationssysteme sind typisch als freistehende Tische, obere Bankeinheiten uew. erhältlich. Sie sind von der Luftfederbauart, bei der der lasttragende Kolben pneumatisch getragen wird und an einem biegsamen Element befestigt ist. Diese Systeme werden hauptsächlich in Laboratorien für Instrumente, wie Mikroskope, elektronische Waagen usw., und in der Industrie, etwa bei der Herstellung von Mikrominiaturschaltungen und zugehörigen Komponenten, verwendet.

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Der der Erfindung am nächsten kommende Stand der Technik verwendet zwei unterschiedliche Arten von biegsamen Elementen. Beide sind für gewöhnlich ein gewebeverstärktes biegsames Gummieiernent. Die beiden weichen in der Höhe stark voneinander ab und können so hergestellt werden, dass Unterschiede in der verfügbaren Nachgiebigkeit in der waagerechten Richtung bewirkt werden.

Die erste Anwendung der biegsamen Vorrichtung wird für gewöhnlich als eine Membranvorrichtung beschrieben. Sie ist biegsam in der senkrechten Richtung und weniger in der waagerechten Richtung. Ein biegsames Membrandichtelement kann sich zwischen Wänden eines äusseren Halterings und der Seite eines Lasttragkolbens auf- und abrollen. Versionen dieser Membranvorrichtung werden mit variierender Höhe und Breite des ringförmigen Rollteils verwendet, um variierende gewünschte Beträge von waagerechter Nachgiebigkeit zu bewirken.

Eine Vorrichtung dieser Art hat nicht annähernd eine wirksame waagerechte Nachgiebigkeit wie senkrechte Nachgiebigkeit. Das Membransystem hat die Vorteile der Kompaktheit in der senkrechten Richtung und der Sicherheit gegen unerwünschtes Ausweichen in der waagerechten Richtung. Bei der typischen Anwendung in der Technik ist eine Membran 0,025 bis 0,063 mm dünn und wird daher ziemlich leicht gebogen.

Bei der zweiten Anwendung des biegsamen Elements ist die Vorrichtung höher gemacht, kann mehrere Windungen aufweisen und wird so angewendet, dass zur Ermöglichung eines waagerechten Nachgebens Gebrauch von einer vergrösserten Höhe oder von ausgedehnteren Windungen gemacht wird.

Weil dieses letztere biegsame Element eine weitaus grössere Gesamtbelastung tragen muss, ist sie in typischer

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Weise robuster als das Membranelement hergestellt. Es iiat den Vorteil, eine waagerechte Nachgiebigkeit innerhalb der Struktur des Elements selbst zuzulassen. Das Element kann jedoch, sofern es nicht eingezwängt ist, einem übermässigen Ausweichen unterworfen sein. Die Ausweichbedingungen können zusammengesetzt sein,wenn das Element weiter aufgeblasen wird oder wenn es sich zu seinem oberen Bereich bewegt.

Schwingungen liegen natürlich in jedem Gebäude vor und werden in irgendeiner !Form durch das Gebäude und durch die im Gebäude befindlichen Gegenstände, etwa Tische, Bänke usw., übertragen. Die Schwingungen üben auf in einem Gebäude befindliche Gegenstände Kräfte aus, wobei senkrechte und waagerechte (translatorische) Kräfte sich kombinieren zur Erzeugung von komplexen Bewegungen im Gegenstand. Das heisst, eine Bewegung in irgendeiner einzigen Art im Gebäude kann ziemlich schnell andere Arten der Bewegung im Gegenstand erzeugen. In einem Gebäude unterliegt ein Gegenstand, etwa ein Tisch, einer komplexen Auslenk- und Drehbewegung auf Grund seiner Höhe und seines erhöhten Schwerpunkts unabhängig von der Richtung der ursprünglichen Erregungskräfte. Die oben beschriebenen biegsamen Elemente dämpfen und schwächen diese normalerweise in einer waagerechten Ebene wirkenden Kräfte.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines pneumatischen Druckkolbens, der durch Schwingungen erzeugte senkrechte und waagerechte Kräfte sowie Kombinationen hiervon schwächt und dämpft.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

