DE3943550C1 - Servobetätigungssysteme - Google Patents

Abstract

Ein Doppelservosystem für einen Sucherbetätiger umfaßt einen Sucherkopf, der kardanisch auf einer Plattform gelagert ist und um die Querachse und die Hochachse durch einen schnellen Servoantrieb, d. h. einen Antrieb mit hoher Bandbreite und geringem Umfang angetrieben wird, wobei die Plattform schwenkbar gegenüber einer Basis angeordnet wird und um die Querachse und die Hochachse durch ein langsames Servosystem angetrieben wird, d. h. durch einen Motor mit niedriger Bandbreite und großen Konturen. Die Schwenklagerung zwischen der Plattform und der Basis ist so ausgebildet, daß ein sphärisches Lager mit relativ großer Fläche (im typischen Fall über 85 DEG Raumwinkel) gebildet wird, um einen ausreichenden Widerstand gegenüber Hochbeschleunigungsbelastungen zu erzielen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Servobetätigungssysteme und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf Sucher-Betätigungs­ systeme.

Servobetätigungssysteme werden bei einem Projektil benutzt, um den Suchkopf auf eine gewünschte Sichtlinie auszurichten. Der­ artige Systeme können bei einem Projektil wie beispielsweise einem Lenkgeschoß bei einem Minenwerfer oder bei einem gelenkten Flugkörper benutzt werden. Diese Systeme weisen im typischen Fall einen Sucherkopf, z. B. einen optischen oder im Millimeter­ bereich arbeitenden Radarkopf auf, der kardanisch aufgehängt ist und sich um die Querachse und die Hochachse drehen kann. Bei den erwähnten Projektilen wird das Sucherkopf-Betätigungs­ system sehr hohen Beschleunigungslasten ausgesetzt, wenn das Projektil gestartet wird. Das System muß daher in der Lage sein, sehr hohen Stoßbelastungen widerstehen zu können, und es muß andererseits eine präzise und schnelle Orientierung des Sucher­ kopfes bewirken. Außerdem ist es erwünscht, daß das System einen großen Blickwinkel aufweist und ausreichend schnell ist, um ein weites Suchfeld zu bedecken und sich schnell auf ein Ziel einzustellen.

Ein Betätigungssystem, welches diese Kriterien erfüllt, wird vermutlich sehr teuer und empfindlich sein. Durch die Erfindung ist jedoch ein Betätigungssystem geschaffen worden, welches wenigstens eine dieser Kriterien erfüllt und relativ kosten­ günstig hergestellt werden kann.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein Servosystem vorgesehen welches eine Plattform aufweist, die beweglich gelagert ist, wobei zwei Servoantriebe vorgesehen sind, um die Plattform zu versetzen und ein Servoantrieb eine große Versetzung der Platt­ form mit relativ niedriger Bandbreite bewirkt und der andere Servoantrieb eine kleine Versetzung mit relativ hoher Bandbreite bewirkt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Doppelservo­ system vorgesehen, welches eine Plattform aufweist, die in einem gegebenen Sinne gegenüber einem Träger beweglich ist, wobei der Träger im wesentlichen im gleichen Sinn gegenüber der Basis beweglich gelagert ist und ein erster Antrieb eine Relativbewegung der Plattform zu dem Träger bewirkt, während ein zweiter Antrieb eine Relativbewegung des Trägers zur Basis bewirkt und der erste Antrieb in der Lage ist, eine Bewegung mit hoher Bandbreite mit einem relativ kleinen Ort der Bewegung durchzuführen, während die zweite Vorrichtung in der Lage ist, eine Bewegung mit geringer Bandbreite mit einem relativ großen Bewegungsort durchzuführen, wobei eine Steuereinrichtung auf ein Eingangssignal anspricht, um den ersten und zweiten Antrieb so zu steuern, daß die Plattform gemäß dem Eingangssignal orientiert wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein Sucher- Betätigungssystem für ein Projektil vorgesehen, welches folgende Merkmale aufweist:
eine Basis zur Befestigung am Projektil,
eine Lageranordnung, die wenigstens um die Querachse oder die Rollachse oder die Hochachse beweglich ist,
ein Sensor, der gegenüber der Lageranordnung um wenigstens eine dieser Achsen beweglich ist,
ein erster Antrieb, der eine Bewegung der Lageranordnung relativ zur Basis um wenigstens eine der Achsen bewirkt,
ein zweiter Antrieb, um eine Bewegung des Sensors relativ zur Lageranordnung um wenigstens eine Achse zu bewirken,
Mittel, die auf das Eingangsbedarfssignal ansprechen, um den ersten und zweiten Antrieb so zu steuern, daß der Sensor nach einer gewünschten Stellung bewegt wird,
wobei einer der Antriebe in der Lage ist, eine Bewegung mit einem relativ großem Bewegungsort durchzuführen, während der andere Antrieb in der Lage ist, eine Bewegung mit einem relativ kleinen Bewegungsort durchzuführen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Sucher­ kopfes, geschnitten in der Querachse;

Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht des Sucherkopfes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Sucherkopfes gemäß Fig. 1 und 2, wobei diese Teile aus Plastikmaterial bestehen;

Fig. 4a und 4b schematische Blockschaltbilder, die zwei Ausführungsbeispiele von Steuersystemen für die Anordnung gemäß Fig. 1 bis 3 zeigen.

Das in den Figuren dargestellte Sucherkopfsystem ermöglicht die Bewegung eines Sensors und die Querachse und um die Hochachse.

Für jeden Sucher ist ein Doppelservosystem vorgesehen, das ein System mit kleiner Kontur und hoher Bandbreite aufweist, das in einem System mit großem Umriß und geringer Bandbreite arbeitet. Die Steuersystemausgänge steuern in geeigneter Weise die Systeme mit hoher Bandbreite und niedriger Bandbreite gemäß einem Eingang.

Es wird nunmehr auf das Suchkopfsystem gemäß Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Ein Basisteil 10 ist am Vorderende 12 eines Projektils befestigt und trägt an seinem Vorderende eine Basis­ platte 14 mit einer konkaven sphärischen nach vorn gerichteten Oberfläche 16, die drehbar eine Translationsplatte 18 zur Bewegung um ein Schwenkzentrum P des Mechanismus trägt. Die Durchlaßplatte 18 besitzt eine bogenförmige, nach hinten verlaufende Zahnstange 20, die in einen entsprechenden Schlitz der Basisplatte 14 dicht einpaßt, so daß die Durchlaßplatte 18 an ihrer Bewegung um eine erste Achse gehindert ist. In die Zähne der Zahnstange 20 greift ein Ritzel 22 ein, das über eine Getriebekette mit einem langsamen (äußeren) Motor 24 für die erste Achse in Antriebsverbindung steht. Die Lage der Translationsplatte 18 relativ zur Basisplatte 14 im Sinn um die erste Achse wird durch einen Wandler 26 bestimmt, der einer nicht dargestellten Servosteuerung Positionierungssignale liefert. Die Translationsplatte 18 hat eine konkave sphärische nach vorn gerichtete Oberfläche, die drehbar das Chassis 30 des Sucherkopfes trägt, der um das Zentrum P verschwenkbar ist. Die Bewegung des Chassis 30 relativ zur Translationsplatte 18 wird im Sinn um eine zweite Achse begrenzt. Die Translationsplatte 18 besitzt eine bogenförmige Zahnstange 32 in einem Schlitz 34. In die Zähne der Zahnstange 32 greift ein Ritzel 35 am Chassis 30 ein, welches über eine Getriebekette mit dem äußeren (lang­ samen) Motor 36 für die zweite Achse verbunden ist, der eben­ falls am Chassis 30 gelagert ist. Die Lage des Chassis 30 relativ zur Translationsplatte 18 wird durch einen Neigungs­ wandler 37 bestimmt, der der nicht dargestellten Servosteuerung Positionierungssignale liefert.

