DE4031458C2 - Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung - Google Patents

Description

Diese Erfindung betrifft eine Verschiebungsmessungs- und -steuervor­ richtung.

Ein herkömmliches Verschiebungsmessungs- und Fernsteuergerät überträgt normalerweise seine Bewegung durch die Berührung zweier Antriebs­ elemente mit Zwischengetriebe oder Gewinde, zwischen denen oft ein irreparables und unregelmäßiges Spiel aufgrund eines Verschleißes auftritt. Dieses Spiel bedingt eine ungenaue Messung und Steuerung.

Aus der DE 26 31 705 A1 ist eine Steuervorrichtung für ein linear verschiebbares Element bekannt, bei der das zu verschiebende Element durch eine hydraulische Antriebseinheit bewegbar ist, die ein Hydraulik­ servoventil aufweist, welches einen durch eine Feder vorgespannten Steuerschieber hat, mit dessen Bewegung die Antriebseinheit betätigt wird. Die Betätigung der Steuervorrichtung erfolgt über dem Verschleiß unterliegende Teile.

In der Zeitschrift "Industrie-Anzeiger" 42/1987, Seiten 8-10, ist in Bild 5 auf Seite 9 ein Positionierungssystem beschrieben, bei dem die Bewegung eines kolbenstangenlosen Zylinders über ein mehrfach umgelenktes Stahlband oder über einen Seiltrieb nach außen geleitet wird. Der Zylinder spielt dabei die Rolle eines pneumatischen Aktuators, der dazu benutzt wird, eine durch Druckluft ausgeübte Kraft in eine geradlinige Bewegung umzusetzen. In Fig. 6 ist das dazugehörende elektronische Servosystem dargestellt, durch welches die Bewegung der Antriebseinheit kontrolliert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung so auszubilden, daß die Bewegungen der Vor­ richtung möglichst verschleißfrei übertragen werden.

Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die Verwendung einer Antriebsscheibe mit einem darauf aufgewic­ kelten Riemen zum Bewegen des Steuerschiebers des Servoventils werden dem Verschleiß unterliegende Teile, z. B. Getriebe, Zahnräder u. dgl., vermieden, denn zwischen Antriebsscheibe und Riemen tritt ein Ver­ schleiß nicht auf. Die Antriebsscheibe dient als Antrieb und zugleich als Positionsmesser. Der Riemen kann selbstverständlich nur Zugkräfte aufnehmen. Trotzdem ist eine Bewegung des Steuerschiebers und damit des anzutreibenden Elements in beide Richtungen möglich. Erreicht wird das durch ein Zusammenwirken der über den Riemen auf den Steuer­ schieber ausgeübten Zugkraft mit der in entgegengesetzter Wirkung wirkenden Kraft der Feder 43, d. h., wenn die Antriebsscheibe in eine Richtung gedreht wird, in der der an sich gespannte Riemen entlastet wird, dann wird durch die Feder 43 der Steuerschieber bewegt.

Mit der Antriebsscheibe ist eine Azimuth-Kennungseinrichtung zum Anzeigen des Rotationswinkels der Antriebsscheibe verbunden. Der Rotationswinkel der Antriebsscheibe wird in eine Verschiebung des zu bewegenden Teils umgesetzt. Die Azimuth-Kennungseinrichtung kann ein anzeigendes Rad sein, das für eine mit der Antriebsscheibe synchrone Drehung koaxial an der Antriebsscheibe befestigt ist. Das anzeigende Rad hat eine Oberfläche, auf der winkelanzeigende Markierungen angeordnet sind. Eine Zieheinrichtung ist mit der Antriebsscheibe so verbunden, daß der Riemen angezogen wird. Die Antriebsscheibe weist einen rohrförmi­ gen Körper auf, und ein schraubenförmiges Element ist zum Bestimmen der schraubenförmigen Nut sicher an der äußeren Umfangsfläche des rohrförmigen Körpers befestigt. Um den Riemen in nahe Berührung mit der schraubenförmigen Nut der Antriebsscheibe zu bringen, hat die Antriebsscheibe eine Schulter, an der sich ein Begrenzungsarm erstreckt. Der Arm ist parallel zu der Achse des rohrförmigen Körpers und weit von der äußeren Umfangsfläche des rohrförmigen Körpers mit einer etwas geringeren Entfernung als die doppelte Dicke des Riemens beabstandet, um ein Überlappen des Riemens in der schraubenförmigen Nut zu verhindern. Die Antriebsscheibe kann auch einstückig ausgebildet sein.

