DE69329936T2

DE69329936T2 - Schwingungsisolationssystem

Info

Publication number: DE69329936T2
Application number: DE69329936T
Authority: DE
Inventors: J. Cunningham; L. Platus
Original assignee: Minus K Tech Inc
Current assignee: Minus K Tech Inc
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 2001-05-31
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: EP0710344A1; JPH08504255A; EP0710344B1; CA2150955C; DE69329936D1; EP0710344A4; JP3851654B2; WO1994013999A1; ATE199177T1; CA2150955A1

Description

In bezug stehende Anmeldungen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schwingungsisolationssystem und beruht auf der WO91/02921.

Hinterrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Aufhängungssysteme und Verfahren zum Isolieren und Reduzieren der Übertragung von Schwingungsbewegungen zwischen einem Gegenstand und einem Sockel, und insbesondere auf ein kompaktes, omnidirektionales schwingungsisolierendes bzw. Aufhängungssystem; das eine niedrige Steifigkeit, hohe Dämpfungs- zu Grenzresonanzantworten des Systems, eine effektive Isolierung bei höheren Frequenzen und hohe Isolator-Resonanzfrequenzen aufweist und veränderliche Gewichtsbelastungen aufnehmen kann, ohne daß sich die Leistungsfähigkeit des Isolationssystems wesentlich verschlechtert.

