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Anordnung zur Steuerung eines an einem Gerät ortsveränderbar gehaltenen
Geräteteiles.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung eines
an einem ortsfesten Gerät, insbesondere einem Röntgenuntersuchungsgerät in mehreren
Richtungen motorisch ortsveränderbaren Geräteteiles, das aus einem Hauptteil und
zumindest einem Zusatzteil besteht und zwischen dem Hauptteil und dem Zusatzteil
mit zumindest einer Kraftmeßvorrichtung versehen ist, wobei auf das Geräteteil ausgeübte
Kräfte nach Größe und Richtung gemessen und zur Beeinflussung der Drehzahl und Drehrichtung-der
Motorantriebe herangezogen werden.
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Solche Einrichtungen sind dafür vorgesehen, um einerseits dem Benutzer
eine Unterstützung in Bezug auf seine gerade bei großen zu verstellenden Massen
relativ umfangreiche, d.h. strapaziösen Verstellarbeit zu schaffen und um andererseits
eine gewisse Sicherheit gegen Beeinträchtigung des Gerätes beim Auffahren auf ein
Objekt oder gegen Beeinträchtigung des Objektes selbst zu gewährleisten.
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Es ist in dieser Hinsicht durch die DT-PS 967 931 eine Sicherheitseinrichtung
für motorisch verstellbare Geräteteile von Röntgenuntersuchungsgeräten bekanntgeworden,
die darin besteht, daß an dem Geräteteil über Kraftmeßvorrichtungen ein dem Patienten
zugeordnetes Zusatzteil gehalten ist.
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Eine derartige Anordnung weist aber bedeutende Nachteile auf, und
zwar bezüglich der dort zum Einsatz gelangenden Kraftmeßvorrichtungen. Diese sind
aus druckabhängigen Widerständen gebildet, die an geeigneten Orten des Geräteteiles
entsprechend den in den drei Freiheitsgraden möglichen Verstellbewegungen vorgesehen
sind. Eine solche, aus druckabhängigen Widerständen bestehende Kraftmeßvorrichtung
kann aber keine genauen Meßwerte liefern, d.h.
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z.B. bei einer auf das Zusatzteil in Querrichtung ausgeübten Kraft
würde sich das Zwischenglied schräg stellen und somit nicht mehr die ausgeübte Kraft
sondern nur noch den in Querrichtung wirkenden Kraftvektor messen. Da die Verstellwege
bei einer solchen Kraftmeßvorrichtung klein gehalten werden müssen, kann es dann
passieren, daß durch das schräg gestellte Zwischenglied der für die andere Bewegungsrichtung
vorgesehene druckabhängige Widerstand belastet wird, und zwar mit dem in diese Richtung
wirkenden Kraftvektor. Dies wurde aber bedeuten, daß das Geräteteil eine nicht gewollte
Bewegung indieser Richtung ausführt.
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Aus vorgenannten Gründen hat sich ein solchermaßen ausgebildetes Gerät
nicht auf dem Markt durchsetzen können.
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-Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
für ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die eine genaue Erfassung
der in den einzelnen Freiheitsgraden bzw. den durch Kombination resultierenden Freiheitsgraden
ausgeübten Kräfte möglich und eine entsprechende Steuerung der zugeordneten Motorantriebe
gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kraftmeßvorrichtung
sich im wesentlichen aus zwei absolut gleichartigen, in ihren Zentren starr miteinander
verbundenen Membranen zusammensetzt, daß die eine Membrane an ihrem Umfang formschlüssig
mit dem Hauptteil verbunden ist, daß die andere Membrane an ihrem Umfang formschlüssig
mit dem gegebenenfalls an dem Hauptteil gehaltenen und gegenüber diesem lediglich
in zwei oder, den drei Freiheitsgraden bzw. den durch Kombination derselben resultierenden
Freiheitsgraden ortsveränderbaren Zusatzteil verbunden ist, und daß auf den Ober-
oder Unterflächen der Membranen im elastischen Bereich Dehnungsmeßstreifen zur Erfassung
der in den jeweiligen Freiheitsgraden auftretenden Kraftvektoren der zumeist komplex
ausgeübten Kraft angeordnet sind; wobei die Dehnungsmeßstreifen zu geeigneten, die
Motorantriebe über geeignete Verstärker entsprechend beeinflussenden Brückenschaltungen
zusammengefaßt sind.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Membranen kreisförmig
ausgebildet sind und auf ihren Ober- oder Unterflächen mit jeweils zumindest zwei
um einen bestimmten Winkel gegeneinander versetzten DehnungsmeBstreifenpaaren versehen
sind, wobei die beiden Dehnungsmeßstreifen jedes Dehnungsmeßstreifenpaares im Abstand
htntereLnander bzgl. der Richtung auf das jeweilige Zentrural der Membranen liegen.
