DE19500613A1 - Punktlagerungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Punktlagerungsvorrichtung für einen zu lagernden Körper auf einer Basis, wobei die Punktlagerungsvorrichtung mindestens ein Kardangelenk beinhaltet.

Derartige Punktlagerungsvorrichtungen sind insbesondere bei großen astronomischen Teleskopspiegeln sehr kritisch. Dabei wird ein Primärspiegel von einer als Basis dienenden passiven hydraulischen Lagerungssystem gehalten. Zwischen dieser Basis und dem Primärspiegel befindet sich dann eine Punktlagerungsvorrichtung, welche vorzugsweise an drei Punkten auf der Spiegelrückseite den Spiegel unterstützt. Bekannte Punktlagerungseinrichtungen haben den Nachteil, daß sie auf jedem Stützkreis eine unterschiedliche Neigung zueinander besitzen. Die Ankopplung muß über individuell abgestimmte Keile an diese Neigung angepaßt werden, wobei Keilfehler im Spiegel Störmomente erzeugen. Durch die Flexibilität des Kardangelenks kann bei den bekannten Punktunterstützungsvorrichtungen vor Auflegen des Spiegels ein seitliches Wegkippen erfolgen, wodurch die Lage der Punktlagerungsvorrichtung bei Auflage des Spiegels undefiniert wird. Außerdem sind die bekannten Vorrichtungen nicht knickstabil.

Es sind auch axiale Verstelleinrichtungen für einen Körper auf mindestens einem Lagerungspunkt relativ zu einer Grundbasis (insbesondere für eine axiale Spiegellagerung) bekannt, bei welchen auf mindestens einen Lagerungspunkt des zu lagernden Körper durch einen Hebel, welcher mit einem ersten seiner beiden Enden an dem zu lagernden Körper angreift, in axialer Verstellrichtung eine Kraft aufgebracht werden kann.

Derartige axiale Verstelleinrichtungen sind beispielsweise aus dem DE-GM 88 08 506 und der DE-PS 39 08 430 bekannt. Bei diesen kann man durch eine Lageveränderung von Gewichten senkrecht zur axialen Verstellrichtung eine axiale Verstellung erreichen. Es sind auch Lösungen bekannt, bei welchen über einen Spindeltrieb eine vorgespannte Feder benutzt wird. Die Nachteile sind darin zu sehen, daß der Spiegel nicht von der Mechanik entkoppelt ist, da die Federkennlinie nicht beliebig flach gewählt werden kann. Dadurch werden mechanische Zwänge der Teleskopstruktur über die Feder direkt auf den Spiegel übertragen. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist darin zu sehen, daß bei Verstellung der aktiven Feder die Feder gespannt werden muß. Dies erfordert eine hohe Antriebsleistung und führt zu einer geringen Dynamik und Einstellgenauigkeit des Systems.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Punktlagerungsvorrichtung zu schaffen, welche zumindest auf allen Stützkreisen eine im wesentlichen gleiche Neigung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Punktlagerungsvorrichtung erlaubt mit ihren beiden Teilen eine problemlose, sichere und einfache Ausrichtung eines zu lagernden Körpers auf einer Basis, wobei die Lagerungseinrichtung in jedem Winkel zur Basis orientiert sein kann.

Eine bessere Kräfteverteilung zwischen den beiden Teilen der Punktlagerungseinrichtung erreicht man, wenn der Kugelabschnitt und die Kugelschale denselben Radius besitzen, da man dann ein flächenhaftes Aufliegen erhält.

Eine bessere Kräfteverteilung am zu lagernden Körper erhält man, wenn der obere Teil der Punktlagerungseinrichtung mit mehrere Angriffspunkthalterungen am zu lagernden Körper angreift.

Dabei sollten sich die Kraftvektoren der Angriffspunkthalterungen zumindest in einer Ebene treffen. Besser noch ist es, wenn sie sich in einem Punkt schneiden.

Vorteilhafterweise sollte die Kraftebene (bzw. der Schnittpunkt der Kraftvektoren) und der Kreismittelpunkt von Kugelabschnitt und Kugelschale zusammen fallen.

Besitzt die Punktlagerungseinrichtung ein Kardangelenk, so können Scherkräfte keine Wirkung zwischen Basis und zu lagernden Körper entfalten. Dabei sollte das Kardangelenk oberhalb des Kugelabschnitts ausgebildet sein, um Schwingungen des lagernden Körpers aufzufangen. Vorteilhafterweise sind die Gelenke des Kardangelenks in einer Ebene angeordnet, damit man einen definierten Lagerungsdrehpunkt in allen Achsen erhält. Dies wird unterstützt, wenn die Gelenke des Kardangelenks kreuzförmig ausgerichtet sind. Die geringste Auswirkung von Schwingkräften erhält man, wenn die Kreismittelpunkte von Kugelabschnitt und Kugelschale sowie Kraftebene (-punkt) der Angriffspunkthalterungen in der Gelenkebene des Kardangelenks zusammenfallen. Ist das Kardangelenk monolithisch, so ist die Federkraft hysteresefrei und frei von möglichen Montagefehlern.

Ist unterhalb der Kugelschale ein zweites, vorteilhafterweise monolithisches Kardangelenk angeordnet, so kann die Punktlagerungsvorrichtung Scherkräfte zwischen zu lagerndem Körper und Basis leicht auffangen, ohne daß diese ihre störende Kraft entfalten können.

