DE1463262B2 - Anordnung mit impulsgesteuerten schrittschaltmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit impulsgesteuerten Schrittschaltmotoren zur vor-

ao programmierten Wegsteuerung von Arbeitsgeräten. Es ist bekannt, einen Schrittschaltmotor bei einem Kurvenschreiber oder einer anderen Vorrichtung zu verwenden, um ein Teil dieser Vorrichtung gegenüber einer Schreibunterlage, einem Werkstück oder einem anderen Teil der Vorrichtung in einer vorbestimmten Koordinatenrichtung zu bewegen. Derartige Schrittschaltmotoren sprechen auf Stromimpulse an und verdrehen ihre Welle für jeden empfangenen Impuls um einen genauen Winkelwert.

Die Anwendung dieser Motoren ist bei vielen Vorrichtungen insbesondere deshalb von Vorteil, weil sie in einfacher Weise durch eine Anzahl von Eingangsimpulsen betätigt werden können, so daß sie das zugeordnete Teil eine genau vorbestimmte Strecke weit bewegen können. Ein Hauptnachteil der bekannten Stellmotoren ist darin zu sehen, daß ihre Arbeitsgeschwindigkeit auf Grund ihrer niedrigen Grenzfrequenz verhältnismäßig niedrig ist, d. h., daß sie nur mit einer verhältnismäßig niedrigen Impulsfolgefrequenz gegebene Impulse aufnehmen können, wenn das Drehmoment an ihrer Welle nicht unter einen bestimmten, nicht mehr zu verwendenden Wert sinken soll.

Es ist auch ein eine gute Stellgenauigkeit und eine große Anzahl von Einzelschritten pro Umdrehung besitzender Schrittschaltmotor bekannt (Werkstattstechnik 49. Jahrg. (1959), H. 5, S. 237 bis 241), der mehrere hintereinander angeordnete Ständerpolringe und auf einer gemeinsamen Welle angeordnete, gegeneinander versetzte Läuferpolringe aufweist, wobei die Versetzung der Einzelpole der Läuferpolringe jeweils den «-ten Teil einer Polteilung der Ständerpolringe beträgt, wobei η gleich der Anzahl der Ständer- bzw. Läuferpolringe ist; eine Weiterschaltung erfolgt durch schrittweise bzw. phasenverschobene Erregung der Wicklungen der Ständerpolringe nacheinander. Jedoch weist auch dieser Schrittschaltmotor den Nachteil auf, daß sich weder die Anzahl der Einzelschritte pro Umdrehung noch die Grenzfrequenz des Motors durch Vergrößerung der Anzahl von Ständer- und Läuferpolringen oder der Polzahl pro Polring beliebig erhöhen läßt, da bei diesem Motor jeweils nur die Wicklungen eines Polringes zur gleichen Zeit erregt sein dürfen und durch die Aneinanderreihung einer größeren Anzahl von Polringen die Erregungszeiten zu gering werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

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Anordnung mit impulsgesteuerten Schrittschalt- sitzen oder überhaupt aus einem einzigen Element

motoren anzugeben, bei der die verarbeitende bestehen. Bei einer derartigen Anordnung werden

Impulsfolgefrequenz gegenüber den bekannten An- alle η Rotoren bei jedem Schritt gleichzeitig mit-

ordnungen auf ein Mehrfaches erhöht ist, ohne daß einander gedreht, und zwar um einen Winkel, der das Ausgangsdrehmoment absinkt. Diese Aufgabe 5 gleich dem w-ten Teil des Winkels ist, um den sich

wird gemäß der Erfindung bei einer Anordnung der Rotor eines einzelnen Schrittschaltmotors bei

mit impulsgesteuerten Schrittschaltmotoren dadurch Weiterschaltung um einen Schritt drehen würde,

gelöst, daß für jede Bewegungsrichtung ein Impuls- Besonders einfach und zweckmäßig ist hierbei

verteiler vorgesehen ist, der eine ihm zugeführte eine Anordnung der Schrittschaltmotoren, bei der

primäre Impulsreihe in η sekundäre Impulsreihen io diese stator- und rotorseitig gleich ausgerichtet sind,

gleicher Frequenz mit zeitlich gegeneinander ver- Dabei treten jedoch Schwankungen im Drehmoment

setzten Impulsen aufteilt, und daß jede sekundäre auf. Vorteilhafterweise können solche Schwankun-

Impulsreihe einen von η gleichartigen Schrittschalt- gen dadurch vermindert bzw. beseitigt werden, daß

motoren steuert, deren Rotoren miteinander und die aufeinanderfolgenden Schrittschaltmotoren bei

mit dem zu bewegenden Teil verbunden sind. 15 gleichausgerichteten Rotoren statorseitig jeweils um

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können einen Winkel von höchstens aln° gegeneinander ver-

die zugeordneten Arbeitsgeräte mit wesentlich setzt sind, wobei α die erzielte Winkelbewegung des

größeren Verstellgeschwindigkeiten betrieben wer- Rotors eines jeden Schrittschaltmotors bei jeder

den, als es mit einem einzigen Schrittschaltmotor Veränderung seines Erregungszustandes ist und η

möglich ist. Dabei entspricht das Drehmoment dem ao die Anzahl der Schrittmotoren darstellt,

des Einzelmotors. Zweckmäßigerweise sind alle Schrittschaltmotoren

Vorteilhafterweise sind hierbei die Impulse der in einem gemeinsamen. Gehäuse untergebracht,

sekundären Impulsreihen um einen zeitlichen Ab- Der Gegenstand der Erfindung ist nachstehend

stand gegeneinander versetzt, der gleich dem zeit- an Hand einiger in den F i g. 1 bis 12 der Zeichnung

liehen Abstand zweier aufeinanderfolgender Sekun- 95 dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele näher

därimpulse, geteilt durch die Anzahl der sekundären erläutert. Es zeigt

Impulsreihen, ist. Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Aus-

Die primäre Impulsfrequenz ist hierbei gleich der führungsbeispiels der Erfindung im Blockdiagramm, Frequenz der Schrittfolge am Ausgang der Anord- in Verbindung mit einem Koordinatenschreiber und nung. Da jedoch ein jeder der η Schrittschalt- 30 mit zwei Schrittschaltmotoren für jede Bewegungsmotoren nur mit einer Frequenz weitergeschaltet richtung,

wird, die nur den η-ten Teil der Primärfrequenz Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ande-

beträgt und die Erregungszeit unabhängig von der ren Ausführungsbeispiels der Erfindung, ebenfalls

