CH704746B1 - Richt- und Stabilisierungsanlage mit einer Kraftmessvorrichtung zur Drehmomentmessung. - Google Patents

Abstract

Eine Richt- und Stabilisierungsanlage (1), insbesondere für eine Waffe, ist mit einer bewegten Plattform, einer auf der Plattform (3) beweglich gelagerten im inertialen Raum stabilisierten Drehmasse (2), einem Richtantrieb (6) zum Richten der Drehmasse (2), der einerseits mit der Drehmasse (2) und andererseits mit der Plattform (3) verbunden ist und eine Abtriebseinrichtung (17) aufweist, die den Richtantrieb (6) mit der Drehmasse (2) verbindet, einer Kraftmessvorrichtung (16) zur Drehmomentbestimmung und mindestens einem Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs (6) mittels des bestimmten Drehmoments versehen. Die Kraftmessvorrichtung (16) ist ringförmig ausgebildet und zwischen der Plattform (3) und dem Richtantrieb (6) angeordnet, bei der sich die Abtriebseinrichtung (17) des Richtantriebs (6) durch diese hindurch erstreckt. Dabei misst die Kraftmessvorrichtung (16) zwischen dem Richtantrieb (6) und der Plattform (3) entstehende, vom Richtantrieb (6) oder infolge einer Beschleunigung der Drehmasse (2) am Richtantrieb (6) induzierte Kräfte zur Drehmomentbestimmung.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Richt- und Stabilisierungsanlage, insbesondere für eine Waffe, mit einer bewegten Plattform, einer auf der Plattform beweglich gelagerten im medialen Raum stabilisierten Drehmasse, einem Richtantrieb zum Richten der Drehmasse, der einerseits mit der Drehmasse und andererseits mit der Plattform verbunden ist und eine Abtriebseinrichtung aufweist, die den Richtantrieb mit der Drehmasse verbindet, einer Kraftmessvorrichtung zur Messung der das Drehmoment bestimmenden Kräfte und mindestens einen Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des rotatorischen Richtantriebs mittels des bestimmten Drehmoments.

[0002] Die Stabilisierung der Lageposition einer Drehmasse im inertialen Raum auf einer bewegten Plattform, z.B. einer auf einem Fahrzeug angeordneten drehbaren Waffenanlage, wird üblicherweise nicht durch eine auf die Plattform bezogene Drehgeschwindigkeit erreicht, sondern durch eine auf den inertialen Raum bezogene Messung der Drehgeschwindigkeit oder der Position der Drehmasse mittels eines Kreisels. Dabei werden die Messsignale des Kreisels einem Regelkreis zugeführt, der die Abweichung der tatsächlichen raumbezogenen Lage mit einem Sollwert vergleicht und mit Hilfe eines Stabilisierungsantriebs ausregelt.

[0003] Die Genauigkeit der stabilisierten inertialen Lage, d.h. der Lage in einem sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden Koordinatensystem, wird durch verschiedene Einflussfaktoren beeinflusst, beispielsweise der Lagerreibung am Antrieb und der Lagerung der Drehmasse, der Unbalance der Drehmasse und das rotatorische, auf die Drehmasse reduzierte Trägheitsmoment der rotierenden Antriebsmassen. Bei einer bewegten Plattform mit einer stabilisierten Drehmasse müssen die rotierenden Antriebsmassen in einem zeitgleichen Bewegungsablauf wie die Plattform beschleunigt oder verzögert werden, wie dies von der Bewegung der Plattform vorgegeben ist. Jede Abweichung dieser beiden Bewegungsabläufe wirkt sich als proportionaler Fehler im Stabilisierungswinkel aus. Je nach der Abweichung vom gewünschten Stabilisierungswinkel wird mit einem solchen Stabilisierungsantrieb eine hohe oder geringe Stabilisierungsgüte erreicht. Um eine hohe Stabilisierungsgüte zu erreichen, sind verschiedene Methoden zur Stabilisierung der Lageposition einer Drehmasse bekannt, die nachstehend kurz beschrieben sind.

[0004] Zum einen kann der Richtantrieb derart aufgebaut sein, dass die Trägheit der Antriebsmassen sehr klein dimensioniert ist. Dies kann bis zur Verwendung von Direktantrieben, z.B. Ringtorquemotoren, führen, die ohne Getriebe um die Drehachse eines Antriebs herum aufgebaut sind. Solche Direktantriebe müssen dann auch das gesamte zum Ausrichten der Drehmasse erforderliche Drehmoment aufbringen, wodurch der Einfluss von Störungen die durch die Eigenträgheit der rotierenden Antriebsteile hervorgerufen wird, eliminiert oder zumindest kleingehalten wird. Solche Direktantriebe sind insbesondere zur Stabilisierung von optischen Geräten bekannt. Auch zur Stabilisierung von Waffenanlagen wurden entsprechende Direktantriebe entwickelt, die sich jedoch in der Praxis nicht durchgesetzt haben. Für Waffenanlagen werden nur Richtantriebe mit einer kleinen Getriebeübersetzung und einer entsprechend reduzierten Antriebsmasse eingesetzt. Für alle Lösungen, die ohne oder mit nur einer gering übersetzten Getriebestufe auskommen gilt, dass diese Richtantriebe nur für Drehmassen mit einem geringen Unbalancemoment geeignet sind, da das Haltemoment am Antriebsmotor für das Unbalancemoment um so grösser wird, je kleiner die Übersetzung ist.

