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Die Erfindung betrifft ein System der Grob- und feinein-
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stellung und bezieht sich insbesondere auf die Feineinstellung eines
Objektes, beispielsweise eines í~wrandlers zur exakten Ausrichtung mit einem gewünschten
Ziel, beispielsweise dem Mittelbereich einer Datenspur auf einer drehbaren Magnetplatte.
Die Erfindung kann auch für andere Fälle angewandt werden, z.B. für Kurvenschreiber
oder drehbare Antennen.
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Es sind verschiedene Arten von Einstelleinrichtungen bekannt.
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In einer Schrauben-Schrittschalteinrichtung ist ein Schrittmotor mit
einer Führungsschraube vorgesehen, die durch eine an einem Wagen angebrachte Mutter
hindurchgeschraubt ist, um den Wagen gegenüber der Führungsschraube linear anzutreiben.
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Zu den Vorteilen einer derartigen Schrauben-Schrittschalteinrichtung
gehört ihre Genauigkeit, gute Verschleißfestigkeit, nichtakkumulierende Fehler und
angemessene Kosten. Nachteile bestehen in der langsamen Einstellung und der möglichen
asymmetrischen Abnutzung der Mutter, die die Genauigkeit der Einstellung beeinträchtigen
kann.
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Zu einer Band--Schrittschalteinrichtung gehört ein Motor, eine Bandantriebsachse
und ein um dieselbe geschlungenes Band zur linearen Bewegung eines Wagens gegenüber
einem ortsfesten Rahmen. Eine solche Einstelleinrichtung ist wirtschaftlich und
arbeitet schnell, jedoch ist ihre Genauigkeit gering, sie ist unstabil, arbeitet
laut und neigt dazu, durch Schmutz beschädigt zu werden.
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Eine lineare Betätigungsvorrichtung mit geschlossener Schleife bringt
auf einen Wagen eine Bewegungskraft auf, die einem Rückkopplungssignal entspricht,
welches die Differenz zwischen der gewünschten Wagenposition und der tatsächlichen
Wagenposition angibt. Solche Betätigungsvorrichtungen arbeiten schnell und genau,
sind aber teuer, voluminös und kompliziert.
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Eine Mikroschrittschalteinrichtung ist ein einziger Elektromotor,
der feine Schritte durch elektronische Einstellung des Stroms ausführt, so daß der
Rotor in feinen Schritten zwischen Polflächen bewegt wird. Für derartige Motoren
ist eine komplizierte Elektronik nötig, und jeder Motor muß einzeln geeicht werden.
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Es sind verschiedene Einstelleinrichtungen für Wandler bekannt, die
sich Servodaten in eingebetteter Form zu Nutze machen. Radiale Grob- und Feineinstellung
eines Wandlers im Verhältnis zu den konzentrischen Spuren einer drehbaren Magnetplatte
mit Arbeitsdaten und Servodaten, die in abwechselnden Sektoren auf der Platte verteilt
sind, ist in US-PS 4 032 984, 4 149 200 und 4 149 201 offenbart. Ein weiteres Beispiel
einer Wandlereinstelleinrichtung für eine drehbare Magnetplatte, auf der Servoeinstellinformationen
mit eingesprengten Daten enthalten sind, geht aus US-PS 4 208 679 hervor. Eine Einstelleinrichtung,
die eine Serie von einander benachbarten Servospuren hat, wobei die Grenze zwischen
aneinander angrenzenden Servospuren eine Bahn bestimmt, der das Servosystem zu folgen
hat, geht aus US-PS 3 691 543 hervor.
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In US-PS 4 204 234 ist eine Spurfolgeanordnung offenbart, bei der
aufgezeichnete Daten der Reihe nach von einem Lese/Schreibkopf abgetastet werden,
den eine Servoeinrichtung zur Hin- und Herbewegung veranlaßt, um sich der von den
Datensignalen maximaler Amplitude bestimmten Bahn zu nähern.