Anzahl der Einzelmotoren bzw. Sekundärreihen ist, im Blockdiagramm in Verbindung mit einem

kann die Primärfrequenz das «-fache der Grenz- 35 Koordinatenschreiber und drei Schrittschaltmotoren,

frequenz der einzelnen Motoren betragen. Durch F i g. 3 eine schematische Darstellung eines wei-

Aufteilung der primären Impulsreihe in beliebig teren Ausführungsbeispiels der Erfindung in Block-

viele sekundäre Impulsreihen kann demnach eine diagrammform mit vier Schrittschaltmotoren,

beliebig hohe Primärfrequenz verwendet und damit F i g. 4 eine graphische Darstellung der verschie-

eine beliebig hohe Arbeitsgeschwindigkeit erzielt 40 denen, bei der Anwendung nach F i g. 3 verwendeten

werden, ohne daß das Drehmoment abfällt. Die Impulsreihen,

Einzelmotoren können hierbei außerordentlich ein- F i g. 5 eine schematische Darstellung der vier

fach ausgebildet sein. Schrittschaltmotoren der Anordnung gemäß F i g. 3

Wenn die primäre Impulsreihe in nur zwei in den verschiedenen aufeinanderfolgenden Stadien

sekundäre Impulsreihen aufgeteilt werden soll, kann 45 der Erregung,

vorteilhafterweise als Impulsverteiler eine Flip- F i g. 6 und 7 je eine schematische Darstellung

Flop-Schaltung verwendet werden. Soll eine Auf- von Verbindungsmöglichkeiten für die Läufer der

teilung in mehr als zwei sekundäre Impulsreihen verschiedenen Stellmotoren,

erfolgen, so kann zweckmäßigerweise als Impuls- F i g. 8 eine schematische Darstellung eines einzel-

verteiler ein Ringzähler verwendet werden. 50 nen Schrittschaltmotors, wie er bei der Anordnung

Die Zusammenfassung der Einzeldrehbewegungen gemäß F i g. 3 verwendet ist,

der Schrittschaltmotoren kann in vorteilhafter Weise F i g. 9 eine schematische Darstellung der ver-

dadurch bewirkt werden, daß die Verbindung der schiedenen Phasen der Erregung des Schrittschalt-

Rotoren miteinander und mit dem zu bewegenden motors gemäß F i g. 8 beim Drehen der Motorwelle

Teil eine mechanische Summiervorrichtung enthält, 55 um eine volle Umdrehung,

die η angetriebene Zahnräder aufweist, von denen Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er-

jedes mit einem der Rotoren der Schrittschalt- findung,

motoren verbunden ist, sowie ein von den Zahn- Fig. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Er-

rädern angetriebenes Zahnrad, das mit dem zu findung, bei dem die Rotoren gegeneinander versetzt

verstellenden Teil verbunden ist. Alternativ hierzu 60 angeordnet sind,

kann aber auch zur Verbindung der Rotoren mit- Fig. 12 eine schematische Darstellung von drei einander und mit dem zu bewegenden Teil ein aufeinanderfolgenden Erregungsphasen der Schritt-Differentialgetriebe vorgesehen sein. schaltmotoren in der Anordnung gemäß Fig. 11.

In bevorzugter weiterer Ausbildung der Erfindung F i g. 1 zeigt in Blockdiagrammform eine Anord-

sind die Wellen sämtlicher Schrittschaltmotoren 65 nung mit Schrittschaltmotoren in Verbindung mit

miteinander verbunden, wobei entweder die einzel- einem Koordinatenschreiber, der einen Abszissen-

nen Rotoren durch Kupplungen miteinander ver- wagen 6 und einen Ordinatenwagen 8 aufweist,

bunden sind oder auf einer gemeinsamen Welle welche mittels Leitspindeln 10 und 12 (durch gestri-

und eine oder mehrere Wicklungen auf, wobei das schrittweise Bewegen des Kraftabgabeelements dadurch erreicht wird, daß der Erregungszustand der Wicklungen nacheinander verändert wird. Bei einigen Schrittschaltmotoren, z. B. mittels eines Elektromagneten betätigten, können die Steuerimpulse unmittelbar in die Wicklungen geleitet werden, so daß die Wicklungen nacheinander erregt und stromlos gemacht werden. Bei anderen Motoren werden die

dielte Linien dargestellt) in den entsprechenden Koordinatenrichtungen in bezug auf eine Schreibunterlage bewegbar sind. Die Leitspindel 10 ist antriebsmäßig mit einem Positionsmelder 14 und die Leitspindel 12 antriebsmäßig mit einem Positionsmelder 16 verbunden. Die Bewegung der Wagen wird von einem Rechner 18 mit einem Eingabewerk 20 gesteuert, das beispielsweise einen Lochstreifenleser aufweisen kann.

