DE1039771B

DE1039771B - Mess- und Regeleinrichtung fuer sehr kleine Geschwindigkeiten

Info

Publication number: DE1039771B
Application number: DEB45400A
Authority: DE
Inventors: Milo Koril; Hans-Joachim Hermann
Original assignee: Boelkow Entwicklungen KG
Current assignee: Boelkow Entwicklungen KG
Priority date: 1957-07-20
Filing date: 1957-07-20
Publication date: 1958-09-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen und Regeln geringer Geschwindigkeiten, insbesondere Vorschubgeschwindigkeiten an Werkzeugmaschinen. Die Notwendigkeit, außergewöhnlich kleine Geschwindigkeiten von etwa 1 mm pro Minute relativ genau zu messen, besteht vornehmlich bei Werkzeugmaschinen mit hydraulischen oder pneumatischen Vorschüben. Die Vorschubgeschwindigkeit ist bei derartigen Maschinen zwar kontinuierlich einstellbar, doch sind die Einstellwerte nicht mit genügender Genauigkeit reproduzierbar und daher die Einstelleinrichtungan. nicht eichbar. Um die hydraulisch oder pneumatisch bewirkten Vorschübe mit einer optimalen Bearbeitungsgeschwindigkeit steuern zu können, braucht man besondere Vorschubgeschwindigkeitsmesser. Es sind für diesen Zweck zwei Gruppen von Meßgeräten bekannt.

Die erste Art arbeitet auf mechanisch-hydraulischer Grundlage. Der Vorschub der Werkzeugmaschine treibt einen Kolben in einem Zylinder an, wodurch ein im Zylinder befindliches Medium unter Druck gesetzt wird und über eine Düse oder Blende entweichen kann. Der im Zylinder entstandene Differenzdruck ist dann ein Maß für die Vorschubgeschwindigkeit und kann mit einem Manometer gemessen werden. Dieses Verfahren ist je nach den Eigenschaften des benutzten Mediums nur für geringe Genauigkeitsansprüche brauchbar. Zudem sind die von den jeweiligen Abmessungen der Düse abhängigen Meßbereiche eng begrenzt und nicht durch einfache Umschaltung veränderbar.

Das zweite System arbeitet auf elektronischer Grundlage. Ein mechanisch-elektrischer Wandler, z. B. ein elektrischer Widerstands-, Induktions- oder Kapazitätgeber, der mit dem Vorschubtisch der Werkzeugmaschine mechanisch gekuppelt ist, bewirkt infolge der Geschwindigkeit der Vorschubbewegung direkt die Änderung einer elektrischen Größe. Dieser elektrische Wert wird dann zumeist elektronisch verstärkt und eventuell so geformt, daß er durch einen Spannungs- oder Strommesser angezeigt wird. Eine solche Meßeinrichtung benötigt einen relativ großen Aufwand an Verstärkungsmitteln, wie Elektronenröhren oder Transistoren. Ihr Aufbau ist kompliziert und störanfällig; sie hat einen ziemlich hohen Preis.

Die Nachteile der bekannten Geräte sind bei der neuen Meß- und Regeleinrichtung vermieden. Mit ihr sind äußerst geringe Geschwindigkeiten mit relativ großer Genauigkeit und kleinem baulichem Aufwand zu erfassen.

Gemäß der Erfindung besteht der Geber der Einrichtung aus einem in seinem Schwerpunkt kardanisch gelagerten, elastisch gefesselten Kreisel mit konstantem Drall. Dem äußeren Kardanrahmen wird eine der Meß- und Regeleinrichtung
für sehr kleine Geschwindigkeiten

Anmelder:

Bölkow-Entwicklungen

Kommanditgesellschaft,

Stuttgart-Flughafen

MiIo Koril, Stuttgart-Bad Cannstatt,

und Hans-Joachim Hermann,
Bernhausen (Kr. Eßlingen/Neckar),
sind als Erfinder genannt worden

zu messenden Geschwindigkeit entsprechende Drehbewegung erteilt, wodurch die Rotationsachse des Kreisels und somit der innere Kardanrahmen eine Präzessionsauslenkung erfährt, die der Geschwindigkeit verhältig ist. Ein mechanisch-elektrischer Wandler wird entsprechend der Auslenkung der Rotationsachse verstellt, und der elektrische Meßwert ist an einem Anzeigegerät als Geschwindigkeit ablesbar.

