DE20102333U1 - Vibration damping system - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Schwingungsdämpfungssystem zur ak-15 tiven Schwingungsisolation einer Traglast, mit einer Mehrzahl von Dämpfungseinheiten, die jeweils aus einem über eine Steuerelektronik ansteuerbaren Aktuator und einem dem Aktuator koaxial vorgelagerten Schwingungsdetektor ausgebildet sind.The invention relates to a vibration damping system for the active vibration isolation of a load, with a plurality of damping units, each of which is formed from an actuator that can be controlled via control electronics and a vibration detector arranged coaxially upstream of the actuator.
20 Die Vermessung und Bearbeitung feinster Strukturen bis in den Sub-Nanometerbereich, die sogenannte Nano - Technologie erfordert häufig ein äußerst schwingungsarmes Umfeld. Bei der Schwingungsisolation der empfindlichen Aufbauten, wie z.B. hochauflösende Mikroskope, kommen Schwingungsdämpfungssysteme20 The measurement and processing of the finest structures down to the sub-nanometer range, the so-called nano technology, often requires an extremely low-vibration environment. Vibration damping systems are used for the vibration isolation of sensitive structures, such as high-resolution microscopes.
zur Anwendung.for application.
Heiligenbreite 7, OT Angerstein Tel.: 0 5503 / 91 50 00 D-37176 Nörten-Hardenberg F$iV§ |4Q3*/9I 50*(jl JHeiligenbreite 7, OT Angerstein Tel.: 0 5503 / 91 50 00 D-37176 Nörten-Hardenberg F$iV§ |4Q3*/9I 50*(jl J
Klausheider Straße^ 1 <
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Prinzipiell unterscheidet man zwischen passiver und aktiver Schwingungsdämpfung. Bei der passiven Schwingungsdämpfung werden energieabsorbierende Dämpfungselemente, z.B. Federn mit einer der Traglast angepassten Federkonstante, verwendet. Die Apparatur oder Traglast kann auch in einfachster Form auf Gummifüßen stehen, oder auf einer großen Masse aufgebaut sein, womit bestimmte Frequenzen ausgefiltert werden können.In principle, a distinction is made between passive and active vibration damping. Passive vibration damping uses energy-absorbing damping elements, e.g. springs with a spring constant adapted to the load. The device or load can also stand in the simplest form on rubber feet or be built on a large mass, which can filter out certain frequencies.
Die störenden Schwingungen treten im allgemeinen in verschiedenen Frequenzbereichen auf. Gebäude und Fußbodenschwingungen treten typischerweise in vertikaler Richtung bei Frequenzen von 5 - 30 Hz auf und in horizontaler Richtung bei 0,5 - 10 Hz. Akustische Schwingungen kommen bei Frequenzen größer 20 Hz vor. Schwingungsquellen können z.B. Maschinen und Motoren sein, die typischerweise Schwingungen im Bereich von 10 - 500 Hz verursachen.The disturbing vibrations generally occur in different frequency ranges. Building and floor vibrations typically occur vertically at frequencies of 5 - 30 Hz and horizontally at 0.5 - 10 Hz. Acoustic vibrations occur at frequencies greater than 20 Hz. Vibration sources can be, for example, machines and motors, which typically cause vibrations in the range of 10 - 500 Hz.
Akustische Schwingungen (höher frequente Schwingungen) tendieren im allgemeinen dazu direkt in die Apparatur selbst einzukoppeln, während mechanische Schwingungen (niederfrequente Schwingungen) eher durch unterstützende Aufbauten oder den Boden einkoppeln.Acoustic vibrations (higher frequency vibrations) generally tend to couple directly into the equipment itself, while mechanical vibrations (low frequency vibrations) tend to couple through supporting structures or the floor.
Die Dämpfung von höher frequenten mechanischen Schwingungen ist im allgemeinen unkritisch, denn ihre Amplituden sind wegen des zu ihrer Anregung nötigen großen Energieaufwands sehr klein. Sie können durch eine stabile mechanische Konstruktion der Apparatur und durch einfache Gummifüße gut gedämpft werden. Schwieriger ist die Schwingungsdämpfung mit passiven Systemen bei niedrigen Frequenzen < 20 Hz. Die Eigen- oder Resonanzfrequenzen der passiven Systeme liegen meist bei Frequenzen um 1 bis 3 Hz. Da in diesem Frequenzbereich auch typische Gebäudeschwingungen auftreten, werden diese durch passive Systeme eher noch verstärkt als gedämpft. Um das zu vermeiden, versucht man die Resonanzfrequenz eines passiven Systems durch eine "weichere" Dämpfung zu verringern. Dies kann jedoch zu starken, unerwünschten Lastwechselreaktionen führen.The damping of high-frequency mechanical vibrations is generally not critical, as their amplitudes are very small due to the large amount of energy required to excite them. They can be dampened well by a stable mechanical construction of the equipment and by simple rubber feet. Vibration damping with passive systems is more difficult at low frequencies < 20 Hz. The natural or resonance frequencies of passive systems are usually around 1 to 3 Hz. Since typical building vibrations also occur in this frequency range, passive systems tend to amplify them rather than dampen them. To avoid this, attempts are made to reduce the resonance frequency of a passive system by using "softer" damping. However, this can lead to strong, undesirable load change reactions.