Beschreibung des in bezug stehenden Stands der Technik

Die Probleme, die durch unerwünschte Schwingungen an bewegungsempfindlichen Ausrüstungsteilen und Vorrichtungen hervorgerufen werden, sind weithin untersucht worden, und zahlreiche Lösungen sind vorgeschlagen und entwickelt worden, um die Übertragung von Schwingungsbewegungen zu verhindern oder zu reduzieren. Viele der Vorrichtungen, die dazu bestimmt sind, die Übertragung von unerwünschten Schwingungen zwischen einem Gegenstand und seiner Umgebung zu reduzieren, und die allgemein als Schwingungsisolatoren oder Aufhängungsvorrichtungen bezeichnet werden, weisen unterschiedliche Kombinationen von Elementen auf, wie bspw. elastische Kissenelemente, die aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt werden, unterschiedliche Typen von mechanischen Federn und pneumatische Vorrichtungen. Mit diesen speziellen Isolationssystemen aus dem Stand der Technik sind allerdings Unzulänglichkeiten und Nachteile verbunden, die verhindern, daß niedrige Systemeigenfrequenzen erhalten werden und Resonanzantworten auf niedrige Werte beschränkt bleiben, während bei höheren Frequenzen gute Isolierungseigenschaften erzielt werden.
Diese Unzulänglichkeiten und Nachteile der Systeme aus dem Stand der Technik waren Gegenstand der Entwicklung eines neuartigen Schwingungsisolationssystems und neuartiger Vorrichtungen und Verfahren zum Nachrüsten vorhandener Schwingungsisolationssysteme, die in der internationalen Patentanmeldung PCT/US90/04608 beschrieben ist, die als WO91/02921 - "Schwingungsisolationssystem" - veröffentlicht ist. Die in der WO91/02921 beschriebenen, speziellen Schwingungsisolationssysteme bieten eine anpassungsfähige Schwingungsisolierung, indem sie eine niedrige Steifigkeit in einer axialen Richtung aufweisen (was im allgemeinen die Richtung der Nennbelastung ist) und in einer beliebigen Richtung, die im wesentlichen quer zu der axialen Richtung ist (im allgemeinen eine horizontale Richtung). Ein spezielles, in der WO91/02921 beschriebenes System verwendet eine Kombination von Isolatoren, die axial in Reihe miteinander verbunden werden können, um eine omnidirektionale Isolierung bereitzustellen. Jeder Isolator ist dafür ausgelegt, entweder die axiale oder die quergerichtete Komponente einer beliebigen Schwingungsbewegung zu isolieren, um effektiv Schwingungen in allen Richtungen zu isolieren. In der nachfolgenden Beschreibung wird auf einen Axialbewegungsisolator als Vertikalbewegungsisolator Bezug genommen, und auf das System von Axialbewegungsisolatoren wird als Vertikalbewegungsisolationssystem Bezug genommen. In ähnlicher Weise wird auf einen Querbewegungsisolator als Horizontalbewegungsisolator Bezug genommen, und auf das System von Querbewegungsisolatoren wird als das Horizontalbewegungsisolationssystem Bezug genommen.
In den in der WO91/02921 beschriebenen Ausführungsformen beruht der Isolator auf dem Prinzip, daß eine bestimmte elastische Struktur belastet wird, die den Isolator oder einen Teil davon bildet, wobei die Belastung entweder durch das abgestützte Gewicht oder durch einen externen Belastungsmechanismus aufgebracht wird, um den Punkt der elastischen Instabilität der elastischen Struktur anzunähern. Diese Belastung, um diesen Punkt der elastischen Instabilität zu erreichen, die auch als "kritische Beullast" der Struktur bezeichnet wird, bewirkt eine wesentliche Verminderung entweder der vertikalen oder der horizontalen Steifigkeit des Isolators, so daß ein Isolationssystem geschaffen wird, das eine niedrige Steifigkeit (die gleich oder nahezu gleich null gemacht werden kann) in der vertikalen und in einer beliebigen horizontalen Richtung aufweist, und vergrößert die inhärente Dämpfung der Struktur. Während die Steifigkeit reduziert wird, wird bei diesen Isolatoren noch die Fähigkeit beibehalten, die Nennbelastung bzw. das Nenngewicht abzustützen.
Wenn die Last auf einer elastischen Struktur mit einer Instabilität größer ist als die kritische Beullast, weist die überschüssige Last eine Neigung auf, die Struktur in ihre gebeulte Form zu bewegen, wodurch ein Mechanismus mit "negativer Steifigkeit" oder "negativer Federcharakteristik" erzeugt wird. Dadurch, daß man einen Mechanismus mit negativer Steifigkeit mit einer Feder kombiniert, die so eingestellt ist, daß die negative Steifigkeit die positive Steifigkeit der Feder ganz oder nahezu ganz ausgleicht, erhält man eine Vorrichtung, die an ihrem oder in der Nähe ihres Punkts der elastischen Instabilität angeordnet werden kann. Die Größe der Last, die die negative Steifigkeit hervorruft, kann eingestellt werden, wodurch ein Isolator geschaffen wird, der auf die gewünschte bestimmte Steifigkeit "fein eingestellt" werden kann.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Aufhängungssystem mit verbesserter Leistungsfähigkeit im Vergleich zu dem in der WO91/02921 beschriebenen Schwingungsisolationssystem bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem zum Abstützen eines Gegenstandes in einer Gleichgewichtsposition relativ zu einem Sockel bereitgestellt, wobei die Übertragung von Schwingungsbewegungen zwischen dem Gegenstand und dem Sockel unterdrückt wird, mit:
zumindest einer zusammengesetzten Aufhängevorrichtung, die zwischen dem Gegenstand und dem Sockel angeschlossen ist, um den Gegenstand in einer axialen Richtung abzustützen, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Aufhängevorrichtung umfaßt:
einem ersten Aufhängungsisolator, der eine Kraftaufnahmefähigkeit in der axialen Richtung zum Abstützen des Gegenstands und eine relative große axiale Steifigkeit und eine relativ geringe Steifigkeit in Richtungen quer zu der axialen Richtung aufweist; und
einem zweiten Aufhängungsisolator, der wirkungsmäßig in Reihe mit dem ersten Aufhängungsisolator angeschlossen ist, wobei der zweite Aufhängungsisolator umfaßt:
eine Federeinrichtung, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist und dazu bestimmt ist, eine positive Steifigkeit in der axialen Richtung bereitzustellen, und die eine Kraftaufnahmefähigkeit in der axialen Richtung zum Abstützen des Gegenstands aufweist; und
eine Einrichtung zum Erzeugen einer negativen Steifigkeit in der axialen Richtung, die wirkungsmäßig mit der Federeinrichtung verbunden ist, wobei die Federeinrichtung und die Einrichtung zum Erzeugen einer negativen Steifigkeit gemeinsam eine geringe vertikale Steifigkeit erzeugen; und
eine Kipp-Biege-Anordnung, die wirkungsmäßig in Reihe mit entweder dem ersten oder dem zweiten Isolator angeordnet ist, wobei die Kipp-Biege-Anordnung eine Kraftaufnahmefähigkeit in der axialen Richtung zum Abstützen des Gegenstands und eine relativ niedrige Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen aufweist, um schaukelnde bzw. hin- und hergehende Schwingungen zwischen dem Gegenstand und dem Sockel zu reduzieren.
Mit der vorliegenden Erfindung können die Resonanzfrequnzen der inneren Struktur des Isolators wesentlich vergrößert werden, während der Isolator die gleiche niedrige vertikale und horizontale Steifigkeit und niedrige Systemresonanzfrequenzen aufweist, so daß sich eine verbesserte Leistungsfähigkeit bei höheren Frequenzen ergibt. Die vorliegende Erfindung macht es ferner möglich, einen zusammengesetzten Isolator mit verbesserter Leistungsfähigkeit bereitzustellen, der aus einem Vertikalbewegungsisolator besteht, wobei radiale Biegungselemente mit einer zentralen Nabe verbunden sind und ein oder mehrere Horizontalbewegungs-Tragsäulen-Isolatoren wirkungsmäßig mit der zentralen Nabe verbunden sind, dadurch, daß die Rotationssteifigkeit der zentralen Nabe relativ zu dem Sockel um eine beliebige horizontale Achse vergrößert wird und dadurch eine stabilere Plattform für die Tragsäulen und eine bessere Entkopplung zwischen dem Vertikalbewegungsisolator und dem Horizontalbewegungsisolator geschaffen wird.
Die vorliegende Erfindung macht es ferner möglich, größere Umverteilungen des Gewichts des isolierten Gegenstandes passiv aufzunehmen, wie sie bei Ausrüstungen mit sich bewegenden Bereichen auftreten, wie bspw. in Schrittschaltvorrichtungen bei Wafern und in Koordinatenmeßvorrichtungen und anderen Anwendungen, ohne daß der freie Weg der Vertikalbewegungsisolatoren überschritten wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Rotations- oder Schaukelsteifigkeit der Isolatoren um eine beliebige horizontale Achse maßzuschneidern, um die schaukelartigen Verlagerungen des isolierten Gegenstands ansprechend auf die Drehmomente, die durch die Umverteilung des Gewichts des isolierten Gegenstands hervorgerufen werden, zu begrenzen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird bei einem Vertikalbewegungsisolator eine Einstellmutter verwendet, um den Sockel einer die Nutz- bzw. Nennlast abstützenden Feder anzuheben und abzusenken, um unterschiedliche Gewichtslasten aufzunehmen und um die Position des Isolators zwischen den oberen und unteren Anschlägen einzustellen.