Vorteilhafterweise besitzt die Punktlagerungseinrichtung eine Stoßsicherungseinrichtung, welche nach Anspruch 15 aufgebaut sein kann, und eine Festlegungsvorrichtung zur definierten Ausrichtung der Lagerung vor der Endmontage, welche nach Anspruch 17 aufgebaut sein kann. Auch eine Zugsicherungseinrichtung nach Anspruch 18 erhöht die Lagerungssicherheit. Besitzen die Sicherungseinrichtungen federnde bzw. nachgiebige Elemente, so sollten diese in ihrer federnden bzw. nachgiebigen Wirkung veränderbar sein.

Vorteilhafterweise kann Luft zwischen die Kugelschale und dem Kegelabschnitt geblasen werden, damit man den zu lagernden Körper "aufschwimmen" lassen kann. Saugt man dagegen diese Luft wieder ganz ab und erzeugt dabei ein Vakuum, so werden die beiden Teile der Punktlagerungseinrichtung fest miteinander gekoppelt.

Bringt man unterhalb der Punktlagerungsvorrichtung eine axiale Verstelleinrichtung an, so sollte diese dynamisch arbeiten und ausschließlich in Axialrichtung wirken. Dies ist aus dem bekannten Stand der Technik nicht bekannt.

Durch die erfindungsgemäße Anbringung einer Kraftwirkvorrichtung zur Verstellung des an sich bekannten Hebels in der axialen Verstelleinrichtung erhält man anstelle der bekannten statischen Lagerung eine dynamische Lagerung des relativ zu einer Grundbasis zu lagernden Körpers.

Indem man diese Kraftwirkvorrichtung in einer beweglichen Verschiebeeinrichtung anordnet, welche ihre Lage relativ zum Hebelarm verändern kann, erhält man eine unterschiedliche Wirkung durch die Kraftwirkvorrichtung allein durch eine Lageveränderung der Kraftwirkvorrichtung.

Gibt man dem Hebel, an welchen die Kraftwirkvorrichtung angreift zwei Hebelarme, kann man besonders leicht sowohl Zug- als auch Druckkräfte durch den Hebel auf den zu lagernden Körper wirken lassen.

Eine Erhöhung der Dynamik läßt sich leicht dadurch erreichen, indem man mehr als eine Kraftwirkvorrichtung vorsieht.

Die Lageveränderung der Kraftwirkvorrichtung sollte dadurch kontrolliert und steuerbar über einen Antrieb erfolgen, welcher wegen seiner Positioniergenauigkeit vorteilhafterweise elektrisch sein sollte. Dem dient auch, wenn der Antrieb über eine Gewindespindel auf die Kraftwirkvorrichtung wirkt.

Zur Ermittlung der axialen Verstellgröße ist es sinnvoll, wenn die Einrichtung einen Drucksensor beinhaltet.

Eine Entkopplung von möglichen Scherkräften zwischen dem zu lagernden Körper und der Grundbasis erreicht man durch den Einbau von Gelenken, welche vorteilhafterweise um den Drucksensor angeordnet sind. Als Gelenke eignen sich insbesondere Kardangelenke, welche in mehreren Richtungen eine Auslenkung ermöglichen.

Besonders sinnvoll ist die Benutzung der axialen Verstelleinrichtung unter einem Spiegel, da hier die Unterseite nicht anderweitig benutzt werden muß. Dies gilt insbesondere für den Primärspiegel eines Spiegelteleskops.

Es ist vorteilhaft, wenn sich die Verschiebeeinrichtung im wesentlichen senkrecht zur axialen Verstellrichtung ausdehnen läßt. Dazu kann eine entkoppelnde Luftkammer als Kraftwirkvorrichtung verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend in beispielhafterweise anhand von zwei Zeichnung näher erläutert, wobei weitere wesentliche Merkmale sowie dem besseren Verständnis dienende Erläuterungen und Ausgestaltungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens beschrieben sind.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Punktlagerungsvorrichtung; und

Fig. 2 eine axiale Verstelleinrichtung.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Punktlagerungsvorrichtung. Die in der Figur schematisch dargestellte Lagerungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei Teilen (A, B). Das obere Teil (A) dient zur direkten Befestigung am Spiegel (1) an der Spiegelunterseite (1a). Es besteht aus drei Angriffspunkthalterungen (2) direkt an der Spiegelunterseite (1a), welche mit dem Spiegel (1) in einem direkten festen (losbaren) Kontakt stehen. Die drei Angriffspunkthalterungen (2) (in der Figur sind lediglich zwei der drei Angriffspunkthalterungen dargestellt) sind jeweils mit einer Verlängerung (2a) am oberen Kardangelenk (4) über jeweils eine Schraubverbindung (3) verbunden. Das Kardangelenk (4) ist monolithisch hergestellt und besitzt vier kreuzförmig angeordnete Festkörpergelenke (5) in einer Ebene (in der Figur ist lediglich ein Festkörpergelenk sichtbar). Entsprechende Kardangelenke (5) sind in der DE- PS 38 42 776 und der DE-PS 38 43 775 eingehend beschrieben.

Die Kraftvektoren der drei Angriffspunkthalterungen (2) mit ihren Verlängerungen (2a) treffen sich in einem Punkt, welcher in der Ebene der vier Festkörpergelenke (5) liegt. Der untere Teil des Kardangelenks (4) besitzt eine sphärische Oberfläche (6), deren Mittelpunkt mit dem Treffpunkt der Kraftvektoren der drei Angriffspunkthalterungen (2) mit ihren Verlängerungen (2a) zusammenfällt. Der untere Teil (B) dient zur direkten Befestigung an einer Basis (19), welche hierdurch ein Element eines passiven oder aktiven hydraulischen Lagerungssystems gegeben ist. Dieses Element (19) des Lagerungssystems kann auf einer weiteren Basis (20), welche durch einen Boden oder durch einen aktiven Aktuator realisiert ist, aufliegen.

