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Die Erfindung betrifft eine elektrische Steueranordnung zur zweistufigen Stillsetzung eines an den Anker eines Gleichstrommotors mechanisch gekuppelten Stellgliedes, insbesondere bei einem mit der Nähmaschinenantriebsachse direkt gekuppelten Nähmaschinenantrieb, besonders einem solchen, bei dem die Geschwindigkeit in weiten Grenzen kontrolliert wird, und der Antrieb zusammen mit der damit verbundenen Arbeitsmaschine auch aus hohen Geschwindigkeiten schnell und zuverlässig zum Halt, vorzugsweise in bestimmten Nadelpositionen, gebracht werden soll.
Ganz allgemein werden zum Nähmaschinenantrieb in der Regel Wechselstrommotoren benutzt, u. zw. bevorzugt Induktionsmotoren. Für Industrienähmaschinen ist es erforderlich, zwecks wirtschaftlichen Betriebes die Nähmaschine aus dem Stillstand schnell auf relativ hohe Tourenzahlen zu beschleunigen und von dort aus auch wieder schnell abzubremsen. Zu diesem Zweck dienen in der Regel Antriebe, die neben dem Wechselstrommotor eine Schwungscheibe sowie einen Brems- und Kupplungsmechanismus aufweisen. Obgleich sich diese Antriebseinrichtung für industrielle Nähmaschinen ganz allgemein einführen konnte, besitzt sie doch eine Reihe von wesentlichen Nachteilen. Insbesondere wird der schnelle Hochlauf bzw. Abbremsvorgang durch fortschreitende Abnutzung der Kupplungs- und Bremseinrichtungen im praktischen Betrieb in seiner Charakteristik stark verschlechtert.
Als weiterer Nachteil muss gelten, dass der Betrieb derartiger Maschinen nicht nur beträchtliche Geschicklichkeit, sondern auch ermüdende Kraftanstrengungen vom Bedienenden verlangt.
Zudem sind derartige Antriebe ausserordentlich geräuschvoll, was beim Betrieb grösserer Mengen von Nähmaschinen in einem Raum zu beträchtlichen Geräuschbelästigungen führt.
In letzter Zeit sind auch Antriebe bekanntgeworden, bei denen an Stelle des Induktionsmotors ein Gleichstrommotor mit geringem mechanischem Trägheitsmoment benutzt wird. Derartige Motoren sind grundsätzlich geeignete, um schnell zu beschleunigen bzw. abzubremsen. Um dieses zu erreichen, wird jedoch ein ausserordentlich komplizierter und kostspieliger Weg zur Kontrolle der Motorcharakteristik und damit der Antriebseinrichtung vorgeschlagen. Als weiteren Nachteil der bekannten Antriebseinrichtungen muss empfunden werden, dass sie zwar beim ordnungsgemässen Funktionieren derselben zu einer befriedigenden Antriebscharakteristik führt, die Kompliziertheit des Systems aber die Instandhaltung schwierig gestaltet und nur durch sorgfältig geschulte Fachleute ausgeführt werden kann.
Ein weiterer beträchtlicher Nachteil ergibt sich daraus, dass die bekannte Einrichtung zum Gleichrichter SCRs benutzt, welche als das Kontrollorgan zwischen Motor und Versorgungstransformator dienen.
Die verschiedenen Geschwindigkeiten werden dadurch erreicht, dass der Arbeitszyklus des SCRs reguliert wird.
Daraus ergeben sich zwei wesentliche Nachteile der bekannten Einrichtung : Wenn immer der SCR zu Zeiten schaltet, bei denen die Wechselstromspannung nicht durch Null geht, entstehen im Ausgangssignal hohe Spitzen, die den Motor erreichen. Solche Spitzenspannungen können in ungünstigen Fällen den Antriebsmotor beschädigen und machen es erforderlich, diesen beträchtlich zu überdimensionieren, weiterhin führen sie oftmals zum Ausfallen von überlastsicherungen und damit zu Betriebsstörungen. Weiterhin bewirkt die diskontinuierliche Natur des von den SCR gelieferten Versorgungsstromes, dass dieser einen grossen Anteil hoher Harmonischer enthält, die nicht nur zu Vibrationserscheinungen, sondern auch zu unerwünschten Hitzeentwicklungen im Motor fuhren, ohne zur Ausgangsleistung beizutragen.
