DE19628974C1 - Einrichtung zur Schwingungsisolierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schwingungsisolierung eines Objektes gegenüber einem Untergrund mit einer Luftfeder und einem Sensor zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem Objekt und dem Untergrund.

Schwingungsempfindliche Meß- und Prüfgeräte benötigen eine aktive oder passive Schwingungsisolierung und -dämpfung. Einerseits sollen damit Erschütterungen oder Vibrationen des Aufstellortes mit in der Regel kleinen Amplituden vom Meßgerät isoliert werden. Andererseits sollen geräteeigene Schwingungen, die zum Beispiel nach Lastwechsel oder Verfahren beweglicher Teile auftreten und meistens große Amplituden und niedrige Frequenzen aufweisen, gedämpft werden. In vielen Anwendungen ist es zusätzlich erforderlich, Laständerungen im Gerät mit Hilfe einer Niveauregelung zu kompensieren.

Für diese Anforderungen stehen handelsübliche niveaugeregelte Luftfedern zur Verfügung. Diese bestehen aus einer Luftfeder zur Schwingungsisolierung, einer Nivellierschraube zur Festlegung des Sollniveaus des Objekts sowie einem Regelkreis mit einem pneumatischen Regelventil zur Niveauregelung.

Technische Einzelheiten gehen aus dem Prospekt Nr. BC 6189 RWF 12/89/2000 der Firma Barry Controls GmbH zu ihren BARRY-ISOLAIR-Luftfedern hervor (heraus­ gegeben 1989).

Üblicherweise wird ein gegen Bodenschwingungen zu isolierendes Objekt, das eine Niveauregelung benötigt, auf beispielsweise einer Grundplatte angebracht, welche auf vier niveaugeregelten Luftfedern aufliegt. Da mit drei Auflagepunkten die Lage des Objekts statisch bestimmt ist, dürfen nur drei Regelkreise vorliegen. Daher werden zwei niveaugeregelte Luftfedern regelungstechnisch zu einer Einheit zusammengefaßt. Mit diesen drei Regelkreisen wird die Lage des Objekts, zum Beispiel eines Meßgerätes oder eines Mikroskops, konstant gehalten.

Durch die Verwendung von Luftfedern wird eine wirksame niederfrequente Schwingungsisolierung bei Bodenerschütterungen bewirkt. Ebenso wird eine gute Dämpfung bei geräteeigenen Schwingungen erzielt.

Die Funktion der Luftfeder ist durch die Verwendung eines Luftvolumens als kompressibles Medium sowie einer speziell ausgelegten Membran zur Eingrenzung des Luftvolumens gegeben. Der erforderliche Luftdruck in der Feder ist von der aufgebrachten Belastung abhängig. Bei einfachen Anwendungen werden die Luftfedern mittels einer Luftpumpe aufgeblasen. Der Luftdruck muß dabei von Zeit zu Zeit kontrolliert werden. Bei aufwendigeren Systemen sind die Luftfedern ständig am Luftdrucknetz angeschlossen. Der gewünschte Luftdruck wird über ein Drosselventil mit Hilfe eines Manometers und einer Stellschraube auf einen festen Wert eingestellt.

Die Luftfeder besteht schematisch aus einem Unterteil, einem Oberteil und dem dazwischen befindlichen federnden Luftpolster. Das Unterteil steht auf einem Untergrund, zum Beispiel dem Gebäudeboden. Auf das Oberteil wird das Objekt aufgelegt, welches gegen die Schwingungen des Untergrundes isoliert werden soll.

Bei Lastverschiebungen auf dem Objekt ändern sich die Gewichts- und die Druckverteilung und somit auch das ursprünglich eingestellte Niveau des Objekts. Wenn dies unerwünscht ist, ist außer der reinen Schwingungs­ isolierung als zusätzliche Funktion eine Niveauregelung erforderlich. Hierzu wird das jeweils aktuelle Niveau des Objektes über dem Untergrund bestimmt. Wenn sich das Niveau an einer der Meßstellen durch Lastverschiebung auf dem Objekt ändert, wird diese Abweichung dadurch korrigiert, daß in der der Meßstelle zugeordneten Luftfeder der Luftdruck erhöht oder erniedrigt wird. Die Luftzufuhr und Luftabfuhr wird über das Niveauregelventil gesteuert.

Zur Niveaubestimmung dient ein Ventilstößel eines pneumatischen Regelventils. Das pneumatische Regelventil ist in der Druckluftzuleitung der Luftfeder eingebaut und vertikal von außen an der Basis der Luftfeder montiert. Der Ventilstößel ist vertikal in dem pneumatischen Regelventil angeordnet und durch eine Rückstellfeder vorgespannt. Er ragt oben aus dem pneumatischen Regelventil heraus. Die Lage des Ventilstößels regelt die Menge der Druckluftzufuhr zur Luftfeder.

Das Sollniveau des isoliert gelagerten Objekts kann mittels einer verstellbaren Referenz eingestellt werden. Dazu ist über dem pneumatischen Regelventil an dem gefederten Oberteil der Luftfeder vertikal eine Nivellierschraube montiert. Nach Belastung der Luftfeder durch Auflegen eines Objekts wird die Nivellierschraube zur Einstellung des Sollniveaus nach oben gedreht, bis sie mit ihrer Oberkante an die Unterseite des gelagerten Objekts anstößt. Die Unterkante der Nivellierschraube steht in mechanischem Schluß zur Oberkante des darunter angeordneten Ventilstößels.

Die Niveauregelung des Objekts erfolgt über das pneumatische Regelventil. Dazu wird der Abstand des Objekts gegenüber dem Untergrund durch den Ventilstößel erfaßt, der hier als mechanischer Abstandssensor arbeitet. Der Ventilstößel hat infolge der mechanischen Federvorspannung dauernden flexiblen mechanischen Kontakt zur Unterkante der darüber angeordneten Nivellierschraube.

Steigt durch eine Lastverschiebung an dem Objekt das Gewicht über der zugeordneten Luftfeder an, wird der Ventilstößel nach unten gedrückt. Dadurch wird im Ventil ein Zuluftkanal geöffnet, so daß der Druck in der Luftfeder ansteigt und dadurch das Objekt angehoben wird. Unter dem Einfluß der Rückstellfeder folgt der Ventilstößel nach, bis das Sollniveau wieder erreicht und der Zuluftkanal wieder geschlossen ist. Wenn sich das Gewicht über der Luftfeder verringert und das Objekt angehoben wird, folgt der Ventilstößel und öffnet damit einen Abluftkanal, über den die Luftdruck in der Luftfeder soweit abgebaut wird, bis sich das Objekt wieder bis auf das Sollniveau abgesenkt und der Ventilstößel den Abluftkanal geschlossen hat. Das pneumatische Regelventil gleicht also den Luftdruck in der Feder in Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Ventilstößels so aus, daß die durch die Nivellierschraube eingestellte Niveaulage wieder eingeregelt wird.

Der prinzipielle Nachteil des Systems liegt in der Verwendung eines mechanischen Abstandssensors in Form des Ventilstößels. Durch den Kontakt zwischen Ventilstößel und Nivellierschraube stellt das pneumatische Regelventil eine mechanische Kopplung des schwingungsgedämpft gelagerten Objekts zum Untergrund der Luftfeder dar, die im Sinne eines mechanischen Nebenschlusses die niederfrequente Luftfeder überbrückt.

Ferner stellen die Masse des Ventilstößels und dessen Rückstellfeder ein schwingungsfähiges System dar, das nach Anregung von außen, beispielsweise schnellen rhythmischen Belastungsänderungen, Eigenschwingungen ausführen kann. Dies führt dann zu ständigen Höhenbewegungen des aufgelegten Objekts.

Außerdem können die Regelparameter des Niveauregelkreises vom Anwender nicht beeinflußt werden. In manchen Fällen ist es wünschenswert, die Größe des Volumenstroms oder die Einschwingzeiten zu verändern. Zum Beispiel, wenn sich durch eine ungünstige geometrische Anordnung der Lagerpunkte die unabhängig von einander arbeitenden Regelkreise gegenseitig beeinflussen und das System zur Instabilität, also zum Aufschaukeln, führen oder eine Blockierung der Schwingungsentkopplung verursachen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Einrichtung zur Schwingungsisolierung anzugeben, welche eine mechanische Entkopplung zwischen Untergrund und dem schwingungszudämpfenden Objekt gewährleistet und eine Niveauhöheneinstellung mit einstellbaren Regelpara­ metern aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen berührungslos arbeitenden Abstandssensor mit einem elektrisch steuerbaren Durchflußventil und einem elektronischen Regler in einem Regelkreis zu kombinieren. Über die Auswahl und Ansteuerung des elektronischen Reglers kann die durchgelassene Luftmenge im elektrisch steuerbaren Durchflußventil beeinflußt werden. Dabei kommt der Auswahl des Durchflußventils besondere Bedeutung zu. Als elektrisch steuerbare Durchflußventile kommen nur Aktoren in Frage. Unter einem Aktor versteht man allgemein ein Bauteil, das elektrische Signale in physikalische Größen, wie zum Beispiel Druck oder Kraft, umformt. Aktoren werden in Regelkreisen als Stellglieder eingesetzt.

Zur Durchflußregelung wird hier ein thermopneumatischer Aktor ausgewählt. Je nach Anwendungsfall ist auch der Einsatz von piezoelektrischen oder elektrostatischen Aktoren oder auch von Bimetall-Aktoren möglich. Piezoelektrische Aktoren sind sehr klein und sehr schnell, können aber nur kleine Flußmengen oder Drücke steuern. Elektrostatische Aktoren arbeiten bei kleinen Bauformen nicht proportional, weisen dafür jedoch kurze Reaktionszeiten auf. Bimetall-Aktoren besitzen kleine Bauformen und Proportionalverhalten, sind jedoch relativ träge und nur für niedrige Drücke und Flußraten geeignet.

Den breitesten Anwendungsbereich bietet im Vergleich der thermopneu­ matische Aktor. Er arbeitet als reales Proportionalventil und ermöglicht präzises und hochdynamisches Regelverhalten selbst bei hohen Eingangsdrücken.

Der thermopneumatische Aktor ist ein mikromechanisches Bauteil von geringen Außenabmessungen von wenigen Kubikmillimetern und geringem Gewicht von ungefähr 0,2 g. Er besteht im Kern aus einem Siliziumplättchen, in das eine Vertiefung geätzt ist. Der Vertiefungsboden ist als Membran ausgebildet. Die Vertiefung ist mit einer Arbeitsflüssigkeit mit hohem Wärmeausdehnungskoeffi­ zienten ausgefüllt. Den Deckel über der Vertiefung bildet eine erste Pyrexglas­ scheibe mit integriertem Heizwiderstand.

Unter der Membran ist ein Hohlraum, der über die Druckluftzuleitung mit Luft gefüllt ist. Nach unten ist der Hohlraum durch eine weitere Pyrexglasscheibe abgeschlossen. Diese zweite Pyrexglasscheibe unter dem Hohlraum besitzt exakte Kanäle zum Auslassen der Luft.

Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an den Heizwiderstand dehnt sich die Arbeitsflüssigkeit aufgrund des hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus und drückt die Membran gegen die zweite Pyrexglasscheibe, die durch die exakten Kanäle einen kontrollierten Austritt der Druckluft gewährleistet.

Damit wird der Druckluftdurchsatz durch die Bewegung der extrem leichten Membran gesteuert, welche wiederum mittelbar elektrisch angesteuert wird. Ein mechanisches Aufschaukeln wie im pneumatischen Regelventil ist beim thermopneumatischen Aktor daher ausgeschlossen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der schematischen Zeichnung näher erläutert, in der ein Objekt mit mechanisch isolierter, niveaugeregelter Schwingungsisolierung dargestellt ist.