Als wirkungsvoller bei der Schwingungsdämpfung haben sich dynamische, oder aktive Schwingungsdämpfungssysteme erwiesen. Diese Systeme erfassen die Schwingungen, insbesondere auch die niedrigen Freguenzen, in einem weiten Frequenzbereich und erzeugen Gegenkräfte, um die schwingungsantreibenden Kräfte aufzuheben. Dabei werden die Signale eines empfindlichen Schwingungsdetektors, z.B. eines Beschleunigungsaufnehmers über einen elektronischen Regelkreis zur Steuerung eines elektromechanischen Wandlers, oft auch als Aktuator bezeichnet, z.B.Dynamic or active vibration damping systems have proven to be more effective at dampening vibrations. These systems detect vibrations, particularly low frequencies, over a wide frequency range and generate counterforces to cancel out the forces driving the vibrations. The signals from a sensitive vibration detector, e.g. an acceleration sensor, are fed through an electronic control circuit to control an electromechanical converter, often referred to as an actuator, e.g.
eines Lautsprechers verwendet, der die kompensierenden Gegenkräfte entgegengesetzt der gemessenen Beschleunigungsrichtung auf das System ausübt. Die Traglast selbst wird wie bei passiven Systemen in der Regel von passiven Dämpfungselementen getragen. a loudspeaker that exerts compensating counterforces on the system in the opposite direction to the measured acceleration direction. As with passive systems, the load itself is usually carried by passive damping elements.
Funktionierende aktive Schwingungsdämpfungssysteme für geringe Lasten sind bekannt. Jedoch existieren bisher für die aktive Schwingungsdämpfung von höheren Traglasten (typischerweise mehr als 600 kg) nur Systeme mit bedingter Eignung bzw. nicht ausreichenden Dämpfungseigenschaften.Functional active vibration damping systems for low loads are known. However, to date, only systems with limited suitability or insufficient damping properties exist for the active vibration damping of higher loads (typically more than 600 kg).
Die Erhöhung der Traglast eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems ist kritisch, wenn die Dämpfungsleistung gleich bleiben soll. Zum einen sinkt mit zunehmender Beladung die Resonanzfrequenz der verwendeten passiven Dämpfungselemente, was zu Instabilitäten führen kann, die nur schwer oder durch aufwendige Mechanismen verhindert werden können. Zum anderen können vorhandene passive Dämpfungselemente nicht beliebig zusätzlich belastet werden. Es müssen also weitere oder steifere passive Dämpfungselemente verwendet werden. Beides erhöht die Steifigkeit des Schwingungsdämpfungssystems. Dies erfordert dann jedoch leistungsfähigere Aktuatoren, um die gleiche Dämpfungsleistung zu erzielen wie bei weniger oder weicheren passiven Dämpfungseinheiten. Um eine höhere Leistungsfähigkeit in den Aktuatoren zu erzielen, müssen die von den Schwingungsdetektoren aufgenommenen Signale hoch verstärkt werden. Bisher hat die Praxis gezeigt, dass die Erhöhung der Leistung des elektronischen Systems technisch sehr aufwendig ist und zu in-Increasing the load capacity of an active vibration damping system is critical if the damping performance is to remain the same. On the one hand, the resonance frequency of the passive damping elements used decreases with increasing load, which can lead to instabilities that are difficult to prevent or can only be prevented by complex mechanisms. On the other hand, existing passive damping elements cannot be subjected to additional loads at will. More or stiffer passive damping elements must therefore be used. Both increase the stiffness of the vibration damping system. However, this then requires more powerful actuators to achieve the same damping performance as with fewer or softer passive damping units. In order to achieve higher performance in the actuators, the signals recorded by the vibration detectors must be highly amplified. So far, practice has shown that increasing the performance of the electronic system is technically very complex and leads to in-
stabilem Verhalten neigt. Zudem haben Aktuatoren mit höheren Leistungen konstruktiv einen größeren Raumbedarf, so dass eine kompakte Bauweise des Systems nicht mehr möglich ist.stable behavior. In addition, actuators with higher performance require more space, so that a compact design of the system is no longer possible.
Alternativ kann zur Verwendung von leistungsfähigeren Aktuatoren auch die Anzahl der Aktuatoren deutlich erhöht werden. Dieser Ansatz ist jedoch bisher nicht verfolgt worden, da dies die Konstruktion des Gesamtsystems erheblich verteuert, da jeder zusätzliche Aktuator einen eigenen Detektor und eine eigene Steuerelektronik erfordert.Alternatively, the number of actuators can be increased significantly to use more powerful actuators. However, this approach has not been pursued so far because it significantly increases the cost of designing the overall system, as each additional actuator requires its own detector and control electronics.
Aus der US 4 615 504 ist eine dynamische Anti - Schwingungsvorrichtung zur Verminderung der Vibration eines Objektes, etwa einer Tischplatte gegenüber einer Bezugsfläche, etwa dem Raumboden, bekannt, die einen Beschleunigungsmesser sowie einen elektromechanische Wandler aufweist. Die Dämpfungseinheit ist mit Befestigungsmitteln über eine Konsole mit der Vorrichtung fest verbunden. Auf der Konsole ist der als piezoelektrischer Wandler ausgebildete Beschleunigungsmesser angeordnet, der seinerseits ein etwa 1 kg schweres Massestück trägt. Zwischen Konsole und Bezugsfläche, befindet sich, koaxial mit dem Beschleunigungsmesser angeordnet, ein elektromechanischer Wandler. Dieser Wandler erzeugt als Antwort auf eine Beschleunigung des Massestücks über einen elektronischen Regelkreis eine Gegenkraft zur Kompensation einer Erschütterung des Objektes .US 4,615,504 discloses a dynamic anti-vibration device for reducing the vibration of an object, such as a table top, relative to a reference surface, such as the floor of a room, which device has an accelerometer and an electromechanical transducer. The damping unit is firmly connected to the device by means of fastening means via a console. The accelerometer, which is designed as a piezoelectric transducer, is arranged on the console and in turn carries a mass weighing approximately 1 kg. An electromechanical transducer is arranged between the console and the reference surface, coaxially with the accelerometer. In response to an acceleration of the mass, this transducer generates a counterforce via an electronic control circuit to compensate for a vibration of the object.
