DE2319224C3

DE2319224C3 - Mechanical transducer

Info

Publication number: DE2319224C3
Application number: DE19732319224
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr. 6330 Wetzlar Frenk
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1973-04-16
Filing date: 1973-04-16
Publication date: 1982-01-07
Also published as: FR2225219A1; FR2225219B3; DE2319224A1; DE2319224B2

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Schwinger für nicht-sinusförmige vorzugsweise dreieckförmige durch harmonische Synthese einzelner Sinusschwingungen erzeugte Bewegungen nach dem Oberbegriff so des Patentanspruchs.The invention relates to a mechanical oscillator for non-sinusoidal preferably triangular individual by harmonic synthesis sine waves generated movements according to the preamble to the patent claim.

Es ist bekannt, dreieckförmige Schwingungen über den Zwischenschritt trapezförmiger Schwingungen dadurch zu erzielen, daß man eine sinusförmige Schwingungen ausführende Anordnung vorsteht und aus den von dieser Anordnung durchgeführten Schwingungen jeweils nur die Schwingungsanteile zur Wirkung kommen läßt, die der gewünschten dreieckförmigen Schwingung weitgehend ähnlich sind, während man die übrigen Teile der Sinusbewegung in Totzeiten (Abschalten des auswertenden Empfängers) untergehen IaDi. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der unverhältnismäßig groben Summe von Totzeiten, während der das Gerät arbeitsmäßig nicht zur Verfügung steht.It is known to generate triangular oscillations via the intermediate step of trapezoidal oscillations to be achieved by projecting a sinusoidal oscillations executing arrangement and from the vibrations carried out by this arrangement, only the vibration components have an effect can come, which are largely similar to the desired triangular oscillation, while the other parts of the sinusoidal movement are lost in dead times (switching off the evaluating receiver) IaDi. The disadvantage of this method is the disproportionately large sum of dead times during which the Device is not available for work.

Es ist ferner bekannt, beliebige eindimensionale Schwingungen mathematisch durch Fourier-Analyse in definierte Sinusschwingungen zu zerlegen. Diese Zerlegung kann durch harmonische Analysatoren mechaIt is also known to calculate any one-dimensional vibrations mathematically by Fourier analysis in to break down defined sinusoidal oscillations. This decomposition can be done by means of harmonic analyzers mecha nisch oder elektronisch nachvollzogen werden.can be tracked electronically or electronically.

Umkehrung der harmonischen Analyse erlaubt die Synthese einer gewünschten Schwingbewegung aus errechneten Werten von Sinusbewegungen. Hierzu sind Anordnungen bekannt, welche die erforderlichen Grund- und Oberschwingungen einzeln erzeugen, die dann durch eine mechanische, elektrische oder optische Kopplung zur gewünschten Schwingbewegung zusammengesetzt werden.Inversion of the harmonic analysis allows the synthesis of a desired oscillatory motion calculated values of sinus movements. For this purpose, arrangements are known which provide the necessary Generate fundamental and harmonics individually, which are then controlled by a mechanical, electrical or optical Coupling to be put together to the desired oscillating movement.

Die in diesen Anordnungen verwendeten Schwinger werden zu erzwungenen Schwingungen mit definierter Phasen- und Amplitudenlage angeregt, wobei allerdings der Lage der Resonanzstelle bisher keine besondere Beachtung geschenkt wird. Bei als Demonstrationsmaschinen gedachten Vorrichtungen dieser Art, die abseits der Resonanzfrequenz arbeiten, tritt ein nicht unerheblicher Energieverbrauch auf, der ihre Anwendung für technische Zwecke, bei der nur wenig Energie zur Verfügung steht (z. B. bei der Raumfahrt), unmöglich macht.The vibrators used in these arrangements become forced vibrations with more defined The phase and amplitude position are excited, although the position of the resonance point has so far not been any special Attention is paid. In devices of this type, which are intended as demonstration machines, which apart the resonance frequency work, occurs a not inconsiderable energy consumption that their application for technical purposes where only little energy is available (e.g. space travel) impossible power.

