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Die
Erfindung ist auf Einrichtungen gerichtet zum Isolieren eines Körpers von
der Vibration, die von einem anderen Körper übertragen wird. Im besonderen
stellt die Erfindung ein kostengünstiges, unabhängiges aktives
Isolierungssystem bereit, welches einfach an einer Isolationstafel
oder einem ähnlichen
Aufbau montiert werden kann, um Vibrationsstörungen zu steuern.
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Elektromagnetische
Aktuatoren sind besonders gut geeignet zur Erzeugung von Kräften in
Situationen, in welchen die relative Verschiebung niedrig ist. Elektromagnete
sind kostengünstig
und billig zu betreiben, worin ein zusätzlicher Vorteil liegt. Bekannte
Systeme, die Elektromagnete bei Vibrationsisolationstafeln einsetzen,
sind unnötig
kompliziert und können
nicht leicht installiert oder eingestellt werden. Darüber hinaus
sind bekannte Systeme nicht leicht anpassbar, um nachträglich in
einer existierenden Isolationstafel oder einem anderen Aufbau eingesetzt
werden zu können.
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Die
EP-A-0 767 320 beschreibt eine Isolationseinrichtung zum Isolieren
einer Vibration zwischen einem ersten Element und einem zweiten
Element, wobei ein Targetelement auf ein magnetisches Feld anspricht
und mit dem ersten Element assoziiert ist.
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Die
Erfindung stellt die folgenden Merkmale bereit:
Eine Isolierungseinrichtung
(20) zum Isolieren einer Vibration zwischen einem ersten
Element (11) und einem zweiten Element (12) mit
einem
Targetelement (24), welches ansprechbar ist von einem Magnetfeld,
welches einem ersten Element (11) zugeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einrichtung darüber hinaus die folgenden Merkmale
umfasst
einen Behälter
(22), der mit einem zweiten Element (12) verbindbar
ist, wobei der Behälter
(22) die folgenden Elemente aufnimmt:
einen Elektromagneten
(30) mit einem Polstück
(27) und einer Spule (23),
einen Sensor (32)
zur Erzeugung eines Eingangssignals, welches repräsentativ
ist für
die Bewegung des zweiten Elementes (12), und
eine
Steuerung (34) zur Aufnahme und Bearbeitung des Eingangssignals
für die
Ableitung eines Steuersignals zur Erregung der Spule (23)
zur Erzeugung eines Magnetfeldes in den Polstücken (27), um eine Wirkung
auf das Targetelement (24) auszuüben und damit die Vibration
des zweiten Elementes (12) zu steuern.
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Die
Aufnahme der Komponenten in einem einzigen Behälter oder Gehäuse erleichtert
die Montage der Einrichtung an einer Isolationstafel und reduziert
die Installationskosten sowie die Komplexität. Das Gehäuse macht die Einrichtung für den Benutzer weniger
auffällig
und weniger lästig.
Gemäß der Erfindung
(siehe Anspruch 17), kann das Gehäuse oben auf der Tafel montiert
werden (die typischerweise aus eisenhaltigem Metall bestehen) mit
Dauermagneten, wodurch eine augenblickliche Befestigung bereitgestellt
wird, die auch die Fähigkeit
eines leichten Entfernens und Repositionierens des Gehäuses, falls
dies gewünscht
wird, besitzt. Andere Befestigungseinrichtungen, wie Kleber oder
Schraubenbefestiger, können
als Alternativen zum Einsatz kommen.
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Die
Erfindung wird vorteilhafterweise an einer Isolierungstafel installiert,
um parallel zu einem Federsystem zu wirken, welches die Tafel auf
einem Rahmen oder Füssen
abstützt.
Derartige Federsysteme sind typischerweise pneumatisch, aber die
Erfindung kann auch mit anderen Typen von Federabstützungen
arbeiten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der Sensor ein Accelerometer, welches ein Signal erzeugt, das repräsentativ
für die
Beschleunigung in der Isolierungstafel ist. Das Signal wird durch
eine Steuerung bearbeitet, die ein Steuersignal erzeugt für den Elektromagneten,
so dass dieser eine Kraft zur Aufhebung der Vibration erzeugt. Ein
bevorzugter Steuermodus liegt darin, das Beschleunigungssignal zu
integrieren, um eine Geschwindigkeit zu erhalten, worauf dann eine
Summe der proportionierten Beschleunigung und Geschwindigkeit rückgekoppelt wird.
Alternativ kann ein anderer Bewegungssensor zum Einsatz kommen mit
einer entsprechenden Steuerung. Beispielsweise können ein Geophon, ein Velocimeter
oder ein Verschiebungssensor Verwendung finden, um die Bewegung
oben auf der Tafel zu erfassen.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Targetelement eingeschlossen, gegen
welches ein Elektromagnet wirkt mit einer Vibrationsaufhebungskraft.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist das Targetelement ein Dauermagnet. Vorzugsweise ist das Targetelement
an dem Stützrahmen
oder den Füssen
befestigt und das Gehäuse
ist oben auf der Tafel montiert in der Nähe zu Magneten, so dass ein Spalt
gebildet wird zwischen dem Elektromagneten und dem Dauermagneten.
Der Dauermagnet erzeugt einen Druck, welcher es dem Elektromagneten
gestattet, einen Schub oder eine Zugkraft an dem Dauermagneten zu
erzeugen, wodurch die Vibrationsaufhebungskräfte wirksamer werden. Die Isolationstafeln
besitzen typischerweise horizontale Stützschienen in der Nähe der Oberseite
der Tafel. Für
eine vertikale Vibration ist das Targetelement praktischerweise
an der Schiene montiert. Für
Systeme ohne Schienen zwischen den Füssen können Klammern auf den Füssen montiert
werden, um ein Targetelement bereitzustellen. Für horizontale Vibrationen kann
das Targetelement an einem Tafelfuß oder einer Klammeranordnung
montiert werden. Das Gehäuse
ist entsprechend orientiert, so dass der Elektromagnet positioniert
ist, um eine Kraft zu erzeugen, die auf das Targetelement wirkt über einen
Spalt.
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Gemäß der Erfindung
kann das Targetelement alternativ ein magnetisch empfindsames Element
sein, wie etwa ein eisenhaltiges metallisches Element, an welchem
der Elektromagnet eine Anziehungskraft erzeugt. Dementsprechend
kann eine Vorspannung an dem Elektromagneten angelegt werden durch
das Anlegen eines Gleichstromeinganges oder durch das Installieren
eines Dauermagneten in dem Elektromagneten, so dass sowohl Anziehungs-
als auch Abstoßungskräfte erzeugt
werden können
für eine
wirksame Vibrationsaufhebung.
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Gemäß der Erfindung
umfasst die Steuerung eine Eingangs- und Ausgangssignalbearbeitung.
Die Eingangsbearbeitung kann eine Maßnahme einschließen zum
Trimmen jeglicher Gleichspannungsvorspannung, die vorhanden sein
kann, wodurch jede Gleichspannungsdrift eingestellt werden kann, die
sich aus der Bearbeitung des Eingangssignals ergibt. Darüber hinaus
kann mindestens eines und vorzugsweise alle beide der Eingangs-
und Ausgangssignalbearbeitung eine aktive Verstärkungsschalteinrichtung einschließen zum
Umschalten zwischen einem niedrigen Verstärkungswert auf einen zweiten höheren Verstärkungswert,
vorzugsweise mit Hilfe eines programmierbaren Verstärkers. Hierdurch
wird ein adäquat
starkes Signal bereitgestellt für
das Steuerungsverfahren und/oder den Aktuator für einen großen Bereich von übertragenen
Vibrationsniveaus. Darüber
hinaus kann die Eingangs- und/oder Ausgangsbearbeitung Maßnahmen
einschließen
zum Überwachen
der Signale, um die Systemfunktion zu überwachen.