Es sei angenommen, daß sich der Koordinaten- i₀ Steuerimpulse nicht unmittelbar von den Wicklunschreiber in einer Ausgangsstellung befindet, dann gen empfangen, sondern von einer Schaltlogikvorarbeitet das Eingabewerk 20, um den Rechner 18 richtung oder einem Treiber, der wiederum die Ermit Informationen über Abszisse und Ordinate eines regung der Wicklungen nach einem bestimmten anzusteuernden Punktes zu versorgen. Der Rechner Folgeschema in Abhängigkeit von den Steuerimpulvergleicht diese Informationen mit der Ausgangs- 15 sen steuert. In Fig. 1 sind die Motoren beispielsstellung des Abszissenwagens und des Ordinaten- weise mit Schaltlogikvorrichtungen versehen, um die wagens gemäß den Informationen der Positions- Erregung der zugeordneten Wicklungen zu steuern, meider und liefert als Ausgangsmformation zwei wobei die Schaltlogikelemente als Teil zugeordneter primäre Impulsreihen an den Ausgangsleitungen 26 Richtungssteuer- und Verstärkervorrichtungen 36 a und 28. Jeder in der Leitung 26 auftretende Impuls 20 und 38 a anzusehen sind.

entspricht einer vorbestimmten Verschiebung des Angenommen, die Motoren 36 und 38 würden

Abszissenwagens in Richtung der Abszisse. Ebenso eine Anzahl von Wicklungen aufweisen, die von entspricht jeder in der Leitung 28 auftretende Impuls einer Schaltlogik gesteuert werden, dann könnte ihre einer vorbestimmten Bewegung des Ordinatenwagens Drehrichtung durch Veränderung der Reihenfolge, in Richtung der Ordinate. Beim Auftreten von Im- 25 in der ihre Wicklungen angesteuert werden, elektrisch pulsreihen in den Leitungen 26 und 28 erzeugt der umgekehrt werden. Beispielsweise kann jeder Motor Rechner Vorzeichensignale in den zugeordneten Lei- mit vier Wicklungen A, B, C und D versehen sein, tungen 26 a und 28 a, die die (positive bzw. negative) Wenn diese Wicklungen nacheinander in der Reihen-Bewegungsrichtung angeben. folge ABCD erregt werden, läuft der Motor in der Die in den Leitungen 26 und 28 erscheinenden 30 einen Drehrichtung, und wenn sie in der Reihenfolge Impulsreihen werden im folgenden als primäre Im- ADCB erregt werden, läuft er in der anderen Drehpulsreihen bezeichnet und betätigen über eine Ver- richtung. Um die Drehrichtung in dieser Weise steuteilerschaltung Stellmotoren, die die Leitspindeln 10 ern zu können, kann jede der dargestellten Vorrich- und 12 antreiben. Jede primäre Impulsreihe wird in tungen 36 a und 38 a auf das in der jeweils zugeordeine Mehrzahl sekundärer Impulsreihen mit gegen- 35 neten Leitung 26 a und 28 a erscheinende Vorzeiüber den primären Impulsreihen niedrigerer Impuls- chensignal ansprechen, so daß die Reihenfolge gesteuert wird, in der die Wicklungen der zugeordneten Motoren erregt werden. Wie dargestellt, können die Vorrichtungen 36 a und 38 a auch Leistungs-40 verstärker aufweisen oder mit solchen verbunden sein, damit ihre Ausgangsleistung auf einen Leistungspegel verstärkt wird, der ausreichend ist, um die Stellmotoren anzutreiben. Eine Richtungsänderung kann alternativ hierzu auch beispielsweise

geordneten Ausgangsleitungen 32 und 34 bestehen 45 durch kupplungsbetätigte Umkehrgetriebe bewirkt kann. Die Arbeitsweise ist hinsichtlich Abszisse und werden.

Ordinate die gleiche. Beispielsweise hinsichtlich der Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der

Abszisse ist die Arbeitsweise der Halbiervorrichtung Erfindung ist im wesentlichen identisch mit der in 30 derart, daß die in der Leitung26 erscheinenden Fig. 1 dargestellten, jedoch mit dem Unterschied, Impulse von der Halbiervorrichtung abwechselnd 50 daß eine größere Anzahl von Schrittschaltmotoren auf die Leitungen 32 und 34 übertragen werden, so verwendet wird. Die Anordnung gemäß F i g. 2 weist daß die Impulsfrequenz der in jeder der Leitungen jeweils drei mit der Abszisse und der Ordinate ver-32 und 34 erscheinenden Impulse die Hälfte der Im- bundene Schrittschaltmotoren 35, 37, 39 auf. In diepulsfrequenz der in der Leitung 26 erscheinenden sem Fall sind die Impulsverteiler 30 der F i g. 1 je-Impulse beträgt. Die beiden Ausgangsleitungen 32 55 weils durch Ringzähler 44 ersetzt, die die primären und 34 sind mit Schrittschaltmotoren 36 und 38 ver- Impulsreihen in drei sekundäre Impulsreihen für die bunden, von denen jeder eine rotierende Welle 40 mit den Schrittschaltmotoren 35, 37 und 39 verbunaufweist, die mit entsprechenden Eingangswellen denen Leitungen 45, 46 und 47 aufteilen. So wird im eines Differentialgetriebes 42 verbunden sind, dessen Beispiel der Abszisse bei jeder in der Leitung 26 Ausgangswelle, wie dargestellt, mit der Leitspindel 10 60 erscheinenden Reihe von drei Impulsen der erste verbunden ist. Das Getriebe 42 ist so konstruiert, Impuls vom Ringzähler 44 über die Leitung 45 dem

folgefrequenz unterteilt; die sekundären Impulsreihen betätigen eine entsprechende Anzahl von Stellmotoren, die ausgangsseitig miteinander verbunden sind, um die zugeordnete Leitspindel anzutreiben.

In F i g. 1 umfaßt jeder Impulsverteiler zum Teilen primärer Impulsreihen in sekundäre Impulsreihen eine »Halbiervorrichtung« 30, die aus einer Flip-Flop-Schaltung mit einem Eingang 26 und zwei zu-

daß die Drehung bzw. der Drehwinkel der Ausgangswelle des Differentialgetriebes der Summe der Einzeldrehungen bzw. -winkel seiner angetriebenen Wellen entspricht.