Darüber hinaus besteht bei rotierenden Systemen für die Erzeugung einer harmonischen Synthese als weiterer Nachteil das Wartungsproblem von Lagern, insbesondere dann, wenn das Gerät im Vakuum arbeiten solLIn addition, there is a rotating system for the creation of a harmonic synthesis as a further disadvantage the maintenance problem of bearings, especially if the device is to work in a vacuum

Auf dem Gebiet der Rütteltechnik ist es z. B. aus der US-PS 26 36 719 bHcannt, Schwingsysteme aus hintereinandergeschalteten Massen aufzubauen, die durch unterschiedliche Federkräfte miteinander verkoppelt sind. Die Massen werden durch periodisch einwirkende Kräfte zu Resonanzschwingungen angeregtIn the field of vibration technology it is z. B. from the US-PS 26 36 719 bHcannt to build vibration systems from masses connected in series, which by different spring forces are coupled to one another. The masses are periodically acting Forces excited to resonance vibrations

Aus der DE-PS 11 82 878 ist es bekannt, an den schwingenden Massen Abtastvorrichtungen anzubringen und mit deren Meßwerten über einen die Ist-Schwingung und die Erregerschwingung vergleichenden Phasenregelkreis die Resonanzfrequenz des Systems einzustellen.From DE-PS 11 82 878 it is known to the to attach vibrating mass scanning devices and with their measured values via a die Actual oscillation and the excitation oscillation comparing the phase-locked loop, the resonance frequency of the System.

Diese bekannten Systeme sind insbesondere zur Erzeugung und Übertragung einer periodischen Kraft auf einen Prüfkörper vorgesehen. Auf den zeitlichen Verlauf der Schwingung und den Wirkungsgrad der Anregung wird kein besonderer Wert gelegtThese known systems are in particular for generating and transmitting a periodic force provided on a test body. On the time course of the oscillation and the efficiency of the No particular emphasis is placed on suggestion

Der Erfindung Hegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine nichtsinusförmige Schwingungen ausführende Mechanik zu konstruieren, die wenig Anregungsenergie benötigt und darüber hinaus ohne Wartung auskommtThe invention is therefore based on the object of performing non-sinusoidal oscillations To construct mechanics that require little excitation energy and, moreover, get by without maintenance

Diese Aufgabe wird bei einem mechanischen Schwinger der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.This task is achieved in a mechanical oscillator of the type mentioned by the im Characteristic part of the claim listed features solved.

In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsbeispiele für den mechanischen Schwinger dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigtIn the drawing, exemplary embodiments for the mechanical oscillator are shown schematically and described below. It shows

F i g. 1 eine Anordnung ineinandergeschachtelter Schwinger aus Schraubenfedern,F i g. 1 shows an arrangement of nested transducers made of helical springs,

Fig.2 eine Anordnung ineinandergeschachtelter Schwinger aus Blattfedern,2 shows an arrangement of nested transducers made of leaf springs,

F i g. 3 eine Schaltung zur elektronischen Korrektur der anzuregenden Schwingsysteme.F i g. 3 a circuit for the electronic correction of the oscillating systems to be excited.

In F i g. 1 ist ein System mit vier ineinandergeschachtelten Federschwingern dargestellt, bei dem die Federn 15 mit den zu bewegenden Massen so abgestimmt sind, daß ihre Eigenresonanz den gewünschten Oberschwingungen des Systems möglichst nahekommen. Sie werden durch die Antriebe 16 einzeln angesteuert. Das innerste System führt bei diesem Beispiel die vierte Oberschwingung in vierter Näherung der Fourier-Analyse und somit die Gesamtbewegung für einenIn Fig. 1 shows a system with four nested spring oscillators in which the springs 15 are coordinated with the masses to be moved so that their natural resonance comes as close as possible to the desired harmonics of the system. she are controlled individually by the drives 16. In this example, the innermost system leads the fourth Harmonic in fourth approximation of the Fourier analysis and thus the total movement for one

Übertragungsmechanismus 17 aus, der beispielsweise aus einem Spiegel bestehen kann.Transmission mechanism 17, which can for example consist of a mirror.

