DE3415220C2

DE3415220C2 - Drehschwingantrieb für einen Ringlaserkreisel

Info

Publication number: DE3415220C2
Application number: DE3415220A
Authority: DE
Inventors: Werner 3308 Königslutter Jungbluth; Dieter 3300 Braunschweig Laschinski; Rüdiger Dr. 3176 Meinersen Rodloff
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1984-04-21
Filing date: 1984-04-21
Publication date: 1986-02-20
Also published as: FR2563334A1; DE3415220A1; GB2160026A; US4650331A; GB2160026B; FR2563334B1; GB8509873D0

Abstract

Drehschwingantrieb für einen Ringlaserkreisel. Zwei in einer Ebene nebeneinander liegende Montageblöcke sind über ein Federgelenk miteinander verbunden, dessen Drehachse senkrecht zur Ebene des Strahlenganges liegt. Die beiden Montageblöcke sind mit dem Federgelenk aus einem Stück ausgebildet. Zwischen den beiden Montageplatten wirkend ist ein Piezoantrieb vorgesehen, der einen Stapel von piezokeramischen Scheiben aufweist, die auf einer Spannschraube angeordnet sind. Der Piezoantrieb ist mit einem Anschluß für einen mittelfrequenten, vorzugsweise 400 Hz, Hochspannungswechselstrom versehen. Zur Erzielung eines kompensierten Drehschwingantriebes sind zwei Drehschwingantriebe gleichphasig entgegengesetzt angetrieben an einem gemeinsamen Montageblock übereinander angeordnet, wobei die Federgelenke miteinander fluchten.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehschwingantrieb für einen Ringlaserkreisel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2.

Bei einem bekannten Drehschwingantrieb der genannten An(DE-OS 31 50 160) ist eine Federanordnung mit zum Mittelpunkt konzentrischen radialen Stegen vorgesehen, die sich zwischen einer mittleren, mit der Grundplatte verbindbaren Platte und einer Einspannplatte für den Ringlaserblock erstrecken. An dieser Einspannplatte ist außen eine sich radial erstreckende Anschlagschulter vorgesehen, gegen die ein in 33-Richtung kontaktierter piezokeramischer Stapelantrieb anliegt, der sich mit seinem anderen Ende auf einem Anschlag auf der Grundplatte abstützt. Ein solcher Drehschwingantrieb ist schwierig zu fertigen. Durch den relativ großen Hebelarm, an dem der piezokeramische Stapelantrieb angreift und die notwendige Kraftumlegung durch die Grundplatte sind bei einem solchen Drehschwingantrieb aufgrund der Elastizitäten Taumelbewegungen der Schwingachse des Ringlaserblocks unvermeidbar, die das Meßergebnis eines Ringlaserkreisels negativ beeinflussen.

Es ist weiter ein Drehschwingantrieb für Ringlaserkreisel bekannt (US-PS 33 73 650), bei dem der Ringlaserblock auf drei radialen Blattfedern gelagert ist, die sich von ihren Befestigungspunkten am Ringlaserblock zur Drehachse hin erstrecken und mit diesem Ende auf der Grundplatte befestigt sind. Zwischen einem der Befestigungspunkte am Ringlaserblock und der festen Grundplatte ist ein magnetischer Vibrationsantrieb vorgesehen. Eine solche Anordnung neigt in besonderer

Weise zu Taumelbewegungen der Drehachse des Ringlaserblocks.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drehschwingantrieb der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß mit großer Sicherheit Taumelbeweguugen der Drehachse vermieden werden und gleichzeitig bei der Fertigung wesentlich geringere Anforderungen zu stellen sind als bei den bekannten Drehschwingantriebeti.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2 herausgestellten Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der beiden Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch die Struktur dnes Ringlasers eines Ringlaserkreiseis mit einem Drehschwingantrieb gemäß der Erfindung.

F i g. 2 zeigt schamtisch die Wirkung einer Drehfeder und die möglichen Fehlerquellen.

F i g. 3 zeigt in Draufischt den Drehschwingantrieb.

F i g. 4 zeigt eine Seitenansicht des Drehschwingantriebes nach F i g. 3 von links gesehen.

F i g. 5 zeigt einen Piezoantrieb in Seitenansicht.

F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drehschwingantriebes.

F i g. 7 zeigt eine Seitenansicht des Antriebs nach F i g. 6 in Richtung des Pfeiles X.

