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Einrichtung zum Steuern oder Regeln von elektromotorischen Antrieben
für Geräte nach Art von Schaufelradbaggern Bei elektrischen Steuer- bzw. Regeleinrichtungen
kann die Aufgabe entstehen, die kontinuierliche Verstellung einer Einrichtung in
der Weise durchzuführen, daß die Geschwindigkeit der Verstellung mit dem Durchlaufen
des Verstellweges gemäß einer bestimmten funktionellen Beziehung verändert wird.
Solche Einrichtungen können sich z. B. als vorteilhaft ergeben für die wirksame
Schwenkbewegung von Baggerarmen, damit nach einem gewissen Vorschub des Schwenkarmes
in seiner Mittellage bei der Durchf ührung der anschließenden kreisförmigen Schwenkbewegung
von dieser Mittellage aus stets eine möglichst volle Füllung der Baggerschaufeln
stattfindet. Im Sinne dieser Zielsetzung ist es bereits bekanntgeworden, in Abhängigkeit
von dem Weg, den ein Schwenkarm eines Schaufelradbaggers aus seiner Geradeausstellung
in Form eines Winkels zurücklegt, die Geschwindigkeit des Antriebsmotors stufenweise,
z. B. in drei Stufen, zu steuern. Bei einer solchen Lösung kann aber das Schaufelsystem
nur jeweils am Anfang eine volle Füllung haben, während mit Durchlaufen der Weg-bzw.
Geschwindigkeitsstufe diese Füllung der Schaufeln kontinuierlich abnimmt bis zum
sprunghaften Einsatz der neuen Stufe. Bei diesem bekannten Vorschlag war ferner
keine Einrichtung vorgesehen, welche die Einhaltung eines genauen Schwenkweges gewährleistete.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß
es für die Erreichung einer optimalen Arbeitsweise eines Schaufelradbaggers und
einer großen Förderleistung notwendig ist, erstens den jeweiligen Winkelweg auf
dem Kommandowege des Schwenkarmes genau einstellen zu können und ferner in Abhängigkeit.,xon
der Zurücklegung des damit jeweils vorgegebenen Wegsollwertes die Schwenkgeschwindigkeit
kontinuierlich zu ändern, so daß im Verlaufe jedes beliebig zurückgelegten Weges
praktisch stets die optimale Füllung des Schaufelsystems am Bagger gewährleistet
ist. Zur Lösung dieser Aufgabe bei einer Einrichtung zum Steuern oder Regeln von
elektromotorischen Antrieben für Geräte nach Art von Schaufelradbaggern unter Veränderung
der Schwenkgeschwindigkeit mit wachsendem Schwenkwinkel wird erfindungsgemäß ein
besonderes Rechengerät benutzt.
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Dieses besteht aus einem über einen Verstärker gespeisten Servomotor,
welcher einerseits eine Einrichtung verstellt, die einen Cosinuswert des von dem
zu regelnden motorischen Antrieb hervorgerufenen Verstellwinkelweges liefert, sowie
andererseits entsprechend diesem Verstellwinkelweg eine Tachometermaschine. antreibt,
welche durch, den genannten Cosinuswert erregt wird, und daß der von der Tachometermaschine
entnommene Produktwert aus der ersten Ableitung des Verstellwinkelweges und dem
Cosinuswert elektrisch gegeneinandergeschaltet wird mit einem Spannungswert, der
das Abbild eines Grundgeschwindigkeitswertes ist, und die Differenz auf den den
Servomotor speisenden Verstärker gegeben wird, so daß der Servomotor den Geber des
motorischen Antriebs mit einem Sollwert antreibt, der einen Weg darstellt, welcher
mit seinem Anwachsen von einer Anfangsstellung aus mit gesteigerter oder abnehmender
Geschwindigkeit zurückgelegt wird.
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Wird mit x der Schwenkwinkel gegenüber der Bezugs- oder Nullage (der
Vorwärtsrichtung des Baggers) bezeichnet, der von dem Schwenkwerk zurückgelegt wird,
so ist die erste Ableitung in einem bestimmten Punkt
des ' Schwenkwinkelweges bzw. die Geschwindigkeit, mit der dieser Weg bzw. Winkel
in diesem Punkt durchlaufen wird. Wird weiterhin mit V, die betriebsmäßig einstellbare
Anfangswinkelgeschwindigkeit der Schwenkbewegung für den Wert x = 0 bezeichnet,
d. h. in der Stellung, von welcher aus z. B. das Schwenkwerk eines Baggers
nach rechts bzw. nach links um einen bestimmten Winkelbetrag betriebsmäßig ausgeschwenkt
werden soll, so löst die erfindungsgemäße Recheneinrichtung die Aufgabe nach der
Beziehung
Eine beispielsweise Anordnung für die nähere Veranschaulichung des Wesens der Erfindung
in'
Blockschaltbilddarstellung zeigt schematisch die Figur der Zeichnung.
In dieser bezeichnet 1 einen Geber. Dieser ist auf einen Rückmelder 2 geschaltet.
An dem Rückmelder 2 ist ein einliniger Wirkungszeiger 3
angedeutet, welcher
zur nicht besonders dargestellten Schwenkwerkssteuerung zführen soll, und ferner
ein doppelliniger Wirkungszeiger 4, welcher zum Ausdruck bringen soll, daß dieSchwenkw
erksteuerungmechanisch den Rückmelder 2 verstellt. -Diese mechanische Rückwirkung
des Schwenkwerkes auf den Rückmelder 2 dauert so lange an, bis die Fehlerspannung
A #x auf den Wert Null abgebaut ist. Dann steht-der-- Rückmelder 2 synchron mit
dem -in deit Geber 1 von dem Rechengerät eingedrehten Wert. Auf den
Geber 1 soll nun der Sollwert des zurückzulegenden Weges in der Weise gegeben
werden, daß gleichzeitig mit fortschreitendem Weg auch die entsprechende Geschwindigkeitszunahme
bzw. -abnahme entsprechend berücksichtigt wird, d. h. mit dem Fortschreiten
auf dem Winkelweg x die angegebene Funktion
erfüllt wird, wenn V, der kleinste Wert der Geschwindigkeit bzw. die Anfangsgeschwindigkeit
ist von der genannten Nullstellung als Bezugswert und Anfangsgeschwindigkeit
aus. Die Errechnung dieses Wertes wird erreicht durch die Einrichtung, welche in
der gestrichelt angedeuteten Umrandung enthalten ist. Diese Einrichtung umfaßt als
ersten Teil einen Antriebsmotor 5,
der gemäß der einlinig eingetragenen Wirkungslinie
elektrisch über einen Verstärker 6 gespeist wird, welche zusammen als Servosteuerung
dienen. Von diesem Antriebsmotor 5 wird erstens über ein nicht besonders
dargestelltes Getriebe ein Drehtransformator 9 angetrieben, was durch den
doppellinigen Wirkungspfeil 7 veranschaulicht ist. Zweitens wird von dem
Motor 5 über ein ebenfalls nicht besonders dargestelltes Übersetzungsgetriebe
die Tachometermaschine 8 angetrieben, wie der doppellinige Wirkungspfeil
10 andeutet. Der Motor 5 treibt ferner gemäß dem doppellinigen Wirkungspfeil
11 den Geber 1 an. Von dem Drehtransformator 9 wird, da die
von ihm gelieferte elektrische Spannung sich entsprechend dem Cosinus des Verstellwinkels
ändert, wenn, wie angegeben, x den Winkelweg der Verstellung bedeutet, der
Wert cos oc auf die bzw. eine Erregerwicklung der Tachometermaschine 8 gegeben.