Der in der Anordnung nach Fig. 1 verwendete Schrittschaltmotor kann verschieden ausgebildet sein. Er weist in jedem Fall einen Läufer, einen Ständer

ersten Motor 35, der zweite Impuls über die Leitung
46 dem zweiten Motor 37 und der dritte Impuls über
die Leitung 47 dem dritten Motor 39 zugeleitet. Jedem
65 Schrittschaltmotor ist auch eine Richtungssteuer-,
Logik- und Verstärkervorrichtung 35 a, 37 a und
39 a, ähnlich wie die Vorrichtungen 36 a und 38 a der
Fig. 1, zugeordnet. Die einzelnen Motorwellen40

sind mit einem Differentialgetriebe 48 verbunden, das die drei eingangsseitigen Drehbewegungen zu einer einzigen Drehbewegung für die zugeordnete Leitspindel 10 bzw. 12 am Ausgang summiert.

Wie vorstehend im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 2 erwähnt, werden die ausgangsseitigen Drehbewegungen der einzelnen Schrittschaltmotoren je primäre Impulsreihe durch Verwendung eines Differentialantriebs zusammengefaßt, wobei die Läufer der Motoren in ihrer Bewegung voneinander unabhängig sind. Dies hat gewisse Vorteile sowohl im Hinblick auf eine Vereinfachung des zur Steuerung der Motorerregung erforderlichen logischen Systems als auch im Hinblick darauf, daß die Motoren nicht aufeinander ausgerichtet werden müssen, um eine gegenseitige nachteilige Beeinflussung der Motoren zu verhindern. Differentialantriebe sind aber verhältnismäßig kostspielige Vorrichtungen und können in bestimmten Fällen durch einfachere Vorrichtungen ersetzt werden, wobei die Läufer der Motoren gezwungen werden, sich miteinander zu drehen. Ein Antrieb mit einer derartigen Vorrichtung ist in F i g. 3 dargestellt.

Fig. 3 zeigt in Blockdiagrammform eine Anordnung zum Bewegen eines Teils in nur einer Koordinatenrichtung gegenüber zwei Koordinatenrichtungen nach Fig. 1 und 2. Die Anzahl der Schrittschaltmotoren kann beliebig sein; zum Zwecke der Erläuterung sind vier derartige Motoren 112 a, 1126, 112 c und 112 a* dargestellt. Die Anordnung weist außerdem eine Anzahl Richtungssteuer-, Logik- und Verstärkereinheiten 114 a, 1146, 114 c und 114 d auf, von denen jeweils eine einem Schrittschaltmotor zugeordnet ist. Ferner sind ein Impulsverteiler 116, ein Rechner 118, ein Eingabegerät 120 und ein Positionsmelder 122 vorgesehen sowie allgemein mit 124 bezeichnete Mittel zur getrieblichen Verbindung der Läufer der Schrittschaltmotoren miteinander und mit dem anzutreibenden Teil 110.

Ehe auf die Arbeitsweise der Anordnung nach F i g. 3 im einzelnen eingegangen wird, sei auf Fig. 8 hingewiesen, die in schematischer Darstellung einen einfachen Schrittschaltmotor zeigt, wie er für die Anordnung nach F i g. 3 verwendet werden kann, sowie auf F i g. 9, die zeigt, in welcher Weise die Wicklungen eines derartigen Motors nacheinander erregt werden können, um eine Drehung des Läufers zu bewirken. Der Motor in F i g. 8 hat einen Ständer 126 mit vier ausgeprägten Polen und diesen zugeordneten getrennten Wicklungen 128, 129, 130 und 131. Der Läufer 132 ist permanentmagnetisch und hat einen Nordpol N und einen Südpol S. Durch entsprechende Veränderung des Erregungszustandes der Wicklungen nach einer von zwei bestimmten Reihenfolgen wird der Läufer 132 gezwungen, sich in bezug auf den Ständer im Uhrzeigersinn bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen. Die Erregung der Wicklungen 128, 129, 130 und 131 erfolgt durch Gleichstrom, und in Abhängigkeit von der Richtung dieses Stroms in jeder Wicklung wird der zugeordnete Pol des Ständers magnetisiert, so daß eine Stirnseite entweder einen magnetischen Nord- oder Südpol bildet.

F i g. 9 zeigt die schrittweise Veränderung des Erregungszustandes der Wicklungen des Schrittschaltmotors nach F i g. 8, um eine volle Umdrehung des Läufers 132 herbeizuführen. In dieser Figur ist der Läufer des Motors durch einen Pfeil gekennzeichnet, dessen Spitze den Nordpol darstellt. Auch die.ausgeprägten Pole des Ständers sind lediglich durch die Buchstaben N und S bezeichnet, die die magnetische Polarität der Stirnseite der ausgeprägten Pole angeben. Bei Schritt 1 der F i g. 9 wird die Wicklung

128 derart erregt, daß sie an der Stirnseite ihres Ständerpols einen magnetischen Nordpol bildet, während die Wicklung 130 so erregt wird, daß sie an der Stirnseite ihres Ständerpols einen magnetischen Südpol erzeugt. Die Wicklungen 129 und 131 sind stromlos. Infolge dieser Magnetisierung des Ständers wird der Läufer in die bei Schritt 1 dargestellte Lage gezwungen. Bei Schritt 2 sind die Wicklungen 128 und

129 beide erregt, so daß sie Nordpole bilden, und die Wicklungen 130 und 131 sind so erregt, daß sie Südpole bilden mit dem Ergebnis, daß der Läufer gezwungen wird, die bei Schritt 2 gezeigte Lage einzunehmen, die gegenüber der Lage in Fig. 1 um 45° im Uhrzeigersinn versetzt ist. Aus Fig. 9 ist ferner ersichtlich, daß bei nacheinander erfolgender Änderung des Erregungszustands der Wicklungen in der dargestellten Schrittfolge der Läufer schrittweise um jeweils 45° weitergedreht werden kann, wobei acht Schritte erforderlich sind, um eine volle Umdrehung des Läufers zu erzielen. Es ist auch ohne weiteres verständlich, daß der Läufer bei Umkehrung der Schrittreihenfolge in der umgekehrten Drehrichtung, d. h. entgegen dem Uhrzeigersinn, läuft.