[0005] Neuere Entwicklungen bei gepanzerten Fahrzeugen haben zu einem Anwachsen des Unbalancemoments der Waffenanlage geführt, bedingt durch einen verbesserten Panzerschutz des Turmes sowie längeren Rohrlängen der Waffenanlage. Durch die Steigerung der Unbalance haben sich die Anforderungen an den Stabilisierungsantrieb deutlich erhöht, da das Stabilisierungsverhalten solcher Waffen gegenüber gut ausgewuchteter Drehmassen sowohl in vertikaler als auch azimutaler Richtung deutlich von der Fahrzeugbewegung beeinflusst wird.

[0006] Durch ein Anwachsen der Unbalance erhöht sich proportional auch die Störungsanregung in vertikaler Richtung mit einer entsprechend negativen Auswirkung auf die Stabilisierungsgüte.

[0007] Eine weitere Möglichkeit, den Einfluss der Trägheit der Antriebsmassen zu reduzieren, ist die Verwendung eines Hilfskreisels zur Messung der Drehbewegung der bewegten Plattform um die Drehachse der Drehmasse. Dabei wird das Messsignal dieses Hilfskreisels in einen internen Regelkreis dazu verwendet, eine Drehung der Antriebsmassen zu bewirken, bevor der eigentliche Messkreisel eine Fehlerabweichung registriert. Jedoch ist die praktische Verbesserung durch die Verwendung eines Hilfskreisels sehr begrenzt, da die Reaktionszeit zwischen der Beschleunigung der Antriebsdrehmassen und dem induzierten Messsignal des Hilfskreisels zu gross ist.

[0008] Eine deutliche Verbesserung der Stabilisierungsgüte kann jedoch auch erreicht werden, wenn die Kraft des Richtantriebs auf die Drehmasse und rückwirkend auch die Reaktionskraft, die über den Antrieb auf die Plattform ausgeübt wird, gemessen wird und in einem internen Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs verwendet wird. Dieses Verfahren ist insbesondere bei hydraulischen Antrieben bekannt, bei denen der Differenzdruck zwischen den beiden Druckkammern im Antriebszylinder gemessen wird. Dabei ist der Druckaufbau proportional der Kraft, die der Antrieb auf die Drehmasse und rückwirkend auf die Plattform ausübt. Die in einem solchen hydraulischen Antriebssystem wirkende Kraft ist proportional der Beschleunigung zwischen der stabilisierten Drehmasse und der Plattform, d.h. proportional der Ableitung der Bewegungsgeschwindigkeit der Drehmasse. Diese in dem Hydrauliksystem wirkende Kraft hat bei einer harmonischen Anregung bereits dann ihren maximalen Wert, wenn die Geschwindigkeit gerade noch Null ist.

[0009] Dieser bei hydraulischen Stabilisierungsantrieben zur Standardausführung gehörende Beschleunigungsregelkreis ist seit einiger Zeit auch bei elektrischen Antrieben in Form einer Kraftmessung des am Antriebsstrang wirkenden Drehmoments bekannt. Dabei erfolgt diese Kraftmessung durch die Messung der Dehnung an einem linearen Stabilisierungsantrieb, der das Drehmoment des Motors über eine Spindel auf einen die Drehmasse antreibenden Stellkolben überträgt.

[0010] Eine entsprechende Richt- und Stabilisierungsanlage mit einem linearen Stellantrieb und einem Drehmomentregelkreis zur Stabilisierung einer auf einem Fahrzeug angeordneten Waffenanlage wird in der DE 4 317 935 C2 beschrieben. Dabei wird das an dem Gehäuse einer Spindel bzw. eines Getriebes der Antriebsvorrichtung abgegriffene Drehmomentsignal einem Drehzahlregler zugeführt, der über die Leistungselektronik auf den Antriebsmotor wirkt. Als Drehmomentsensor wird dabei ein Satz Dehnungsmessstreifen verwendet, die in einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind sowie in axialer und radialer Richtung an dem Spindelkopf der Spindel, an der Antriebshalterung oder an der Aufnahmevorrichtung der Antriebsmechanik angeordnet sind.

[0011] Derartige lineare Stellantriebe dienen vorrangig zur Ausrichtung von Waffen mit einem begrenzten Richtwinkel in Elevationsrichtung, mit Richtwinkeln bis zu 30° bis 40°, z.B. für gepanzerte Fahrzeuge. Bei Waffenanlagen mit grösseren vertikalen Richtwinkeln von bis zu 90°, z.B. zum Einsatz für die Luftabwehr, weisen derartige lineare Stellantriebe grosse Nachteile auf, da die Änderung der Übersetzung der Drehbewegung des Motors in die Schwenkbewegung der Waffenanlage in Elevationsrichtung mit zunehmenden Richtwinkeln überproportional zunimmt und daher regelungstechnisch und antriebstechnisch schwer auszugleichen ist. Daher werden bei Waffenanlagen mit grösseren vertikalen Richtwinkeln auch für die Bewegung der Waffe in ihrer Höhenachse rotatorische Antriebe verwendet, die eine konstante Übersetzung bei allen Richtwinkeln aufweisen.

