NL1026509C2

NL1026509C2 - Een lange slag actuator met hoog draagvermogen en nanometer resolutie welke tevens gebruikt kan worden als trillingsisolator.

Info

Publication number: NL1026509C2
Application number: NL1026509A
Authority: NL
Inventors: Hubertus Leonardus Mat Janssen; Bartholomeus Catharina Th Bree
Original assignee: Janssen Prec Engineering B V; Hubertus Leonardus Mat Janssen
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2005-12-30
Also published as: WO2006001691A1

Description

Een lange slag actuator met hoog draagvermogen en nanometer resolutie welke tevens gebruikt kan worden als trillinesisolator 5 De uitvinding heeft betrekking op een actuator die een slag tot enkele tientallen millimeters combineert met een resolutie in het nanometergebied bij een draagkracht tot honderden kilo’s. Dit wordt mogelijk gemaakt door een laagfrequente pneumatische actuator met grote slag en groot 10 draagvermogen te combineren met een hoogfrequente magnetische actuator met grote slag op dusdanige wijze dat de resulterende stijfheid in de aandrijfrichting minimaal gelijk is aan de som van de stijfheden in aandrijfrichting van de pneumatische actuator en magnetische actuator. Met 15 een aanpassing in de regelstrategie is het ook mogelijk deze actuator als t r i 11ingsiso 1 at or'te gebruiken.

Dergelijke actuatoren zijn onder andere vereist in de telescopie waar een groot aantal segmenten functioneel 20 gecombineerd wordt tot een enkele telescoop. Deze segmenten kunnen tot enkele honderden kilo’s zwaar zijn en ondervinden pos i t i efouten als gevolg van bijvoorbeeld zwaartekracht, temperatuur en wind. Een actuator in een gesloten regelsysteem biedt een mogelijkheid tot het 25 corrigeren van deze positiefouten.

Gezien het potentieel groot aantal benodigde actuatoren in een telescoop, duizenden is niet ongewoon, is een oplossing tegen beperkte kosten en volume noodzakelijk. Daarnaast 30 zijn een hoge betrouwbaarheid en levensduur tot tientallen j aren vereist.

Er zijn reeds een aantal actuatoren en aandrijfmethodes die mogelijk een oplossing bieden. Een s p i n d e 1 aan dr i j v ί n g heeft 35 echter niet de benodigde resolutie, hetgeen ook geldt voor 1 n?RSQ9_ ___ 2 een tandheugel terwijl w r i j v i n g s w i e 1 e n onvoldoende draagkracht hebben. Een lineaire motor heeft binnen beperkte afmetingen niet de draagkracht, vereist een complexe, dure aansturing en zal continu zeer veel 5 vermogen dissiperen. Het toepassen van overbrengingen om de draagkracht te verhogen is een mogelijkheid, maar dit zal de slag ontoelaatbaar verhogen en vereist een groot volume. Een andere mogelijkheid is het gebruik van een passieve veer als g e w i c h t s c o m p e n s a t i e , maar deze zal een 10 onrealistisch lage stijfheid moeten hebben om te functioneren over de volle slag.

De uitvinding betreft dan ook een actuator die aan deze beperkingen tegemoet komt en wel een oplossing biedt die 15 de gewenste eigenschappen combineert.

Dit kan volgens de uitvinder door een pneumatische actuator met lage stijfheid en lage bandbreedte, welke de benodigde draagkracht over een grote slag heeft, te 20 combineren met een magnetische actuator met hoge stijfheid en hoge bandbreedte en relatief beperkte kracht, over een slag die minimaal gelijk is aan die van de pneumatische actuator, op een dusdanige wijze dat de resulterende stijfheid in de aandrij fr i chting minimaal gelijk is aan de 25 som van de stijfheden in a an d r i j f r i c h t i n g van de pneumatische actuator en de magnetische actuator.

Fig.1 een schematisch overzicht van een inrichting volgens de uitvinding, 30 Fig.2 een schematisch overzicht van een vacuüm compatibele inrichting volgens de uitvinding,

Fig.3 een schematisch overzicht van een gewijzigde inrichting volgens de uitvinding, 1026509_ 3

Fig.4 een schematisch overzicht van een mogelijke toepassing van een inrichting volgens de uitvinding,

Fig.5 een schematisch overzicht van een toepassing van 5 een inrichting volgens de uitvinding als trillingsisolator.

In figuur 1 is een dergelijke actuator weergegeven. De pneumatische actuator bestaat uit een balg die gedefinieerd 10 wordt door het elastische element 1, een wand 2 en deksel 3. Aan deze balg is een aanvoerlijn 4 bevestigd welke een gas bevat met een druk die hoger is dan de druk die maximaal gewenst is in de balg. Tevens is aan de balg een afvoerlijn 5 bevestigd welke een gas bevat met een druk die 15 lager is dan de druk die minimaal gewenst is in de balg. In de aanvoerlijn is een klep 6 geplaatst en in de afvoerlijn een klep 7. Bediening van deze kleppen maakt het mogelijk de hoeveelheid gas in de balg en daarmee de lengte dan wel de aandrij fkracht van de balg te regelen.

