SE437187B - Horisontalstabiliseringsanordning - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 35 RO àêäšfïåiïfïä? 7801245-7 vill kunna dämpa vibrationer med mycket låg amplitud, till exempel av storleksordningen mikron, kan man icke lämpligen använda konven- tionella stötdämpare. Sålunda är de vanliga anordningarna för upp- hängning och dämpning av en större massa, när de är avsedda att eli- minera vibrationer med frekvenser i närheten av nâgra tiotal hertz, ineffektiva med avseende på störningar med mycket låg frekvens, vil- ka i huvudsak alstras i horisontella riktningar.

Föreliggande uppfinning har till ändamål att åstadkomma en sta- biliseringsanordning som tillåter att befria ett horisontellt ele- ment med vertikal tröghets-uppbärning, från vibrationer som kan alst- ras med mycket låg frekvens, dvs en anordning som tillåter att sä- kerställa en styvhet och dämpning av nämnda element för mycket låga frekvenser, särskilt lägre än en hundradels hertz och högre än några tiondels eller hundradels hertá.

Detta ändamål uppnås genom att den ovannämnda stabiliseringsan- ordningen enligt uppfinningen innefattar första och andra aktiva elektromagnetiska radiallager, som vardera på i och för sig känt sätt har magnetlindníngar anordnade på en fast elektromagnet som samverkar med ett ringformigt ankare anordnat mittför nämnda fasta elektromagnet, varvid axeln hos vartdera av lagren är vertikal, och vardera av magneterna är fast förbunden med ett stativ och det ring- formiga ankaret hos det första lagret är fast förbundet med en förs- ta ände av massan som skall stabiliseras, under det att det ring- formiga ankaret hos det andra lagret är fast förbundet med en andra ände av massan som skall stabiliseras; åtminstone en första och en andra accelerometer anordnad på massan för detektering av svängning- ar parallella med en första resp. en andra horisontell axel, vilka accelerometrar avger en första resp. en andra signal som svar på svängningar, vilkas frekvens ligger inom passbandet för acceleromet- rarna; och en styrkrets till vilken nämnda första och andra signa- ler tillförs och som är förbunden med lindningarna hos de elektro- magnetiska radiallagren för säkerställande av en stabilisering av rörelserna hos massan som skall stabiliseras.

Sålunda kan, för det frekvensband som motsvarar acceleromet- rarnas passband, det element som skall stabiliseras styras i rummet, och accelerometrarna ger signaler, som efter dubbel integrering i styrkretsarna tillförs till lindningarna hos de magnetiska lagren, vilka säkerställer bibehållande i läge av det element som skall sta- biliseras utan införande av viskös friktion eller styvhet i förhål- lande till jord, i motsats till påverkningsanordningar av hydraulisk ~-»,_.-,. s. _. 10 15 20 25 30 35 H0 7801245- 7 eller pneumatisk typ; ty den kraft som utövas av de magnetiska lag- ren är avkopplad från jord och förblir oberoende av de vibrationer för vilka magneterna som är fästa vid ett med jord förbundet stativ kan utsättas.

För kompensering av icke endast svängningarna i tvâ inbördes vinkelräta transversella riktningar utan även av krängningsrörelser, är det lämpligt att använda en anordning för stabilisering, vilken även innefattar en tredje accelerometer anordnad på massan som skall stabiliseras och pâ avstånd från den första accelerometern för de- tektering av svängningar i en riktning parallell med nämnda första horisontella axel och avgiva en tredje signal, vilken stabiliserings- anordning är sådan att nämnda första och tredje signaler tillförs till en första resp. en andra ingång hos en komparatorkrets för bil- dande av en differentialsignal som tillförs till styrkretsen som är förbunden med lindningarna hos de elektromagnetiska lagren.