Zufolge des Antriebes der Tachometermaschine entsprechend dem Verstellwinkelweg
o# und der Belieferung der Erregerwicklung mit dem Wert cos oc kann von der Tachometermaschine
als Generator der Wert cos x -
entnommen werden. Dieser Wert cosoc -
wird über das Leitungssystem 12 gegen eine Spannung geschaltet, die als Abbild
der vorgegebenen Anfangsgeschwindigkeit Vo von einem zweiten von Hand einstellbaren
Drehtransformator 13
mit vorzugsweise in einem bestimmten Bereich linearer
Kennlinie geliefert wird; die Differenz dieser Spannungen wird auf den Verstärker
6 gegeben. Diese Differenz hat den Wert
Bei hinreichender Empfindlichkeit des Verstärkers 6
wird dieser Wert
A. sehr klein, da der Servomotor5 das Bestreben hat, diesen Wert
A. auf den Wert Null zu führen. Würde bei nullstrebigem A. der Idealfall
des Wertes Null erreicht werden, so ist dann, wie ohne weiteres zu übersehen ist,
die Bedingung erfüllt V, = cos,x -
oder
Damit ist zu Erkennen, daß die Geschwindigkeit mit fortschreitendem Weg sich in
der erwünschten Weise entsprechend der Beziehung ändert, d. h., daß z. B.
mit fortschreitendem Schwenkweg
des gesteuerten Schwenkarmes eines Baggers gegenüber der Vorwärtsbewegungsrichtung
des Baggers die Geschwindigkeit der Bewegung des Schwenkarmes zunimmt und dadurch
dieser Bagger in der Lage ist, über den gesamten Weg hinweg mit nahezu gleicher
Füllung seiner Schaufeln zu arbeiten.
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Die bisher nach der Zeichnung beschriebene Anordnung dient zur Durchführung
einer Folgesteuerung gemäß der angegebenen Funktion
= -# . Damit,
sowohl die Richtung als auch die Endlagen des Weges, der durch die Regeleinrichtung
gesteuert wird, entweder von Hand oder durch ein Programmgerät vorbestimmt werden
können, kann beispielsweise dem Drehtransformator 13 eine Einrichtung vorgeschaltet
werden, welche die Erregung dieses Drehtransformators entsprechend steuert und umpolt.
Durch eine Umpolung der Speisespannung- dieses Drehtransformators wird dann auch
eine Umpolung seiner Ausgangsspannung erreicht und damit eine Umpolung der Drehrichtung
des Servomotors 5. Außerdem kann durch Veränderung bzw. Abschaltung der Erregerspannung,
mit welcher der Drehtransformator 13 gespeist wird, eine Veränderung der
Grundgeschwindigkeit Vo bzw. ein Stillsetzen des Servomotors 5 erreicht werden.
In der Abbildung ist der Einfachheit halber das den Drehtransformator
13 speisende Programmgerät nur blockschaltbildmäßig angedeutet und mit 14
bezeichnet.
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In der an Hand der Zeichnung beschriebenen beispielsweisen Anordnung
wurden Drehtransformatoren 9 und 13 benutzt, die somit ausgangsseitig
Wechselspannungen abgeben. In einem solchen Falle ergibt sich auch die Notwendigkeit,
als Tachometermaschine 8 eine Wechselstromtachometermaschine zu verwenden.
Obwohl diese Wechselstrombauelemente für die Schaffung einer Lösung nach dem Grundgedanken
der Erfindung besonders geeignet sind, kann gegebenenfalls eine entsprechende Lösung
auch mit entsprechenden Gleichstrombauelementen ausgeführt werden, wenn statt des
Drehtransformators 13 z. B. ein lineares Potentiometer und statt des Drehtransformators
9 ein Cosinuspotentiometer verwendet und die Potentiometer mit Gleichspannungen
gespeist werden. Es ergibt sich dann sinngemäß die Möglichkeit, statt der Wechselstrom-Tachometermaschine
8
eine Gleichstrom-Tachometermaschine zu verwenden. Diese würde dann mit dem
dem Cosinus des zurückgelegten Weges proportionalen Gleichspannungswert in ihrer
Erregerwicklung gespeist werden.
