DE2439609A1

DE2439609A1 - Reibungsausgleicher fuer lastbewegungsmaschinen

Info

Publication number: DE2439609A1
Application number: DE2439609A
Authority: DE
Inventors: Masami Joraku; Shigeyoshi Kawano; Masahiro Ueno; Koji Yamauchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1974-08-19
Publication date: 1975-03-20
Also published as: GB1472999A; IT1020047B; DE2439609C3; DE2439609B2; US3916279A

Description

81-23.063P

19. August I974

-HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Reibungsausgleicher für Lastbeiregungsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, durch die eine hängende Last bzw. ein Gevicht mit geringer Kraft frei bewegbar ist·

Das Prinzip einer Anordnung, durch die eine hängende Last oder ein Gevicht mit sehr kleinem Kraftaufwand leicht und frei beweg- oder verschiebbar ist, wurde bereits vorgeschlagen (vgl. DT-OS 2 262 800).

81-(A 422-03)-schö

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Ein wesentliches Merkmal einer solchen Anordnung ist darin zu sehen, daß die zum Halten der Last in hängendem Zustand erforderliche Leistung oder Kraft durch die Anordnung erzeugt wird, während ein Verschieben oder Bevegen der Last im Hängezustand durch Menschenkraft erfolgt, die auf die Last unmittelbar ausgeübt wird, und zwar auf der Grundlage von hierfür erforderlichen Faktoren, die vom Urteil oder Gefühl einer Bedienungsperson bestimmt sind, wodurch eine Feinhandhabung der Last ermöglicht wird. Dementsprechend ist die Last mit geringem Kraftaufwand sehr leicht durch die Bedienungsperson so bewegbar, als ob die Last sich in einem von Schwerkrafteinflüssen freien begrenzten Raum befände. In der Praxis ist jedoch eine Reibung nicht zu vermeiden, die in der Lastaufhängemechanik, im Motor zum Erzeugen eines Drehmoments und in den Mitteln für die Übertragung des erzeugten Drehmoments entsteht. Um also den Betrieb der Maschine weiter zu verbessern, müssen diese Reibungskräfte mit berücksichtigt werden.

Eine Anordnung der oben erläuterten Art hat einen Geschwindigkeitsregler mit einem Integrations- oder I-Verstärker und einem Drehmomentregler. Die Bedienungsperson betätigt einen Führungsgeschwindigkeitsgeber des Geschwindigkeitsreglers zum Heben der Last auf eine vorgegebene Höhe. Durch Einstellen des Führungsgeschwindigkeitsgebers in eine Nullstellung wird die Geschwindigkeit, mit der die Last bewegt wird, gleich Null, wenn die Last im Hängezustand angehalten wird* In diesem Zustand entspricht die Metorausgangsleistung der Summe des Lastgewichts und der Reibungskraft, wodurch die Last im Gleichgewichtszustand gehalten wird, da sie durch überwinden der Reibungskraft angehoben wurde. Dann wird der Geschwindigkeitsregler ausgeschaltet,

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und die Last ist von der Bedienungsperson durch eine unmittelbar auf die Last wirkende Kraft zu verschieben oder zu bevegen. Wenn die Last aufvärts bevegt wird, genügt eine sehr kleine Kraft. Wenn die Last jedoch in die umgekehrte Richtung zu senken ist, ist eine mehr als die doppelte Reibungskraft betragende Kraft erforderlich. Das heißt, die zum Bewegen der Last erforderliche Kraft ist durch die Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung der Last, die unter der Steuerung des Geschvindigkeitsreglers verschoben vurde. und der Richtung, in die die Last durch die von der Bedienungsperson auszuübende Kraft nach dem Anhalten zu verschieben ist, bestimmbar.

Bei der bereits entwickelten Anordnung muß die Bewegungsrichtung der Last vor deren Anhalten aufgezeichnet und die Richtung, in die die Last von Hand zu verschieben ist, erfaßt werden. Da die Erfassung noch nicht wirksam ist, wenn die Last durch Ausüben der Kraft zu bewegen ist, ist auch die Reibung noch nicht ausgleichbar, und infolgedessen wird eine hohe Anfangskraft benötigt. Venn andererseits die Last in die umgekehrte Richtung zu bewegen'ist, genügt hierfür eine sehr kleine Kraft. So ändert sich die zum Auslösen der Lastbewegung erforderliche Menschenkraft innerhalb eines weiten Bereichs in Abhängigkeit von der Richtung, in die die Last zu bewegen ist. Außerdem sind bisher entwickelte Reibungsausgleicher im Aufbau sehr kompliziert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Reibungsausgleichers, der die Reibung zu Beginn der Lastbewegung konstanthält und dessen Betriebsstabilität sehr gut ist.

Der erfindungsgemäße Reibungsausgleicher hat einen Simulator für die Reibungskraft. Das Ausgangssignal dieses Simulators ändert sich in Abhängigkeit vom Gewicht der Last.

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Venn die Last durch Einschalten eines Geschvindigkeitsreglers mit einem Integrationsverstärker gehoben vird, vird das Ausgangssignal des Simulators für die Reibung einem Drehmomentregler zusammen mit einem Führungsdrehmomentsignal zugeführt, das vom Geschwindigkeitsregler erzeugt vird. Bei einer solchen Anordnung ist das Führungsdrehmoment si gnal des Qeschvindigkeitsreglers etva gleich dem Gevicht der hängenden Last. Wenn bei hängender Last der Geschwindigkeitsregler abgeschaltet vird, vird im Integrationsverstärker ein dem Gevicht der hängenden Last im vesentlichen entsprechender Wert gespeichert. Wenn die Last durch unmittelbares Beaufschlagen von Hand (mit Menschenkraft) verschoben vird, ergibt sich eine Ausgangs-Reibungskraft, die unabhängig von der Richtung, in die die Last zu bevegen ist, im vesentlichen konstant bleibt.