Passbandet hos accelerometrarna ligger företrädesvis mellan omkring nâgra tiondels eller hundradels hertz och omkring 100 hertz, dvs det är lämpligt att det frekvensband, inom vilket signalerna från accelerometrarna påverkar styrkretsen för styrning av de mag- netiska lagren begränsas till de ovan angivna värdena. Vid allt för låga frekvenser, lägre än några hundradels hertz, blir avvikelsen av accelerometrarna prohibitiv och effektiviteten av systemet mins- kas.

Enligt ett särskilt kännetecken på uppfinningen innefattar stabiliseringsanordningen dessutom detektorer för läget av det ring- formiga ankaret hos de elektromagnetiska radiallagren i förhållande till de respektive elektromagneterna hos lagren, vilka detektorer utsänder detekteringssignaler, som tillförs till styrkretsen som är förbunden med lindningarna på de elektromagnetiska lagren och bidrar till attbibehålla massan som skall stabiliseras i ett förutbestämt läge, när amplituden av detekteringssignalerna överstiger ett förut- bestämt värde.

Sålunda verkar lägesdetektorerna som är förbundna med de mag- netíska lagren för att återföra de ringformiga ankarna hos lagren till mittläget i förhållande till elektromagneterna, när amplituden av rörelsen är stor och ett ankare riskerar att komma i kontakt med den motsvarande magneten. Lägesdetektorerna kan likaledes verka inom frekvensomrâden belägna utanför passbandet för signalerna från acce- lerometrarna, för att ge lagren en viss styvhet som kan adderas till styvheten av fjädrarna som uppbär massan som skall stabiliseras.

P0OR~ozïnrz~=-«e«~ u-É* 10 15 20 25 30 35 H0 7801245-7 Det bör observeras, att i det frekvensområde, i vilket stabi- liseringsanordningen är aktiv, dvs i det frekvensomrâde för vilket den ström som genomgår magnetlindningarna hos lagren styres av styr- kretsen som svar på de av accelerometrarna utsända signalerna, de magnetiska lagren i allmänhet har stor rums-styvhet, som ger upp- hängningssystemet mycket låg överföringsförmâga för vibrationerna, och de krafter som appliceras på nivån av de magnetiska lagren är avkopplade från jord, dvs oberoende av magneterna. Sålunda kan de magnetiska lagren ha relativt stora luftgap utan att detta skadar systemets effektivitet.

De av accelerometrarna utsända signalerna underkastas dubbel integration inom styrkretsen för att ge systemet en stor rums-styv- het. Det är emellertid likaledes möjligt att alstra vissa dämpnings-_ krafter genom utförande av enenkel integration av signalerna från accelerometrarna, för en del av passbandet hos stabiliseringsanord- ningen.

Utanför det frekvensband, i vilket hänsyn tages till de av accelerometrarna utsända signalerna, dvs vid vilket horisontalstabi- liseringsanordningen är verksam, uppvisar den på fjädrarna upphängda massan en styvhet, som beräknas på konventionellt sätt under hänsyns- tagande till styvheten hos fjädrarna och trögheten hos anordningen.

Andra kännetecken och fördelar hos uppfinningen framgår av föl- jande beskrivning av ett utföringsexempel enligt uppfinningen under hänvisning till ritningen. I ' Pig. l visar en kurva som representerar styvheten hos ett ele- ment uppburet pâ vanligt sätt medelst fjädrar utan användning av an- ordningen enligt uppfinningen.

Pig. 2 visar en kurva som representerar styvheten hos ett ele- ment som uppbäres medelst fjädrar, varvid tillfogats en horisontal- stabiliseringsanordning enligt uppfinningen. i Pig. 3 visar en schematisk sektionsvy av en utföringsform av anordningen enligt uppfinningen.

