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Bilaterales hydromechanisches Servosystem Die Erfindung bezieht sich
auf bilaterale Servosysteme, die ein einziges Regelventil verwenden, um ein Hilfsglied
mit einem Hauptglied in Übereinstimmung zu bringen und um die durch das Hilfg1ied
ausgeUbbe Kraft der Eingangskraft mit verminderter Große aber entgegengesetzter
Richtung zu dem Hauptglied zurückzuführen,
Ein derartiges bilaterales
Servosystem mit einem einzigen Ventil umfaßt ein Hauptglied, ein hydraulisches Regelventil,
ein Hilfsstellglied und ein Hilfsglied. Das Hauptglied legt eine kleine mechanische
Eingangsgröße an das Regelventil, das an seinem Ausgang eine Druckdifferenz entwickelt.
Die Ausgangsgröße aus dem Regelventil treibt das Hilfsstellglied an, das seinerseits
das Hilfsglied in Bewegung versetzt. Die Bewegung des Hilfsgliedes ist wiederum,
in verminderter Größe, zum Eingangskreis der Regelventilschaltung zurückgekoppelt,
um die mechanische Eingangsgröße zu verkleinern. Ein derartiges System umfaßt weiterhin
ein Hauptstellglied, das auf die gleiche Druckdifferenz anspricht wie das Hilfsstellglied,
das aber eine kleinere Stellerfläche aufweist und deshalb eine kleinere Kraft entwickelt.
Das Hauptstellglied ist zwischen die-Haupt- und Hilfsglieder geschaltete und ist
hydraulisch parallel zum Hilfsstellglied gelegt. Das Hauptstellglied ist derart
orientiert, daß es eine Kraft in einer solchen Richtung auf das Hauptglied ausübt,
die der durch die Kraft auf das Hilfsglied hervorgerufenen Bewegungsrichtung entgegengerichtet
ist.
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In einem derartigen System ist das Trägheitsmoment der Hilfsanordnung
groß im Verhältnis zum Trägheitsmoment der Hauptanordnung.
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Demzufolge ist in dem Regelventil eine hohe Leistungsverstärkung erforderlich,
um bei kleinen mechanischen Eingangsleistungen eine ausreichende Ausgangsleistung
zu erhalten. Systeme mit großer Verstärkung erfordern eine Stabilisierung über dem
Betriebsbereich des Systems. Infolgedessen sind die Verstärkung und Phasenbeziehungen
in dem Hilfskreis derart ausgelegt, daß eine über einem vorbestimmten Wert liegende
Mitkopplung vermieden wird, die Schwingungen und andere Instabilitäten in dem Kreis
erzeugen würde. Wenn die liflfsschleife so ausgelegt ist, weist die Hauptschleife
einschließlich des Hauptstellglièdes und des Regelventiles ein Problem dahingehend
auf, daß die Schleife den hochverstärkten Pfad der Leistungsstrsmung in dem Regelventil
aufweist und die
Phase des Hauptstellgliedes so ist, daß eine Mitkopplung
vom Ausgangs- zum Eingangskreis des Regelventils erzeugt wird. Derartige Umstände
fUhren zu Instabilitäten In der Hauptschleife in Form von Eigenschwingungen und
ähnlichem.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache
und wirkungsvolle Einrichtung zur Stabilisierung der Hauptstellglieder eines bilateralen
servomechanischen Systems der oben beschriebenen Art zu schaffen.
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Die Erfindung, wie sie insbesondere aus den Ansprüchen hervorgeht,
wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung
und der beigeften Zeichnung eines Ausführungsbeispieles beschrieben.
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Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines hyiomechanischen
Servosystems, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung verkörpert. Die Fig. zeigt
ein Hauptglied 10, das zwischen seinen Engen um ein Halteteil il für dieses Hauptglied
schwenkbar angebracht ist. Die Längsachse 12 des Hauptgliedes ist mit einer vorbestimmten
Achse 13 ausgerichtet. Ferner ist ein Hilfsglied 15 gezeigt, von dem ein Ende an
dem Halteteil 16 für das Hilfsglied angebracht ist und dessen anderes Ende eine
Kraft und einen Drehmoment auf Gegenstände ausüben kann. Die Längsachse 9 des Hilfsgli
dekj ist mit einer anderen vorbestimmten Achse 14 ausgerichtet.
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Ferner sind ein hydromechanisches Regelventil 18, das entweder In
~ruckventil oder ein Strömungsventil sein kann, ein hydraulisches lineares Hilfsstellglied
19 und ein hydraulisches lineares Hauptstellglied 20 vorgesehen. Das Regelventil
weist eine Eingangswelle 17 auf, die bezüglich des Gehäuses 21 oder dessen Zylinder
bewegbar ist und einen mechanischen Eingangs kreis für das Regelventil bildet. Das
eine Ende des Hauptgliedes 10 ist mit der Eingangswelle 17 des Regelventiles 18
schwenkbar verbunden und das andere Ende des Hauptgliedes kann von der Hand
eines
Operateurs erfaßt werden. Das Regelventil 18 ist ferner mit zwei Ausgangsöffnungen
22 und 23 versehen, über denen durch Bewegung der Eingangswelle 17 bezüglich des
Gehäuses 21 eine Druckdifferenz entwickelt wird. Dem Regelventil wird eine Strömung
durch Einlaßöffnungen 24 und 25 und eine Auslaßöffnung 26 zugeführt, die mit Ausgangs-
und Rücklauföffnungen einer Druckquelle verbunden sind, die mit S bzw. R bezeichnet
sind. Das dargestellte Regelventil ist als ein hydromechanisches Druckventil angeschlossen.
Es sei darauf hingewiesen, daß auch Strömungsventile in dem erfindungsgemäßen System
benutzt werden können. Das in der Zeichnung dargestellte hydromechanische Druckventil
ist ein übliches Ventil, dessen Einzelheiten im folgenden beschrieben werden.
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Das Hilfsstellglied 19 weist einen Zylinder 30 und einen darin beweglichen
Kolben 31 auf. Es sind zwei Öffnungen 32 und 33 vorgesehen, und zwar Jeweils eine
an Jedem Ende des Zylinders 30, um den Enden des Zylinders 30 ein Strömungsmittel
zuzuführen, so daß dadurch der Kolben 31 in die eine oder andere Richtung bewegt
wird. Somit bewegen sich die mechanischen Elemente 30 und 31 des Hilfsstellgliedes
19 relativ zueinander in Abhängigkeit von der angelegten truckdifferenz des Strömungsmittels
zwischen den Enden des Zylinders. Der Zylinder 30 ist an der gleichen Befestigung
angebracht wie das Halteteil 16 für das Hilfsglied. Die Stange 34 des Kolbens 31
ist an einem Punkt zwischen den Enden des Hilfsgliedes 15 angebracht, um auf dieses
ein Drehmoment auszuüben. Die Ausgangsgröße von der Öffnung 32 wird einer Öffnung
35 des Hauptstellgliedes 20 über eine Leitung 36 zugeführt und die Ausgangsgröße
der Öffnung 33 wird über eine Leitung 38 zur Öffnung 37 des Hauptstellgliedes 20
geleitet. Ein Teil der mechanischen Bewegung des Hilfsgliedes 15 ist über die mechanische
Verbindung 39 mit dem Halteteil ll für das Hauptglied verbunden.
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Die Phaseneinstellung der VeEXn* 39 ist derart, daß die Bewegung des
Hilfsgliedes 15 eine Bewegung des Halteteils 11 hervorruft, die die mechanische
Eingangsgröße zum Eingangskreis des
mechanischen Regelventils 18
verkleinert. Das-Hauptglied 10 und das Hilfsglied 15 werden miteinander in Ubereinstimmung
gebracht, nachdem eine anfängliche Verschiebung der Längsachse 12 des Haupt gliedes
aus der vorbestimmten Achse 13 eine Folge von Operationen in Lauf setzt, in denen
die mechanische Eingangsgröße in das Regelventil 18 durch das Regelventil verstärkt
wird und als eine hydraulische Ausgangsleistung an seinen Ausgangspunkten auftritt.
Die hydraulische Ausgangsgröße wird dann durch das Hilfsstellglied in eine mechanische
Ausgangsgröße umgewandelt, die viel größer ist als die mechanische Eingangsgröße
in das Regelventil damit das ilfsglied Druck erzeugt und eine brauchbare Arbeit
liefert usw. Die Ausgangsgröße des Hilfsgliedes in der-Form einer mechanischen Bewegung
seiner Längsachse 9 bezüglich der anderen vorbestimmten Achse 14 wird zum Eingangskreis
des Regelventils 18 zurückgekoppelt, um das Hilfsglied und das Hauptglied in der
gewünschten Ausrichtung bezüglich ihrer entsprechenden vDrbestimmten Achsen zu halten.
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Um auf eine kleine mechanische Eingangs leistung in das Regelventil
hin die hohe Ausgangsleistung in der Hilfsschleife zu erhalten, muß für ein Regelventil
mit hoher Verstärkung gesorgt werden.
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Die hohe Verstärkung führt aber zu Instbilitäten in der Hilfsschleife.
Eine Stabilisierung in der Hilfsschleife erfolgt in Form einer derartigen Einstellung
der Amplituden- und Phasenbeziehungen in der Schleife, daß für die Betriebsfrequenzen
des Systems die Rückkopplung in Phase und Amplitude nicht ausreicht, um eine Instabilität
zu erzeugen.
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In Servosystemen der oben beschriebenen Art ist es häufig wünschenswert,
daß ein Teil der zugefühtten Kraft oder des Drehmoments zum Hauptglied zurückgekoppelt
wird, so daß der Operateur die durch das Hilfagtied zugeführte Kraft fühlen kann.
Derartige Systeme werden aufgrund des Hinzufügens der Kra m pplung zu dem System
bilateral genannt. Zu diesem Zweck ist das Hauptstellglied
20 vorgesehen.
Das Hauptstellglied weist ein Zylinderelement 40 und ein darin bewegliches Kolbenelement
41 auf und enthält ferner zwei Öffnungen 35 und 37von denen Jeweils eins an den
Enden des Zylinders 40 angebracht ist. Der Zylinder 40 ist über eine mechanische
Verbindung 42 mit einem Punkt auf dem Hilfsglied verbunden, der zwischen dessen
Enden liegt. Die an den Kolben 41 angebrachte Kolbenstange 43 ist mit einem Zwischenpunkt,
des Hauptgliedes 10 schwenkbar verbunden. Der Zylinder des Hauptstellgliedes und
der Zylinder des hydromechanischen Regelventiles sind über eine Verbindung 44 mechanisch
miteinander verbunden. Die mechanischen Elemente 40 und 43 des Hauptstellgliedes
sind bezüglich des Hilfs- und Haupt gliedes derart orientiert und der über dem Hilfsstellglied
19 auftretende Druck ist mit dem an die öffnungen des Hauptstellgliedes 20 angelegten
Druck derart gekoppelt, daß die dem Hauptglied durch das Hauptstellglied zugeführte
Kraft gegenüber der entsprechenden Kraft des Hilfsgliedes entgegengesetzt gerichtet
und in der Größe verkleinert ist. Es sei bemerkt, daß das durch das Hilfsglied erzeugte
Drehmoment beispielsweise hundertmal größer sein kann als das Rückkopplungsdrehmoment,
das durch die Hilfsschleife über die mechanische Verbindung 39 an dem Hauptglied
auftritt.
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Selbst wenn die Drehmomentverkleinerung in der Rückkopplung bei einem
Faktor von angenommen 100 liegt, ist das durch das Hauptstellglied rückgekoppelt
Drehmoment bei weitem nicht in einem derartigen Verhältnis herabzt. Demzufolge führt
die hohe Verstärkung des hydromechanischen Regelventils zusammen mit der wesentlichen
Rückkopplung in dem Kraftrückkopplungspfad des Hauptstellgliedes gewöhnlich zu Instabilitäten
in der Hauptschleife. In der Hauptschleife sind die Phase und Amplitude des Signals
am Ausgang des Regelventils, das durch das Hauptstellglied auf den Eingang des Regelventiles
rückgekoppelt wird, derart bemessen, daß der Aufbau von Schwingungen in der Schleife
über einem Frequenzband unterstützt wird, in dem das System arbeiten soll. Gemäß
der vorliegenden Erfindung sind deshalb
Mittel vorgesehen, um die
Strömung in einem oder beiden der Pfade in den Leitungen 36 und 38 zu begrenzen,
die zwischen das Hauptstellglied und das Hilfsstellglied geschaltet sind. Obwohl
zwei Strömungsbegrenzungen dargestellt sind, kann in einigen Fällen eine Strömungsbegrenzung
ausreichend sein. Die Strömungsegrenzungen haben die Form von Durchflußöffnungen
bzw. Blenden 45 und 46. Die Öffnung kann variabel gemac'lt werden, wie es durch
die Pfeile durch die Öffnungen hindurch angedeutet ist, um für die geeignete Widerstands
größe gegenüber der Strömung zu sorgen. Die Gründe hierfür werden im folgenden erklärt.
Die Offnungen 45 und 46 in Verbindung mit dem Hauptstellglied 20 wirken als ein
Dämpfer in der Hauptschleife, der die Amplitude und Phase der Signalrückkopplung
vom Ausgang des Regelventiles zu dessen Eingang in einer Weise umgewandelt, die
die Schleife über ihrem Betriebsfrequenzbereich stabilisiert. Die Strömungsbegrenzung
in den Leistungen 36 und 38 sollte derart bemessen sein, daß die Impedanz des mechanischen
Eingangskreises des hydromechanischen Regelventils größenmäßig bezüglich der gesamten
Ausgangsimpedanz, die zwischen dem Ausgang und den Eingängen des Regelventiles auftritt,
durch die Rückkopplungsschleife verkleiner dadurch die Rückkopplung größenmäßig
zu verkleinern und auch die Phase zu verschieben, so daß die Rückkopplungskomponente
über der Betriebsfrequenz der Hauptschleife nicht ausreicht, um Schwingungen oder
dadurch aufgebaute Folgeschwingungen zu unterstützen.Eine derartige Impedanz gegenüber
der Strömung sollte Jedoch nicht so groß sein, daß sie eine merkbare Verzögerung
in der Übertragung von Druckkräften erzeugt, die dem Hauptstellglied von dem Hilfsstellglied
zugeführt werden. Wenn eine derartige Impedanz bis zu dem Punkt vergrößert wird,
wo eine überhöhte Strömungsbegrenzung besteht, tritt eine Zeitverzögerung zwischen
der Kraft zuführung durch das Hilfsglied 15 und der Zeit auf, zu der dieseKraftzuführung
an dem Hauptglied 10 registriert wird.
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Eine derartige Wirkung ist selbstzerstererisch, da eine wahre Nachbildung
der angelegten Kraft dn dem Hauptglied nicht gefühlt
und an diesem
nicht in einer genügend kurzen Zeitübereinstimmung registriert wird.
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Das in Fig. 1 gezeigte hydromechanische Regelventil 18 ist ein Druckregelventil
und weist einen Haupt zylinder 21 oder ein Gehäuse auf. In dem Hauptzylinder ist
ein Kern 51 vorgesehen, der aus einer Welle 52 und einem Zwischensteg bzw. -kolben
53 zwischen zwei Endkolben besteht, die in dem Haupt zylinder 21 angebracht sind.
Die Stege bzw. Kolben 53, 54 und 55 und der Zylinder 21 bilden zwei Zwischenkammern
56 und 57 und zwei Endkammern 58 und 59. Ein Paar Einlaßöffnungen 24 und 25 und
eine Auslaßöffnung 26 sowie ein Paar Ausgangs öffnungen 22 und 23 sind in dem Hauptzylinder
angeordnet. In der Nullstellung des Kernes 51 stimmen die Einlaßöffnungen 24 und
25 mit dem Endkolben 54 bzw. 55 überein, und die Auslaßöffnung 26 stimmt mit dem
Zwischenkolben 53 überein. Jede der Auslaßöffnungen 22 und 23 ist mit einer der
entsprechenden Zwischenkammern 56 und 57 verbunden. In den Endkammern 58 und 59
ist Jeweils eine Zentrierfeder 61 und 62 angeordnet. Die Feder 61 ist in der Endkammer
zwischen der Stirnwand 63 und dem Kolben 54, und die Feder 62 ist in der Endkammer
59 zwischen der Stirnwand 64 und dem Kolben 55 angebracht. Zwischen der Wand 63
und der Feder 61 und in Eingriff mit der Feder befindet sich eine Stirnplatte 65.
Die Stirnplatte 65 greift ihrerseits an einem Ende der Welle 17 an, deren anderes
Ende mit dem Hauptglied 10 schwenkbar verbunden ist. Auch am anderen Ende des Regelventiles
greift das Federende nahe der Stirnwand 64 an einem Plattenteil 69 an, das wiederum
mit einem Ende einer Schraube 66 in Eingriff steht, die in die Stirnwand 64 geschraubt
ist. Die schraube 66 sorgt für eine FeinJustierung der Nulleinstellung des Regelventiles,
d. h. für die Einstellung der durch die Feder 62 erzeugten Kräfte, um die durch
die Feder 61 erzeugte Kraft im Gleichgewicht und den Kern 51 in der Nullstellung
zu halten, wenn auf die Reglerwelle 17 keine Kraft ausgeübt wird. Eine Gegenkopplung
wird von der Zwischenkammer 56 über die Leitung 67 zur Endkammer 58 geleitet und
auf ähnliche Weise erfolgt eine Gegenkopplung von der Kammer 57 über die Leitung
68 zur Endkammer 59.
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Im Betrieb des Regelventiles 18 sind die Druckwerte an den Auslaßöffnungen
22 und 23 gleich, wenn sich der Kern 51 in der Nullstellung befindet. Eine Verschiebung
der Welle 17 nach rechts drückt die Feder 61 zusammen und den Kern 51 nach rechts,
so daß ein Strömungsmittel von der Einlaßöffnung 25 durch die Aus daß öffnung 23
hindurch auf eine Seite des Hilfsstellgliedes 19 strömen kann. Das Strömungsmittel
aus der anderen Seite des Hilfsstellgliedes 19 strömt in die Öffnung 22 und von
dort in die Rücklauföffnung 26. Die Verwendung einer negativen Rückkopplung wandelt
ein Strömunil ffi9 il in ein Druckregelventil um und als solches erzeugt eine Eingangsverschiebung
eine besser regelbare Druckausgangsdifferenz. Die Erfindung ist besonders in Systemen
anwendbar, die hydromechanische Druckregelventile verwenden.
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Die Erfindung findet besondere Anwendung in Verbindung mit Einrichtungen
wie z.B. Manipulatoren, die in einer anderen Anmeldung der gleichen Anmelderin beschrieben
sind. Dort ist ein Hilfsglied, das an einem Halteteil für das Hilfsglied angebracht
ist, und ein Hauptglied angegeben, das an einem entsprechenden Halteteil befestigt
ist. Das Hilfshalteteil ist um eine bezüglich einer hierfür vorgesehenen Befestigung
vertikale Achse schwenkbar. Das Haupthalteteil ist auf dem Hilfshalteteil angebracht
und ist um eine andere vertikale Achse schwenkbar. Eine Bewegung des Hauptgliedes
im Scheitelbogen (Azimut) über der anderen vertikalen Achse bezüglich des Halteteiles
für das Hilfsglied bewirkt, daß sich das Hilfshalteteil im Scheitelbogen und in
Obereinstimmung mit dem Hauptglied bewegt. Eine derartige Wirkung wird mittels eines
Servosystems erzielt, das ein Regelventil, das auf dem Haupthalteteil angebracht
ist, ein Hilfsstellglied, das für eine Bewegung des Hilfshalteteiles im Scheitelbogen
bezüglich einer Befestigung hierfür angebracht ist, ein Hauptstellglied, das für
eine Ausübung von Kraft zwischen dem Hilfshalteteil und dem Haupthalteteil angebracht
ist, und einen Exzenter aufweist, der auf dem Hilfshalteteil starr angebracht ist
und eine Umfangsfläche
aufweist, die auf der Steuerwelle des Regelventiles
aufliegt, um immer dann eine Verschiebung der Steuerwelle hervorzurufen, wenn sich
der Haupthalteteil bezüglich des Hilfshalteteiles bewegt. Eine Bewegung des Hauptgliedes
im Scheitelbogen über der einen vertikalen Achse bewirkt eine Verschiebung der Eingangswelle
des Regelventiles, die das Hilfsstellglied antreibt, um eine entsprechende Bewegung
des Hilfshalteteils im Scheitelbogen zu bewirken. Eine derartige Bewegung wiederum
wird durch die mechanische Kopplung, die zwischen dem Haupthalteteil und dem Hilfshalteteil
angegeben ist, und mittels der Druckverbindungen von dem Hilfsstellglied zum Hauptstellglied
rückgekoppelt, um für eine Kraftrückkopplung der durch das Hauptglied ausgeübten
Kraft zu sorgen.