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Die
Einrichtungen gemäß der Erfindung
können
einen einzigen Elektromagneten einschließen für eine Vibrationssteuerung
in einer Richtung. Alternativ kann das Gehäuse zwei Elektromagnete einschließen, die
relativ orientiert sind für
eine Dämpfung
in unterschiedlichen Richtungen. Sensoren können in dem Gehäuse eingeschlossen
sein zum Messen der Bewegung in jeder Richtung. Zusätzlich sind
Targetelemente jedem Elektromagneten zugeordnet und können, wenn
getrennte Elemente vorhanden sind, an dem Tafelrahmen befestigt
werden an entsprechenden Stellen.
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Die
Tafeloberseite wird verschiedenen Vibrationsstörungen ausgesetzt, die unterschiedliche
Bewegungen der Tafeloberseite verursachen können einschließlich einer
einfachen linearen Vertikalvibration, Schlingerbewegung, Nickbewegung,
Horizontalbewegung in Längs-
und Seitenrichtung sowie Gierbewegung. Ein System gemäß der Erfindung
umfasst eine Isolationstafel, die versehen ist mit einer Mehrzahl
von Einrichtungen zur Steuerung dieser unterschiedlichen Vibrationsmodi.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist die Tafeloberseite mit drei Dämpfungseinrichtungen versehen zur
Steuerung aller Bewegungen auf Vertikalbasis: Linearvertikal-, Nick-
und Schlingervibrationen. Die Einrichtungen können jeweils einen ein zelnen
Elektromagneten einschließen
sowie einen zugeordneten Targetdauermagneten.
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Eine
Einrichtung ist an jedem der beiden vorderen Füße der Tafel positioniert und
eine Einrichtung ist entlang der Rückkante der Tafeloberseite
positioniert halbwegs zwischen den anderen Füßen. Die Einrichtungen wirken
unabhängig
an unterschiedlichen Stellen und erzeugen Dämpfungskräfte zur Steuerung der drei
vorerwähnten
Vibrationsbewegungen. Die relative Beabstandung und Positionierung
der aktiven Dämpfungseinrichtungen
auf der Tafeloberseite optimiert die erforderlichen Steuerkräfte.
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Ein
Dreieinrichtungssystem stellt vorteilhafterweise vertikale Vibrationssteuerung
bereit mit einer minimalen Anzahl von Einrichtungen. Alternativ kann
eine Tafel mit vier Dämpfungseinrichtungen
versehen sein, wobei jeweils eine an jedem Tafelfuß positioniert
ist für
eine robustere Dämpfungssteuerung, d.h.
eine geringere Steuerungskraft ist für jede Einrichtung erforderlich.
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Eine
Isolierungstafel kann mit zwei Einrichtungen zur Steuerung der beiden
horizontalen Vibrationsmodi versehen sein. Die Einrichtungen sind
auf der Tafeloberseite an benachbarten Füßen montiert, wobei die Targetelemente
an oder integral mit einem jeden Fuß montiert sind. Vorzugsweise
werden die Einrichtungen so wenig störend wie möglich positioniert, wobei die
Einrichtungen an den hinteren Füßen positioniert
sind. Die Einrichtungen sind entsprechend ausgerichtet, um einen
diagonalen Kraftvektor zu erzeugen, welcher den Schwerpunkt der
Tafel (CG) durchläuft.
Auf diese Weise können
die Längs- und
Querbewegungen gesteuert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
umfassen die Einrichtungen vertikal und horizontal orientierte Elektromagneten,
die in dem einzigen Gehäuse
enthalten sind, und eine Isolierungstafel ist konfiguriert zur Steuerung
sowohl der vertikalen als auch der horizontalen Vibration in allen
sechs Modi. Vorteilhafterweise kann die Steuerung aller sechs Modi
erzielt werden mit drei Einrichtungen, die an der Tafel montiert
sind, jeweils eine an den vorderen Füßen und eine dritte an der
Hinterkante in der Mitte zwischen den hinteren Füßen. Targetelemente sind an
jedem der vorderen Füße positioniert
und an der Stützschiene
angrenzend an die vorderen Füße. Zusätzlich ist
das Targetelement an der hinteren Schiene montiert für die vertikale
Steuerung und eine Klammer, die an der hinteren Schiene montiert
ist, erstreckt sich vertikal nach oben, um ein zusätzliches Targetelement
abzustützen
für die
horizontale Steuerung durch die hinten positionierte Einrichtung.
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Andere
Konfigurationen sind ebenfalls möglich,
beispielsweise durch den Einsatz mehrfacher Dämpfungseinrichtungen für eine robustere
Vibrationssteuerung. Zusätzlich
können,
wenn eine bestimmte Form der Vibration oder Bewegung in Betracht
zu ziehen ist, beispielsweise, weil die Ausrüstung auf der Isolierungstafel
geführt
ist, die Einrichtungen entsprechend positioniert werden. Als Beispiel
für einen
Roboter, der in Längsrichtung
auf einer Isolierungstafel orientiert ist, können mehrere Einrichtungen
an der Tafel montiert sein und orientiert sein zur Erzeugung einer
horizontalen Aufhebungskraft, die in der Längsrichtung ausgerichtet ist.
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Ein
weiterer Vorteil des Systems gemäß der Erfindung
liegt darin, dass die Anordnung aller aktiven Komponenten in einem
einzigen Gehäuse
ein einfaches Nachrüsten
existierender Isolierungstafeln oder anderer Strukturen gestattet.
Wenn außerdem Magnetmontagen
zum Einsatz kommen, kann die Dämpfung
in einer Isolierungstafel leicht eingestellt werden oder temporär angepasst
werden für
einen speziellen Einsatz durch die Hinzufügung von Einrichtungen zur
Tafel oder Änderung
der Position oder Ausrichtung der Einrichtungen auf der Tafel.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung lässt
sich besser verstehen unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen. Dabei sind:
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1 eine
Seitenansicht einer Dämpfungseinrichtung
für einen
einzelnen Dämpfungsmodus gemäß der Erfindung
an einer Isolierungstafel montiert;
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2a eine schematische Darstellung einer beispielhaften
Rückkopplungssteuerschleife
für die Dämpfungseinrichtungen
gemäß der Erfindung;
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2b eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Rückkopplungssteuerschleife
für die
Dämpfungseinrichtung
gemäß der Erfindung;
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2c eine
schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform
einer Rückkopplungssteuerschleife
für die
Dämpfungseinrichtungen gemäß der Erfindung;
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3 eine
Seitenansicht einer Dämpfungseinrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform montiert
an einer Isolierungstafel;
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4 eine
Seitenansicht einer Dämpfungseinrichtung,
die an einer Isolierungstafel montiert ist, auf welcher eine Stützklammer
montiert ist, um ein Targetelement abzustützen;
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5 eine
Seitenansicht einer Dämpfungseinrichtung
für ein
Zweimodusdämpfen
montiert an einer Isolierungstafel;
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6 eine
perspektivische Ansicht zur Erläuterung
eines Systems gemäß der Erfindung
einschließlich
einer Isolierungstafel mit Dämpfungseinrichtungen,
die für
eine vertikale Dämpfung
angeordnet sind;
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7 eine
schematische Darstellung des Systems gemäß 6;
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8 eine
schematische Darstellung eines alternativen Systems für eine horizontale
Dämpfung;
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9 eine
schematische Darstellung eines alternativen Systems sowohl für eine vertikale
als auch eine horizontale Dämpfung;
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10 eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Systems gemäß 9;
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11 eine
schematische Darstellung eines Systems für die Steuerung einer verstärkten Vibration
von vorne nach hinten;
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12 eine
schematische Darstellung eines Systems für die Steuerung einer verstärkten Vibration
von Seite zu Seite;
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13 eine
schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des in 7 dargestellten
Systems;
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14 eine
schematische Darstellung eines Systems mit einer minimalen Klammeranordnung;
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15a und 15b Blockdarstellungen zur
Erläuterung
der Komponenten der Ein richtung und der Steuerung hierfür und
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16 und 17 Blockdarstellungen
zur Erläuterung
der Komponenten der Ein gangs- und Ausgangsbearbeitung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 zeigt
eine lsolierungstafel 10 mit einer Dämpfungseinrichtung 20 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Wie dem Sachverständigen
auf diesem Gebiet einleuchtet, isoliert die Einrichtung gemäß der Erfindung
ein zweites Element von einer Vibration, die von einem ersten Element übertragen
wird, durch die Erzeugung von Kräften
zur Aufhebung der Vibration in dem zweiten Element. Die Erfindung
ist im besonderen geeignet für Isolierungstafeln,
wie sie hier beschrieben sind, eignen sich jedoch auch für andere
Vorrichtungen, wie z.B. Motormontagen von Rotationsausrüstung und Turbomaschinen,
wobei die Beschreibung eher erläuternd
sein soll als einschränkend.