I fig. 1 visar kurvan (a) asymptotisktstyvheten K som funktion av frekvensen f hos ett system bestående av en massa M sådan som plattan 2 i fig. 3, som uppbäres av fjädrar 3, H, 5 vilka stöder mot marken 1. I frånvaro av varje annan hjälpanordning för stabili- sering hfl“styvheten K hos systemet, såsom visas i fig. 1, ett kons- tan: värde lika med styvheten 1<° nos fjädrar-na 3,14, s anda :in punkten A som väsentligen_motsvarar resonansfrekvensen f1 hos syste- met, vilken exempelvis kan vara av storleksordningen nâgra hertz šfiäë 10 15 20 25 30 35 UU 7801245-7 och därefter växer hastigt från punkten A, varvid styvheten K då vä- sentligen motsvarar den styvhet som“representeras av plattan med massan M. I närheten av frekvensen f2 som motsvarar starka vibratio- ner i industriella miljöer och kan vara omkring exempelvis 25 Hz, 50 Hz eller 100 Hz, är styvheten K tillräckligt stor för att syste- mets överföringsförmåga för vibrationer med frekvenser i närheten av f2 skall vara mycket liten.

I fig. 2 visar kurvan (b) likaledes asymptotiskt styvheten K som funktion av frekvensen f hos samma system bestående av plattan 2 och fjädrarna 3, H, 5, till vilket tillfogats en anordning för horisontell stabilisering bestående av elementen 8-11 i fig. 3.

Elementen 6 och 7 består av aggregat som uppbär aktiva elekt- romagnetiska radiallager, som vardera innefattar ett fast stativ 61 resp. 71, som är förbundet med marken 1, och en del 82 resp. 72 som är fast förbunden med en ände 21 resp. 22 av plattan 2 som skall stabiliseras. De egentliga elektromagnetiska lagren 63, 73 innefat- tar en elektromagnet 63a, 73a och en lindning 63b, 73b samt ett ring- formigt ankare 63c, 73c placerat mitt för den motsvarande elektro- magneten 63a, 63b; resp. 73a, 73b. Det ringformiga ankaret 63c, 73c uppbäres av delen 62 resp. 72, under det att elektromagneten 53a, 63b; 73a, 73b är monterad på det fasta stativet 51 resp. 71. Det bör observeras att luftgapet mellan det ringformiga ankaret och magneten kan vara relativt stort.

En detektor 64, 74 kan vara tillfogad till varje radiallager 63, 73 för att i varje ögonblick bestämma det radiella läget av det ringformiga ankaret 63c, 73c i förhållande till den motsvarande elektromagneten 63a, 63b; 73a, 73b. Sådana detektorer Sü och 7U, anbragta på stöden 61, 71 i närheten av lagren 63, 73 kan vara av elektromagnetisk eller annan typ och vara utförda på konventionellt sätt.

Tre accelerometrar 8, 9, 10 är anordnade på plattan 2 för att detektera de accelerationer, för vilka denna platta kan utsättas på grund av störande vibrationer. Accelerometrarna 8, 9, 10, av konven- tionell typ, är anordnade att arbeta inom ett frekvensband liggande mellan en frekvens väsentligt lägre än f1, till exempel en frekvens av nägra tiondels eller hundradels hertz, och en frekvens av stor- leksordningen f2, till exempel omkring 100 Hz. Accelerometrarna 8 och 10 är anordnade ínärheten av var och en av ändarna 21 resp. 22 av plattan 2 och är känsliga för accelerationer y1, yz i en riktning y. Accelerometern 9 är anordnad på plattan 2 pâ sådant sätt att den 10 15 20 25 30 35 H0 7801245-7 detekterar accelerationer ä i en horisontell riktning x vinkel- rät mot riktningen y. “ En styrkrets 11, till vilken via ledare 81, 91 resp. 101 till- föres de signaler som utsänds av accelerometrarna 8, 9, 10, och via ledare 66, 76 de detekteringssignaler som utsänds av detektorerna SH, 74, tillåter att styra den ström som cirkulerar i magnetlind- ningarna 63b, 73b hos de magnetiska lagren 83, 73 och som överföres av ledarna 65, 75. De krafter som utövas av magneterna hos lagren 63 och 73 på ankarna 63o, 73c styrs sålunda genom signaler utsända från accelerometrarna, och kan vara avkopplade från jord.