Zur Dämpfung einer dreidimensionaler Struktur wird ein System mit acht der oben beschriebenen Dämpfungseinheiten vorgeschlagen. Die Struktur steht mit ihren Ecken auf Gummifüßen. Vier vertikale Dämpfungseinheiten sind jeweils in den Ecken innerhalb der Struktur angeordnet, vier horizontale befinden sich jeweils innerhalb der Seiten.To dampen a three-dimensional structure, a system with eight of the damping units described above is proposed. The structure stands on its corners on rubber feet. Four vertical damping units are arranged in each corner within the structure, and four horizontal ones are located inside each side.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, dass eine Erhöhung der maximal zu dämpfenden Traglast der Vorrichtung aufgrund der vorgegebenen Struktur und den vorgegebenen acht Dämpfungseinheiten sowie deren vorgegebener AnordnungThe disadvantage of the known device is that an increase in the maximum load to be dampened of the device due to the given structure and the eight damping units as well as their predetermined arrangement
nicht ohne weiteres möglich ist. Um verschieden schwere Traglasten optimal schwingungsisolieren zu können, sind aufwendige und kostenintensive konstruktive Veränderungen an der Vorrichtung notwendig.is not possible without further ado. In order to optimally isolate loads of different weights from vibrations, complex and costly structural changes to the device are necessary.
Aus der US 3 952 979 ist ein Schwingungsisolator für eine Plattform bekannt. Sechs Stützglieder sind jeweils mit Befestigungselementen in Schräglage zwischen einer Basisplatte und der Plattform angeordnet, wobei die Schnittpunkte der Längsachsen der benachbarten Stützglieder senkrecht zueinander liegen und die gegenüberliegenden Achsen parallel verlaufen. Jedes Stützglied ist jeweils in Richtung eines Freiheitsgrades ausgerichtet, so dass sich insgesamt eine Abdeckung aller sechs Freiheitsgrade ergibt. Die Stützglieder weisen jeweils komprimierte Federn auf und koaxial integrierte Motorantriebe. Der Motorantrieb besteht aus einer Spule, die mit einem Magnetkern und einem äußeren Gehäuse aus einem magnetischen Material einen elektromagnetischen Kreis bildet. Der obere Teil des jeweiligen Stützgliedes, im Wesentlichen bestehend aus Gehäuse und Magnet, ist über eine Konsole mit der zu isolierenden Plattform verbunden, während der untere Teil mit der Spule über eine untere Konsole mit der Basisplatte verbunden ist. O-berer und untere Teil sind koaxial gegeneinander beweglich gelagert. Über die Stromzufuhr der Spule kann eine Induktionskraft auf den Magnet ausgeübt werden, wodurch sich die Lange des jeweiligen Stützgliedes verkürzen, bzw. verlängern lässt. Ebenfalls koaxial am oberen Ende des jeweiligen Magnets, ist ein Beschleunigungsaufnehmer angeordnet, der Schwingungen der Plattform registriert. Mit dem Ausgangssignal wird die Länge des jeweiligen Stützgliedes variiert, so das die Schwingungen ausgeglichen werden.A vibration isolator for a platform is known from US 3,952,979. Six support members are each arranged with fastening elements in an inclined position between a base plate and the platform, with the intersection points of the longitudinal axes of the adjacent support members being perpendicular to one another and the opposite axes running parallel. Each support member is aligned in the direction of one degree of freedom, so that all six degrees of freedom are covered overall. The support members each have compressed springs and coaxially integrated motor drives. The motor drive consists of a coil that forms an electromagnetic circuit with a magnetic core and an outer housing made of a magnetic material. The upper part of the respective support member, essentially consisting of housing and magnet, is connected to the platform to be insulated via a bracket, while the lower part with the coil is connected to the base plate via a lower bracket. The upper and lower parts are mounted coaxially so that they can move relative to one another. An induction force can be exerted on the magnet via the power supply of the coil, which allows the length of the respective support member to be shortened or lengthened. An acceleration sensor is also arranged coaxially at the upper end of the respective magnet, which registers vibrations of the platform. The length of the respective support member is varied using the output signal, so that the vibrations are balanced out.
Die beschriebene Konstruktion der Stützglieder wird heute von keinem Hersteller realisiert. Dies mag in der Konstruktion des Stützgliedes begründet sein. Der Motorantrieb erfordert einen relativ hohen Energieaufwand, um die innere Reibung zu überwinden. Dies erfordert zum einen eine hohe Verstärkung des Eingangssignals des Beschleunigungsaufnehmers, die sehr prob-The described design of the support members is not implemented by any manufacturer today. This may be due to the design of the support member. The motor drive requires a relatively high energy expenditure to overcome the internal friction. On the one hand, this requires a high amplification of the input signal of the acceleration sensor, which is very problematic.
lematisch ist. Zum anderen lässt sich aufgrund der Reibung der Motor nicht fein genug steuern, um eine gute Dämpfungsleistung zu erzielen.matic. On the other hand, due to friction, the motor cannot be controlled finely enough to achieve good damping performance.