Der Antrieb des äußeren Kardanrahmens erfolgt über eine Zahn- oder Friktionsstange, die mit einem entsprechend ausgebildeten Rad auf der Antriebswelle zusammenwirkt. Er kann auch durch ein endloses Zugglied bewirkt werden, das einen ausreichend großen Umschlingungswinkel am Antriebsrad einschließt. Die Antriebsglieder besitzen zweckmäßigerweise ein richtungsabhängig wirksames Kupplungselement, durch das der Geschwindigkeitsmesser willkürlich ein- und ausgeschaltet werden kann. Als Kupplung wird vorteilhafterweise ein Freilauf innerhalb des Antriebsrades verwendet oder bei Verwendung eines endlosen Zuggliedes eine mechanische oder magnetische Mitnahmevorrichtung. Bei Werkzeugmaschinen beispielsweise ist nämlich vielfach eine Messung der Geschwindigkeit des schnellen Rücklaufs nicht erforderlich.

In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes dient die von der jeweiligen Lage der Rotationsachse abhängige Stellgröße in einfacher Weise zur Reglung der zu messenden Geschwindigkeit. Das geschieht, indem die Stellgröße auf den Vorschubmotor rückwirkt. Der Geschwindigkeitsmesser ist also das Meßwerk eines Regelkreises.

809 639/126

Da die Größe der Auslenkung und somit die Ansprechempfindlichkeit außer von der durch die zu messende translatorische Geschwindigkeit gegebenen Winkelgeschwindigkeit des äußeren Kardanrahmens auch noch vom Drall des Kreisels und der Größe des elastischen Rückführmoments abhängig ist, kann durch Veränderung dieser Größen des Kreiselsystems die Empfindlichkeit leicht dem jeweils zu erfassenden Geschwindigkeitsbereich angepaßt werden. Die Veränderung des Kreiseldralls wird nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in einfacher Weise durch Einstellung einer anderen konstanten Drehzahl verwirklicht.

Der Kreisel ist daher als Drehstrom- oder Wechselstrommotor ausgebildet, und zwar derart, daß vornehmlich die Netzfrequenz und nicht die Netzspannung seine Drehzahl bestimmt. Auf diese Weise wird ein verhältnismäßig konstanter Drall des Kreisels erreicht. Die Größe der Präzessionsauslenkung ist, wie schon gesagt, von dieser Größe des Kreisels abhängig, und wenn der Kreiselmotor ein polumschaltbarer ist, lassen sich verschiedene Meßbereiche durch Änderung des Kreiseldralls in einfacher Weise verwirklichen.

Nach einer anderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist der Kreiselmotor ein Gleichstrommotor. Zur Konstanthaltung der Drehzahl wird dieser mit einem Fliehkraftregler ausgerüstet.

Der Kreiselmotor ist ein Außenläufermotor, der in weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens auch zusätzlich die umlaufenden Teile eines Generators enthält. Dieser Generator wird zur Erzeugung einer Meßspannung mit vorzugsweise hoher Frequenz verwendet. Der innere Kardanrahmen wird dabei zweckmäßigerweise als Generatorgehäuse ausgebildet. Es erübrigt sich dann das Einleiten der Meßspannung von außen her, wodurch einige Schleifringe erspart werden.

Neben der Ausführung des mechanisch-elektrischen Wandlers als Spannungsteiler sind bei weiteren Ausführungsformen als Wandler eine induktive Anordnung mit veränderbarer Kopplung oder eine kapazitive Anordnung mit veränderbarer Kapazität vorteilhaft, denn bei diesen Systemen werden keine galvanischen Kontakte für die Meßwertübertragung zum Anzeigegerät benötigt.

Das elastische Rückführmoment, das dem Präzessionsmoment das Gleichgewicht hält, wird von Federn erzeugt, die zwischen den beiden Kardanrahmen angeordnet sind. Vorteilhafterweise kann neben der Beeinflussung durch die elektrischen Größen auch durch die Charakteristik dieser elastischen Rückführung die Anzeigegenauigkeit und der Maßstab der Geschwindigkeitsskala beeinflußt werden.

Nach einer anderen Ausführungsform dienen zur Fesselung der beiden Kardanrahmen Torsionsfedern, die auch gleichzeitig die Funktion der Schwenkachse erfüllen. Die Torsionsfedern können gleichzeitig auch als Zuleitungen für den Motorstrom verwendet werden.

Drei Beispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen in einfacher Darstellungsweise, zum Teil schematisch, wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 eine in Ruhe befindliche Geschwindigkeitsmeßeinrichtung in schräger Parallelprojektion,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform während eines Meßvorganges, ebenfalls in schräger Parallelprojektion, und

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht.