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Die
Isolierungstafel 10 umfasst eine Tafeloberseite 12,
die von einem Rahmen 11 abgestützt wird mit einer Mehrzahl
von Füßen 14 (nur
ein Fuß ist in 1 wiedergegeben).
Benachbarte Füße des Tafelrahmens 11 sind
vorzugsweise verbunden über horizontale
Schienen 18, um die Stabilität des Rahmens bereitzustellen.
Die Schiene wird normalerweise von der vorderen Kante der Tafel 10 weggelassen, um
Raum bereitzustellen für
die Beine der Betriebsperson, so dass diese unter die Tafel ausgestreckt werden
können.
Ein Federsystem 16 ist zwischen dem Fuß 14 und der Tafeloberseite 12 montiert,
um die Tafeloberseite von den Füßen zu isolieren.
Typischerweise ist das Federsystem 16 ein pneumatischer
Isolator mit einer geringen Federsteifigkeit. Ein Problem bei ungedämpften Federsystemen
liegt in der Unfähigkeit,
Vibrationen zu handhaben, die bei oder in der Nähe der Resonanzfrequenz des
Systems auftreten. Darüber
hinaus können
sie niedrigfrequente Vibrationen verstärken. Die vorliegende Erfindung,
die parallel zu einem Federsystem eingesetzt wird, hebt die Vibration
bei oder um die Resonanzfrequenz herum wie auch/oder bei niedrigen Frequenzen
auf.
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Die
Dämpfungseinrichtung 20 in 1 umfasst
einen Behälter 22,
der auf der Unterseite der Tafeloberseite 12 montiert ist,
sowie ein Targetelement 27, welches dem Rahmen 11 zugeordnet
ist und montiert ist in der Nähe
des Behälters
und unterhalb des Elektromagneten 30. Der Behälter 22 und
das Targetelement 24 werden somit leicht installiert und werden
positioniert praktisch außerhalb
des direkten Gesichtsfeldes und aus dem Arbeitsbereich der Bedienungsperson
heraus, die die Tafel einsetzt. Der Behälter 22 nimmt die
aktiven Komponenten der Einrichtung auf einschließlich eines
krafterzeugenden Elektromagneten 30 als unabhängige Einheit.
Der Behälter 22 ist
eine stabile Schachtel, die einen Innenraum bereitstellt zur Aufnahme
der aktiven Komponenten, wie dies nachfolgend noch beschrieben werden
wird. Der Behälter
kann als Aluminiumgehäuse
ausgebildet sein, als gefaltete oder gestanzte Metallgehäuseeinrichtung
oder als ein anderer geeigneter Aufbau.
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Die
aktiven Komponenten der Dämpfungseinrichtungseinheit 20 umfassen
einen Elektromagneten 30, einen Bewegungssensor 32 sowie
eine Steuerung 34. Der Elektromagnet 30 umfasst
ein Polstück 27 sowie
eine Spule 23 und ist vom Typ, wie er hergestellt wird,
von der Fa. Magnetic Products Inc., Highland Michigan.
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Speziell
wurde das Modell RE-12121 bemessen auf eine maximale Zugbelastung
von 156,8 N (35 Pfd.) als besonders wirksam empfunden innerhalb
der Einrichtung 20. Der Bewegungssensor 32 erfasst
die Bewegung der Tafeloberseite 12 und sendet ein Impulssignal,
welches repräsentativ
ist für
die Bewegung zur Steuerung 34. Vorzugsweise ist der Bewegungssensor
ein Accelerometer, hergestellt von Oceana Sensor Technologies, Inc.,
Virginia Beach, VA. Modell-Nr. A8000-01 mit einer Empfindsamkeit
von 1 V/g, welche sich als besonders wirksam erwiesen hat. Die Steuerung
bearbeitet das Eingangssignal und erzeugt ein Steuersignal und sendet
dieses zum Elektromagneten 30 zur Erzeugung einer magnetischen
Kraft. Ein Netzkabel 36 führt den aktiven Komponenten
in dem Behälter 22 elektrische Leistung
zu. Es ist herauszustellen, dass die Anordnung der Komponenten innerhalb
des Behälters
beispielhaft ist und dass die Orte sich ändern können.
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Der
Behälter 22 kann
auf der Tafeloberseite 12 durch irgendwelche geeigneten
Maßnahmen montiert
werden einschließlich
z.B. mechanische Befestigungsmittel (Schrauben, Bolzen oder Nieten), Kleber
sowie zweiseitige Klebebänder.
Wenn die Tafeloberseite 12 aus einem eisenhaltigen Material
besteht, ist es besonders praktisch, den Behälter 12 mit einem
oder mehreren Montagemagneten 26 zu befestigen, die sowohl
eine augenblickliche Montage ohne Vorbereitung der Tafel gestatten,
und es gibt die Möglichkeit,
den Behälter 22 leicht
zu entfernen oder seine Position zu verändern, falls dies erforderlich
ist. Die 1 zeigt den Montagemagneten 26 außerhalb des
Behälters 12,
wobei es jedoch auch möglich
ist, die Magnete 26 in dem Behälter zu positionieren für ein sauberes
Erscheinungsbild.
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Der
Behälter 22 ist
auf der Tafeloberseite 12 montiert mit einem Spalt 28 zwischen
dem Elektromagneten 30 und dem Targetelement 24,
welches in diesem Fall an der Schiene 18 montiert ist.
Entsprechend der Darstellung in 1 ist der
Elektromagnet 30 gegenüberliegend
dem Targetelement 24 über den
Spalt 28 angeordnet. Die Kraft, die durch den Elektromagneten 30 erzeugt
wird, wirkt auf das Targetelement 24, um gegen die Störbewegung
zu wirken, die durch den Sensor 32 erfasst wird, um somit die
Vibration in der Tafeloberseite 12 aufzuheben. Die Breite
des Spaltes 24 sollte so klein wie möglich sein, ohne dass der Behälter 22 und
das Targetelement miteinander in Kontakt treten, für eine optimale Kraftwirksamkeit.
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Die
Vibrationsstörungen,
die von dem Boden auf die Tafeloberseite 12 übertragen
werden, liegen typischerweise in der Größenordnung von 0,2 bis 20 Mikron
(0,000008 – 0,0008
Zoll) für
Isolierungstafeln. Aufgrund der pneumatischen Tafelresonanzen werden
nicht akzeptierbar höhere
Vibrationsniveaus auf die Tafeloberseite 12 übertragen.
Geringe Bewegungen der Tafeloberseite erfordern jedoch nur eine
geringe Kraft, die von dem Elektromagneten erzeugt wird für die Vibrationsdämpfung.