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Die Erfindung betrifft allgemein eine unter Druck stehende gasdichte Kammer, wobei ein erstes langgestrecktes Glied durch eine der Kammerwände hindurchtritt und sich in die Kammer hinein und daraus heraus erstreckt. Es ist eine Einrichtung vorgesehen zum nachgiebigen Befestigen des ersten langgestreckten Glieds innerhalb definierter senkrechter Grenzen in dichter Weise an der Kammer· Das erste Glied bewegt sich gegenüber der Kammer in einem senkrechten Rollbereich. Ein zweites langgestrecktes lasttragendes Glied ist im ersten Glied aufgenommen und wird von diesem unterhalb des senkrechten Rollbereichs schwenkbar getragen. Das obere Ende des zweiten Glieds enthält eine Tragfläche. Das erste und das zweite Glied sind gegeneinander bewegbar.

Die Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben und beansprucht, die eine Einrichtung zum waagerechten Biegen aufweist und eine Entwicklung des Membranprinzips ist. Die Last wird auf das erste Glied ausgeübt, das ein zentraler bewegbarer lasttragender Kolben mit einem gasdichten Fortsatz ist. Das zweite Glied trägt die Last unmittelbar und ist im Fortsatz befestigt. Die Lastkräfte werden auf den Kolben an einer Stelle ausreichend unterhalb des Bereichs des senkrechten Rollens der Membran ausgeübt, wodurch eine Eigenstabilität gewährleistet ist.

Der gasdichte Fortsatz bei einer Ausführungsform enthält einen Kolbenschacht mit einer einfachen Tragebene und eine Einrichtung zum zentralen Festlegen des zweiten lasttragenden Glieds derart, dass eine nachgiebige Kupplung gebildet wird. Bei einer alternativen Ausführungsform enthält der Fortsatz eine sekundäre Membran- und Kolbenanordnung, die vom gleichen Gasdruck gespeist wird, der die erste Membran mit Kolben trägt. In diesem Fall ist das lasttragende Glied starr mit dem Sekundärkolben verbunden.

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Das Prinzip der Erfindung mit dem Schwingungsisolationssystem ermöglicht es waagerechten Kräften, den lasttragenden Kolben in kardanischer Art zu betätigen. Die Nachgiebigkeit des Kolbens und der Membran sprechen auf den waagerechten Eingang an, in dem sie ihn in eine senkrechte Bewegung umformen: eine Seite des Kolbens nach oben, die andere nach unten in einer rollenden kardanartigen Bewegung, für die sich das hochnachgiebige Membransystem ausgesprochen gut eignet. Der Kolben wird gegen eine Beschädigung durch Überbewegung in senkrechter Richtung begrenzt. Diese Begrenzung hindert die untere nachgiebige Terbindung daran, jemals über die Rollmitte der Membran anzusteigen und instabil angeordnet zu werden.

Die Wirkung der rollenden "Kardan"-Bewegung der Membran ist nicht einfach diejenige eines Pendels. Bei der bisherigen Schwingungsisoliertechnik wurde häufig Gebrauch von einer mechanischen Pendelaufhängung gemacht, um eine waagerechte Nachgiebigkeit im gesamten Aufhängungssystem zuzulassen. Die Beobachtung der charakteristischen Bewegung des Kardankolbens hat gezeigt, dass sein Betriebsverhalten eine weitaus niedrigere Resonanzfrequenz erzeugt, als es ein einfaches Pendel derselben Länge machen würde.

im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines schwingungsfreien luftisolierten Tischs mit der Erfindung;

ELg. 2 einen Längsschnitt einer Anordnung der bevorzugten Ausführung;

3 einen Längsschnitt einer alternativen Anordnung der Erfindung.

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Fig.1 zeigt einen schwingungsfreien isolierten Tisch 10 mit Beinen 12, einem L uf ti sol at ions sy st em 14 und einer oberen Oberfläche 16 in Sehrägitnsicht.