Bei einem typischen Vertikalbewegungsisolator, der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, wird eine Federeinrichtung verwendet, um das Nennbelastungsgewicht abzustützen, und ein Mechanismus mit negativer Steifigkeit, der radial zusammengedrückte, radiale Biegungselementanordnungen umfaßt, die an ihren inneren Endabschnitten an eine zentrale Nabe angeschlossen sind. Die Federeinrichtung ist zwischen der zentralen Nabe und einem Sockel angeschlossen. Das äußere Ende von zumindest einer der radialen Biegungselementanordnungen ist an einen Verbindungsblock angeschlossen, der an eine verformte, elastische Lastbiegungsanordnung angeschlossen ist, der die radialen Kompressionslasten bereitstellt. Jede radiale Biegungselementanordnung umfaßt zumindest zwei radiale Biegungselemente oder flache Federelemente, die in der vertikalen Richtung beabstandet sind, und jede Lastbiegungselementanordnung umfaßt zumindest zwei Lastbiegungselemente oder flache Federelemente, die in der radialen Richtung beabstandet sind. Ein Ende eines jeden Lastbiegungselements ist an den Verbindungsblock angeschlossen, und das andere Ende ist an den Sockel angeschlossen. Ein Horizontalbewegungsisolator, der eine elastische Struktur aufweist, die eine relativ große Steifigkeit in der vertikalen Richtung und eine geringe Steifigkeit in einer beliebigen horizontalen Richtung aufweist, ist wirkungsmäßig zwischen der zentralen Nabe und der Nutzlast angeschlossen.
Die Kombination aus vertikal beabstandeten radialen Biegungselementen und radial beabstandeten Lastbiegungselementen, die durch einen Verbindungsblock miteinander verbunden sind, stellt eine Isolatorstruktur bereit, die eine relativ niedrige Steifigkeit für eine vertikale Verlagerung der zentralen Nabe relativ zu dem Sockel aufweist, und eine relativ niedrige Steifigkeit der Lastbiegungselemente ansprechend auf eine radiale Ablenkung des Verbindungsblocks, so daß eine praktisch vollständig konstante Radialkraft auf die radialen Biegungselemente und die Wirkung einer nahezu vollständig konstanten negativen Steifigkeit aufrechterhalten wird. Allerdings ist die Isolatorstruktur sehr steif ansprechend auf Drehungen oder horizontale Verlagerungen der zentralen Nabe relativ zu dem Sockelteil, was zu sehr hohen Isolatorresonanzen führt, die diesen Verformungsarten zugeordnet sind, und zu sehr hohen Frequenzen, bis zu denen das Durchlässigkeitsverhalten des Isolationssystems sich dem nahezu idealen Verhalten eines Systems mit einem einzelnen Freiheitsgrad annähert, wodurch die Leistungsfähigkeit zur Isolation von hohen Frequenzen von erfindungsgemäß ausgeführten Isolationssystemen verbessert wird.
Die hohe Steifigkeit der vorliegenden Struktur eines Vertikalbewegungsisolators ansprechend auf Drehungen oder horizontale Verlagerungen der zentralen Nabe relativ zu dem Sockel führt auch zu einer stabilen Plattform für einen Horizontalbewegungsisolator, bspw. für einen oder mehrere Tragsäulen, die wirkungsmäßig mit der zentralen Nabe verbunden sind, um einen zusammengesetzten onmidirektionalen Isolator zu erzeugen.
In einer speziellen Ausführungsform eines zusammengesetzten Isolators, der entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, wird bei dem Vertikalbewegungsisolator eine Spiralfeder verwendet, die wirkungsmäßig zwischen einer zentralen Nabe und einer Sockelplattform angeschlossen ist, um die Nutzlast zu tragen, wobei ein Mechanismus mit negativer Steifigkeit mit der zentralen Nabe verbunden ist, der die Steifigkeit der Feder eliminiert. Der Mechanismus mit negativer Steifigkeit umfaßt zwei radiale Biegungselementanordnungen, die um 180º gegeneinander versetzt sind, wobei das äußere Ende einer radialen Biegungselementanordnung an einem starren Stützpfosten angeschlossen ist, der sich von der Sockelplattform nach oben erstreckt, und das andere Ende der anderen radialen Biegungselementanordnung durch einen Verbindungsblock mit einer Lastbiegungselementanordnung verbunden ist, die eine radiale zusammendrückende Belastung auf die radialen Biegungselementanordnungen bringt, wodurch der Effekt der negativen Steifigkeit erzeugt wird.
Jede radiale Biegungselementanordnung weist zwei horizontal beabstandete Paare von radialen Biegungselementen auf, wobei jedes Paar zwei radiale Biegungselemente umfaßt, die in vertikaler Richtung mit Abstandsblöcken an der zentralen Nabe und an ihren äußeren Enden beabstandet sind. Die Lastbiegungselementanordnung umfaßt zwei Lasibiegungselemente, die einen radialen Abstand voneinander aufweisen, und die von der Sockelplattform einseitig nach oben auskragen und an ihren oberen Enden mit einem Verbindungsblock verbunden sind, der an einer radialen Biegungselementanordnung befestigt ist. Der Isolator ist so ausgelegt und zusammengesetzt, daß die oberen Enden der Lastbiegungselemente relativ zu ihren unteren Enden radial auswärts verlagert sind, so daß die Biegungselemente biegend verformt werden und die radiale zusammendrückende Last auf die radialen Biegungsanordnungen bringen. Ein drittes Biegungselement ist von der Sockelplattform nach oben auskragend angeordnet und über eine Einstellschraube mit dem Verbindungsblock verbunden, die die radiale Auslenkung und die radiale Kraft, die auf die radiale Biegungsanordnung aufgebracht wird, verändern kann, so daß ein Mittel zur Feineinstellung der Steifigkeit des Vertikalbewegungsisolators vorhanden ist.
Die Spiralfeder ist an ihrem oberen Ende an einem oberen Federträger befestigt, der ein Teil der zentralen Nabe ist, und an ihrem unteren Ende an einem unteren Federträger, der ein Federträgerrohr umgibt und durch dieses geführt wird, das sich von der Sockelplattform nach oben erstreckt. Der untere Federträger ist auf einem Drucklager abgestützt, das auf einer Einstellmutter abgestützt ist, die sich auf einem Schraubgewinde in der Außenfläche des Federträgerrohrs dreht. Die Einstellmutter hebt den Sockel der Feder an bzw. senkt ihn ab, so daß unterschiedliche Gewichtsbelastungen ausgeglichen werden und die zentrale Nabe an ihrer Gleichgewichtsposition relativ zu der Sockelplattform gehalten wird, welches die Arbeitsposition des Vertikalbewegungsisolators ist. Die Spiralfeder weist drei Wicklungen auf, die an jedem Ende zusammengewickelt sind. Der untere und obere Federträger erstreckt sich um den Abstand der drei Wicklungen in die Feder hinein, und die Feder ist an den Trägern an beiden Enden durch Spanner gesichert, die die drei Wicklungen umgeben und sie fest auf die Federträger spannen, so daß eine Bewegung der Feder relativ zu den Trägern, wenn die Einstellmutter gedreht wird, verhindert wird. Der untere Federträger ist mit einer Antidrehungsvorrichtung verbunden, die aus einer Platte mit einem U-förmigen Schlitz besteht, der sich radial auswärts von dem Träger erstreckt, und aus einem Stift, der sich von der Sockelplattform nach oben erstreckt und mit sehr kleinem Spiel in den Schlitz paßt, so daß eine Drehung des unteren Federträgers verhindert wird, wenn er sich vertikal verlagert. Eine Verdrehung der Feder oder eine Bewegung der Feder relativ zu den Trägern kann eine kleine Veränderung der Steifigkeit der Feder und eine wesentliche Veränderung der effektiven Steifigkeit des Isolators verursachen, insb. dann, wenn die Wirkung der negativen Steifigkeit in die Nähe der positiven Steifigkeit der Feder kommt, um eine sehr niedrige effektive Steifigkeit des Isolators zu erzeugen.
Der Horizontalbewegungsisolator ist wirkungsmäßig vertikal in Reihe mit dem Vertikalbewegungsisolator und dem Gegenstand verbunden, und er besteht aus drei flexiblen Tragsäulenständern in Form von dünnen Stangen, die zwischen einer Säulenbasisplatte und einer Säulendeckplatte angeschlossen sind. Die Säulenbasisplatte ist unterhalb der Basisplattform des Isolators angeordnet und ist mit dem unteren Ende einer zentralen Stütze verbunden, die an ihrem oberen Ende mit dem oberen Federträger verbunden ist und sich durch das Federträgerrohr und die Basisplattform nach unten erstreckt. Die Tragsäulen gehen durch Öffnungen in der Basisplattform des Isolators hindurch und sind mittels Endbeschlägen an der Säulenbasisplatte und der Säulendeckplatte verbunden. Wenn der großen Biegungssteifigkeit der mittleren Stütze und der großen Drehungssteifigkeit der zentralen Nabe aufgrund der voneinander beabstandeten, radialen Biegungselemente und der voneinander beabstandeten Belastungsausleger ist die Säulenbasisplatte dazu gezwungen, sich lediglich in der vertikalen Richtung leicht zu bewegen, so daß sie eine stabile Basis für den Horizontalbewegungsisolator bereitstellt und die Vertikalbewegungs- und Horizontalbewegungsisolatoren effektiv voneinander entkoppelt. Biegungselemente in Form von flachen Federn sind wirkungsmäßig zwischen der Säulenbasisplatte und der Basisplattform des Isolators angeschlossen, um die Säulenbasisplatte weiter gegenüber horizontalen Bewegungen und Drehungen um horizontale Achsen zu stabilisieren und um die Resonanzfrequenzen der Struktur des Isolators zu vergrößern.