Das Chassis 30 des Sucherkopfes weist eine obere Lagerplatte 30 auf und ist über ein Kugellager 40 mit dem vorderen Gehäuse 42 des Sucherkopfsystems verbunden, damit sich das Chassis 30 um die Schwenkachse P verschwenken kann. Die Lagerplatte 38 trägt ein Joch 44 einer Kardananordnung, um eine Schwenkbewegung um die erste Achse zu ermöglichen, die durch das Schwenkzentrum P hindurchläuft. Die Arme des Jochs 44 stützen die Chassis- Schüssel einer Cassegrain Antenne ab, damit diese um die zweite Achse schwenken kann, die durch das Schwenkzentrum P' hindurch­ geht. Die übrigen Komponenten der Cassegrain Antenne (der Unter- Reflektor 48 und der Detektor 50) sind am Chassis 30 befestigt, und die Antenne kann als einzelne Einheit um das Schwenkzentrum P', um die Querachse und die Hochachse schwenken. Die Zentren P und P' können zusammenfallen oder auch nicht.

Die Lagerplatte 38 trägt an Stellen, die im Abstand von 90° zueinander angeordnet sind, zwei schnelle (innere) Motoren 52. Jeder davon ist ein Linearmotor, der direkt die Cassegrain Antenne antreibt, die kardanisch im Joch 44 gelagert ist, um eine unabhängige Querachsen- und Hochachsenbewegung durchzu­ führen. Die Abtriebswelle eines jeden Motors 52 und 54 ist mit der rückwärtigen Oberfläche der Schüssel 46 durch eine Kugel- Kugelfassungs-Schnappverbindung 56 verbunden.

Die Bewegung der Antenne um die Querachse und Hochachse wird demgemäß durch jeweilige Doppelservoantriebsanordnungen bewirkt, von denen jede ein Servosystem mit großer Bandbreite und kleiner Kontur aufweist, das durch den schnellen (inneren) Motor 54, 52 angetrieben wird, der in einem Servosystem mit kleiner Band­ breite und großem Umriß arbeitet, das von einem langsamen (äußeren) Motor 24, 26 angetrieben wird. Die Steuerung der Servosysteme wird weiter unten erörtert.

Die schnellen inneren Motore 54, 52 sind jeweils orthogonale lineare Motore, die aus seltenen Erden hergestellte Magnete aufweisen. Die langsamen (äußeren) Motore 24, 26 sind jeweils Gleichstrommotore mit Selten-Erde-Magneten.

Der Aufbau wird durch ein großes Kugellager 40 und die jeweili­ gen Lageroberflächen zwischen der Basisplatte 14, der Trans­ lationsplatte 18 und dem Chassis 30 geführt. Die große Gesamt- Stützfläche, die durch alle Lageroberflächen definiert wird, ergibt einen hohen Stoßwiderstand gegenüber den Stößen, die beim Abschuß entstehen.

Fig. 3 veranschaulicht die Hauptteile des Systems, die aus Plastikmaterial bestehen. Der Basisteil 10, die Basisplatte 14, die Translationsplatte 18, der untere Teil des Chassis 30, die Lagerplatte 38 und das Joch 40 sind aus Präzisionsguß-Plastik- Material gefertigt, z. B. aus einem Plastikmaterial, bestehend aus Nylon, das durch Kohlenstoff-Fasern verstärkt ist.

Die Reibung in dem Servo mit geringer Bandbreite bei Relativ­ bewegung zwischen Chassis 30 und Translationsplatte 18 und Translationsplatte 18 und Basisplatte 14 wird auf ein Mindestmaß reduziert, weil die Bauteile im Präzisionsguß aus Plastik- Material hergestellt sind.

Die Schüssel 46 besteht aus einer Leichtlegierung und ist mit Fassungen versehen, die Kugeln an den Enden der schnellen (inneren) Motoren 52 und 54 empfangen, wodurch sich eine niedrige Reibung und ein Spiel von Null ergeben.

Nunmehr werden die beiden Ausführungsbeispiele der Steuersysteme nach Fig. 4a und 4b beschrieben. Jedes Steuersystem hat ein Doppel-Servosystem und einen Eingang, über den Befehle für die erforderliche Bewegung dem System zugeführt werden. Die Befehle können den Sucherkopf so steuern, daß er einem vorbestimmten Abtastmuster folgt oder auf ein spezielles Ziel geleitet wird. Das Steuersystem besitzt zwei Kanäle, und der eine ist für den inneren schnell laufenden Motor mit hoher Bandbreite vorgesehen, und der andere für den äußeren langsamen Motor mit niedriger Bandbreite. Dabei sind jeweils schnelle und langsame Wandler dem schnellen bzw. langsamen Motor zugeordnet.

