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Vorrichtung zur Feinpositionierung einer Trägerstange
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für eine Sonde oder dgl.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feinpositionierung einer
Trägerstange für eine Sonde oder dgl., mit einem Gehäuse, aus dem die Trägerstange
ausfahrbar und drehbar herausragt und das einen die Trägerstange über einen Spindeltrieb
axial verschiebenden ersten Antriebsmotor und einen die Trägerstange um ihre Achse
drehenden zweiten Antriebsmotor enthält.
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Für Messungen an Strömungsmaschinen, Gasturbinen und Strahl triebwerken
benötigt man zur Bestimmung der Richtung und Größe der Druck- bzw. Geschwindigkeitsverteilungen
Sonden, die in das betreffende Strömungsfeld eingebracht werden. Diese Sonden müssen
zur Erzielung genauer Meßergebnisse sehr exakt positioniert werden. Die Verstellung
derartiger Sonden kann wegen der bei Prüfständen mit extrem schnellaufenden Maschinen
herrschenden Gefahr in der Regel nicht von Hand sondern nur über eine Fernbedienung
erfolgen. Bei den herkömmlichen Fernbedienungssystemen arbeiten die Stellvorrichtungen
in der Regel hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch. Die einzelnen Obertragungsglieder
haben ein so großes Spiel, daß durch die auftretenden Hystereseverluste eine Positionierung
der Sonde mit der erforderlichen Genauigkeit nicht möglich ist.
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Bei einem bekannten Sondenverschiebegerät (DT-Gm 18 97 658
wird
die die Sonde tragende Träger stange über zwei wirkungsmäßig hintereinanderliegende
Spindeltriebe von einem ersten Antriebsmotor in Längsrichtung ihrer Achse verschoben.
Da sie unabhängig von der Verschiebebewegung drehbar sein muß, erfolgt die Kraftübertragung
von der einen Spindelmutter auf die Trägerstange über eine Gabel, die einen durch
Flansche begrenzten Gleitring, der an der Trägerstange befestigt ist, umgreift.
Bei der Linearpositionierung der Sonde tritt an den beiden Spindeltrieben sowie
an dem gabelförmigen Mitnehmer notwendigerweise ein gewisses Spiel auf. Die Bewegungskopplung
zwischen dem Antriebsmotor und der Trägerstange erfolgt daher nicht mit der notwendigen
Präzision. Dies gilt auch für die Drehpositionierung, bei der die Trägerstange um
ihre eigene Achse gedreht wird, damit die Sonde bestimmte Winkelpositionen einnimmt.
Die Kraftübertragung von dem zweiten Antriebsmotor erfolgt über eine Hülse mit einem
nach innen gerichteten Keil, der in eine Längsnut der Trägerstange eingreift, um
unabhängig von der Verschiebeposition der Stange den jeweiligen Drehwinkel über
die Keil-Nut-Verbindung auf die Stange übertragen zu können. Auch beim Eingriff
eines Keiles in eine Nut entsteht ein unzulässig hohes Spiel, wenn der Keil in der
Nut längsverschiebbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß durch Verringerung des Obertragungsspiels zwischen den Antriebsmotoren
und der Trägerstange eine große Genauigkeit bei der Positionierung der Sonde erreicht
wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe isterfindungsgemäß vorgesehen,
daß
der zweite Antriebsmotor an einem in dem Gehäuse axial verfahren Lagerblock montiert
ist, in welchem die Trägerstange drehbar gelagert ist, und ein an der Trägerstange
befestigtes Zahnrad antreibt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden beide Antriebsmotore
in dem Lagerblock zusammen mit der Trägerstange in Achsrichtung verfahren. Dadurch
wird erreicht, daß beide Antriebsmotore über Zahnräder bzw. Zahnriemen direkt in
fester Kopplung auf die Trägerstange einwirken können, ohne daß Schleifringe, Schleifnuten
oder dgl.
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erforderlich wären, die stets eine erhebliche Hysterese verursachen.
Die Kopplung zwischen der jeweiligen Motorwelle und der Trägerstange ist so direkt
wie möglich.