Die Erfindung schafft also eine Anordnung zum Ausgleich von mechanischen Verlusten, die in einer Lastbevegungsmaschine erzeugt verden; dabei ist die Last durch eine geringe äußere Kraft so bevegbar, als ob sie sich in einem schverefreien Raum befände, und zvar durch konstantes Erzeugen einer Kraft durch einen Elektromotor, die gleich dem Gevicht der hängenden Last ist. Ein Simulator für die beim Bevegen der Last erzeugte Reibung ist in einem Drehmomentregler für den Motor vorgesehen, wobei ein Führungsdrehmoment si gnal für den Motor in ein dem Lastgewicht entsprechendes FUhrungsdrehmomentsignal und ein der beim Bevegen der Last erzeugten Reibung entsprechendes Führungsdrehmomentsignal geteilt und anschließend dem Drehmomentregler für den Motor zugeführt vird.

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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Bs zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispielä der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung der Besiehungen ζvischen Geschwindigkeit, Gevicht und Reibungskraft;

Fig. 3 eine Darstellung der Beziehungen ζvischen dem Gewicht der Last und der Reibungskraft, ausgedrückt als Drehmoment;

Fig. 4 das Schaltbild eines Simulators für die Reibung, der bei der Erfindung verwendet wird;

Fig. 5 Kennlinien des Simulators für die Reibung nach Fig. 4;

Fig. 6 eine Darstellung der Beziehungen zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit der L as t_r der für einen Antriebsmotor erforderlichen Energie und dem Ausgangswert eines PI-Verstärkers, ausgedrückt als Drehmoment;

Fig. 7 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels des Simulators für die Reibung;

Fig. 8 Kennlinien des PI-Verstärkers;

Fig. 9 eine Ist-Reibungskennlinie und die Reibungskennlinie des Simulators für die Reibung;

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Fig. 10 das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 11 die Schaltung nach Fig. 10 im Detail;

Fig. 12 ein veiteres Ausführungsbeispiel des Simulators für die Reibung; und

Fig. 13 das Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels des Simulators für die Reibung.

Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung; eine Last 10 hängt an einem Drahtseil 12 von einer Rolle 14. Das Drehmoment oder die zum Aufhängen der Last 10 erforderliche Leistung wird von einem Gleichstrommotor 18 erzeugt und der Rolle 14 über ein Untersetzungsgetriebe 16 zugeführt. Ein Stromsteller 22 stellt den von einer Wechselstromversorgung 20 dem Motor 18 zugeführten Strom in Abhängigkeit von einem Signal ein, das von einer Additionsstelle (Summierglied) 26 über einen Verstärker zugeführt vird. Der durch den Motor 18 fließende Ist-Strom vird von einem Fühler 30 erfaßt und der Additionsstelle zugeführt. Die Drehzahl des Motors 18 vird von einem Drehzahlfühler 28 erfaßt, dessen Ausgangssignal einer Additionsstelle 36 und einem Simulator 32 für die Reibung zugeführt vird· Das Ausgangssignal eines Führungsgeschvindigkeits-Einstellers 38 vird ebenfalls der Additionsstelle 36 zugeführt· Andererseits vird das Ausgangssignal der Additionsstelle 36 der Additionsstelle 26 über einen Schalter SV₁ und einen PI-(proportional integrierenden)-Verstärker 34, im folgenden als PI-Verstärker bezeichnet, zugeführt. Ferner vird das Ausgangssignal des Simulators 32 für die Reibung ebenfalls der Additionsstelle 26 über einen schalter SV₂

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oder SW₄ und einen loeffizienten-Multiplizierer 42 zugeführt. Der Additionsstelle 26 vird außerdem das Ausgangssignal des Drehzahlfühlers 28 für einen Schalter SW₃ und einen Koeffizienten-Multiplizierer 40 zugeführt.

Im folgenden vird der Betrieb der Schaltung erläutert.

Zuerst soll die Betriebsveise erläutert verden, bei der die Last 10 durch eine Bedienungsperson auf eine vorgegebene Höhe anzuheben ist. Zu diesem Zeitpunkt sind die Schalter SW₁ und SW₂ geschlossen, und die Schalter SWg und SW₄ sind geöffnet. Durch Einstellen des Führungsgeschvindigkeits-Einstellers 38, der aus einem Potentiometer bestehen kann, ist die Geschvindigkeit, mit der die Last 10 bewegt verden soll, einstellbar. Das FUhrungsgeschvindigkeitsausgangssignal N des Führungsgeschvindigkeits-Einstellers 38 vird der Additionsstelle 36 zugeführt und mit dem Ausgangssignal N des Geschvindigkeitsfühlers 28 verglichen. Das sich ergebende Differenzsignal A N vird als Eingangssignal dem PI-Verstärker 34 zugeführt, dessen Ausgangsaignal T viederum der Additionsstelle 26 als Führungsdrehmomentsignal für den Motor 18 zugeführt vird. Das Ausgangssignal des Stromftihlers 30 stellt das Ist-Drehmoment Tdes Motors 18 dar, da der Fühler 30 den durch den Motor 18 fließenden Iststrom erfaßt.

Zur Vereinfachung der Erläuterung sei zuerst angenommen, daß sämtliche Reibungskräfte in der Anordnung vernachlässigbar sind, so daß der Betrieb des Simulators 32 für die Reibung ebenfalls nicht in die Betrachtung einbezogen vird.

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Unter diesen Bedingungen vird die Differenz /^ i zvisehen dem Ausgangssignal T des PI-Verstärkers 34 und dem Ausgangssignal Tdes Stromfühlers 30 nach Verstärkung durch den PI-Verstärker 34 dem Stromsteller 22 zugeführt, vodurch dieser so eingestellt wird, daß der dem Motor 18 zugeführte Strom mit dem Führungsdrehmomentsignal T_ übereinstimmt.