Die Säulendeckplatte ist mit einer Lastplatte über ein oberes Biegungselement verbunden, das die Form einer Stange mit einem Abschnitt kleineren Durchmessers aufweist, um eine niedrige Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen der Lastplatte relativ zu der Säulendeckplatte bereitzustellen, um eine beliebige horizontale Achse, während eine große Steifigkeit gegenüber einer Verlagerung der Lastplatte relativ zu der Säulendeckplatte in einer beliebigen horizontalen Richtung bereitgestellt wird. Die Lastplatte ist an der Nutzlast oder einer Nutzlastplattform befestigt. Mit dieser zusammengesetzten Isolatorkonfiguration kann ein Aufhängungssystem mit drei oder mehr solcher Isolatoren niedrige Steifigkeit, niedrige Systemeigenfrequenzen und effektive Schwingungsisolation in allen sechs Freiheitsgraden bereitstellen, während hohe Resonanzfrequenzen der Struktur des Isolators beibehalten werden. Ohne das obere Biegungselement oder sonstige Mittel zum Erzeugen einer niedrigen Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen und einer hohen Steifigkeit gegenüber Translationen zwischen der Nutzlast und der Säulenoberplatte führt eine Versteifung der Isolatorstruktur, um hohe strukturelle Resonanzen, d. h. über 100 Hz, zu erzeugen, auch zu höheren Schaukelfrequenzen des Systems (Stampfen oder Rollen) und neigt dazu, die Wirksamkeit der Isolation gegenüber schaukelnden Schwingungseinträgen zu reduzieren.
Es gibt Anwendungsfälle, in denen es vorteilhaft sein kann, die Steifigkeit des Isolators gegenüber schaukelnden Anregungen und die Eigenfrequenzen des Systems gegenüber schaukelnden Anregungen relativ zu den Eigenfrequenzen des Systems in vertikaler und horizontaler Richtung zu vergrößern. Beispiele sind solche Anwendungen, bei denen die Nutzlast bewegliche Teile bzw. Bereiche aufweist, wie bspw. bei Wafer-Schrittmotoren, Koordinatenmeßvorrichtungen und sonstigen Prüfsystemen, bei denen das Gewicht eines Gegenstands umverteilt wird und ein Kippen bzw. Schaukeln der Nutzlast die Folge ist. Passive Isolationssysteme für sehr niedrige Frequenzen mit sechs Freiheitsgraden können keine großen Umverteilungen tolerieren, weil dadurch ein übermäßiges Kippen hervorgerufen wird, so daß die Isolatoren mit den Anschlägen in der vertikalen Richtung in Kontakt kommen. Durch Vergrößern der Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen des oberen Biegungselements und dadurch der Schaukel-Eigenfrequenzen des Systems wird die Toleranz gegenüber Umverteilungen des Gewichts vergrößert. Schaukelnde Schwingungseinträge sind im allgemeinen wesentlich kleiner als vertikale und horizontale Schwingungseinträge, so daß eine Vergrößerung der Eigenfrequenzen des Systems gegenüber Schaukelbewegungen die Wirksamkeit des Schwingungsisolationssystems in zahlreichen Fällen nicht wesentlich verringert. Bspw. könnte ein Isolationssystem, bei dem zusammengesetzte Isolatoren auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, vertikale und horizontale Eigenfrequenzen von 0,75 Hz und Schaukel-Eigenfrequenzen von 2,0 Hz bereitstellen und einen sinnvollen Bereich von Gewichtsumverteilungen bei Bewegungen einzelner Bereiche aufnehmen. Aufgrund der niedrigen Eingangsschwingungen bei Schaukelbewegungen, verglichen mit den vertikalen und horizontalen Schwingungseinträgen, würden die Eigenfrequenzen von 2,0 Hz bei Schaukelbewegungen die gesamte Isolationswirkung des Systems nicht wesentlich vermindern.
Der Horizontalbewegungsisolator kann so ausgelegt. sein, um die steifigkeitsreduzierende Wirkung einer Tragsäulen mit negativer Steifigkeit in einem Ausmaß einzusetzen, so wie es auf der Grundlage der jeweiligen Anforderungen und Randbedingungen erforderlich ist.
Wenn räumliche Zwangsbedingungen eine geringe Höhe des Isolators und eine geringe Länge der Säule verlangen und eine sehr niedrige Steifigkeit erforderlich ist, kann die Säule so ausgelegt werden, daß die Gewichtslast eng benachbart zu der kritischen Beullast der Säule liegt, um die genannte, sehr niedrige Steifigkeit zusammen mit einer kompakten Auslegung zu erzielen. Wenn keine besonderen räumlichen Anforderungen vorliegen, kann in zahlreichen Anwendungsfällen eine ausreichend niedrige Steifigkeit mit einer längeren Säule erzielt werden, bei der die Gewichtsbelastung einen kleinen Teil der kritischen Beullast der Säule beträgt. Diese letztgenannte Auslegung mit einer relativ kleinen negativen Steifigkeitswirkung hat den Vorteil, daß die horizontale Steifigkeit weniger empfindlich auf Veränderungen der Gewichtsbelastung ist.
Anschläge mit relativ hoher Lastkapazität begrenzen die Auslenkungen des zusammengesetzten Isolators in vertikaler und horizontaler Richtung, wodurch empfindlichere Elemente, insb. die radialen Biegungselemente und die Säulen, vor einer Überlastung geschützt werden, so daß ein robuster Isolator geschaffen wird. Niveaueinstellschrauben in der Sockelplattform dienen dazu, den Isolator und die Nutzlastplattform höhenmäßig einzustellen und die Nutzlast horizontal relativ zu den Isolatoren zu positionieren, so daß horizontale Anschlagstifte in Öffnungen in einer Lastplatte zentriert werden, die an der Nutzlastplattform befestigt ist. Dies stellt die Betriebsposition des Horizontalbewegungs-Isolationssystems dar. Der Vertikalbewegungsisolator wird mit der Gewichtsbelastungs-Einstellmutter auf seine Betriebsposition eingestellt, so daß der richtige Abstand zwischen den oberen und unteren vertikalen Anschlägen bereitgestellt wird.
Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung ein verbesserter Vertikalbewegungsisolator bereitgestellt, der kompakt ist und ein verbessertes Betriebsverhalten bzw. Leistungsfähigkeit aufgrund von höheren Resonanzfrequenzen der Isolatorstruktur und einer besseren Entkopplung zwischen den Vertikal- und Horizontalbewegungsisolatoren bietet, sowie ein verbessertes Leistungsvermögen ansprechend auf Einstellungen aufgrund Veränderungen der Gewichtsbelastung; und einen verbesserten, kompakteren zusammengesetzten Isolator, der auf passive Weise größere Umverteilungen des Gewichts des abgestützten Gegenstands aufnimmt, wie sie bspw. bei Nutzlasten auftritt, die sich verschiebende Bereiche aufweisen. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen ist, die beispielhaft die Grundlagen der vorliegenden Erfindung erläutern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungsisolationssystems;
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Ausführungsform nach Fig. 1, teilweise im Schnitt entlang Linie 2 - 2;
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Ausführungsform nach Fig. 1, teilweise im Schnitt, entlang Linie 3 - 3 in Fig. 2; und
Fig. 4 zeigt eine Ansicht, teilweise von unten, der Ausführungsform nach Fig. 1, entlang 4 - 4 in Fig. 2.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wie in den Zeichnungen zu Erläuterungszwecken dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung in einem schwingungsisolierenden Aufhängungssystem verkörpert, das eine Nutzlastplattform aufweist, die auf mehreren zusammengesetzten Vertikalbewegungs- und Horizontalbewegungsisolatoren abgestützt ist. Zusammengesetzte Isolatoren, die entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, sind zu signifikant höheren Resonanzfrequenzen der inneren Struktur des Isolators und zu einer besseren Entkopplung der Vertikalbewegungs- und der Horizontalbewegungsisolatoren in der Lage. Die schwingungsisolierende Aufhängung kann passiv größere Verminderungen des Gewichts der Nutzlast aufnehmen. Ferner besitzen Vertikalbewegungsisolatoren, die entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind, eine verbesserte Leistungsfähigkeit, wenn eine Einstellmutter verwendet wird, um den Sockel der Tragfeder anzuheben und abzusenken, um unterschiedliche Gewichtsbelastungen auszugleichen. Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine kompaktere zusammengesetzte Isolatorkonfiguration bereit, wenn eine Feder wie bspw. eine Spiralfeder als Tragfeder bei dem Vertikalbewegungsisolator verwendet wird.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines Isolationssystems, das entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. Bei dem System werden mehrere neuartige zusammengesetzte Schwingungsisolationsvorrichtungen oder Isolatoren 12 eingesetzt, um den nicht dargestellten, zu isolierenden Gegenstand auf der Nutzlastplattform 14 nachgiebig abzustützen. In dem System 10 stützen drei solcher Isolatoren die Nutzlastplattform 14 relativ zu einem Fundament ab und vermindern die Übertragung von omnidirektionalen Schwingungen zwischen einem auf der Nutzlastplattform getragenen Gegenstand und dem Fundament.