Der untere Teil (B) besteht aus einer Aufnahmeeinrichtung (7) für den oberen Teil (A) der Lagerungsvorrichtung und aus einer Abstützeinrichtung (17) auf der Basis (19). Der obere Teil der Aufnahmeeinrichtung (7) besitzt einen Kreisring (7a), dessen Auflagefläche für die sphärische Oberfläche (6) des Kardangelenks eine entsprechend sphärische Oberfläche (7aa) mit gleichem Radius aufweist. In dieser sphärischen Oberfläche (7aa) des Kreisrings (7a) der Aufnahnmeeinrichtung (7) ist ein Dichtungsring (8a) eingelassen.

Seitlich des Kreisrings (7a) ist ein Ventil (9) eingesetzt, durch welches ein Gas oder eine Flüssigkeit in oder aus dem Hohlraum (21) zwischen dem Kardangelenk (4) und der Aufnahmeeinrichtung (7) eingelassen bzw. entfernt werden kann. Die dazu dienende Vorrichtung ist nach dem bekannten, Stand der Technik aufgebaut und in der Figur nicht dargestellt. Im unteren Boden (7f) der Aufnahmeeinrichtung (7) ist eine kreisrunde Öffnung (7g) durch welche die stumpfe Spitze eines Stabes (10) in den Hohlraum (21) hineinragt. In dieser kreisrunden Öffnung (7g) befinden sich weitere Dichtungsringe (8b), so daß der Hohlraum (21) gas-bzw. flüssigkeitsdicht ist. Der Kreisring (7a) ist so hoch, daß zwischen der sphärischen Oberfläche (6) des Kardangelenks (4) und dem unteren Boden (7f) der Aufnahmeeinrichtung (7) immer zumindest noch ein Luftspalt verbleibt.

Die Aufnahmeeinrichtung (7) besitzt einen unteren, hohlen Verlängerungsring (7b). Unterhalb dieses Verlängerungsrings (7b) befindet sich ein verdickter Kreisring (7c), wobei die Verdickung des Kreisrings (7c) nach innen ausgebildet ist. Unterhalb dieses Kreisrings (7c) ist ein weiterer Verlängerungsring (7d) angeordnet, welcher in einen verdickten Kreisring (7e) endet, wobei diesmal die Verdickung dieses Kreisrings (7e) nach außen ausgebildet ist. Aus Montagefertigungsgründen ist die Aufnahmeeinrichtung (7) aus zwei Teilen (7A, 7B) gefertigt, welche bei der Montage fest zusammengeschraubt werden.

Die Aufnahmeeinrichtung (7) ist ein die Abstützeinrichtung (17) beweglich hineingesteckt, wobei zwischen der unteren Begrenzungsfläche (7ccc) des nach innen verdickten Kreisring (7c) der Aufnahmeeinrichtung (7) und einer inneren Auflagefläche (17e) der Abstützeinrichtung (17) eine Spiralfeder (13) als Federelement angeordnet ist. Die innere Öffnung (17f) in der Abstützeinrichtung (17) ist dabei so groß, daß die Aufnahmeeinrichtung (7) niemals auf die Abstützeinrichtung (17) aufschlägt, egal wie sehr das Federelement (13) auch belastet wird.

Die Abstützeinrichtung (17) besitzt einen hohlen Kreisring (17a) zur Aufnahme des unteren Teils der Aufnahmeinrichtung (7). Zwischen diesem Kreisring (17a) und der Aufnahmeeinrichtung (7) ist noch ein Drehring (16) angeordnet, mit welchem das Federelement (13) vorgespannt werden kann. Unterhalb der inneren Auflagefläche (17e) besitzt die Abstützeinrichtung (17) ein hohl ausgeführtes zweites monolithisches Kardangelenk (17d) mit vier Festkörpergelenken (18), welche in einer Ebene kreuzförmig angeordnet sind. Unterhalb dieses Kardangelenks (17d) ist die Abstützeinrichtung (17) mit einem Element (19) des hydraulischen Lagerungssystems fest verbunden.

Die Abstützeinrichtung (17) ist körperlich aus zwei Teilen (17A, 17B) aufgebaut, welche lose aufeinanderliegen. Im Inneren der Abstützeinrichtung (17) befindet sich ein Hohlkegel (15), welcher sich bis in die Aufnahmeeinrichtung (7) erstreckt. In seinem unteren Teil (15d) ist dieser Hohlkegel fest lösbar mit einem Teil (17B) der Abstützeinrichtung (17) verbunden. Dabei liegt er mit einer Auflagefläche (15c) auf dem unteren Teil (17B) im Innern der Abstützeinrichtung (17) auf. Der Hohlkegel endet im oberen Bereich in einen nach außen verdickten Kreisring (15a). Zwischen der unteren Fläche (15aa) dieses Kreisrings (15a) des Hohlkegels (15) und der oberen Begrenzungsfläche (7cc) des sich nach innen verdickenden Kreisrings (7c) der Aufnahmeeinrichtung (7) ist eine Spiralfeder (12) als ein zweites Federelement angeordnet. Im Inneren dieses Hohlkegels (15) ist ein Stab (10) angeordnet, welcher an der einen Seite durch die Öffnung (7g) des unteren Bodens (7f) der Aufnahmeeinrichtung (7) hindurchreicht und auf der anderen Seite im Inneren des zweiten Kardangelenks (17d) endet. Dieser Stab (10) besitzt ein Außengewinde (10a), auf welchem ein verdickter Kreisring (11) mit dazu passendem Innengewinde angeordnet ist. Zwischen der Unterseite (11a) dieses Kreisrings (11) und der Oberseite (15bb) einer inneren Verdickung (15b) des Hohlkegels (15) befindet sich als federndes Element eine Spiralfeder (14), welche durch den Kreisring (11) vorgespannt werden kann. Durch die Verdickung (15b) ragt dieser Stab (10) durch eine Öffnung (15ba) nach unten und endet dort mit einer kegelstumpfförmigen Verdickung (10b). Diese Verdickung (10b) befindet sich in einer entsprechend geformten kegelstumpfförmigen Öffnung (17g) im Inneren des Kardangelenks (17d), welche eine Öffnung (17ga) zum inneren Hohlkegel (15) hin aufweist.