Signalerna 'y1, 'yz och SE vilka utsänds av accelerometrarna 8-, 10 och 9 tillförs till kretsar i styrkretsen 11 vilka utför en dub- bel integration pâ sådant sätt att de alstrar signaler som represen- terar förskjutningarna av plattan 2, vilka signaler §1 och yz dess- utom tillförs till en komparatorkrets, som är förbunden med en dub- bel integrator för att ge en differentialsignal som tillåter att ta- ga hänsyn till krängningsrörelser i ett horisontalplan, för vilka plattan 2 kan utsättas under inverkan av vibrationerna.

För passbandet hos acoelerometrarna, eller för ett frekvens- band som är bestämt genom ett filter i själva styrkretsen 11 och innefattas i accelerometrarnas passband, överför de magnetiska lag- ren 63 och 73 krafter som är oberoende av jord 1, och ger systemet rums-styvhet. De magnetiska lagren 63 och 73 som styrs av accelero- metrarna 8-10 alstrar sålunda temporärt, och för ett förutbestämt frekvensband, horisontalstabiliseringskrafter i rummet, för platt- formen 2, vilken senare, som kan ha stor massa (flera ton), förblir vertikalt uppburen av fjädrarna 3, H och 5. Det bör observeras, att i motsats till hydrauliska eller pneumatiska lager, vilka skulle överföra vibrationer från stativet 61, 71 till plattan 2, de elektro- magnetiska lagren 63, 73 utgör, för det begränsar frekvensband i vilket de samverkar med accelerometrarna 8-10, pâverkningsanordning- ar utan viskös friktion eller någon jord-styvhet.

Kurvan (b) i fig. 2 representerar utvecklingen av styvheten hos det i fig. 3 visade systemet, i beroende av frekvensen, när man använder en stabiliseringsanordning som består'av elementen 6-11.

För mycket låga frekvenser, exempelvis klart lägre än 1 Hz, för vil- ka utnyttjandet av accelerometrar skulle medföra mätningsfel, blir endast den konstanta styvheten Ko hos fjädrarna 3-5 verksam (den del av kurvan (b) som slutar vid A'), och därefter,för ett frekvens- område som kan väljas som funktion av de avsedda tillämpningarna, aina? 10 15 20 25 30 35 40 7801245-7 men som väsentligen innefattar frekvensen f1 som motsvarar resonan- sen hos det mekaniska systemet 2, 3, 4, 5, och som lämpligen fort- sätter till närheten av ovannämnda frekvens f2, motsvarar styv- heten K en stor rums-styvhet som bibringas systemet genom de magne- tiska lagren som styrs av acoelerometrarna. Efter punkten C hos kur- van (b) blir systemets styvhet åter, liksom i fallet enligt fig. 1, endast beroende av elementen.2, 3, 4 och 5 och motsvarar då, till exempel på delen CD, styvheten hos plattan 2 själv. Sålunda tillå- ter stabiliseringsanordningen enligt uppfinningen att bibringa sys- temet en särskilt hög styvhet, under en begränsad tid, för ett be- stämt vibrationsfrekvensband fo-f2.

Det är naturligtvis möjligt att i hela eller en del av frek- vensbandet fo-f2 likaledes införa en rums-dämpning, genom att dess- utom tillföra signalerna från accelerometrarna 8-10 till enkla in- tegratorkretsar i styrkretsen 11, på sådant sätt att de av kretsen 11 lämnade signalerna likaledes innefattar en dämpningskomposant.