In Fig. 4a wird das Bedarfseingangssignal für die hohe Band­ breite (d. h. eines innerhalb der Grenzen des schnellen Servos) einer Verbindung 65 zugeführt, wo es mit dem Eingangsbedarfs­ signal für die niedrige Bandbreite summiert und mit den skalierten Ausgängen der schnellen und langsamen Wandler 74, 74' verglichen wird. Das resultierende Signal wird dem schnellen Kanal zugeführt, wo es bei 66 geformt, bei 68 verstärkt und dem schnellen Motor 70 zugeführt wird und der Motorausgang wird dem System über ein Getriebe 72 zugeführt. Der Ausgang des Getriebes 72 wird durch einen Stellungswandler 74 abgefühlt, bei 76 skaliert und dann einem Vergleich bei 60 und 65 unterworfen.

In dem langsamen Kanal wird das Bedarfssignal für niedrige Bandbreite bei 65' mit dem skalierten Ausgang vom Stellungs­ wandler 74' verglichen, bei 66' geformt, bei 68' verstärkt und dem langsamen Motor 70' zugeführt. Der Ausgang des Motors wird dem System über das Getriebe 72' zugeführt. Der Ausgang des Getriebes 72' wird durch den Positionswandler 74' abgefühlt, bei 76' skaliert und zum Vergleich nach 65' überführt und dann einer weiteren Skalierungsstufe 80' zum Vergleich bei 60 zugeführt.

In Fig. 4b wird das Gesamtbedarfssignal einer Verbindung 65 zugeführt, wo es mit den zusammengefaßten skalierten Ausgängen von Schnell- und Langsamwandler 74', 74' verglichen wird, und das resultierende Signal wird dem schnellen Kanal zugeführt, wo es wie bei Fig. 4a behandelt wird. Das Gesamtbedarfssignal wird außerdem über ein Tiefpaßfilter 78 geleitet, um die Komponente mit hoher Bandbreite zu entfernen und die resultie­ rende Komponente mit niedriger Bandbreite wird der Verbindung 65' zugeführt, und wie in Fig. 4a behandelt.

Demgemäß liefert der innere Motor eine hohe Bandbreite, eine niedrige Amplitude und eine hohe Empfindlichkeit, während der äußere Motor, der die Nutzlastplattform antreibt, eine niedrige Bandbreite, eine hohe Amplitude und eine grobe Genauigkeit liefert. Die Doppelpositions-Rückkopplungs-Servoschleifen sind so angeordnet, daß bei erheblichem Bedarf jede Servoschleife die andere unterstützen kann, was den Frequenzbedarf und den Amplitudenbedarf anbelangt. Hinsichtlich des Frequenzbedarfes unterstützen die schnellen Motoren die langsamen und bei Amplitudenbedarf unterstützt der langsame Motor den schnellen.

Die Benutzung von 2 Gruppen von Servos ergibt ein vielseitiges System, welches so konfiguriert werden kann, daß ein weiter Bereich von Erfordernissen innerhalb eines kleinen Raumes von beispielsweise 80 mm Durchmesser, beispielsweise in einer Fliegerbombe erreicht werden kann.

Das dargestellte Beispiel zeigt eine Cassegrain Antenne für Wellen im Millimeterband. Es ist klar, daß die beschriebenen Prinzipien auch für andere Typen von Sensoren anwendbar sind. Beispielsweise kann das Doppel-Servosystem benutzt werden, um eine CCD Kamera auszurichten, welche sichtbare Bilder oder IR-Strahlungsbilder liefert.

Das System kann auch für andere Zwecke als für Flugkörper angewandt werden, wo es erforderlich ist, ein System mit hoher Bandbreite zu erzielen.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele ergeben eine kosten­ günstige unempfindliche Konstruktion durch die Benutzung von Plastikmaterial und Selten-Erde-Magneten für die Gleichstrom­ motoren.