In F i g. 1 ist der Block 2 eines Ringlasers dargestellt, in dem der dreieckige Pfad 4 ausgebildet ist, auf dem die gegenläufigen Wellenzüge umgelenkt über die drei Eckspiegel 6,8 und 10 umlaufen. Zur Erzeugung der Laserstrahlung ist in bekannter Weise ein aktives Medium vorgesehen, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Es sind weiter nicht dargestellt die üblichen Verstellmöglichkeiten für die Eckspiegel und die Mittel zur Auskopplung von Strahlungsanteilen zur Bestimmung der Drehgeschwindigkeitsrate.

Am Block 2 des Ringlasers ist ein Drehschwingantrieb 12 befestigt, der beispielsweise auf einer Scheibe 14 angeordnet sein kann, die aus einem Metall besteht, das etwa den gleichen Ausdehnungskoeffizienten hat wie das Material, aus dem der Block 2 hergestellt ist. Die Befestigung des Drehschwingantriebes 12 kann aber auch in üblicher Weise über eine Klemmvorrichtung mit einer Spannplatte erfolgen.

Der in Fig. 1 dargestellte Drehschwingantrieb weist zwei Platten 16,18 auf, die über ein Drehfedergelenk 20 miteinander verbunden sind. Das Drehfedergelenk, das eine zur Ebene des Strahlenganges 4 senki echte virtuelle Drehachse 22 hat, besteht aus einem Stück mit den beiden Platten 16 und 18. Zwischen den beiden Platten ist ein piezokeramischer Stapelantrieb 24 als Vibrationsantrieb angeordnet, wie weiter unten im einzelnen noch zu beschreiben sein wird. Über die Gewindebohrungen 26 in der Platte 18 erfolgt die Befestigung auf der Scheibe 14 und damit am Block 2 des Ringlasers. Durch die Bohrungen 28 werden die Schrauben hindurchgeführt, mit denen der Antrieb auf einer Grundplatte befestigt wird. Der piez.okeramische Antrieb ist mit einem Anschluß für einen miuelfrequenten, vorzugsweise 400 Hz Hochspar.nungswechselstrom versehen.

Weitere Einzelheiten werden weiter unten unter Bezug auf F i g. 3 beschrieben.

f;in Ringlaserkreisel reagiert nur auf Rotationsbewegungen. Es ist also dafür zu sorgen, daß die Drehachse 22 des Drehfedergelenkes auch unter den auftretenden dynamischen Belastungen senkrecht zur Ebene des Strahlenganges 4 liegt. In Fig.2 ist schematisch die Wirkung einer Drehfeder mit ihren Bewegungsmöglichkeiten wiedergegeben. Die Drehfeder ist hier als Blattfeder F wiedergegeben, die in einen: Sockel B einseitig eingespannt ist. Unter der Einwirkung einer Kraft K wird die Feder Fura die Drehachse A im Uhrzeigersinn

ίο geschwenkt, wie durch den Pfeil angedeutet. Die Feder führt eine reine Drehbewegung um die Drehachse A aus, wenn die Kraft K mittig auf die Feder einwirkt. Durch die hierbei auftretende Transiationsbewegung zwischen den beiden Endstellungen, die hier in vollen Linien und gestrichelten Linrjn dargestellt ist. erfährt der Ausgang des Laserkreisels keinerlei Fehler im Ausgangssägnal. Wenn die Kraft K außermittig einwirkt, tritt eine Torsionsbewegung der Feder um die Achse T auf und gleichzeitig eine Nickbewegung um die Achse

N. Die Torsionsbewegung und die Nickbewegung sind durch entsprechende Dimensionierung der Feder sowie durch eine möglichst symmetrische Krafteinleitung zu eliminieren, so daß nur Rotationsbewegungen um die senkrechte Achse 22 auftreten, gegebenenfalls überlagen durch Translationsbewegungen, Drehbewegungen um mehr als eine Achse, also Taumelbewegungen, aber vermieden werden.

Der in Fig. 1 dargestellte und im nachstehenden unter Bezug auf die F i g. 3 und 4 im einzelnen zu beschreibende Drehschwingantrieb hat bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen zylindrischen Außenumfang. Die Außenkontur kann jedoch in ihrer Querschnittsform hiervon abweichend gestaltet sein.