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Zwecks Fortführung der Erfindung wird vorgeschlagen, das Zusatzteil
über einen Mechanismus an dem Hauptteil derart zu halten, daß lediglich eine Verstellung
des Zusatzteiles gegenüber dem Hauptteil in zwei oder in den drei Freiheitsgraden
bzw. in den durch Kombination daraus resultierenden Freiheitsgraden möglich ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Mechanismus
aus einem Hebelgebilde besteht, das sich aus vier einerseits jeweils an den vier
Ecken einer Hauptebene des Hauptteiles und andererseits jeweils an den vier Ecken
einer Hauptebene des Zusatzteiles gehaltenen, die Verstellung des Zusatzteiles gegenüber
dem Hauptteil in den drei Freiheitsgraden bzw.-in den durch Kombination daraus resultierenden
Freiheitsgraden erlaubenden Gelenkelementegruppen zusammensetzt, wobei einzelne
Teile dieser Gelenkelemntegruppen durch Gestänge miteiner verbunden sind.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist darin zu sehen, daß der
Mechanismus aus einem Hebelgebilde besteht, das sich aus vier einerseits jeweils
an den vier Ecken einer Hauptebene des Hauptteiles und andererseits jeweils an den
vier Ecken einer Hauptebene des Zusatzteiles gehaltenen, die Verstellung des Zusatzteiles
gegenüber dem Hauptteil in zwei Freiheitsgraden bzw. in den durch Kombination daraus
resultierenden Freiheitsgraden erlaubenden Gelenkelemente zusammensetzt, wobei einzelne
Teile dieser Gelenkelemente durch Gestänge miteinander verbunden sind und wobei
gegebenenfalls die Gelenkelemente in dem dritten Freiheitsgrad verschiebbar an Ansätzen
des Hauptteiles gelagert gind.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich da -durch, daß
das Zusatzteil an dem winkelförmig ausgebildeten Hauptteil über zwei an den äußeren
Ecken des einen Schenkels gelagerte, miteinander durch Gestänge verbundene Gelenkelemente
in zwei Freiheitsgraden beweglich gehalten und gegenüber diesen in dem dritten Freiheitsgrad
verschiebbar ist, und daß das Zusatzteil mit dem anderen Schenkel über die Kraftmeßvorrichtung
verbunden ist.
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Anhand von in der Zeicbaung mehr oder minder schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen sei die Erfindung näher erläutert, und zwar zeigen:
Figur
1, die erfindungsgemäße Anordnung im Prinzip bei einem aus einem Hauptteil und einem
Zusatzteil bestehenden Geräteteil von einem Gerät, Figur 2, eine prinziphafte Darstellung
einer Kraftmeßvorrichtung der erfindungsgemäBen-Anordnung, Figur 3,(a-c) die bei
ausgeübten Kräften sich ergebenden Lagen der Kraftmeßvorrichtung, Figur 4, die zu
Brückenschaltungen zusammengefaßten Dehnungsmeßstreifen der Kraftmeßvorrichtung
und die nachgeschalteten Verstärkungsglieder für die Beeinflussung der Motorantriebe,
Figur 5, eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, Figur 6, eine andere
Ausführungsform der erfindungsgemässen Anordnung,' Figur 7, eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie aus Figur 1 hervorgeht, besteht das an einem der Einfachheit halber
nicht veranschaulichten Gerät ortsveränderbar gehaltene Geräteteil aus einem Hauptteil
1 und einem Zusatzteil 2. Das Zusatzteil 2 ist dabei mit dem Hauptteil 1 über zumindest
eine Kraftmeßvorrichtung 3 mit hoher Auflösung und quasi wegloser Messung verbunden.
Die Anwendung von nur einer Kraftmeßvorrichtung 3 bedingt eine z.B.
