DE1940315B2 - Vorrichtung zum Umsetzen der räumlichen Koordinaten der dreidimensionalen Bewegungen eines vorzugsweise handbetätigten mechanischen Steuerorgans in entsprechende elektrische Größen - Google Patents

Description

Endes der Steuerstange auftretenden mechanischen Biegespannungen in entsprechende elektrische Größen umsetzen.

Außerdem aber ist ein flacher, mit einer seiner Breitflächen im wesentlichen parallel zum Grundkörper mit Abstand von diesem freiverlaufender, elastisch biegsamer, gabelförmiger Ausleger vorgesehen, der mit seinem einen Ende mit den* Grundkörper fest verbunden ist und mit seinem anderen, gabelförmigen Ende in zwei an dem dem Grundkörper zugewandten Ende der Steuerstange senkrecht zu deren Achse verlaufende beiderseitige Schlitze eingreift, und der an seinen beiden Breitflächen mit elektrischen Biegespannungsmessern belegt ist, die die dort bei senkrecht zum Grundkörper verlaufenden Bewegungen der Steuerstange auftretenden mechanischen Biegespannungen in entsprechende elektrische Größen umsetzen.

Wie man sieht, ist bei der eifindungsgemäßen Lösung die als Steuerorgan dienende Steuerstange bereits ihrerseits so ausgestaltet, daß sie in der Lage ist, zwei Dimensionen der dreidimensionell zu erfassenden Bewegungen zu selektionieren, und zwar durch die Erfassung von Biegespannungen, die in der Steuerstange selbst auftreten, während die dritte (in der Richtung der Steuerstange liegende) Dimension durch die in einem zur Steuerstange senkrechten gabelförmigen Ausleger auftretende Biegespannung erfaßt wird. Schon diese Anordnung bedeutet eine erhebliche konstruktive Vereinfachung gegenüber Jen vorstehend erörterten bekannten Anordnungen.

Hinzukommt, daß bei der Erfindung die in Frage stehenden mechanischen Verstellgrößen auf sehr einfache Weise unmittelbar erfaßt und in entsprechende elektrische Größen umgesetzt werden, nämlich mit Hilfe von elektrischen Biegespannungsmessern.

Die vorstehend erörterten Besonderheiten aber erbringen die angestrebte Lösung der eingangs umrissenen Aufgabe und gewährleisten damit, wie ohne weiteres ersichtlich, einen erheblichen technischen Fortschritt.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet im übrigen noch gewisse besonders vorteilhafte Weiterbildungen.

So ist es zweckmäßig, wenn die Steuerstange von Führungselementen, z. B. von parallel zum Grundkörper angeordneten, mit Durchtrittsöffnungen versehenen Platten umschlossen ist, die die parallel zum Grundkörper verlaufenden steuernden Bewegungen der Steuerstange gestatten, sie aber auf Maximalwerte begrenzen. Durch diese Weiterbildung wird auf konstruktiv besonders einfache Weise die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhöht.

Was ferner die erfindungsgemäß vorgesehenen Biegespannungsmesser anbelangt, so ergibt sich für die ihnen nachgeschaltete Signalkonvertierung ein besonders einfacher Aufbau dann, wenn diese Biegespannungsmesser jeweils aktive Elemente von elektrischen Brückenschaltungen sind, also praktisch Zweige von Wheatstoneschen Brücken. Bezüglich dieser Verwendung von elektrischen Brückenschaltungen bei der Gewinnung von elektrischen Signalen aus mehrdimensionalen Bewegungen ist zum Stand der Technik in diesem Zusammenhang noch die US-Patentschrift 3350927 zu erwähnen. Dort indessen handelt es sich um die Verarbeitung von elektrischen Größen, die aus den zu erfassenden mechanischen Größen auf dem Wege über Potentionictcranordnunücn gewonnen werden.