Das Drehfedergelenk 20 mit der virtuellen senkrechten Drehachse 22 wird bei dem Ausführungsbeispiel beidseitig durch konkave Zylindermantelflächen mit parallel zur Drehachse verlaufenden Achsen 30, 32 begrenzt. Der Abstand dieser Achsen und der Radius der Zylindermantelflächen bestimmen die Breite des Drehfedergelenks 20. An die Zylindermantelfläche 30 schließt sich ein Schlitz 34 an, der zum Außenumfang des Drehschwingantriebes geführt ist. An die Zylindermanteifläche 32 schließt sich ein Schlitz 36 mit einem ersten Abschnitt 38 an, der mit dem Schlitz 34 fluchtet.

Der Schlitz 38 geht rechtwinklig in einen zweiten Abschnitt 40 über, der wiederum rechtwinklig in einen dritten Abschnitt 42 übergehl, der wiederum zum äußeren Umfang des Drehschwingantriebes führt.

Mit einer Achse 45, die parallel zu der Verbindungslinie zwischen den Achsen der Zylindermantelflächen 32 und hier parallel zu dem Schlitz 34 und dem Schlitzabschnitt 38 liegt, ist eine die beiden Platten durchdringende Bohrung 44 vorgesehen, die in der Platte 18 als Sackbohrung ausgebildet ist. In dem durch den Schlitz 36 gebildeten Schenkel 48 der Platte 16 ist die Bohrung 44 als durchgehende Gewindebohrung 50 ausgebildet.

In der Bohrung 44 ist der piezoelektrische Antrieb 52 untergebracht, der sich mit einem Ende über eine zentrische Kugellagerung 54 gegen den Boden der Sackboh-

bO rung 46 abstützt. In die Gewindebohrung 50 ist ein Gewindestopfen 56 eingeschraubt, über den das piezokeramische Antriebselement 52 unter Vorspannung gegen den Boden der Sackbohrung 46 gepreßt wird.

Wie in F ι g. 4 dargestellt, ist die Achse 42 der BoIi-

h5 rung 44 mittig zwischen den Oberflächen 58 und 60 der beiden Platten 16 und 18 angeordnet, die miteinander fluchten. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das Drehfedcrgelenk 20 im oben beschriebenen Sinne mit-

tig beaufschlagt wird und damit über den piezokeramischen Antrieb keine Torsions- und Nickbewegungen in den Antrieb eingeleitet werden. Durch die beschriebene Ausbildung des Drehfedergelenkes treten nur sehr geringere Translationsbewegungen auf, die aber ohnehin, wie oben angedeutet, das Ausgangssignal nicht negativ beeinflussen.

Durch die Anordnung der Bohrungen 26 bzw. 28 auf den Spitzen eines Dreiecks, wie es bei der Ausführungsfonn der Fall ist, werden auch Torsions- und Nickbewegungen, die aus der Elastizität der Aufspannung des Drehschwingantriebes resultieren können, weitgehend vermieden.

Der piezokeramische Antrieb 24 ist in F i g. 5 dargestellt. Er besteht aus einem Stapel von piezokeramisehen Scheiben 62, die in 33-Richtung kontaktiert sind, so daß Polarisation und angelegtes elektrisches Feld gleichgerichtet sind und so die maximale Stellkraft entwickelt wird. Die Scheiben 62 sind auf einer Schraube 64 angeordnet, die durch eine Kopfscheibe 66 an einem Ende hindurchgeführt ist und mit ihrem anderen Ende in einer mit einem Innengewinde versehenen Fußscheibe 68 eingreift Diese Fußscheibe ist vorzugsweise mit der oben erwähnten zentrischen kugelförmigen Lagerung 54 versehen. Über die Schraube 64 erhält der Stapel aus den piezokeramischen Scheiben 62 seine Vorspannung. Die leitenden Beschichtungen der piezokeramischen Scheiben sind jeweils an zwei nicht dargestellte elektrische Leitungen angeschlossen, die durch den Drehschwingantrieb nach außen geführt sind.