Die Zahnstange 5 ist mit einem sich bewegenden Maschinenteil, dessen Geschwindigkeit gegenüber dem Maschinengestell gemessen und geregelt werden soll, verbunden. Sie wirkt auf ein Zahnrad 6, in das ein nicht dargestellter Freilauf eingebaut sein kann. Das Zahnrad 6 ist auf einer Antriebswelle 7 des äußeren Kardanrahmens 8 eines Kreiselsystems befestigt. Auf eine senkrecht zur Antriebswelle 7 im Kardanrahmen 8 angeordnete Achse 10 ist ein innerer Kardanrahmen 9 schwenkbar gelagert. In dem Kardanrahmen 9 läuft ein Kreisel 11, dessen Rotationsachse 12 wiederum

ίο senkrecht zur Achse 10 steht. Zwischen beiden Kardanrahmen 8 und 9 ist eine Federfesselung 13 angeordnet, die den inneren Kardanrahmen 9 und somit die Rotationsachse 12 des Kreisels 11 bei nicht drehendem äußerem Rahmen 8 in der in Fig. 1 dargestellten Lage relativ zum äußeren Rahmen 8 hält. Dabei steht die Rotationsachse 12 also auch zu der Welle 7 senkrecht.

Der elektrisch angetriebene Kreisel 11 ist ein Wechselstrommotor, und zwar ein Außenläufermotor.

Auf dem linken Ende der Antriebswelle 7 sind fünf Schleifringe 14 angebracht, über die sowohl der Motorstrom für den Kreisel 11 als auch eine Meßspannung dem System zugeleitet werden und über die auch ein Anzeigegerät 17 angeschlossen ist. Ein zwisehen den beiden Kardanrahmen 8 und 9 angeordneter Spannungsteiler 15 besitzt einen mit der Achse 10 fest verbundenen Schleifkontakt 16, der sich in Fig. 1 in seiner Mittelstellung befindet. Der Spannungsteiler 15, 16 wandelt die jeweilige Auslenkung des inneren Kardanrahmens 9 in einen elektrischen Meßwert um, der von dem Spannungsmesser 17 angezeigt wird.

Durch Bewegung der Zahnstange 5 wird der äußere Kardanrahmen 8 um die Welle 7 in Drehung versetzt.

Die Rotationsachse 12 des mit konstanter Drehzahl laufenden Kreisels 11 erfährt dadurch eine von der Drehgeschwindigkeit abhängige Präzessionsauslenkung um die Achse 10, deren Größe unter anderem von der von der Federstellung 13 erzeugten Rückführkraft abhängt. Zu jeder Translationsgeschwindigkeit der Zahnstange 5 gehört eindeutig eine Präzessionsauslenkung des Rahmens 9 gegenüber dem Rahmen 8 und somit ein bestimmter, vom Spannungsteiler 15,16 erzeugter elektrischer Meßwert am Anzeigegerät 17.

Wenn die Drehung des Zahnrades 6 für beide Bewegungsrichtungen auf die Antriebswelle 7 übertragen wird, wenn also ein Freilauf nicht wirksam ist, erfaßt die Meßeinrichtung die Geschwindigkeiten für Hin- und Rücklauf der Zahnstange 5.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird die benötigte Meßspannung nicht von außen her dem Kreiselsystem zugeführt, sondern sie wird von einem im Kreiselkörper 11 selbst angeordneten Generator erzeugt. Dadurch ist die Anzahl der auf der Welle 7 benötigten Schleifringe 14 kleinen

Die mit dem Kardanrahmen 9 fest verbundene Rotationsachse 12 trägt einen Motoranker 18, auf dem ein Außenläufer 19 des Wechselstrommotors gelagert ist. Der Motorstrom wird über die Schleifringe 14 von außen zugeführt. Der Außenläufer 19 trägt gleichzeitig die Ankerpole 20 für einen Generator. Induktionsspulen 21 des Generators sind in dem mit dem Kardanrahmen 9 ebenfalls fest verbundenen Generatorgehäuse 22 angeordnet. Der vom Generator erzeugte hochfrequente Strom fließt durch die an dem Rahmen 9 befestigte Spule 23 und induziert in der gegenüberliegenden, am Rahmen 8 befindlichen Spule 24 eine Spannung, die von der Lage der beiden Kardanrahmen zueinander abhängt. Auf diese Weise wird die relative Stellung der beiden Kardanrahmen

mittels der Spannung in der Spule 24 in eine leicht meßbare elektrische Größe umgewandelt. Sie wird über einen der Motorstromschleifringe und einen weiteren Schleifring 14 dem Anzeigegerät 17 zugeleitet.