Weiterer Nachteil ist auch hier die mangelnde Flexibilität der Vorrichtung bezüglich verschieden schwerer, insbesondere hoher Traglasten, da die Konstruktion nur auf sechs Stützglieder ausgelegt ist. Somit kann zur Dämpfung von höheren Lasten die Anzahl der Stützglieder nicht ohne weiteres erhöht werden.Another disadvantage here is the lack of flexibility of the device with regard to different weights, especially high loads, as the construction is only designed for six support members. This means that the number of support members cannot easily be increased to dampen higher loads.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Schwingungsdämpfungssysteme so zu verbessern, dass das System kostengünstig und mit einfachen Mitteln herstellbar und an eine vorgebbar schwere Traglast anpassbar ist.The object of the present invention is therefore to improve the known vibration damping systems in such a way that the system can be manufactured cost-effectively and with simple means and can be adapted to a predetermined heavy load.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Schwingungsdämpfungssystem in einer modularen Bauweise aus mindestens zwei Dämpfungsgrundelementen mit je zwei horizontal und zwei vertikal ausgerichteten Dämpfungseinheiten ausgebildet ist, und dass die Anzahl der verwendeten Dämpfungsgrundelemente innerhalb des Systems in Abstimmung mit der Schwere der Traglast vorgebbar ist.The object is achieved according to the invention in conjunction with the preamble of claim 1 in that the vibration damping system is designed in a modular construction from at least two basic damping elements, each with two horizontally and two vertically aligned damping units, and that the number of basic damping elements used within the system can be specified in accordance with the weight of the load.
Bei der modularen Bauweise werden je zwei vertikale und zwei horizontale Dämpfungselemente, d.h. Schwingungsdetektor-Aktuator Einheiten zu einer Baueinheit zusammengefasst. Diese modulare Bauweise des Systems ermöglicht eine einfache und optimale Anpassung an eine vorgegebene Anwendung. Diese Anpassung ist konstruktiv- und produktionstechnisch sehr einfach bzw. schnell und sehr kostengünstig zu realisieren.In the modular design, two vertical and two horizontal damping elements, i.e. vibration detector-actuator units, are combined to form one structural unit. This modular design of the system enables simple and optimal adaptation to a given application. This adaptation is very simple, quick and very cost-effective to implement in terms of construction and production technology.
Durch die Verwendung von mind, zwei Dämpfungsgrundelementen ist es möglich, alle Schwingungsfreiheitsgerade aktiv zu dämpfen. By using at least two basic damping elements, it is possible to actively dampen all vibrational lines of freedom.
Durch die konsequente Verwendung einer Vielzahl von Dämpfungseinheiten, können mit dem System auch hohe Lasten problemlosThrough the consistent use of a large number of damping units, the system can also easily handle high loads.
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schwingungsgedämpft werden Die letztendlich verwendete Anzahl der Dämpfungsgrundelemente (typischerweise mind. 4, d. h. mind. 16 Dämpfungseinheiten) wird durch die gewünschte Traglast vorgeben.The number of basic damping elements ultimately used (typically at least 4, i.e. at least 16 damping units) is determined by the desired load.
Die maximale Traglast eines Dämpfungsgrundelements ergibt sich aus der Leistung, d.h. der maximal erzeugbaren Kraft, der verwendeten elektromechanischen Wandler und den verwendeten passiven Dämpfungseinheiten (vorzugsweise Federn), die zusammen eine gute Schwingungsdämpfung ermöglichen. Für ein Dämpfungsgrundelement in dem hier beschriebenen Aufbau mit vier Dämpfungseinheiten liegt diese vorzugsweise bei 150 kg. Mit einer erweiterten Anzahl von Dämpfungsgrundelementen innerhalb eines Schwingungsdämpfungssystems können nahezu beliebig schwere Traglasten schwingungsisoliert werden. Typischerweise liegen diese bei 500 - 1500 kg.The maximum load capacity of a basic damping element is determined by the power, i.e. the maximum force that can be generated, the electromechanical transducers used and the passive damping units used (preferably springs), which together enable good vibration damping. For a basic damping element in the design described here with four damping units, this is preferably 150 kg. With an extended number of basic damping elements within a vibration damping system, almost any heavy load can be vibration-isolated. Typically, these are 500 - 1500 kg.
Durch die Kombination vieler Dämpfungsgrundelemente bestehend aus je vier identischen Dämpfungseinheiten zu einem System, bleibt auch bei hohen Traglasten die Bauweise, insbesondere die Bauhöhe des Gesamtsystems mit maximal 135 mm äußerst kompakt. Ferner ist durch die Verwendung von Dämpfungsgrundelementen selbst ein individuell nach Anwendervorgaben gebautes System kostengünstig und in kurzer Zeit herstellbar.By combining many basic damping elements, each consisting of four identical damping units, into one system, the design, especially the height of the entire system at a maximum of 135 mm, remains extremely compact even with high loads. Furthermore, by using basic damping elements, even a system built individually according to user specifications can be manufactured cost-effectively and in a short time.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Dämpfungseinheiten in den Dämpfungsgrundelementen mit Verbindungsmitteln zu einem zusammenhängenden Grundgerüst verbunden.According to a preferred embodiment of the invention, the damping units in the damping base elements are connected by connecting means to form a coherent basic structure.
Die vier Dämpfungseinheiten sind mit Verstrebungen, etwa Aluprofilen längs einer zentralen Hauptachse zu einem Grundgerüst zusammengefasst. Dies vereinfacht die Handhabung der Dämpfungsgrundelemente beim Zusammenbau eines kompletten Gesamtsystems und verbessert dessen mechanische Stabilität.The four damping units are combined to form a basic framework with struts, such as aluminum profiles, along a central main axis. This simplifies the handling of the basic damping elements when assembling a complete system and improves its mechanical stability.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Aktuatoren als modifizierte Lautsprecher ausgebildet.According to a further preferred embodiment of the invention, the actuators are designed as modified loudspeakers.
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Lautsprecher, d.h. hier Spule und Magnet ohne Lautsprecherkorb und Membran (Reste der Membran sind noch vorhanden), sind kostengünstig und in verschiedenen Stärken verfügbar. Ihre Ansteuerung über einen elektronischen Regelkreis ist relativ einfach. Sie eignen sich daher besonders als elektrodynamische Wandler, oder Aktuatoren zur Erzeugung von Gegenschwingungen in einem aktiven Schwingungsdämpfungssystem.Loudspeakers, i.e. here the coil and magnet without the loudspeaker basket and membrane (remnants of the membrane are still present), are inexpensive and available in various strengths. They are relatively easy to control via an electronic control circuit. They are therefore particularly suitable as electrodynamic converters or actuators for generating counter-oscillations in an active vibration damping system.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schwingungsdetektoren als piezoelektrische Wandler ausgebildet.According to a further preferred embodiment of the invention, the vibration detectors are designed as piezoelectric transducers.