Die Figur zeigt ein Objekt 1, welches zwecks Schwingungsisolierung auf einer Luftfeder 2 gelagert ist. Die Luftfeder 2 steht auf einem Untergrund 3. Zur Bestimmung des Niveaus des Objekts 1 über dem Untergrund 3 ist zwischen beiden als Abstandssensor ein induktiver Sensor 4 angeordnet. Grundsätzlich ist jeder berührungsfrei arbeitende Sensor für diese Anwendung geeignet. Alternativ könnte beispielsweise auch ein optoelektronischer oder ein kapazitiver Sensor eingesetzt werden. Das Sollniveau wird beispielsweise durch eine Referenzfläche vorgegeben, die an der Unterseite des Objekts angebracht ist und deren Höhe über dem Untergrund mittels einer Schraube verändert werden kann. Diese Referenzfläche ist beispielsweise beim Einsatz einer Reflexlichtschranke eine optische Reflexionsfläche, beim Einsatz eines induktiven Sensors eine metallische Fläche oder beim Einsatz eines magnetoresistiven Sensors eine magnetische Fläche. Anstelle der höhenverstellbaren Referenzfläche kann auch eine Höhenverstellung des berührungsfrei arbeitenden Sensors vorgesehen werden, wie dies in der Figur gezeigt ist.

Das Sensorausgangssignal wird auf den Eingang eines elektronischen Reglers 5 geführt. Das Reglerausgangssignal wird dem elektrischen Eingang eines elektrisch steuerbaren Durchflußventils 6 in der Druckluftzuleitung 7 der Luftfeder 2 zugeführt, welches hier durch einen thermopneumatischen Aktor realisiert ist.

In Abhängigkeit vom Reglerausgangssignal, welches Eingangssignal des thermopneumatischen Aktors ist, steuert dieser die Druckluftzufuhr zur Luftfeder 2. Der induktive Sensor 4, der elektronische Regler 5 und der thermopneumatische Aktor bilden einen Regelkreis zur Niveauregelung des Objekts 1 ohne mechanisch bewegte Teile und ohne mechanischen Nebenschluß zum Untergrund 3. Bei Druckerhöhung in der Luftfeder 2 oberhalb einer definierten Toleranzgrenze, zum Beispiel bei zusätzlicher Belastung des Objekts 1, sorgt ein Drosselventil 8 für die erforderliche Entlüftung.

Bei der hier angewendeten berührungslosen Abstandserfassung wird die mechanische Kopplung bisher bekannter Isolierungssysteme mit mechanischer Lageerfassung vermieden und eine echte mechanische Schwingungsisolierung realisiert. Durch die Verwendung eines thermopneumatischen Aktors als elektrisch steuerbares Durchflußventil ist ein mechanische Aufschaukeln des Dämpfungssystems ausgeschlossen. Mit dem elektronischen Regler wird sowohl die Niveauhöhenregelung als auch die Einstellung der Regelparameter vorgenommen. Damit kombiniert die Erfindung eine echte Schwingungsisolierung mit dem Vorzug, die für den jeweiligen Anwendungsfall günstigsten Regelkreisparameter frei wählen zu können.

Bezugszeichenliste

1 Objekt
2 Luftfeder
3 Untergrund
4 induktiver Sensor als Abstandssensor
5 elektronischer Regler
6 thermopneumatischer Aktor als elektrisch steuerbares Durchflußventil
7 Druckluftzuleitung der Luftfeder
8 Drosselventil

Claims (5)

1. Einrichtung zur Schwingungsisolierung eines Objekts (1) gegenüber einem Untergrund (3) mit einer Luftfeder (2) und einem Sensor (4) zur Bestimmung des Abstandes zwischen dem Objekt (1) und dem Untergrund (3), dadurch gekennzeichnet, daß ein berührungslos arbeitender Abstandssensor (4) mit einem elektrischen Sensorausgangssignal, ein von dem Sensorausgangssignal angesteuerter elektronischen Regler (5) mit einem Reglerausgangssignal und ein vom Reglerausgangssignal angesteuertes elektrisch steuerbares Durchflußventil (6), welches in der Druckluftzuleitung (7) der Luftfeder (2) eingebaut ist, als Regelkreis angeordnet sind.

2. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslos arbeitende Abstands­ sensor (4) ein optoelektronischer Sensor ist.

3. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslos arbeitende Abstands­ sensor (3) ein kapazitiver Sensor ist.

4. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der berührungslos arbeitende Abstands­ sensor (3) ein induktiver Sensor ist.

5. Einrichtung zur Schwingungsisolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch steuerbares Durchflußventil (6) ein thermopneumatischer Aktor eingebaut ist.