Bevor der Spiegel (1) mit dem oberen Teil (A) der Lagerungsvorrichtung auf dem unteren Teil der Lagerungsvorrichtung aufliegt, ragt das obere Ende des Stabes (10) weit in den oberen Hohlraum (21) der Aufnahmeeinrichtung (7) hinein. Dabei preßt die Feder (14) den Stab (10) nach oben. Während dieses Vormontagephase des Spiegels (1) auf der gesamten Punktlagerungseinrichtung wird somit die kegelstumpfförmige Verdickung (10b) an die Innenwand der kegelstumpfförmigen Öffnung (17g) gepreßt, wodurch der untere Teil (b) der Punktlagerungsvorrichtung vor der Auflage des Spiegels (1) durch die ausrichtende Wirkung des Stabes (10) in einer vorbestimmten Position verbleibt. Diese ist vorzugsweise senkrecht ausgerichtet. Wird nun der Spiegel (1) mit dem vorher an ihm angebrachten oberen Teil (A) der Punktlagerungsvorrichtung auf den unteren Teil (b) der Punktlagerungsvorrichtung aufgelegt, wird der Stab (10) durch die Feder (14) federnd nach unten gedrückt, so daß der Stab (10) seine ausrichtende Wirkung verliert. Gleichzeitig sorgt das Gewicht des Spiegels (1) dafür, daß die vorbestimmte Ausrichtung des unteren Teils (B) der Punktlagerungseinrichtung erhalten bleibt.

Das obere Teil (B) der Punktlagerungseinrichtung besitzt deshalb Drehgelenke (3) zwischen dem Körper des oberen Kardangelenks (4) und den Angriffspunkthalterungen (2) mit ihren Verlängerungen (2a), damit bei der Vormontage die Angriffspunkte der Angriffspunkthalterungen (2) an der Spiegelunterseite (1a) möglichst genau nach den individuellen Bedürfnissen eingerichtet werden können.

Wenn nun der obere Teil (A) der Punktlagerungseinrichtung auf dem unteren Teil (B) der Punktlagerungseinrichtung aufliegt, so kann man durch einpressen von Luft den Spiegel (1) auf der Punktlagerungseinrichtung "aufschwimmen" lassen und so für eine spannungsfreie Lagerung des oberen Teils (A) der Punktlagerungseinrichtung auf dem unteren Teil (B) sorgen. Ist dies erreicht, so erzeugt man durch das Ventil (9) im Inneren des Hohlraums (21) ein Vakuum, so daß die beiden Teile (A, B) der Punktlagerungsvorrichtung "quasi fest" miteinander verbunden sind. Treten nun in der Anlage, in welchem sich der Spiegel (1) mit seinen an seiner Unterseite (1a) angebrachten Punktlagerungsvorrichtungen befindet, Stöße, z. B. durch ein Erdbeben auf, so sorgen die Federelemente (13) dafür, daß die Bewegung des Spiegels (1) nach unten abgefedert wird. Entsprechend sorgen die Federelemente (12) dafür, daß die Bewegung des Spiegels (1) nach oben abgefedert wird.

Durch die beiden Federelemente (12, 13) ist somit für eine sanfte Auflage des Spiegels (1) auf der Punktlagerungsvorrichtung gesorgt, wobei die beiden knickstabilen Kardangelenke (4, 17d) mit ihrer, aufgrund der kurzen Biegegelenke vorhandenen hohen axialen Steifigkeit für eine gute Aufnahme von seitlich angreifenden Kräften sorgen und eine Zerstörung an der Spiegelunterseite (1a) durch solche Kräfte verhindern.

Die vorab beschriebene Punktlagerungseinrichtung zeichnet sich durch mehrere Vorzüge aus. Man hat bei der Punktlagerungseinrichtung einen knicksicheren Anschluß der Lagerkräfte mit hoher axialer Steifigkeit bei minimalen Störmomenten und minimalen Querkräften. Die kardanische Anlenkung erlaubt eine vorbestimmte Ausrichtung der Punktlagerungseinrichtung an beliebige Stützkreise einer meniskusförmigen Spiegelscheibe (1), wobei vier Drehachsen in einem Punkt vereinigt sind. Zudem ist die erfindungsgemäße Punktlagerungseinrichtung selbstzentrierend und stabilisierend bei Auflage des Spiegels (1).