Der piezokeramische Antrieb 24 wird an einen mittelfrequenten Hochspannungswechselstrom, vorzugsweise einen solchen mit 400 Hz, angeschlossen. Der piezokeramische Antrieb erzeugt dabei ein sehr hohes Antriebsmoment, das für die Einzelscheibe nur über einen sehr geringen Weg wirksam ist. Durch die Wahl der Gesamtzahl der piezokeramischen Scheiben kann jedoch eine ausreichende Bewegungsamplitude erzeugt werden. Durch einen möglichst geringen Abstand der Mittelachse 45 des piezokeramischen Antriebes 24 von der Drehachse 22 kann für den Drehschwingantrieb 12 eine hinreichende Schwingungsamplitude erzielt werden. Ober die gesamte Amplitude steht dabei das erwähnte hohe Drehmoment zur Verfügung, das so groß ist, daß die im Betrieb möglicherweise auftretende Bedämpfung des Antriebes diesen nicht zum Stillstand bringt

Die beiden Platten 16 und 18 mit dem diese verbindenden Drehfedergelenk bestehen aus einem härtbaren Stahl. Das Federgelenk selbst wird relativ niedrig im elastischen Bereich belastet so daß eine hohe Standzeit zu erwarten ist

Bei dem vorstehend beschriebenen Drehschwingantrieb muß die Reaktionskraft von der Grundplatte aufgenommen werden, die zu diesem Zweck mit einer entsprechenden Masse auszubilden ist Ein reaktionsfreier Drehschwingantrieb kann dadurch geschaffen werden, daß übereinander zwei gegensinnig schwingende Drehschwingantriebe vorgesehen werden. Eine solche in Draufsicht trapezförmige Ausführungsform ist in den F i g. 6 und 7 dargestellt

Bei dieser Ausführungsform sind an einer Platte 70, die auf der Grundplatte befestigt wird, übereinander zwei Platten 72, 74 angeordnet und zwar eine Platte 72 für die Befestigung des Ringlaserblocks und eine Platte 74, die eine Gegenmasse darstellt bzw. an der eine Gegenmasse 69 befestigbar ist Die beiden Platten 72 und sind über koaxial liegende bzw. fluchtende Drehfedergelenke 76,78 mit Drehachsen 79,77 an der Platte 70 angelenkt. Die drei Platten 70,72,74 mit den Drehfedergelenken 76, 78 bestehen hier wiederum aus einem Stück.

Die Drehfedergelenke 76 und 78 sind in der oben beschriebenen Weise durch zwei konkave Zylindermantelflächen 96, 98 begrenzt, die wiederum in Schlitze 80, 81 bzw. 82, 83 übergehen, wobei der Schlitz 80 bzw. 82 jeweils L-förmig ausgebildet ist.

Die piezokeramischen Stapelantriebe 84, 86 sind hier wiederum mit ihren Achsen 89, 93 parallel zu der Verbindenden der Achsen 97, 99 der beiden Zylindermantelflächen 96, 98 seitlich der Federgelenke 76, 78 angeordnet. Sie liegen jeweils wie oben beschrieben in Sackbohrungen in den beiden Platten 72 und 74, die mit Gewindebohrungen 92, 94 in Widerlagern 88, 90 fluchten, die jeweils stirnseitig vor den Platten 72, 74 an der Platte 70 ausgebildet sind. Die Achsen 89,93 der Antriebe liegen jeweils in der Höhe mittig zwischen den Oberflächen der Platten 72 bzw. 74.

Die Bohrungen 71 dienen der Befestigung der Platten 70 auf der Grundplatte. Die Gewindebohrungen 73 dienen zur Befestigung der Halterung für den Ringlaserblock und die Gewindebohrungen 75 zur Befestigung einer Gegenmasse 69, die in F i g. 6 gestrichelt angedeutet ist.

Die Antriebe sind bei der beschriebenen Anordnung entgegengeset.'.t wirkend. Sie werden jeweils gleichphasig mit dem Wechselstrom gespeist.

Durch die einstückige Bauweise bei beiden Ausführungsformen des Schwingantriebes werden Verschiebungen der Teile gegeneinander und elastische Verformungen in den Verbindungen, wie sie bei Zusammenbau der Antriebe aus mehreren Teilen unvermeidlich sind, mit Sicherheit vermieden. Wie bereits oben angeführt, verfügt der Antrieb über ein so großes Antriebsmoment, daß er auch mit großer Dämpfung und außerhalb des Resonanzpunktes betrieben werden kann. Bei entsprechender Dimensionierung des Federgelenks kann weiter erreicht werden, daß die Eigenfrequenzen für Torsions- und Nickschwingungen sehr weit von der Antriebsfrequenz entfernt sind und damit nicht angeregt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehschwingantrieb für einen Ringlaserkreisel mit