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US-PS 4 048 66G ist ein weiteres Beispiel für das Folgen und Aufsuchen
von Aufzeichnungsspuren mittels eingebetteter Servomuster zur Lagebestimmung von
zwei Gliedern im Verhältnis zueinander. Diese Patentschrift zeigt auch eine rückfu#hrungslose
Steuerung für einen Schrittschaltmotor, der eine Anordnung in eine Grobeinstellung
bringt. Ein auf der Anordnung bewegbar angebrachter Wagen stützt einen Arm zur Bewegung
eines Lese/Schreib-Kopfes zu gewünschten Spuren innerhalb einer Gruppe. Eine erste
geschlossene Servoregelung liefert
dem Schrittschaltmotor Fehlersignale
der Spurstelle und eine zweite geschlossene Servoregelung liefert dem Wagen Fehlersignale
der Spurfolgeposition.
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Um die Speicherkapazität zu vergrößern, wäre es erwünscht, die Anzahl
Spuren auf einer Floppy Disk zu vergrößern; aber bei vergrößerter Anzahl von Spuren
pro Längeneinheit wird es schwieriger, einen Wandler auf eine gewünschte Spur einzustellen.
Die genannten Platten haben ein Trägermaterial aus Mylar, welches gegenüber Änderungen
der Temperatur und Feuchtigkeit außerordentlich empfindlich ist. Durch derartige
Änderungen wird eine Expansion und Kontraktion der Platte in ungleichförmiger oder
anisotroper Weise hervorgerufen, was die Spur oval verformt. Es können auch weitere
Faktoren, wie das Klemmen der Platte und Lagerauslauf dazu führen, daß die Spur
exzentrisch wird. Der Wandler muß folglich in der Lage sein, beim Drehen der Platte
einer unregelmäßigen Spur zu folgen, und die Einstelleinrichtung für den Wandler
muß in der Lage sein, sehr feine Mikroschritte auszuführen, um auf der Spur zu bleiben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Grob- und Feineinstelleinrichtung
zu schaffen, die zur Lagebestimmung eines Objektes, beispielsweise eines Wandlers
in exakter Ausrichtung mit einem gewünschten Ziel, beispielsweise dem Mittelbereich
einer Datenspur auf einer drehbaren Magnetplatte nicht nur einfach und wirtschaftlich
ist, sondern es außerdem dem Objekt ermöglicht, dem Ziel längs einer unregelmäßigen
Spur zu folgen.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung hat den Vorteil, die Einstellausgangssignale
einer Grobeinstellschalteinrichtung und einer Feineinstellschalteinrichtung zu einer
Bewegungsform für ein in seiner Lage zu bestimmendes Objekt zu kombinieren.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Einstelleinrichtung
das Einstellausgangssignal einer Feineinstellschalteinrichtung
proportional
verringert, um einen feineren Schaltschritt exakt festzulegen.
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Gemäß der Erfindung gehört zu der Einstelleinrichtung eine Einrichtung,
mit der ein Objekt in gleichförmigen Schritten einer Grobeinstellung bewegt wird,
eine Steuerung, mit der die Grobeinstellschalteinrichtung betätigt wird, eine Ein
richtung, mit der das Objekt in gleichförmigen Schritten einer Feineinstellung bewegt
wird, eine Steuerung, mit der die Feineinstellschalteinrichtung betätigt wird, wobei
die beiden Schrittschalteinrichtungen zur Grob- und Feineinstellung unabhängig voneinander
betätigbar sind, und eine Einrichtung, die die Grobeinstellschalteinrichtung und
die Feineinstellschalteinrichtung miteinander verbindet, um ihre Einstellausgangssignale
zu einer Bewegungsform für das Objekt zu kombinieren.
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Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten
anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Einstelleinrichtung gemäß
der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung von Sektorservosignalen und
verschiedenen Wandlerpositionen; Fig. 3 eine teilweise weggebrochen gezeigte Draufsicht
auf eine Einstelleinrichtung mit einem Grob- und Feinschrittschaltmotor und einer
Einrichtung zum Kombinieren der Einstellausgangssignale derselben zu einer Bewegungsform.