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in der Figur 5 - 7 näher dargestellte und weiter unten eingehend erläuterte
Halterung des Zusatzteiles 2 am Hauptteil 1. Diese in Figur 2.näher verdeutlichte
Kraftmeßvorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei absolut gleichartigen z.B.
aus Federstahl hergestellten Membranen 4,5, die in ihren Zentren über ein Zwischenglied
6 starr miteinander verbunden sind. Die eine Membrane 4 ist dabei an ihrem Umfang
formschlüssig mit einer geeigneten Halterung 7 des Zusatzteiles 2 verbunden, während
die andere Membrane 5 an ihrem Umfang formschlüssig mit einer geeigneten Halterung
8 des Hauptteiles 1 verbunden ist.
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Aus Figur 2 ist zudem zu entnehmen, daß auf den Oberflächen der beiden
Membranen 4,5 5 Dehnungsmeßstreifen A1 - A4 und B1 - B4 vorgesehen sind, und zwar
sind diese paarweise angeordnet, wobei die Dehnungsmeßstreif9npaare A1, A2 bzw.
A3, A4 und, B1, B2 bzw. B3, B4 hintereinander in Bezug auf das jeweilige Zentrum
der Membranen 4,5 liegen Die Dehnungsmeßstreifenpaare A1, A2 und B1, B2 der einen
Membrane 5 sind um einen Winkel von 900 gegeneinander versetzt und die zugeordneten
Dehnungsmeßs#'eifenpaare A3, A4 und B3, B4 der anderen Membrane 4 sind ebenfalls
gegenound einander um einen Winkel von 90 gegenüber den erstgenannten Dehnungsmeßstreifenpaaren
der einen Membrane 5 um einen Winkel von 1800 versetzt.
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Diese Dehnungsmeßstreifen sind zu geeigneten Brückenschaltungen 9,10
zusammengefaßt, so daß es bei einer solchen Ausbildung und Anordnung der Kraftmeßvorrichtung
3 möglich
ist, die tatsächlich in den einzelnen Freiheitsgraden
ausgeübten Kräfte genau zu erfassen, was anhand der Figur 3 näher erläutert wird.
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In Figur 3a ist die Kraftmeßvorrichtung 3 im unbelasteten Zustand
dargestellt, d.h. von den Brückenschaltungen 9,10 der Dehnungsmeßstreifen A1 - A4
und B1 - B4 (in Fig.
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4 näher veranschaulicht) geht kein Signal aus, und- zwar resultiert
dies aus der für Wheatstonetsche Brückenschaltungen allgemein gültigen Formel UA
= UE . k/4 (# 1 - # 2 + # 3 - # 4) da hierbei die in der Klammer angegebenen Faktoren
für beide Brücken Null sind.
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UA stellt in dieser Formel die Ausgangsspannung dar, UE ist die Eingangsspannung,
k ist ein Faktor, der sich aus #R/R . 1/# bestimmt, # ist die Dehnung des Dehnungsmeßstreifens.
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Wird dagegen - wie in Figur 3b anhand der mechanischen Verformung
dargestellt - auf die Kraftmeßvorrichtung 3 eine Druckkraft ausgeübt, so stellen
sich an den Ausgängen der beiden Brückenschaltungen 9,10 folgende Signaleeino UA1
= UE . k/4 [#A1 - (-#A2) + #A3 - (-# A4)] = UE . k/4 (#Q1 + #A2 + #A3 + #A4) UA2
= UE . k/4 [#B1 - (-#B2) + #B3 - (- #B4)] = UE . k/4 (#B1 + #B2 + #B3 + #B4) Die
daraus resultierenden positiven Ausgangssignale der Brückenschaltungen 9,10 werden
dann über Meßverstärker
11, 12 zu einem Additions- bzw. Subtraktionsverstärker
13 geführt, der den für die senkrechte Richtung vorgesehenen Motorantrieb M1 in
der einen Richtung, d. h. in der Richtung der ausgeübten Druckkraft mittels entspre
chendem Signal beeinflußt.
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Bei Ausübung einer Zugkraft auf die Kraftmeßvorrichtung 3 (die mechanische
Verformung durch dieselbe ist in Fig.