Vorteilhafte weitere Ausführungsformen der im Anspruch 1 beschriebenen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anwendungsmöglichkeiten der vor­ liegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine Verschiebungs­ messungs- und -steuervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt;

Fig. 2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine modifizierte Form der Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine Verschiebungs­ messungs- und -steuervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel dieser Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist eine perspektivische Teilexplosionsansicht, die eine Ver­ schiebungsmessungs- und -steuervorrichtung gemäß einem dritten Aus­ führungsbeispiel dieser Erfindung zeigt;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines hydraulischen Servosystems, das die Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet;

Fig. 5A ist ein Blockdiagramm, das die Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellt; und

Fig. 6 bis 10 sind schematische Ansichten, die fünf Ausführungsbeispiele des in Fig. 5 gezeigten hydraulischen Servosystems darstellen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält eine Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung eine Antriebsscheibe A, einen flexiblen metallischen Riemen B und ein anzeigendes Rad C. Die Antriebsscheibe A enthält einen röhrenförmigen Körper A1. Die äußere Umfangsfläche des röhrenförmigen Körpers A1 hat einen schraubenförmigen Schlitz, in den ein schraubenförmiges hartes Element A3 zum Bestimmen einer schraubenförmigen Nut in der Antriebsscheibe A eingefügt ist. In der Antriebsscheibe A steht ein kleines Loch A2 mit der schraubenförmigen Nut in Verbindung und hält ein Ende des Riemens B darin fest, so daß der Riemen B sicher an der Antriebsscheibe A befestigt ist. Das andere Ende des Riemens B ist sicher an einem zu verschiebenden Element befestigt. Das zu verschiebende Element ist in dieser Figur nicht gezeigt. Ein Zwischenteil des Riemens B ist auf die äußere Umfangsfläche des röhrenförmigen Körpers A1 entlang der schraubenförmigen Nut gewickelt. Das anzeigende Rad C ist an der Antriebsscheibe A koaxial sicher befestigt und hat winkelanzeigende Markierungen C1, wie Vorsprünge, Vertiefungen, farbige Markierungen, geometrische Figuren oder magneti­ sche Markierungen zum Anzeigen des Rotationswinkels der Antriebs­ scheibe A.

Um den Riemen B in nahe Berührung mit dem röhrenförmigen Körper A1 der Antriebsscheibe A zu bringen, hat der röhrenförmige Körper A1 unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine Schulter A5, von der sich ein Begrenzungsarm A6 erstreckt. Der Begrenzungsarm A6 ist parallel zu der Achse des röhrenförmigen Körpers A1 und von der äußeren Umfangsfläche des röhrenförmigen Körpers A1 mit einer etwas geringeren Entfernung als der doppelten Dicke des Riemens B beabstandet, um ein Überlappen des Riemens B in der schraubenförmigen Nut zu verhindern. Daher kann sich der Riemen B glatt entlang der schraubenförmigen Nut der Antriebs­ scheibe A erstrecken.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann eine einstückige Antriebsscheibe A′ sowohl den röhrenförmigen Körper A1 als auch das schraubenförmige Element A3 ersetzen.

Zusätzlich kann das anzeigende Rad C unter Bezugnahme auf Fig. 4 durch irgendeine andere geeignete Azimuth-Kennungseinrichtung R ersetzt werden, die auf die Welle A7 der Antriebsscheibe A geschoben ist. Beispielsweise kann die Azimuth-Kennungseinrichtung R ein Codierer sein, eine gyro-optische Maßtabelle, ein Zähler oder ein elektrischer Grenz­ schalter.