In Fig.2 sind Blattfedern 25 und Antriebe 26 symmetrisch ineinander angeordnet und bis zur dritten Näherung dargestellt. Die Funktionsweise der antreibenden und schwingenden Bauteile ist grundsätzlich wie in F i g. 1 beschrieben.Leaf springs 25 and drives 26 are shown in FIG arranged symmetrically one inside the other and shown up to the third approximation. How the driving force works and vibrating components is basically as in F i g. 1 described.

F i g. 3 zeigt schematisch eine elektronische Schaltung als Blockschaltbild.F i g. 3 schematically shows an electronic circuit as a block diagram.

Die Grundschwingung wird in bekannter Weise durch positive Rückkopplung angeregt, indem die im Abtastkopf 30 erzeugte, der Ist-Schwingung entsprechende Spannung mit elektronischen Mitteln 30 verstärkt zu dem Antrieb 36 zugeführt wird. Eine Ersterregung ergibt sich aus Erschütterungen der Umgebung, dem Einschaltimpuls oder dein Vtrstärkerrauschen der Schaltung selbst Eine Amplitudenbegrenzung ist durch die Leiscungsgrenze des Verstärkers oder zusätzliche Mittel vorgesehen. Die höher schwingenden Systeme werden im Gegensatz zur Grundschwingung zu erzwungenen Schwingungen,deren Frequenz allerdings nahe der Resonanzstelle liegt, angeregt Dir- Antriebsspannung der Oberschwingungen wird aus der Abtastspannung der Grundschwingung wie folgt hergestellt:The fundamental oscillation is excited in a known manner by positive feedback by the in the scanning head 30 generated voltage corresponding to the actual oscillation is amplified by electronic means 30 the drive 36 is supplied. An initial excitation results from vibrations in the environment, the Switch-on impulse or your amplifier noise of the Circuit itself An amplitude limitation is due to the power limit of the amplifier or additional Funds provided. The higher vibrating systems become in contrast to the fundamental vibration Forced oscillations, the frequency of which is close to the resonance point, are excited Dir- Drive voltage of the harmonics is derived from the scanning voltage of the fundamental as follows:

2525th

1. Die Abtastspannung wird mit elektronischen Bauelementen 35 in die gewünschte Nicht-Sinus-Form einer Sollspannung (z. B. Dreieck) umgewandelt 1. The scanning voltage is converted into the desired non-sinusoidal shape with electronic components 35 converted to a nominal voltage (e.g. triangle)

2. Die Ist-Abtastspannung der Grundschwingung wird mittels eines Differenzverstärkers 34 mit dieser Soll-Spannung phasen- und amplitudenrichtig verglichen und verstärkt Die erhaltene Differenzspannung wird zur Anregung des Oberschwingungssystems angewandt2. The actual sampling voltage of the fundamental oscillation is measured by means of a differential amplifier 34 this nominal voltage is compared with the correct phase and amplitude and amplified Differential voltage is used to excite the harmonic system

3. Die elektronische erhaltene Abtastspannung 31 der ersten Oberschwingung wird mit dem Sollwert im Differenzverstärker 37 verglichen und verstärkt; denn diese Differenz zeigt die Abweichung der ersten Oberschwingung in Phasen- und Amplitudenwerten. 3. The electronically obtained sampling voltage 31 of the first harmonic is compared with the setpoint im Differential amplifier 37 compared and amplified; because this difference shows the deviation of the first harmonic in phase and amplitude values.

4. Der nicht mehr korrigierbare Rest der 1. Oberschwingung wird als Sollwert der weiteren Oberschwingungen einem Differenzverstärker 39 zugeführt um mit dem Istwert der 2. Oberschwingung verglichen und verstärkt zu werden, wobei die Ausgangsspannung wiederum die 2. Oberschwingung antreibt.4. The remainder of the 1st harmonic, which can no longer be corrected, is used as the setpoint of the other Harmonics fed to a differential amplifier 39 to match the actual value of the 2nd harmonic to be compared and amplified, the output voltage in turn being the 2nd harmonic drives.