Das sphärische Luftlager zwischen dem oberen Teil (A) und unteren Teil (B) der Punktlagerungsvorrichtung kann mit Vakuum oder Überdruck betrieben werden. Betreibt man es mit Vakuum, so erhält man zusätzliche Haltekräfte, wobei gleichzeitig die beiden Teile (A, B) der Punktlagerungseinrichtung zueinander fixiert werden. Betreibt man es mit Überdruck, dann ermöglicht es zum einen ein reibungsfreies "Aufschwimmen" des Spiegels (1) auf dem unteren Teil (B) der Punktlagerungseinrichtung. Zum anderen erleichtert und sichert es das Lösen des Spiegels (1) von dem unteren Teil (B) der Punktlagerungseinrichtung, da keine unkontrollierten Haftkräfte zwischen dem oberen und unteren Teil (A, B) der Punktlagerungsvorrichtung auftreten können.

Zusätzlich liefert die erfindungsgemäße Punktlagerungsvorrichtung eine Kraftbegrenzung für den Spiegel (1) in Zug- und Druckrichtung durch die beiden Federelemente (12, 13).

Die in der Fig. 2 dargestellte axiale Verstelleinrichtung ist ein Aktuator für eine axiale Spiegellagerung.

Der in der Fig. 2 dabei nicht dargestellte Spiegel ist auf einem hydraulischen Lagerungssystem (100) (siehe Fig. 1, Bezugszeichen 19) gelagert, welche z. B. aus der DE-PS 36 42 128, DE-PS 40 21 647, DE-PS 43 26 561 oder der DE-PS 43 29 928 bekannt sind.

Die Elemente (100) des aktiven oder passiven hydraulischen Lagerungssystems sind dabei über ein Kardangelenk (102) mit Festkörpergelenken (103), wobei die vier Gelenke (103) des Kardangelenkes (102) in einer Ebene kreuzweise angeordnet sind, auf einer Druckdose (104) befestigt.

Unterhalb dieser Druckdose (104) ist ein weiteres Kardangelenk (105) angeordnet, wobei auch hier die vier Festkörpergelenke (106) des Kardangelenks (105) in einer Ebene (110) kreuzweise angeordnet sind. Entsprechende Kardangelenke (105) sind in der DE-PS 38 42 776 und der DE- PS 38 43 775 eingehend beschrieben.

Unterhalb des zweiten Kardangelenks (105) befindet sich eine Gewindespindel (107), auf welcher sich zwei Muttern (108a, 108b) mit entsprechendem Innengewinde befindet. Zwischen diesen beiden Muttern (108a, 108b) ist ein Stück einer Seite (109a) eines Hebels (109) angeordnet. Die Hebeldrehachse (109b) befindet sich in einer Ebene mit der in einer Ebene (110) angeordneten Gelenke (106) des zweiten Kardangelenks (105).

Durch die Spindel (107), die Kardangelenke (102, 105) und die Druckdose (104) wird eine Achse (111) definiert, welche in Grundeinstellung senkrecht zu den Ebenen der Kardangelenke (102, 105) steht.

Der Hebel (109) besitzt zwei weitere Verstellhebelarme (109c, 109d) welche in Grundeinstellung in einer Ebene (112) parallel zur axialen Verschiebungsachse (111), sowie parallel zur Führungsbahn des Gehäuses (113) orientiert sind. Die Grundeinstellung kann über die beiden Muttern (108a, 108b) auf der Gewindespindel (107) leicht eingestellt werden.

Zwischen dem Gehäuse (113) der axialen Verstelleinrichtung und den beiden Verstellhebelarmen (109c, 109d) ist eine Kraftwirkvorrichtung (114), welche auf einen Hebelarm (109c, 109d) eine unterschiedliche Kraft aufbringen kann. Diese Kraftwirkvorrichtung (114) ist axial parallel zur Verschiebungsachse (111), welche ihrerseits parallel zur Grundeinstellungsachse der zwei Verstellhebelarme (109c, 109d) ist, verstellbar.

Die Verstellung erfolgt über einen elektromotorischen Antrieb (115) mit Tacho (116), welcher über eine Spindel (119) auf eine Achse (117) wirkt.

Die Spindel (119) ist axial starr mit der Kraftwirkvorrichtung (114) verbunden, so daß sich die Kraftwirkvorrichtung (114) zusammen mit der Spindel (119) axial bewegt. Die Spindelmutter ist Bestandteil des Motorrotors und erzeugt durch Rotation die Hubbewegung der drehgesicherten Spindel (119).

Bringt man nun durch die Kraftwirkvorrichtung (114) eine Kraft auf einen der beiden Verstellhebelarme (109b, 109c), so ist die resultierende Wirkung am anderen Hebelarm (109a) abhängig

• a) von der Stellung der Kraftwirkvorrichtung (114) relativ zu den beiden Verstellhebelarmen (109b, 109c) und
• b) von der durch die Kraftwirkvorrichtung (114) aufgebrachten Kraft.

Mit anderen Worten, selbst wenn die Kraftwirkvorrichtung (114) nur die beiden Zustände Null- und Maximalkraft realisieren kann, kann die durch den Hebel (109) realisierte axiale Verstellung in der Achse der Verstellrichtung unterschiedlich sein.

Die Kraftwirkvorrichtung (114) ist in der Figur realisiert durch zwei Wagenteile (114a, 114b), zwischen welchen sich eine elastische Luftkammer (120) befindet. Diese Luftkammer (120) sorgt für eine Kopplung zwischen den beiden Wagenteilen (114a, 114b), so daß die Bewegung eines Wagenteils (114a, 114b) automatisch zu einer entsprechenden Bewegung des anderen Wagenteils (114b, 114a) führt.

Der an den Verstellhebelarmen (109c, 109d) anliegende Wagenteil (114a) besitzt ein Kugellager (121), während der am Gehäuse (113) anliegende Wagenteil (114b) zwei Kugellager (122a, 122b) aufweist.

