DE3940002A1 - Schwingungsdaempfer mit unterschiedlicher daempfungscharakteristik fuer kleine und grosse schwingungsamplituden - Google Patents

Description

Schwingungsdämpfer werden für die Lagerung von z. B. Maschinen oder Meßgeräten im wesentlichen unter zwei unterschiedlichen Gesichtspunkten eingesetzt. In Maschinen dienen sie haupt­ sächlich dazu, die vom Gerät selbst hervorgerufenen Schwingungen zu dämpfen und damit u. a. eine übermäßige Bean­ spruchung des Gerätes zu vermeiden. In Meßgeräten dagegen haben sie die Aufgabe, dieses gegen Erschütterungen bzw. Vibrationen des Aufstellortes zu isolieren. Entsprechend den unterschiedlichen Aufgaben besitzen die gängigen Schwingungs­ dämpfungssysteme auch unterschiedliche Dämpfungscharakteri­ stiken.

Bei Koordinatenmeßgeräten tritt nun ein besonderes Problem auf: Das Koordinatenmeßgerät ist zum einen ein empfindliches Meßgerät und für den Meßvorgang ist es wichtig, daß im Moment der Antastung des zu vermessenden Werkstücks keine vibrationsbedingten Verlagerungen zwischen dem Tastsystem und den abzulesenden Maßstäben auftreten. Das Gerät muß daher möglichst gut gegen Vibrationen mit in der Regel relativ kleine Amplitude isoliert werden, die in einem Gebäude ständig vorhanden sind und sich über den Boden auf das Gerät übertragen können. Andererseits besitzen die Meßschlitten des Gerätes eine relativ hohe Masse und werden ständig bewegt und dabei beschleunigt und abgebremst. Hierbei führt der Tisch des Gerätes Schwingungen mit relativ großer Amplitude aus, die wegen der geringen Dämpfung des Tisches gegenüber dem Untergrund nur sehr langsam abklingen, so daß sich daraus relativ lange Beruhigungszeiten des Koordinatenmeßgerätes ergeben. Lange Beruhigungszeiten verringern jedoch die Meßge­ schwindigkeit, da Meßwerte in der Regel erst nach dem Ab­ klingen der Eigenbewegungen des Gerätes übernommen werden.

Zwar besteht die Möglichkeit, die Beruhigungszeiten dadurch zu verkürzen, daß man die Dämpfung der an das Gerät ange­ bauten Schwingungsdämpfer stark erhöht. Hierdurch wird jedoch der Untergrund wieder stärker an das Gerät angekoppelt, so daß sich äußere Störungen wieder verstärkt auf das Gerät über­ tragen können.

Für Koordinatenmeßgeräte geeignete Schwingungsdämpfer sollten deshalb zwei einander widersprechende Forderungen erfüllen:

• a) Eine möglichst hohe Dämpfung für die Schwingungen, die das Gerät selbst verursacht. Diese Schwingungen be­ sitzen eine relativ große Amplitude und sind in der Regel niederfrequent;
• b) eine geringe Dämpfung für Schwingungen aus der Umgebung des Koordinatenmeßgerätes. Diese Schwingungen besitzen in der Regel eine relativ kleine Amplitude.

Der ideale Schwingungsdämpfer für ein Koordinatenmeßgerät sollte deshalb die in Fig. 1b bezeichnete Dämpfungs­ charakteristik besitzen. Dort ist die Dämpfung gegen die Amplitude der zu dämpfenden Schwingungen aufgetragen.

Es sind bereits Schwingungsdämpfer bekannt, die abhängig von der Frequenz der zu dämpfenden Vibrationen ein unter­ schiedliches Dämpfungsverhalten besitzen. Solche Dämpfer finden vor allem im Automobilbau Verwendung. In der US-PS 47 56 515 ist beispielsweise ein solcher Dämpfer be­ schrieben. Dieser Dämpfer besitzt jedoch nur ein ein­ dimensionales Dämpfungsverhalten. Für Koordinatenmeßgeräte oder anderen Maschinen, bei denen sich das zu dämpfende Maschinenteil in alle drei Raumrichtungen verlagern kann und dessen Bewegungen dementsprechend bezüglich aller Raum­ richtungen im gleichen Maße gedämpft werden müssen, ist der bekannte Schwingungsdämpfer nicht geeignet.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schwingungsdämpfer der eingangs genannten Art zu schaffen, der seine Funktion gleichzeitig für alle drei Raumrichtungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß der Dämpfer ein viskoses Medium enthält, in dem ein Arbeitskolben allseitig beweglich angeordnet ist und der Dämpfer mit allseitigem Spiel eingebaut ist, das betragsmäßig dem Bereich kleiner Schwingungsamplituden entspricht.

