Servomotor Eine Erfindung des vorliegenden Patentes betrifft einen Servomotor mit einem Haupt steuerkolben und einem Vorsteuersehieber.
Der erfindungsgemässe Servomotor zeich net sich dadurch aus, dass der den Vorsteuer schieber in einer Bohrung aufnehmende Hauptsteuerkolben elektromagnetische Betäti gungsmittel trägt, welche zusammen mit die sem verschiebbar sind und bei Erregung eine Relativverschiebung zwischen Vorsteuerschie- her und Hauptsteuerkolben bewirken.
Eine weitere Erfindung bezieht sieh auf die Verwendung dieses Servomotors bei einem hydrostatischen Getriebe zur Erzeugung einer hin und her gehenden Bewegung.
Derartige Getriebe sind beispielsweise für Werkzeugmasehinen, wie Hobel- und Sehleif- iasehinen, erforderlich, bei denen das Werk zeug und der Werkstücktisch eine hin und her gehende Längsbewegung relativ zueinander ausführen. Hierbei ist meist erforderlich, die Geschwindigkeit für Vorschub und Rückzug des bewegten 1-Taschinenteils unterschiedlich einzurichten, und es ist erwünscht, die Um steuerzeiten zu Beginn und am Ende der Vor sehubbewegung möglichst gering zu erhalten.
Bei den für solche Zwecke bekannten elektri schen Motorantrieben werden Umsteuerzeiten in der Grössenordnung von etwa einer Sekunde erreicht, welche Zeit jedoch bei gewissen An- wendungen als unerwünscht gross betrachtet wird. Durch Verwendung des erfindungsgemä ssen Servomotors bei einem hydrostatischen Getriebe zur Erzielung einer hin und her gehenden Bewegung, wobei das Getriebe mit einem kontinuierlich laufenden Antriebsmotor in ständiger Antriebsverbindung steht, kann ein Antrieb für einen hin und her gehenden Bauteil geschaffen werden, der mit sehr kur zen Umsteuerzeiten auskommt.
Der erfindungsgemässe Servomotor sowie seine Verwendung sind nachstehend an Hand der Fig.1 bis 5 in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt hierbei: Fig. 1 ein beispielsweises Weg-Zeit-Dia- gramm der erwünschten oszillierenden Längs bewegung; Fig. 2 ein Prinzipschema eines Ausfüh rungsbeispiels des den Servomotor enthalten den hydrostatischen Getriebes; Fig. 3 bis 5 je ein Diagramm zur Erläu terung der Wirkungsweise des Getriebes nach Fig. 2.
Die mit dem Getriebe zu erzeugende oszil lierende Längsbewegung ist im Diagramm nach Fig.1 als Weg s abhängig von der Zeit t, aufgetragen. Der Nutzhub während der Zeit abschnitte von a bis<I>b</I> und von e bis f sowie der Leerhub während der Zeitabschnitte c bis <I>d</I> und g bis<I>h</I> soll jeweils mit weitgehend kon stanter Geschwindigkeit erfolgen. Die Um kehrsintervalle b bis c, d bis<I>e, f</I> bis g, h bis<I>i</I> usw. sollen möglichst klein sein. Bei Verwen dung des nachstehenden, näher beschriebenen Getriebes gelingt es, Umkehrzeiten von 0,05 bis 0,4 Sekunden zu erreichen.
Dieses hydro statische Getriebe ist schematisch und unter ssreglassung unwesentlicher Teile in der Fig. \? dargestellt. Der für eine oszillierende Bewe gung anzutreibende Maschinenteil sei mit einer Zahnstange 1 versehen, mit der ein Zahnrad 2 in Eingriff steht. Der Antrieb des Zahnrades 2 erfolgt über ein hydrostatisches Getriebe, bestehend aus den beiden Axialkol- benmaschinen 3 und 4 seitens eines ununter brochenen und stets in gleicher Richtung ro tierenden Elektromotors 5, der mit dem Ge triebe ständig in Antriebsverbindung steht.