Eine Kraft im Bereich von 0,5 bis 1,0 Pfd. hat sich als wirksam
erwiesen, wenn die Einrichtungen zum Einsatz kommen bei dem Modell
VH, VW und LW-Isoliertafeln, hergestellt von Newport Corporation,
beispielsweise. Bei einem System, welches mit Tafeln dieses Typs
integriert ist, liegt die Breite des Spaltes 28 vorzugsweise zwischen
etwa 1,27 mm (0,05 Zoll) und 11,4 mm (0,45 Zoll) und ein Spalt mit
einer Breite von etwa 3,18 mm (0,125 Zoll) hat sich als sehr wirksam
erwiesen und gestattet einen gewissen Schwingungsraum, um harten
Kontakt zwischen den aktiven Dämpfungseinheiten
und dem Rahmen 11 zu vermeiden. Vorzugsweise wird der Spalt 28 so
schmal wie praktikabel gebildet, wobei nach wie vor statische Bewegungen
aufgrund des Verlustes oder des Abschaltens eines pneumatischen
Druckes zu den Luftfedern und/oder Übergangslasten, die auf die
Tafeloberseite 12 aufgebracht werden, aufgenommen werden
können.
Der Aktuator 30 kann leicht über den Behälter 22 herausragen
entsprechend der Darstellung in 4 in dem
Bestreben, den Spalt 28 zwischen dem Aktuator und dem Targetelement 24 zu minimieren.
Darüber
hinaus kann die Tafeloberseite 12 angehoben oder abgesenkt
werden unter Einsatz ihrer Stellschrauben, um den geeigneten Spalt 28 einzustellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Sensor 32 ein piezoelektrisches Accelerometer,
um die Beschleunigung der Tafeloberseite 12 zu erfassen.
Alternativ können
andere bewegungserfassende Einrichtungen eingesetzt werden, wie
z.B. ein Geophon, ein Velocimeter oder eine andere Erfassungseinrichtung.
Der speziell ausgewählte
Sensor bewirkt und erfordert Einstellungen des Steueralgorithmus,
wie dem Sachverständigen auf
diesem Gebiet einleuchtet.
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Beispielsweise
kann entsprechend der Darstellung in den 2a und 2c ein
Rückkopplungssteuerverfahren
auf der Basis der Beschleunigung und der Geschwindigkeit zum Einsatz
kommen. Die Beschleunigung (z.B. vertikal) der Tafeloberseite 12 wird
durch den Sensor 32 erfasst und ein Eingangssignal, welches
die Beschleunigung in der Leitung 33 repräsentiert,
wird zur Steuerung 34 übertragen.
Innerhalb der Steuerung wird das Eingangssignal verstärkt und
konditioniert in Block 29a, wie dies im größeren Detail
später
hier beschrieben wird. Dieses hochverstärkte und konditionierte Signal
wird einem Integrator 35 bereitgestellt, wo eine Integration durchgeführt wird,
um ein Signal zu erhalten, welches für die Geschwindigkeit der Tafel
repräsentativ
ist. Das repräsentative
Geschwindigkeitssignal in der Leitung 41 und das repräsentative
Beschleunigungssignal in der Leitung 45 werden dann erneut
skaliert (verstärkt
oder abgeschwächt)
in einem ersten und einem zweiten Verstärkerblock 37, 38,
um verstärkungsjustierte
und relativ gewichtete relative Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssignale
in den Leitungen 43 bzw. 44 zu erzeugen. Die Verstärker 37, 38 werden
ausgewählt,
basierend auf der Erfahrung mit dem System, und sind vorzugsweise
hart codiert in die Mikrosteuerung.
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Eine
Summierung der verstärkungsjustierten Signale 43, 44 wird
an der Summierungsverbindung 39 durchgeführt. Im
Anschluss an die Summierung wird das summierte Signal erneut verstärkt und
konditioniert in dem Block 29b, wodurch ein Steuersignal 40 erzeugt
wird, welches dem elektromagnetischen Aktuator 38 zugeführt wird.
Der Elektromagnet 30 erzeugt eine Steuerkraft F, um die
Bewegung der Tafeloberseite 12 aufzuheben. Eine kombinierte
Beschleunigungs- und Geschwindigkeitssteuerung stellt eine bessere
Hochfrequenz-Vibrationssteuerung bereit als die Geschwindigkeitsrückkopplung
allein (beschrieben im Zusammenhang mit 2c) und
verbreitert den wirksamen Bereich der Steuerung.
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Die
Ausführungsform
gemäß 2b unterscheidet
sich von derjenigen der 2a, indem
ein zusätzlicher
Kompensator 31 bereitgestellt wird. Der Kompensator 31 ist
ein Niedrigfrequenz-Anschlußkompensator,
der eine Phasenverschiebung bei niedrigen Frequenzen verursacht.
Im einzelnen stellt der Kompensator ein Maximum von 15° Phasenverschiebung
bereit, zentriert bei 0,5 Hz. Dieser Kompensator 31 verbessert
die Leistungsfähigkeit
der Einrichtung 20 durch das Kompen sieren der Phasenverzögerung,
die verursacht wird durch den Sensor 32 sowie die Eingangssignalkonditionierung
und Verstärkung 29a.
Entsprechend der Darstellung zeigt das Blockdiagramm gemäß 2a die vertikale Vibrationssteuerung.
Es ist jedoch herauszustellen, dass die vorliegende Erfindung und
die hier beschriebene Steuerung in gleicher Weise geeignet sind
zur Steuerung horizontaler Vibrationen der Tafel 12. Darüber hinaus
können
bei mehrfachem Einsatz mehrere Modi gesteuert werden, wie dies später hier
beschrieben wird. Die Einrichtung 20 gemäß der Erfindung
wird gesteuert durch Bereitstellung einer Dämpfung bei der Resonanzfrequenz
des Tafelsystems 10, welche typischerweise zwischen etwa
1 bis 4 Hz liegt. Vorzugsweise wirkt die Einrichtung 20 bei Frequenzen
im Bereich zwischen 0,2 bis 10 Hz. Das vorerwähnte Steuerverfahren ist sehr
stabil, derart, dass dann, wenn irgendwelche Übergangsbelastungen auf die
Tafeloberseite 12 aufgebracht werden, diese wirkungsvoll
gedämpft
werden.
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Ein
einfacheres Steuerverfahren ist in 2c gezeigt.
Bei diesem Verfahren wird die Beschleunigung der Tafeloberseite 12 durch
den Accelerometer-Sensor 32 erfasst. Dieses Signal, welches repräsentativ
ist für
die Beschleunigung in Leitung 33, wird verstärkt und
konditioniert in Block 29a und dann integriert im Integratorblock 35 zur
Erzeugung eines Signals, welches repräsentativ ist für die Geschwindigkeit
der Tafeloberseite 12 in der Leitung 41. Dieses
Signal in der Leitung 41 wird entsprechend verstärkt oder
abgeschwächt
im Verstärkerblock 38. Erneut
wird dieser Verstärkungswert
bestimmt basierend auf dem Wissen über und die Erfahrung mit dem System.
Das verstärkungsmultiplizierte
Signal 47 wird dann verstärkt und erneut konditioniert
in dem Block 29b und dann weitergeleitet als ein Steuersignal 40 zum
elektromagnetischen Aktuator 30. Die Geschwindigkeitsrückkopplung
stellt eine gute Steuerung der Resonanzen der Tafeloberseite bereit.
Es ist herauszustellen, dass dann, wenn ein Velocimeter oder Geophon
als Sensor eingesetzt wird, der Integrator 35 entfernt
wird.