Weil der Rotationswinkel der Antriebsscheibe A proportional zu der Bewegung des zu verschiebenden Elements ist, das sich in einer Richtung bewegt, die parallel zu dem geraden Teil des Riemens B verläuft, kann der Rotationswinkel der Antriebsscheibe A durch die Azimuth-Kennungs­ einrichtung R so realisiert werden, daß er in die Verschiebung des zu verschiebenden Elements umgewandelt werden kann. Die Verschiebung wird also an der Antriebsscheibe gemessen.

Fig. 5 zeigt ein hydraulisches Servosystem, das mit der Verschiebungs­ messungs- und -steuervorrichtung 100 dieser Erfindung ausgestattet ist, das zwischen einem zu verschiebenden Element 200 und einer hydraulischen Antriebseinheit 300 angeordnet ist. Bei diesem System wird die Ver­ schiebungsmessungs- und -steuervorrichtung 100 durch einen Antrieb 400 betätigt, um die hydraulische Antriebseinheit 300 anzutreiben und das zu verschiebende Element 200 zu bewegen. Der Antrieb 400 kann ein Schrittmotor oder ein Servomotor sein. Die hydraulische Antriebseinheit 300 kann ein hydraulischer Zylinder, ein hydraulischer Motor oder eine hydraulische Drehsteuerturbine sein. Die hydraulische Antriebseinheit 300 und das zu verschiebende Element 200 werden durch die Verschiebungs­ messungs- und -steuervorrichtung 100 gesteuert.

Gemäß Fig. 6, die den Fernsteuerteil der Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung 100 darstellt, ist die hydraulische Antriebseinheit 300 ein Hydraulikzylinder 22. Der Körper des Hydraulikzylinders 22 ist in einem zu verschiebenden Element 200a angeordnet, das entlang der Führung 11 einer Basis 1 gleiten kann. Eine Kolbenstange 23 des Hydraulikzylinders 22 ist an einer Schulter 12 der Basis 1 befestigt. Der Körper des Hydraulikzylinders 22 hat zwei Kammern 24, 25. Ein Hydraulikservoventil 3 ist an der Seitenfläche des zu verschiebenden Elements 200a angebracht und enthält einen Steuerschieber 31, der darin beweglich montiert ist. Zwei Öffnungen 32, 33 sind in dem Hydraulikser­ voventil 3 ausgebildet und stehen mit den Kammern 24, 25 durch sich kreuzende Durchgänge 34, 35 in Verbindung. Eine Spannungseinstell­ einrichtung 4 enthält ein außen mit einem Gewinde versehenes Glied 41, das sicher an einem Ende des Hydraulikservoventils 3 befestigt ist, und einen mit einem inneren Gewinde versehenen Aufsatz 42, der über das Gewinde mit dem mit einem äußeren Gewinde versehenen Glied 41 in Eingriff steht. Der Steuerschieber 31 wird durch das mit einem äußeren Gewinde versehene Glied 41 und den mit einem inneren Gewinde versehenen Aufsatz 42 durchgeführt und hat einen durchmesserreduzierten Endteil, auf den eine Feder 43 geschoben ist. Die Spannkraft der Feder 43 kann durch eine relative Drehung zwischen dem mit einem äußeren Gewinde versehenen Glied 41 und dem mit einem inneren Gewinde versehenen Aufsatz 42 eingestellt werden. Die Welle A7 der Antriebs­ scheibe A ist drehbar an der Seitenfläche 13 der Basis 1 montiert. Das Ende des Riemens B ist an dem äußeren Ende des Steuerschiebers 31 befestigt. Die Feder 43 spannt den Steuerschieber 31 weg von der Antriebsscheibe A so vor, daß der Riemen B gespannt wird. Die Welle A7 der Antriebsscheibe A wird durch eine Quelle zum rotierenden Antreiben, wie einen Schrittmotor oder einen Servomotor, gedreht.

In Fig. 6 ist der Steuerschieber 31 in seiner zu dem Hydraulikservoventil 3 relativen Bezugsposition. Wenn die Antriebsscheibe A entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird, um den Steuerschieber 31 nach links zu bewegen, tritt hydraulisches Öl in die Kammer 24 des Hydraulikzylinders 22 durch den Durchgang 34 ein, so daß das zu verschiebende Element 200a auch nach links bewegt wird. Die Betriebsweise des Hydraulikservo­ ventils 3 ist nach dem Stand der Technik bekannt, so daß sich eine detailliertere Beschreibung erübrigt. Weil der Steuerschieber 31 synchron mit dem zu verschiebenden Element 200a bewegt wird, bewegt das Hydraulikservoventil 3 das zu verschiebende Element 200a kontinuierlich nach links, bis die Antriebsscheibe A angehalten wird und der Steuer­ schieber 31 zu seiner zu dem Hydraulikservoventil 3 relativen Bezugs­ position zurückkehrt. Wenn jedoch die Antriebsscheibe A im Uhrzeiger­ sinn gedreht wird, dehnt sich die Feder 43, um den Steuerschieber 31 nach rechts zu bewegen, und das Hydraulikservoventil 3 betätigt den Hydraulikzylinder 22, um das zu verschiebende Element 200a nach rechts zu bewegen. Weil die Bewegungsgeschwindigkeit des Riemens B etwas geringer als jene des Hydraulikservoventils 3 ist, ist der Riemen B immer gespannt, so daß das zu verschiebende Element 200a kontinuierlich nach rechts bewegt wird. Der Rotationswinkel der Antriebsscheibe A kann durch einen optischen Detektor 14 erfaßt werden.

In Fig. 7 ist eine zweite Anordnung der Verschiebungsmessungs- und -steuerungsvorrichtung 100 gezeigt. Wie dargestellt ist, ist ein Montier­ block 1b an einem Hydraulikzylinder 1a befestigt. Ein Hydraulikservoventil 3a und die Antriebsscheibe A sind auf dem Montierblock 1b angeordnet. Das zu verschiebende Element 1d ist an der Kolbenstange des Hydraulik­ zylinders 1a befestigt. Ein Zwischenrad 1e ist an dem zu verschiebenden Element 1d so befestigt, daß der von der Antriebsscheibe A kommende Riemen B darumherumgeführt ist und mit dem anderen Ende mit dem Steuerschieber des Hydraulikservoventils verbunden ist.

In Fig. 8 ist eine dritte Anordnung der Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung 100 gezeigt. Wie dargestellt ist, ist ein Hydraulikservo­ ventil 3b an einem zu verschiebenden Element 1d′ befestigt. Die Antriebsscheibe A ist an dem Montierblock 1b′ des Hydraulikzylinders 1a′ befestigt. Ein Antrieb 2a ist vorgesehen, um die Antriebsscheibe A anzutreiben. Ein Winkelanalysator 2b ist am Antrieb 2a zum Zwecke eines Erfassens des Rotationswinkels der Antriebsscheibe A befestigt.

In Fig. 9 ist eine vierte Anordnung der Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung 100 gezeigt. Wie dargestellt ist, ist ein zu verschieben­ des Element 5 drehbar auf einer Stütze 6 durch ein Gelenkelement D montiert. Ein Motors M, eine Geschwindigkeitsverringerungseinheit 7 und die Antriebsscheibe A sind an das zu verschiebende Element 5 ge­ schraubt. Die Welle ist mit dem Gelenkelement D ausgerichtet. Ein Hydraulikzylinder 8 ist an der Stütze 6 befestigt und mit dem zu verschiebenden Element 5 durch seine Kolbenstange verbunden. Ein Hydraulikservoventil 3c ist mit der Stütze 6 verbunden und mit dem Riemen B durch seinen Steuerschieber 31c verbunden. Wenn der Motor M betrieben wird und beginnt, die Antriebsscheibe A in eine Richtung zu drehen, betätigt das Hydraulikservoventil 3c den Hydraulikzylinder 8, um das zu verschiebende Element 5 in die entgegengesetzte Richtung zu verschwenken. Das zu verschiebende Element 5 wird so lange ver­ schwenkt, bis der Steuerschieber 31c zu seiner zu dem Hydraulikservoven­ til 3c relativen Bezugsposition zurückkehrt.