Detektorerna 64 och 7H, som kan vara sammansatta av ett fler- tal detektorelement, lämnar detekteringssignaler Dr1 och Dr2 vilka är funktion av läget av de ringformiga kanterna 63c och 73c i för- hållande till de vid stativet 61, 71 fästa lager-magneterna. Sådana detektorer 6% och 74 tjänar endast till att möjliggöra utförandet av en korrektion av läget av de ringformiga lager-kanterna i för- hållande till de motsvarande magneterna om de förra uppvisar rörel- ser av för stor amplitud. Signalerna Dr1 och Drz utnyttjas sålunda för att bidraga till en styrning av lagren i frekvensbandet fo-f2 vid rums-uppbärning, endast om de överstiger ett förutbestämt ampli- tudvärde. För detta ändamål tillförs signalerna Dr1 och Drz i det inre av styrkretsen 11 till tröskel-kretsar, varvid de eventuella utgângssignalerna från dessa tröskelkretsar därefter tillförs till konventionella styrkretsar för att ge utgångssignaler som skall till- föras till magnetlindningarna 63b, 73b. För övrigt kan, för frekven- ser lägre än fo, detektorerna 6H, 74 utnyttjas för att styra lagren 63, 73, oberoende av amplituden av rörelserna av ankarna 830, 73c, i ändamål att bibringa lagren en styvhet som då tillfogas till styv- heten Ko hos fjädrarna 3-5.

Naturligtvis är olika modifikationer eller tillägg möjliga vid den beskrivna anordningen, utan överskridande av uppfinningens^ ram.

Sålunda kan horisontalstabiliseringsanordningen enligt uppfin- ningen användas för en massa) som icke uppbäres av fjädrar, och kan 10 15 20 25 30 35 7801245-7 kompletteras med en vertikalstabiliseringsanordning, så att för ett givet frekvensomrâde massan helt uppbäres i rummet och stabiliseras för att sex frihetsgrader (tre-frihetsgrader med avseende på trans- lation i tre inbördes vinkelräta axelriktningar och tre frihetsgra- der med avseende på rotation omkring de tre nämnda axelriktningarna).

Vid ett sådant utförande med horisontal- och vertikal-stabili- seringar förses massan som skall stabiliseras med åtminstone två aktiva elektromagnetiska radiallager och tre accelerometrar på det sätt som definierats ovan i anslutning till fig. 3, samt med åtmins- tone ett extra aktivt elektromagnetiskt axial-lager som verkar i en vertikal axelriktning och som innefattar en eller flera fasta elekt- romagneter fast förbundna med ett stativ och med ett ankare anord- nat mitt för magneten 'eller magneterna samt fast förbundet med mas- san som skall stabiliseras. Dessutom är åtminstone en fjärde acce- lerometer, som är känslig för svängningar i en vertikal axelriktning, anordnad på massan som skall stabiliseras och som svar på svängning- ar, vilkas frekvens ligger inom dess passband, lämnar en signal till styrkretsar som styr det extra axial-lagret. Varje tranlationsför- skjutning i vertikalriktningen av massan som skall stabiliseras kan sålunda kompenseras. För att likaledes kunna kompensera rotationer av massan som skall stabiliseras, omkring två vinkelräta horisontel- la axelriktningar, är det likaledes möjligt att anordna en femte och en sjätte accelerometer anbragta på massan på avstånd från den and- ra resp. den fjärde accelerometern för detektering av svängningar i riktningar parallella med de axlar som motsvarar nämnda andra och fjärde accelerometer och för att avgiva signaler som, kombinerade med de signaler som lämnas av den andra resp. fjärde accelerometern, tillåter att styra de olika elektromagnetiska lagren i och för kom- pensering av de störande rotationsrörelserna omkring horisontella axlar.

Ifråga om ett system för samtidig horisontell och vertikal stabilisering, när bordet icke uppbäres av någon fjäder, måste me- kaniska organ anordnas för kompensering av massans konstanta verti- kala tyngdkraft i jordens gravitationsfält. En sådan kompensation kan lämpligen åstadkommas medelst luftkuddar. På detta sätt blir de mekaniska uppbärningsorganen icke något hinder mot att den uppburna massan stabiliseras i rummet med avseende på sex frihetsgrader, för ett bestämt frekvensområde. 7

Claims (3)