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Die
Dämpfungseinrichtung 20 in 1 wird angeordnet,
um eine vertikal gerichtete Dämpfungskraft
bereitzustellen, d.h. der Elektromagnet 30 ist orientiert
quer über
den vertikal ausgerichteten Spalt 28 zwischen dem Behälter 22 und
dem Targetelement 24. Die Einrichtung 20 kann
positioniert werden zum Dämpfen
horizontal gerichteter Vibration einfach durch die Positionierung
des Targetelemen tes 24 an einer vertikalen Oberfläche so,
dass ein horizontal ausgerichteter Spalt bereitgestellt wird und
die Orientierung des Behälters 22 ist
derart, dass der Elektromagnet 30 dem Targetelement 24 über den
Spalt 28 gegenüberliegt.
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Darüber hinaus
ist gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
das Targetelement 24 ein Dauermagnet, der eine kontinuierliche
Vorspannung für den
Elektromagneten 30 bereitstellt. Die Vorspannung gestattet
den Betrieb des Elektromagneten 30 zur Erzeugung sowohl
von Schub- als auch Zugkräften
relativ zum Tafelrahmen 18, wodurch das Aufheben der Vibrationsbewegungen
erleichtert wird. Ein zusätzlicher
Vorteil eines Dauermagneten liegt darin, dass das Targetelement 24 in
der Lage ist, augenblicklich an dem Tafelrahmen 11 befestigt
zu werden, wenn der Rahmen aus einem eisenhaltigen Material besteht.
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Alternativ
könnte
das Targetelement 24 eine magnetisch ansprechende Masse
sein, d.h. es ist eine Masse, welche die elektromagnetische Kraft
anzieht, oder es könnte
ein eisenhaltiger Fuß,
eine Schiene oder ein anderer Teil des Rahmens 11 sein. Bei
einer derartigen Ausführungsform
kann eine Vorspannung an den Elektromagneten gelegt werden durch
die Anlage eines Gleichstromeinganges. Natürlich ist dieses weniger erstrebenswert
als der Einsatz eines Dauermagneten wegen der höheren Leistungsanforderungen.
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Die 3 zeigt
eine alternative Ausführungsform,
bei welcher sich ein scheibenförmiger Dauermagnet 25 in
dem Elektromagneten 31 befindet, um die Vorspannung bereitzustellen.
Das Targetelement 24 ist ein magnetisch permeables Polstück, welches
magnetisch reagieren kann mit dem Magneten und den elektromagnetischen
Kraftfeldern. Wenn alternativ die Schiene 18 aus einem
Material besteht, welches eine hinreichend hohe magnetische Permeabilität besitzt,
kann das Targetelement 24 eliminiert werden und die Schiene 18 kann
als Targetelement wirken. Diese Alternative stellt den Vorteil bereit, dass
alle Komponenten der Einrichtung sich innerhalb des Behälters 22 befinden,
wodurch die Installation noch weiter vereinfacht wird.
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4 erläutert ein
Merkmal der Erfindung für Isolierungstafeln,
die keine horizontalen Schienen besitzen oder bei welchen die horizontale
Schiene nicht nahe ge nug an der Tafeloberseite 12 liegt,
um geeignet zu sein, das Targetelement 24 zu halten. Eine
Klammer 42 ist an dem Fuß 14 des Rahmens 11 montiert,
um das Targetelement 24 in der Nähe der Tafeloberseite 12 zu
halten. Die Klammer 42 stellt eine Oberfläche bereit,
auf welcher das Targetelement 24 montiert ist. Vorzugsweise
ist die Klammer 40 mittels Montagemagneten 26 gehalten ähnlich denjenigen,
die zum Einsatz kommen, um den Behälter zu befestigen, womit eine
Erleichterung der Positionierung und Installation der Klammer gestattet
ist. 4 erläutert
auch eine weitere Alternative für
das Targetelement 24, d.h. ein Targetelement bestehend aus
einem Permanentmagneten 25, welcher auf einem Polstück 27 montiert
ist. Die Kombination eines Permanentmagneten mit dem Polstück erhöht die wirksame
Fläche,
auf welche das elektromagnetische Feld einwirken kann.
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5 illustriert
eine Ausführungsform
der Einrichtung 20a, die angepasst ist zum Dämpfen von Vibrationen
sowohl in der vertikalen als auch der horizontalen Richtung. Der
Behälter 22 schließt zwei Sensoren 32V, 32H ein:
ein erster 32V ist orientiert zum Erfassen vertikal gerichteter
Vibration und ein zweiter 32H ist orientiert zum Erfassen
horizontal gerichteter Vibration (Pfeile zeigen die Erfassungsrichtung
an). Zwei Elektromagneten 30V, 30H sind vorgesehen:
ein erster 30V ist positioniert zur Erzeugung einer Vertikalkraft
und der zweite 30H ist positioniert zur Erzeugung einer
horizontalen Kraft. Dementsprechend sind zwei Targetelemente 24H, 24L an dem
Rahmen 11 montiert, und zwar eines an dem Tafelfuß 14,
um mit dem Horizontalkraft-Elektromagneten 30H zusammenzuwirken,
und das zweite an der Schiene 18, um mit dem Vertikalkraft-Elektromagneten 30V zusammenzuwirken.
Die einzige Steuerung 34 ist angepasst, um die Eingangssignale
von den Sensoren 32V, 32H aufzunehmen und Steuersignale zu
erzeugen für
die beiden Elektromagneten 30V, 30H. Die Steuerung
für die
individuellen Richtungen wird erzielt über das Steuerverfahren, welches
in bezug auf 2a beschrieben wurde.
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6 illustriert
eine perspektivische Ansicht einer Isolierungstafel 10 mit
einem Bezugskoordinatenrahmen zur Erläuterung der Typen der Vibrationsbewegungen,
die von der Tafeloberseite 12 erfahren werden können. Störungen,
die auf die Tafeloberseite 12 übertragen werden, können zu
einer einfachen Vertikalvibration entlang der Z-Achse führen, d.h.
einer einfachen Auf- und Abbewegung. Wenn die Vertikalstörung hinsichtlich
ihrer Amplitude oder Zeit ungleich ist über die Tafeloberseite 12,
können
Stoßbewegungen
auftreten, beispielsweise eine Nickbewegung in der YZ-Ebene, eine
Schlingerbewegung in der XZ-Ebene oder eine Bewegung, in welcher
Nick- und Schlingerbewegung kombiniert sind.
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Außerdem kann
eine Störung
zu einer Vibration der Tafeloberseite 12 in der horizontalen
oder XY-Ebene führen
einschließlich
einfacher linearer Bewegung entlang der X- oder Y-Achse oder einer Gierbewegung
in der XY-Ebene. Verschiedene Wege, um die Einrichtungen 20, 20a gemäß dem erfindungsgemäßen System
zur Aufhebung dieser Störungen
zu montieren, werden nachfolgend beschrieben.
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Am
häufigsten
sind die Vertikalbewegungen, die einfachen linearen vertikalen und
die Nick- und Schlingervibrationen. Das System, welches in den 6 und 7 dargestellt
ist, ist ausgebildet zum Aufheben irgendeiner dieser drei vertikal
gerichteten Vibrationen. Beispielsweise zeigt die 7 eine
Unteransicht der Tafel 10. Die Tafel 10 umfasst
drei im gegenseitigen Abstand angeordnete vertikal wirkende aktive
Dämpfungseinheitseinrichtungen 20,
wie sie in den 1, 3 oder 4 beschrieben
sind. Eine Einrichtung 20 ist an der Tafeloberseite 12 in
der Nähe
eines jeden der beiden vorderen Füße 14a, 14b montiert.
Ein zugeordnetes Targetelement (nicht dargestellt), vorzugsweise
ein Permanentmagnet, ist an den (nicht dargestellten) Seitenschienen
montiert oder integral hiermit ausgebildet in der Nähe einer
jeden der Dämpfungseinrichtung 20,
wie dies beschrieben wurde im Zusammenhang mit den 1, 3 oder 4.