Bs ist zu beachten, daß die Additionsstelle 26, der Verstärker 24, der Stromsteller 22 und der Stromfühler 30 so zusammenvirken, daß sie die Punktion eines Drehmomentreglers für den Motor 18 ausüben, während der PI-Verstärker 34 als Führungsgeschwindigkeitsgeber für den Drehmomentregler dient. Andererseits bilden der Führungsgeschvindigkeits-Einsteller 38, die Additionsstelle 36, der PI-Verstärker 34 und der Geschwindigkeitsfühler 28 einen Geschvindigkeitsregelkreis.

Im folgenden wird die Betriebsweise an Hand mathematischer Ausdrücke im einzelnen erläutert.

Bei einem Proportionalitätsfaktor K des PI-Verstärkers mit einer Integrationszeitkonstante T₁ gilt für das Ausgangssignal T_ des PI-Verstärkers:

ι f T

r_p .ΔΝ + φ— ΛΝ . dt -L (1).

Vie oben erläutert, wird der Stromsteller 22 aufgrund des Betriebs des Drehmomentreglers so gesteuert, daß die Differenz zwischen dem Ausgangssignal T_ des PI-Verstärkers 34 und dem Ausgangssignal Tdes Stromfühlers 30 gleich Null werden kann· Somit gilt:

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Weiter gilt:

AN a N_p-N (3).

Aus den Gleichungen (1), (2) und (3) folgt:

(Np - N). dti

- I N

dt - I N . dt J^t₁ und

- N) ₊ ^ (S_p - S)^T (4)

ΓΟΟ

^{mit S}P ^J o ^Np * ^dt

und S =I _o N · dt (6)

Im Zusammenhang mit den Gleichungen (5) und (6) ist zu beachten, daß S einen Führungs- oder Sollwert für die von der Last durchzuführende Bevegungs- oder Verschiebestrecke und S den Istwert dieser Bewegungsstrecke der Last darstellen. Ferner ist zu beachten, daß das Ausgangssignal T des Stromfühlers 30 dem Motor zugeführte elektrische Eingangsenergie» ausgedrückt als Drehmoment, darstellt, und daß zwischen dem sog. elektrischen Eingangsdrehmoment T und einem Ist-Ausgangsdrehmoment *t_e des Motors die folgende Beziehung besteht:

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Wie aus der Gleichung (4) ersichtlich ist, ist das dem Motor zugeführte Eingangsdrehmoment T eine durch die Geschwindigkeitsabveichung (N - N) und die Verschiebeabweichung (S - S) bestimmte Funktion. Wenn die Last 10 infolge eines Führungsgeschvindigkeitssignals in eine Gleichgewichtslage bewegt vorden ist, wird die Abveichung zwischen N und N durch den PI-Verstärker 34 aufgrund des ihm eigenen Betriebs zu Null.

Es sei angenommen, daß die Last in ortsfestem Zustand auf einer vorgegebenen Höhe hängt, die nach ihrem Verschieben erreicht wurde. In diesem Zustand ist das Ausgangssignal des Führungsgeschwindigkeits-Einstellers Null. Das Ausgangssignal N vom Geschwindigkeitsfühler 28 ist ebenfalls Null, da der Motor 18 im Gleichgewicht mit der Last 10 ausgeschaltet ist. Angenommen, im Motor tritt im Stillstand kein mechanischer Verlust auf, so istT « T₂.

Aus der Gleichung (4) folgt:

S_p - S * T₁-T = T₁ -T_e (8).

Selbst wenn kein FUhrungsgeschwindigkeitssignal erzeugt wird oder N » 0, wird in diesem Zustand die Last 10 in einer vorgegebenen Lage gehalten. Dieser Zustand wird als Servo-Gleichgewichtszustand bezeichnet.

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In diesem Servo-Gleichgevichtszustand kann veder vom Führungsgeschvindigkeits-Einsteller 38 noch vom Geschvindigkeitsfühler 28 ein Ausgangssignal erzeugt verden, so daß der PI-Verstärker 34 kein Eingangssignal erhält. Selbst venn der Schalter SW₁ geöffnet vird, ergibt sich im Ausgangssignal des PI-Verstärkers 34 keine Änderung, und zvar aufgrund der Eigenhaltefunktion des Integrationsglieds· Selbst venn durch den Betrieb der Anordnung eine äußerst kleine Kraft auf die Last ausgeübt vird, ist die Last unter diesen Bedingungen theoretisch frei absenk- oder anhebbar, so als ob auf sie keine Schverkraft einwirken vürde. Dieser Zustand vird als schverefreier Gleichgevichtszustand bezeichnet.

Bei der vorstehenden Erläuterung vurde die Reibung vernachlässigt. Tatsächlich ist der Reibungsverlust jedoch nicht vernachlässigbar und nimmt beachtliche Werte an. Es vurde experimentell ermittelt, daß im schverefreien Gleichgevichtszustand in einer in Fig. 2 gezeigten Weise Reibung erzeugt vird, wobei T v_Q eine Kraft ist, ausgedrückt durch das zum Bevegen der Lastaufhängung erforderliche Drehmoment in dem Zustand, in dem an der Aufhängung keine Last hängt, d. h. bei unbelasteter Aufhängung« Tv. und ·-ν« sind Kräfte, die bei an der Aufhängung hängenden Lasten erforderlich sind.

Aus den Versuchsergebnissen nach Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Reibungsdrehmoment (die Reibungskraft) konstant vird, venn die Geschwindigkeit, mit der die Last bewegt wird, einen Sollwert übersteigt. Das Reibungsdrehmoraent ändert sich dann in Abhängigkeit von Änderungen des Lastdrehmoments oder des Lastgewichts (Fig. 3). Für diese Beziehung gilt: .

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T f_v = Vorzeichen (N) . (T_£o + u ' ^_v) (9)

mit Vorzeichen (N) » durch die Bevegungsrichtung der Last

oder die Drehrichtung des Motors bestimmte Größe, erzeugt durch die Bevegung der Last unter Einvirkung äußerer Kräfte.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß das Reibungsdrehmoment i-^y abnimmt, venn sich die Drehzahl N Null nähert. Das Drehmoment T _P vird jedoch niemals zu Null.