Die Luftkammer (120) ist über einen Luftschlauch (123) mit einer Luftvorratskammer (124) verbunden, welche einen vorbestimmten Innendruck aufweist.

In diesem Luftschlauch (123) befindet sich ein elektrisches Zweiwegeventil (125), mit welchem über eine Ablaßdüse (125a) die Luft aus der Luftkammer (120) abgelassen werden kann, ohne daß Luft aus der Luftvorratskammer (124) entweicht. Dieses elektrische Zweiwegeventil (125) ist über eine Signalleitung (126) mit einem Zentralrechner (127) verbunden, in welchen über eine Tastatur (128) Befehle eingegeben werden können. Der Luftdruck in der Luftvorratskammer (124) wird über einen Kompressor (129) immer konstant gehalten.

Wird das elektrische Zweiwegeventil (125) so geschaltet, daß es eine Verbindung zu der Luftvorratskammer (124) freigibt, so dehnt sich die Luftkammer (120) aus, bis in ihm der gleiche Druck herrscht wie in der Luftvorratskammer (124). Da die Luftvorratskammer (124) aber ein sehr viel größeres Volumen aufweist wie die Luftkammer (120), kommt es in der Luftvorratskammer (124) zu keinem meßbaren Druckabfall.

Durch den Druckausgleich der Luftkammer (120) mit der Luftvorratskammer (124) erfolgt zwischen den beiden Wagenteilen (114a, 114b) der Kraftwirkvorrichtung (114) eine axiale Bewegung, wodurch, je nach Stellung der Kraftwirkvorrichtung (114) relativ zu den beiden Verstellhebelarmen (109c, 109d) eine Bewegung des Hebels (109) zwischen Null und Maximal erfolgt und damit zu einer entsprechenden axialen Bewegung auf der Verstellachse (111).

Verändert man nun die axiale Lage der Kraftwirkvorrichtung (114), so führt dies über den Hebel (109) sofort zu einer Verstellung auf der Verstellachse (111).

Schaltet man nun das Zweiwegeventil (125) so, daß die Luft aus dem Luftlager (120) entweichen kann, dann kehrt der Hebel (109) in seine Grundstellung zurück. Wie schnell dies geschieht und ob der Hebel (109) überschwingt, hängt von der Größe der Öffnung der Ablaßdüse (125a) ab.

Eine vorabbeschriebene axiale Verstelleinrichtung kann z. B. unterhalb eines großen Primärspiegels (100) eines Spiegelteleskops angeordnet werden. Derartige Primärspiegel (100) sind heutzutage bis zu einem Durchmesser von ungefähr 8 m monolithisch herstellbar und benötigen bis zu 150 derartige Verstelleinrichtungen. Bei einem Gewicht von vielen Tonnen liegen dann auf einer Verstelleinrichtung rund 80 kg Korrekturkraft an. Für derartige Systeme eignen sich die vorabbeschriebenen monolithischen Kardangelenke (102, 105) mit ihren Festkörpergelenken (103, 106) hervorragend, da sie axial eine hohe Steifigkeit aufweisen und hysteresefrei arbeiten.

Druckdosen (104), welche für derartige Aufgaben ausgelegt sind, lassen sich mit ungefähr 100 Hz auslesen und haben eine Meßgenauigkeit von 2-3 g. Die erfindungsgemäße axiale Verstelleinrichtung arbeitet so genau, daß auch sie in 3g- Schritten arbeiten kann. Durch die Luftkammer (120) ist der zu lagernde Spiegel (100) vollständig von der Fassung entkoppelt, so daß die mechanischen Kräfte nicht zu einer Verschlechterung der Optik führen. Durch die Parallelausrichtung des Hebels (109) können mit minimalen Kräften (Größenordnung ≈ 10 N) große Kraftvariationen (z. B. 800 N) schnell bewirkt werden, wodurch es zu einer vernachlässigbar kleinen Wärmeverlustleistung und damit zu keiner Aufheizung des Spiegels (100) kommt. Der Überdruck in der Luftvorratskammer (124) muß nur ungefähr 2 bar betragen, um den Hebel (109) in der gewünschten Art und Weise zu beaufschlagen, da die Kraftvariation hauptsächlich durch die axiale Verstellung der Kraftwirkeinrichtung (114) bewirkt wird. Der Verstellweg der Wagen (114a, 114b) der Kraftwirkvorrichtung (114) beträgt ≈ ± 90 mm und diesen Weg kann der bewegliche Luftschlauch (123) zwischen dem Luftlager (120) und der Luftvorratskammer (124) leicht nachgeführt werden.

Das vorabbeschriebene System hat eine Dynamik der Bewegung des Hebels (109) von ungefähr 20 Hz, welche ausreicht, um die Grundschwingung eines 8 m-Spiegels von ungefähr 15 Hz aufzunehmen und diese Spiegelschwingungen aktiv zu dämpfen. Zudem erlaubt es eine aktive Spiegellagerung, bei welcher die Form der Spiegeloberfläche durch die unter dem Spiegel (100) angebrachten Verstelleinrichtungen aktiv verändert werden kann. Mit anderen Worten, die erfindungsgemäße Spiegellagerung erlaubt es flexible Spiegel aktiv in ihre optimale Form zu biegen und gleichzeitig die Eigenschwingungen des Spiegels (100) aufzufangen, da sie an diskreten axialen Stützpunkten einstellbare Einzelkräfte bereitstellt, welche ausschließlich in Axialrichtung wirken. Diese einstellbaren Einzelkräfte von ungefähr ± 800 N wirken dabei in Druck- oder Zugrichtung auf der Verstellachse (111), je nach axialer Stellung der Kraftwirkvorrichtung (114) relativ zu den beiden Verstellhebelarmen (109c, 109d).