Piezokristalle erzeugen längs ihrer Polarisationssache bei mechanischer Belastung eine elektrische Spannung, die an ihren Enden abgegriffen werden kann. Eine Umkehr der Deformationsrichtung führt zu einer Umkehr des Vorzeichens der an den Endflächen auftretenden Ladungen. Die abgegriffene Spannung steht in eindeutig definiertem Zusammenhang zur einwirkenden Kraft. Piezoelektrische Wandler eignen sich daher besonders als Beschleunigungsaufnehmer zur Detektion von mechanischen Schwingungen. When subjected to mechanical stress, piezo crystals generate an electrical voltage along their polarization axis, which can be tapped at their ends. A reversal of the direction of deformation leads to a reversal of the sign of the charges occurring at the end faces. The tapped voltage has a clearly defined relationship to the force acting on it. Piezoelectric transducers are therefore particularly suitable as acceleration sensors for detecting mechanical vibrations.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die aktiven Dämpfungseinheiten über eine analoge Steuerelektronik ansteuerbar.According to a further preferred embodiment of the invention, the active damping units can be controlled via analog control electronics.
Das analoge Output - Signal eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers kann auf einfache Weise über Verstärker direkt zur Ansteuerung von Aktuatoren verwendet werden, denn die Aktuatoren benötigen (nur) ein analoges Input - Signal. Die Verwendung eines analogen Regelkreises ist daher weniger aufwendig als eine digitale Steuerung, die zusätzliche A / D Wandlerbenötigt. The analog output signal of a piezoelectric accelerometer can be used in a simple way via amplifiers to directly control actuators, because the actuators require (only) an analog input signal. The use of an analog control loop is therefore less complex than a digital control, which requires additional A/D converters.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Steuerung der Aktuatoren durch die Schwingungsdetektoren über einen Feed-Back Regelkreis erfolgen.According to a further preferred embodiment of the invention, the control of the actuators by the vibration detectors can be carried out via a feedback control loop.
Bei einem Feed-Back - Kreis reagiert das System auf eine gemessene Beschleunigung und erzeugt eine Gegenreaktion. Bei einer Feed-Forward - Regelung unterscheidet man prinzipiell zwischen Kommandosystem und Vibrationssystem: Im ersten Fall wird bei einer im vorhinein bekannten Schwingungsbelastung eine Kraft auf die Traglast ausgeübt mit einer anschließenden Kontrolle und Nachregelung. Bei einem sogenannten Vibrationssystem wird die Bewegung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung etwa des Bodens durch Sensoren gemessen und eine Gegenkraft erzeugt. Diese Art der Regelung kann mit einem Feed-Back - System kombiniert werden. Obwohl in der Theorie ein Feed-Forward System die besseren Resultate erbringen sollte, zeigt sich in der Praxis, dass Feed-Back Systeme wesentlich einfacher zu konstruieren sind. Die liegt u.a. in der Tatsache begründet, dass Feed-Forward Regelkreise mit dem Schwingungsumfeld und der Applikation selbst abgestimmt werden müssen. Da sich diese Abstimmung schwierig gestalten kann, können Feed-Forward Systeme instabil reagieren.In a feedback loop, the system reacts to a measured acceleration and generates a counter-reaction. In feed-forward control, a distinction is made between a command system and a vibration system: In the first case, a force is exerted on the load when a vibration load is known in advance, with subsequent control and adjustment. In a so-called vibration system, the movement, speed or acceleration of the floor, for example, is measured by sensors and a counterforce is generated. This type of control can be combined with a feedback system. Although in theory a feed-forward system should produce better results, in practice it turns out that feed-back systems are much easier to construct. This is due, among other things, to the fact that feed-forward control loops have to be coordinated with the vibration environment and the application itself. Since this coordination can be difficult, feed-forward systems can react unstably.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Dämpfungsgrundelemente jeweils eine Mehrzahl von passiven Dämpfungselementen auf, die der Abstützung der Traglast dienen. Die passiven Dämpfungselemente können als Federn, oder hydraulische, oder pneumatische Dämpfer ausgebildet sein.According to a further preferred embodiment of the invention, the basic damping elements each have a plurality of passive damping elements that serve to support the load. The passive damping elements can be designed as springs, or hydraulic or pneumatic dampers.
Grundsätzlich sind zur Verminderung der Schwingungsübertragung Federn oder andere passive Dämpfungselemente zwischen einer Basisfläche, etwa einer Bodenplatte eines Schwingungsdämpfungssystems und einer Plattform, etwa einer Tischplatte die die Traglast trägt, angeordnet. Sie stützen die Traglast ab, und ermöglichen durch ihre Bewegungsfreiheitsgrade der Kompression bzw. Ausdehnung, insbesondere in Richtung ihrer Längsachse Relativbewegungen zwischen Traglast und Basis.Basically, to reduce vibration transmission, springs or other passive damping elements are arranged between a base surface, such as a base plate of a vibration damping system, and a platform, such as a table top that carries the load. They support the load and, thanks to their degrees of freedom of movement for compression or expansion, enable relative movements between the load and the base, particularly in the direction of their longitudinal axis.
Die aktiven Dampfungseinheiten werden parallel zu den passiven betrieben; hierbei dienen die passiven Elemente der Abstützung der Traglast und der Schwingungsdämpfung im nicht aktiven Bereich. The active damping units are operated in parallel to the passive ones; the passive elements serve to support the load and dampen vibrations in the non-active area.
Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Federn, z.B. von vier Federn, jeweils einer pro Ecke, in einem Dämpfungsgrundelement, wird dieses zu einer eigenständigen, voll funktionsfähigen Dämpfungsvorrichtung. Die Steifigkeit der Federn, d.h. die Federkonstante ist dabei auf die Leistung der Aktuatoren abgestimmt .By arranging a number of springs, e.g. four springs, one per corner, in a basic damping element, this becomes an independent, fully functional damping device. The stiffness of the springs, i.e. the spring constant, is matched to the performance of the actuators.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Schwingungsdämpfungssystem eine Trag- oder Tischplatte aufweisen. Weiterhin kann es eine Bodenplatte aufweisen. Auch können Verstrebungen der Tragplatte, bzw. der Bodenplatte vorgesehen sein.According to a further preferred embodiment of the invention, the vibration damping system can have a support or table plate. It can also have a base plate. Bracing of the support plate or the base plate can also be provided.
Die Verbindung der Dämpfungsgrundelemente in ihren Grundgerüsten mit einer Bodenplatte bzw. einer Tischplatte und den dazugehörigen Seitenteilen, machen das System zu einer kompakten, nach außen abgeschlossenen Vorrichtung. Eine Tischplatte eignet sich besonders für den direkten Aufbau einer Apparatur auf das System. Insbesondere bei der Verwendung mit hohen Traglasten wird durch zusätzliche Verstrebungen eine Durchbiegung der Tischplatte bzw. Bodenplatte verhindert und eine hohe mechanische Stabilität des Gesamtsystems erreicht.The connection of the basic damping elements in their basic framework with a base plate or a table top and the associated side parts make the system a compact device that is closed off from the outside. A table top is particularly suitable for the direct installation of an apparatus on the system. Especially when used with high loads, additional bracing prevents the table top or base plate from bending and ensures a high level of mechanical stability of the entire system.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine spezielle Hebevorrichtung vorgesehen, mit der eine Traglast anhebbar und auf das Schwingungsdämpfungssystem absetzbar ist.According to a further preferred embodiment of the invention, a special lifting device is provided with which a load can be lifted and placed on the vibration damping system.
In Verbindung mit der kompakten Bauweise des Schwingungsdämpfungssystem ermöglicht die spezielle Hebevorrichtung eine besonders schnelle und einfache Installation der Vorrichtung. Die Installation kann von einem Anwender ohne weitere aufwendige spezielle Hilfsmittel oder externe personelle Unterstützung selbst durchgeführt werden.In conjunction with the compact design of the vibration damping system, the special lifting device enables particularly quick and easy installation of the device. The installation can be carried out by the user himself without any additional complex special tools or external personnel support.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügtenFurther details of the invention emerge from the following detailed description and the attached
Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.Drawings in which preferred embodiments of the invention are illustrated by way of example.
In den Zeichnungen zeigen:
5The drawings show:
5
Figur 1: Eine perspektivische Gesamtansicht eines Schwingungsdämpf ungssystems ,Figure 1: A perspective overall view of a vibration damping system,
Figur 2: eine Draufsicht des Schwingungsdämpfungssystems,
10Figure 2: a top view of the vibration damping system,
10
Figur 3: eine Seitenansicht der Rückseite des Schwingungsdämpfungssystems von außen,Figure 3: a side view of the rear of the vibration damping system from the outside,
Figur 4: eine Innenansicht des Schwingungsdämpfungssystems von vorne im Schnitt B-B,Figure 4: an interior view of the vibration damping system from the front in section B-B,
Figur 5: eine Innenansicht des Schwingungsdämpfungssystems von der Seite im Schnitt A-A,Figure 5: an interior view of the vibration damping system from the side in section A-A,
Figur 6: eine Innenansicht eines Dämpfungsgrundelementes des Schwingungsdämpfungssystems aus den Figuren 1 bis 5 von der Seite im Detail, teilweise perspektivisch,Figure 6: an interior view of a basic damping element of the vibration damping system from Figures 1 to 5 from the side in detail, partly in perspective,
Figur 7: eine Innenansicht von vorne des Dämpfungsgrundelementes aus Figur 6, undFigure 7: an interior view from the front of the damping base element from Figure 6, and
Figur 8: ein Hebewerkzeug zum Plazieren von Anwendungen auf dem Schwingungsdämpfungssystem.Figure 8: a lifting tool for placing applications on the vibration dampening system.
Ein Schwingungsdämpfungssystem 1 zur aktiven Schwingungsisolation einer Traglast besteht im wesentlichen aus einer Mehrzahl von Dämpfungsgrundelementen 5 mit je zwei horizontal und zwei vertikal ausgerichteten Dämpfungseinheiten 2, 2', die aus je einem Aktuator 3, 3' und einem ihm koaxial direkt verbundenen Schwingungsdetektor 4, 4' ausgebildet sind, sowie einer Steuerelektronik 8 zur Ansteuerung der einzelnen Dämpfungsgrundelemente 5.A vibration damping system 1 for the active vibration isolation of a load consists essentially of a plurality of basic damping elements 5, each with two horizontally and two vertically aligned damping units 2, 2', which are each formed from an actuator 3, 3' and a vibration detector 4, 4' coaxially connected directly to it, as well as control electronics 8 for controlling the individual basic damping elements 5.