1. 78.01 1245- 7 Qatentkrav l. Horisontalstabiliseringsanordning i ett upphängnings- system för en massa, som uppbäres vertikalt med hjälp av fjäd- rar, varvid anordningen är avsedd att dämpa svängningarna hos nämnda massa i ett horisontalplan för ett givet vibrationsfre- kvensband, k ä n n e t e c k n a d därav, att den innefattar: första och andra aktiva elektromagnetiska radiallager (63, 73), varvid varje radiallager innefattar ankarlindningar (63b, 73b), monterade på ett stationärt ankare (63a, 73a), samverkande med ett ringankare (63c, 73c), vilket är beläget mittemot nämnda stationära ankare (63a, 73a), varvid axeln för vart och ett av lagren (63, 73) är vertikal, varvid var och en av de stationära ankarenheterna (63a, 73a) år fast monterad på ett stativ (61, 71) och ringankaret (63c) hos det första lagret (63) är fast monterat på en första ände (21) av nämnda massa (2), som skall stabiliseras, och ringankaret (73c) hos det andra lagret (73) är fast monterat på en andra ände (22) av den massa (2), som skall stabiliseras; åtminstone en första accelerometer (8) och åtminstone en andra accelerometer (9), varvid varje accelerometer (8, 9) är avsedd att fungera i ett frekvensband, som inkluderar nämnda giv- na vibrationsfrekvensband, varvid åtminstone en första accelero- meter (8) och åtminstone en andra accelerometer (9) är anordnade på den för stabilisering avsedda massan (2) för att detektera svängningar utmed den första resp. en andra horisontell axe] hos nämnda massa (2), varvid nämnda accelerometrar (8, 9) IVSGP en första resp. en andra signal (yl, f), såsom svar på svängningar, vars frekvenser ingår i nämnda givna vibrationsfrekvensband; samt en styrkrets (ll), till vilken nämnda första och nämnda andra signal (vl, É) sändes och vilken är kopplad till linningarna (63b, 73b) hos de elektromagnetiska radiallagrêfl (63, 73) för att säkerställa stabilisering av den för stabilisering avsedda massans (2) rörelser, varvid nämnda styrkrets (ll) innefattar kretsar, vilka åstadkommer en dubbel integrering för att avge signaler (yl, x), som representerar massans (2) förskjutningar. 7801245-7 10
2. 2. Anordning enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav¿ att den vidare innefattar en tredje accelerometer (10), som är anordnad på nämnda för stabilísering avsedda massa (2) på avstånd den första accelerometern (8), att nämnda tredje accelerometer (10) detekterar svängningar i en riktning paral- lellt med nämnda första horisontella axel och avger en tredje signal (§2), att nämnda första och tredje signal (§1, §É) sändes till en första resp. andra ingång hos en komparatorkrets, som är kopplad till en dubbelintegrerande anordning för att bilda en differentialsignal, som gör att styrkretsen (ll) kan ta hänsyn till avvikande rörelser hos massan (2) i ett horisontal plan.
3. 3, Anordnihs_en1ígt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d därav, att accelerometrarnas (8, 9, 10) passband ligger mellan approximativt femhundradels eller tiondels Hz och appro- ximativt 100 Hz. W _ _ H. Anordning enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k- n a d därav, att den vidare innefattar detektorer (6H, 7ü), som detekterar läget för ringankaret (630, 73c) hos de elektromag- netiska radiallagren (63, 73) med_avseende på de resp. ankaren- heterna (63b, 73b), varvid nämnda detektorer (6ü, 7ü) avger detek- teringssignaler (Drl, Dr2), vilka sändes till den styrkrets (11), som är kopplad till de elektromagnetiska lagrens (63, 73)1ífldnï“8GP (63b, 73b), och, jämte de två gånger integrerade signalerna (Yl, x, Y2); vilka erhållfi genom de av accelerometrarna (8, 9, 10) avgivna signalerna (ål, x, ïz), bidrar till att bibehålla den för stabilisering avsedda massan i en förutbestämd position, när nämnda detekteringssignalers (Drl, Dr2) amplitud överstigertett förutbestäm: värde. _ ' .