Schrittschaltmotoren der in Fig. 8 dargestellten Art sind in der Technik an sich bekannt.

Der in F i g. 8 dargestellte vierpolige Schrittschaltmotor ist verhältnismäßig einfach und wurde nur wegen seiner Einfachheit zum Zwecke der Beschreibung gewählt. Die Anordnung gemäß F i g. 3 ist jedoch nicht auf diesen Motortyp beschränkt, wobei insbesondere zu beachten ist, daß die tatsächlich verwendeten Schrittschaltmotoren mehr als die in Fig. 8 gezeigten vier Pole aufweisen und dementsprechend mehr Schritte benötigen, um eine volle Umdrehung des Läufers zu erzielen. Beispielsweise können einige zur Verwendung bei der Anordnung gemäß F i g. 3 verwendbare Schrittschaltmotoren mehr als 200 Schaltschritte benötigen, um eine volle Umdrehung des Läufers zu erreichen.

Die Motoren 112 a, 1126, 112 c und 112 d der F i g. 3 seien als im wesentlichen denen gemäß F i g. 8 entsprechend anzunehmen. Die Läufer dieser Motoren sind mit 132 a, 132 b, 132 c und 132 d bezeichnet. Wie schon erwähnt, sind diese Läufer durch ein Verbindungsmittel 124 getrieblich derart miteinander verbunden, daß sie sich im Gleichlauf drehen. Ein erstes Zahnrad 134 kämmt mit vier zweiten Zahnrädern 136 a, 1366, 136 c und 136 d, von denen jedes über eine Welle oder ein anderes Antriebselement 138 α, 1386, 138 c und 138 d mit dem Läufer des entsprechenden Schrittschaltmotors verbunden ist. Die Teile 138 a, 1386, 138 c und 138 d können beispielsweise die entsprechenden Motorwellen sein, und die Zahnräder 136 a, 1366, 136 c und 136 d können auf diesen Wellen befestigte und mit dem Zahnrad 134 kämmende Ritzel sein, wobei das Zahnrad 134 in einem Gehäuse od. dgl. drehbar gelagert ist, an bzw. in welchen die Motoren ebenfalls angeordnet sein können.

Das Zahnrad 134 ist seinerseits über eine Welle oder ein anderes geeignetes Element 140 mit dem anzutreibenden Teil 110 verbunden, so daß dieses in Abhängigkeit von der Drehung des Zahnrades 134

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bewegt wird. Der Positionsmelder 122 ist ebenfalls Diese Einheit wird durch die Impulse der Sekundärmit dem angetriebenen Teil 110 verbunden und wird reihe A betätigt und verändert den Erregungszustand in Übereinstimmung mit diesem bewegt, so daß ein der Wicklungen des zugeordneten Schrittschalt-Lagesignal erzeugt und zum Rechner 118 zurück- motors 112α. Angenommen, der Motor 112a entgeleitet wird. 5 spricht dem in F i g. 8 gezeigten Motor, dann arbei-

Der Rechner 118, der dem Rechner 18 gleicht, er- tet die Einheit 114 a so, daß die Wicklungen des zeugt eine primäre Impulsreihe, in der die Anzahl Motors in der in F i g. 9 dargestellten Schrittfolge der Impulse einem gewünschten Verschiebungsweg erregt werden. Die Drehrichtung wird durch das in des angetriebenen Teils 110 entspricht. Jeder Impuls der Leitung 142 erscheinende Richtungssignal geder von dem Rechner 118 ausgehenden primären io steuert, so daß die Logikeinheit 114 a die Wicklun-Impulsreihe kann beispielsweise einer Verstellung gen des Motors entweder in der einen oder in der des angetriebenen Teils um 0,025 mm entsprechen. umgekehrten Reihenfolge erregt. Bei jedem Anspre-Das Eingabegerät 120 kann ein Lochstreifenleser chen auf einen sekundären Impuls ändert die Logikoder eine andere Vorrichtung sein, die den Rechner und Verstärkereinheit 114 a in der vorgesehenen 118 fortlaufend mit Informationen über die einzel- 15 Reihenfolge den Erregungszustand der Wicklungen nen anzusteuernden Punkte versorgt. Nachdem In- des Motors 112 a von einem Zustand zum nächsten, formationen über einen Punkt von dem Eingabe- In F i g. 3 sind die Motorwicklungen der Übersichtgerät 120 in den Rechner 118 eingegeben worden lichkeit halber fortgelassen worden, doch sollen die sind, vergleicht der Rechner diese Daten mit dem vier von jeder Logikeinheit zum Motor führenden gegenwärtigen Standort des angetriebenen Teils, wie 20 Linien die Leitung darstellen, über die die Wickluner von dem Positionsmelder 122 geliefert wird, und gen erregt werden.

erzeugt eine primäre Impulsreihe mit einer Anzahl Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ersichtvon Impulsen, die dem gewünschten Verstellweg des lieh, daß nicht nur die Wicklungen eines jeden Mo-Teils, geteilt durch den durch jeden einzelnen Impuls tors, sondern auch die Motoren selbst infolge der bewirkten Verstellweg, entspricht. Der Rechner 118 25 zeitlichen Verschiebung der Impulse der einzelnen erzeugt ferner Richtungssignale, die über eine Lei- Sekundärreihen in schrittweiser Reihenfolge erregt tung 142 gleichzeitig an die Richtungssteuer-, Logik- werden. Daraus und aus der Tatsache, daß die Läu- und Verstärkereinheiten übertragen werden und die fer der Motoren gezwungen sind, sich gleichzeitig Richtungssteuer- und Logikeinheit veranlassen, um miteinander zu drehen, ergibt sich, daß das Zahnrad die zugeordneten Motorwicklungen in der richtigen 30 134 bei einer der Anzahl der primären Impulse entReihenfolge zu erregen. sprechenden Schrittzahl von jedem Motor mit einer