Wenn infolgedessen vom Servo-Gleichgevichtsbetrieb zum schverefreien Gleichgevichtsbetrieb im ortsfesten Zustand umgeschaltet vird, der nach dem Heben der Last erreicht vurde, muß die Ausgangsleistung des Motors 18 um etva T^ größer als das Gevicht der Last 10 sein. Wenn umgekehrt die Umschaltung vom schverefreien Gleichgewichtszustand in den nach dem Senken der Last erreichten ortsfesten Zustand erfolgt, ist die Ausgangsleistung des Motors 18 um etva Tf_w niedriger als das Gevicht der Last 10. Es ist sehr vichtig, daß der Motor das Drehmoment erzeugt, das dem Gevicht der Last einschließlich des Gevichts der Aufhängung entspricht. Zu diesem Zveck ist der Simulator für die Reibung T«_v vorgesehen.

Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 1 vird die Beziehung ζvischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal der Additionsstelle 26 betrachtet. Beim Servo-Gleichgevichtsbetrieb gilt:

AT= L_{p +} T_fc - T (ίο)

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mit I_£c = vom simulator 32 erzeugtes Reibungsdrehmoment. Im Gleichgewichtszustand ist das Eingangsdrehmoment T zum Motor gleich der Summe des Gewichts der Last "Γ (einschließ lich des Gewichts der- Aufhängung) und der Reibungskraft X

Wenn die Last angehoben wird, gilt:

^Tfc

Im Gleichgewichtszustand ist AlTungefähr gleich Null. Daher gilt: -

Wenn "Cp_c = T^._w> so ist T = L . Das bedeutet, daß dann, wenn der Simulator 32 für die Reibung das Ausgangssignal Tp₀ erzeugt, das gleich dem Reibungsdrehmoment ^p_v ist, das Ausgangssignal X des PI-Verstärkers das resultierende Gewicht der Last darstellt. Das heißt, der Pl-Verstärker 34 kann durch öffnen des Schalters SW₁ in diesem Zustand immer eine das GewichtX_v darstellende Größe erzeugen.

Wenn die Last 10 durch die Bedienungsperson zu verschieben oder zu bewegen ist, erfaßt der Geschwindigkeitsfühler 28 die Verschieberichtung und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal N, das seinerseits dem Simulator 32 für die Reibung zugeführt wird. So bestimmt der Simulator 32 einen Reibungsausgleichswert in Abhängigkeit vom Gewicht der Last 10 aus dem zugeführten Ausgangssignal X des PI-Verstärkers und bestimmt zusätzlich die Polarität des Ausgleichswertes aus dem Ausgangssignal N des Geschwindigkeitsfühlers 28.

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Gemäß dem erläuterten Verfahren ist im schwerefreim Gleichgewichtszustand ein zufriedenstellender Reibungsausgleich erzielbar. Es ist jedoch zu beachten, daß ein vollständiger Reibungsausgleich gefährlich wäre, da die Last mit geringer Kraft leicht stärker bevegt werden kann. Um einen solchen unervünschten Vorgang zu vermeiden, werden gleichzeitig mit dem öffnen des Schalters SW₁ die Schalter SW₃ und SW₄ geschlossen und der Schalter SW₂ geöffnet, wodurch das Ausgangssignal des Simulators für die Reibung durch den Koeffizienten-Multiplizierer 42 verringerbar ist. Selbst wenn in diesem Fall die Bedienungsperson ungewollt eine hohe Kraft auf die Last ausübt, ergibt sich nicht die Gefahr, daß sich die Last unter dem Einfluß der Schwerkraft weiter, bewegt,- da die Reibung aufgrund des Betriebs des Koeffizienten-Multiplizierers nicht vollständig ausgeglichen ist. Aus Sicherheitsgründen wird es ferner vorgezogen, den Reibungsausgleich auf einen relativ kleinen Wert zu beschränken, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Last stark erhöht wird. Zu diesem Zweck werden aus dem Ausgangssignal des Geschwindigkeitsfühlers 28 Signale abgeleitet, die die Größe und die Richtung der Geschwindigkeit, mit der die Last bewegt wird, darstellen, und diese werden der Additionsstelle 26 über den Koeffizienten-Multiplizierer zugeführt, so daß der Reibungsausgleich bis zu einem erwünschten Grad gelöscht werden kann.

Fig. 4 ist das Schaltbild eines praktisch gebauten Hauptteils der in Fig. 1 gezeigten Anordnung. Die übrigen Schaltungsteile sind bereits bekannt (vgl. DT-OS 2 262 800).

In Fig. 4 hat der Drehmoment-Simulator 32 Operationsverstärker A₁, A₂ und A₃. Der Pl-Verstärker 34 besteht aus einem Operationsverstärker A₄, während der Verstärker 24

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sowie die Additionsstelle 26 aus einer Stufe 60 mit einem Operationsverstärker A. bestehen. Ferner sind Widerstände R-R₇ und Kondensatoren C. -C„ vorgesehen.

Unter der Annahme R₅ <^ R₄ gilt für das Ausgangssignal des Verstärkers A„:

E_c α Vorzeichen (N) · J ^ . |_N| + ( 1 + ^) E_f + ^ -TV (13)

mit En = Vorwärtsspannungsabfall von Dioden D₁ oder D₂, |nI = Min «- · N: gesättigte Ausgangsspannung von A₁I (14).

15 ¹J

Wenn E_c äquivalent zur Ausgangsspannung des Verstärkers A₄ umgewandelt und durch T_fc dargestellt wird, dann gilt:

* E, (15),

wenn SW₂ geschlossen ist.

Konstanten der Schaltung nach Fig. 4 sind so bestimmbar, daß die Gleichung (IS) die Gleichung (9) erfüllt.

Der Betrieb der Schaltung nach Fig. 4 vird unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Kennlinien von Fig. 5 erläutert.

Eingänge 50, 52 bzw. 54 sind mit Ausgängen des Führungsgeschvindigkeits-Einstellers 38 bzv. des Geschvindigkeitsfühlers 28 bzw. des Stromfühlers 30 (Fig. 1) verbunden.