Die Erfindung wird an einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im folgenden anhand der Zeichnungen des näheren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine die Prinzipien der Erfindung wiedergebende Vorrichtung, und

Fig. 2 ein Schaltbild einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeordneten Steuerschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zeigt eine in diesem Falle als Rundstab ausgebildete Steuerstange 10, die aus kaltgewalztem Flußstahl od. dgl. bestehen kann und einen Durchmesser von etwa 38 mm aufweist. Diese Steuerstange 10 enthält eine erste Ausnehmung 12 sowie eine zweite Ausnehmung 14. Diese Ausnehmungen 12 und 14 sind dabei an einander gegenüberliegenden Stellen der Steuerstange vorgesehen, wodurch zwei ineinander gegenüberliegende ebene Flächen 16 und 18 gebildet werdea.

Unterhalb der beiden Ausnehmungen 12 und 14 und rechtwinklig zu diesen ist eine dritte Ausnehmung 20 sowie eine vierte Ausnehmung 22 vorgesehen. Diese Ausnehmungen 20 und 22 sind auf einander gegenüberliegenden Seiten der Steuerstange angeordnet. So ergeben sich zwei einander gegenüberliegende ebene Flächen 24 und 26. Der durch die beiden ebenen Flächen 16 und 18 begrenzte Steg 28 sowie der durch die beiden ebenen Flächen 24 und 2(i begrenzte Steg 30 hat jeweils eine Dicke von etwa 6,3 mm. Der zwischen den Ausnehmungen 12 und 14 einerseits und den Ausnehmungen 20 und 22 liegende Teil der Steuerstange 10 ist etwa 6,35 mm dick.

Am unteren Ende der Steuerstange 10 sind zwei beiderseitige Schlitze 34 vorgesehen, die von solcher Größe sind, daß sie das gabelförmige Ende 36 eines gabelförmigen Auslegers 38 aufzunehmen vermögen. Das andere Ende dieses gabelförmigen Auslegers 38 ist an einem Grundkörper 42 m ittels einer Mutter und einer Schraube befestigt. Der gabelförmige Ausleger 3il wird durch ein Abstandsglied 44 in entsprechendem Abstand von dem Grundkörper 42 gehalten. Der gabelförmige Ausleger 38 kann dabei aus kaltgewalztem Stahl bestehen und eine Dicke von etwa 3,2 mm und an seinem Ende 40 eine Breite von etwa 12,7 mm aufweisen.

Der gabelförmige Ausleger 38 verhindert durch den Eingriff seines gabelförmigen Endes 36 in die Schlitze 34, daß sich die Steuerstange 10 um ihre Längsachse dreht. Er trägt im übrigen die Steuerstiinge 10 und hält dabei deren Unterseite vom Grundkörper 42 ab. So kann die Steuerstange 10 entgegen der Hemmwirkung des gabelförmigen Auslegers 38 durch eine vertikal wirkende Kraft nach oben oder unten frei bewegt werden. Die Steuerstange 10 wird dabei durch das ausladende, in die in ihr vorgesehenen beiderseitigen Schlitze 34 eingreifende Ende 36 des gabelförmigen Auslegers 38 an einer Drehung um ihre Längsachse gehindert.

Oberhalb der vorstehend betrachteten Elemente ist eine Mittelplatte vorgesehen, die durch eine Platte 46 gebildet sein kann, die eine kreisförmige Durchtrittsöffnung 48 aufweist. Diese kreisförmige Durchtrittsöffnung 48 ist von solcher Gi öLlc. daß die Steuerstand IC' darin frei gleitend aufgenommen weiden kann Darüber ist noch eine Oberplatte \oi gesehen, dadurch eine Platte 50 gebildet sein kann, die eine kici-. fömige Durchtrittsöffnung 52 aufweist Audi iIk'mkreisförmige Durchtrittsöffnung 52 im \ow -.okhii Größe, daß die Steuerstand 10 darm IHi l'Ii lUiul

aufgenommen werden kann.