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Da der zweite Antriebsmotor die Linearbewegungen der Trägerstange
mitmacht, verschiebt sich seine Eingriffsstelle an der Trägerstange nicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat einen geringen Platzbedarf, weil
die Antriebsmotoren einschließlich der zugehörigen Getriebe direkt in dem Lagerblock
untergebracht werden können, so daß der gesamte Gehäuseinnenraum für die Bewegung
des Lagerblocks zur Verfügung steht und dieser bis zu den Stirnwänden hin verfahren
werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Gehäuse
eine feststehende Spindel unverdrehbar angebracht, auf der eine von dem ersten Antriebsmotor
angetriebene Spindelmutter sitzt, welche in dem Lagerblock gelagert ist. Der erste
Antriebsmotor ist hierbei,
ebenso wie der zweite Antriebsmotor,
an dem Lagerblock montiert. Durch die feststehende Spindel wird die Übertragungsgenauigkeit
gegenüber den üblicherweise verwendeten drehbaren Spindeln, die stets eine gewisse
Axialverschiebbarkeit haben, ebenfalls erhöht.
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Um die jeweilige Stellung des Lagerblockes, und damit der Sonde, in
elektrische Signale umzusetzen, kann der Lagerblock ein lineares Schiebepotentiometer
enthalten, dessen Schiebestange an einer Querwand des Gehäuses befestigt ist. Die
Stellung des Lagerblockes bestimmt somit die Eintauchtiefe der Schiebestange, so
daß der am Potentiometer gemessene Widerstand unmittelbar Aufschluß über die eingenommene
Position gibt, ohne daß Ubertragungsmittel dazwischengeschaltet wären. Zur Umsetzung
des Drehantriebes der Trägerstange in elektrische Signale kann man das die Trägerstange
antreibende Zahnrad direkt mit einem Drehpotentiometer koppeln, so daß auch hier
eine große Genauigkeit gewährleistet ist.
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An dem Lagerblock können zwei Endschalter angebracht sein, von denen
der eine am rückwärtigen Ende des Weges des Lagerblockes gegen einen Anschlag stößt
und der andere von einem Anschlag betätigt wird, dessen Position an einer Schaltspindel
von außen einstellbar ist. Durch Einstellung der Position des zweiten Endschalters
kann man den maximalen Vorschub der Trägerstange begrenzen, um sicherzustellen,
daß die Sonde beispielsweise nicht gegen die Nabe eines Turbinen laufwerkes stößt
oder in Bereiche mit unzulässig hohen Temperaturen eindringt.
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Auf diese Weise können gewisse Bedienungsfehler von vornherein ausgeschaltet
werden.
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Die Trägerstange sollte möglichst glatt und durchgehend sein und leicht
ausgewechselt werden können. Trägerstangen der hier in Frage kommenden Art enthalten
meist Kapillarrohre oder elektrische Leitungen und sollten nach Möglichkeit eine
größere durchgehende Länge zur Vermeidung komplizierter Anschlußstücke haben. In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist daher die Trägerstange von einer Kunststoffhülse
umgeben, welche in einem starren Mantel sitzt. Die Kunststoffhülse kann an ihren
Enden konische Flächen aufweisen, auf die Klemmstücke aufgesetzt sind, von denen
mindestens eines mit dem Metallmantel verschraubt ist. Auf diese Weise erfolgt die
Befestigung der Trägerstange an dem Metallmantel durch Klemmung. Die Trägerstange
wird dabei im Bereich des Lagerblockes zusätzlich durch den von außen einwirkenden
Druck verstärkt. Dies ist erwünscht, weil insbesondere bei Anwendung einer Sonde
in Strömungskanälen erhebliche Druckkräfte auf die Trägerstange einwirken können,
die möglicherweise eine Durchbiegung der Trägerstange im Inneren des Gehäuses bewirken
würden. Durch die Klemmung zwischen Trägerstange und Metallmantel unter Zwischenschaltung
der Kunststoffhülse ist es möglich, eine glatt durchgehende Trägerstange zu verwenden,
die glatt durch das gesamte Gehäuse hindurchführt. Die druckverspannte Kunststoffhülse
bildet außerdem ein gewisses Polster für Schwingungsdämpfungen und Schläge. Eine
noch bessere Druckverspannung erhält man, wenn die Kunststoffhülse aus mindestens
zwei axial gegeneinandergesetzten Hülsenstücken besteht, die einander angepaßte
abgeschrägte Stirnflächen besitzen. Durch die axiale Verspannung der Hülsenstücke
schieben diese sich an den schrägen Stirnflächen übereinander, sodaß im Mittelbereich
der
Trägerstangen ein zusätzlicher Radialdruck entsteht.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt eine Ansicht der Vorrichtung aus Richtung des Pfeiles II in Fig. 1,
und Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2.