Für den praktischen Betrieb von Industrienähmaschinen ist es wesentlich, dass der Bedienende in einfacher Weise den Antrieb derart schnell zum Stillstand bringen kann, dass sich die Nadel in vorgegebener Position befindet ; also entweder in ihrer untersten oder obersten Lage ist.
Alle bekanntgewordenen Antriebssysteme bedürfen hiezu ausserordentlich aufwendiger mechanischer oder elektrischer Einrichtungen. Im letzteren Fall wurde beispielsweise bereits vorgeschlagen, zu diesem Zweck eine Positionskontrolle zu benutzen, die eine Vielzahl von Flip-Flops, monostabilen Multivibratoren und Impulsgeneratoren sowie Antriebsgeschwindigkeits-Sensoren aufweist. Die Komplexität derartiger Einrichtungen führt zu hohen Kosten, die beispielsweise das Zwei- bis Dreifache des eigentlichen Antriebssystems betragen können.
Ziel der Erfindung ist eine elektrische Steueranordnung der eingangs genannten Art, vorzugsweise für Nähmaschinen zu schaffen, die die oben erwähnten Nachteile vermeidet und in einfacher und verlässlicher Weise ermöglicht, die Maschine schnell zu beschleunigen und die Geschwindigkeit in einem weiten Bereich in einfacher Weise zu kontrollieren sowie den Nähmaschinenantrieb und damit die damit verbundene Nähmaschine schnell und zuverlässig zum Stillstand zu bringen und dabei in einer Ausführungsform der Erfindung beim Stillstand vorgegebenen Nadelpositionen zu erreichen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Antriebseinrichtung leicht bedienbar zu gestalten und die Geräuschbelästigung weitgehend zu vermeiden.
Eine elektrische Steueranordnung zur zweistufigen Stillsetzung eines an den Anker eines Gleichstrommotors mechanisch gekuppelten Stellgliedes in einer festgelegten Stellung, wobei der an einen Halbleiter-Vollweggleichrichter angeschlossene Motoranker in Abhängigkeit von einem Fussteller über eine an eine Kurzschlussbremsung anschliessende Motorstromsteuerung in die Stillsetzstellung einläuft, für die von der Motorwelle betätigbare Stellungsgeber vorgesehen sind, ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass von dem Fussteller der eine der Stillsetzschalter als Kurzschlussbremsschalter für den Motoranker vorgesehen ist und der andere Stillsetzschalter über einen von den Stellungsgebern abhängigen Gegenstrombremssteller mit dem Motoranker verbunden ist.
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Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Gegenstrombremsteller zwei mit entgegengesetzter Polarität zueinander parallelgeschaltete steuerbare Halbleiterventile auf, deren Steuerelektroden jeweils durch die Ruhestellung der einen der beiden Gruppen der ihnen zugeordneten Stellungsgeber Steuerimpulse zuführbar sind.
Zum Zwecke des Anhaltens des Antriebes und damit der Nadel der Nähmaschine in einer vorbestimmten Position dient ein mit der Antriebsvorrichtung verbundener Stellungsgeber, der im Zusammenwirken mit einem Bedienungssignal den dynamischen Abbremsvorgang auslöst und bestimmt bzw. zum Abschluss bringt.
Als Stellungsgeber dient bei einer Weiterbildung der Erfindung eine mit der Motorwelle verbundene Indikatorscheibe mit optischen Markierungen, welche durch eine aus einer Lichtquelle und einer lichtelektrischen Zelle bestehende Abtastanordnung abgetastet werden. An Stelle der optischen Markierungen kann die Indikatorscheibe auch mit magnetischen Markierungen versehen werden, wobei dann ein Abtastübertrager benutzt wird, der auf solche magnetischen Markierungen anspricht. Ebenso ist es möglich, die Magnetmarkierungen direkt auf der Antriebsachse oder einer andern geeigneten Antriebsstelle anzubringen.