Durch diese Maßnahmen entsteht ein geschachtelter Aufbau aus zwei Systemen mit unterschiedlicher Dämpfungscharakteristik für kleine und große Schwingungsamplituden, das bezüglich aller drei Raumrichtungen wirksam ist. Infolge des allseitig vorhandenen Spiels ist der eigentliche Dämpfer gegenüber Schwingungen mit kleiner Amplitude, die beispielsweise vom Fundament herrühren, wirksam entkoppelt. Eigenschwingungen des Gerätes mit großer Amplitude, die das Spiel überschreiten, haben eine Bewegung des Arbeitskolbens in dem viskosen Medium zur Folge und werden dementsprechend stark gedämpft.

Der Dämpfer kann zweckmäßig die Form zweier ineinander angeordneter, topfartiger Behältnisse aufweisen, wobei eines der Behältnisse das viskose Medium enthält. In dieser Form besitzt der Dämpfer einen besonders einfachen und unkomplizierten Aufbau. Durch geeignete Füllung des zweiten Behältnisses kann die Dämpfungscharakteristik für die Schwingungen mit kleiner Amplitude gezielt eingestellt werden. Zweckmäßig ist in dieses zweite Behältnis ein Medium geringerer Viskosität eingefüllt. Dieses Medium kann auch Luft sein, in dem Falle kommt nur die durch die Aufhängung bzw. Gewichtsentlastung des betreffenden Teils bewirkte Dämpfung zum Tragen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1-5 der Zeichnungen.

Fig. 1a ist eine Prinzipskizze eines mit den erfindungs­ gemäßen Schwingungsdämpfern ausgerüsteten Ko­ ordinatenmeßgerätes;

Fig. 1b ist ein Diagramm, in dem die Dämpfungscharakter­ istik der Dämpfer (8a) und (8b) in Fig. 1a darge­ stellt ist;

Fig. 2a ist eine detaillierte Schnittzeichnung des Dämpfers (8a) aus Fig. 1 in einer seine Symmetrieachse enthaltenden Ebene;

Fig. 2b zeigt das Teil (20/21) in Fig. 2a in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 ist eine Schnittzeichnung des Dämpfers (8a) aus Fig. 2a entlang der Linie III-III;

Fig. 4 ist eine vereinfachte Schnittzeichnung eines Dämpfers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 ist eine vereinfachte Schnittzeichnung eines Dämpfers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 1a dargestellte Koordinatenmeßgerät besitzt einen Tisch (1), auf dem ein Ständer (2) entlang von senkrecht zur Papierebene verlaufenden Führungen verfahrbar ist. In diesem Ständer (2) ist ein Ausleger (3) waagerecht verschieblich gelagert, der wiederum die senkrecht verfahrbare Pinole (4) des Gerätes führt. Am unteren Ende der Pinole (4) ist der Tastkopf (5) des Gerätes befestigt.

Der Tisch (1) liegt über mehrere elastische Elemente wie z. B. Gummipuffer auf einer Fundamentplatte (7) auf. Die elastischen Elemente von denen zwei, nämlich die Elemente (6a) und (6b) zu sehen sind, nehmen das Gewicht der Tischplatte (1) auf und entkoppeln diese gegenüber Schwingungen des Fundamentes. Selbstverständlich können anstelle von Gummipuffern auch andere elastische Elemente wie z. B. Federtöpfe oder Luft­ federn verwendet sein.