Nunmehr auf Fig. 1, 2, 3 und 4 Bezug nehmend, ist eine Ausführungsform eines zusammengesetzten Isolators dargestellt. Der zusammengesetzte Isolator umfaßt einen Vertikalbewegungsisolator, der in vertikaler Richtung wirkungsmäßig mit einem Horizontalbewegungsisolator in Reihe verbunden ist. Der Vertikalbewegungsisolator weist eine Tragfeder in Form einer Spiralfeder auf, die wirkungsmäßig zwischen einer zentralen Nabenanordnung 20 und einer Sockelplattform 22 angeschlossen ist, die durch drei Höheneinstellschrauben 24 mit einem Fundament 16 verbunden ist. Die Feder 18 trägt die Gewichtslast des Gegenstands, die durch den Horizontalbewegungsisolator, der wirkungsmäßig zwischen der zentralen Nabenanordnung 20 und der Nutzlastplattform 14 angeschlossen ist, an die zentrale Nabe 20 weitergeleitet wird. Ein Mechanismus mit negativer Steifigkeit ist ebenfalls an die zentrale Nabenanordnung 20 angeschlossen und wirkt der positiven Steifigkeit der Feder 18 entgegen. Der Mechanismus mit negativer Steifigkeit umfaßt radial zusammengedrückte radiale Biegungselementanordnungen 28 und 30, die an ihren inneren Enden mit der zentralen Nabenanordnung 20 verbunden sind. Das äußere Ende der radialen Biegungselementanordnung 28 ist mit einer starren Stützsäule 32 verbunden, die mit Schrauben 23 an der Sockelplattform 22 befestigt ist. Das äußere Ende der radialen Biegungselementanordnung 30 ist mit dem oberen Ende einer Belastungs-Kragarmanordnung 34 verbunden, die an ihrem unteren Ende an der Sockelplattform 22 befestigt ist, und ist in einem vorverformten Zustand zusammen- bzw. eingebaut, so daß eine radiale zusammendrückende Belastung für die radialen Biegungselementanordnungen 28 und 38 bereitgestellt ist. Die verbleibende Vertikalsteifigkeit des Vertikalbewegungsisolators kann dadurch sehr niedrig gemacht werden, daß eine ausreichende zusammendrückende Belastung auf die radialen Biegungselementanordnungen 28 und 30 aufgebracht wird, so daß die erzeugte negative Steifigkeit die positive Steifigkeit der Feder 18 nahezu aufhebt.
Der Horizontalbewegungsisolator umfaßt drei flexible Tragsäulen 36 in Form von dünnen zylindrischen Stangen, die wirkungsmäßig zwischen einer Säulensockelplatte 38 und einer Säulendeckplatte 40 angeschlossen sind. Die Säulensockelplatte 38 ist mit einer starren zentralen Säule 42 verbunden, die mit einem oberen Federträger 44 verbunden ist, der ein Teil der zentralen Nabenanordnung 20 ist, wodurch eine relativ starre Verbindung zwischen der Säulensockelplatte 38, welches der Sockel des Horizontalbewegungsisolators ist, und der zentralen Nabenanordnung 20, welches die Oberseite des Vertikalbewegungsisolators ist, gebildet wird. Die Säulendeckplatte 40 ist mit einer Lastplatte 46 über eine Kipp-Biege- Anordnung bzw. Kippbiegungselementanordnung 48 verbunden, die eine relativ große vertikale und horizontale Steifigkeit zwischen der Säulendeckplatte 40 und der Lastplatte 46 und eine relativ niedrige Steifigkeit gegenüber einer schaukelnden oder kippenden Verlagerung (Stampfen oder Rollen) zwischen der Säulendeckplatte 40 und der Lastplatte 46 bereitstellt. Die Lastplatte ist starr an der Nutzlastplattform 14 angeschlossen, die den Gegenstand trägt. Eine Isolierung gegenüber horizontalen Bewegungen wird in jeder horizontalen Richtung durch die niedrige Steifigkeit der Tragsäulen 36 ansprechend auf eine horizontale Verlagerung der Säulendeckplatte 40 relativ zu der Säulenbasisplatte 38 bereitgestellt. Diese horizontale Steifigkeit kann dadurch sehr gering gemacht werden, indem die Tragsäulen 36 so belastet werden, daß ihre kritische Beullast angenähert wird.
Die niedrige Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen der Kippbiegungselementanordnung 48 zusammen mit der niedrigen Steifigkeit der Horizontalbewegungs- und Vertikalbewegungsisolatoren sorgt für eine effektive Isolation in allen sechs Freiheitsgraden, d. h. den drei Translations- und drei Rotations-Freiheitsgraden. Die Steifigkeit der Kippbiegungselementanordnung 48 kann auch vergrößert werden, um die Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen des Isolators und des Systems von Isolatoren zu vergrößern, um größere Umverteilungen des Gewichts des Gegenstands aufnehmen zu können, ohne daß die Vertikalisolatoren mit den vertikalen Anschlägen in Kontakt kommen oder daß die schaukelnden Verlagerungen ansprechend auf durch andere Ursachen aufgebrachte Momente begrenzt werden. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus einer vollständigeren Beschreibung der Anordnung des Isolators und von konstruktiven Einzelheiten deutlich, wie sie in Fig. 1 bis 4 dargestellt sind.
Die zentrale Nabenanodnung 20 umfaßt den oberen Federträger 44; eine zentrale Mutternplatte 50, einen zentralen Abstandsblock 52 und eine zentrale Spannplatte 54. Die zentrale Mutternplatte 50 ist mit Schrauben 56 an dem oberen Federträger 44 befestigt. Die zentrale Spannplatte 54 und der zentrale Abstandsblock 52 sind mit Schrauben 58 an einer zentralen Mutternplatte 50 festgespannt, die auch obere radiale Biegungselemente 60 zwischen der zentralen Spannplatte 54 und dem zentralen Abstandsblock 52 festspannen und die unteren radialen Biegungselemente 52 zwischen dem zentralen Abstandsblock 52 und der zentralen Mutternplatte 50 festspannen.
Die radiale Biegungselementanordnung 28 umfaßt Abschnitte der beiden oberen radialen Biegungselemente 60 und der beiden unteren radialen Biegungselemente 62, die innerhalb der zentralen Nabenanordnung 20 festgespannt sind, und die sich bis zu einer Endanordnung 66 erstrecken und innerhalb dieser verspannt sind. Die Endanordnung 66 umfaßt eine endseitige Spannplatte 68 und einen endseitigen Block 70, die mittels Schrauben 72 an der Stützsäule 32 festgespannt sind.
Die radiale Biegungselementanordnung 30 umfaßt Abschnitte der oberen beiden radialen Biegungselemente 60 und der beiden unteren radialen Biegungselemente 62, die innerhalb der zentralen Nabenanordnung 20 miteinander verspannt sind und sich bis zu einer Kragarm- Verbindungsanordnung 64 erstrecken, innerhalb der sie festgespannt sind. Die Kragarm- Verbindungsanordnung 64 umfaßt eine obere Kragarm-Spannplatte 74, eine untere Kragarm- Mutternplatte 76, einen Kragarm-Abstandsblock 78, eine seitliche Kragarm-Spannplatte 80 und eine seitliche Kragarm-Mutternplatte 82. Die beiden oberen radialen Biegungselemente 60 sind zwischen der oberen Kragarm-Spannplatte 74 und dem Kragarm-Abstandsblock 78 festgespannt, und die beiden unteren radialen Biegungselemente 62 sind zwischen dem Kragarm-Abstandsblock 78 und der unteren Kragarm-Mutternplatte 76 unter Verwendung von Schrauben 84 festgespannt.
Die Belastungs-Kragarmanordnung 74 umfaßt zwei radial beabstandete Belastungs-Kragarme 86 und 88 in Form von ebenen Federn und einen Einstellkragarm 90 in Form einer ebenen Feder. Die Belastungs-Kragarme 86 und 88 sind an ihren oberen Enden mit dem Kragarm- Abstandsblock 78 voneinander beabstandet und sind an dem Kragarm-Abstandsblock 78 mit der seitlichen Kragarm-Spannplatte 80 und der seitlichen Kragarm-Mutternplatte 82 unter Verwendung von Schrauben 93 festgespannt. Die Belastungs-Kragarme 86 und 88 sind an ihren unteren Enden mit dem Sockel-Abstandsblock 94 beabstandet und sind an der Sockelplattform 22 mit der Sockelspannplatte 96 und Schrauben 98 festgespannt. Während des Zusammenbaus, nachdem die Endanordnung 66 und die zentrale Nabenanordnung 20 befestigt worden sind, und nachdem die Belastungs-Kragarme 86 und 88 an der Sockelplattform 23 befestigt worden sind, aber bevor die Schrauben 84 angezogen werden, die die radialen Biegungselemente 60 und 62 an der Kragarm-Verbindungsanordnung 64 befestigen, wird die Kragarm-Verbindungsanordnung 64 in radialer Richtung relativ zu der zentralen Nabenanordnung 20 nach außen verlagert, um die Belastungs-Kragarme 86 und 88 zu verformen und eine vorgeschriebene, nach innen weisende radiale zusammendrückende Belastung auf die radialen Biegungselementanordnungen 28 und 30 zu erzeugen, so daß der gewünschte Effekt einer negativen Steifigkeit erzeugt wird. Die radiale zusammendrückende Belastung wird wirksam, wenn die Kräfte, die erforderlich sind, um die Kragarm-Verbindungsanordnung 64 zu verlagern, entfernt werden. Unterschiedliche Techniken können verwendet werden, um die Kräfte aufzubringen, die notwendig sind, um die Kragarm-Verbindungsanordnung 64 während des Zusammenbaus des Isolators zu verlagern. Bspw. kann ein mittels Gewinde arbeitendes Hebezeug zwischen die Endanordnung 66 und die Kragarm-Verbindungsanordnung 64 positioniert werden, um die Kragarm-Verbindungsanordnung 64 von der Endanordnung 66 weg zu verlagern.