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Wird eine Wechselstrom-Tachometermaschine benutzt, so wird vorzugsweise
eine solche verwendet, die nach dem Prinzip einer Ferrarismaschine aufgebaut ist.
Eine solche weist nach der üblichen Ausführung gewöhnlich in ihrem Ständer zwei
um 90 elektrische Grade räumlich gegeneinander versetzte Wicklungen auf und
besitzt einen Läufer, vorzugsweise in Form eines glockenförmigen Teiles aus Leichtmetall,
der
einen ruhenden zentralen Eisenkern umschließt. Wird eine solche
Ferrarismaschine angetrieben und ist eine der Ständerwicklungen erregt, so ergibt
sich zufolge der in dem umlaufenden Metallzylinder erzeugten EMK der Rotation ein
Wechselfeld, durch welches in der anderen Ständerwicklung eine Spannung induziert
wird, die proportional der Umlaufgeschwindigkeit des Metallzylinders und zugleich
der von der ersten Ständerwicklung gelieferten magnetischen'Erregung ist. Im allgemeinen
wird für die Zwecke der Erfindung eine solche Wechselstrom-Tachometermaschinebevorzugtwerden,weilsichdurchAnwendung
einer solchen die gewünschte Produktbildung normalerweise genauer durchführen läßt
als bei einerGleichstrom-Tachometermaschine. Ein einwandfreies Arbeiten des Rechengerätes
erfordert eine dynamisch hochwertige Folge- bzw. Servosteuerung, d. h. eine
solche, welche hinsichtlich ihres Ansprechens eine sehr kleine Zeitkonstante hat.
Es empfiehlt sich daher, für den Servomotor 5 einen Motor mit möglichst kleinem
Trägheitsmoment zu benutzen und für den Verstärker 6 einen Verstärker mit
möglichst kleiner Zeitkonstante, damit der ermittelte Rechenwert zeitlich möglichst
nahe dem durchlaufenden Wegpunkt vorliegt. Besonders geeignet als Verstärker sind
daher für diese Zwecke z. B. Transistorverstärker oder gegebenenfalls Röhrenverstärker.
Für die Zwecke des Servomotors 5 wird daher 'vorzugsweise ebenfalls ein Ferrarismotor
benutzt, wie er in seinem grundsätzlichen Wesen oben bereits als Ferrarismaschine
geschildert worden ist. In diesem Falle wird der Motor in der einen Wicklung vom
Netz konstant gespeist, während die andere Wicklung über den Verstärker
6 gespeist wird.
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Der Verstärker 6 soll auch vorzugsweise sehr empfindlich sein,
damit der Differenzwert A. zwischen der Anfangsgeschwindigkeit V" der Schwenkbewegung
und dem Produkt cos x - möglichst gering wird.
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Wird eine Gleichstrom-Tachornetermaschine
benutzt, so daß also von ihr als Produktwert eine Gleichspannung geliefert wird,
so muß sinngemäß auch die Einrichtung, welche den elektrischen Wert liefert, der
der Grundgeschwindigkeit V, bei der Zurücklegung des Weges entspricht, einen entsprechenden
Gleichspannungswert liefern, damit die erwünschte Differenzbildung für die Speisung
des dem Servomotor vorgeschalteten Verstärkers vorgenommen werden kann. Wird eine
Gleichstrom-Tachometermaschine benutzt, so kann für die Speisung ihrer Erregerwicklung
gegebenenfalls auch ein Drehtransformator für die Lieferung des Cosinuswertes benutzt
werden, und die von diesem gelieferte Ausgangswechselspannung wird dann über einen
Gleichrichter der Erregerwicklung der Tachometermaschine zugeführt.