Weitere Oberschwingungen wo-iden entsprechend behandeltOther harmonics match accordingly treated

Der erfindungsgemäße mechanische Schwinger erreicht in vorteilhafter Weise, daß durch seinen gezielten Aufbau von entsprechenden in Eigenschwingungen arbeitenden Systemen eine technisch verwertbare, energiearm und wartungsfrei arbeitende Maschine zur Verfügung steht, wie sie z. B. bei Sateliten sehr gewünscht wird.The mechanical oscillator according to the invention achieves in an advantageous manner that through its targeted Construction of corresponding systems working in natural vibrations a technically usable, Low-energy and maintenance-free machine is available, as z. B. with satellites very much it is asked for.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patentanspruch:Claim:

Mechanischer Schwinger für nicht-sinusförmige, vorzugsweise dreieckförmige, durch harmonische Synthese einzelner Sinusschwingungen erzeugte Bewegungen mit mehreren aus Anreger- und Schwingteil bestehenden elastischen Systemen mit bestimmter, durch eine Fourier-Analyse einer beabsichtigten Schwingform vorgeschriebener ι ο Eigenfrequenz, die mittels einer Ineinanderschachtelung mechanisch gekoppelt sind, mit Abtastvorrichtungen, deren Ausgangssignale mit den Signalen einer Soll-Schwingung verglichen werden, und mit zur Korrektur der Schwinger dienenden elekirischen Schaltgruppen, welche die elektronisch festgestellten Differenzen zur Anregung benutzen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung der Grundschwingung eine elektrische Rückkopplung i^d zur Korrektur der Abweichungen der mechanischen von den theoretisch erforderlichen Eigenfrequenzen der die Oberschwingungen ausführenden Systeme eine je erforderlicher Frequenz einen Abtastkopf aufweisende elektronische Schaltung vorgesehen ist, in der dem der Grundfrequenz zugeordneten Abtastkopf (30) ein Verstärker (33), der mit dem Antrieb (36) die Grundschwingung anregt, und eine aus einem Phasenschieber, einem Trigger sowie einer Integrierstufe bestehende Dreieckformstufe (35) nachgeschaltet sind, daß der Ausgang der Dreieckformerstufe (35) gleichzeitig mit dem Ausgang des Verstärkers (33) an einer nachgeschalteten Diffc-renzsuJe (34) liegt und daß der Ausgang der Differenzstufe (34) und der Ausgang des dem folgenden Frequenzvielfachen zugeordneten Abtastkopfes (31) mindestens einer weiteren Differenzstufe (37) zugeordnet ist, deren Ausgang einem Antrieb (38) zur Korrektur der dem genannten Frequenzvielfachen entsprechenden Schwingungsanteil und gleichzeitig einer weiteren Differenzstufe (39), die die entsprechende Oberschwingung anregt, zugeführt istMechanical oscillator for non-sinusoidal, preferably triangular, through harmonic Synthesis of single sinusoidal oscillations generated movements with several from exciter and Vibrating part existing elastic systems with certain, by a Fourier analysis a intended oscillation shape of prescribed ι ο natural frequency, which are mechanically coupled by means of nesting, with scanning devices, whose output signals match the signals a target oscillation can be compared, and with the correction of the oscillator serving electrical switching groups, which the electronically use determined differences for excitation, characterized in that an electrical feedback i ^ d to excite the fundamental oscillation to correct the deviations of the mechanical of the theoretically required natural frequencies of the systems executing the harmonics, one frequency each required an electronic circuit having a scanning head is provided in which the fundamental frequency assigned scanning head (30) an amplifier (33), which with the drive (36) the fundamental oscillation excites, and one consisting of a phase shifter, a trigger and an integration stage Triangular shaping stage (35) are connected downstream that the output of the triangular shaping stage (35) simultaneously with the output of the amplifier (33) at a downstream Diffc-renzsuJe (34) and that the output of the differential stage (34) and the output of the following frequency multiple assigned scanning head (31) is assigned to at least one further differential stage (37) whose Output of a drive (38) for correcting the frequency multiple corresponding to the above Vibration component and at the same time a further differential stage (39), which excites the corresponding harmonic, is fed