Die beiden Axialkolbenmaschinen, von denen die mit 3 bezeichnete als hydraulisch angetrie bener Motor und die mit 4 bezeichnete als Pumpe für das hydraulische Medium, etwa. Öl, arbeitet, sind bekannte Konstruktionen und bezüglich ihres I1ubes stufenlos verstell bar.
Die Hubänderung erfolgt durch Ver- schwenken des Gehäuses der Pumpe 4 um den Winkel z1 und desjenigen des Motors 3 <B>um</B> + z2 gegenüber der Verbindungsgeraden der koaxialen Antriebs- bzw. Abtriebswellen. In der gezeichneten Stellung und bei der Tourenzahl 'n, der Antriebswelle der Pumpe 4 rotiert die Antriebswelle des Motors 3 mit der Drehzahl n.2 in gleichem Drehsinn, was eine Vorschubbewegung in Richtung V der Zahn stange 1 ergibt. Wird das Gehäuse der Pumpe %. von der Stellung V, entsprechend einem.
Winkel + z1, in die Stellung R, entsprechend einem Winkel -z1, geschwenkt, so erfolgt ein Drehzahlwechsel der Abtriebswelle Lund des Zahnrades 2, was eine Rückzugsbewegung in Richtung R der Zahnstange 1 zur Folge hat.
Das Drehzahlverhältnis ui <I>:</I> n2 und das Drehmomentverhältnis DZi <I>:</I> 1-V12 zwischen der Antriebs- und der Abtriebswelle wird durch Glas Verhältnis der Hubvolumina V1 : V2 von Pumpe 4 und Motor 3 bestimmt. Vorzugs weise werden als Pumpe 4 und Motor 3 gleiche Axialkolbeneinheiten verwendet.
Es ergibt sich
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sowie
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ILi = Pumpenkonstante, K2 = Motorkonstante, worin kn = Druckwirkungsgrad, km = mechanischer Wirkungsgrad, kn = Mengenwirkungsgrad.
Um bei dem vorliegenden hydrostatischen Getriebe, dessen Primärteil durch die Pumpe 4 und dessen Sekundärteil durch den Motor 3 gebildet wird, einen linearen Anstieg der Se kundärdrehzahl n. zu erhalten, muss der Win kel z1 gemäss der ausgezogenen Linie im Dia gramm Fig. 3 und der Winkel z2 gemäss der ausgezogenen Linie im Diagramm Fig. 4 ver ändert werden, wobei dann die Leistung N und der Druck P des hydraulischen Mediums entsprechend dem Diagramm Fig.5 verlau fen.
Der höchstzulässige Druck P bestimmt dabei die kleinste Drehzahl (n.2) I" bei welcher das Getriebe noch die volle Leistung N über trägt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist zur Steue rung 'des hydrostatischen Getriebes für die Ausführung einer oszillierenden Bewegung, entsprechend dem Weg-Zeit-Diagramm nacb Fig.l, ein von einem Speisedruck betätigter hydraulischer Servomotor 6 vorhanden. Dieser besitzt einen sogenannten Vorsteuerschieber 7 zur Steuerung des Hauptsteuerkolbens B. Der erforderliche Druck des Steuermediums, bei spielsweise Öl, wird seitens einer Speisepumpe 9, die entweder am Hauptantriebsmotor 5 oder an einem eigenen Elektromotor 10 an gebracht ist, erzeugt.
Gleiches Medium dient auch zur Energieübertragung vom Primär- und Sekundärteil des Getriebes. Je nach der tellung des Vorsteuersehiebers 7 bewegt sich S<B>S</B> der den letzteren in einer Bohrung aufneh mende Hauptkolben 8 in der einen oder an deren Richtung (V oder R) und wirkt dabei über den Waagebalken 11 mit den wirksamen Schenkellängen W1 und W2 auf die Regulier stange 12. Eine Längsbewegung der Stange 12 bewirkt eine Drehung des Kreissektors 13 um die Achse 14, an welcher ein Arm 15 starr befestigt ist, der seinerseits gelenkig mit der Lasche 16 am Gehäuse der Primäreinheit 4 verbunden ist.
Die Verschiebung des Hauptkolbens 8 um den Weg h,2 ergibt eine Längsbewegung der Regulierstange um hl = h.2 <I>(W1 =</I> W2). Dabei erfolgt eine Versehwenkung des Gehäuses der Primäreinheit 4 um den Winkel z l, ent sprechend hl = C . sin z1, worin C eine durch die Dimensionierung der Steuerglieder 13, 15 und 16 beeinflussbare Konstante ist.
Gleichzeitig überträgt sich aber die Bewegung des Kreissektors 13 um die Achse 1.4 auch auf die gelenkig an ihm angebrachte Lasehe 17, von dieser auf den um die Achse 18 schwenkbaren Kreissektor 19 und über die -i.11 ihn angelenkte Lasche 20 auf den Hebel 21. Dieser ist starr auf der Drehachse 22 befestigt, die ausserdem den Hebel 23 trägt und über die an dessen Ende gelenkig angebrachte Lasche 24 eine Schwenkbewegung des Gehäu ses des Motors 3 bewirkt.
Dabei ist. eine Ab hängigkeit des Schwenkwinkels z2 gemäss der Beziehung
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erzielbar, worin --1, B und a jeweils konstruk tionsbedingte unveränderliche Grössen sind.
Bei gleichen Primär- und Sekundäreinheiten sind die obenerwä.hnten Konstanten K1 und K2 gleich, so dass sich aus der ersterwähnten Glei- ehung ergibt:
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und man erhält schliesslich
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Da die Grössen kQ, <I>A, B,</I> C und a bei ge gebener Konstruktion konstant sind und die Drehzahl 11.l des Elektromotors 5 unverändert bleibt, hängt die Drehzahl 112 der Abtriebs welle lediglich vom Verschiebeweg hl der Re gulierstange 12 bzw. von der Axialverschie- bung h2 des Hauptkolbens 8 des Servomotors 6 ab.
Vorzugsweise wird die Dimensionierung der oben beschriebenen Steuerglieder derart -vorgenommen, dass bei einer Verschwenkung des Gehäuses des Primärteils 4 um (zl)m".
250 eine Winkelbewegung des Gehäuses des Sekundärteils von -f- (z2),na = 25 bis auf. (z2)".i" grösser als Null erfolgt. Mit einer sol chen Steuereinrichtung ergeben sich dann der in Fig. 3 und 4 strichpunktiert eingetragene Verlauf, entsprechend etwa den Beziehungen
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worin die Grössen Cl bis C5 konstruktions bestimmte feste Werte besitzen.
Die grösste Abweichung des tatsächlichen vom erwünsch ten Verlauf tritt jeweils bei der Drehzahl (112)o auf, doch kann durch geschickte Wahl der Hebelverhältnisse diese Abweichung der art gering gehalten werden, dass eine Vermin derung des Drehmomentes an dieser Stelle nicht merkbar ist. Der die Winkel z1 und z2 des hydrostati schen Getriebes und damit die Drehzahl 112 bestimmende Hub h2 des Hauptkolbens 8 im Servomotor 6 ist. durch die beiden Steuer- xtocken 25 und 26, die längs des Vorsteuer schiebers 7 beliebig angeordnet werden kön nen und mit der Anschlagplatte 27 zusammen wirken, auf jeden gewünschten Wert einstell bar.
Bewegt sich der Hauptkolben 8 samt dem Vorsteuerschieber 7 in einer Richtung - was natürlich nur an den Umkehrpunkten der Zahnstange 1 der Fall ist -, so wird beim Auftreffen eines der Steuernocken 26, 25 auf die Ansehlagsplatte 27 der Vorsteuerschieber 7 aufgehalten und relativ zum Kolben 8 längs verschoben, was zur öffnung eines Ablass- kanals für das Steuermedium führt, so da.ss der Hauptkolben 8 sofort stillsteht. Damit ist aber auch die Schwenkbewegung der Gehäuse von Primär- und Sekundärteil 4 bzw. 3 des Getriebes beendet, und eine ganz bestimmte Drehzahl 112 bzw.
Geschwindigkeit der Zahn- Stange 1 in der betreffenden Richtung ein gestellt. Der Servomotor 6 wird erst dann wie der betätigt, wenn die Zahnstange 1 die jewei lige Umkehrstelle erreicht.
Befindet sich der Hauptkolben 8 in Mit- telstelhuig innerhalb des Servomotors 6, dann steht der Primärteil 4 auf z1 = 0 , die Dreh zahl n2 ist Null, und die Zahnstange 1 steht still. Je nachdem, von dieser Nullstellung aus betrachtet, ob der Abstand zwischen dem Nok- ken 25 bzw. 26 und der Anschlagplatte 27 gleich gross oder verschieden gross ist, erfolgt die Bewegung der Zahnstange 1 in beiden Richtungen mit gleich grosser oder mit unter schiedlicher Geschwindigkeit.
Zur Umsteuerung des Getriebes an den 1Tmkehrpunkten der Zahnstange 1 wird von derselben je ein Endstellungskontakt 28 bzw. 29 betätigt und hierbei der Stromkreis für den Hubmagnet 30 bzw. 31 geschlossen. Die beiden Schalter 28 und 29 verriegeln sich gegenseitig, was beispielsweise durch eine Wippe möglich ist, derart, dass der Schalter 29 zu und der Schalter 28 offen, oder umgekehrt der Schal ter 28 zu und der Schalter 29 offen ist. Stets bleibt aber der Schalter 29 so lange geschlos sen, bis der Schalter 28 betätigt wird und um gekehrt.
Die beiden Hubmagnete 30, 31 sind starr am Hauptkolben 8 des Servomotors 6 angebracht und wirken auf ein mit dem Vor steuerschieber 7 verbundenes Gestänge 32 der art, dass beim Auflaufen der Zahnstange 1 auf einen der Endkontakte 28, 29 der zuge ordnete Magnet 30 bzw. 31 den Vorsteuerschie- ber aus seiner augenblicklichen Endlage in seine andere Endlage gegen die Wirkung der Federn 49 und 50 bewegt. Dies bewirkt aber eine sofortige Betätigung des Hauptkolbens 8, der über die Regulierstange 12 das Getriebe auf Gegendrehrichtung der Abtriebswelle um stellt.
Zu den beiden Endstellungskontakten 28, 29, die längs des Zahnstangenbettes verschieb bar angeordnet sein können, um eine Einstel lung der Umkehrpunkte zu ermöglichen, ist je ein Sicherheitskontakt 33 bzw. 34 elektrisch parallel geschaltet, der am Ende des maxima len Vorschubes der Zahnstange 1 automatisch betätigt. wird, falls der betreffende Endstel- lungskontakt nicht richtig angebracht wurde 5 oder versagt.
Beim erstmaligen Einschalten des Elektro motors 5 soll die Zahnstange 1 nicht bewegt werden, also muss sich in diesem Fall die Primäreinheit 4 in ihrer :Mittellage bei z1 = 0 , befinden. Dies ist auch erforderlich, wenn die Zahnstange 1 bei laufendem Antriebsmotor 5 vorübergehend stillgesetzt werden soll. Am Gestänge 32 des Vorsteuerschiebers 7 ist. hierzu eine Stange 35 starr angebracht., die einen f Anschlag 36 trägt. Im Betriebszustand der Maschine (in Fig. 2 dargestellt) ist, die Start taste 38 geschlossen und der Zugmagnet 39 erregt, der die Schubstange 40 anzieht.
Diese ist über einen Winkelhebel 41 mit den beiden , Laschen 42 und 43 verbunden, durch welche die Arme 44 bzw. 45 gespreizt werden und die in Fig.2 gezeichnete Lage einnehmen, ent gegen der Zugwirkung der Feder 46. Soll die Zahnstange 1 vorübergehend stillgesetzt wer den, dann wird mittels der Starttaste 38 der Stromkreis des Hubmagneten 39 unterbro chen, wodurch die Schubstange 40 freigegeben wird und die Arme 44, 45 durch die Feder 46 einander genähert werden. Hierbei wird durch das Ende des Armes 45 der Anschlag 36 samt der Schubstange 35, dem Gestänge 32 und dein Vorsteuerschieber 7 in Richtung auf die Rast 47 bewegt, was eine gleichsinnige Bewegung des Hauptkolbens 8 veranlasst.
Sobald der An schlag 36 die Rast 47 erreicht, ist die Bewe gung der Schubstange 35 und damit des Vor steuerschiebers 7 zu Ende, was bewirkt, dass der Hauptkolben 8 ebenfalls stillgesetzt wird, wobei durch Justierung der Rast 47 erreicht wird, dass in dieser Ruhelage der Primärteil 4 des Getriebes die Winkellage z1 = 0 aufweist. Diese Lage wird also bei offener Starttaste 38 stets automatisch eingenommen, so dass nun mehr nach Belieben der Elektromotor 5 (und eventuell 10) aus- und wieder eingesehaltet werden kann. Falls erwünscht, kann die Start taste 38 derart ausgebildet sein, da.ss der Kon takt nur bei laufendem Elektromotor 5 ge schlossen werden kann.
Befindet sieh der An schlag 36 in Deckung mit der Rast 47, so ver- bleibt der Servomotor 6 und damit das Ge triebe in der entsprechenden Lage, auch wenn nun die Starttaste 38 eingeschaltet, der Ma g net 39 erregt und die Arme 44, 45 gespreizt werden. Um, das Getriebe in eine Betriebswin.- kellage z1 zu bringen, kann einer der Sicher heitsschalter 33 oder 34 betätigt oder ein ent sprechender, denselben parallel geschalteter Steuerknopf gedrückt werden.
Der hierbei er regte Hubmagnet 30 bzw. 31 bewirkt dann eine Umstellung des Vorsteuerschiebers 7, und die oben beschriebene oszillierende Bewegung der Zahnstange 1 beginnt und setzt sich auto matisch fest, bis durch die Starttaste 38 die P.ulrestellung des Primärteils 4 bei z, = 0 er zwungen wird.
Bei gewissen Anwendungen, z. B. bei einer Hobelmaschine, ist es zum Einrichten not wendig, dass die Zahnstange 1 kurzzeitig in der einen oder andern Richtung bewegt und wieder stillgesetzt werden kann. Der Maschi nentisch soll dabei mit reduzierter Geschwin digkeit bewegt werden. Um dies zu ermög lichen, sind die elektrischen Schalter 33, 34 als Doppel-Auf-Zu-Schalter und 38 als Um schalter ausgebildet. In der gezeichneten Stel- fing des Schalters 38 ist die Maschine im Normalbetrieb. Wird Schalter 38 nach unten gedrückt, sind die Magnete 30, 31 und 39 stromlos und damit der Primärsehwenkwin- kel - 0. Trotz laufendem Elektromotor 5 steht die Zahnstange 1 still.
Bei der Betätigung eines der beiden Schal ter 33 oder 34 wird der Magnet 39 und der dem Schalter entsprechende Magnet 30 oder 31. eingeschaltet. Der Servomotor 6 beginnt somit zu wandern und damit die Maschine zu beschleunigen. Damit er nicht bis in seine Endlage, die dem _Anschlag 25 oder 26 ent spricht, wandert und damit die Maschine auf grosse Güsehwindigkeit bringt, ist das Zeit relais 48 angebracht, das nach einer gewissen. Zeit, die eingestellt werden kann, den Strom kreis wieder öffnet. Im stromlosen Zustand wird aber der Servomotor in seine Mittellage und damit die Primäreinheit auf den Win kel 0 gezogen, das heisst die Zahnstange 1 steht still. Ebenso steht sie still, wenn der betätigte Schalter 33 oder 34 wieder losgelas sen wird.