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3c dargestellt) ergeben sich an den ausgängen der Brükkenschaltungen
folgende Signale: UA1 = UE . k/4 ( - #A1 - #A2 - #A3 - #A4) UA2 = UE . k/4 ( - #B1
- #B2 - #B3 - #B4) Durch die daraus resultierenden negativen Ausgangssignale Durch
die daraus: resultierenden negativen Ausgangssignale wird der Motorantrieb M1 in
der umgekehrten Richtung bèeinflußt.
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Bei Ausübung einer seitlichen Kraft auf die Eraftmeßvorrichtung 3,
die genau in Richtung der Dehnungsmeßstreifen A1 - A4 verläuft, (die mechanische
Verformung durch dieselbe ist in Figur 3d dargestellt) ergeben sich an den Ausgängen
der Brückenschaltungen 9,10 folgende Signale: UA1 = UE . k/4 ( - #A1 - #A2 - #A3
- #A4) UA2 = UE . k/4 ( #B1 - #B2 + #B3 - #B4 ) In diesem Belastungsfall -sind die
Faktoren #B1 1 #B4 gleich Null, denn es tritt an diesen Streifen keine Dehnung auf.
Dies bedeutet, daß der Verstärker 13 nur von der Brücke 9 ein Signal erhält und
demgemäß den Motor M2 in dieser Richtung beeinflußt.
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Im umgekehrten Fall, d.h. wird eine seitliche Kraft aus die Kraftmeßvorrichtung
3 ausgeübt, die senkrecht zu vorerwähnter Kraftrichtung steht, so liefert nur die
Brücke 10 ein Signal und über den Verstärker 13 wird der Motorantrieb M3 in entsprechende
Richtung" beeinflußt.
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In dem Fall, wenn eine seitliche Kraft auf die Kraftmeßvorrichtung
3 ausgeübt wird die sich auf beide Brücken 9,10 auswirkt, db. eine komplexe auf
die Längs- und Querrichtung ausgerichtete Kraft, so wird von den beiden Brücken
9, 10- ein geringeres, den, jeweiligen Kraftvektoren entsprechendes Signal geliefert,
durch die denn die Motoren M2 und M3 in den jeweiligen Drehrichtungen beeinflußt
werden.
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In Figur 3e ist ein Extremfall dargestellt, und zwar eine einseitig
an einen Rand der Kraftmeßvorrichtung 3 angreifende Kraft. Da eine solche Kraft
nicht eindeutig zu-definieren ist, muß sie eleminiert werden, d.h.
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sie darf sich auf die Verstellung des Geräteteiles 1,2 nicht auswirken.
Durch die Ausbildung und Anordnung der Kraftmeßvorrichtung 3 ist dies auch möglich,
und zwar aus folgendem Grunde: an den Brücken stellen sich folgende Signale ein,
UÅ1 = UE k/4 I £A1 - (+ eA2) A3 - &A4)] = UE x k/4 ( - #@@ - #@@ + #A2
+ #A4) Aufgrund der Eigenheiten einer Brückenschaltung ist zu erkennen, daß die
Summe der Faktoren e A1 -EA4 Null ergibt, so daß auch UA1 gleich Null ist. Da die
Dehnungsmeßstreifen B1 - B4 hierbei nicht belastet sind, ist auch UA2 gleich Null.
Im umgekehrten Fall ergibt sich ebenfalls das gleiche~Ergebnis. Werden beide Brücken
belastet, so heben sich die daraus resultierenden Signale gegneinander auf, d.h.-das
vom Verstärker 13 gelieferte Ausgangssignal wird auch Null.
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In den Figuren 5 - 7 sind Ausführungsbeispiele für die Verwendung
einer Kraftmeßvorrichtung 3 bei Halterung des Zusatzteiles 2 am Hauptteil 1 dargestellt.
