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Anordnung zum selbsttätigen Anhalten einer elektrisch angetriebenen
Einrichtung in vorausbestimmter Stellung.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum selbsttätigen Anhalten
einer elektrisch angetriebenen Einrichtung in vorausbestimmter Stellung, bei der
zwischen einem umlaufenden Antriebsmotor und dem angetriebenen Teil eine elektrisch
steuerbare Reibungskupplung und eine elektrisch steuerbare Reibungsbremse eingeschaltet
ist, die abhängig von zur Stillsetzung des Antriebs zu betätigenden Schaltmitteln
sowie von einem die Stillstandschaltung festlegenden Schaltorgan derart gesteuert
wird, dass nach Betätigung der das Stillsetzen einleitenden Schaltmittel die Bremse
erregt wird.
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In der Maschinensteuerungstechnik besteht oft die Aufgabe, einen Antrieb
(Motorwelle) sehr schnell abzubremsen, wobei im Stillstand ein definierter Drehwinkel
(Position) des Antriebs gefordert wird. In bisheriger Technik wird dies meistens
durch eine elektromechanische Bremse bewirkt, deren Erregungsstrom über einen Positionsgeber
gesteuert wird. Diese Methode hat den Nachteil, dass die Drehzahl im Augenblick
des Bremseingriffes bereits sehr niedrig und möglichst konstant sein muss, um den
Bremsweg (Winkel) und die damit verbundenen Positionierungsungenauigkeiten klein
zu halten.
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Will man Jedoch den Antrieb sehr schnell abbremsen, so ist die Forderung
nach einer konstanten Drehzahl im Augenblick des Einsatzes der Bremse durch die
starke Verzögerung nicht mehr erfüllt. Der Bremsweg wird dadurch unterschiedlich
und es entstehen Positionierungsfehler.
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Es sind zwar Methoden bekannt, bei denen die Antriebswelle zuerst
auf eine konstante Annäherungsdrehzahl abgebremst wird. Dies kann z.B. mittels einer
elektromechanischen Kupplung und eines Hilfsantriebs, der über
ein
zusätzliches Untersetzungsgetriebe vom Hauptantrieb eine relativ niedrige Drehzahl
erhält, geschehen, von der aus schliesslich die Abbremsung bei einer bestimmten
Winkelstellung mit Hilfe eines Positionsgebers und einer elektromechanischen Bremse
erfolgt.
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Es sind auch Methoden bekannt, bei denen die Antriebswelle auf elektronische
Weise auf eine konstante Annänerungsdrehzahl abgebremst wird, von der aus die Positionierung
erfolgt. Dies kann z.B. durch eine Regelschaltung geschehen, in der eine drehzahlabhängige
Spannung (Tachogenerator) mit einer Referenzspannung verglichen wird und die so
erhaltene Spannung sowohl die elektromechanische Kupplung als auch die elektromechanische
Bremse in der Weise steuert, dass beide gemeinsam und gleichzeitig, Jedoch gegensinnig
wirkend, dem getriebenen Teil eine konstante Restgeschwindigkeit verleihen, bis
ein Positionsgeber nach Durchlaufen einer bestimmten Winkelstellung die Bremse unter
Aberregung der Kupplung auf volle Wirkung erregt und dadurch den getriebenen Teil
in der vorausbestimmten Stellung anhält.
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Trotz des sehr hohen mechanischen bzw. elektronischen AtS>gandes
entstehen doch merkliche Positionierungsfehler, die zum Teil durch zeitliche Unterschiede
in den Reibungsflächen der Bremsbeläge (TemperatureinilUsse), als auch durch unterschiedliche
Entnahme mechanischer Energie während der Positionierungsphase entstehen. Diese
Fehler sind etwa proportional der verwendeten Annäherungsdrehzahl. In den häufigsten
Fällen besteht Jedoch die Forderung nach einer möglichst schnellen Abbremsung von
Höchstdrehzahl auf Null, wobei allerdings die Annäherungsdrehzahl einen möglichst
hohen Wert haben sollte. Man muss daher zwischen der geforderten Positionierungsgenauigkeit
und der Abbremszeit einen Kompromiss schliessen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Nachteile der bisherigen
Anordnungen zu vermeiden und eine geregelte Bremsung während der Positionlerung
vorzuschlagen, die es gestattet, die Abbremsung auf einig vorbestimmten Winkelstellung
mit hoher Haltegenauigkeit und kurzer Abbremszeit zu erreichen.
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Bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Gattung wird dies nach
der Erfindung dadurch erreicht, dass nach Erreichen einer vorbestimmten Winkelstellung
der elektrisch angetriebenen Einrichtung die Regelung der Drehzahl dieser Einrichtung
mittels einer Logikschaltung ausgelöst wird, die von einem Konrmandogeber und von
einem Positionsgeber angesteuert wird und die Drehzahl mittels eines Reglers durch
eine Spannung geregelt wird, die dem aus der drehzahlabhängigen Spannung und der
drehwinkelabhängigen Spannung gebildeten Betrag der Differenzspannung proportional
ist.
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Dabei wird es als vorteilhaft angesehen, dass die drehzahlabhängige
Spannung mittels eines Zähldiskriminators gewonnen wird, dem vom Impulsgeber Impulse
zugefihrt werden, deren Frequenz der Drehzahl proportional ist.
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Nach einem weiteren Merkmal wird vorgesehen, dass die drehwinkelabhängige
Spannung mittels eines Aufladungszählers gewonnen wird.
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Ferner wird es als vorteilhaft erachtet, dass zwischen dem Ausgang
des Aufladungszähiers und dem Eingang des Reglers eine Verzerrerstufe eingeschaltet
ist.
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Nach einem weiteren Merkmal wird vorgesehen, dass die Kupplungserregerspule
und die Bremserregerspule in Serienschaltung zwischen Plus und Masse liegen und
die Einspeisung der vom Regler erzeugten Ausgangsspannung im Verbindungspunkt der
beiden Spulen erfolgt und zwischen der Bremserregerspule und Masse ein von der Logikschaltung
gesteuerter elektronischer Schalter angeordnet ist.
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Als besonders vorteilhaft wird erachtet, dass im Rückstellungsweg
des Aufladungszählers ein von der Iogikschaltung gesteuerter elektronischer Schalter
angeordnet ist.
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Es ist äusserst zweckmässig, dass die Logikschaltung die Regelung
der Drehzahl dann auslöst, wenn die ihr zugeführte drehzahlabhängige Spannung unter
eine
ihr ebenfalls zugeführte Schwellwertspannung abgesunken ist und der Positionsgeber
einen Positionierimpuls abgegeben hat.
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Nach einem weiteren Merkmal wird vorgesehen, dass der Logikschaltung
eine im Vergleich zur Schwellwertspannung kleinere Spannung zugeführt wird und bei
Spannungsgleichheit dieser Spannung mit der drehwinkelabhängigen Spannung oder der
drehzahlabhängigen Spannung die Logikschaltung durch Schliessen des Schalters 10
und durch auf Stellung a-Schalten des Schalters 11 die volle Erregung der Bremse
bewirkt wird.
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Es ist von besonderem Vorteil, dass zwischen Zähldiskriminator und
Regler ein Haltekreis geschaltet ist.
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Schliesslich wird es als vorteilhaft erachtet, dass der Auflad\xngszähler
mit einem Potentiometer versehen ist, mit dem die maximale Drehwinkelspannung verändert
bzw. die Sollwertkurve parallel verschoben wird, sodass der Haltepunkt variiert.
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Die Erfindung überwindet die genannten Nachteile der bisherigen Methoden
durch Anwendung einer gesteuerten Bremsung während der Positionierungsphase. Sie
gestattet eine positionierte Abbremsung eines Kupplungsantriebs auf eine vorbestimmte
Winkelstellung mit hoher Haltegenauigkeit bei kurzer Abbremszeit.
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Anhand der Ausführungsbeispiele der beigefügten Zeichnungen seien
im folgenden die Erfindung, weitere ihrer Merkmale und Vorteile näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Blockschaltbild.
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Hierin sind 1 und 2 elektronische Impulsgeber (z.B. Schlitzinitiatoren),
die von zwei mechanisch miteinander verbundenen Zahnscheiben 3 bzw. 4 durchsetzt
werden, wobei die Zahnscheibe 3 eine sehr hohe Zahnzahl, während die Zahnßcheibe
4 nur einen einzigen Zahn über den Umfang besitzt.
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5 ist ein elektronischer riickstellbarer Zähler, 6 ist ein Regler,
7 ist
ein Zähldiskriminator, 8 ist eine logische Schaltung, 9, 10
und 11 sind elektronische Schalter, die von der logikschaltung 8 gesteuert werden,
12 ist der Kontakt eines Kommandogebere, 13 ist eine elektromagnetische Bremse und
14 ist eine elektromagnetische Kupplung.
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Der Zähler ist als rUckstellbarer Aufladezahier aufgebaut. An seinem
Ausgang entsteht eine mit der Impulszahl stufenweise abnehmende Spannung U Die Rückstellung
des Zählers erfolgt durch den Impulsgeber 2 über den von der Logikschaltung 8 gesteuerten
Schalter 9. Die Spannung U t ist daher proportional dem Drehwinkel ç der getriebenen
Welle. Der Zähldiskriminator 7 liefert eine drehzahlproportionale Spannung Un. Anstatt
des Zähidiskriminators kann selbstveretändlich auch ein motorischer Tachogenerator
verwendet werden. Beide Spannungen U t und Un werden dem Eingang eines Reglers 6
zugefunrt, der über den Schalter 11 der Bremserregerwicklung Strom zuführt, welcher
proportional Un - U # ist. (Schalter 10 ist bei der Bremsungsphase geschlossez)
An der Kupplungsspule 14 entsteht dann eine mit steigender Bremserregerspannung
abnehmende Spannung. Bremse und Kupplung sind also gemeinsam und gleichzeitig, jedoch
in Abhängigkeit der Reglerausgangsspannung gegensinnig wirkend, im Eingriff. Die
Logikschaltung kann auch ao ausgefUhrt werden, dass nur die Bremse erregt wird und
die Kupplung vollständig abgeschaltet wird.
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Durch die Regelwirkung entsteht eine vom Drehwinkel abhängige Abbremsung.
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ist als Referenzspannung des Reglers zu verstehen. Da Uf proportional
dem Drehwinkel Lf ist, erfolgt eine proportionale Abnahme der Drengeschwindigkeit
über den Drehwinkel bis auf Null, was zu einem definierten Haltepunkt der Antriebswelle
führt. Zur Gewinnung der winkelabhängigen Spannung U # kann anstelle des Aufladungszählers
5 auch die Kapazitätsänderung eines mit der Antriebswelle umlaufenden Drehkondensators
ausgenützt werden.
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Im folgenden wird der zeitliche Ablauf des Anlaufens der Antriebswelle
(auf Arbeitsdrehzahl) und des Abbremsens auf eine vorgegebene Winkelposition beschrieben.
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Durch Schliessen des Kommandogeberkontaktes 12 der Fig. 1 wird der
Logikschaltung 8 eine positive Spannung zugeführt. Die Logikschaltung steuert dadurch
den elektronischen Schalter 11 auf Stellung c und die Kupplung wird voll erregt,
so dass die Antriebswelle sehr schnell ihre Arbeitsdpehzahl erhält. Die Bremse ist
nicht erregt, Nach Öffnen des Kommandogeberkontaktes 12 wird die Logikschaltung
auf "Abbremsung" vorbereitet. Durchläuft nun der Zahn der Scheibe 4 in der Winkelstellung
t O den Impulsgeber 2, so erhält die Logikschaltung einen Impuls und steuert den
Schalter 11 auf Stellung b und schliesst gleichzeitig den Schalter 10. Damit folgt,
wie bereits beschrieben, die geregelte Abbremsung bis zum Stillstand. Bei hoher
Arbeitsdrehzanl kann die Abbremsung der Schwungmasse nur über mehrere Umdrehungen
erfolgen. Es ist daher notwendig, eine weitere Rückstellung des Zählers während
der Bremsungsphase zu verhindern. Hierzu dient der von der Logikschaltung gesteuerte
elektronische Schalter 9, der den Rückstellungspfad des Zählers nach eingeleiteter
Bremsung unterbricht. Nach erfolgter Positionierung öffnet die Logikschaltung den
Schalter 10 und verhindert dadurch einen unnötigen Leistungsverbrauch in der Bremserregerspule
während des Stillstandes der Antriebswelle.
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Fig. 2 zeigt die Drehzahlspannung U über dem Drehwinkel t ahrend der
gen regelten Bremsung. Die gestrichelte Linie kennzeichnet die lineare Abnahme des
Sollwertes der Drehzahlspannung über dem Drehwinkel. Der Schnittpunkt mit der Abszisse
ist der Haltepunkt + stop Er kann auf einfache Weise durch Veränderung Ug max (bei
Ip O) mit Hilfe eines Potentiometers im Aufladungszähler 5 variiert werden. Damit
ist sowohl eine grobe Veränderung (bis zu 3600) als auch eine Feineinstellung des
Haltepunktes während des Betriebs möglich. Gegenüber den bisher bekannten Methoden,
bei denen dies nur durch ein mechanisches Schwenken des Fositionsgebers 2 mittels
einer komplizierten Hebelanordnung möglich war, bedeutet dies eine erhebliche Verbesserung
und Verbilligung.
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Durch die Regelung können relativ grosse Abweichungen der Drehzahl
spannung von der gestrichelten linie ausgeregelt werden (s. A Un bei 0), so dass
sich die beiden Linien kurz nach Einleitung der geregelten Bremsung berÜhren. Der
vorbestimmte Haltepunkt tstop wird also mit grosser Genauigkeit erreicht. Der Bremsdrehwinkel
~?stop - #O kann, wie bereits erwähnt, auch 0 grösser als 360 sein.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, zwischen dem Ausgang
des Aufladungszählers und dem Eingang des Reglers eine Verzerrerstufe einzuschalten.
Dies ist mit Rücksicht auf ein möglichst konstantes Verhalten des Regelkreises während
der gesteuerten Bremsungsphase vorteilhaft. Die optimale Krümmung des Verlaufes
Ut = f( # ) hängt von der Kennlinie und vom dynamischen Verhalten der Regelstrecke
ab.
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In Abwandlung zu der kontinuierlich geregelten Abbremsung von hoher
Drehzahl auf Null, wofür ein relativ grosser Bremswinkel 9 stop - T O >3600 notwendig
ist, kann die Antriebswelle durch volle Erregung der Bremse (ohne Regelung) zunächst
auf eine niedrige Drehzahl abgebremst werden, von der aus erst die positionierte
geregelte Abbremsung, wie bereits beschrieben, innerhalb einer Umdrehung erfolgt.
Der zeitliche Ablauf der Abbremsung geschieht dann wie folgt: Durch Öffnen des Kommandogeberkontaktes
12 in Fig. 1 steuert die Logikschaltung 8 den elektronischen Schalter 11 auf Stellung
a und schliesst gleichzeitig den Schalter 10. Die Bremse wird daher unter Aberregung
der Kupplung voll erregt, d.h. die Drehzahl der Antriebswelle nimmt schnell ab.
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Unterschreitet die Drehzahl spannung Un einen der Logikschaltung zugeführten
Schwellwert Us, so Öffnet die Logikschaltung den Schalter 10, wodurch die Bremswirknng
unterbrochen wird. Durch die relativ grosse Schwungmasse des Antriebs bleibt die
Drehzahl von diesem Augenblick an annähernd konstant.
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Im Bremsdiagramm in Fig. 3 ist dies der Winkelbereich T o - #1. Er
hängt vom Zeitpunkt ab, in dem die Drehzahlflpannung Un die Schwellwertspannung
Us
unterschreitet und kann daher zwischen 0 und 3600 variieren.
Bei < orhält die logikschaltung den vom Impulsgeber 2 erzeugten Positionierungs
impuls. Sie steuert den Schalter 11 wieder auf Stellung b und es folgt nun die bereits
beschriebene geregelte Abbremsung bis zum Haltepunkt stop Der elektronische Schalter
9 kann bei dieser Variante entfallen.
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Eine weitere Verbesserung des Erreichens des vorbestimmten Haltepunktes
9 kann durch Vergleich der der Logikschaltung zugeführten Vergleichsspannung Uv
mit der Winkelspannung U<I erreicht werden. Die entsprechend erweiterte Logikschaltung
8 steuert bei sehr geringen Werten der augenblicklichen Drehgeschwindigkeit den
Schalter 11 auf Stellung a. Dadurch wird die Bremse voll erregt und die Antriebswelle
kommt innerhalb weniger Winkelgrade zum Stillstand. Durch diesen zweiten Vergleich
werden eventuelle Störungen der Regelung, die durch den grossen relativen Wechselspannungsanteil
der Drehzahl spannung Un bei niedriger Drehzahl hervorgerufen werden, vermieden.
Anstelle der Winkelspannung Uy könnte auch die Drehzahlspannung Un zum Vergleich
benutzt werden.
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Der Wechselspannungsanteil der vom Zähldiskriminator abgegebenen Drehzahl~
spannung Un kann selbstverständlich auch durch einen Haltekreis beseitigt werden.
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10 Patentansprüche 3 Bl. Zeichnungen mit 3 Fig.