Das System 14 enthält drei Ventileinstellauflagen 18, Servoventile 20, ein Tischluftmanometer 22, einen Lufteinlass 24 und vier lasttragende pneumatische Kolbenanordnungen 30. Eine Kolbenanordnung 30 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt.

Gemäss iig. 2 enthält die Kolbenanordnung 30 eine lasttragende Kammer 32 mit einem Boden 34, vier Wänden 36 und einer sich einwärts erstreckenden ringförmigen Platte 38, die am Tisch starr befestigt ist. Ein Anschluss 40 stellt eine Verbindung mit einer nicht gezeigten Druckleitung her zur Einführung von Druckluft in die Kammer. Ein Anschluss 42 stellt eine Verbindung mit einem Druekschlauch her, dessen Öffnung mit einer nicht gezeigten unter Druck stehenden Dämpfungskammer in Verbindung steht.

In der Kammer 32 ist ein erstes langgestrecktes Glied 50 aufgenommen. Das Glied 50 enthält einen Kolben 52 mit einer nach unten abstehenden Schürze 54, die ein erweitertes Ende 56 aufweist. Zwischen dem Kolben und dem Ende befinden sich Abstandsringe 58 und eine bewegungsbegrenzende Scheibe 60. Ein an beiden Enden mit Gewinde versehener Kolbenschacht 62 ist an seinem oberen Ende dicht mit der Innenfläche des Kolbens 52 verbunden. Eine Kappe 64 mit einer nach oben weisenden Lagerplatte 66 ist dicht mit dem unteren Ende des Kolbenschachta 62 verbunden.

Das Glied 50 ist nachgiebig und dicht an der Kammer 32 befestigt. Zwischen den Ringen 58 und dem Kolben 52 und an der Platte 38 ist durch einen Klemmring 70 eine ringförmige Membran 68 befestigt.

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Das Glied 50 wird in der unter Druck stehenden Kammer 32 pneumatisch getragen. Die aufwärtsgerichtete senkrechte Bewegung L_u des Glieds wird durch die bewegungsbegrenzende Scheibe 60 kontrolliert. Die abwärtsgerichtete senkrechte Bewegung L^ des Glieds wird durch die die Blöcke oder den Klemmring 70 berührende Platte 84 gesteuert.

Im Kolbenschaft 62 ist ein zweites langgestrecktes oder lasttragendes Glied 80 schwenkbar aufgenommen, das eine Tragstange 82 aufweist mit einem oberen Ende, an dem die Tragplatte 84 aufgenommen ist, und mit einem durch eine Ausnehmung 86 gekennzeichneten¹ unteren Ende. In der Ausnehmung 86 ist ein die Lagerplatte 66 berührendes Kugellager 88 befestigt. Durch den Berührungspunkt SP erstreckt sich eine waagerechte Tragebene. Ein biegsamer O-Eing 90 hält oder verspannt das Glied 80 ausgefluchtet mit dem Kolbenschacht. Das heisst, unter idealen statischen Bedingungen fallen die Längsachsen des ersten und des zweiten Glieds zusammen.

Die senkrechte Eollmitte (VIiC) ist in Fig. 2 angegeben. Der Bereich des senkrechten Eollens ist schraffiert. Die Stelle, wo das Kugellager die Lagerplatte berührt, d. h. wo die Lastkräite getragen werden, befindet sich ausgeprägt unter dem Bereich des senkrechten Eollens der Membran.