20

De magnetische actuator 8 is zodanig geplaatst dat de resulterende stijfheid van de actuator de som is van de stijfheden van de pneumatische actuator en magnetische actuator. De magnetische actuator wordt gebruikt om een 25 beweging met relatief kleine slag en hoge bandbreedte toe te voegen op de beweging van de pneumatische actuator. Dit vereist dat de slag van de magnetische actuator groter is dan de slag van de pneumatische actuator.

30 Het geheel wordt in een regellus geplaatst waarbij de beweging 9 gemeten wordt met een sensor. De plaatsing van de magnetische actuator in de pneumatische actuator zal de magnetische actuator afschermen van omgevingsfactoren zoals vocht, hetgeen een positieve invloed heeft op de 35 levensduur en betrouwbaarheid. Verder vertoont een balg, 1026509 4 in tegenstelling tot de in de pneumatiek doorgaans gebruikte zuiger, geen slijtage en behoeft ze geen onderhoud. Ook dit zal de levensduur en betrouwbaarheid verhogen.

5

In figuur 2 is weergegeven met welke extra voorzieningen deze actuator ook geschikt gemaakt kan worden om gebruikt te worden in een vacuümomgeving. Hiervoor dienen de deksel 1, balg 2 en wand 3 van een vacuüm compatibel 10 materiaal gemaakt te worden. Alle deelvlakken moeten vacuümdicht gelast worden of er moeten vacuümdichte afdichtingen gebruikt worden. Tevens moeten de kleppen 4 intern geplaatst worden zodat ze net als de magnetische actuator 5 niet in contact komen met het vacuüm. De 15 aanvoerlijn en afvoerlijn voor het gas dienen een flexibele buis 6 te zijn en van een vacuüm compatibel materiaal gemaakt te worden. De voeding van de magnetische actuator en de aansturing van de kleppen dient te gebeuren met vacuüm compatibele bekabeling 7 welke via een vacuüm 20 compatible connector 8 in de actuator gebracht wordt. Als alternatief kan de bekabeling ook door een flexibele buis van een vacuüm compatibel materiaal geleid worden.

In figuur 3 is een uitvoering van de actuator volgens de 25 uitvinding weergegeven waarbij de pneumatische actuator 1 dubbelzijdig is uitgevoerd. De volumes 2 en 3 zijn pneumatisch gescheiden en de druk in volume 2 kan onafhankelijk worden geregeld ten opzichte van de druk in volume 3. Hiermee is het mogelijk een beweging 4 met grote 30 kracht op te wekken die zowel naar boven als naar onder gericht kan zijn.

In figuur 4 is een schematisch overzicht gegeven van een nvo gelijke toepassing van de actuator volgens de uitvinding. 35 Een willekeurig aantal segmenten 1, welke gezamenlijk een 5 telescoop vormen en waarvan er twee zijn weergegeven, wordt elk ondersteund door minimaal één actuator 2, waarbij twee actuatoren per segment zijn weergegeven.

Door de positie van de segmenten onderling te meten met de 5 sensoren 3 wordt een regelsignaal gecreëerd voor elk van de actuatoren opdat de segmenten naar de vereiste positie geregeld worden. De gasvoorziening bestaat uit een gesloten systeem van droge lucht of bijvoorbeeld stikstof hetgeen bevriezingsprob 1 emen voorkomt bij het mogelijke 10 gebruik op grote hoogte in de open lucht. De afvoerlijnen van de actuatoren zijn verbonden met het lage druk reservoir 4, waaruit pomp 5 het gas pompt naar het hoge druk reservoir 6 dat verbonden is met de aanvoerlijnen van de actuatoren.

15

In figuur 5 is een schematisch overzicht van het gebruik van de actuator volgens de uitvinding als trillingsisolator weergegeven. Minimaal drie actuatoren 1, waarvan er twee zijn weergegeven, worden onder een object 2 geplaatst met 20 als doel om de vloertrillingen 3 wat betreft de amplitude sterk gereduceerd door te laten naar het object dat gaat trillen met amplitude 4.

Dit is mogelijk doordat de pneumatische actuator met zijn 25 lage stijfheid als een 1 aa g d o o r 1 a at f i 11 e r fungeert voor vloertrillingen. De resterende laagfrequente trillingen worden weggeregeld door de magnetische actuator. Voor dit laatste is een regelsignaal nodig dat wordt verkregen door oftewel een krachtmeting met de sensoren 5 tussen iedere 30 actuator en object, oftewel door het meten van de snelheid van het object, oftewel door het meten van de versnelling van het object, oftewel door een combinatie van deze metingen.

1026509 6

De regeling zal een dusdanige karakteristiek moeten hebben dat zij over een zo groot mogelijk frequenti egebied r e g e 11 e c h n i s c h e demping introduceert en vooral in het f r e q u e n t i e g e b i e d onder de bandbreedte van de magnetische 5 actuator. Rege1technische stijfheid is vooral vereist in het gebied onder de bandbreedte van de pneumatische actuator.