Der Einstellkragarm 90 ist mit einer Schraube 100 mit der Sockelspannplatte 96 verspannt und wird dazu verwendet, eine zusätzliche, einstellbare radiale zusammendrückende Kraft auf die radialen Biegungselementanordnungen 28 und 30 aufzubringen, um den Effekt der negativen Steifigkeit einzustellen und dadurch die effektive vertikale Steifigkeit des Vertikalbewegungsisolators einzustellen. Die Einstellkraft wird durch Drehen der Einstellschraube 102 für die vertikale Steifigkeit aufgebracht, die mittels Gewinde mit dem Einstellkragarm 90 in der Nähe von dessen oberem Ende verbunden ist und gegen die seitliche Kragarm- Spannplatte 80 anliegt, so daß der obere Teil des Einstellkragarms 90 nach außen verlagert wird und die gewünschte radiale zusammendrückende Einstellkraft erzeugt wird.
Die Tragfeder 18 des Vertikalbewegungsisolators weist drei Wicklungen 104, 106 und 108 auf, die an ihrem oberen Ende zusammengewickelt sind, und drei Wicklungen 110, 112 und 114, die an ihrem unteren Ende zusammengewickelt sind. Die Wicklungen 104, 106 und 108 sind mit dem oberen Federspannteil 116 an dem oberen Federträger 44 festgespannt, wobei eine Schraube 118 verwendet ist. Die Wicklungen 110, 112 und 114 sind mit einem unteren Federspannteil 122 an einem unteren Federträger 120 festgespannt, wobei eine Schraube 124 verwendet wird. Der untere Federträger 120 umgibt ein Federtragrohr 126 und ist durch dieses geführt, welches eine mit Gewinde versehene Außenfläche 128 aufweist und in die Sokkelplattform 22 eingeschraubt und mit einer Blockierungsmutter 130 gesichert ist. Eine Gewichtslast-Einstellmutter 132 ist über das Gewinde mit dem Tragrohr 126 verbunden und trägt den unteren Federträger 120 auf einem Schublager 134. Die Gewichtslast-Einstellmutter 132 wird dazu verwendet, den Sockel der Tragfeder 18 zur Berücksichtigung unterschiedlicher Gewichtslasten auf dem Isolator anzuheben und abzusenken, so daß die zentrale Nabenanordnung 20 in ihrer Betriebsposition gehalten wird, die der Position entspricht, an der sich die radialen Biegungselemente 60 und 62 nahe an ihrer geraden unverformten Gestalt befinden und sich der Vertikalbewegungsisolator frei beweglich zwischen den oberen und unteren Anschlägen befindet, die seine vertikalen Verlagerungen begrenzen. Die Schublagerung 134 reduziert die Reibung und den Torsionswiderstand zwischen der Einstellmutter 132 und dem unteren Federträger 120 gegenüber dem, der sich aus einem unmittelbaren Kontakt zwischen der Einstellmutter 132 und dem unteren Federträger 120 ergeben würde.
Die Feder 18 ist an ihrem oberen Träger 44 und ihrem unteren Träger 120 festgespannt, um eine relative Bewegung zwischen der Feder 18 und ihren Trägern 44 und 120 zu verhindern, wenn die Einstellmutter 132 betätigt wird. Auch eine kleine Bewegung der Feder 18 relativ zu ihren Trägern 44 und 120 kann die effektive Steifigkeit der Feder 18 verändern und eine signifikante Veränderung in der effektiven vertikalen Steifigkeit des Isolators bewirken, insbes. dann, wenn der Effekt der negativen Steifigkeit von den radial zusammengedrückten radialen Biegungselementen 60 und 62 ganz in der Nähe der positiven Steifigkeit der Feder 18 liegt, um eine sehr niedrige effektive vertikale Steifigkeit des Isolators zu erzeugen. Eine Torsionsverformung der Feder 18 kann ebenfalls ihre effektive Steifigkeit und die effektive vertikale Steifigkeit des Isolators verändern. Eine Antidrehungsvorrichtung 136 wird dazu verwendet, um eine Torsionsverformung der Feder 18 zu verhindern, wenn die Einstellmutter 133 betätigt wird. Die Antidrehungsvorrichtung 136 besteht aus einer radialen Plattenverlängerung 138, die auf den unteren Federträger 120 gespannt wird und einen U-förmigen Schlitz 140 aufweist, der mit einem Anschlagzapfen 142 zusammenwirkt, der an der Sockelplattform 22 befestigt ist und sich von dieser nach oben erstreckt und mit einem sehr geringen Spiel in den Schlitz 140 passend eingesetzt ist.
Die zentrale Säule 42 ist in den Hohlraum 144 in dem oberen Federträger 44 passend eingesetzt und ist an dem oberen Federträger 44 mit einer Schraube 146 befestigt, wobei sie an der Säulenbasisplatte 38 mit einer Schraube 148 befestigt ist. Die Tragsäulen 36 sind mittels Preßpassung in Befestigungsbeschläge 150 an beiden Enden der Tragsäulen 36 eingepaßt. Die Befestigungsbeschläge 150 sind an der Säulenbasisplatte 38 und an der Deckplatte 40 mit Schrauben 152 befestigt.
Die Säulendeckplatte 40 weist einen vertieften Abschnitt 154 mit einer Gewindebohrung 156 auf, in die das untere Ende der Kipp-Biegungselementanordnung 48 eingeschraubt ist. Die Kipp-Biegungselementanordnung 48 weist eine mit Gewinde versehene Kipp- Biegungselementstange 158 auf, die einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser 160 aufweist, der als das Kipp-Biegungselement wirkt. Die Stange 158 ist in die Bohrung 156 in dem vertieften Abschnitt 154 der Säulendeckplatte 40 eingeschraubt und ist an der Säulendeckplatte 40 mit einer Mutter 162 befestigt. Die Kipp-Biegungselementstange 158 geht durch eine Öffnung 164 in der Lastplatte 46 hindurch und ist an der Lastplatte 46 mit Muttern 166 und 168 befestigt.
Anschläge sind vorgesehen, um die vertikalen und horizontalen Verlagerungen des Isolators zu begrenzen. Zwei Anschlaganordnungen 170 sind mit dem endseitigen Block 70 verbunden und erstrecken sich von diesem nach oben, wobei sie als Horizontalbewegungs- und untere Vertikalbewegungs-Anschläge dienen, um die horizontalen Verlagerungen und die nach unten gerichteten Verlagerungen der Lastplatte 46 zu begrenzen. Die Anschlaganordnung 170 weist einen nicht dargestellten, mit Gewinde versehenen unteren Abschnitt auf, der in den endseitigen Block 70 eingeschraubt ist, einen sechseckigen Abschnitt 172, der die nach unten gerichtete Verlagerung der Lastplatte 46 begrenzt und einen zylindrischen Zapfen 174, der von der Mitte des sechseckigen Abschnitts 170 nach oben und in eine Öffnung 176 in der Lastplatte 46 vorsteht, mit einem festgelegten radialen Spiel, so daß die horizontale Verlagerung der Lastplatte 46 begrenzt wird. Eine Anschlagsäule 178 steht von der Mitte der Kragarm- Verbindungsanordnung 64 nach oben vor und dient als dritter, unterer Vertikalbewegungsanschlag, um die nach unten gerichtete Verlagerung der Lastplatte 46 zu begrenzen. Die Anschlagsäule 178 weist die Form einer Gewindestange auf, die durch eine Öffnung 180 in der oberen Kragarm-Spannplatte 74 hindurchgeht, in den Kragarm-Abstandsblock 78 eingeschraubt ist und durch eine Blockierungsmutter 182 befestigt ist. Ein Flansch 184 am unteren Teil der zentralen Säule 42 dient als der Anschlag, der die nach oben gerichtete Verlagerung des Vertikalbewegungsisolators begrenzt, indem er mit dem unteren Ende 186 des Federtragrohrs 126 in Kontakt kommt.
Ein unteres Biegungselement 188 in Form einer L-förmigen, ebenen Feder ist wirkungsmäßig zwischen der Säulenbasisplatte 38 und der Isolatorsockelplattform 22 angeschlossen und dient dazu, die inneren strukturellen Resonanzfrequenzen des Isolators zu vergrößern, wobei auf Fig. 4 Verwiesen sei. Das Biegungselement weist drei Öffnungen auf, die in den Zeichnungen nicht dargestellt sind, nämlich eine an der Biegung 190 des L, eine in der Nähe des Endabschnitts 192 des L und eine in der Nähe des anderen Endabschnitts 194 des L. Schrauben 148 gehen durch die Öffnung an der Biegung 190 hindurch und befestigen das Biegungselement 188 zwischen Unterlegscheiben 196 an der Säulenbasisplatte 38. Die Antidrehungs- Anschlagsäule 142 ist an ihrem unteren Ende mit Gewinde versehen und ist in eine Bohrung in der Sockelplattform 22 eingeschraubt, wobei sie durch das Unterteil der Sockelplattform 22 und durch die Bohrung in der Nähe des Endabschnitts 192 des unteren Biegungselements 188 vorsteht. Eine Mutter 198 sichert die Anschlagsäule 142 an der Sockelplattform 22 und spannt den Endabschnitt 192 des Biegungselements 188 zwischen Unterlegscheiben 200 an der Sockelplattform 22 fest. Eine Schraube 202 geht durch die Bohrung in dem Endabschnitt 194 des Biegungselements 188 und sichert das Biegungselement 188 zwischen Unterlegscheiben 204 an der Sockelplattform 22. Das untere Biegungselement 188 ist sehr starr ansprechend auf horizontale Verlagerungen der Säulenbasisplatte 38 relativ zu der Sockelplattform 22 des. Isolators, ist aber sehr flexibel ansprechend auf vertikale Verlagerungen der Säulenbasisplatte 38 relativ zu der Sockelplattform 22 des Isolators.