Weiterhin sind zwischen die Tischplatte (1) und die Fundamentplatte (7) mehrere Schwingungsdämpfer eingesetzt, von denen zwei, die Dämpfer (8a) und (8b) in der Fig. 1a zu sehen sind. Diese Dämpfer werden nachstehend anhand der Fig. 2a, 2b und 3 beschrieben:

Der Dämpfer (8a) besitzt im wesentlichen die Form zweier topfartiger Behältnisse (10/11) und (17), die ineinanderge­ setzt sind. Der äußere Topf wird durch einen Zylinder (10) gebildet, der auf eine über eine Zwischenplatte (9) mit dem Fundament (7) verbundenen Bodenplatte (11) aufgeschweißt ist. In seinen Innenabmessungen ist er so gewählt, daß zur Außenwand des inneren Topfes (17) nur ein schmaler Spalt (18) verbleibt. Dieser Spalt befindet sich auch zwischen den Böden der beiden Töpfe.

Der innere Topf (17) ist über einen Füllstutzen (19) am Boden des Topfes mit Silikonöl (16) gefüllt, das als Dämpfungsmedium dient. Darin taucht ein zylindrischer Arbeitskolben (14) ein, der seinerseits mittels einer Schraube (15) gegen die Unter­ seite des Tisches (1) des Koordinatenmeßgerätes geschraubt ist. Mit (22) ist eine Beilagescheibe bezeichnet, die zur Einstellung der Eintauchtiefe des Kolbens in das Öl (16) dient.

Der Kolben (14) ist seitlich sowie in der Tiefe gegenüber der Innenwand des inneren Topfes (17) soweit verschiebbar, wie es die größten zu erwartenden Schwingungsamplituden des Tisches (1) erfordern. Am oberen Ende des äußeren Topfes (10) ist innen ein Ring (12) befestigt, der eine Klemmnut aufweist, in die ein den gesamten Schwingungsdämpfer abschließender Gummibalg (13) eingesetzt ist.

Zur Einstellung des Spaltes (18) ist ein Druckstück (20) vorgesehen, in der eine Kugel (21) federnd aufgenommen ist. Der Aufbau dieses federnden Druckstückes geht aus der de­ taillierteren Darstellung nach Fig. 2b hervor. Die Kugel (21) ist darin von einer Feder (24) gegen einen Anschlag vorgespannt und gibt erst ab einer bestimmten Kraft nach. Die Druckkraft der vorgespannten Feder (24) ist mittels einer Schraube (23) nur unwesentlich größer als die Gewichtskraft des inneren Topfes (17) und des darin enthaltenen Silikonöls (16) eingestellt.

Der Spalt (18) zwischen den beiden Töpfen (10) und (17) ist luftgefüllt und bildet das Spiel, unter dem sich die Tischplatte (1) und das Fundament (7) bei auftretenden Schwingungen mit kleiner Amplitude nahezu ungedämpft bzw. nur mit sehr geringer Dämpfung gegeneinander bewegen können. Sobald jedoch Schwingungen mit große Amplitude auftreten, beispielsweise wenn einer der Meßschlitten (2, 3 oder 4) des Koordinatenmeßgerätes in Fig. 1 beschleunigt oder abgebremst wird, wird dieses Spiel überschritten und der innere Topf (17) legt sich an den äußeren Topf (10/11) an. Der das Spiel (18) übersteigende Teil der Schwingungsamplitude bewegt dann den Arbeitskolben (14) im Silikonöl (16), was eine relativ starke Dämpfung zur Folge hat. Über die Spaltbreite (S) läßt sich deshalb die Minimalamplitude A_min einstellen, ab der die Dämpfung stark abfällt (vgl. Fig. 1b).

Die Stärke der Dämpfung läßt sich durch die Viskosität des Öls und die Querschnittsfläche des Arbeitskolbens (14) einstellen. Hierbei ist noch zu bemerken, daß sich ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten in den einzelnen Raumrichtungen dadurch einstellen läßt, daß die wirksame Querschnittsfläche des Arbeitskolbens (14) bezüglich dieser jeweiligen Raumrichtung unterschiedlich groß gemacht wird, d. h. der Arbeitskolben (14) muß nicht notwendigerweise zylindrisch sein, sondern kann auch einen rechteckigen Querschnitt besitzen bzw. mit Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers versehen sein.

Ebenfalls ist es möglich, in den Spalt (18) zwischen dem inneren Topf (17) und dem äußeren Topf (10/11) anstelle von Luft eine Flüssigkeit mit entsprechend geringer Viskosität einzufüllen, um den gewünschten Grad der Dämpfung im Bereich kleiner Schwingungsamplituden einzustellen.

Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, daß das Spiel, bzw. der Spalt (18) explizit zwischen dem äußeren und dem inneren Topf vorhanden ist. Hierzu wird auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 verwiesen. Dort ist der äußere Topf (110) mit viskosem Silikonöl (116) gefüllt und in diesen äußeren Topf (110) taucht der innere Topf (117) ein. In den inneren Topf (117) greift seinerseits ein mit dem zu dämpfenden Tisch verbundenen Zylinder (114) ein, wobei zwischen der Außenseite des Zylinders (114) und der Innenseite des Topfes (117) der schmale Spalt (118), bzw. das Spiel vorgesehen ist. Die ge­ federte Stellschraube (120) dient in diesem Ausführungsbei­ spiel dazu, den Auftrieb des inneren Topfes (117) zu kompen­ sieren und einen Spalt entsprechender Dicke auch zwischen dem Boden des Topfes (117) und dem Zylinder (114) einzu­ stellen.

Weiterhin ist nicht erforderlich, das Spiel in Form eines zylinderförmigen Spaltes zu realisieren. Hierzu wird auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 verwiesen. Auch dort ist der äußere Topf (210) des Schwingungsdämpfers mit viskosem Öl (216) gefüllt und der darin eintauchende innere Topf (217) bildet den Arbeitskolben des Dämpfers. In den inneren Topf (217) greift ein mit der zu dämpfenden Tischplatte verbundener Mitnehmer (214) ein, der an seinem oberen und unteren Ende je drei radial nach außen gerichtete Permanentmagnete (220a, b, c) und (220e, f, g) besitzt. Ein weiterer Permanentmagnet (220d) ist am unteren Ende des Mitnehmes (214) angebracht. Diesen Permanentmagneten stehen zwei radial polarisierte, ringförmige Magnete (222a und 222b) an der Innenseite des Topfes (217) und ein weiterer Magnet (221) am Boden des Topfes (217) gleichsinnig gepolt gegen­ über.

Die abstoßenden Magnetkräfte zentrieren den inneren Topf (217) so zum Mitnehmer (214), daß allseitig nur ein geringes Spiel (218) zwischen den Stirnflächen der entsprechenden Magnetpaare besteht. Übersteigt die Amplitude der zu dämpfenden Schwingung dieses Spiel, so trifft der Mitnehmer (214) auf die Magnete (221, 222a, b) des inneren Topfes (217) auf und bewegt diesen in dem viskosen Silikonöl (216).

Claims (8)

1. Schwingungsdämpfer für z. B. Maschinen und Meßgeräte, mit unterschiedlicher Dämpfungscharakteristik für kleine und große Schwingungsamplituden, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (8; 108; 208) ein viskoses Medium (16; 116; 216) enthält, in dem ein Arbeitskolben (14; 117; 217) allseitig beweglich angeordnet ist, und der Dämpfer mit allseitigem Spiel (18; 118; 218) eingebaut ist, das betragsmäßig dem Bereich kleiner Schwingungsamplituden entspricht.

2. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (8; 108; 208) im wesentlichen die Form zweier ineinander angeordneter, topfartiger Behältnisse (10/17; 110/117; 210/217) aufweist, wobei eines der Behältnisse (17; 110; 210) das viskose Medium (16; 116; 216) enthält.

3. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Behältnis (10; 117; 217) ein Medium geringerer Viskosität enthält.

4. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Behältnis (10; 117; 217) Luft enthält.

5. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Behältnis (17) das viskose Medium enthält und mit allseitigem Spiel in das äußere Behältnis (10) eingesetzt ist.

6. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Behältnis (110; 210) das viskose Medium enthält und das innere Behältnis (117; 217) den Arbeitskolben bildet.

7. Schwingungsdämpfer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch nachgiebige Mittel (21; 121; 221) zur Zentrierung bzw. Gewichtsentlastung des inneren Behältnisses.

8. Verwendung des Schwingungsdämpfers nach einem der Ansprüche 1-7 zur Dämpfung des bewegliche Massen tragenden Tisches eines Koordinatenmeßgerätes.