In Fig. 10 ist eine fünfte Anordnung der Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung 100 gezeigt. Wie dargestellt ist, sind die Antriebsscheibe A und das anzeigende Rad C an dem Montierblock 1b′′ eines Hydraulik­ zylinders 1a′′ befestigt. Ein Winkelanalysator 2b′ ist koaxial an der Welle der Antriebsscheibe A befestigt. Der Winkelanalysator 2b′ kann durch einen optischen Detektor 14 ersetzt werden, was durch gestrichelte Linien angezeigt ist. Das zu verschiebende Element 1d′′ ist mit der Kolbenstange des Hydraulikzylinders 1a′′ verbunden. Eine Verbindungsstange 1f ist an dem zu verschiebenden Element 1d′′ befestigt und hält das Ende des Riemens B fest. Eine Spanneinrichtung E ist an der Antriebsscheibe A vorgesehen, um die Antriebsscheibe A im Uhrzeigersinn vorzuspannen, wodurch der Riemen B gespannt wird. Anders ausgedrückt kann der Riemen B noch gespannt werden, wenn das zu verschiebende Element 1d′′ gegen den Hydraulikzylinder 1a′′ bewegt wird. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel enthält die Spanneinrichtung E ein Kabel, das auf die Welle der Antriebsscheibe A gewickelt ist, und ein daran hängendes Gegengewicht.

Weil der Riemen B immer in nahem Kontakt mit der äußeren Umfangs­ fläche der Antriebsscheibe A ist, kann eine numerische Steuerung hoher Präzision und eine genaue Verschiebungsmessung erreicht werden. Weiterhin kann die Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung gemäß der Erfindung in vielen Positionen in Bezug auf ein zu verschiebendes Element und ein einzelnes Hydraulikservoventil in Übereinstimmung mit den Positionen von Maschinenständern, Rädergetrieben und Hitzequellen angeordnet sein, um seine Bewegung positiv zu übertragen.

Claims (6)

1. Verschiebungsmessungs- und -steuervorrichtung mit folgenden Merk­ malen:

• a) ein zu verschiebendes Element (200, 200a, 1d, 1d′, 5, 1d′′) ist durch eine hydraulische Antriebseinheit (300) bewegbar;
• b) mit dem Element (200, 200a, 1d, 1d′, 5, 1d′′) ist ein Hydraulik­ servoventil (3, 3a, 3b, 3c) verbunden, welches einen durch eine Feder (43) vorgespannten Steuerschieber (31, 31c) aufweist, mit dessen Bewegung die Antriebseinheit (300) betätigt wird;
• c) eine stationär angeordnete, rotierbare Antriebsscheibe (A, A′) hat in ihrer Umfangsfläche eine schraubenförmige Nut, in wel­ cher ein mit einem Ende an der Antriebsscheibe (A, A′) befe­ stigter Riemen (B) aufgenommen ist;
• d) das andere Ende des Riemens (B) ist an dem Steuerschieber (31, 31c) befestigt;
• e) die Antriebsscheibe (A, A′) ist durch einen Antrieb (400) in beiden Richtungen drehbar.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (400) ein Schrittmotor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (400) ein Servomotor ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die hydraulische Antriebseinheit (300) ein Hydraulik­ zylinder (22) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die hydraulische Antriebseinheit (300) ein hydraulischer Motor ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Zwischenrad schwenkbar an dem zu verschiebenden Element (200, 200a, 1bm, 1d′, 5, 1d′′) montiert ist, wobei sowohl das Hydraulikservoventil (3, 3a, 3b, 3c) als auch die Antriebsscheibe (A, A′) an der hydraulischen Antriebseinheit (300) derart angeordnet sind, daß der Riemen (B) sich um die Riemenscheibe erstreckt, um die Antriebsscheibe (A, A′) und den Steuerschieber (31, 31c) zu verbinden.