Die primäre Impulsreihe in der Leitung 144 wird Geschwindigkeit gedreht wird, die nur einem Viertel zum Impulsverteiler 116 geleitet, der die primäre der Geschwindigkeit entspricht, die erzielt werden Impulsreihe in mehrere sekundäre Impulsreihen glei- würde, wenn nur ein einzelner Schrittschaltmotor eher Frequenz mit zeitlich gegeneinander versetzten 35 unmittelbar durch die primäre Impulsreihe betätigt Impulsen aufteilt, welche jeweils den Logik- und würde; das auf das Zahnrad 134 übertragene Dreh-Verstärkereinheiten zugeleitet werden. Die Impulse moment wird dabei um einen Faktor von fast vier der sekundären Impulsreihen sind um einen zeit- vergrößert.

liehen Abstand gegeneinander versetzt, der gleich Die Arbeitsweise des Antriebs zeigt F i g. 5, in der dem zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgenden 40 die Motoren 112 a, 112 b, 112 c und 112 a" gemäß Sekundärimpulse, geteilt durch die Anzahl der dem Schema in F i g. 9 dargestellt sind. In jeder sekundären Impulsreihen, ist. Der Impulsformer waagerechten Reihe geben die angezeichneten Pfeile kann beispielsweise wie in F i g. 2 ein Ringzähler den Zustand der Wicklungen der vier Motoren an. sein, so daß die Anzahl der Impulse jeder sekun- Im Anfangszustand, Schritt 1, werden die Wicklundären Impulsreihe gleich der Anzahl der Impulse der 45 gen so erregt, daß Nord- und Südpole an den (bezoprimären Impulsreihe, geteilt durch die Anzahl der gen auf ein Uhrzifferblatt) zwölf und sechs Uhr entsekundären Impulsreihen, ist. sprechenden Punkten eines jeden Motors erzeugl

Ein Zeitdiagramm für die in F i g. 3 dargestellte werden, so daß alle Läufer in der durch die Pfeile Anordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Aus dieser bezeichneten senkrechten Stellung stehen. Am Figur ist ersichtlich, daß jede der vier sekundären 5° rechten Rand der F i g. 5 ist ein Schaubild nach ArI Impulsreihen je einen Impuls von je vier Impulsen eines Vektordiagramms gezeichnet, in dem die kleider Primärreihe enthält und daß ferner die Impulse nen Pfeile jeweils die magnetische Null-Richtung ir der Reihe B um 90°, die Impulse der Reihe C um jedem der vier Motoren angeben. Die Länge dei 180° und die Impulse der Reihe D um 270° gegen- kleinen Pfeile entspricht der jeweils auf den Läufei über den Impulsen der Reihet versetzt sind. Die 55 wirkenden magnetischen »Federkraft«, die das der Impulse der verschiedenen Sekundärreihen weisen Läufer in die Null-Richtung zwingende Drehsomit eine Verschiebung von jeweils 90° bzw. ¹U der . moment pro Radian (Winkelgrad mal 2 π/360) an-Periodendauer der Sekundärreihen zueinander auf. gibt. Der mit R bezeichnete große Pfeil ist die durcl Wenn vorausgesetzt wird, daß jede Logik- und Ver- Addition der kleinen Pfeile erhaltende Resultante Stärkereinheit nur auf die Anstiegsflanke jedes emp- 60 deren Größe der vektoriellen Summe der der auf di( fangenen Sekundärimpulses anspricht, dann heißt einzelnen Läufer einwirkenden magnetischen »Feder das, daß die Logik- und Verstärkereinheiten in der kräfte« entspricht. Die Richtung des großen Pfeil: Reihenfolge 114 a, 114 b, 114 c, 144 a*, 114 a 114 δ zeigt die resultierende tatsächliche Ausrichtung de: usw. betätigt werden. starr miteinander verbundenen Läufer. Da be

Die einzelnen Logik- und Verstärkereinheiten 65 Schritt 1 alle kleinen Pfeile nach unten weisen, is

können aus verschiedenen an sich bekannten Schal- auch die Resultante R nach unten gerichtet. Bei Ein

tungen bestehen. Die Logik- und Verstärkereinheit treffen eines nächsten sekundären Impulses wird dii

114 a sei nachfolgend lediglich als Beispiel erläutert. Wicklung des Motors 112 a auf den zweiten Schrit

Il

geschaltet. Infolgedessen dreht sich die Null-Richtung im Motor 112 a im Uhrzeigersinn in die in Schritt 2 gezeigte Stellung. Da die anderen Motoren in dem dargestellten Erregungszustand bleiben und die Läufer miteinander verbunden sind, dreht sich der Läufer des Motors 112 α tatsächlich nicht in die bei Schritt 2 dargestellte der Null-Richtung entsprechende Stellung, sondern er legt einen kürzeren Weg zurück und nimmt die Läufer der anderen drei Motoren mit. Alle Läufer werden somit bewegt und erhalten eine neue durch den Pfeil R dargestellte Ausrichtung.