Ook deze applicatie kan in een vacuümomgeving functioneren door het toepassen van een actuator zoals 10 weergegeven in figuur 2.

Claims

1. Inrichting die een slag tot enkele tientallen millimeters combineert met een resolutie in het nanometergebied bij 5 een draagkracht tot honderden kilo’s welke is opgebouwd uit een combinatie van een pneumatische actuator en een magnetische actuator met als bijzonder kenmerk dat de magnetische actuator in de drukkamer van de pneumatische actuator is geplaatst op dusdanige 10 wijze dat de magnetische actuator niet in contact komt met de buitenlucht en dat de resulterende stijfheid in aandrij frichting van de inrichting minimaal gelijk is aan de som van de stijfheden in a an d r i j f r i c ht i n g van de pneumatische actuator en de magnetische actuator. 15

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de pneumatische actuator het grootste deel van het draagvermogen verzorgt.

3. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de slag van de magnetische actuator groter is dan de slag van de pneumatische actuator.

4. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met 25 het kenmerk dat de pneumatische actuator bestaat uit een zuiger of uit een onder andere door een rubberen, plastic of metalen balg afgesloten volume welke een beweging in aandrij frichting toelaat.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de pneumatische actuator verbonden is met een onder hoge druk staande aanvoerlijn van een gas en een onder lage druk staande afvoerlijn van een gas en dat het effectieve debiet door de pneumatische actuator 35 via minimaal één klep gestuurd wordt. 10265 0 9._ _______

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk dat minimaal één klep een proportionele klep is.

7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat een tweede pneumatische actuator toegevoegd wordt op dusdanige wijze dat deze een aandrijfkrachtkracht kan uitoefenen die tegengesteld is aan de eerste pneumatische actuator. 10

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk dat het effectieve debiet door elke pneumatische actuator onafhankelijk van elkaar gestuurd kan worden.

9. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de beweging in a an d r i j f r i c h t i n g gemeten wordt en gebruikt wordt als regelsignaal voor de pneumatische actuator en de magnetische actuator.

10. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat 1 a a g f r e q u e n t e bewegingen met grote slag dan wel grote kracht worden uitgevoerd met de pneumatische actuator

11. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat hoogfrequente bewegingen met kleine slag dan wel kleine kracht worden uitgevoerd met de magnetische actuator en worden toegevoegd op de beweging van de pneumatische actuator. 30

12. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat alle met de omgeving in contact komende onderdelen van een vacuüm compatibel materiaal zijn, dat alle deelvlakken welke een 35 verbinding tussen het interne volume van de 1026509 pneumatische actuator en de omgeving vormen vacuümdicht gelast zijn of afgedicht met een vacuüm compatibele afdichting, dat de kleppen in de pneumatische actuator geplaatst zijn, dat de aanvoerlijn 5 en afvoerlijn uit vacuüm compatibele buis bestaan en dat vacuüm compatibele kabel wordt gebruikt welke met een vacuüm compatibele doorvoer in de pneumatische actuator gebracht wordt.

13. Systeem met het kenmerk dat deze minimaal een tweetal te verplaatsen objecten bevat welke ieder ondersteund wordt door tenminste één inrichting volgens een der voorgaande conclusies.

14. Systeem volgens conclusie 13, met het kenmerk dat de onderlinge positie tussen deze objecten gemeten wordt en dat deze positie dient als regelsignaal voor de inrichting.

15. Systeem volgens conclusie 13 of 14, met het kenmerk dat de objecten segmenten zijn welke gezamenlijk functioneel een telescoop vormen.

16. Systeem met het kenmerk dat deze een object bevat 25 welke ondersteund wordt door tenminste 3 inrichtingen volgens een der conclusies 1-12.

17. Systeem volgens conclusie 16, met het kenmerk dat oftewel een krachtmeting tussen iedere inrichting en 30 object, oftewel een s n e 1 h e i d s m e t i n g van het object in minimaal één vrijheidsgraad, oftewel een v e r s n e 11 i n g s m e t i n g van het object in minimaal één vrijheidsgraad, oftewel een combinatie van deze metingen wordt uitgevoerd. 35 _10265 0 9____ ___ 1 o

18. Systeem volgens conclusie 17, met het kenmerk dat de meetsignalen gebruikt worden om de pneumatische actuator en de magnetische actuator aan te sturen.

19. Systeem volgens conclusie 18, met het kenmerk dat de regeling van de magnetische actuator een dusdanige karakteristiek heeft dat minimaal het f r e q u e n t i e g e b i e d onder de bandbreedte van de magnetische actuator voorzien wordt van regeltechnische demping en dat 10 regeltechnische stijfheid met name voorzien wordt in het f r e q u e n t i e g e b i e d dat ligt onder de bandbreedte van de pneumatische actuator.

20. Inrichting of systeem volgens één der voorgaande 15 conclusies, met het kenmerk dat het pneumatische circuit een gesloten circuit is.

21. Inrichting of systeem volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het gas voor de 20 pneumatische actuator wordt vervangen door een vloeistof. 1026509