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Die Vorrichtung weist ein rechteckiges langgestrecktes Gehäuse 10
auf, mit einer vorderen Stirnplatte 11 und einer rückwärtigen Stirnplatte 12. Beide
Stirnplatten haben um die Gehäusemittelachse herum eine Öffnung 13 bzw. 14, durch
die die Trägerstange 15 hindurchragt.
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Im Inneren des Gehäuses 10 ist auf die Trägerstange 15 eine geteilte
Kunststoffhülse 16 aufgeschoben,die in einen Metallmantel 17 eingeschoben ist.An
dem vorderen Ende des Metallmantels 17 befindet sich ein ringförmiges Klemmstück
18 mit konischer Innenfläche, in das die konische Stirnfläche der Kunststoffhülse
16 hineinpaßt.
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Das rückwärtige Ende des Metallmantels 17 besitzt ein Außengewinde,
auf das eine Überwurfmutter 19 aufgeschraubt ist. Diese besitzt ein Mittelloch,
durch das die Trägerstange 15 hindurchführt und das sich nach innen konisch erweitert
und somit eine Angriffsfläche für die rückwärtige konische Stirnfläche der Kunststoffhülse
16
bildet. Beim Festziehen der Oberwurfmutter 19 wird die konische Hülse 16 zusammengedrückt,
so daß sich in dem Ringraum zwischen der Trägerstange 15 und dem Metallmantel 17
ein Druck aufbaut. Die Teile 15, 16 und 17 bilden daher eine in sich starre Einheit.
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Die Kunststoffhülse 16 besteht im vorliegenden Falle aus drei geteilten
llülsenabschnitten 161, 162 und 163, die hintereinanderliegen und jeweils aneinander
angepaßte schräge Stirnflächen aufweisen. Hierdurch wird erreicht, daß der beim
Festziehen der Oberwurfmutter 19 erzeugte Axialdruck zum Teil in eine Radialkomponente
umgewandelt wird, so daß die Kunststoffhülse fest gegen die Trägerstange 15 gedrückt
wird und sich auch bei äußeren Lasteinwirkungen nicht von dieser löst.
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Die Öffnungen 13 und 14 in der Vorderwand und in der Rückwand des
Gehäuses 10 sind so groß, daß die Trägerstange 15 zusammen mit der geteilten Kunststoffhülse
16 hindurchgezogen werden kann. Dies erleichtert das Auswechseln der Trägerstange
15 bzw. der an ihrem äußeren Ende befestigten Sonde 20, und es ist auch möglich,
Trägerstangen mit unterschiedlichen Durchmessern zu verwenden, wobei lediglich für
jede Trägerstange eine zugehörige Kunststoffhülse benötigt wird.
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Die aus den Teilen 15, 16 und 17 bestehende Baugruppe ist in einem
Lagerblock 21, der im Inneren des Gehäuses 10 längsverschiebbar ist, drehbar gelagert.
Zu diesem Zweck ist in der Mittelbohrung 22 des Lagerblockes 21 ein Nadellager 23
und ein kombiniertes Nadel- und Axialdrucklager 24 untergebracht. Diese Lager dienen
zur La-
gerung des Metallmantels 17, der in dem Lagerblock 21 drehbar,
jedoch nicht axialbewegbar ist.
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Der Drehantrieb der Trägerstange 15 erfolgt über ein Zahnrad 25, das
fest mit dem Metallmantel 17 verbunden ist. Dieses Zahnrad 25 wird über einen Zahnriemen
26 von einem Motor 27 über ein Getriebe 28 und ein Ritzel 29 angetrieben. Die aus
dem Motor 27 und dem Getriebe 28 bestehende Einheit ist ebenfalls an dem Lagerblock
21 befestigt, so daß eine feste Zuordnung zwischen der Längsposition der Trägerstange
und der Antriebseinheit 27, 28 besteht.
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An die Welle des Ritzels 29 ist die Welle eines Drehpotentiometers
30 angekuppelt. Das Drehpotentiometer ist über (nicht dargestellte) Leitungen mit
einer Anzeigevorrichtung verbunden und dient dazu, die jeweilige Drehwinkelstellung
der Trägerstange 15 elektrisch zu erfassen und anzuzeigen. Es hat einen Stellbereich
von 360°. Die Welle 31 des Potentiometers 30 trägt ferner eine von außen sichtbare
Scheibe 32 (Fig. 2), die zur Durchführung einer Nullpunktseinstellung gegenüber
einer feststehenden Markierung 33 verdrehbar ist.
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Der Linearantrieb des Lagerblockes 21 erfolgt durch die aus dem Motor
35 und dem Getriebe 36 bestehende Antriebseinheit, die ebenfalls an dem Lagerblock
befestigt ist.