Eine dritte Dämpfungseinrichtung 20 ist in
der Mitte zwischen den beiden hinteren Füßen 14c, 14d positioniert,
wobei das Targetelement benachbart an der rückwärtigen Schiene (ebenfalls nicht
dargestellt) montiert oder integral hiermit ausgebildet ist. Die
Einrichtungen 20 wirken unabhängig, d.h. die Steuerung der
jeweiligen Einrichtungen sind nicht für eine koordinierte Wirkung
angeschlossen und dementsprechend wirkt jede Einrichtung 20 zur Aufhebung
der Vibration, die erfasst wird an ihrer individuellen Montagestelle.
Das Netzkabel 36, welches in 7 dargestellt
ist, verläuft
in der dargestellten Weise, um die Verdrahtung von dem Netzanschluss
fernzuhalten, der sich an dem Boden der Tafel befindet, bis auf
ein Minimum. Dies reduziert die Neigung dahingehend, dass eine Vibration
auf die Tafel 12 übertragen
wird über
mehrere elektrische Kabel.
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Unter
erneuter Bezugnahme auf 7 lässt sich verstehen, dass die
drei Einrichtungen 20 wirken, um lineare vertikale Vibration
aufzunehmen (die Z-Achsenbewegung
in die Papierebene hinein und aus dieser heraus). Die Nickbewegung
in der YZ-Ebene wird gehandhabt durch die kumulative Wirkung der
vorderen Dämpfungseinrichtungen 20 und
die rückwärtige Dämpfungseinrichtung 20,
die aufeinander gegenüberliegende
vordere und hintere Kanten der Tafeloberseite wirkt. Die Schlingerbewegung
in der XZ-Ebene wird gehandhabt durch die kumulative Wirkung der
Dämpfungseinrichtungen 20 an einander
gegenüberliegenden
Seiten der Tafel an den vorderen Füßen 14a, 14b.
Die illustrierte Anordnung erfordert eine minimale Anzahl von Dämpfungseinrichtungen,
um die Vibration der drei Freiheitsgrade aufzuheben. Natürlich können zusätzliche Dämpfungseinrichtungen
installiert werden, wenn ein robusteres Dämpfen erforderlich ist, beispielsweise eine
Dämpfungseinrichtung
könnte
an jedem Fuß positioniert
sein.
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8 illustriert
eine Anordnung, die geeignet ist zum Dämpfen nur der horizontalen
Vibrationsstörungen,
der X-Achsen- und Y-Achsenlinearvibrationen. Die Dämpfungseinrichtungen 20 sind
positioniert angrenzend an jeden der rückwärtigen Füße 14c, 14d und
sind orientiert zur Bereitstellung einer horizontalen Kraft, die
gegen den jeweiligen Fuß gerichtet
ist. Die Dämpfungseinrichtungen
sind außerdem
diagonal orientiert in Bezug auf die Achsen, wodurch es ermöglicht wird,
dass die Dämpfungseinrichtungen
mit einem Kraftvektor wirken durch die Mitte des Schwerpunktes CG
oder die Erzeugung eines Drehmomentes um die Z-Achse. Die zugeordneten Targetelemente
(nicht dargestellt) sind an den Füßen montiert oder integral
hiermit ausgebildet. Alternativ können zusätzliche Einrichtungen an der
Tafeloberseite montiert werden für
ein verstärktes
Dämpfen
oder um Gierbewegungen zu steuern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Isolationstafel 10 vorgesehen
sein, welche mit Dämpfungseinrichtungen 20a versehen ist
zum Dämpfen
sowohl in der horizontalen als auch der vertikalen Richtung, um
somit in allen sechs Modi der Vibrationsbewegung in der Tafeloberseite
zu wirken. Die 9 illustriert beispielsweise
eine Ausführungsform
unter Einsatz einer minimalen Anzahl von Dämpfungseinrichtungen 20a,
um eine Dämpfung
aller sechs Modi zu erreichen. Die Dämpfungseinrichtungen 20a schließen jeweils
zwei Elektromagnete ein, die in dem Behälter 22 montiert sind,
wie dies im Zusammenhang mit 5 beschrieben
wurde. Die Dämpfungseinrichtungen 20a sind
benachbart zu den vorderen Füßen 14a, 14b platziert
und vorzugsweise in der Mitte zwischen den rückwärtigen Füßen 14c und 14d.
Zwei Targetelemente 24 sind jeder Dämpfungseinrichtung 20a zugeordnet.
An der Vorderseite sind die Targetelemente an den Schienen (nicht
dargestellt) positioniert oder integral hiermit ausgebildet für eine vertikale
Dämpfung
und an den Füßen 14a, 14b für eine horizontale
Dämpfung
entlang der X-Achse. Die rückwärtige Dämpfungseinrichtung 20a ist
auf der Tafeloberseite 12 montiert, wobei ein erstes zugeordnetes
Targetelement an der rückwärtigen Schiene
(nicht dargestellt) installiert oder hiermit integral ausgebildet
ist. Eine Klammer 40 ist an der Schiene (nicht dargestellt)
montiert und erstreckt sich nach oben, um ein zweites Targetelement 24 abzustützen für eine horizontale
Dämpfung
entlang der Y-Achse.
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Die
Anordnung in 9 stützt sich auf zwei Dämpfungseinrichtungen 20a vorn,
um horizontale Vibration in der Y-Achse aufzuheben, und eine einzige
Dämpfungseinrichtung 20a auf
der Rückseite
der Tafel, um eine horizontale Vibration entlang der X-Achse aufzuheben. 10 illustriert
eine Anordnung, in welcher zwei Dämpfungseinrichtungen 20a an
den rückwärtigen Füßen 14c, 14d positioniert
sind für
eine verbesserte Dämpfung
entlang der X-Achse. In gleicher Weise sind die vorderen Dämpfungseinrichtungen 20a orientiert
zum Dämpfen
entlang der Y-Achse in Verbindung mit Targetelementen, die sich an
den Füßen 14a, 14b befinden
oder integral hiermit ausgebildet sind. Zusätzliche Targetelemente, die
an den rückwärtigen und
Seitenrahmenschienen (nicht dargestellt) installiert oder integral
hiermit ausgebildet sind, wirken mit den vorderen und hinteren Dämpfungseinrichtungen 20a,
um eine vertikale Vibration entlang der Z-Achse aufzuheben. Somit
wirken bei der Anordnung, die in 10 gezeigt
ist, die beiden Dämpfungseinrichtungen 20a an
der Vorderseite der Tafel, um vertikale und Y-Achsenhorizontalvibration aufzuheben,
und die beiden Dämpfungseinrichtungen
an der rückwärtigen Seite
der Tafel wirken auf vertikale und X-Achsenvibrationen. Die kumulative Wirkung
der Dämpfungseinrichtungen 20a wirkt
auf Nick-, Schlin ger- und Gierbewegungen, wie zuvor erläutert wie
auch Vibrationen entlang den X-, Y- und Z-Achsen.
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Die 11 und 12 illustrieren
Anordnungen, die geeignet sind, dort wo eine besondere Form einer
Horizontalvibration in Betracht zu ziehen ist. 11 zeigt
eine Anordnung für
starkes Dämpfen entlang
der Y-Achse. Die Dämpfungseinrichtungen 20 sind
derart positioniert, dass die horizontal orientierten Elektromagneten
entlang der Y-Achse wirken. Diese Anordnung ist geeignet für Einrichtungen,
wie Roboter, die oben auf der Tafeloberseite 12 über die Breite
abgestützt
sind und die dementsprechend starke Vibrationen entlang der Y-Achse
erzeugen.