Der Grundkörper 42, die Mittelplatte 46 und die Oberplatte 50 werden in solcher relativer Lage zueinander gehalten, daß die Mittelplatte 46 zwischen dem gabelförmigen Ausleger 38 und den Ausnehmungen 20 und 22 der Steuerstange 10 liegt. Die Oberplatte 50 ist dabei oberhalb der Ausnehmungen 12 und 14 der Steuerstange 10 angeordnet und diese kann, wie bereits erwähnt, in der Durchtrittsöffnung 48 der Mittelplatte 46 frei gleitend nach oben und nach unten verschoben werden, und sie kann dabei innerhalb der übergroßen Durchtrittsöffnung 52 der Oberplatte 50 frei verschwenkt werden.

Der gabelförmige Ausleger 38 trägt elastisch die Steüerstange 10, deren unteres Ende sich in einem bestimmten Abstand oberhalb des Grundkörpers 42 befindet. Dieser Abstand ist gerade so gewählt, daß die Steuerstange 10 nach unten gedrückt werden kann.

In der Ausnehmung 12 ist ein elektrischer Biegespannungsmesser 54 angebracht, der an der ebenen Fläche 16 des Stegs 28 befestigt ist. Auf der anderen Seite des Steges 28 ist in der Ausnehmung 14 ein weiterer elektrischer Biegespannungsmesser 56 angebracht, der an der ebenen Fläche 18 des Stegs 28 befestigt ist. Die beiden Biegespannungsmesser 54 und 56 arbeiten in einer Brückenschaltung zusammen.

In entsprechender Weise sind elektrische Biegespannungsmesser 58 und 60 an den ebenen Flächen 24 und 26 des von den Ausnehmungen 20 und 22 gebildeten Steges 30 angebracht.

Weiterhin ist auf der Oberseite des gabelförmigen Auslegers 38 ebenfalls ein elektrischer Biegespannungsmesser 62 angebracht, und zu ihm gehört auf der Unterseite des gabelförmigen Auslegers ein entsprechend ausgerichteter weiterer elektrischer Biegespannungsmesser 64, der an dieser Unterseite befestigt ist.

Nachstehend sei das in Fig. 2 dargestellte Schaltbild näher betrachtet. Dort liegen die BiegespannungsmesserS4 und 56 in einer Brückenschaltung 66, mit deren Hilfe eine Verschiebung entlang einer ersten Achse eines Betätigungsarmes einer ferngesteuerten Einrichtung gesteuert wird. Die Biegespannungsmesser 58 und 60 liegen in einer Brückenschaltung 68, mit deren Hilfe eine Verschiebung entlang einer zweiten Achse des Betätigungsarmes der genannten ferngesteuerten Einrichtung gesteuert wird. Die Biegespannungsmesser 62 und 64 schließlich liegen in einer Brückenschaltung 70, mit deren Hilfe eine Verschiebung entlang einer dritten Achse des Betätigungsarmes der genannten ferngesteuerten Einrichtung gesteuert wird.

Die vorstehend erläuterte Anord ung kann unmittelbar an dem Teil befestigt sein, das gesteuert werden soll. Sie kann aber auch fern von diesem Teil angeordnet sein. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die Anordnung auf einem Betätigungsarm der fernzusteuernden Einrichtung angebracht ist. Der Grundkörper 42 ist dann mit Schrauben oder dergleichen Befestigungselementen an einer Seite des genannten Betätigungsannes befestigt und dabei so ausgerichtet, daß die Längsachse der Steuerstange 10 vertikal verläuft. Die Steuerstange 10 ist darüber hinaus noch so ausgerichtet, daß ihre X-X- Achse parallel zur Längsachse des genannten Betätigungsannes verläuft.

Bei in dieser Art ausgerichteter Anordnung steuern

die elektrischen Biegespannungsmesser 58 und 60 über die Brückenschaltung 68 die Schwenkverschiebung des betreffenden Betätigungsarmes. Die Biegespannungsmesser 62 und 64 andererseits steuern über die Brückenschaltung 70 die vertikale Verschiebung des Betätigungsarmes. Die Biegespannungsmesser 54 und 56 endlich steuern über die Brückenschaltung 66 die horizontale Verschiebung des Betätigungsarmes.