Jedes Servo kann eine Verklinkung aufweisen, um eine Ruhestel­ lung während der Lagerung des Transportes u. s. w. und bei schwierigen Umgebungsbedingungen unmittelbar vor dem Startstoß aufrechtzuerhalten.

Claims (9)

1. Servosystem mit einer Plattform, die beweglich gelagert ist und mit zwei Antrieben, von denen jeder in der Lage ist, die Plattform zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Servoantrieb eine relativ kleine Bandbreite und große Versetzungen der Plattform bewirkt, und der andere Servoantrieb eine relativ hohe Bandbreite mit kleinen Versetzungen bewirkt.

2. Doppelservosystem mit einer Plattform, die in einem gegebenen Sinn gegenüber einem Träger beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger im wesentlichen im gleichen Sinn gegenüber der Basis beweglich ist, daß ein erster Antrieb eine Relativbewegung der Plattform gegenüber dem Träger bewirkt, daß ein zweiter Antrieb eine Relativbewegung des Trägers gegenüber der Basis bewirkt, daß der erste Antrieb eine Bewegung mit hoher Bandbreite auf einem relativ kleinen Bewegungsort durchführt, daß der zweite Antrieb eine Bewegung mit niedriger Bandbreite mit einem relativ großen Bewegungsort durchführt, und daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die auf ein Eingangssignal anspricht, um den ersten und zweiten Antrieb so zu steuern, daß die Plattform gemäß dem Eingangs­ signal orientiert wird.

3. Sucherbetätigungssystem für ein Projektil, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
eine Basis, die am Projektil festlegbar ist;
eine Lageranordnung, die eine Bewegung um wenigstens eine der Achsen: Querachse, Hochachse, Rollachse bewirkt;
ein Sensor, der gegenüber der Lageranordnung um wenigstens diese eine Achse beweglich ist;
ein erster Antrieb, der eine Bewegung des Lagers relativ zur Basis um die eine Achse bewirkt;
ein zweiter Antrieb, der eine Bewegung des Sensors relativ zur Lageranordnung um die eine Achse bewirkt, und
Mittel, die auf das Eingangsbedarfsignal ansprechen, um den ersten und zweiten Antrieb so zu steuern, daß der Sensor in eine gewünschte Stellung bewegt wird;
wobei einer der Antriebe in der Lage ist, eine Bewegung mit einem relativ großen Bewegungsort durchzuführen, und der andere Antrieb eine Bewegung in einem relativ kleinen Bewegungs­ ort durchführt.

4. Sucherbetätigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Antrieb eine Bewegung über einen relativ großen Bogen durchführt.

5. Sucherbetätigungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor um die Querachse und die Hochachse um einen Schwenkpunkt beweglich ist, und daß die Lageranordnung um die Querachse und die Hochachse um im wesent­ lichen den gleichen Schwenkpunkt beweglich ist, und daß das System erste und zweite Hochachsenantriebe und erste und zweite Querachsenantriebe aufweist, um die Bewegungen um die Querachse und die Hochachse durchzuführen.

6. Sucherbbetätigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor auf der Lageranordnung über eine Kardanaufhängung gelagert ist, und daß der oder jeder zweite Antrieb auf einem Linearmotor besteht, der zwischen dem Sensor und der Lageranordnung angeordnet ist.

7. Sucherbetätigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder zweite Antrieb eine Ritzel-Zahnstangenanordnung aufweist.

8. Sucherbetätigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung und die Basis komplementäre, allgemein sphärische Lageroberflächen aufweisen, um die Lageranordnung abzustützen, damit sie in wenigstens einem Sinne um den Schwenkpunkt verschwenkt werden kann.

9. Sucherbetätigungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung mit dem Träger über eine Translationsplatte verbunden ist, die eine konkave sphärische Oberfläche besitzt, um an einer komplementären Oberfläche der Lageranordnung anzugreifen, und daß sie eine konzentrische konvexe sphärische Oberfläche besitzt, um an einer komplementären konvexen Oberfläche der Basis anzugreifen.