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Bin Ausgang 56 ist mit dem Eingang des Stromstellers 22 (Fig. 1) verbunden.

Die einen Operationsverstärker A₂, Widerstände R₃-Rg Dioden D, und D„ aufveisende Schaltung ist ein üblicher Begrenzer. Das Ausgangssignal E dieses Begrenzers hat die in Fig. 5 gezeigten Kennlinien. Entsprechend der über den Widerstand R₆ angelegten Spannung ändern sich die Beträge der Spannungen an den Punkten (S₁ und ß₂ der Kennlinie, vie die Strichlinien zeigen. Es ist zu beachten, daß zwischen dieser Kennlinie und der im Zusammenhang mit Fig. 2 erläuterten Reibungskennlinie eine große Ähnlichkeit vorhanden ist. Es ist somit möglich, das Ausgangssignal des Begrenzers das Reibungsdrehmoment dadurch simulieren zu lassen, daß das AusgangssignalT_p des PI-Verstärkers über den Widerstand Rg zugeführt vird. Das Reibungsausgleichssignal vom Simulator 32 muß in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung der Last und somit vom Ausgangssignal des Fühlers 28 entweder positiv oder negativ sein. Daher muß der Begrenzer ein Ausgangssignal mit negativer oder positiver Polarität erzeugen können. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des PI-Verstärkers dem Widerstand R, unmittelbar und über den Operationsverstärker A₃ zur Polaritätsumkehr zugeführt. Der Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers A₃ ist durch entsprechende Wahl der Widerstandswerte von zwei Widerständen R₇ auf 1 eingestellt, so daß der Verstärker nur die Polarität des Eingangssignals umkehrt.

Der Operationsverstärker A, und die Widerstände R-, und R_p sind so gewählt, daß der Anstieg des Kennliniensegments in Fig. 5 zwischen den Punkten ^₁ und (X « sehr steil wird.

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Die Anstiege der Segmente zwischen den Punkten M und bzw. (X ₂ und ρ _ werden durch die Widerstandswerte der Widerstände R₃ und R₄ des Operationsverstärkers A₂ bestimmt

Es ist zu beachten, daß die Widerstände Rq bzw. R,. den Koeffizienten-Multiplizierern 42 bzw. 40 entsprechen.Ein Schalter SW_C schließt den Widerstand R_Q kurz und übt die Funktion der Schalter SW₂ und SW₄ aus.

Während des Betriebs im Servo-Gleichgewicht sind die Schalter SW, und SW₁- geschlossen, und der Schalter SW_g ist geöffnet. Nach dem Umschalten auf schwerefreien Betrieb sind die Schalter SW, und SW₅ geöffnet, während der Schalter SW- geschlossen ist. Dieses Umschalten wird durch die Bedienungsperson von Hand ausgeführt.

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist erfindungsgeraäß ein dem Gewicht der Last entsprechendes Drehmoment T im PI-Verstärker 34 während des schwerefreien w

Betriebs speicherbar. Wenn eine Last durch unmittelbares Beaufschlagen mit Kraft bewegt wird, wird die Bewegung der Last vom Geschwindigkeitsfühler 28 erfaßt, und aufgrund des Ausgangssignals des Fühlers 28 wird ein Reibungsausgleichs-Ausgangssignal ^f_c vom Simulator 32 für die Reibung erzeugt, so daß die Bedienungsperson eine schwere Last mit sehr geringem Kraftaufwand leicht bewegen kann. Ferner ist die Last mit im wesentlichen der gleichen Kraft heb- oder senkbar, wodurch sich eine Verbesserung in bezug auf Arbeitsleistung und Sicherheit ergibt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann im schwerefreien Betrieb der Ausgleichswert für das Reibungsdrehmoment durch den Koeffizienten-Multiplizderer 40 um ca. 60-90 % ver-

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ringert werden, wodurch ein schnelles Anhalten der Last gewährleistet ist, wenn die ausgeübte Kraft entfällt, wodurch wiederum die Genauigkeit der Haltelage vergrößert wird. Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhaft dann anwendbar, wenn eine hohe Genauigkeit verlangt wird, z. B. bei einem Formenschlußvorgang.

Durch Vermindern des Führungsdrehmomentwertes mit Hilfe des Koeffizienten-Multiplizierers 40 proportional zu der Geschwindigkeit während des schwerefreien Betriebs wird ein Bewegen der Last mit sehr hoher Geschwindigkeit vermieden, wodurch wiederum die Sicherheit erhöht wird.

Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde eine Kraftkomponente zum Beschleunigen der Last nicht in Betracht gezogen. Die vorstehend erläuterte Anordnung arbeitet zufriedenstellend, wenn die Last nur sehr langsam bewegt wird. Im Fall des Servo-Betriebs, bei dem die Last durch manuelle Handhabung des Geschwindigkeitsstellers gesenkt oder gehoben wird, ist jedoch die Bewegungsgeschwindigkeit der Last normalerweise ziemlich hoch. Infolgedessen muß der Antriebsmotor zusätzlich zu der Kraft zur Überwindung des Lastgewichts und der Reibungskraft auch eine Kraft zum Beschleunigen der Last erzeugen. Das heißt, das Ausgangsdrehmoment des Motors, das, wie erläutert, gleich dem Eingangsdrehmoment ist, verläuft nicht gemäß den Strichlinienkurven X _v + T_fv von Fig. 6. Es sei angenommen, daß die Last aufwärts bewegt wird; dann beginnt die Drehmomentkurve beim Ausgangswert T _pl und folgt einem Weg, der weit über dem der Strichlinie X_v + Tp_v liegt. Wie weit diese Kurve über die Vollinien-Drehmoment-

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kurve hinausgeht, hängt von der Beschleunigung der aufvärts bewegten Last ab. Beim Betrieb mit einer Festgeschwindigkeit fällt der Verlauf des Ausgangsdrehmoments des Motors natürlich mit der Strichlinie L + L zusammen. Beim Betrieb mit Verzögerung trennt sich jedoch die Drehmomentkurve des Motors wiederum von der Kurve T + tp_v· Schließlich wird eine als Vollinie gezeigte geschlossene Schleife erzeugt. Die Form der Schleife ändert sich innerhalb eines weiten Bereichs als eine Funktion der Beschleunigung und Verzögerung, die auf die zu bewegende Last ausgeübt wird. Der Einfluß eines solchen Beschleunigungs- oder Verzögerungs-Drehmoments kann aus dem Simulator 32 für die Reibung nicht entfernt werden. Dementsprechend unterscheidet sich das Ausgangssignal des PI-Verstärkers 34 von dem dem Lastgewicht entsprechenden Drehmoment T (das im folgenden als reines Lastdrehmoment bezeichnet wird) und ändert sich gemäß Fig. 6. Eine ähnliche Änderung erfolgt bei der Abwärtsbewegung aus dem gleichen Grund, obwohl dies in der Figur nicht gezeigt ist. Wenn die Geschwindigkeit auf Null rückgestellt wird, tritt keine Koinzidenz des Ausgangssignals T des Pl-Verstärkers 34 mit dem reinen Lastdrehmoment T_v ein, sondern dieses Ausgangssignal weicht davon ab, wie durch einen Punkt <£ angedeutet ist, dessen Lage sich in Abhängigkeit von der Beschleunigung oder Verzögerung ändert.

Zusammenfassend kann die Ausgangsleistung X des Motors mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

τ = τ_ν + L_{fv +}T_a

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mit X - Beschleunigungs- oder Verzögerungs-Drehmoment. Durch das Vorhandensein des Simulators 32 für die Reibung gilt für das Ausgangssignal TT des PI-Verstärkers 34:

Wenn die Integrationsverte der Beschleunigung und Verzöge- ^ „ , gleich i-_v, venn die Last angehalten vird. Normalerweise ist jedoch der Integrationsvert der Beschleunigung von demjenigen der Verzögerung verschieden. Infolgedessen koinzidiert das Ausgangssignal T des PI-Verstärkers 34 nicht mit dem reinen Lastdrehmoment ΊΓ , venn die Last angehalten vird. Um den Einfluß einer solchen Ausvirkung so veit vie möglich zu unterdrücken, sind im PI-Verstärker mehr als zvei verschiedene Konstanten vorgesehen, deren eine einen sehr hohen Wert hat. Das heißt, venn die von einem Widerstand R₁₂ und einem Kondensator C, des PI-Verstärkers 34 nach Fig. 4 erzeugte Zeitkonstante mit einem hohen Wert gevählt vird, nähert sich das Ausgangssignal ν des PI-Verstärkers 34 dem reinen Lastdrehmoment X . Das heißt, der Punkt ^r liegt etva auf der X -Kurve. Die Wahl eines hohen Wertes für die Zeitkonstante bevirkt jedoch ihrerseits eine beträchtliche Verschlechterung in bezug auf die Ansprechzeit der Anordnung. Aus diesem Grund sind vorzugsweise zvei Zeitkonstantenglieder vorgesehen. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine solche Schaltung. Die Schaltung nach Fig. 7 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 4 dadurch, daß sie Kondensatoren C₅-Co und einen Widerstand R₃₀ aufveist. Im übrigen entspricht sie den Schaltungen nach Fig. 1 und 4. Gemäß Fig. 4 und bilden*die Operationsverstärker A₁-Ag, die Widerstände R₁-R₉I

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die Kondensatoren C₇ und Cg und die Dioden D, und D₂ den Simulator 32 für die Reibung (vgl. Fig. 1). Der Kondensator Cg bestimmt eine Verzögerungszeitkonstante des Simulators 32. Die in den Rückkopplungsweg des Operationsverstärkers Α« eingeschalteten Dioden D, und D. dienen dazu, dem Simulator 32 für die Reibung eine Sättigungskennlinie zu geben, deren Wert dem Ausgangssignal t_ des PI-Verstärkers 34 proportional ist. Ein Vergleich des Geschvindigkextssignals erfolgt durch die Verbindung der Widerstände R,_Q und R₁₁. Der PI-Verstärker 34 besteht aus einem Operationsverstärker A₄, Widerständen R₃₂ und R₂₀ und Kondensatoren C₅, C₁ und Cg. Die im folgenden erläuterten Zeitkonstanten T₁ und T₂ werden durch C₁, G₅, R₁₂ und R₂₀ bestimmt, da T₁ = ^ci'^Ri2 und T₂ = Cc ·Κ₂ο* ^{Der Kon<}*ensator ^g verhindert mögliche Schwingungen.

Das Ausgangssignal T_ des Pl-Verstärkers 34 wird über einen Widerstand R₁₃ zusammen mit den über Widerstände R« bzw. R₁₅. zugeführten Signalen T^ und Teinem Drehmomentregelverstärker 60 zugeführt, der durch einen Operationsverstärker Ac» einen Widerstand R.g und einen Kondensator C₂ gebildet ist.

Bei einer solchen Anordnung ist im Servo-Gleichgewichtsbetrieb das einem mechanischen Verlust entsprechende Drehmoment *£"p_w voll durch den Simulator 32 ausgleichbar, und das stabile Ausgangssignal T₀ des Pl-Verstärkers 34 kann zur Koinzidenz mit dem reinen Lastdrehmoment T"_v gebracht werden. Wie aus der Erläuterung im Zusammenhang mit Fig. 1 ersichtlich ist, gleicht der Simulator 32 das einem mechanischen Verlust entsprechende Drehmoment ~t£_V im schwerefreien Gleichgewichtsbetrieb aus, so daß die Bedienungsperson die Last mit geringer äußerer Kraft handhaben kann.

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Es vird jetzt die Betriebsweise erläutert, bei der das Ausgangssignal T des PI-Verstärkers zum Zeitpunkt des Anhaltens der Last zur Koinzidenz mit dem reinen Lastdrehmoment T_v bringbar ist, und zvar selbst in Anwesenheit eines Beschleunigungs- und Verzögerungsdrehmoments T im Servo-Gleichgewichtsbetrieb. Ein Paar RC-Reihenglieder für die proportionale Integration ist in den Rückkopplungsstrecken des den PI-Verstärker 34 bildenden Operationsverstärkeis A. angeordnet. Eines der Reihenglieder besteht aus einem Kondensator C, und einem Widerstand R₁₂ und das andere aus dem Kondensator C₅ und dem Widerstand R₂₀.

Die Zeitkonstanten T₁ = C₁^R₁₂ ^un<* ^T2 ^{= C}5^#R2O ^{sind so} 9^e~ wählt, daß sie voneinander verschieden, z. B. ^Ti<^T2» si^ndi wobei die Werte des Kondensators C₁ und des Widerstands R₁₂ für T₁ so gewählt sind, daß eine konstante Regelung, d. h. eine geeignete Ansprechzeit, gesichert ist. Andererseits ist die Zeitkonstante C₅'R₂₀ ^^es anderen Glieds so gewählt, daß sie einen zulässigen Höchstwert hat. Fig. 8 zeigt das Verhalten des Ausgangssignals T des PI-Verstärkers 34, die Spannung T_Da des Kondensators C₁ und die Spannung T des anderen Kondensators Cc bei Ansprechen auf das zugeführte Führungsgeschwindigkeitssignal N im Servo-Gleichgevichtsbetrieb. Bei Zuführung des Führungsgeschwindigkeitssignals N enthält das Ausgangssignal T des PI-Verstärkers 34 eine Führungsdrehmomentsignalkomponente, die dem Beschleunigungsdrehmoment TT entspricht. Die Kondensator-

spannung TL _ des Rückkopplungsglieds mit kleiner Zeitkonstante T. wird geändert. Die Spannung L des Kondensators Ce ändert sich jedoch nur geringfügig und bleibt im wesentlichen unverändert auf dem Wert ^_pol» auf dem sie vor Betriebsbeginn lag, da die Aufladung während des Beschleunigungsintervalls aufgrund des hohen Wertes der Zeitkonstante sehr gering ist. Bei Zuführung des Verzöge-

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rungs-Führungsgeschwindigkeitssignals ergibt sich die gleiche Situation. Die Spannung X" des Kondensators Cc hält einen Vert T^n₀O' ^^er -"-^m wesentlichen gleich dem Wert T ■, vor Beginn des Betriebs ist. Ferner wird die Spannung L_pa des Kondensators C, aufgrund der Wirkung des Kondensators Cc auf dem Wert T_po2 stabilisiert. Wenn die vom PI-Verstärker 34 vor dem Betrieb gehaltene Spannunggleich aem reinen Lastdrehmoment T ist, bleibt letzteres selbst nach dem Betrieb erhalten.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 nicht nur der mechanische Verlust, der die Erhöhung der äußeren Kraft für die Handhabung im schwerefreien Gleichgewichtsbetrieb bedingt, voll ausgleichbar ist, sondern daß auch die Drehmomentabveichung, die möglicherveise bei Beendigung des Servo-Gleichgewichtsbetriebs auftritt, zu beseitigen ist, wodurch sich eine, größere Stabilität und eine verbesserte Regelung des schverefreien Betriebs ergeben.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sorgt der Kondensator Cg für eine Verzögerung des Betriebs des Simulators 32 für die Reibung. Gemäß Fig. 9 hat das Ausgangssignal "^*p_c des Simulators 32 eine Sättigungskennlinie, die in Fig. 9 als Strichlinie dargestellt ist. Das Ausgangssignal Tp_ des Simulators 32 für die Reibung, das mit Hilfe irgendeines Verzögerungsglieds einer Verzögerung unterworfen wird, ist kleiner als das unverzögerte Ausgangssignal Tp_c während des Zeitintervalls, in dem die Geschwindigkeit N vom Ausgangswert Null auf N, ansteigt, und infolgedessen bleibt das Ausgleichssignal "Cp₀ ¹ zum Ausgleich des mechanischen Verlustes ~Cp_v unzureichend, weshalb das Ausgangssignal T des PI-Verstärkers vom reinen Lastdrehmoment T abweicht, wie durch die Strichlinie angedeutet ist. Wenn die Ge-

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schvindigkeit N höher als N, wird, wird der mechanische Verlust Tj, hinreichend ausgeglichen, und infolgedessen wird das Ausgangssignal T des Pl-Verstärkers 34 gleich dem reinen Lastdrehmoment T_v· Zum Zeitpunkt der Verzögerung bleibt die oben erläuterte Beziehung aufgrund des Verzögerungsglieds erhalten, bis die Geschwindigkeit N Null ist. Infolgedessen wird das Ausgangssignal T_ des PI-Verstärkers 34 auf dem Wert des reinen Lastdrehmoments T

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gehalten, bis die Anordnung abgeschaltet wird. Wenn der Schalter SW, zum Umschalten in den schwerefreien Gleichgewichtsbetrieb geöffnet wird, sind die beiden oben genannten Bedingungen erfüllt, so daß ein schwerefreier Gleichgewichtsbetrieb möglich ist.

Es ist zu beachten, daß die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds größer als ein vorgegebener Wert sein muß. Ein sehr hoher Wert dieser Zeitkonstante bewirkt jedoch Schwierigkeiten bei der Handhabung der Last durch die äußere Kraft im schwerefreien Betrieb. Das heißt, die Last bewegt sich aufgrund der durch den Betrieb der Anordnung ausgeübten Kraft anfänglich nicht, bis ein bestimmtes Zeitintervall abgelaufen ist. Fig. 10 ist ein Blockschaltbild eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der dieser Nachteil beseitigt ist; Teile der Schaltung, die Schaltungsteilen von Fig. 1 und 4 entsprechen, wurden weggelassen.