Im folgenden sei speziell die Schaltung nach Fig. 2 betrachtet, mit deren Hilfe die Horizontalverschiebung des in Frage stehenden Betätigungsarmes vorgenommen wird. Die Biegespannungsmesser 54 und 56 liegen dabei in der Brückenschaltung 66. Der Ruhewiderstand der Spannungsmesser hat dabei jeweils einpn Wert von 120 Ohm.

In der betrachteten Brückenschaltung hat jeder Widerstand einen Wert von etwa 120 Ohm. An die eine Eingangsklemme der Brückenschaltung wird ein Gleichspannungssignal von 5 Volt angelegt. Die andere Eingangsklemme der Brückenschaltung ist geerdet. Der Ausgang der Brückenschaltung ist mit dem Eingang des Verstärkers 72 verbunden. Das von diesem Verstärker 72 jeweils abgegebene Signal wird dem einen Eingang eines Servoverstärkers 74 zugeführt. Das Ausgangssignal dieses Servoverstärkers 74 wird zur Steuerung eines Servoventils od. dgl. benutzt. Ein weiterer Eingang des Servoverstärkers 74 liegt über einen 1000-Ohm-Widerstand 76 am Abgriff eines Potentiometers 78. Dieses Potentiometer 78 liefert dem Servoverstärker 74 somit ein zweites Eingangssignal, mit dem das Ausgangssignal des Verstärkers 72 verglichen wird. Das Potentiometer ist dabei so eingestellt, daß es ein Signal liefert, das gleich dem von dem Verstärker abgegebenen Signal ist, wenn die Biegespannungsmesser 54 und 56 entspannt sind. Auf diese Weise kann die Brückenschaltung in einen Ausgleichszustand gebracht werden, und zwar unabhängig vom Vorhandensein geringer Unterschiede zwischen den Werten der verschiedenen Widerstände der Brücke. Das vom Servoverstärker 74 abgegebene Signal hat einen Minimalwert, wenn das vom Potentiometer 78 abgegebene Signal gleich dem vom Verstärker 72 gelieferten Signal ist. Somit gibt der Servoverstärker 74 ein Signal während solcher Zeitspannen ab, während derer die Biegespannungsmesser 54 und 56 beansprucht sind und die Brückenschaltung verstimmt ist.

Entsprechend ihrer Arbeitsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung anstelle eines Programmiersystems eingesetzt werden, um entsprechende Arbeitsvorgänge zu veranlassen.

Durch eine Bewegung der Steuerstange 10 wird ein Signal ezeugt, mit dessen Hilfe der Betrieb der Servoventile gesteuert wird, und ferner wird auf den betreffenden Betätigungsarm ein solcher Druck ausgeübt, daß sich dieser in einer gewünschten Richtung zu einer gewünschten Stelle hin bewegt.

Durch einen Handdruck auf den an der Spitze der Steuerstange 10 befindlichen Knopf in einer senkrecht zur Längsachse der Stange liegenden Richtung werden die von den elektrischen Biegespannungsmessern 54, 56 und/oder 58,60 abgegebenen Werte geändert. Die Richtung der Bewegung der Steuerstange 10 bestimmt dabei, welche beiden Biegespannungsmesser beeinflußt werden. Wird die Steuerstange 10 z. B. nur entlang der A'-AT-Achse bewegt, so werden lediglich die Biegespannungsmesser 54 und 56 beeinflußt, wenn die Steuerstange sich um den Steg 28 herum verbiegt.

In entsprechender Weise werden lediglich die Biegespannungsmesser 58 und 60 beeinflußt, wenn die Steuerstange nur entlang der Y- Y-Achse bewegt wird und sich dabei um den Steg 30 herum verbiegt. Wird jedoch die Steuerstange entlang einer Richtung bewegt, die zwischen der X-X-Achse und der Y-Y-Achse liegt, so werden beide Paare von Biegespannungsmessern 54, 56 und 58, 60 entsprechend beeinflußt, da sich hierbei die Steuerstange um beide Stege herum verbiegt.