[0012] Zur Drehmomentmessung sind allgemein Einrichtungen bekannt, die in den Antriebsstrang eines solchen linearen Antriebs zwischen dem Rotor des Motors und der anzutreibenden Drehmasse angeordnet werden können. Eine derartige Anordnung würde zu einer Messung des Drehmomentes an sich bewegenden Teilen führen, was zu einem hohen Aufwand zur Übertragung der Messsignale, z.B. mittels Schleifringen, Schleppkabel oder Funk, vom drehenden Teil des Antriebes zum statischen Teil der Stabilisierungsanlage führt. Des Weiteren dürfen derartige Drehmomentmessgeräte nur von den zu messenden Drehmomenten belastet werden, so dass Querkräfte und Biegekräfte mittels einer aufwändigen mechanischen Integration der Drehmomentmesseinrichtung eliminiert werden.

[0013] Grundsätzlich lassen sich Drehmomente auch durch die Messung des Reaktionsdrehmoments, das sich am Stator des Motors ausbildet, messen. Der Stator des Motors dreht sich nicht mit, so dass das Signal direkt an den Stabilisierungsregelkreis übertragen werden kann und Nachteile bei der Messsignalübertragung von drehenden Teilen vermieden werden. Bei der Messung des Reaktionsmoments am Stator des Motors können jedoch keine Drehmomente gemessen werden, die entstehen, wenn die Plattform sich bewegt und der noch nicht beschleunigte Rotor durch die träge Masse der stabilisierten Drehmasse angetrieben wird. Hinsichtlich einer hohen Stabilisierungsgüte des Stabilisierungsantriebs ist jedoch gerade diese Messinformation die wichtigste Messgrösse, da gerade das Signal der angetriebenen Drehmasse mit dem Ziel einer möglichst verzögerungsfreien Beschleunigung des Rotors im Regelkreis verarbeitet werden soll. Auf den Stator des Motors wird jedoch dieses von der Drehmasse induzierte Drehmoment nicht übertragen, weil sich die Beschleunigungsmomente an der trägen Masse des Rotors abstützen.

[0014] Eine geeignete Messeinrichtung zur Ermittlung der Drehmomente für eine Richt- und Stabilisierungsanlage darf ausserdem keine Fremdeinflüsse messen, die beispielsweise aus linearen Beschleunigungskräften entstehen, die auf den Richtantrieb wirken, da die Plattformen auf denen die Drehmasse gelagert ist, Beschleunigungen in allen Richtungen erfahren können.

[0015] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Richt- und Stabilisierungsanlage mit einer einfachen Drehmomentmesseinrichtung bereitzustellen, die die Drehmomente zwischen einer Drehmasse und einer Plattform misst, wobei die Drehmomente sowohl vom Antrieb als auch durch die bewegte Plattform erzeugt werden.

[0016] Diese Aufgabe wird durch eine Richt- und Stabilisierungsanlage mit einer Kraftmessvorrichtung zur Messung der das Drehmoment bestimmenden Kräfte gelöst, die ringförmig ausgebildet und zwischen der Plattform und dem Richtantrieb angeordnet ist, wobei sich die Abtriebseinrichtung des Richtantriebs durch die Kraftmessvorrichtung hindurch erstreckt, wobei die Kraftmessvorrichtung zwischen dem Richtantrieb und der Plattform entstehende, vom Richtantrieb oder infolge einer Beschleunigung der Drehmasse am Richtantrieb induzierte Kräfte zur Bestimmung des Drehmoments misst.

[0017] Die Entkoppelung der Kraftmessvorrichtung vom Richtantrieb bei einer Richt- und Stabilisierungsanlage verhindert eine Belastung des Richtantriebes und seiner Bestandteile, da wesentliche Teile des entstehenden Drehmoments und möglicher Biegebeanspruchungen durch die Kraftmessvorrichtung aufgenommen werden. Die Anordnung der Kraftmessvorrichtung ermöglicht weiter, einen nur auf die Anforderung der Richt- und Stabilisierungsanlage ausgelegten Richtantrieb zu verwenden, wobei neben rotatorischen Antrieben auch lineare Antriebe einsetzbar sind. Der Einsatz der Kraftmessvorrichtung ermöglicht weiter eine gute Abstimmung zwischen dem aufgeprägten Drehmoment und einem entsprechenden Messsignal, so dass mit einem auf den Stabilisierungsregelkreis abgestimmten Ansprechverhalten eine genaue Steuerung des Antriebs möglich ist. Die gewählte Anordnung der Kraftmessvorrichtung zwischen der Antriebshalterung und dem Richtantrieb weist zwar eine gewisse Abweichung der ermittelten Messgrösse zur idealen Messgrösse auf, insbesondere des durch die sich bewegende Plattform an der stabilisierten Drehmasse induzierten Drehmoments beim noch nicht beschleunigten Rotor. Diese Abweichungen können aber durch die abgestimmte Auswahl des Richtantriebs so klein gehalten werden, dass weiterhin eine deutliche Verbesserung der Stabilisierungsgüte erreicht wird.

[0018] Der Richtantrieb zum Richten der Drehmasse kann als rotatorischer Antrieb ausgebildet und die Kraftmessvorrichtung zwischen der Antriebshalterung und dem rotatorischen Antrieb angeordnet sein. Die ringförmig ausgebildete Kraftmessvorrichtung ist besonders gut geeignet, die Drehmomente bei einer durch einen rotatorischen Antrieb bedingten gleichmässigen Übersetzung der Drehbewegung des Motors zur Drehbewegung der Drehmasse zu messen.

[0019] Eine günstige Ausführungsform sieht vor, dass der Richtantrieb einen Elektromotor und ein mindestens einstufiges Getriebe umfasst, wodurch ein einfacher und wirkungsvoller Antrieb zum Richten der Drehmasse möglich wird. Dabei kann das Getriebe je nach Anforderung der Richt- und Stabilisierungsanlage als ein mindestens einstufiges Stirnradgetriebe, für eine möglichst gleichförmige Übertragung der Drehbewegung des Elektromotors auf die Drehmasse, oder als ein mindestens einstufiges Planetengetriebe, für eine möglichst direkte Wirkung der Drehbewegung des Rotors bzw. der Beschleunigung der Drehmasse auf das Getriebe, ausgebildet sein.

[0020] Eine weitere Ausbildung kann vorsehen, dass die Abtriebseinrichtung des Richtantriebs an dem mindestens einstufigen Getriebe angeordnet ist und die Kraftmessvorrichtung das zwischen der Plattform und dem Gehäuse des Getriebes entstehende Drehmoment misst. Durch diese Anordnung wird eine einfache und besonders gut wirkende Drehmomentmessung ermöglicht. Dabei kann durch die Wahl einer grossen Getriebeübersetzung die Abweichung der ermittelten Messgrösse zum eigentlich induzierten Drehmoment besonderes gering gehalten werden und eine besonders gute Stabilisierungsgüte erreicht werden.

[0021] Zur einfachen Bestimmung des auf die Drehmasse wirkenden Drehmoments kann die Kraftmessvorrichtung an mindestens einer Stelle eine messbare Dehnung aufweisen, welche proportional zu dem zu messenden Drehmoment ist. Um das zu messende Drehmoment sicherer zu bestimmen und auch eine nicht synchron verlaufende Dehnung infolge von Biegekräften detektieren zu können, kann die Kraftmessvorrichtung an mindestens zwei Stellen eine messbare Dehnung aufweisen, welche proportional zu dem zu messenden Drehmoment ist.

[0022] Eine zweckmässige Ausgestaltung sieht vor, dass an der mindestens einen oder mindestens zwei Stellen der Kraftmessvorrichtung jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifen die messbare Dehnung misst. Mittels Dehnungsmessstreifen sind bereits geringe elastische Verformungen an der Kraftmessvorrichtung gut messbar. Neben Dehnungsmessstreifen können auch Dehnungsaufnehmer auf Basis piezoelektrischer Wandler zur Ermittlung der elastischen Verformungen der Kraftmessvorrichtung verwendet werden.

[0023] Zur Kompensation von mechanischen und thermischen Störeinflüssen können an der mindestens einen oder mindestens zwei Stellen der Kraftmessvorrichtung Dehnungsmessstreifen zu einer Messbrücke zusammengeschaltet sein. Dabei wird als Messschaltung für die Dehnungsmessstreifen bevorzugt eine Wheatstone-Brücke in Form von Viertel-, Halb- oder Vollbrücken (für 1, 2 oder 4 aktive Dehnungsmessstreifen) eingesetzt.

[0024] Der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs kann die addierten Messsignale von mindestens zwei Messbrücken verwenden. Neben der genaueren Bestimmung des wirkenden Drehmoments können so auch die an der Kraftmessvorrichtung wirkenden Biegekräfte genau bestimmt werden.

[0025] Vorteilhafterweise kann die Kraftmessvorrichtung aus zwei gegeneinander verdrehbaren Ringen bestehen, die über elastisch verformbare Stege miteinander verbunden sind, wobei sich die Stege bei einem an den Ringen eingeleiteten Drehmoment elastisch verformen. Durch diese einfache Vorrichtung kann bis zu einem Drehmoment von 400 Nm eine Abstützung des Richtantriebs an der Antriebshalterung ohne eine plastische Verformung erfolgen. Sie ermöglicht jedoch über die elastisch verformbaren Stege, die im Wesentlichen die gesamte elastische Verformung des an den Ringen eingeleiteten Drehmoments aufnehmen, das am Richtantrieb induzierte Drehmoment zu messen.

[0026] Für eine einfache und sichere Verbindung der Kraftmessvorrichtung mit der Antriebshalterung und dem Richtantrieb können die Ringe als Flansche ausgebildet sein. Dabei sind für eine einfache Messung der Dehnung die Stege als Stellen messbarer Dehnung ausgebildet.

[0027] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei gegeneinander verdrehbaren Ringe und/oder die elastisch verformbaren Stege aus Aluminium hergestellt sind. Die Herstellung der Ringe aus Aluminium ermöglicht eine gute Festigkeit für eine Anbringung an der Antriebshalterung und dem Richtantrieb, während elastisch verformbare Stege aus Aluminium die notwendige Elastizität zur Messung einer Dehnung bei gleichzeitiger ausreichender Festigkeit zur Abstützung des durch den Antrieb aufgebrachten Drehmoments an der Antriebshalterung ermöglichen.

[0028] In einer bevorzugten Ausbildung weist die Richt- und Stabilisierungsanlage einen an der Drehmasse angeordneten Messkreisel zur Messung der Bewegung der Drehmasse im inertialen Raum auf, und der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs wandelt die Bewegungsmessung in Stellsignale für die Drehmasse um. Ein derartiger Messkreisel und der zugeordnete Regelkreis ermöglichen die direkte Ausrichtung der Drehmasse bzw. die Stabilisierung hinsichtlich der Bewegung der Plattform und deren Drehung im inertialen Raum.