Zur Bestimmung der Wirksamkeit der Erfindung wurden Versuche ausgeführt, durch Ausüben von Schwingungskräften auf einen Schwingungsisolationstisch 10. Beim Beispiel wurde ein MOEO-g-Isolationr.tisch, Modell No. 2536-S16-4-3OF, verwendet, der eine obere Platte von etwa 609 x 863 hatte und so dimensioniert war, dass er eine Last von 204 kg lieferte. Die einzige Abweichung von den Standardmodellen, wie sie verkauft werden, bestand darin, dass die pneumatischen Kolben die beschriebenen nach der Erfin-

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dung waren. Die Verbindung mit der Dämpfungskammer war dieselbe wie beim im Handel erhältlichen Modell, wobei

der Druck in beiden Kamnern beim Gleichgewicht 4,2 kg/cm betrug. Die auf die Lasi;kammer (32 von Fig. 2) wirkenden senkrechten Schwingungen von 5 und 10 Hz wurden um über 90 % abgeschwächt, während Schwingungen von 5 und 10 Hz in der waagerechten Richtung ebenfalls um mehr als 90 % abgeschwächt wurden. Die Messungen wurden mit einem Seismometer ausgeführt. Bei den bisherigen Vorrichtungen wurden die waagerechten Kräfte (Schwingungen) im wesentlichen nicht abgeschwächt.

Eine alternative Ausführungsfonn der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Eine Anordnung 100 enthält eine Kammer 102, einen Boden 104 und Wänae 106. Die Druckleitungseinlassöffnung und die Yerbinding mit der Dämpfungskammer sind nicht gezeigt. Eine ringförmige obere Tragplatte 108 ist starr am Tisch befestigt und mit den Wänden 106 verbunden.

Ein erstes langgestrecktes Glied 110 enthält einen Primärkolben 114 und eine nach unten abstehende Schürze 116. Eine ringförmige Platte 118 verbindet eine zylindrische Wand 120 mit der Schürze 116. line ringförmige Membran ist durch einen ringförmigen Klemmring 124 am Element und an der Platte 108 befestigt.

Eine scheibenförmige Membran 126 ist an das nach unten abstehende Ende der Wand 120 geklemmt und trägt einen Sekundärkolben 128.

Ein zweites Glied oder lasttragendes Glied 130 enthält eine Säule 132 mit oberen und unteren Enden. Das untere Ende der Säule ist am Kolben 128 befestigt, während ilir oberes Ende mit einer Tragplatte 134 verbunden ist. Die senkrechte Eollmitte und der senkrechte Rollbereich sind wie in Fig. 2 angegeben.

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Claims (11)

1. Ansprüche

   Pneumatikkolbenanordnung für ein Luftisolationssystem,

   - bei dem eine waagerechte fläche gegenüber Schwingungen dadurch isoliert wird, dass sie durch Pneumatikkolbenanordnungen getragen wird, die jeweils eine Lastkammer und eine Dämpfungskamm er aufweisen, die unter Druck stehen,

   gekennzeichnet ,

   - durch ein erstes Glied (52), das in der Lastkammer (32) nachgiebig und druckdicht aufgenommen ist und einen schürzenartigen Fortsatz (62) aufweist,

   - durch eine Einrichtung (68) zur nachgiebigen Befestigung des ersten Glieds (52) in der Lastkammer (32), wobei das erste Glied (52) vom Druck in der Lastkammer (32) getragen wird und die Lastkammer (32) sowie das erste Glied (52) bezüglich einer senkrechten Rollmitte CVRC) in einem senkrechten Rollbereich gegeneinander bewegbar sind,

   - durch ein langgestrecktes lasttragendes zweites Glied (80), das unter dem senkrechten Rollbereich am ersten Glied (52) schwenkbar befestigt ist, zur Ermöglichung einer Schwenkbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Glied (52,80),wobei das obere Ende des zweiten Glieds (80) eine Tragplatte (84) zum Tragen einer zu isolierenden Last aufweist, und

   - durch Einrichtungen (68, 84) zur Begrenung der

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   senkrechten Bewegung des ersten und des zweiten Glieds (52, 80) zwischen oberen bzw. unteren Grenzen des senkrechten Rollbereichs,

   - wodurch die auf die Lastkammer (32) wirkenden Kräfte durch das erste Glied (52) im wesentlichen absorbiert werden, das sich gegenüber der Stellung des zweiten Glieds (80) bewegt zur Isolierung des zweiten Glieds (80) und der getragenen Last gegenüber den Kräften (z. B. Fig. 2).
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass das erste Glied ein ringförmiger Kolben (52) ist,