In Fig. 6 ist ein Dämpfungsgrundelement 5 dargestellt. Die zwei vertikal ausgerichteten Dämpfungseinheiten 2 sind an zwei Verbindungsprofilen 6 befestigt. Die zwei horizontal angeordneten Dämpfungseinheiten 2' sind um 45° gedreht, so dass sich ihre Längsachsen in einem Winkel von 90° schneiden. Sie sind an einer Verbindungsplatte 7 befestigt, die ihrerseits mit den Profilen 6 verbunden sind. Die Dämpfungseinheiten 2, 2' sind als Schwingungsdetektor 4,4'/ Aktuator 3, 3'- Paare ausgebildet. Die vertikalen Schwingungsdetektoren 4 befinden sich zwisehen den Verbindungsprofilen 6 ; diametral dazu, d.h. in Richtung einer Bodenplatte 14' sind koaxial die Aktuatoren 3 mit den Schwingungsdetektoren 4 verbunden. Die horizontalen Aktuatoren 3' sind in seitlicher Richtung zu einem dreieckigen Flankenstück 33 hin angeordnet. Die Schwingungsdetektoren 4, 4' sind vorteilhaft als piezoelektrischer Wandler, die Aktuatoren 3, 3' sind vorteilhaft als modifizierte Lautsprecher ausgebildet. Über die Profile 6 und die Querprofile 10 wird die Konstruktion mit vier Stützfedern 11 gegen die Bodenplatte 14' abgestützt. Bodenplatte 14', Profil 6, Querprofile 10, und die Federn 11 mit den Anschlagvorrichtungen 21 bilden ein Grundgerüst 32 eines Dämpfungsgrundelements 5. An den oberen Enden der Federn 11 sind jeweils Stellschrauben 20 angeordnet. Das Spiel der Federn 11 entlang ihrer Hauptachse wird durch einen Anschlag 21 begrenzt. Die Fußenden der Federn sitzen vorteilhaft in (nicht dargestellten) Bohrungen der Bodenplatte 14' .A basic damping element 5 is shown in Fig. 6. The two vertically aligned damping units 2 are attached to two connecting profiles 6. The two horizontally arranged damping units 2' are rotated by 45° so that their longitudinal axes intersect at an angle of 90°. They are attached to a connecting plate 7, which in turn is connected to the profiles 6. The damping units 2, 2' are designed as vibration detector 4, 4'/actuator 3, 3' pairs. The vertical vibration detectors 4 are located between the connecting profiles 6; diametrically to this, i.e. in the direction of a base plate 14', the actuators 3 are coaxially connected to the vibration detectors 4. The horizontal actuators 3' are arranged in a lateral direction towards a triangular flank piece 33. The vibration detectors 4, 4' are advantageously designed as piezoelectric transducers, the actuators 3, 3' are advantageously designed as modified loudspeakers. The construction is supported against the base plate 14' by four support springs 11 via the profiles 6 and the cross profiles 10. Base plate 14', profile 6, cross profiles 10, and the springs 11 with the stop devices 21 form a basic framework 32 of a damping base element 5. Adjusting screws 20 are arranged at the upper ends of the springs 11. The play of the springs 11 along their main axis is limited by a stop 21. The base ends of the springs are advantageously seated in holes (not shown) in the base plate 14'.
In der in den Figuren 1 bis 5 veranschaulichten Ausführungsform sind neun Dämpfungsgrundelemente 5 zu einem Schwingungsdämpfungssystem 1, oder auch Sandwich - System genannten Gesamtsystem zusammengefügt. Das Gesamtsystem 1 kann Traglasten von bis zu 1350 kg (9xl50kg) plus einer Sicherheitsmarge von ca. 150 kg tragen. Dabei hat das komplette Sandwich - System eine Bauhöhe von etwa 135 mm. Die einzelnen Dämpfungsgrundelemente 5 sind in ihren Grundgerüsten 32 mit ihren Bodenplatten 14' mit der Bodenplatte 14 des Gesamtsystems 1 verschraubt. Die obere Abdeckung bildet die Tragplatte 15, die vorteilhaft für den Transport des Gesamtsystems 1 mit Transportgriffen 16In the embodiment illustrated in Figures 1 to 5, nine basic damping elements 5 are assembled to form a vibration damping system 1, or also known as a sandwich system. The entire system 1 can bear loads of up to 1350 kg (9xl50kg) plus a safety margin of approx. 150 kg. The complete sandwich system has a height of approx. 135 mm. The individual basic damping elements 5 are screwed in their base frames 32 with their base plates 14' to the base plate 14 of the entire system 1. The upper cover forms the support plate 15, which is advantageously equipped with transport handles 16 for transporting the entire system 1.
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versehen sein kann. Die Tragplatte 15 kann zudem vorteilhaft Gewindebohrungen zur Verankerung eine Anwendung aufweisen. Bodenplatte 14 und Tragplatte 15 sind jeweils mit den Verstrebungen 13, bzw. 12 verbunden. Die Seitenteile 17, 18, 19, 19' schließen das Gesamtsystem 1 zu einem geschlossenen Gehäuse ab und schützen es gegen Einwirkungen durch Luftzug.The support plate 15 can also advantageously have threaded holes for anchoring. The base plate 14 and the support plate 15 are each connected to the struts 13 and 12, respectively. The side parts 17, 18, 19, 19' close off the entire system 1 to form a closed housing and protect it against the effects of draughts.
In der Rückwand 17 ist eine Anschlusstafel 9 zum elektrischen Anschluss der Dämpfungsgrundelemente 5 angeordnet. Über die jeweilige Schnittstelle 31 ist jedes Dämpfungsgrundelement 5 einzeln mit der Steuerelektronik 8 verbunden. Da die beschriebenen Dämpfungsgrundelemente 5 unabhängig von einander arbeiten, können diese im Rahmen des hier beschriebenen Aufbaus beliebig kombiniert werden.A connection panel 9 for the electrical connection of the damping base elements 5 is arranged in the rear wall 17. Each damping base element 5 is individually connected to the control electronics 8 via the respective interface 31. Since the described damping base elements 5 work independently of one another, they can be combined as desired within the framework of the structure described here.