Wird endlich auf die Steuerstange 10 eine Kraft entlang der Stangenlängsachse ausgeübt, so wird in entsprechender Weise der gabelförmige Ausleger 38 verbogen, und damit wird der von den Biegespannungsmessern 62 und 64 abgegebene Wert beeinflußt.

Es sei noch bemerkt, daß zwischen den drei Achsen eine ziemlich vollständige Trennung vorhanden ist.

Das bedeutet, daß eine auf die Steuerstange 10 entlang der Stangenlängsachse (d. h. längt der Z-Z-Achse) ausgeübte Kraft weder die Größe der von den für die A"-A"-Achse vorgesehenen Biegespannungsmessern abgegebenen Werte beeinflußt, noch die Größe der von den für die Y- Y-Achse vorgesehenen Biegespannungsmessern abgegebenen Werte. In entsprechender Weise beeinflußt eine auf die Steuerstange entlang der X-X-Achse ausgeübte Kraft weder die Größe der von den Biegespannungsmessern für die Y-Y-Achse abgegebenen Werte noch die Größe der von den Biegespannungsmessern für die Z-Z-Achse abgegebenen Werte. Schließlich beeinflußt eine auf die Steuerstange entlang der Y- V-Achse ausgeübte Kraft weder die Größe der von den Biegespannungsmessern für die X-X- Achse abgegebenen Werte noch die Größe der von den Biegespannungsmessern für die 2-Z-Achse abgegebenen Werte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Pate ntansprüche:

   ϊ. Vorrichtung zum Umsetzen der räumlichen Koordinaten der dreidimensionalen Bewegungen eines vorzugsweise handbetätigten mechanischen Steuerorgans in entsprechende elektrische Größen, mit einer als Steuerorgan dienenden, senkrecht zu einem Grundkörper angeordneten Steuerstange, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die als Steuerorgan dienende, senkrecht zu dem vorzugsweise in bekannter Art plattenförmigen Grundkörper (42) angeordnete, vorzugsweise als Rundstab abgebildete Steuerstange (10) an ihrem dem Grund körper (42) abgewandten Ende auslenkbar und in Richtung ihrer Achse verschiebbar ist und zwei voneinander axial beabstandete Querschnittsverminderungen aufweist, die gebildet werden durch jeweils zwei beiderseits der Achse der Steuerstange (10) quer zu dieser verlaufende Ausnehmungen (12,14; 20, 22), die ihrerseits zwischen einander nur jeweils einen verhältnismäßig dünnen, elastisch biegsamen Steg (28; 30) belassen, wobei diese Stege (28; 30) aufeinander senkrecht stehen und an ihren ebenen Flächen (16,18; 24, 26) mit elektrischen Biegespannungsmessern (54, 56; 58, 60) belegt sind, die die an den Stegen (28; 30) bei Auslenkungen des dem Grundkörper (42) abgewandten Endes der Steuerstange (10) auftretenden mechanischen Biegespannungen in entsprechende elektrische Größen umsetzen; und daß

   b) ein flacher, mit einer seiner Breitflächen im wesentlichen parallel zum Grundkörper (42) mit Abstand von diesem freiverlaufender, elastisch biegsamer, gabelförmiger Ausleger (38) \orgeseben ist, der mit seinem einen Ende (40) mit dem Grundkörper (42) fest verbunden ist und mit seinem anderen, gabelförmigen Ende (36) in zwei an dem dem Grundkörper (42) zugewandten Ende der Steuerstange (10) senkrecht zu deren Achse verlaufende beiderseitige Schlitze (34) eingreift, und der an seinen beiden Breitfläclhen mit elektrischen Biegespannungsmessern (62,64) belegt ist, die die dort bei senkrecht zum Grundkörper (42) verlaufenden Bewegungen der Steuerstange (10) auftretenden mechanischen Biegespannungen in entsprechende elektrische Größen umsetzen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstange (10) von Führungselementen, z. B. von parallel zum Grundkörper (42) angeordneten, mit Durchtrittsöffnungen (48; 52) versehenen Platten (46, 50) umschlossen ist, die die parallel zum Grundkörper (42) verlaufenden steuernden Bewegungen der Steuerstange (10) gestatten, sie aber auf Maximalwerte begrenzen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare von elektrischen Biegespannungsmessern (54,56; 58,60; 62, 64) jeweils aktive Elemente von elektrischen Brückenschaltungen (66, 68, 70) sind.