Es ist zu beachten, daß die Schaltung nach Fig. 10 zwei Verzögerungsglieder 70 und 72 aufweist. Ein mit dem Schalter SW, gekoppelter Schalter SW₇ ist am Ausgang des Simulators 32 vorgesehen, um das Ausgangssignal ~£ £_C des Simulators 32 mit dem Verzögerungsglied 72 im Servo-Gleichgewichts-

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betrieb zu koppeln, während das Ausgangssignal Tp im schwerefreien Gleichgewichtsbetrieb mit dem Verzögerungsglied 70 gekoppelt wird. Die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds 70 hat einen kleineren Wert als die des Verzögerungsglieds 72. Mit dieser Schaltung ist die Verzögerung beim Ansprechen der Anordnung auf eine äußere Handhabungskraft minimierbar, während der zum Zeitpunkt der Geschwindigkeit Null erreichte Wert von T im Servo-Gleichgewichtsbetrieb konstantgehalten wird. Selbstverständlich ist die Schaltung von Fig. 7 ebenfalls in befriedigender Weise verwendbar, wenn die Zeitkonstante des Verzögerungselements 72 im wesentlichen kein Hindernis darstellt.

Fig. 11 zeigt ähnlich Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Servo-Gleichgewichtsbetrieb sind die beiden Schalter SW, und SW„ geschlossen. Die Zeitkonstante des Verstärkers A, ist durch einen Kondensator Cq und einen Widerstand R„ bestimmt. Beim Umschalten in den schwerefreien Gleichgewichtsbetrieb wird der Schalter SW, zusammen mit einem Schalter SWq geöffnet. Dann wird der Kondensator C_q mit dem Kondensator C,q reihengeschaltet, so daß die sich ergebende Kapazität verringert wird. Infolgedessen wird die Zeitkonstante des Verstärkers A₁ entsprechend kleiner, und die Ansprechgeschwindigkeit wird erhöht.

Bei den vorstehend erläuterten Schaltungen vird das Ausgangssignal des PI-Verstärkers 34 dem Simulator 32 für die Reibung zugeführt. Die Ladespannung des in den Rückkopplungsweg des Pl-Verstärkers 34 geschalteten Kondensators C, oder C₅ kann jedoch alternativ dem Simulator 32 für die Reibung zugeführt werden, da die Ladespannung das reine Lastdreh-

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moment (Lastgewicht) darstellt. Die Figuren 12 und 13 zeigen Ausführungsbeispiele solcher Schaltungen. Es ist zu beachten, daß der Eingangswiderstand durch Verwendung eines Operationsverstärkers A_ß so erhöht vird, daß die Kondensatoren C, oder C₅ vor möglichen ungünstigen Einflüssen geschützt sind. Diese Schaltungsart ist normalerweise als Spannungsfolge bekannt.

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Claims

Patentansprüche

\ 1. &eibungsausgleicher für Lastbewegungsmaschinen, mit einer Aufhängung für die Last, einem Motor zum Erzeugen einer Kraft zum Aufhängen der Last, einem Führungsgeschwindigkeits-Einsteller für eine Führungsgeschwindigkeit, mit der die Last zu bewegen ist, einem Motordrehzahl-Geschwindigkeitsfühler, einem Steller für den dem Motor zugeführten Strom, einem Fühler für die Ausgangsleistung des Motors, einem ersten Summierglied zum Bestimmen der Differenz zwischen dem Ausgangssignal des FUhrungsgeschwindigkeits-Einstellers und dem Ausgangssignal des Motordrehzahl-Geschwindigkeitsfühlers, einer ersten Schalteinheit, einem Integrations-Verstärker zum Empfang des Ausgangssignals des ersten Summierglieds über die erste Schalteinheit, und einem Vergleicher zum Vergleich des Ausgangssignals des Integrationsverstärkers mit dem Ausgangssignal des Motordrehzahl-Geschwindig-^v keitsfühlers zum Erzeugen eines Ausgangssignals, aufgrund dessen der Steller den Motorstrom einstellt, gekennzeichnet durch einen ein das Gewicht der Last darstellendes Signal und ein die Bewegung der Last darstellendes Signal empfangenden Simulator (32) zum Erzeugen eines die Reibung der Lastbewegungsmaschine simulierenden Ausgangssignals, das Eingangssignal des Vergleichers (26, 24) ist.
2. Reibungsausgleicher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Glieder (C_Q, 70, 72, C₉, C₁₀) zum Verzögern der Ansprechzeit des Reibungssimulators (32).

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3. Reibungsausgleicher anch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Simulator (32) für die Reibung wenigstens zwei verschiedene Ansprechzeit-Verzögerungsglieder aufweist, deren eines eine größere Verzögerungszeitkonstante als das andere hat, und daß eine zweite Schalteinheit (SW₇, SWg) synchron mit dem ersten Schalter (SW₁) so einschaltbar ist, daß die Verzögerung des Reibungssimulators (32) erhöht wird, wenn der erste Schalter geschlossen ist, während die Verzögerung verringert wird, wenn der erste Schalter (SW₁) geöffnet ist.
4. Reibungsausgleicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrations-Verstärker einen Operationsverstärker (A₄), ein erstes Zeitkonstantenglied aus einem ersten Kondensator (C₁) und einem ersten Widerstand (R₁2) ^m^^t einer ersten Zeitkonstante und ein zweites Zeitkonstantenglied aus einem zweiten Kondensator (Cc) und einem zweiten Widerstand (Rpn) ^m^^t einer zweiten Zeitkonstante aufweist.
5. Reibungsausgleicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibungssimulator (32) einen Begrenzer (A₂) aufweist, dessen Begrenzungsspannung durch das Signal des Integrations-Verstärkers bestimmt ist.
6. Reibungsausgleicher nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch einen Vorzeichenumkehrer (A₃) für das Signal (T) des. Integrations-Verstärkers, das dem Begrenzer einerseits unmittelbar und andererseits über den Vorzeichenumkehrer (A₃) zugeführt wird.

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