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Wie Fig. 1 zeigt, gehört zu einer Antriebseinheit 10 eine insgesamt
mit 11 bezeichnete Grob- und Feineinstelleinrichtung, die einen Magnetkopf oder
Wandler 12 in radialer Richtung gegenüber einer Aufzeichnungen tragenden Platte
14 bewegt, welche mittels eines Antriebsmotors 16 gedreht wird.
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Die Platte enthält eine Anzahl Spuren, und jede Spur ist in einzelne
Sektoren unterteilt. Am Anfang jedes Sektors sind Sektorservosignale vorgesehen,
die von beliebiger bekannter Art sein können und für die Beispiele in den vorstehend
genannten Patentschriften zu finden sind. Eine typische Form, wie sie in Fig. 2
gezeigt ist, hat in Längsrichtung gestaffelte Bänder A und B magnetischer Energie,
die sich in Querrichtung zwischen den Mittellinien einander benachbarter Spuren
T1, T2 und T3 erstrecken. Ein über der Spur T2 zentrierter Wandler 12C nimmt ähnliche
Energiebündel von den beiden Bändern A und B auf. Ein links von der Mittellinie
der Spur T2 angeordneter wandler 12L nimmt mehr Energie vom Band B als vom Band
A auf und sollte gegenüber der Mittellinie nach rechts bewegt werden. Ein rechts
von der Mittellinie der Spur T2 angeordneter Wandler 12R nimmt mehr Energie vom
Band A als vom Band B auf und sollte gegenüber der Mittellinie nach links bewegt
werden.
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Wie wiederum aus Fig. 1 hervorgeht, wird der Wandler von einem Grobschrittschaltmotor
18 in gleichförmigen Schritten einer Grobeinstellung entsprechend dem Abstand zwischen
Spurmittellinien in Abhängigkeit von einer rückführungslosen Steuerung 19 von einer
früheren Spurstelle zu einer gewünschten Spur bewegt. Zu der Steuerung gehört eine
Steuerlogik 20 und eine Steuereinheit 22. Die in die Steuereinheit eingegebenen
Anweisungen werden der Steuerlogik zugeführt, die bestimmt, um welche Anzahl von
Schritten oder Spuren und in welcher Richtung, nämlich radial nach innen oder nach
außen gegenüber der Platte eine Bewegung zu erfolgen ~hat.
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Der Wandler 12 wird in gleichförmigen Schritten einer Feineinstellung
mit Hilfe eines Feinschrittschaltmotors 24 in Abhängigkeit von einer geschlossenen
Servoregelung 26 zu der gewünschten Spurmittellinie bewegt. Sektorservosignale,
die der Wandler von der Spur aufnimmt, werden einem Spitzenamplitudendetektor 28
zugeführt, dann kurzfristig in einem elektronischen Speicher 30 gehalten, ehe sie
an eine Vergleichsschaltung
32 weitergegeben werden, Dort wird
das stärkere Signal festgestellt und diese Information in eine Steuerlogik 34 eingegeben,
die die radiale Richtung bestimmt, in welcher der Feinschrittschaltmotor den wandler
zu der gewünschten Spurmittellinie bewegen sollte. Dann wird ein feiner Schritt
gemacht, und der Wandler liest die nächsten Sektorservosignale ab. Dieser Prozeß
wird so lange wiederholt, bis die Steuerlogik feststellt, daß die Mittellinie überschritten
wurde. Nun wird ein Antriebsbereitschaftssignal erzeugt, und die Antriebseinheit
10 ist zum Lesen oder Schreiben bereit.