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12 zeigt
eine Anordnung, die geeignet ist für eine überhöhte X-Achsenvibration, z.B. für einen
Roboter oder eine ähnliche
Vorrichtung, die über die
Länge der
Tafeloberseite 12 abgestützt ist. Die Dämpfungseinrichtungen 20 werden
entsprechend positioniert, so dass die horizontal orientierten Elektromagnete
entlang der X-Achse wirken. Bei den Anordnungen, die in den 11 und 12 gezeigt sind,
können
die Dämpfungseinrichtungen 20 ausgerüstet sein
sowohl für
horizontale als auch vertikale Dämpfung
unter Einsatz der Einrichtung, wie sie in 5 illustriert
ist.
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Die 13 und 14 zeigen
verschiedene andere Anordnungen, die geeignet sind für die Vibrationssteuerung
in mehreren Modi. In 13 können die Einheiten 20, 20a horizontal
allein wirken oder als Mehrachseneinrichtung, wie in 5 gezeigt
ist. Diese Ausführungsform
gemäß 13 ist
eine alternative Ausführungsform
zu derjenigen, die in 7 gezeigt ist. Die Anordnung
in 13 kann Vibration entlang den X- und Y-Achsen
dämpfen
wie auch eine Gierbewegung um die Z-Achse. Wenn die Einheiten von
dem Typ sind, wie er in 5 beschrieben wird, dann können die
Vertikalbewegung entlang der Z-Achse, die Nickbewegung in der YZ-Ebene und die Schlingerbewegung
in der XZ-Ebene ebenfalls gesteuert werden. Diese Anordnung ist
besonders gut geeignet für
die Steuerung von Y-Achsenvibrationen. Es
ist herauszustellen, dass dann, wenn das System keine vertikale
Dämpfung
einschließt,
die Einheiten vorzugsweise direkt auf die Füße 14a, 14b und 14c der
Tafel 10 wirken, d.h. das Targetelement ist der jeweilige
Fuß. Alternativ
können ähnliche
Targetelemente entsprechend der Darstellung in den 1, 3 oder 4 an
den Füßen montiert
sein. Die 14 illustriert ein System mit
leicht unterschiedlicher Ausgestaltung, verglichen mit demjenigen
gemäß 13.
Grundsätzlich
kann das System gemäß 14 X-,
Y-, Z-, Nick-, Schlinger- und
Gierbewegungen dämpfen,
wenn die Einheiten 20a entsprechend der Darstellung in 5 zum
Einsatz kommen. Wenn Einheiten 20a Verwendung finden, eliminiert
diese Ausführungsform
die Klammern, die erforderlich sind für die Ausführungsform gemäß 9. Dieses
System ist allgemein höchst
wirksam bei der Dämpfung
von X-Achsenvibrationen.
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Die 15a bis 17 illustrieren
Details der Dämpfungseinrichtung 20 fokussiert
auf die elektronischen Hardware-Aspekte. Der Sensor 32,
bei welchem es sich vorzugsweise um ein Accelerometer handelt, welches
oben beschrieben wurde, stellt ein Signal bereit, repräsentativ
für die
Beschleunigung. Die Stromquelle 21 stellt den Strom zur
Verfügung
für den
Betrieb des Sensors 32, wodurch das Eingangssignal bereitgestellt
wird für
die Eingangskonditionierung und den Verstärkungsblock 29a. Die
Eingangskonditionierung und der Verstärkungsblock 29a schließen einen
Konditionierer 46 ein und können auch wahlweise einen programmierbaren
Verstärker 52a einschließen. Der
Signalkonditionierer 46, der am deutlichsten in 16 dargestellt
ist, umfasst einen Verstärkungs-
und Filterblock 48, welcher einen Hochpassfilter, einen
Niedrigpassfilter, einen Kondensator (etwa 10 Mikrofarad) und einen
Betriebsverstärker
einschließt.
In einer wirksamen Weise stellt der Verstärkungs- und Filterblock 48 ein
Ausgangssignal bereit, welches vervielfacht wurde durch eine Verstärkung, am
stärksten
bevorzugt eine Verstärkung
von fünf
(5), wobei die Signalaußenseite des
angestrebten Betriebsbereiches entfernt ist. Im Fall der Isoliertafel
wird angestrebt, Signale zu entfernen, die außerhalb des Bereiches liegen
zwischen etwa 0,04 Hz und 90Hz. Dieses gefilterte und verstärkte Signal
wird dann einem Verstärkungsblock 50 zugeführt, welcher
das Signal weiter vervielfacht um einen zusätzlichen Verstärkungswert.
Vorzugsweise ist für
die Isolierungstafel der zusätzliche
Verstärkungswert
eingestellt auf über
Fünfzig
(50).
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Der
Ausgang des Verstärkerblockes 50 wird vorzugsweise
einer Einrichtung bereitgestellt zum aktiven Schalten zwischen einem
ersten und einem zweiten Verstärkungswert.
In diesem Fall umfasst die aktive Schalteinrichtung einen optiona len
programmierbaren Verstärker
(PGA) 52, der aktiv schaltbar ist zwischen Verstärkungen
eines niedrigen und eines hohen Wertes. Beispielhaft und nicht als
Einschränkung
anzusehen liegt der niedrige Wert vorzugsweise bei etwa 3,52 und
der hohe Wert liegt vorzugsweise zwischen etwa 30 und 60, kann jedoch
auch bis zu 250 ausmachen. Der ausgewählte Verstärkungswert hängt ab von
der Größenordnung
des eingehenden Signals zum Eingang A/D 58a als Funktion
des gesamten dynamischen Bereiches. Vorzugsweise ist der Eingang
D/A integral innerhalb der Mikrosteuerung 54 und übernimmt
das Signal, welches von dem optionalen Eingang PGA 52a zur
Verfügung
gestellt wird bei etwa 1000 Hz. Es wird angestrebt, den programmierbaren
Verstärker
(PGA) 52 einzusetzen in Fällen, wenn die Größenordnung
des vorliegenden Signals unbekannt ist oder veränderbar über breite Bereiche. Wenn die
Durchschnittsleistung des Signals oberhalb eines Schwellenwertes
liegt, dann wird die Verstärkung
eingestellt auf die erste Einstellung, während dann, wenn die durchschnittliche
Leistung unterhalb des Schwellenwertes liegt, die Verstärkung auf
einen zweiten höheren
Wert eingestellt wird. Dies stellt sicher, dass ein Signal einer
entsprechenden Signalstärke
der Mikrosteuerung 54 bereitgestellt wird. Ein ähnlicher
PGA wird vorzugsweise an dem Ausgangsbearbeitungsteil der Einrichtung 20 vorgesehen,
wie dies für
den Eingangsbearbeitungsteil beschrieben wurde, und wird geschaltet
in einer ähnlichen,
jedoch entgegengesetzten Logik zur gleichen Zeit, d.h., wenn der
Eingangs-PGA 52a das Signal verstärkt hat, dann wird der Ausgangs-PGA 52b dieses
zurückführen, vorzugsweise
um das gleiche Ausmaß.
Es ist auszuführen,
dass dann, wenn der PGA nicht zum Einsatz kommt, der Verstärkungswert
des Verstärkungsblockes 50 höher eingestellt
werden muss, d.h., etwa 176, so dass eine Gesamtsystemeingangsverstärkung von
etwa 880 erreicht wird. Derartig hohe Verstärkungen von 750 oder mehr werden
angestrebt zum Erreichen einer guten Systemleistungsfähigkeit,
wenn sie Basisstörungen
von zwischen 2 bis 10 Mikron ausgesetzt werden und wenn eine 8-Bit-Mikrosteuerung
zum Einsatz kommt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zur Einstellung
der Gleichstromvorspannung des Eingangssignals vorgesehen. Entsprechend
der Darstellung in 16 überwacht die Mikrosteuerung 54 das
nominale Gleichspannungsniveaus des Signals, welches an dem Eingang
D/A 58a bereitgestellt wird, und gibt einen Wert an den
aktiven Trim-Digital- zu Analog-Konverter (DAC) 65, der
dementsprechend eine Gleichspannung bereitstellt, die entweder hinzugefügt zu oder abgezogen
wird von der Gleichspannung, die ausgegeben wird von dem Verstärkungs-
und Filterblock 48 an der Verbindung 64. Diese
aktive Abgleichfunktion hält
die Eingangssignalspannung an einem nominalen Wert beispielsweise
bei etwa 2,5 V. Hierdurch wird die Gleichspannung zentriert aufrechterhalten innerhalb
des Spannungsbereiches, wodurch ein maximaler Einsatz des dynamischen
Bereiches gestattet wird.