[0029] Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs der Signale eines Kreisels einer anderen Drehmasse bzw. die Lagesignale einer bereits kreiselstabilisierten anderen Drehmasse und/oder extern vorgegebene Richtsignale in Stellsignale für die Drehmasse umwandeln. Diese Ausgestaltung des Stabilisierungsregelkreises ermöglicht ein Steuern des Richtantriebs hinsichtlich weiterer Stellgrössen bzw. Bewegungen der Richt- und Stabilisierungsanlage und vereinfacht damit auch das Steuern des Richtantriebs mittels der Drehmomentmessung.

[0030] Die Verwendung einer Kraftmessvorrichtung in einer Richt- und Stabilisierungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Bestimmen des zwischen dem Richtantrieb und der Plattform entstehenden, vom Richtantrieb oder in Folge einer Beschleunigung der Drehmasse am Richtantrieb induzierten Drehmoments, wobei die Kraftmessvorrichtung ringförmig ausgebildet ist, zwischen der Plattform und dem Richtantrieb angeordnet ist und die Abtriebseinrichtung des Richtantriebs sich durch diese hindurch erstreckt, ermöglicht eine elastische Verbindung des Richtantriebes mit der Drehmasse in einer Richt- und Stabilisierungsanlage und dadurch die Messung der induzierten Kräfte zur Bestimmung des Drehmoments an einem stationären Bauteil. Die Kraftmessvorrichtung ermöglicht auch das Bestimmen bereits geringer Drehmomente, aber auch eine Abstützung grosser vom Motor an die Drehmasse übertragenen Drehmomente an der Plattform der Richt- und Stabilisierungsanlage.

[0031] Im Folgenden wird anhand der Zeichnung die Ausführung der erfindungsgemässen Kraftmessvorrichtung zur Drehmomentbestimmung in einer Richt- und Stabilisierungsanlage näher erläutert, in denen: <tb>Fig. 1<sep>eine seitliche Schnittansicht einer Richt- und Stabilisierungsanlage mit einer Kraftmessvorrichtung zur Drehmomentbestimmung zeigt, <tb>Fig. 2<sep>eine Draufsicht und eine Seitenansicht der Kraftmessvorrichtung aus Fig. 1 zeigt, <tb>Fig. 3a<sep>einen vergrösserten Ausschnitt der Seitenansichten eines Steges der Kraftmessvorrichtung aus Fig. 2zeigt, <tb>Fig. 3b<sep>einen vergrösserten Ausschnitt einer weiteren Seitenansicht eines Steges der Kraftmessvorrichtung aus Fig. 2 zeigt, und <tb>Fig. 4<sep>eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Planetengetriebes für den Richtantrieb aus Fig. 1zeigt.

[0032] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Richt- und Stabilisierungsanlage 1 mit einer Drehmasse 2, beispielsweise eine Waffe, und einer bewegten Plattform 3, beispielsweise der auf einem Fahrzeug angeordnete Geschützturm. Die Drehmasse 2 ist mittels einer Welle 4 auf einer mit der Plattform 3 fest verbundenen Halterung 5 angeordnet und um die sich durch die Welle 4 erstreckende Achse A gegenüber der Plattform 3 beweglich gelagert. Die Richt- und Stabilisierungsanlage 1 weist weiter einen rotatorischen Richtantrieb 6 auf. Der rotatorische Richtantrieb 6 besteht aus einem Motor 7 mit einem Rotor 8, einem Stator 9 und einer Motorwelle 10. Die Motorwelle 10 ist auf der Abtriebsseite mit einem Ritzel 11 versehen, das gleichzeitig das Sonnenrad des Planetengetriebes 12 bildet. Das Sonnenrad 11 treibt dabei die Planetenräder 13 an, die sich an dem Gehäuserad 14 abstützen, wobei das Gehäuserad 14 fest mit dem Getriebegehäuse 15 verbunden ist.

[0033] An der Halterung 5 ist eine Kraftmessvorrichtung 16 angeordnet, die über die Halterung 5 mit der bewegten Plattform 3 verbunden ist. An der Kraftmessvorrichtung 16 ist auf der entgegengesetzten Seite der Halterung 5 das Planetengetriebe 12 des rotatorischen Richtantriebs 6 an dem Getriebegehäuse 15 befestigt. Die Planetenräder 13 des Getriebes 12 treiben über eine Abtriebseinrichtung 17 (Planetenkäfig), die sich axial durch die Kraftmessvorrichtung 16 hindurch erstreckt, die Drehmasse 2 an. Dabei ist die Abtriebseinrichtung 17 (Planetenkäfig) über das auf der anderen Seite der Kraftmessvorrichtung 16 angeordnete Ritzel 18 mit einem an der Welle 4 angeordneten, mit der Drehmasse 2 verbundenen Zahlensegment 19 gekoppelt und treibt so die stabilisierte Drehmasse 2 an. Die Kraftmessvorrichtung 16 ist dabei durch die Halterung 5 und das Getriebegehäuse 15 wirkmässig zwischen der Plattform 3 und dem rotatorischen Richtantrieb 6 angeordnet.