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Wenn sich die Platte dreht werden die folgenden Sektorservosignale
von der geschlossenen Servoregelung 26 abgelesen und weiterverarbeitet. Diese Signale
bewirken, daß der Feinschrittschaltmotor 24 den Wandler 12 um einen Schritt für
jeden Sektor zur Spurmittellinie vorwärtsbewegt. Die Größe des feinen Schrittes
ist so festgelegt, daß dieser immer größer ist als die Änderungsrate der Abweichung
von der Spurmittellinie pro Sektor. Folglich wird der Wandler vom Feinschrittschaltmotor
ständig um einen sehr kleinen Schritt über die Spurmittellinie hin- und herbewegt.
.mann das Ablesen oder Aufzeichnen einer Spur beendet ist, wird der Wandler vom
Grobschrittschaltmotor 18 zur nächsten gewünschten Spur bewegt und der beschriebene
Vorgang wiederholt, Der Feinschrittschaltmotor 24 beseitigt beim ersten Suchen nach
in Betriebnahme der Antriebseinheit den größten Teil des Fehlers, und alle weiteren
Suchvorgänge erfordern insgesamt nur Korrekturen von exzentrischen und anisotropen
Zuständen.
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Wie Fig. 3 zeigt, ist der Grobschrittschaltmotor 18 parallel zum Feinschrittschaltmotor
24 an einer Halteplatte 34 angebracht, von der die beiden Motoren vorstehen. Der
Grobschrittschaltmotor hat eine vordere Lageranordnung 36, die längs einer Stützfläche
37 verschiebbar ist, und eine hintere Lageranordnung 38, die längs einer Stützfläche
39 verschiebbar
ist. Die Lageranordnungen sind an einer einen hier
nicht gezeigten Anker abstützenden Welle 41 angebracht. Sowohl die Welle als auch
der Anker sind in axialer Richtung translatorisch bewegbar und werden von einer
Vorspannfeder 42 in Vorwärtsrichtung gedrängt, die zwischen einem Flansch 43 und
der hinteren Lageranordnung zusammengepreßt ist. Die vordere Lageranordnung ist
von einer Hülse 44 gehalten, auf der eine Kappe 45 mit kugelförmiger Lagerfläche
46 sitzt, die mit einem Hebel 47 in Eingriff steht. Dieser Hebel ist durch einen
Drehbolzen 48 gehalten, der von einer Konsole 49 vorsteht, die an der Halteplatte
34 befestigt ist.
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Der Hebel 47 paßt um eine Führungsschraube 51, die mit der Welle 41
des Grobschrittschaltmotors gekoppelt ist. Der Hebel paßt außerdem um eine Führungsschraube
52, die vom Feinschrittschaltmotor 24 vorsteht. Der Hebel ist auf der Führungsschraube
52 durch eine Mutter 53 gehalten, die so mit dem Hebel verrastet ist, daß eine Umdrehung
der Mutter unmöglich ist. Da die Mutter eine kugelförmige Lagerfläche 54 hat, die
ähnlich wie die Lagerfläche 46 an der Kappe 45 mit dem Hebel in Eingriff steht,
kann sich der Hebel zwischen den Führungsschrauben 51 und 52 geringfügig schrägstellen.
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Der Wandler 12 ist von einem Arm 58 abgestützt, welcher von einem
längs einer Spur 57 bewegbaren Wagen 56 vorsteht. Die Führungsschraube 51 erstreckt
sich in den Wagen, und dort ist eine Mutter 59 auf die Führungsschraube aufgeschraubt.
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Ein von der Mutter vorstehender Flansch 61 ist mit dem Wagen verriegelt,
um eine Umdrehung der Mutter zu verhindern. Die Mutter sitzt innerhalb eines Sockels
62 im Wagen und ist darin von Federn 63 und 64 in ihrer Lage gehalten.
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Im Betrieb wandert der Wagen 56 axial zur Führungsschraube 51, wenn
der Grobschrittschaltmotor 18 betätigt wird. Wenn der Feinschrittschaltmotor 24
die Mutter 53 auf der Führungsschraube 52 nach innen bewegt, wird auch der Hebel
47 nach
innen angetrieben. Diese Betätigung wird an die Hülse 44,
die Lageranordnung 36, die Welle 41, die Führungsschraube 51 und den Wagen 56 übertragen.