a) einer Federanordnung zwischen einer festen Grundplatte und einer Einspannplatte für den Ringlaserblock und

b) einem in 33-Richtung kontaktierten piezokeramischen Stapelantrieb

dadurch gekennzeichnet, daß

c) in der gleichen Ebene nebeneinander eine mit der festen Grundplatte verbindbare erste Platte (16) und eine mit der Einspannplatte (14) für den Ringlaserblock verbindbare zweite Platte (18) angeordnet sind,

d) die Federanordnung als torsionssteifes die erste und zweite Platte (16,18) verbindendes Drehfedergeienk (20) mit einer zur Ebene des Strahlengangs des Ringlasers senkrechten Drehachse (22) ausgebildet ist,

e) die erste und die zweite Platte (16, 18) zusammen mit dem Drehfedergelenk (20) aus einem Stück bestehen,

f) vom Drehfedergelenk (20) ausgehend zwei Schlitze (34, 36) zwischen der ersten und der zweiten Platte (16,18) verlaufen,

g) der piezokeramische Stapelantrieb (24) in miteinander fluchtenden Bohrungen (44, 46, 50) in der ersten und der zweiten Platte (16,18) angeordnet und zwischen der ersten und der zweiter, Platte (16,18) wirksam ist, und

h) die Achse (45) des piezokeramischen Stapelantriebes (24) in der Höhe mittig zwischen den Oberflächen (58,60) der ersten und der zweiten Platte (16,18) verläuft.
Drehschwingantrieb für einen Ringlaserkreisel

mit

a) einer Federanordnung zwischen einer festen · Grundplatte und einer Einspannplatte für den Ringlaserblock und

b) einem in 33-Richtung kontaktierten piezokeramischen Stapelantrieb

dadurch gekennzeichnet, daß

c) an einer Stelle einer mit der festen Grundplatte verbindbaren ersten Platte (70) übereinander eine zweite mit der Einspannplatte für den Ringlaserblock verbindbare Platte (72) und eine als Gegenmasse wirksame dritte Platte (74) angeordnet sind,

d) die Federanordnung in Form von torsiossteifen, die zweite und die dritte Platte jeweils mit der ersten Platte verbindenden Drehfedergelenken (76, 78) mit zur Ebene des Strahlenganges des Ringlasers senkrechten Drehachsen (77, 79) gebildet ist, die miteinander fluchten,

e) die erste, zweite und dritte Platte (70, 72, 74) zusammen mit den Drehfedergelenken (76, 78) aus einem Stück bestehen,

f) von den Drehfedergelenken (76, 78) ausgehend jeweils zwei Schlitze (80, 81; 82, 83) zwischen der ersten und der zweiten Platte und der ersten und der dritten Platte verlaufen,

g) jeweils ein piezokeramischer Stapelantrieb (84, 86) in miteinander fluchtenden Bohrungen in der ersten und der zweiten Platte (70, 72) bzw. der ersten und der dritten Platte (70, 74) angeordnet und zwischen der ersten und der zweiten Platte bzw. der ersten und der dritten Platte wirksam ist,

h) die Achsen (89, 93) der piezokeramischen Stapelantriebe (84, 86) in der Höhe jeweils mktig zwischen den Oberflächen der zweiten bzw. der dritten Platte (72,74) verlaufen.

3. Drehschwingantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehfedergelenk (20) beidseitig konkave Zylindermantelflächen mit parallel zur Drehachse verlaufenden Achsen (30,32) aufweist.

4. Drehschwingantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Schlitze (36) einen zu dem an das Drehfedergelenk (20) angrenzenden ersten Abschnitt (38) und einen dazu senkrecht verlaufenden zweiten Abschnitt (40) aufweist

5. Drehschwingantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (40) in einen dritten Abschnitt (42) übergeht, der parallel zum ersten Abschnitt (38) verläuft.

6. Drehschwingantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezoantrieb (24) mit seiner Achse (45) parallel zu der Verbindenden durch die Achsen (30,32) der Zylindermantelflächen angeordnet ist.

7. Drehschwingantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der miteinander fluchtenden Bohrungen in einer der beiden Platten eine Sackbohrung (46) ist.

8. Drehschwingantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Platte (74) mit Befestigungsmitteln (75) zur Halterung einer Zusatzmasse (69) versehen ist.