[0034] Fig. 2 zeigt eine Draufsicht und eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemässe Kraftmessvorrichtung 16, die sowohl die das Drehmoment bestimmenden Kräfte, die der Motor 7 auf die Drehmasse 2 ausübt, als auch die durch die Drehmasse 2 induzierten, das Drehmoment bestimmenden Kräfte, die den Rotor 8 des Motors 7 rückwärts treibend beschleunigen, messen kann. Dabei werden alle anderen Krafteinflüsse, die auf den Richtantrieb 6 wirken, beispielsweise aus Linearbeschleunigungen der Richt- und Stabilisierungslage 1 in allen Richtungen oder auf das Ritzel 18 wirkende Querkräfte, durch die zwischen der Plattform 3 und dem rotatorischen Richtantrieb 6 angeordnete Kraftmessvorrichtung 6 nicht gemessen. Die Kraftmessvorrichtung 6 besteht aus zwei Ringen 20, 21, die über mehrere Stege 22 miteinander verbunden sind. Die in Fig. 2gezeigte Ausführungsform der Kraftmesseinrichtung 16 verwendet vier Stege 22, um die beiden Ringe 20, 21 miteinander zu verbinden, wobei die vier Stege 22 jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Vorteilhafterweise werden die Ringe 20, 21 sowie die Stege 22 aus einem einzelnen zusammenhängenden Teil gefertigt, z.B. aus Aluminium, da Fügestellen zwischen den Stegen und Ringen die elastischen Verformungen, die ein Mass für das zu messende Drehmoment darstellen und von den Drehmomentsensoren gemessen wird, stören können. Die Ringe 20, 1 können dabei als Flansche zur Befestigung der Kraftmessvorrichtung 16 an der Halterung 5 und dem Getriebegehäuse 15 ausgebildet und mit entsprechenden Bohrungen versehen sein.

[0035] Wie in Fig. 3a gezeigt, ist zumindest einer der Stege 22 mit mindestens zwei Dehnungsmessstreifen 23, 24 versehen, die eine elastische Verformung des Steges infolge einer auf die Kraftmessvorrichtung einwirkenden Kraft detektieren und mittels einer Änderung des Widerstands der Dehnungsmessstreifen 23, 24 ein der elastischen Verformung des Steges proportionales Signal an eine Auswerteelektronik für die Dehnungsmessstreifen 23, 24 weiter gegeben. Mit den parallel zueinander in Längsrichtung auf dem Steg 22 versetzt angeordneten Dehnungsmessstreifen 23, 24 kann bereits eine minimale elastische «Verbiegung» der Stege 22 gemessen werden. Da Dehnungsmessstreifen 23, 24 üblicherweise ein Messsignal liefern, das nur wenige Millivolt beträgt, wird eine geeignete Auswerteelektronik benötigt, die eine Aufbereitung des Signals entsprechend des vom Stabilisierungsregelkreis benötigten Eingangssignals ermöglicht. Diese Auswerteelektronik kann als einzelne Baugruppe mit kleinen Dimensionen realisiert werden, so dass eine solche Baugruppe zwischen den Ringen 20, 21 der Kraftmessvorrichtung 16 angeordnet werden kann. Die Auswerteelektronik stellt zur Speisung der Dehnungsmessstreifen 23, 24 eine Präzisionsreferenzspannung von üblicherweise 10V bereit und umfasst zur Weiterverarbeitung des Signals einen driftarmen Verstärker mit einer 500-fachen Verstärkung. Wenn die Baugruppe mit der Auswerteelektronik zwischen den Ringen 20, 21 der Kraftmessvorrichtung angeordnet ist, sind von aussen nur Anschlüsse für die Versorgungsspannung, üblicherweise ± 15 V, für die Bezugsmasse und das Ausgangssignal notwendig.

[0036] Fig. 3a zeigt weiter die elastische Verformung des Steges 22 in Folge eines Drehmomentes, das die beiden Ringe 20, 21 der Kraftmessvorrichtung 16 gegeneinander verdreht. Eine auf einer Fläche eines Steges 22, bevorzugt einer Seitenfläche, angeordnete bzw. aufgeklebte Messbrücke aus Dehnungsmessstreifen, hier aus zwei Dehnungsmessstreifen 23, 24 bestehend, erkennt die Verdrehung der Ringe 20, 21 zueinander durch die Verkürzung des Dehnungsmessstreifen 23 und der Verlängerung des Dehnungsmessstreifens 24 in Folge der elastischen Verformung des Steges 22. Fig. 3b zeigt eine weitere Seitenansicht der Kraftmessvorrichtung 16 mit einer geeigneten, parallelen Anordnung der Dehnungsmessstreifen 23, 24 für eine volle Wheatstone’sche Messbrücke auf dem Steg 22, die in gleicher Weise zur Messung des Drehmoments geeignet ist.

[0037] Die elektronische Auswertung einer Widerstandsmessbrücke wird hier im Einzelnen nicht beschrieben, da dies dem zuständigen Fachmann allgemein bekannt ist und in der Anwendung der Kraftmessvorrichtung 6 zur Drehmomentmessung nicht über den im Stand der Technik üblichen Auswertealgorithmus hinausgeht. Auch die Befestigungseinrichtungen der Ringe 20, 21 der Kraftmessvorrichtung 16 zur Befestigung der Kraftmessdose an dem Getriebegehäuse 15 sowie der Halterung 5 sind hier im Einzelnen nicht detailliert beschrieben, da weder die Auswahl noch der Einsatz geeigneter Befestigungen einen wesentlichen Einfluss auf die Funktion der Kraftmessvorrichtung 6 hat.