   - dass die Einrichtung zur Befestigung des Kolbens (52) an der Lastkammer (32) eine ringförmige Membran (68) aufweist,

   - dass der schürzenartige Fortsatz ein Kolbenschacht (62) ist und in seinem nach unten abstehenden Ende eine nach oben weisende Lagerfläche (66) aufweist und

   - dass das zweite Glied (80) durch den Kolben (52) hindurchtritt und die Lagerfläche (66) schwenkbar berührt (Fig. 2).
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass der schürzenartige Fortsatz (62) eine an ihm befestigte bewegungsbegrenzende Scheibe (60) zur Bildung des oberen senkrechten Grenze aufweist und

   - dass sich die Scheibe (60) über den Aussenumfang . des Kolbens (52) erstreckt und die Kammerwand (38) berührt, wenn sich das erste Glied (52) nach oben bewegt (z. B. Fig. 2).
4. 4. Anordnung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet,

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   - dass die Tragplatte (84) des zweiten Glieds (80) zur Bildung der unteren senkrechten Grenze von der Kammerwand (38) beabstancet ist und die Kammerwand (38) berührt, wenn sich aas erste Glied (52) nach unten bewegt (z. B. !ig. 2).
5. 5· Anordnung nach Anspruch 2,
   gekennzeichnet

   - durch eine Einrichtung (90) zum elastischen Halten des zweiten Glieds (80) im ersten Glied (52),

   - wobei die Einrichtung (90) das zweite Glied (80) in eine Stellung vorspannt, in der die Längsachsen des ersten und des zweiten Glieds (52, 80) zusammenfallen (SIg. 2).
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5j dadurch gekennzeichnet,

   - dass der schürzenartige Fortsatz (62) eine Lagerfläche (66) aufweist und

   - dass das nach unten abstehende Ende des zweiten Glieds (80) ein daran befestigtes Kugellager (88) aufweist, das die Lagerfläche (66) berührt (Fig. 2).
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass das erste Glied einen Primärkolben (114) und eine daran befestigte nach unten abstehende zylindrische Wand (120) aufweißt,

   - dass ein Sekundärkolben (128) nachgiebig mit dem nach unten abstehenden Ende der ringförmigen zylindrischen Wand (120) verbunden ist, und

   - dass das zweite Glied (130) mit dem Sekundärkolben (128) in Eingriff steht (Fig. 3).
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7»
   dadurch gekennzeichnet,

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   - dass eine Einrichtung zur Befestigung des Sekundärkolbens (128) an der zylindrischen Wand (120) eine biegsame Membran (125) aufweist.
9. 9. .Anordnung nach. Anspruch 7»
   dadurch gekennzeichnet,

   - dass eine Einrichtung zur Befestigung des ersten
   Glieds (114·) an der Kammer (102) eine ringförmige Membran (122) ist.
10. 10. Verfahren zum Isolieren einer Last,
    gekennzeichnet,

    - durch Bilden einer Kammer,

    - durch in der Kammer erfolgendes nachgebendes Tragen eines ersten langgestreckten Glieds, wobei die Kammer und das Glied gegenüber einer senkrechten Sollmitte gegeneinander bewegbar sind,

    - durch schwenkbares Tragen eines zweiten langgestreckten Glieds im ersten Glied unterhalb der senkrechten Rollmitte, wobei das zweite Glied eine Last tragen kann, und

    - durch Aufrechterhalten der Kammer unter Druck, wodurch auf die Kammer wirkende Kräfte durch die Kammer übertragen verden und auf das erste Glied wirken, wodurch sich das erste Glied gegenüber der Kammer bewegt zur Bewegung des ersten Glieds gegenüber dem zweiten Glied und wodurch das zweite Glied und die hiervon getragene Last im wesentlichen gegen
    Bewegung isoliert werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 10
    gekennzeichnet

    - durch Bilden von oberen und unteren Grenzen zum
    Steuern der senkrechten Bewegung der Glieder.

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