Über die Schwingungsdetektoren 4, 4' werden Beschleunigungen, d.h. unerwünschte Schwingungsbewegungen richtungsselektiv entsprechend der Ausrichtung der einzelnen Elemente 4, 4' erfasst. Vorteilhaft ist dabei, dass aufgrund des Aufbaus der Dämpfungsgrundelemente 5 die Orientierung dieser in dem Sandwich System 1 keine Rolle spielt.The vibration detectors 4, 4' detect accelerations, i.e. undesirable vibration movements, in a direction-selective manner according to the orientation of the individual elements 4, 4'. The advantage here is that, due to the structure of the basic damping elements 5, the orientation of these in the sandwich system 1 plays no role.
Ein von einem Schwingungsdetektor 4, 4' gemessenes Beschleunigungssignal wird zunächst mit einem (nicht dargestellten) Vor-Verstärker vorverstärkt und von der Steuerelektronik 8 registriert. Über einen (nicht dargestellten) Leistungsverstärker wird der dem Schwingungsdetektor 4, 4' zugehörige Aktuator 3, 3' angesteuert, der dann über eine bewegliche Spule und einen Stößel mit abgerundeter Spitze eine Gegenkraft auf die Struktür ausübt und dadurch die unerwünschte Schwingung der Traglast kompensiert (Feed-Back - Regelkreis). Diese Steuerung, über analoge Output- bzw. Input Signale, erfolgt fortlaufend, wobei der sehr schnelle Feed-Back - Regelkreis eine optimale Dämpfung aller Störfrequenzen ermöglich und die Traglast schwingungsfrei ist.An acceleration signal measured by a vibration detector 4, 4' is first pre-amplified with a pre-amplifier (not shown) and registered by the control electronics 8. The actuator 3, 3' associated with the vibration detector 4, 4' is controlled via a power amplifier (not shown), which then exerts a counterforce on the structure via a movable coil and a plunger with a rounded tip, thereby compensating for the undesirable vibration of the load (feedback control loop). This control, via analog output or input signals, takes place continuously, whereby the very fast feedback control loop enables optimal damping of all interference frequencies and the load is vibration-free.
Das Schwingungsdämpfungssystem 1 ist mit einem speziellen Hebewerkzeug 22 ausgestattet. Das Hebewerkzeug 22 weist fünfThe vibration damping system 1 is equipped with a special lifting tool 22. The lifting tool 22 has five
entfernbare Hebearme 30 auf, die zwischen zwei Platten 23, 24 angeordnet sind. Es müssen mindestens drei Hebearme 30 verwendet werden, um die Applikation sicher zu heben. Je nach Anwendung und Anordnung der verwendeten Arme 30 können aber auch bis zu fünf Arme 30 verwendet werden, um der Applikation beim Heben mehr Stabilität zu geben. Über Stellschrauben können die Stellfüße 26 in der Höhe 28 verstellt werden, und so kann die Last angehoben oder abgesenkt werden. Die Verstellmöglichkeit in Richtung 29 dient dem Höhenausgleich zwischen der oberen Platte und den Hebearmen 30, damit eine Last, die auf der oberen Platte 24 aufliegt nicht kippeln kann. In horizontaler Ebene sind verschiedene Steckplätze für die Arme 30 vorgesehen. Die diversen Steckplätze erlauben eine optimale Anpassung des Hebewerkzeugs 22 an eine beliebig ausgebildete Traglast eines Anwenders. Die Applikation kann damit angehoben und das Schwingungsdämpfungssystem 1 leicht installiert werden. Die Besonderheit in diesem Hebewerkzeug besteht darin, dass es Lasten anzuheben vermag, die zwischen dem Boden und ihrem Grundrahmen nur sehr wenig Platz ausweisen. Die Anhebung und Absenkung kann in jeweils nur einem Arbeitschritt erfolgen ohne die Last zwischendurch abzusetzen, wie diese bei anderen Werkzeugen der Fall ist.removable lifting arms 30 which are arranged between two plates 23, 24. At least three lifting arms 30 must be used to lift the application safely. Depending on the application and arrangement of the arms 30 used, up to five arms 30 can be used to give the application more stability when lifting. The height 28 of the adjustable feet 26 can be adjusted using adjusting screws, and the load can thus be raised or lowered. The adjustment option in direction 29 serves to compensate for the height between the upper plate and the lifting arms 30 so that a load resting on the upper plate 24 cannot tip over. Various slots for the arms 30 are provided on the horizontal plane. The various slots allow the lifting tool 22 to be optimally adapted to any load of a user. The application can thus be lifted and the vibration damping system 1 can be easily installed. The special feature of this lifting tool is that it can lift loads that have very little space between the ground and their base frame. Raising and lowering can be done in just one step without having to put the load down in between, as is the case with other tools.
Claims (15)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE20102333U DE20102333U1 (en) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | Vibration damping system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE20102333U DE20102333U1 (en) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | Vibration damping system |
Publications (1)
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|---|---|
| DE20102333U1 true DE20102333U1 (en) | 2001-05-23 |
Family
ID=7952799
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE20102333U Expired - Lifetime DE20102333U1 (en) | 2001-02-09 | 2001-02-09 | Vibration damping system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10344538A1 (en) * | 2003-09-25 | 2005-05-12 | Integrated Dynamics Eng Gmbh | Method and device for vibration isolation, in particular for electron beam measuring tools |
| DE102017107231B3 (en) | 2017-04-04 | 2018-05-24 | Aweba Werkzeugbau Gmbh Aue | Vibration-reducing transfer device |
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2001
- 2001-02-09 DE DE20102333U patent/DE20102333U1/en not_active Expired - Lifetime
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