[0038] Ein Auseinanderziehen der beiden Ringe 20,21 der Kraftmessvorrichtung 16 durch von aussen aufgebrachte Querkräfte bewirkt bei einer symmetrischen Anbringung der Messbrücke auf den Steg eine Veränderung der Widerstände der Dehnungsmessstreifen 23,24 in einer gleichen Weise, was bei einer Messbrücke keine Veränderung des Messsignals hervorruft. In allen anderen Bewegungsrichtungen weisen die beiden Ringe 20,21 durch die Anordnung und Auswahl der Stege 22 zueinander eine ausreichend steife Struktur auf. Ein äusseres Biegungsmoment führt dann nicht zu einem bedeutenden Messsignal, wenn die Biegesteifigkeit der Kraftmessvorrichtung 16 entsprechend ausgewählt ist. Dies ist insbesondere bei einer Konstruktion einer Richt- und Stabilisierungsanlage nach Fig. 1wichtig, da sich dort die Umfangskräfte des Ritzels 18 als Querkräfte über die Abtriebsvorrichtung als Hebelarm rückwirkend als Biegemoment auf die Kraftmessvorrichtung 16 auswirken. Wenn jedoch die Biegesteifigkeit der Kraftmessvorrichtung 16 in Folge von konstruktiven Anforderungen, z.B. geringen Wandstärken, nicht ausreicht ein Messsignal in Folge von Biegekräften auf das Getriebe 12 des rotatorischen Richtantriebs 6 zu verhindern, kann durch das Anbringen einer zweiten Messbrücke auf einem der ersten Messbrücke gegenüberliegenden Steg 22 gewährleistet werden, dass eine Biegekraft, die an der ersten Messbrücke ein positives Signal bewirkt, an der zweiten Messbrücke ein negatives Signal auslöst. Die beiden Signale der ersten und zweiten Messbrücke können dann entsprechen addiert werden, was insgesamt die Empfindlichkeit des Nutzsignals zur Drehmomentmessung verdoppelt, ein durch eine Biegekraft ausgeübtes Signal jedoch auslöscht.

[0039] Die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt des in Fig. 1dargestellten Planetengetriebes 12 in einer Seitenansicht sowie einen Schnitt durch das Getriebe. Die bei einer rückwärts treibenden Beschleunigung des Rotors 8 auftretenden Kräfte und Drehmomente an der Kraftmessvorrichtung 16, wobei diese Drehmomente nicht durch den Motor 7 selbst aufgebracht werden, werden anhand dieser Darstellung erläutert. Bei einer bewegten Plattform 3 und einem die Drehmasse 2 nicht antreibenden Motor 7 treibt die stabilisierte Drehmasse 2 selbst bei einer Beschleunigung aufgrund ihrer eigenen Trägheit rückwirkend den Motor 7 an. Das dabei am Ritzel 18 entstehende Drehmoment ist im Weiteren mit MdR bezeichnet. Für diesen Fall, dass der Rotor 8 des Motors 7 von der stabilisierten Drehmasse 2 angetrieben wird, entsteht ein Unterschied zwischen dem Drehmoment am Ritzel 18 und dem Drehmoment, welches vom Getriebegehäuse 15 übertragen und mit der hier vorgeschlagenen Kraftmessdose 16 gemessen wird. Das Drehmoment, welches mittels der Kraftmessvorrichtung 16 bestimmt wird, ist nachstehend mit MdG bezeichnet.

[0040] Mittels der in Fig. 4dargestellten Grössen wird ein Vergleich des Drehmomentes MdR am Ritzel 18 von dem am Gehäuserad 14 und damit am Gehäuse 15 des Getriebes 12 auftretenden und von der Kraftmessvorrichtung 16 gemessenen Drehmomentes MdG dargestellt und bewertet. Das Drehmoment am Ritzel 18 beschleunigt die Planetenräder 13, welche am Sonnenrad 11 und am Getriebegehäuse 15 die drehmomentbildenden, gleichen Kräfte F2 hervorrufen. Der Rotor 8 des Motors 7 wird durch das Drehmoment, welches aus den Kräften F2 mit dem Radius R1 des Planetenrades 13 entsteht, beschleunigt. Das am Gehäuserad 14 auftretende Drehmoment MdG wird ebenfalls durch die Kräfte F2 hervorgerufen, jedoch über den Radius R2 des Gehäuserades 14. Dabei sind die Kräfte F2 halb so gross wie die Kräfte F1, was sich aus der Gleichgewichtsbedingung, d.h. die Summe aller Kräfte muss gleich Null sein, ergibt.