Wenn der Feinschrittschaltmotor die Mutter auf der Führungsschraube 52 nach außen
bewegt, drängt die Vorspannfeder 42 die Lageranordnung 38, die Welle 41, den Hebel
47, die Führungsschraube 51 und den Wagen 56 in Vorwärtsrichtung. Der Betrag der
Feineinstellung wird von den Schrittwinkeln des Feinschrittschaltmotors, der Steigung
der Führungsschraube 52 und dem Hebelverhältnis vom Drehbolzen 48 zu den achsen
der Führungsschrauben 51 und 52 bestimmt. Auf diese Weise werden die Verstellschritte
der Mutter 53 durch das Hebelverhältnis proportional verringert, um einen feineren
Einstellschritt für den Wagen 56 exakt festzulegen.
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Die Betätigung des Grobschrittschaltmotors 18, mit der der Wandler
12 zu einer gewünschten Spurstelle bewegt wird, ist ein grobes Suchen, während die
Betätigung des Feinschrittschaltmotors 24, mit der der Wandler bei Beendigung des
groben Suchens aus seiner Stellung bewegt wird, bis er die gewünschte Spurmittellinie
kreuzt, ein feines Suchen ist, Das Einfangen der Spur wird in diesem Zeitpunkt als
erreicht angesehen. Der Einfangbereich der Spur ist die maximale Entfernung, über
die hinweg ein Feinsuchen erfolgen kann. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wäre dieser
Bereich ca. + 0,9 des Abstandes zwischen Spurmittellinien. Nach dem Einfangen der
Spur muß die Platte gedreht werden, um die gewünschten Sektordaten zu erreichen.
Diese Verzögerungszeit des Drehens wird als Latenzzeit bezeichnet. Die Einstelleinrichtung
11 kann ein grobes und ein feines Suchen innerhalb einer Zeitspanne durchführen,
die kürzer ist als eine normale Latenzzeit.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß der die Führungsschrauben 51 und
52 verbindende Hebel 47 deren Einstellausgangssignale zu einer Bewegungsform kombiniert,
die zu einer linearen translatorischen Bewegung des Wandlers 12 führt.
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Diese Bewegungsform kann durch eine Differentialgleichung erster Ordnung
gelöst werden.
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An der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform können
verschiedene Abwandlungen mit Hebeln, Verbindungsstangen und Übersetzungskörpern
vorgenommen werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Die gleichen Prinzipien
sind auch für andere Bewegungsformen, z.B. Drehbewegung anwendbar. Ein Grobschrittschaltmotor
mit einem um seinen Körper herum angeordneten Zahnkranz könnte so angebracht sein,
daß er in Abhängigkeit von einem Feinschrittschaltmotor mit einem Ritzel, welches
mit dem Zahnkranz kämmt, in feinen Schaltschritten um seine Achse verstellbar wäre.
Weitere Anwendungsfälle für die beschriebene Einstelleinrichtung sind Kurvenschreiber,
drehbare Antennen und die Herstellung von Fluchtlinien- oder Ausrichtungsplatten.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht klar hervor, daß die Einstelleinrichtung
11 das Einstellausgangssignal des Feinschrittschaltmotors 24 proportional reduziert,
um einen feineren Schaltschritt exakt festzulegen. Die Einstellausgangssignale der
Grob- und Feinschrittschaltmotoren 18 und 24 werden zu einer Bewegungsform für den
Wandler 12 kombiniert.
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Die Einstelleinrichtung ist nicht nur einfach und wirtschaftlich,
sondern bestimmt die Lage des Wandlers in exakter Ausrichtung mit einer gewünschten
Spur auf der Platte 14 und ermöglicht es dem wandler, einer unregelmäßigen Spur
zu folgen.