Der nächste Vorgang, Schritt 3, ist der Empfang eines sekundären Impulses durch die Logikeinheit 114 b, die den Zustand der Wicklungen bzw. die Null-Richtung des Motors 112 & in den dargestellten Zustand verändert. Die einzelnen Null-Richtungen summieren sich derart, daß alle vier Läufer im Uhrzeigersinn in die resultierende Stellung R gedreht werden. Bei Weiterverfolgung des Verlaufs nach F i g. 3 wird ersichtlich, daß beim Eintreffen weiterer Sekundärimpulse nacheinander der Erregungszustand der Wicklungen weiter verändert und als Ergebnis jeder Veränderung des Erregungszustands die Läufer gemäß der Resultante R im Uhrzeigersinn einen Schritt weiterbewegt werden. Weiterhin ist aus F i g. 5 ersichtlich, daß bei der dargestellten Anordnung acht Schritte erforderlich sind, um die Läufer eine Viertelumdrehung ausführen zu lassen und daß deshalb insgesamt 32 Schritte für eine volle Umdrehung der Läufer erforderlich sind, im Gegensatz zu Fig. 9, wo nur acht Schritte für eine volle Umdrehung der Welle eines einzelnen für sich allein arbeitenden Schrittschaltmotors erforderlich sind. Dies ist insofern von beträchtlicher Wichtigkeit, als die Impulsfolgefrequenz, mit der jeder einzelne Stellmotor betrieben werden kann, begrenzt ist. Deshalb kann bei dem dargestellten Antrieb eine primäre Impulsreihe mit einer Frequenz verwendet werden, die viermal höher ist als die Grenzfrequenz jedes einzelnen Motors. Bei Hinzufügung weiterer Schrittschaltmotoren in Übereinstimmung mit dem Schema nach F i g. 3 können entsprechend höhere Impulsfrequenzen verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil des in Fig. 3 dargestellten Schrittschaltwerks besteht darin, daß Schrittschaltmotoren konventioneller Standardausführung als Motoren 112 a, 112 b, 112 c und 112 d verwendet werden können. Die Läufer bzw. Wellen der einzelnen Motoren können auch anders als durch die in F i g. 3 gezeigten Zahnräder miteinander verbunden werden. Wie aus F i g. 6 ersichtlich ist, kann beispielsweise eine Anzahl von Schrittschaltmotoren ohne weiteres durch Zusammenkuppeln der aufeinander ausgerichteten Wellen der einzelnen Motoren verbunden werden. In F i g. 6 sind vier Stellmotoren 150 mit ihren Wellen 152 und diese verbindenden Kupplungen 154 dargestellt. Eine andere Art, die Läufer zu verbinden, ist in F i g. 7 dargestellt, in der die Läufer 156 auf einer gemeinsamen Welle sitzen und mit vier zugeordneten Ständern 160 zusammenarbeiten. Bei dieser Anordnung können, falls erwünscht, alle Läufer und Ständer in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Ohne Rücksicht so anzuordnen und die Läufer so miteinander zu beachten, daß es wichtig ist, die Ständer und Läufer so anzuordnen und die Läufer so miteinander zu kuppeln, daß alle Läufer im wesentlichen die gleiche Lage gegenüber ihren Ständern einnehmen, d. h., wenn beispielsweise die Wicklungen aller Motoren in der gleichen Weise wie bei Schritt 1 oder 5 in F i g. 5 erregt sind, müssen alle Läufer in Richtung der Null-Richtung ihrer zugeordneten Ständer ausgerichtet sein. Aus F i g. 7 läßt sich weiter ersehen, daß falls erwünscht, die einzelnen Läufer 126 wie in F i g. 10 durch einen einzigen länglich ausgebildeten Läufer 162 ersetzt werden können, dessen

ίο axiale Länge so bemessen ist, daß er gleichzeitig mit jeder der vier ringförmigen Reihen von Ständerpolen 166, die von den vier Ständern 164 gebildet werden, zusammenarbeiten kann. Die Ständer 164 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 168 untergebracht, in dem auch die Läuferwelle 170 drehbar gelagert ist, so daß die vier Ständer 164 und der Läufer 162 praktisch einen einzigen Motor bilden. Es ist auch ersichtlich, daß bei den in Fig. 7 und 10 dargestellten Schrittschaltmotoren die Ständerpole nicht

ao wie dargestellt von einer Anzahl getrennter, axial im Abstand angeordneter Ständer gebildet werden müssen, sondern auch von einem einstückigen Ständer gebildet werden können oder von einem Ständer, der weniger Einzel abschnitte aufweist als Ständerpolreihen.

Bei den Motoren der Fig. 7 und 10 sind die Läuferpole und Ständerpole so angeordnet, daß, wenn eine entsprechende Anzahl zugeordneter Läuferpole in Richtung von zwei bzw. mehr Polen einer ringförmigen Ständerpolreihe ausgerichtet ist, dasselbe auch bei den anderen Ständerpolreihen der Fall ist. F i g. 5 zeigt die einzelnen Schritte bei der Erregung der Wicklungen eines derartigen Gesamtmotors in bestimmter Reihenfolge; aus dem Vektordiagramm am rechten Rand von F i g. 5 ist ersichtlich, daß die Resultante R, deren Länge der zwischen Läufer- und Ständerpolen sich ergebenden magnetischen Anziehungskraft entspricht, sich von einem Schritt zum anderen verändert. Diese Änderung verursacht Schwankungen im Ausgangsdrehmoment.

Diese Schwankungen im Drehmoment können vermindert — und, falls erwünscht, vollständig beseitigt — werden, wenn die Ständer- und Läuferpole derart angeordnet werden, daß die einzelnen Läuferpole jeweils um einen unterschiedlichen Winkel in bezug auf eine vollständige Ausrichtung mit den ihnen zugeordneten Ständerpolen versetzt sind (Fig. 11). Dieser Unterschied in der Versetzung der Pole kann erreicht werden, indem entweder die Winkelausrichtung der Ständerpole untereinander beibehalten wird und die Läuferpole im Winkel gegeneinander versetzt angeordnet werden oder indem die Winkelausrichtung der Läuferpole beibehalten wird und die Ständerpole im Winkel gegeneinander versetzt werden. Als dritte Möglichkeit bietet sich an, daß sowohl die Ständerpole als auch die Läuferpole in bezug auf ihre Winkelausrichtung nichtnuchtend angeordnet sind. Fig. 11 zeigt die Endansicht eines Schrittschaltmotors, der dem in F i g. 7 dargestellten entspricht, jedoch mit der Ausnahme, daß die Läufer 156 a, 156 £>, 156 c und 156 d im Winkel zueinander versetzt auf ihrer Welle 158 angeordnet sind.