[0041] Das am Gehäuse 15 des Getriebes 12 gemessene Drehmoment MdG ist das Produkt aus den Kräften F2 multipliziert mit dem Radius R2. Das am Ritzel 18 gemessene Drehmoment MdR ist das Produkt aus den Kräften F1 multipliziert mit dem Radius bis zum Mittelpunkt des Planetenrades 13. Mathematisch ergibt sich somit die folgende Gleichung für das Verhältnis der beiden Drehmomente: MdG/MdR = F2 × R2 / F1 × (R1 +(R2–R1)/2)

[0042] Mit der oben genannten Randbedingung, dass die Kraft F1 doppelt so gross ist wie die Kraft F2 (F1 = 2 × F2) stellt sich die Gleichung wie folgt dar: MdG / MdR = R2/(R2 + R1)

[0043] Bei einem Planetengetriebe 12 ist die Übersetzung Ü durch das Verhältnis der beiden Radien R1 und R2 wie folgt definiert: Ü = 1 + R2/R1 oder R2 = (Ü–1)/Ü

[0044] Damit ergibt sich das Verhältnis des gemessenen Drehmomentes am Planetengetriebe 12 zu dem Drehmoment, welches an dem Ritzel 18 des Getriebes 12 auftritt zu: MdG/MdR = 1–1 / Ü

[0045] Damit wird deutlich, dass für ein einstufiges Planetengetriebe 12 die Abweichung der Messungen des Drehmoments zwischen der Antriebswelle der Drehmasse 2 und am Gehäuse 15 des Planetengetriebes 12, bzw. an der Kraftmessvorrichtung 16 umso kleiner ist, je grösser die Übersetzung des Getriebes 12 ist.

[0046] Im Umkehrschluss ist daraus auch zu erkennen, dass die erfindungsgemässe Kraftmessvorrichtung 6 für sehr kleine Übersetzungsverhältnisse oder Direktantriebe nur schlecht geeignet ist. Jedoch ist bei kleinen Übersetzungsverhältnissen bzw. Direktantrieben, wie anfangs erläutert, eine Messung des induzierten Drehmoments auch nicht erforderlich.

[0047] Für mehrstufige Planetengetriebe und für Stirnradgetriebe führt die Berechnung zum gleichen, oben dargestellten Ergebnis. Auf die Darstellung der Ableitung für diese Fälle wird jedoch hier verzichtet.

[0048] Die vom Motor 7 auf die Drehmasse 2 übertragen Drehmomente rufen sowohl am drehenden Abtriebsritzel 18 als auch am stillstehenden Gehäuse 15 des Getriebes 12 bzw. an der Kraftmessvorrichtung 16 das gleiche Drehmoment hervor. Auf die Darstellung dieser Berechnung wird ebenfalls verzichtet.

Claims (7)

1. Richt- und Stabilisierungsanlage (1), insbesondere für eine Waffe, mit einer bewegbaren Plattform (3), einer auf der Plattform (3) beweglich gelagerten im inertialen Raum stabilisierten Drehmasse (2), einem rotatorischen Richtantrieb (6) zum Richten der Drehmasse (2), der einerseits mit der Drehmasse (2) und andererseits mit der Plattform (3) verbunden ist und eine Abtriebseinrichtung (17) aufweist, die den Richtantrieb (6) mit der Drehmasse (2) verbindet, einer Kraftmessvorrichtung (16) zur Messung der das Drehmoment bestimmenden Kräfte und mindestens einem Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs (6) mittels des bestimmten Drehmoments, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung (16) ringförmig ausgebildet ist und zwischen der Plattform (3) und dem Richtantrieb (6) angeordnet ist, wobei sich die Abtriebseinrichtung (17) des Richtantriebs (6) durch die Kraftmessvorrichtung (16) hindurch erstreckt, und wobei die Kraftmessvorrichtung (16) zwischen dem Richtantrieb (6) und der Plattform (3) entstehende, vom Richtantrieb (6) oder infolge einer Beschleunigung der Drehmasse (2) am Richtantrieb (6) induzierte Kräfte zur Bestimmung des Drehmoments messen kann.

2. Richt- und Stabilisierungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtantrieb (6) einen Elektromotor (7) und ein mindestens einstufiges Getriebe (12) umfasst.

3. Richt- und Stabilisierungsanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebseinrichtung (17) des Richtantriebs (6) an dem mindestens einstufigen Getriebe (12) angeordnet ist und die Kraftmessvorrichtung (16) zwischen der Plattform (3) und dem Gehäuse (15) des Getriebes (12) entstehende Kräfte zur Bestimmung des Drehmoments messen kann.

4. Richt- und Stabilisierungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmessvorrichtung (16) aus zwei gegeneinander verdrehbaren Ringen (20, 21) besteht, die über elastisch verformbare Stege (22) miteinander verbunden sind, wobei sich die Stege (22) bei einem an den Ringen (20, 21) eingeleiteten Drehmoment elastisch verformen können.

5. Richt- und Stabilisierungsanlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stegen (22) jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifen (23,24) die messbare Dehnung messen kann.

6. Richt- und Stabilisierungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Richt- und Stabilisierungsanlage (1) einen an der Drehmasse (2) angeordneten Messkreisel zur Messung der Bewegung der Drehmasse (2) im inertialen Raum aufweist, und der mindestens einen Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs (6) die Bewegungsmessung in Stellsignale für die Drehmasse (2) umwandeln kann.

7. Richt- und Stabilisierungsanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Richt- und Stabilisierungsanlage (1) einen Kreisel einer anderen Drehmasse oder eine bereits kreiselstabilisierte andere Drehmasse aufweist, und dass der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs (6) Signale des Kreisels der anderen Drehmasse bzw. Lagesignale der bereits kreiselstabilisierten anderen Drehmasse und/oder extern vorgegebene Richtsignale in Stellsignale für die Drehmasse (2) umwandeln kann.