Da die Säulenbasisplatte 38 und die zentrale Nabenanordnung 20 über die zentrale Säule 42 starr miteinander verbunden sind, stellt die kombinierte Masse der zentralen Nabenanordnung 20, der zentralen Säule 42 und der Säulenbasisplatte 38, die gemeinsam horizontal relativ zu der Sockelplattform 22 des Isolators vibrieren, wichtige innere strukturelle Schwingungsmoden des Isolators dar. Die große Steifigkeit der radialen Biegungselementanordnungen 28 und 30 beim Ansprechen auf horizontale Verlagerungen der zentralen Nabenanordnung relativ zu der endseitigen Anordnung 66 und der Kragarm-Verbindungsanordnung 64, in Kombination mit der großen Steifigkeit des Stützträgers 32 und der großen Steifigkeit der Belastungs- Kragarmanordnung 34 in Bezug auf alle Verlagerungen außer radialen Verlagerungen der Kragarm-Verbindungsanordnung 64 relativ zu der Sockelplattform 22, und die große Steifigkeit des unteren Biegungselements 188 in Bezug auf horizontale Verlagerungen der Säulenbasisplatte 38 relativ zu der Sockelplattform 22 resultiert in hohen Resonanzfrequenzen für diese inneren strukturellen Schwingungsmoden des Isolators. Auch ohne das untere Biegungselement 188 erzeugen die vertikal beabstandeten radialen Biegungselemente 60 und 62 und die radial beabstandeten Belastungs-Kragarme 86 und 88 mit der starren Säule 32 eine große Steifigkeit beim Ansprechen auf horizontale oder drehende Verlagerungen der zentralen Nabenanordnung 20 relativ zu der Sockelplattform 22 und hohe interne strukturelle Resonanzfrequenzen des Isolators, die der Masse der zentralen Nabenanordnung 20 und der damit verbundenen Struktur zugeordnet sind, die relativ zu der Sockelplattform 22 schwingt. Da die Säulenbasisplatte 38 starr mit der zentralen Nabenanordnung 30 über die starre zentrale Säule 42 verbunden ist, bewegt sich die Säulenbasisplatte 38 vertikal zusammen mit der zentralen Nabe, stellt aber eine stabile Plattform für den Horizontalbewegungsisolator bereit, da sie durch eine große Steifigkeit an horizontalen oder drehenden Verlagerungen relativ zu der Sockelplattform 22 gehindert ist.
Diese Ausführungsform des Isolators nach der vorliegenden Erfindung entkoppelt somit in effektiverer Weise die Vertikalbewegungs- und Horizontalbewegungsisolatoren und sorgt für hohe interne strukturelle Resonanzfrequenzen des Isolators, so daß eine verbesserte Isolationsleistung bereitgestellt wird. Die Verwendung des unteren Biegungselements 188 gemeinsam mit den vertikal beabstandeten radialen Biegungselementen 60 und 62 und den radial beabstandeten Belastungs-Kragarmen 86 und 88 stellt noch höhere interne strukturelle Resonanzfrequenzen des Isolators und eine bessere Entkopplung zwischen den Vertikalbewegungs- und Horizontalbewegungsisolatoren bereit.
Streben 206 sind an ihren oberen Enden mit dem endseitigen Abstandsblock 70 mit Schrauben 208 und an ihren unteren Enden mit der Sockelplattform 22 mit Schrauben 210 verbunden und erhöhen die Steifigkeit der endseitigen Anordnung 66 beim Ansprechen auf Verlagerungen relativ zu der Sockelplattform 22 weiter.
Die Ausführungsform des zusammengesetzten Isolators nach Fig. 1 bis 4 ermöglicht eine kompakte Anordnung, während die Verwendung von relativ langen Tragsäulen und die Aufrechterhaltung von hohen internen strukturellen Resonanzfrequenzen des Isolators möglich ist. Es ergeben sich Vorteile daraus, daß die Tragsäulen so lang wie möglich bei einer bestimmten Höhenbegrenzung des Isolators ausgeführt sind, und sehr niedrige horizontale Steifigkeitsanforderungen. Eine Vergrößerung der Länge der Tragsäule ermöglicht, daß die Tragsäule so ausgelegt wird, daß ihre kritische Beullast weiter weg von der aufgebrachten Gewichtslast liegt, was zu einer kleineren Wirkung der negativen Steifigkeit führt und zu einer kleineren Empfindlichkeit der horizontalen Steifigkeit bezüglich Veränderungen in der Gewichtslast. Wenn eine ausreichende Höhe für die Tragsäulen zur Verfügung steht, können sie mit einer sehr niedrigen Wirkung der negativen Steifigkeit ausgeführt werden und mit einer sehr niedrigen Empfindlichkeit bezüglich Veränderungen der Gewichtslast.
Die große Steifigkeit der zentralen Nabenanordnung 20 beim Ansprechen auf horizontale und drehende Verlagerungen relativ zu der Sockelplattform 22, aufgrund der vertikal beabstandeten radialen Biegungselemente 60 und 62 und der radial beabstandeten Belastungs-Kragarme 86 und 88, gekoppelt mit der starren zentralen Säule 42 und dem unteren Biegungselement 188, ermöglichen es, daß die Säulenbasisplatte 38 in der Nähe des unteren Teils des Isolators angeordnet werden kann und als stabile Plattform für die Tragsäulen dient, mit großer Steifigkeit beim Ansprechen auf horizontale und drehende Verlagerungen relativ zu der Sockelplattform 22, und ermöglicht eine Länge der Tragsäulen, die in der Nähe der Höhe des zusammengesetzten Isolators liegt. Außerdem ist mit dieser Anordnung die gesamte Höhe des Isolators nur geringfügig größer als die Höhe des Vertikalbewegungsisolators allein.
Die Verwendung der Kipp-Biegungselementanordnung 48 ist ein neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung und stellt wesentliche Vorteile bereit. Die Säulenbasisplatte 38 ist relativ frei, sich mit der zentralen Nabenanordnung 20 nach oben und nach unten zu bewegen, ist aber sehr steif ansprechend auf alle anderen Verlagerungen. Deshalb und aufgrund der großen Steifigkeit der Säulendeckplatte 40 und der großen axialen Steifigkeit der Tragsäulen 36 hat die Säulendeckplatte 40 eine niedrige Steifigkeit ansprechend auf horizontale Verlagerungen und ansprechend auf Drehungen um eine vertikale Achse relativ zu der Sockelplattform 22, ist aber sehr steif ansprechend auf schaukelnde Verlagerungen (Stampfen und Rollen) relativ zu der Sockelplattform 22. Die Verwendung der Kipp-Biegungselementanordnung 48 zwischen der Säulendeckplatte 40 und der Lastplatte 46 ermöglicht, daß der zusammengesetzte Isolator für einen Bereich von Steifigkeiten gegenüber schaukelnden Bewegungen zwischen sehr hohen und sehr niedrigen Werten ausgelegt werden kann. Bei sehr niedriger Steifigkeit gegenüber schaukelnden Bewegungen kann das resultierende Isolationssystem für sehr niedrige Resonanzfrequenzen in allen sechs Freiheitsgraden, drei Drehungen und drei Translationen, ausgelegt werden. Höhere Steifigkeiten gegenüber Schaukelbewegungen können dazu verwendet werden, die Schaukelverlagerungen der Nutzlast beim Ansprechen auf die Einwirkung von Schaukelmomenten zu begrenzen, was bspw. bei Nutzlasten mit Bereichen auftritt, die sich horizontal verlagern. Da die Amplituden von schaukelnden Schwingungen des Untergrunds und Bodens typischerweise wesentlich geringer sind als deren vertikale und horizontale Schwingungsamplituden, kann die Vergrößerung des Schaukelns des Schwingungssystems wesentliche Vorteile mit sich bringen, während die Isolationswirkung des Systems insgesamt relativ wenig reduziert wird.
Die spezielle Konfiguration des zusammengesetzten Isolators und die Konstruktionsverfahren, die in Fig. 1 bis 4 erläutert sind, stellen nur eine von zahlreichen Anordnungen dar, mit denen die neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden können. Andere Konfigurationen und Konstruktionsverfahren werden für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet offensichtlich. Anstelle der Verwendung von zwei radialen Biegungselementanordnungen, die um 180º gegeneinander beabstandet sind, mit einer Belastungs- Kragarmanordnung und einer starren Stützsäule, könnten drei radiale Biegungselementanordnungen verwendet werden, die einen gegenseitigen Abstand von 120º aufweisen, jeweils mit einer Belastungs-Kragarmanordnung, und die starre Tragsäule könnte entfallen.
Die Elemente, aus denen die vorliegende Struktur besteht, können aus üblichen strukturellen Materialien bestehen, bspw. aus Stahl und Aluminiumlegierungen, wobei auch andere strukturelle Materialien verwendet werden können, die entsprechende Festigkeit und elastische Eigenschaften aufweisen.
Während eine spezielle Ausführungsform der Erfindung dargestellt und erläutert worden ist, ist es offensichtlich, daß zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Demzufolge ist nicht beabsichtigt, die Erfindung einzuschränken, außer durch die beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem (10) zum Abstützen eines Gegenstands in einer Gleichgewichtsposition relativ zu einem Sockel, wobei die Übertragung von Schwingungsbewegungen zwischen dem Gegenstand und dem Sockel (10) unterdrückt wird, mit:

zumindest einer zusammengesetzten Aufhängevorrichtung, die zwischen dem Gegenstand und dem Sockel angeschlossen ist, um den Gegenstand in einer axialen Richtung abzustützen, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzte Aufhängevorrichtung umfaßt:

einem ersten Aufhängungsisolator (36), der eine Kraftaufnahmefähigkeit in der axialen Richtung zum Abstützen des Gegenstands und eine relative große axiale Steifigkeit und eine relativ geringe Steifigkeit in Richtungen quer zu der axialen Richtung aufweist; und

einem zweiten Aufhängungsisolator, der wirkungsmäßig in Reihe mit dem ersten Aufhängungsisolator angeschlossen ist, wobei der zweite Aufhängungsisolator umfaßt:

eine Federeinrichtung (18), die ein erstes und ein zweites Ende aufweist und dazu bestimmt ist, eine positive Steifigkeit in der axialen Richtung bereitzustellen, und die eine Kraftaufnahmefähigkeit in der axialen Richtung zum Abstützen des Gegenstands aufweist; und

eine Einrichtung zum Erzeugen einer negativen Steifigkeit (28 und 30) in der axialen Richtung, die wirkungsmäßig mit der Federeinrichtung (18) verbunden ist, wobei die Federeinrichtung (18) und die Einrichtung (28 und 30) zum Erzeugen einer negativen Steifigkeit gemeinsam eine geringe vertikale Steifigkeit erzeugen; und

eine Kipp-Biege-Anordnung (48), die wirkungsmäßig in Reihe mit entweder dem ersten oder dem zweiten Isolator angeordnet ist, wobei die Kipp-Biege-Anordnung (48) eine Kraftaufnahmefähigkeit in der axialen Richtung zum Abstützen des Gegenstands und eine relativ niedrige Steifigkeit gegenüber Schaukelbewegungen aufweist, um schaukelnde bzw. hin- und hergehende Schwingungen zwischen dem Gegenstand und dem Sockel zu reduzieren.

2. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum Verlagern (132) des zweiten Endes der Federeinrichtung (18) relativ zu dem ersten Ende der Federeinrichtung (18); und eine Anti- Drehungseinrichtung (136) zum Verhindern einer Drehung des zweiten Endes der Federeinrichtung (18) relativ zu dem ersten Ende der Federeinrichtung, wenn das zweite Ende der Federeinrichtung (18) relativ zu dem ersten Ende verlagert wird.

3. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 2, weiter umfassend einen ersten Federträger (44) und Mittel zum Befestigen (116) der Federeinrichtung (18) in der Nähe ihres ersten Endes an dem ersten Federträger (44), um eine relative Bewegung zwischen der Federeinrichtung (18) und dem ersten Federträger (44) zu verhindern, wenn das zweite Ende der Federeinrichtung (18) relativ zu dem ersten Ende der Federeinrichtung (18) verlagert wird; und einen zweiten Federträger (120) und Mittel zum Befestigen (123) der Federeinrichtung (18) in der Nähe ihres zweiten Endes an dem zweiten Federträger (12), um eine relative Bewegung zwischen der Federeinrichtung (18) und dem zweiten Federträger (120) zu verhindern, wenn das zweite Ende der Federeinrichtung (18) relativ zu dem ersten Ende der Federeinrichtung (18) verlagert wird.

4. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipp-Biege-Anordnung (48) eine Biegungseinrichtung (158) umfaßt, die mit dem ersten Aufhängungsisolator verbunden ist, wobei die Biegungseinrichtung (158) eine geringe Steifigkeit gegen schaukelnde Bewegungen und eine große Steifigkeit gegen Verlagerungen zwischen dem Gegenstand und dem ersten Aufhängungsisolator bereitstellt.

5. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Aufhängungsisolator einen oberen und einen unteren Endabschnitt aufweist, und daß der erste Aufhängungsisolator einen oberen und einen unteren Endabschnitt aufweist, wobei der obere Endabschnitt des zweiten Aufhängungsisolators wirkungsmäßig in Reihe mit dem unteren Endabschnitt des ersten Aufhängungsisolators verbunden ist, um zu ermöglichen, daß der erste und der zweite Aufhängungsisolator in einer im wesentlichen nebeneinander liegenden Anordnung arbeiten.

6. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein relativ steifes Strukturelement (42) das Oberteil des zweiten Aufhängungsisolators mit dem unteren Endabschnitt des ersten Aufhängungsisolators verbindet.

7. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Aufhängungsisolator einen oberen und einen unteren Endabschnitt und eine große Steifigkeit für relative Verdrehungen seines oberen und unteren Endabschnitts in Richtungen quer zur axialen Richtung aufweist.

8. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Aufhängungsisolator eine Sockelplattform (22) ' aufweist, die wirkungsmäßig mit der Federeinrichtung (18) verbunden ist, und daß der erste Aufhängungsisolator eine Ständersockelplatte (38) aufweist, wobei ferner ein Biegungselement (I88) wirkungsmäßig zwischen der Ständersockelplatte und der Sockelplattform angeschlossen ist, wobei das Biegungselement (188) relativ steif gegenüber Querverlagerungen des Unterteils des ersten Aufhängungsisolators relativ zu der Sockelplattform (22) ist und eine relativ niedrige Steifigkeit gegenüber axialen Verlagerungen des ersten Aufhängungsisolators relativ zu der Sockelplattform (22) aufweist.

9. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem ersten Aufhängungsisolator (36) zumindest drei flexible Säulenständer (36) zum Abstützen des Gegenstands und zum Reduzieren der Übertragung von Schwingungen zwischen dem Gegenstand und dem Sockel (16) eingesetzt sind.

10. Omnidirektionales schwingungsisolierendes Aufhängungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Richtung vertikal ist und der Isolator eine Gewichtsbelastung in einer 1 g-Umgebung trägt, wobei der erste Aufhängungsisolator aus einem Vertikalbewegungsisolator und der zweite Aufhängungsisolator aus einem Vertikalbewegungsisolator besteht.