   Die Erfindung betrifft ganz allgemein eine Vorrichtung zum Umsetzen der räumlichen Koordinaten der dreidimensionalen Bewegungen eines vorzugsweise handbetätigten mechanischen Steuerorgans in entsprechende elektrische Größen, mit einer als Steuerorgan dienenden, senkrecht zu einem Grundkörper angeordneten Steuerstange.

   Vorrichtungen dieser Art sind bekannt. So zeigt z. B. die US-Patentschrift 3212649 eine solche Vorrichtung, bei der die dreidimensionalen Bewegungen eines mechanischen Steuerorgans von einem handbetätigten hydraulischen System gesteuert werden und bei dem diese Bewegungen mit Hilfe eines Koordinatenwandlers erfaßt und mit vorprogrammierten Sollsignalen derselben Art in Beziehung gebracht werden, nämlich zur Gewinnung steuernder Differenzsignale. Dieser Anordnung haftet wegen der Verkoppelung mehrerer heterogener Systeme naturgemäß eine gewisse Schwerfälligkeit an, die sich auch in Störungsanfälligkeit auswirkt.

   Der Stand der Technik kennt aber auch Vorrichtungen der eingangs umrissenen Zielsetzung, die insofern im Aufbau etwas einfacher sind, als die — unter Verzicht auf ein besonderes hydraulisches Übertragungssystem - mit einer unmittelbar als Steuerorgan dienenden, senkrecht zu einem Grundkörper angeordneten, vorzugsweise handbetätigten Steuerstange ausgerüstet sind; vgl. die US-Patentschrift 2866333.

   Es handelt sich dabei um Anordnungen, bei denen die mehrdimensionalen Bewegungen als Steuerorgane dienender Steuerstangen unter Mitwirkung eines komplizierten Federsystems zur Betätigung eines Systems von elektrischen Potentiometern herangezogen werden, die dann ihrerseits Steuersignale erzeugen. Auch diese bekannten Vorrichtungen sind jedoch sehr kompliziert im Aufbau, und zwar schon wegen der Verwendung eines vielteiligen Federsystems, vor allem aber auch deswegen, weil sie zur Verarbeitung dreidimensionaler primärer Steuerbewegungen mehr als nur eine einzige, als Steuerorgan dienende Steuerstange benötigen.

   Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs umrissenen Art und Zielsetzung so auszugestalten, daß die vorstehend erwähnten Mangel der bekannten Anordnungen nicht auftreten, daß sie vielmehr bei wesentlich verringertem konstruktivem Aufwand höhere Betriebssicherheit aufweist.

   Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung durch die im Anspruch 1 als kennzeichnend angegebenen Besonderheiten.

   Danach ist zunächst einmal die als Steuerorgan dienende, senkrecht zu dem vorzugsweise in bekannter Art plattenförmigen Grundkörper angeordnete, vorzugsweise als Rundstab ausgebildete Steuerstange an ihrem dem Grundkörper abgewandten Ende auslenkbar und in Richtung ihrer Achse verschiebbar und weist zwei voneinander axial beabstandete Querschnittsverminderungen auf, die gebildet werden durch jeweils zwei beiderseits der Achse der Steuerstange quer zu dieser verlaufende Ausnehmungen, die ihrerseits zwischen einander nur jeweils einen verhältnismäßig dünnen, elastisch biegsamen Steg belassen, wobei diese Stege aufeinander senkrecht stehen und an ihren ebenen Flächen mit elektrischen Biegespannungsmessern belegt sind, die die an den Stegen bei Auslenkungen des dem Grundkörper abgewandten