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Die
Eingangs- und Ausgangsbearbeitungsteile können auch Überwachungseinrichtungen umfassen,
die geeignet sind, um ein Versagen des Sensors 32 und/oder
des Aktuators 30 innerhalb der Einrichtung 20 zu
erfassen. Die Eingangsüberwachungsmaßnahme umfasst
das Extrahieren des Signals an der Verbindung 67, welches
repräsentativ
ist für
das ursprüngliche
Accelerometersignal. Das Signal wird über die Leitung 68a der Überwachung
A/D 70a in der Mikrosteuerung 54 bereitgestellt.
Das Signal wird dann untersucht, um zu bestimmen, ob es in einen
vorher eingestellten Bereich fällt.
Wenn es dies tut, zeigt dies einen fehlerfreien Betrieb des Sensors 32 an.
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Innerhalb
der Mikrosteuerung 54, bei welcher es sich vorzugsweise
um eine Motorola-68HC705P6ACDW handelt, wird ein Steuerverfahren
ausgeführt,
wie z.B. irgendeines der Verfahren, wie sie unter Bezugnahme auf
die 2a-2c beschrieben
wurden. Ein Ausgangssignal wird bereitgestellt von der Steuerung
D/A 58b zum optionalen Ausgang PGA 52b bei einer
Probenfrequenz von etwa 200 Hz. Die Steuerung umfasst vorzugsweise ein
Mehrratenabtasten, wie es beschrieben ist in der gleichzeitig schwebenden
US-Patentanmeldung 09/053,478 von Hamo et al. mit dem Titel "Dynamic System Controller", worauf hiermit
ausdrücklich
Bezug genommen wird. Das Signal von den PGA 52b wird dann
einem Brückenverstärker 56 zugeführt, welcher
mehrere Leistungsverstärker 60a, 60b einschließt und positioniert
ist auf jeder Seite des Elektromagneten 30, und ein Stromsteuerblock 62 ist
vorgesehen zur Bereitstellung einer Rückkopplungssteuerung, um sicherzustellen,
dass das Steuersignal zu den Verstärkern 60a, 60b tatsächlich dasjenige
ist, welches gesteuert wird. Das Steuersignal von dem PGA 52b treibt
den Leistungsverstärker 60a direkt.
Im Gegensatz dazu wird über
den Widerstandsinverter 63, der das Steuersignal umkehrt,
der Leistungsverstärker 60b in
gegengesetzter Richtung getrieben, wodurch ein Wechselstromszenarium
erzeugt wird über
die Wicklungen des elektromagnetischen Aktuators 30. Vorzugsweise
kommt eine Rückkopplungseinrichtung
zum Einsatz, um den Strom zu messen, der durch die Leistungsverstärker 60a, 60b zugeführt wird,
worauf dann ein Signal rückgekoppelt wird,
welches zusammen mit dem Steuersignal eine entsprechende Einstellung
desselben durchführt. Rückkopplungssignale,
die zu dem Strom proportional sind, welcher einem jeden Verstärker 60a, 60b zugeführt wird,
werden zum Stromsteuerblock 62 geführt über die Rückkopplungsleitungen 61a, 61b. Diese
Signale werden dann kombiniert, um einen Ausgang an einer Leitung 68b zu
erzeugen. Dieser Ausgang wird an einer Verbindung 69 bereitgestellt und
dort summiert mit dem Steuersignal. Hierdurch wird konstant der
Strom i korrigiert durch den Elektromagneten derart, dass er in
etwa gleich ist zu dem gesteuerten (befohlenen) Strom. Das Signal 68b wird außerdem dem
A/D-Konverter 70b innerhalb der Mikrosteuerung 54 bereitgestellt,
um die Einrichtung zur Überwachung
des Stromes zum Elektromagneten 30 vorzusehen. Wenn der
Spannungswert, der vorliegt, innerhalb einer vorbestimmten Toleranz
des befohlenen Steuersignals liegt, dann arbeiten der Elektromagnet 30 und
der Brückenleistungsverstärker 56 in
einer richtigen Art und Weise. Wenn sich das Signal nicht ändert, dann
zeigt dies einen Kurzschluss oder eine andere Schaltungsfehlfunktion
an.
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In 15b werden die Betriebsfunktionen illustriert,
die innerhalb der Mikrosteuerung 54 stattfinden. Das gefilterte
und verstärkte
Eingangssignal wird von dem PAG 52a dem Eingang A/D 58a bereitgestellt,
der das analoge Signal konvertiert in eine digitale Form bei der
vorerwähnten
Abtastrate. Ein Dezimierungsfilter 72 ist innerhalb eines
Niedrigpassfilters vorzugsweise erster Ordnung vorgesehen mit einer
Durchbruchfrequenz von weniger als 90 Hz und stärker bevorzugt etwa 40 Hz.
Ein zusätzlicher
Hochpassfilter 74 mit einer Durchbruchfrequenz von etwa 0,125
Hz ist vorgesehen, um weiter ein Niedrigfrequenzrauschen zu verwerfen.
Das Signal wird dann abwärts
abgetastet in dem Abwärtsabtastblock 73 bei
200 Hz durch Abtasten in etwa jeder fünften Probe, die von dem Dezimierungsfilter 72 ausgeht.
Der Ausgang des Abwärtsabtastblockes 73 wird
dann integriert in dem Integrator 35 auf einem ersten Weg und
multipliziert über
einen ersten Verstärker
1 im Block 38. In einer ähnlichen Weise ist ein zweiter Weg
vorgesehen, in welchem das abwärts
abgetastete Signal multipliziert wird über einen zweiten Ver stärker 2 in
Block 37. Das Signal in dem ersten und dem zweiten Weg
wird dann summiert an der Summierungsverbindung 39 und
dann der Steuerung D/A 58b bereitgestellt für die Übertragung
zu dem Aktuator 30. Es ist zu erwähnen, dass der Verstärkungs- und
Konditionierblock 29a in den 2a-2c den Signalkonditionierblock 46,
den PGA 52a, den A/D-Konverter 58a, den Dezimierungsfilter 72,
den HP-Filter 74 und die Abwärtsabtastung 73 umfasst.
In einer ähnlichen
Weise umfasst der Verstärkungs- und
Konditionierblock 29b die Steuerung D/A 58b, den
Ausgang PGA 52b und den Brückenleistungsverstärker 56.
Der Brückenleistungsverstärker 56 umfasst
die Leistungsverstärker 60a, 60b und
die Stromsteuerung 62.
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Die
Erfindung wurde beschrieben in Begriffen von bevorzugten Prinzipien
und Strukturen, wobei jedoch die speziellen Beispiele, die gegeben
werden, lediglich erläuternd
sind und nicht einschränkend.
Die Anzahl und Anordnung der Einheiten kann geändert werden, um wirkungsvoll
die dominanten Bewegungen in dem System zu dämpfen. Außerdem kann die Erfindung,
obwohl sie unter Bezugnahme auf eine Isolierungstafel beschrieben
wurde, auch eingesetzt werden für
jeden anderen Aufbau zur Isolierung eines Elementes von einem anderen,
wie etwa bei Motor- oder Maschinenhalterungsaufbauten.