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Die Ausgangswelle des Getriebes 36 treibt über ein Ritzel 37 einen
Zahnriemen 38, der über ein auf der gegenüberliegenden Seite der Trägerstange 15
angeordnetes Zahnrad 41 läuft. Der Zahnriemen 38 läuft auf einer großen Bahn mit
Abstand um die Trägerstange herum.
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Das Zahnrad 41 ist fest an einer Spindelmutter 39 angebracht, die
auf einer feststehenden Spindel 40 sitzt.
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Die Spindel 40 ist zwischen den beiden Stirnwänden 11 und 12 des Gehäuses
starr angebracht. Wenn das Zahnrad 41 daher durch den Zahnriemen 38 angetrieben
wird und die Spindelmutter 39 in Drehung versetzt, bewegt sich die Spindelmutter
parallel zur Trägerstange 15. Die Spindelmutter 39 ist in dem Lagerblock 21 über
ein kombiniertes Axial/Radiallager gelagert. Außerdem ist die Spindelmutter mit
einem Nadellager 43 unterhalb des Zahnrades 41 direkt auf der Spindel 40 gelagert.
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Die direkte Lagerung auf der Spindel ist möglich, weil die Spindel
ein Trapezgewinde hat.
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Das rückwärtige Ende der Spindel 40 ist als zylindrische Stange 44
ausgebildet. Auf ihm ist mit einer Kugelbüchse 45 der Lagerblock 21 gelagert.
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Zur Rückmeldung der Längsposition des Lagerblockes bzw.
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der Trägerstange dient ein in dem Lagerblock montiertes Schiebepotentiometer
46. Der Schieber 47 dieses Potentiometers ist in der vorderen Stirnwand 11 des Gehäuses
10 festgeschraubt, so daß sich bei einer Längsbewegung des Lagerblockes der elektrische
Widerstand des Potentiometers 46 proportional ändert. Auch die Anschlüsse des Potentiometers
46 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Sie sind über flexible
Leitungen aus dem Gehäuse 10 herausgeführt.
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In der einen Seitenwand des Gehäuses 10 befindet sich ein länglicher
Schlitz 48, der als Laufführung für den Lagerblock 21 dient. Der Lagerblock weist
zu diesem
Zweck vier Exzenterlaufrollen 49 auf, die in den Schlitz
48 hineinragen und sich an den unteren und oberen Schlitzrändern abstützen. Durch
Verstellung der Exzenter der Stützräder 49 kann die Winkelposition des Lagerblockes
21 in bezug auf die Achse der Spindel 40 in Grenzen verändert werden, so daß die
Justierung so erfolgen kann, daß der Schieber 47 des Potentiometers 46 keinen mechanischen
Spannungen ausgesetzt ist.
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Wie Fig.3 zeigt, befinden sich an dem Lagerblock 21 zwei Endschalter
50, 51. Der Schaltstift des Endschalters 50 steht in rückwärtiger Richtung vor und
stößt bei einer Rückwärtsbewegung des Lagerblockes gegen die hintere Stirnwand 12,
wodurch der Antriebsmotor 35 abgeschaltet wird.
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Die Begrenzung der Vorwärtsbewegung der Trägerstange 15 ist an der
Schaltspindel 52 einstellbar. Die Schaltspindel ist an der rückwärtigen Stirnwand
12 gelagert und kann von außen gedreht werden. Auf ihr bewegt sich eine Spindelmutter
53, die drehfest zwischen dem Lagerblock 21 und dem Gehäuse 16 geführt ist und in
die Bewegungsbahn des Schalters 51 hineinragt. Wenn der Schalter 51 bei einer Vorwärtsbewegungen
gegen den Anschlag 53 stößt, wird der Antriebsmotor 35 ebenfalls abgeschaltet.
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Die Erfindung wurde oben anhand einer Sonde zur Messung der Druckverteilung
in einem Strömungskanal beschrieben.
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In derselben Weise lassen sich selbstverständlich auch Sonden anderer
Art, wie Elektroden, Temperaturmeßsonden oder dgl. durch Fernbedienung verstellen.
Anwendungsgebiete hierfür finden sich beispielsweise in der Strömungstechnik, im
Turbinenbau oder in der Reaktortechnik.
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Der Begriff "Sonde" ist in diesem Rahmen weit zu verstehen. Er umfaßt
nicht nur Meßfühler, sondern Gegenstände aller Art,die mit großer Präzision zu positionieren
sind.