Der Betrag der Winkelverschiebung zwischen den aufeinanderfolgenden Polsätzen hängt von der Anzahl der Polsätze ab, ferner von der Größe des Drehwinkels der Läuferwelle bei jedem Schritt bzw. jeder Veränderung des Erregungszustands der Wicklungen, wenn eine Wicklung unabhängig von den

anderen Wicklungen erregt wird, sowie von dem gewünschten Maß an Gleichmäßigkeit im Drehmoment. Wenn das Drehmoment auf einen genau gleichbleibenden Wert gehalten werden soll, muß der zwischen den einzelnen Sätzen von Läuferpolen bestehende Unterschied im Winkelabstand gleich a/n, d. h. gleich der Größe α der Winkelbewegung bei einem Wechsel des Erregungszustandes einer einzelnen Wicklung und alleinigem Arbeiten dieser Wicklung, geteilt durch die Anzahl η der Ständerpolreihen, sein. Der in F i g. 11 dargestellte Motor ist beispielsweise von der Art, daß, wie in bezug auf F i g. 8 und 9 erläutert wurde, bei jedem Schrittwechsel in der Erregung einer für sich selbst und allein arbeitende Wicklung der Läufer 158 um 45° gedreht wurde. Da vier Ständerpolreihen vorhanden sind, muß der Winkelabstand zwischen den aufeinanderfolgenden Läuferpolen 45°/4 = H¹A Grad betragen, wie in F i g. 11 dargestellt ist, damit das Drehmoment konstant bleibt.

Die Wirkung dieser Verteilung der Läufer- und Ständerpole ist in Fig. 12 an Hand von drei Erregungsschritten der Wicklungen des Motors nach

Fig. 11 dargestellt. Das Schaubild der Fig. 12 entspricht im wesentlichen dem der F i g. 5, nur daß die Pfe^;!e in den Kreisen der Fig. 12 die jeweilige Stellung der Läufer 156 a, 156 b, 156 c und 156 d angeben und nicht die Null-Richtungen. In den Vektordiagrammen am rechten Rand der Figur stellen die Pfeile a, b, c und d die auf die einzelnen Läufer wirkenden magnetischen Kräfte dar. Die Läufer 156 a und 156 d in Schritt 1 liegen in einem größeren Abstand von den durch die zugeordneten Statorpole erzeugten Null-Richtungen als die Läufer 156 b und 156 c und stehen deshalb unter einem geringeren Einfluß der magnetischen Kraft als die letzteren Läufer. Bei der Weiterverfolgung von Schritt 1 über Schritt 2 zu Schritt 3 wird ersichtlich, daß lediglich eine Drehung der Resultante R ohne Veränderung ihrer Länge erfolgt und somit auch das der Läuferwelle aufgedrückte Drehmoment nicht verändert wird. Wenn der Winkelabstand zwischen den aufeinanderfolgenden Polsätzen auf einen Wert verändert wird, der größer ist als der Wert a/n, verändert sich das resultierende Drehmoment wieder von Schritt zu Schritt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Anordnung mit impulsgesteuerten Schrittschaltmotoren zur vorprogrammierten Wegsteuerung von Arbeitsgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Bewegungsrichtung ein Impulsverteiler (116) vorgesehen ist, der eine ihm zugeführte primäre Impulsreihe in η sekundäre Impulsreihen gleicher Frequenz mit zeitlich gegeneinander versetzten Impulsen aufteilt, und daß jede sekundäre Impulsreihe einen von η gleichartigen Schrittschaltmotoren (112 α bis d) steuert, deren Rotoren miteinander und mit dem zu bewegenden Teil (110) verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse der sekundären Impulsreihen um einen zeitlichen Abstand gegeneinander versetzt sind, der gleich dem zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Sekundärimpulse, geteilt durch die Anzahl der sekundären Impulsreihen, ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Aufteilung der primären Impulsreihe in zwei sekundäre Impulsreihen als Impulsverteiler eine Flip-Flop-Schaltung (30) verwendet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, da_r durch gekennzeichnet, daß bei Aufteilung der primären Impulsreihe in mehr als zwei sekundäre Impulsreihen als Impulsverteiler ein Ringzähler (44) verwendet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (124) der Rotoren (132 a bis 132 d) miteinander und mit dem zu bewegenden Teil (110) eine mechanische Summiervorrichtung enthält, die η angetriebene Zahnräder (136 a bis 136 d) aufweist, von denen jedes mit einem der Rotoren (132 a bis 132 d) der Schrittschaltmotoren (112 a bis 112 rf) verbunden ist, sowie ein von den Zahnrädern (136 a bis 136 d) angetriebenes Zahnrad (134), das mit dem zu verstellenden Teil (110) verbunden ist (F i g. 3).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Rotoren miteinander und mit dem zu bewegenden Teil ein Differentialgetriebe (42, 48) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen sämtlicher Schrittschaltmotoren durch Kupplungen miteinander verbunden sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren sämtlicher Schrittschaltmotoren auf einer gemeinsamen Welle befestigt sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren sämtlicher Schrittschaltmotoren aus einem einzigen Element bestehen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrittschaltmotoren stator- und rotorseitig gleich ausgerichtet sind.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Schrittschaltmotoren bei gleichausgerichteten Rotoren statorseitig jeweils um einen Winkel von höchstens a/n° gegeneinander versetzt sind, wobei α die erzielte Winkelbewegung des Rotors eines jeden Schrittschaltmotors bei jeder Veränderung seines Erregungszustandes ist und η die Anzahl der Schrittschaltmotoren darstellt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schrittschaltmotoren in einem gemeinsamen Gehäuse (168) untergebracht sind.