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Wie aus Figur 5 hervorgeht, ist an dem Geräteteil 1 das Zusatzteil
2 über einen Mechanismus gehalten, und zwar so, daß das Zusatzteil 2 sich gegenüber
dem Hauptteil 1 nur in den drei Freiheitsgraden bzw. den durch Kombination daraus
resultierenden Freiheitsgraden verstellen läßt. Dies wird dadurch erreicht, daß
im Bereich der vier Ecken einer Hauptebene des Hauptteiles 1, je ein erstes Hebelsystem
14a - 14d und 15a - 15d vorgesehen ist, das sich aus vier ersten parallel zur Hauptebene
des Hauptteiles 1 bewegbaren Teilen 14a - 14d und vier zweiten daran gehaltenen,
ebenfalls parallel zur Hauptebene bewegbaren Teilen 15a - 15d zusammensetzt. Jeweils
zwei der zuletzt genannten Teile 15a und 15b sowie 15c und 15d, sind dabei untereinander
über je ein Gestänge 16,17 verbunden. Mit den zweiten Teilen 15a - 15d der vier
ersten Hebelsysteme sind vier zweite Hebelsysteme verbunden, die eine Bewegung des
Zusatzteiles 2 einerseits auf das Hauptteil 1 zu bzw. umgekehrt, d.h. in Richtung
des Doppelpfeiles Z und andererseits eine Bewegung in Längsrichtung des Geräteteiles
und zwar parallel zu diesen, d.h. in Richtung des Doppelpfei les X erlauben. Diese
Hebelsysteme bestehen wiederum aus vier ersten Teilen 18a - 18d, die einerseits
an den vier zweiten Teilen 15a - 15d des ersten Hebelsystems gelagert sind, und
an die andererseits vier zweite Teile 19a - 19d mit einem Ende angelenkt sind, wobei
zumindest zwei der Teile 19b und 19c winkelförmig ausgebildet sind. Die winkelförmig
ausgebildeten
Teile 19b und 19c sind an dem Ende des anderen Schenkels über ein Gestänge 20 miteinander
verbunden. Außerdem ist das andere Ende der Teile 19a und 19d mit dem Mittelpunkt
der winkelförmig ausgebildeten Teile 19b und 19c über je ein Gestänge 21 und 22
verbunden. An die Enden der Teile 19a und 19d sowie an die Mittelpunkte der winkelförmig
ausgebildeten Teile 19b und 19c sind im übrigen noch Absätze 23a - 23d des Zusatzteiles
2 angelenkt.
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Aufgrund dieser Ausgestaltung führen also auf das Zusatzteil 2 ausgeübte
Kräfte nur zu den in den drei Freiheitsgraden möglichen Verstellungen, wodurch es
möglich ist, hierbei nur eine Kraftmeßvorrichtung 3 .an einem geeigneten Platz vorzusehen.
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In Figur 6 ist eine Variation der Halterung nach Figur-5 dargestellt,
und zwar wurde hierbei auf das erste Hebelsystem verzichtet, d.h. das zweite Hebelsystem
18a - 18d und 19a - 19d ist direkt an den Ansätzen 24a - 24d des Hauptteiles 1 gelagert,
wobei die Querbewegung des Zusatz teiles 2, d.h. in Y-Richtung durch in den Ansätzen
24a -24d angeordnete, nicht näher dargestellte Kugelbuchsen möglich ist.
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In Figur 7 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstandes
dargestellt, und zwar ist dabei das Hauptteil 1 winkelförmig ausgebildet. An dem
einen Schenkel des Hauptteiles 1 ist an den äußeren Ecken jeweils
ein
Hebelsystem angelenkt, das aus ersten Teilen 25a - 25b und zweiten Teilen 26a und
26 b besteht. Wie gesagt sind die ersten Teile 25a und 25b mit einem Ende an dem
Hauptteil 1 angelenkt und an dem anderen Ende mit einem Ende der zweiten Teile 26a
und 26b verbunden. Zur Stabilität sind die Gelenkpunkte der Teile 25a und 25b sowie
26a und 26b durch Gestänge 27 und 28 miteinander verbunden. Die anderen Enden der
zweiten Teile 26a und 26b sind über eine Achse 29 starr miteinander verbunden. Auf
dieser Achse 29 ist nunmehr das Zusatzteil 2 in Längsrichtung der Achse verschiebbar
angeordnet. Außerdem ist das Zusatzteil 2 über die Kraftmeßvorrichtung 3 mit dem
zweiten Schenkel des HAuptteiles 1 verbunden. Durch diese Anordnung werden ebenfalls
nur definierte, den einzelnen Freiheitsgraden zugeordnete Kraftvektoren auf die
Kraftmeßvorrichtung 3 übertragen.
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Der Vorteil der vorstehend genannten Ausführungsformen ist darin zu
sehen, daß man zur Messung mit nur einer Kraftmeßvorrichtung auskommt.
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- Patentansprüche -