Da die erfindungsgemässe Steuereinrichtung es ermöglicht, ohne weitere Hilfsmittel die angetriebenen Elemente einer Maschine schnell zu beschleunigen bzw. schnell zum Stillstand zu bringen, kann sie direkt mit der Antriebsachse einer Nähmaschine gekuppelt werden, was zu einem besonders einfachen und kompakten Aggregat aus Nähmaschinenkopf und Antriebseinrichtung führt.
Zur besseren Verdeutlichung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine Seitenansicht einer Nähmaschine mit der Antriebseinrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 ein Schaltschema der Antriebseinrichtung nach der Erfindung, Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zeitablaufes der einzelnen Schaltvorgänge der Antriebseinrichtung nach Fig. 2, Fig. 4 einen Grundriss des Antriebsmotors mit einem Achsstellungsgeber und schliesslich Fig. 5 einen Drehmomenterzeuger, der in einer Ausführungsform der Erfindung zum Stellungsfestlegen benutzt wird.
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die im Nähmaschinengehäuse--18--angeordnete Getriebeeinrichtung vom Motor--26--mit der erfindungsgemässen Antriebseinrichtung angetrieben.
Der Antriebsmotor--26--ist hiebei direkt am Maschinengehäuse --18-- befestigt und die Motorachse--24--mit der Nähmaschinenkopfantriebsachse gekoppelt. Das Gehäuse des Motors ist mit--27--bezeichnet.
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--12-- befestigt ist. Der Fusssteller--14--ist mechanisch über ein Gestänge --36-- und ein Getriebe --38-- mit der Verstellwelle--40--des Regelautotransformators--28--verbunden ; mit einer Dichtfeder - werden der Autotransformator und der Fusssteller--14--jeweils selbsttätig in die Nullstellung zurückgebracht.
Je weiter der Fusssteller--14--niedergedrückt wird, umso mehr wird die Verstellwelle --40-- des Regeltransformator gedreht, um so eine höhere Spannung an die Gleichrichterbrücke anzuliefern, die ihrerseits den Motor--26--mit Gleichstrom höherer Spannung versorgt, so dass dieser und die Nähmaschine mit je nach Stellung des Fussstellers--14--einstellbarer Geschwindigkeit laufen.
Wie nun im einzelnen dargelegt werden wird, bedingt das Freigeben des Fussstellers--14--, dass der Motor dynamisch gebremst und zum Stillstand gebracht wird ; hiezu wird mit einem Stellungsgeber erreicht, dass der Stillstand in einer vorbestimmten Stellung der Nadel erfolgt.
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2Abnehmers--82--wird durch mechanische Übertragungsglieder, beispielsweise das angedeutete Gestänge --36-- von der Stellung des Kontrolltrittes--14--bestimmt. Zur Vereinfachung der Darstellung weist die Spannung der Regelwicklung--80-einen linearen Verlauf auf, wobei der Transformator --28-- als Ringregeltransformator ausgeführt ist.
Der Regeltransformator --28-- im Zusammenwirken mit der Dioden-Gleichrichterbrücke stellt eine Gleichstromquelle mit ausserordentlich geringem innerem Widerstand dar. Dies ist wesentlich für die beschriebene Einrichtung, im Zusammenwirken mit einem Motor, dessen Zeitkonstante weniger als 500 msec und vorzugsweise weniger als 100 msec beträgt, für die erreichbare ausgezeichnete Beschleunigungs-und Abbremscharakteristik.
Die gewünschte Geschwindigkeit der Maschine wird im Gegensatz zu bekannten Ausführungsformen, bei denen diskrete Widerstands-, Spannungsteiler zum Einstellen
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--32-- wirdEin-Ausschalter mit den Schaltstellungen "geschlossen" (G) und "offen" (0) ausgebildet ist und an den einen Pol der Betriebswechselspannung, also des Transformators --28-- eingeschlossen ist, und von dem eine Leitung--99--zu einer noch später beschriebenen Nadelstellungskontrolle abgeht. Der zweite Schalter --S3-- ist als Drehschalter ausgebildet und besitzt einen drehbaren Schleifer --90-- sowie zwei
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92--,Leitung --101-- einerseits mit einem Anschluss (-) des Motors --26-- und anderseits mit der Leitung --84-- und damit mit dem Pol der Gleichrichterbrücke verbunden.
Der Schleifer --90-- des Schalters --S3-- liegt über eine Leitung --94-- am andern (+) Anschluss des Motors --26--.
Die drei Schalter --S1, S2 und S3-sind in der aus der Fig. 3 erkennbaren Weise mit dem Fusssteller --14- und damit mit dem Abnehmer --82-- am Transformator --28-- mechanisch gekuppelt: In der Grundstellung, die in Fig. 3 mit 00 an der Abzisse bezeichnet ist, befindet sich der Schalter-S l--in seiner "Offenstellung" (R), der Schalter --S2-- in seiner "Geschlossenstellung" (G) und der Schalter --S3-- in einer Offenstellung, d. h. mit seinem Schleifer --90-- auf einem der isolierenden Zwischenstücke --01 und 02--.
Der Abnehmer --82-- des Transformators --28-- befindet sich dabei an dem mit 00 bezeichneten Ende der Transformatorwicklung--80--, d. h. an die Gleichrichterbrücke --32-- wird keine Spannung geliefert ; der Fusssteller--14--ist unbetätigt.
Die Kupplung zwischen dem Fusssteller--14--und dem Drehschalter --S3-- ist so ausgelegt, dass je nachdem, ob die Stellung--01 oder O2-- als Grundstellung gewählt wurde, der Schalter --S3-- bei einer Betätigung des Fussstellers zunächst auf das Schaltkreisstück--92--, dann auf das jeweils andere isolierende Zwischenstück --01 oder 02-und schliesslich auf das Schaltkreisstück --88-- gelangt, und schliesslich auf diesem zur Ruhe kommt (etwa durch einen Anschlag).
Wie aus Fig. 3 nun weiter hervorgeht, bleibt der Schalter --S3-- bei Beginn seiner Umdrehung noch bis zum Auflaufen des Schleifers--90-auf das Stück--92-geöffnet, was durch den Abzissenpunkt II angedeutet ist, jedoch haben inzwischen (Punkt I) die Schalter --S1 und S2-- ihre Stellung geändert, d. h. der Schalter--Sl-ist in seine Arbeitsstellung A und der Schalter --S2-- in seine Offenstellung (0) eingetreten. Zugleich hat der Abnehmer--82--ebenfalls seine Stellung verändert und liefert nun eine geringe Teilspannung an die Gleichrichterbrücke.
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entspricht. Die Schalter--Sl und S2--ändern dabei ihre Stellung nicht.
Bei weiterer Betätigung des Fussstellers --14-- und Drehung des Schalters--S3--läuft der Schieber --90-- (nach kurzer Unterbrechung über dem isolierenden Zwischenstück --01 oder 02--) auf das Stück --88--, wodurch der Motor --26-- nun über den Schalter--Sl--an die Gleichrichterbrücke angeschlossen und in zunehmendem Masse mit steigender Teilspannung vom Transformator --28-- versorgt wird (Fig. 3, Stellung B).
Bei Entlastung des Fussstellers --14-- vollziehen sich diese Vorgänge in umgekehrtem Sinn.
In der Praxis vollzieht sich die Bedienung der vorstehend beschriebenen Antriebseinrichtung wie folgt :
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der Fusssteller--14--in Vorwärtsrichtung betätigt, so läuft der Motor --26-- an und nimmt eine durch die Stellung des Abnehmers --82-- bestimmte Drehzahl an. Wird hingegen der Fusssteller-14-von der Stellung --O2-- des Schalters in Rückwärtsrichtung (auf-01--hin) betätigt, so gerät der Schleifer --90-- auf das Stück--92--, wodurch der Motor spannungslos und durch Kurzschlussbremsung sofort stillgesetzt wird.
Werden Motoren verwendet, deren mechanische Zeitkonstante weniger als 500 msec, beispielsweise 150 msec oder in bevorzugter Weise 50 bis 100 msec beträgt, so ergibt sich allein durch die Stellung des Fussstellers--14--eine einwandfreie Geschwindigkeitsregelung des Antriebssystems und damit der Nähmaschine.
Um zum Start ein ausreichendes Drehmoment zur Verfügung zu haben, erreicht der Schleifer --90-- des Schalters --S3-- erst das Schalterkreisringstück --88--, wenn der Abnehmer --82-- des Regeltransformators--28--bereits um einen vorgegebenen Weg aus der Nullstellung bewegt wurde.
Infolge der Charakteristik der in der Antriebseinrichtung zu verwendenden Motoren ergibt sich beim Kurzschliessen der Motorklemmen eine ausserordentlich starke dynamische Abbremsung, die praktisch fast sofort zum Stillstand führt.
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Fig. 2 zeigt weiters den der Nadelstellungskontrolle dienenden Teil der erfindungsgemässen Steuereinrichtung in einer ihrer Ausgestaltungen. Sobald der Fusssteller--14--in seine Ruhestellung gebracht
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normalen Nähbetrieb wird der mit dem Fusssteller-14-mechanisch verbundene Schalter --S2-- beim Niederdrücken von --14-- geöffnet (Stellung 0).
Fig. 4 zeigt eine Anordnung von Stellungsanzeigeschaltern--Fl, F2, F3 und Bl, B2, B3--, die mit den gleichen Bezugszeichen in Fig. 2 eingetragen sind, an einem Träger-121-. Selbstverständlich können auch andere Stellungsanzeigeeinrichtungen, beispielsweise solche mit elektro-optischem Aufbau benutzt werden. Die Schalter--Fl-F3 und Bl-B3--sind als magnetische Zungenschalter ausgebildet. Mit der Motorachse - ist ein Permanentmagnet --102-- verbunden, dem als mechanisches Gegengewicht ein nichtmagnetischer Teil --103-- dient. Bei Annäherung des Magneten --102-- werden die magnetischen Zungenschalter jeweils geschlossen und beim Entfernen des Magneten wieder geöffnet.
Mit den Schaltern --Fl- F3--wird der Motor mit Stromimpulsen gespeist, die seiner Betriebsdrehrichtung entsprechen, während über die Schalter-BBl-B3-der Motor Stromimpulse für die entgegengesetzte Drehrichtung des Normalbetriebes erhält.
Die Magnetzungenschalter--Fl-F3 und Bl-B3--sind mit Steuerelektroden von Halbleiterventilen --SCR1 und SCR2--verbunden, die ihrerseits mit der Leitung--99--mit der Wechselstromquelle und anderseits mit dem Motoranschluss--98--verbunden sind. Die Polarität des Halbleiterventils--SCR1 und SCR2--ist derart gewählt, dass über das Halbleiterventil--SCR1--und die Schalter --PI - F3-- dem Motor Stromimpulse zugeführt werden, die seiner normalen Betriebsdrehrichtung entsprechen, während über das Halbleiterventil-SCR2--und die Magnetzungenschalter--Bl-B3--dem Motor Stromimpulse zugeführt werden, welche die entgegengesetzte Polarität aufweisen.
Solange der Motor läuft, werden die einzelnen Magnetzungenschalter in der Reihenfolge--Fl-F3 und B3-Bl--geschlossen und wieder geöffnet. Da während des normalen Nähvorganges der Schalter--S2-offen ist, bleibt dies jedoch ohne Auswirkung. Wird der Fusssteller--14--jedoch in seine Ruhestellung gebracht, so schliesst sich der Schalter--S2--, womit der Stellungsvorgang eingeleitet wird.
Die Funktion stellt sich wie folgt dar : Es sei angenommen, dass der Antriebsmotor beim Erreichen der Ruhestellung und Betätigen des Fussstellers-14-in umgekehrter Richtung dynamisch abgestoppt wird und dass er in der in Fig. 4 gezeichneten Rotorlage zum Stillstand kommt, also mit dem Permanentemagnet --102-- gegenüber dem Schalter--Bl--. Im Feld des Magneten --102-- schliesst sich der Schalter--Bl--und schliesst damit den
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den Motor--26--liefert.
Der Motor dreht sich entsprechend dem Uhrzeigersinn, so dass nacheinander die Schalter--B2 und B3-geschlossen werden, wobei das Halbleiterventil--SCR2--gesperrt und das Halbleiterventil--SCR1--leitend bleiben. Während dieser Zeitspanne werden dem Motor eine Anzahl von Halbwellenimpulsen zugeführt, wobei jeder Impuls durch eine Halbwelle getrennt ist. Der durch den Motor fliessende Strom kann durch den Widerstand--110--eingeregelt werden. Sobald der Permanentmagnet--102--die der gewünschten Nadelstellung entsprechende Lage zwischen den beiden Schaltern-B3 und F3-erreicht hat, schliesst sich der Schalter--F3--, wodurch der Widerstand--108--kurzgeschlossen und das Steuersignal von Diode --104-- an das Halbleiterventil--SCR1--gelöscht wird.
Mit beiden geschlossenen Schaltern--B3 und F3--gelangt kein Antriebsimpuls an den Motoranschluss--98--. Sollte der Motor über die gewünschte Stellung hinausdrehen, so öffnet sich der Schalter--B3--, damit erhält das Halbleiterventil--SCR2--über den Widerstand --105-- und die Steuerdiode-106-ein Steuersignal und es werden derart positive Halbwellenimpulse an den Motor geliefert, um ihn in der andern Drehrichtung, also gegen den Uhrzeigersinn, zu bewegen ; der über das Halbleiterventil-SCR2-an den Motor gelieferte Strom kann durch den Widerstand
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der Motor ein Drehmoment enthält, welches derart beschaffen ist, dass die gewünschte und vorherbestimmte Endstellung ohne Überschwingen erreicht wird.
Bei der Schaltungsanordnung ist es natürlich auch möglich, Schalterelemente--Fl-F3, Bl-B3--zu verwenden, die im nicht erregten Zustand geschlossen und bei Annäherung der Magnete geöffnet werden.
Fig. 5 stellt eine andere Ausführungsform für die Stellungskontrolle dar, bei der ein zusätzlicher magnetischer Momentenerzeuger benutzt wird. Dieser besteht aus dem drehbar mit der Motorachse--24-verbundenen Permanentmagneten--113--mit seinen mit--S und N--bezeichneten Polen, der so angeordnet ist, dass er sich an den Polen--115 und 116--des Elektromagneten--114--vorbeibewegen kann ; der Elektromagnet wird durch einen Strom über eine Windung--118--erregt, die einen magnetischen Fluss im Magnetkern --120-- erzeugt. Die Lage des drehbaren Permanentmagneten --113-- entsprechend
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Fig. 5 entspricht der gewünschten Endstellung.
Solange der Stellungsanzeiger nach Fig. 5 anzeigt, dass die Endlage noch nicht erreicht ist, wird die Spule--118--mit Gleichstrom versorgt, so dass gemäss der Polung ein Drehmoment in der erforderlichen Richtung erzeugt wird. Die derart bewerkstelligte Drehbewegung wird so lange aufrechterhalten, bis der Stellungsanzeiger nach Fig. 5 oder ein anderer geeigneter Indikator anzeigt, dass die erwünschte Position erreicht ist, also der Stellvorgang zum Abschluss gekommen ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Steueranordnung zur zweistufigen Stillsetzung eines an den Anker eines Gleichstrommotors mechanisch gekuppelten Stellgliedes in einer festgelegten Stellung, wobei der an einen Halbleiter-Vollweggleichrichter angeschlossene Motoranker in Abhängigkeit von einem Fussteller über eine an eine
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