Alle Luftkammern (120) der verschiedenen axialen Verstelleinrichtungen unterhalb des zu lagernden Spiegels (≈ 150 Stück bei einem 8 m-Spiegel) sind mit derselben Luftvorratskammer (124) verbunden.

Aufgrund der Verformung der Spiegelzelle selber sind maximale Bewegungen von 1 mm zu erwarten. Die daraus resultierende Schiefstellung des Umlenkhebels (109) verursacht eine Restkraftkomponente von kleiner als 10 N und entsprechend kann für aktive Kraftvariationen der Spindelantrieb mit einer Leistung kleiner 1 Watt ausgelegt werden. Muß im Falle einer permanenten Dämpfung der Grundschwingung der Antrieb im Dauerbetrieb gefahren werden, kann die Motorverlustleistung durch eine zusätzliche Flüssigkeitskühlung des Motorgehäuses abgeführt werden.

Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen axialen Verstelleinrichtung sind darin zu sehen, daß

• a) eine perfekte Entkopplung des Spiegels (100) von der Teleskopstruktur erfolgt;
• b) man ein aktives System mit hoher Dynamik hat (die Kraftsignale werden mit 100 Hz ausgelesen, die Verstelleinrichtung reagiert mit 20 Hz, wobei diese Angaben von der jeweiligen Größe und Auslegung der individuell konstruierten Verstelleinrichtung abhängen);
• c) Zug- und Druckkräfte sind einstellbar mit einer Auflösung von nur wenigen Gramm;
• d) aufgrund der als hoch anzusehenden Dynamik der axialen Verstelleinrichtung ist das aktive System in der Lage, Störungen durch z. B. Windkräfte oder Antriebsstöße aktiv zu dämpfen;
• e) durch die aktive Dämpfung ist es möglich, auch sehr große flexible Spiegel mit Meniskusform mit hoher optischer Qualität astronomisch zu nutzen;

usw.

Es versteht sich, daß das vorstehende Beispiel in Fig. 1, welches sich auf einen Primärspiegel für ein astronomisches Spiegelteleskop bezieht, nicht auf dieses Beispiel allein begrenzt ist und der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Punktlagerungsvorrichtung sich auch auf ganz andere Anwendungen erstreckt. Die Anwendung der Punktlagerungsvorrichtung zur Auflage eines Spiegels auf einer Basis ist lediglich ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung.

Es versteht sich auch, daß das vorstehende Beispiel in Fig. 2, welches sich auf einen Primärspiegel für ein astronomisches Spiegelteleskop bezieht, nicht auf dieses Beispiel allein begrenzt ist und der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen axialen Verstelleinrichtung sich auch auf ganz andere Anwendungen erstreckt. Die Anwendung der axialen Verstelleinrichtung zur Auflage eines Spiegels auf einer Basis ist lediglich ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung.

Claims (37)

1. Punktlagerungsvorrichtung für einen zu lagernden Körper auf einer Basis, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des zu lagernden Körpers (1) auf einem ersten Teil (A) der Punktlagerungsvorrichtung ein konvexer Kugelabschnitt (6) mit einem Radius ausgebildet ist, daß oberhalb der Basis (19) auf einem zweiten Teil (B) der Punktlagerungsvorrichtung eine konkave Kugelschale (7a) mit einem Radius ausgebildet ist, und daß der Kugelabschnitt (6) auf bzw. in der Kugelschale (7a) zumindest linear anliegend ist.

2. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Radius des Kugelabschnitt (6) mit dem Radius der Kugelschale (7a) übereinstimmend ist.

3. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem erste Teil (A) der Punktlagerungsvorrichtung mindestens zwei Angriffs­ punkthalterungen (2, 2a) ausgebildet sind.

4. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Angriffspunkthalterungen (2, 2a) so an dem ersten Teil (A) der Punktlagerungsvorrichtung orientiert sind, daß sich ihre Kraftvektoren in einer Kraftebene treffen.

5. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftebene mit dem gemeinsamen Kreismittelpunkt des Kugelabschnitt (6) und der Kugel­ schale (7a) zusammenfallend ist.

6. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Punktlagerungsvorrichtung mindestens ein Kardangelenk (4, 17d) enthalten ist.

7. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kardangelenk (6) oberhalb des Kugelabschnitts (6) ausgebildet ist.

8. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gelenke (5, 18) des Kar­ dangelenks (4, 17d) in einer Ebene angeordnet sind.

9. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (5, 18) des Kardangelenks (4, 17d) zueinander kreuzförmig ausgerichtet sind.

10. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreismittelpunkt des Kugelabschnitt (6) und der Kugelschale (7a) sowie die Kraftebene in der Ebene der Gelenke (5) des Kardangelenks (4) liegend sind.

11. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardangelenk (4, 17d) monolithisch ausgeführt ist.

12. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Kugelschale (17a) ein zweites Kardangelenk (17d) angeordnet ist.

13. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kardangelenk (17d) monolithisch ausgeführt ist.

14. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Kugelschale (6) eine federnde Stoßsicherungseinrichtung angebracht ist.

15. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Kugelschale (6) am ersten Teil (A) der Punktlagerungsvorrichtung eine erste längliche Verlängerung (7b, 7d) angebracht ist und daß diese erste Verlängerung (7b, 7d) federnd mit einer korrespondierenden basisseitigen zweiten Verlängerung (17a) am zweiten Teil der Punktlagerungsvorrichtung verbunden ist.

16. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der beiden Verlängerungen (7b, 7d, 17a) der beiden Teile (A, B) der Punktlagerungsvorrichtung eine Festlegungsvorrichtung angeordnet ist.

17. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der beiden Verlängerungen (7b, 7d, 17a) der beiden Teile der Punktlagerungsvorrichtung ein Stab (10) angeordnet ist, daß dieser Stab (10) in die Kugelschale (7a) hineinragend ist, daß eine nachgebende Vorrichtung (14) vorhanden ist, welche den Stab (10) in das Innere (21) der Kugelschale (7a) in eine erste Betriebsstellung drückt, daß bei eingelegtem Kugelabschnitt (6) in die Kugelschale (7a) der Stab (10) nach unten in eine zweite Betriebsstellung gedrückt ist, daß das untere Ende (10b) des Stabes (10) zumindest teilweise verdickt ausgeführt ist, und daß das untere Ende (10b) des Stabes (10) in einer korrespondierenden Öffnung (17g) aufgenommen ist, welche die Punktlagerungsvorrichtung in der oberen Betriebsstellung des Stabes (10) seitlich abstützt.

18. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren der beiden Verlängerungen (7b, 7d, 17a) ein hülsenförmiger Körper (15) angeordnet ist, daß dieser hülsenförmige Körper (15) axial steif mit der Basis (19) verbunden ist, daß der hülsenförmige Körper (15) federnd mit der ersten Verlängerung (7b, 7d) des oberen Teils (A) der Punktlagerungsvorrichtung verbunden ist, wobei die Federwirkung einer Bewegung der ersten Verlängerung (7b, 7d) des oberen Teils der Punktlagerungsvorrichtung von der Basis (19) weg entgegenwirkt.

19. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil (9) an der Punktlagerungsvorrichtung angebracht ist, durch welches Luft zwischen die Kugelschale (6) und den Kugelabschnitt (7a) geblasen bzw. abgesaugt werden kann.

20. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelschale (7a) nur auf einem Kreisring ausgebildet ist, daß innerhalb des Kreisringes bei eingeführtem Kugelabschnitt (6) ein Hohlraum (21) ausgebildet ist, daß in dem Kreisring eine Öffnung (9) angebracht ist, durch welche ein Gas oder eine Flüssigkeit in oder aus dem Hohlraum (21) eingebracht, bzw. entfernt werden kann.

21. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 14, 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Federwirkung der Sicherungseinrichtung über eine Vorrichtung (11) einstellbar ist.

22. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb der Punktlagerungseinrichtung eine axiale Verstelleinrichtung für einen Körper (100) auf mindestens einem Lagerungspunkt relativ zu einer Grundbasis (insbesondere für eine axiale Spiegellagerung) angeordnet ist, daß bei dieser axiale Verstelleinrichtung auf den mindestens einen Lagerungspunkt des zu lagernden Körpers (100) durch einen Hebel (109), welcher mit einem ersten seiner beiden Enden (109c, 109d) an dem zu lagernden Körper (100) angreift, in axialer Verstellrichtung eine Kraft aufgebracht ist, und daß eine Kraftwirkvorrichtung (114) am zweiten Ende (109c, 109d) des Hebels (109) angeordnet ist, durch welche auf einer Verstellachse (111) über den Hebel (109) unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden können.

23. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftwirkvorrichtung (114) in einer beweglichen Verschiebeeinrichtung (114a, 114b) angeordnet ist und daß diese Vorrichtung (114a, 114b) lageveränderbar relativ zum Hebel (109) ist.

24. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Hebelende (109c, 109d) zwei Hebelteilarme (109c, 109d) ausgebildet sind, welche sich beiderseits des Drehpunktes (109b) des Hebels (109) erstrecken, und daß mindestens eine Kraftwirkvorrichtung (114) parallel zur Grundausrichtung (112) der beiden Hebelteilarme (109c, 109d) axial in ihrer Lage veränderbar ist.

25. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22-24, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verstelleinrichtung (114) mindestens ein Antrieb (115) angeordnet ist, welcher für die Lageveränderung mindestens einer Kraftwirkvorrichtung (114) sorgt.

26. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (115) elektrisch ist.

27. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spindel (119) zwischen Antrieb (115) und Kraftwirkvorrichtung (114) angeordnet ist, welche die Kraftwirkvorrichtung (114) zu einer Lageveränderung veranlaßt.

28. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22-27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Hebel (109) und zu lagerndem Körper (100) ein Drucksensor (104) angeordnet ist.

29. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zu lagerndem Körper (100) und dem Drucksensor (104) ein Gelenk (102) angeordnet ist.

30. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22-29, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hebel (109) und dem zu lagernden Körper (100) mindestens ein Gelenk (104, 105) angeordnet ist.

31. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk (104, 105) ein Kardangelenk ist.

32. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 29-31, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebeldrehpunkt (109b) in einer Ebene (110) mit den Gelenken (106) des Gelenks (105) angeordnet ist.

33. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22-32, dadurch gekennzeichnet, daß der zu lagernde Körper (100) ein Spiegel ist.

34. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (100) ein Primärspiegel eine Spiegelteleskops ist.

35. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22-34, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebeeinrichtung (114a, 114b) im wesentlichen senkrecht zur axialen Verstellrichtung (111) kontrolliert ausdehnbar ist.

36. Punktlagerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 22-35, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Grundbasis (113) und dem zweiten Ende (109c, 109d) des Hebels (109) eine Luftkammer (120) angeordnet ist.

37. Punktlagerungsvorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Luftkammer (120) veränderbar ist (Kraftdose).