Die Übertragung der Längsbewegung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel über eine Friktionsstange 25, die mit dem Friktionsrad 26 auf der Antriebswelle 7 zusammenwirkt. Wenn der Kardanrahmen 8 nicht gedreht wird, liegt der auf der Präzessionsachse 10 fest angeordnete Hebel 27 infolge der Kraft der Druckfeder 29 gegen einen Anschlag 29 am Rahmen 8. Die Präzessionsauslenkung des Kreisels 11 ist bei dieser Ausführungsform nur in einer Richtung aus der Ruhestellung heraus möglich. Aus den in der Fig. 2 eingetragenen Pfeilen sind die auftretenden Bewegungsrichtungen erkennbar.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird der von dem Kreiselmotor-Generator erzeugte Strom durch eine Spule 31 geschickt, die auf einem vom Kardanrahmen 9 nach außen ragenden Spulenträger 30 angeordnet ist. Durch diese Bauweise wird ermöglicht, daß die zweite Spule 32, in der eine Meßspannung durch den in der Spule 31 fließenden hochfrequenten Strom induziert wird, sich nicht innerhalb des Kreiselsystems befinden muß, sondern am Gerätegehäuse konzentrisch zur Antriebsachse 7 befestigt sein kann. Zur Übertragung der Meßspannung an das Anzeigegerät 17 werden also für diese Ausführungsform keine Schleifringe gebraucht. Der Kreiselmotor 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Drehstrommotor.

Wenn die Friktionsstange 25 sich bewegt und der äußere Kar danrahmen 8 entsprechend in Drehung versetzt wird, wandert die Spule 31 um die Achse 7 der Spule 32. Die Lagen beider Spulen 31 und 32 zueinander sind von der Präzessionsauslenkung der Kreiselrotationsachse 12 abhängig, und die in der Spule 32 induzierte Spannung ist somit ein Maß für die Translationsgeschwindigkeit der Friktionsstange 25.

Der Kreisel kann auch pneumatisch angetrieben werden. Eine solche Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Werkzeugmaschine mit einem pneumatischen Vorschub oder pneumatischen Spannvorrichtungen ausgerüstet ist. Die pneumatische Energie wird dann beispielsweise über einen Kanal in der Antriebswelle 7 in das Kreiselsystem eingeleitet. In Verbindung mit einem mechanischelektrischen Wandler gemäß der Ausführung nach Fig. 3 fallen dann Schleifringe auf der Antriebswelle ganz weg.

Claims

Patentansprüche:

1. Meß- und Regeleinrichtung für sehr kleine Geschwindigkeiten, insbesondere Vorschubgeschwindigkeiten bei Werkzeugmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber der Einrichtung ein in seinem Schwerpunkt kardanisch gelagerter, elastisch gefesselter Kreisel mit konstantem Drall ist, dessen Rotationsachse eine von der Geschwindigkeit abhängige Präzessionsauslenkung erfährt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Auslenkung der Rotationsachse ein mechanisch-elektrischer Wandler verstellt wird und der elektrische Meßwert an einem Anzeigegerät als Geschwindigkeit ablesbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der jeweiligen Lage der Rotationsachse bewirkte Stellgröße zur Regelung der Geschwindigkeit dient, indem sie auf den Vorschubmotor rückwirkt.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kreisel darstellende Drehstrom- oder Wechselstrommotor so ausgebildet ist, daß vornehmlich die Netzfrequenz seine Drehzahl bestimmt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiselmotor ein Gleichstrommotor mit Fliehkraftregler ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch angetriebene Kreisel ein Außenläufermotor ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreiselmotor polumschaltbar für mindestens zwei Drehzahlen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel pneumatisch angetrieben wird.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel auch die umlaufenden Teile eines Generators zur Erzeugung einer Meßspannung mit vorzugsweise hoher Frequenz enthält, wobei das Generatorgehäuse mit dem inneren Kardanrahmen fest verbunden ist.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Fesselung der beiden Kardanrahmen von Torsionsfedern bewirkt wird.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfedern die Schwenkachse des inneren Kardanrahmens bilden.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionsfedern auch die Stromleitungen zu dem Kreisel sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch-elektrische Wandler eine induktive Anordnung mit veränderbarer Kopplung oder eine kapazitive Anordnung mit veränderbarer Kapazität ist, so daß sich galvanische Kontakte für die Meßwertübertragung zum Anzeigegerät erübrigen.

14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsglieder des äußeren Kardanrahmens ein richtungsabhängig wirksames Kupplungsglied, z. B. einen Freilauf, besitzen.

15. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle des äußeren Kardanrahmens ein Rad befestigt ist, das von einer Zahn- oder Friktionsstange oder einem vorzugsweise endlosen Zugglied bewegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen