DE2134655A1

DE2134655A1 - Betätigungsvorrichtung fur mit hoher Geschwindigkeit hin und her zu bewegende Maschinenteile

Info

Publication number: DE2134655A1
Application number: DE19712134655
Authority: DE
Inventors: LaVerne Frank Rochester Minn Knappe (V St A)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-07-30
Filing date: 1971-07-12
Publication date: 1972-02-03
Also published as: US3649857A; FR2098023A5; DE2134655B2; DE2134655C3; JPS5114930B1; GB1289427A; CA925031A

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket RO 969 012

Betätigungsvorrichtung für mit hoher Geschwindigkeit hin- und her zu bewegende Maschinenteile

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung für mit hoher Geschwindigkeit hin- und her zu bewegende Maschinenteile.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Betätigungsvorrichtung für mit hoher Geschwindigkeit hin- und her zu bewegende Maschinenteile zu schaffen, wobei jede einzelne Hin- und Herbewegung, oder anders ausgedrückt, jeder einzelne Hub des Maschinenteiles auslösbar sein soll. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß für die genannte Betätigung ein mechanische Energie speicherndes Element für seine Beaufschlagung mit mechanischer Energie in Wirkungsverbindung steht mit einem Erreger und mit einem Element zur wahlweisen Erzeugung eines ersten Zustandes einer erzwungenen Bewegung und eines gegenüber demselben unterschiedlichen zweiten Zustandes einer erzwungenen Bewegung und daß Steuerelemente zur Auswahl dieser Zustände mit dem eine erzwungene Bewegung erzeugenden Element verbunden sind. Eine

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nach der Erfindung aufgebaute Betätigungsvorrichtung kann somit in schneller Folge einem Maschinenteil einen Hub erteilen durch Veränderung der Bewegungsamplitude eines in Schwingungen versetzen Energiespeicherelementes. Das erwähnte Verändern der Bewegungsamplitude ist gemäß der Erfindung durch zeitlich richtiges Verändern der Größe einer dem Energiespeicherelement zugeführten· erzwungenen Bewegung erzielbar.

Obwohl gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Energiespeicherelement einen Balken verkörpert, der in axialer Richtung gesehen außermittig mit einer Bewegungsfrequenz nahe seiner Resonanzfrequenz gespeist wird, kann das genannte Energiespeicherelement jede Form aufweisen, die das beschriebene, gemäß der Erfindung zu erfolgende Verändern der Bewegungsfrequenz zuläßt.

Wird die Bewegungsfrequenz größer als die Resonanzfrequenz gewählt, ist eine geringere Empfindlichkeit des Energiepegels auf kleine FrequenzSchwankungen erreichbar.

Weitere Merkmale der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend an Hand von in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Zugenergie speichernden und freigebenden Vorrichtung,

Fig. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Balkens aus

der Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines piezoelektrischen

Wandlers der Fig. 1,

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Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der gegen

ein Verschieben des Druckhammers erforderlichen Zugenergie im Balken der Fig. 1 und zur Veranschaulichung der Effekte der erzwungenen Axialbewegung und des außermittigen Einspeisens,

Fig. 5 die Vorrichtung der Fig. 1 in Verbindung mit

einem Drucker,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer mit dem in Fig. 5 gezeigten Drucker verbundenen Schaltung,

Fig. 7 eine andere Ausführungsform der Erfindung, die

ein abgeändertes Energiespeicherelement verwendet und

Fig. 8 ein Diagramm zur Veranschaulichung der gegen ein

Verschieben der Vorrichtung von Fig. 7 gerichteten Zugenergie, das den Effekt des Variierens der erzwungenen Axialbewegung zeigt.

Die mechanische Energie speichernde und freigebende Vorrichtung 10 besitzt vier Grundelemente, nämlich als Energiespeicherelement den Balken 11, den Erregungswandler 12, den Steuerwandler 13 und den Bewegungsverstärkungshebel 14.

Der Balken 11 besitzt den zentralen Teil 16 von im wesentlichen konstant rechteckigem Querschnitt und an beiden Enden die elastischen Lagerteile 17 mit einem sich allmählich verjüngenden Querschnitt. Die zylindrischen Enden 18 des Balkens sind nicht Drehpunkte sondern Klebeverbindungen, um die Balkenkonstruktion zu vereinfachen. Das Speicherelement wird mit einer axialen Last außermittig beaufschlagt, da die elastischen Verbindungen geringfügig unter der neutralen Achse des zentralen Teiles 16, wie in Fig. 2 zu sehen ist, angeordnet sind. Die mechanische Energie speichernde und freigebende Vorrichtung 10 ist im vorliegenden

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Ausführungsbeispiel für eine Typendruckvorrichtung vorgesehen, , in welcher der Druckhammer.20 von dem zentralen Teil 16 des Balkens 11 getragen wird.

Der Bewegungsverstärkungshebel 14 wird von einem Auslegerbalken des Gestells 22 getragen. Eine derartige Befestigung des Bewegungsverstärkungshebels 14 ergibt zwei leicht erzwungene Freiheitsgrade, nämlich einen translatorischen in horizontaler Richtung und einen rotationsartigen mit einer um eine rechtwinklig zu einer vertikalen Ebene durch die Wandler verlaufenden Achse. Die anderen vier Freiheitsgrade sind stark erzwungen. Die Verbindungssteilen 23 zwischen dem Bewegungsverstärkungshebel 14 und den Wandlern 12, 13 sind elastisch ausgebildet. Diese elastischen Verbindungsstellen werden verwendet, da die Wandler mittels dieser Verbindungen befähigt bleiben sollen, sowohl Druckais auch Zugbewegungen auszuführen. Die kleinen Werte dieser Bewegungen, welche durch diese Verbindungen übertragen werden, könnten durch eine übertragung mittels konventioneller Bolzenverbindungen verlustig gehen, wobei darüber hinaus die verwendete Verbindungsart das Problem der Reibkorrosion, was gewöhnlich bei hochfrequenten Schwingbewegungen eintritt, vermeidet.

Das piezoelektrische Material des Wandlers soll sowohl gute Bewegungseigenschaften als auch Temperaturstabilität aufweisen. W Die Wandler 12, 13 bestehen aus geschichteten Platten 24 aus piezokeramischem Material, wie Bleizirkonattitan. Die Platten sind in Paaren mit gewöhnlich gegenübergestellten positiven Elektrodenflächen aufeinander geschichtet,und jedes Paar ist gegenüber dem benachbarten Paar durch eine gewöhnliche negative Elektrodenfläche abgegrenzt. Die positiven Elektroden sind an eine Wandlerseite angeschlossen durch die positive Leitung 26 und die negativen Elektroden sind mit der anderen Wandlerseite durch die negative Leitung 27 verbunden. Somit ist die geschichtete Wandlerkonstruktion eine mechanisch parallele. Der Erregungswandler 12 ist über dem Balken 11 angeordnet, um die Länge der Vorrichtung zu reduzieren, während der Bewe-

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gungsverstärkungshebel 14 die tibertragerbewegung zum Ende des Speicherelementes hin verstärkt. Der Steuerwandler 13 ist vorgesehen für ein Beaufschlagen und Freigeben des Speicherelementes mit bzw. von der erzwungenen axialen Bewegung. Zusätzlich wird die Vorlast durch den Steuerwandler 13 der Vorrichtung zugeführt. Der Balken 11 wird durch den Erregungswandler 12 erregt auf eine Frequenz nahe eines Resonanzfrequenzpunktes und wird erzwungen über den Steuerwandler 13, um in einer von zwei Regionen dynamischen Gleichgewichtes zu vibrieren, wobei dem Längsmittelpunkt des Balkens 11 ein Ausweichen gestattet wird. Der Druckhammer 20 führt demnach die gleiche Bewegung aus. Das Schwingen des Balkens in eine gewünschte von zwei Regionen dynamischen Gleichgewichtes ist erreicht durch außermittige- Beaufschlagung des Balkens 11. Auf einen Befehl hin wird der Steuerwandler 13 betätigt, um die erzwungene axiale Bewegung am Balken 11 freizugeben oder zu reduzieren in der geeigneten Phasenlage und für eine ausreichende Dauer, um einen einzigen Druckhairanerausschlag zu erzeugen. Der Ausschlag des Druckhammers 20 ist der Arbeitshub der Vorrichtung 10.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, dient die Zugenergie des Balkens 11 der Verschiebung. Bei einer gegebenen Höhe der Schwingungserregung folgt der ungebremste Balken 11 der Kurve 30 zwischen A und B und die Zugenergie ist Null an der Symmetrieachse der genannten Kurve (an der die kinetische Energie ihr Maximum aufweist) und erreicht ihr Maximum an den Grenzen der Auswanderung (A und B), wo die kinetische Energie auf Null fällt. Die Schar von Kurven 31 bis 36 zwischen den Punkten A und B stellen die Auswirkungen auf die Zugenergie dar, die sich durch Variieren der Werte der den Balken 11 erzwungenen Axialbewegung ergeben. Um so größer die erzwungene Axialbewegung ist, desto höher ist die Zugenergie zwischen den Punkten A und B. Wenn, wie aus Kurve 36 entnehmbar ist, die maximale Schwellenenergie die Höhe der Arbeitsenergie überschreitet (bei A oder B), tritt hierauf die Schwingung in eine der Regionen dynamischen Gleichgewichts zwischen A und D

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oder zwischen C und B ein. Axial erzwungene Bewegungen, die außermittig zugeführt werden, verschieben die Zugenergiekurven in Richtung auf die Exzentrizität, wobei sich die Energiespeicherung und Abgrenzung der Regionen dynamischen Gleichgewichts verändern. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, stellt die Linie 38 die Symmetrieachse der Kurve 30 dar und veranschaulicht die Linie 29 den durch die außermittige Zuführung der axial erzwungenen Bewegung hervorgerufenen Verschiebungseffekt. Diese Verschiebung der Linie 29 erfolgt in horizontaler Richtung von der Lage der Linie 38 aus. Der Wert der Exzentrizität soll sicherstellen, daß die erzwungene Schwingung zwischen C und B erfolgt. Dementsprechend wird der Druckhammer 20 während einer normal erzwungenen Schwingung zwischen B und C verschoben. Nach dem Erhalt des Druckbefehles wird die erzwungene Bewegung freigegeben, wodurch der Druckkörper 20 zwischen B und A auswandert, um den Arbeitshub auszuführen.

Der Erregungswandler 12 und der Steuerwandler 13 wirken über den Bewegungsverstärkungshebel 14 auf den Balken 11 ein, wodurch demselben Energie zugeführt wird und seine Arbeitsart steuerbar ist. Der Druckhammer 20, der vom Balken 11 getragen wird, liegt gegenüber dem dauernd rotierenden Typenrad 41 (Fig. 5), welches die durch den Riemen 46 angetriebene Welle 42 trägt. Das zu bedruckende Papier 43 stellt einen Streifen dar, der von der Vor-" ratsspule 44 kommend entlang eines zwischen dem Druckhammer 20 und dem Typenrad 41 hindurchführenden Weges zur Aufnahmespule geführt wird. Den Transport des Papieres 43 steuert die Antriebsrolle 47, die mit der Andruckrolle 48 zusammenwirkt. Die Riemen 46, 49, 52 sind Zahnriemen, die von einem nicht gezeigten Antrieb aus angetrieben werden und den Transport des Papieres 43 mit der Druckerarbeit koordinieren.

Das Farbband 50 wird zwischen Vorrats- und Aufnahmespulen 51 (nur eine derselben ist gezeigt) bewegt, deren Drehrichtungen umkehrbar sind. Um die Klarheit der Zeichnung zu erhöhen, ist der Mittelabschnitt des Farbbandes 50 nicht eingezeichnet. Dieser

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Abschnitt ist quer zur Bewegungsebene des Papieres 43 und des Typenrades 41 geführt. Das Farbband 50 wird durch im Gehäuse befindliche Mittel angetrieben. Wie schematisch dargestellt ist, ist der Block 55 längs verschiebbar in Richtung der Achse des Steuerübertragers 13. Diese Verschiebung ist erzielbar durch Drehung des Knopfes 56, wodurch die mit demselben verbundene und in den U-förmigen Bügel 58 eingeschraubte Gewindespindel 57 den keilförmigen Block 59 heben und senken kann. Dadurch ist die axiale Bewegungsvorlast über den Steuerwandler 13 und den Bewegungsverstärkungshebel 14 dem Balken 11 zuführbar.

Das Zahnrad 61 (Fig. 6) besitzt die gleiche Anzahl von Zähnen wie das Typenrad 41 Typen aufweist (nämlich 48) und ist mit dem einen einzigen Zahn aufweisenden Rad 62 und dem Typenrad 41 auf der gemeinsamen Welle 42 unverdrehbar befestigt. Die Zahnräder 61, 62 wirken in Verbindung mit den Magnetköpfen 63, 64 als Senderäder, um Impulse zu erzeugen beim Vorbeigang eines jeden Zahnes an den Magnetköpfen. Jeder der Magnetköpfe 63, 64 ist in Umfangsrichtung um die beiden Zahnräder 61, 62 versetzt angeordnet, um die gewünschte Phasenbeziehung zwischen dem Druckhammer und dem Typenrad zu erhalten. Der Ausgang des Magnetkopfes 63 ist parallel an den Zähler 66 und über den Verstärker 67 an den Erregungswandler 12 angeschlossen. Der Ausgang des Magnetkopfes 64 ist ebenfalls an den Zähler 66 angeschlossen, um die Ausgangsstellung des Druckrades zu kennzeichnen für den Beginn der Zählung, durch welche die einzelnen, die Druckstation passierenden Typen des Typenrades 41 identifizierbar sind. Die Vergleichsschaltung 69 erhält von dem Eingang 70 die zu druckenden Zeichen in Form einer Nummer, die nach einem Vergleich mit dem Ausgang des Zählers 66 als Drucksignal über den Verstärker 71 dem Steuerwandler 13 zugeführt wird. Der Druckbefehl verändert die erzwungene Bewegung des Balkens 11, um den Ausschlag des Druckhammers 20 zu erzeugen.

Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung stellt einen Rückseitendrucker dar, bei dem der Hammer auf die eine Seite des Papieres auf-

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schlägt und die Typen der anderen Seite des Papieres gegenüberliegen. Das Farbband 50, das Typenrad 41 und das zu bedruckende Papier 43 bewegen sich kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit. Alle Druckgeschehnisse sind mit der Drehung der Welle synchroni s ie rt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt, das ebenfalls einen Balken 75 aufweist, der dem Balken 11 des ersten Ausführungsbeispieles entspricht. Der Balken 75 ist mit einem Ende mit dem BewegungsVerstärkungshebel 76 und mit seinem anderen Ende mit dem Gestell 77 fest verbunden. Die Befestigung erfolgt in Schlitzen, die zur Mitte des Balkens zu nach oben verlaufen. Die Erregungs- und Steuerglieder dieser Vorrichtung sind ansonsten wie die des ersten Ausführungsbeispieles ausgebildet.

In Fig. 8 ist die Schar von Kurven dargestellt, die erzeugt werden durch Veränderung der erzwungenen Axialbewegung des Balkens, die in den erzwungenen Zuständen eine einzige Region dynamischen Gleichgewichtes erzeugt. Die höchste Zugenergie der Kurve 84 ist typisch für die größte erzwungene Axialbewegung. In Fig. 8 sind in der Ordinatenrichtung die Energiehöhen, welchen der Balken ausgesetzt ist, und in der Abszissenrichtung die Verschiebungen des Mittelpunktes des Balkens aufgetragen, und die verschiedenen Kurven 81 bis 84 zeigen die durch Variieren der Werte der erzwungenen Axialbewegung unterschiedlichen Zugenergiezu- * stände des Balkens. Bei einer Höhe der Energieerregung, die durch die horizontale Linie 86 dargestellt ist, und bei Verwendung einer erzungenen Bewegung, welche die Kurve 84 erzeugt, erfolgt der Druckhammeranschlag durch Verschiebung zwischen den Punkten E und F, wenn eine Bewegung erzwungen wird und zwischen den Punkten E und G im unerzwungenen Zustand. Da die Schwingungsbewegung des Balkens 75 nach einer Summenkurve verläuft, fällt die potentielle Energie am Mittelpunkt nicht bis auf 0.

Ein besonderes Beispiel der zuletzt beschriebenen Ausführungsform verwendet einen Balken von 12,7 mm Länge zwischen seinen

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Aufhängungen, von einer Breite von 1,27 mm und von einer Dicke von 0,38 mm. Diesem Balken wird eine axiale Bewegung von 0,032 mm auferzwungen (Kurve 84), wodurch der erzwungene Ausschlag von E bis F 0,368 mm und der unerzwungene Ausschlag von E bis G 0,685 mm beträgt. Dementsprechend beträgt die Zunahme der Verschiebung durch Veränderung der auferzwungenen Bewegung 0,317 mm.

Die Druckgeschwindigkeit kann erhöht oder erniedrigt werden durch Zunahme oder Abnahme der Resonanzfrequenz des Speicherelementes und Einstellung des Typenrades und der Papiertransportgeschwindigkeit, um einer neuen Arbeitsfrequenz zu entsprechen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

(ly Betätigungsvorrichtung für mit hoher Geschwindigkeit hin- und her zu bewegende Maschinenteile, dadurch gekennzeichnet, daß für die genannte Betätigung ein mechanische Energie speicherndes Element (11) vorgesehen ist, das für seine Beaufschlagung mit mechanischer Energie in Wirkungsverbindung steht mit einem Erreger (12) und mit einem Element (13) zur wahlweisen Erzeugung eines ersten Zustandes einer erzwungenen Bewegung und eines gegenüber demselben unterschiedlichen zweiten Zustandes einer erzwungenen Bewegung und daß Steuerelemente (Schaltung Fig. 6) zur Auswahl dieser Zustände mit dem eine erzwungene Bewegung erzeugenden Element (13) verbunden sind.
2. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Erreger ein piezoelektrischer Wandler (12) darstellt, der dem Energiespeicherelement (11) eine Bewegungsfrequenz erteilt nahe der Resonanzfrequenz des genannten Energiespeicherelementes (16).
3. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiespeicherelement einen Balken (11)

w verkörpert, der in axialer Richtung gesehen außermittig

mit der Bewegungsfrequenz gespeist wird.
4. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die beiden Bewegungszustände erzeugende Element ein piezoelektrischer Wandler (13) darstellt, der mit einer ersten Spannung beaufschlagbar ist und durch die Steuerelemente (Schaltung Fig. 6) wahlweise mit einer zweiten Spannung speisbar ist.
5. Betätigungsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Balkens (11)

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mit dem Gestell und das andere mit einem Hebel (14) verbunden ist, an dem sowohl der eine Bewegungsfrequenz dem Balken (11) erteilende piezoelektrische Wandler (12) als auch der die beiden Bewegungszustände wahlweise erzeugende piezoelektrische Wandler (13) angreift.
6. Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Balken (11) etwa in seiner Längsmitte einen Druckhammer (20) eines Typendruckwerkes trägt.

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