DE4217607C2 - Seilzug-Wegaufnehmevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Seilzug - Wegaufnehme­ vorrichtung mit einem flexiblen Seil, insbesondere Stahl­ seil, das an einem Ende mit einer Seiltrommel fest ver­ bunden und sehr dünn gegenüber dem Trommeldurchmesser und mit seinem anderen Ende am bezüglich der Distanz zur Vorrichtung zur erfassenden Meßobjekt festlegbar ist, wobei die lediglich eine Wickellage des Seils auf der Trommel bestreitende Auszugslänge des Seils dargestellt wird durch einen mit der Achse der Seiltrommel winkel­ starrverbundenen Drehwinkel- Meßgeber und die Seiltrom­ melachse über ein Untersetzungsgetriebe mechanisch derart mit der Abtriebsachse einer Feder gekoppelt ist, daß das gegen die Ausziehrichtung des Seils wirkende Federdreh­ moment untersetzt auf die Seiltrommelachse übertragen wird.

Eine solche der Abstandsmessung bzw. der Orts- Positions­ wandlung dienende Vorrichtung mit vergleichsweiser großer Seillänge ist zum Beispiel bekannt aus der DE-PS 33 37 109. Dort ist das zur Rückstellfeder hin die Seiltrommel­ drehzahl untersetzende Getriebe ein Zahnradgetriebe, und das überschneidungsfreie Aufwickeln des Seils gegen das Federdrehmoment wird dort lediglich durch eine Spiral­ rille in der Seiltrommel zu erreichen versucht.

Durch die Untersetzung wird dort der allgemein beschränkte Arbeitsbereich der Feder an die maximale Windungszahl des Seils auf der Trommel angepaßt. An­ stelle der wenig langzeittauglichen und ein ungleich­ mäßiges Drehmoment aufweisenden Spiralfedern (DE-PS 30 19 190 und DE-PS 29 41 747) wird dabei auch eine Torsionsfeder vorgesehen. Solche Federn haben wiederum recht begrenzte Drehwinkelbereiche. Das Zahnradgetriebe ist aufwendig und hat nicht die wünschenswerte Langzeitbeständigkeit hinsichtlich Abnutzung und Reibungswerten. Ähnliche Gegenstände offenbaren auch die US-PS 4443888 oder die deutschen Patentschriften 30 19 190 und 29 41 747.

Generell besteht bei solchen Vorrichtungen mit ver­ gleichsweise großen Seillängen, (5 bis 50 Meter), das Problem, präzise und so sauber zu wickeln daß die Meßergebnisse auch bei raschem Aufwickeln genau reprodu­ zierbar sind. Es soll auch bei größeren Aufwickelge­ schwindigkeiten kein Seildurchhängen und kein Übereinanderwickeln von Seilwindungen auf der Trommel geben.

Man hat versucht (US 4443888, US 2293730), bei fester Band­ einlaufgeometrie durch Seiltrommel-Querverschiebung re­ produzierbar Windung neben Windung zu legen. Dieser Eingriff in die Lagerung der ständig vom Seilzug belastenden Trommel bringt mechanische Probleme der Schmierung, Reibung und Abnutzungserscheinungen mit sich, die Anordnungen eignen sich nicht für höhere Band- oder Seilgeschwindigkeiten oder auch große Seillängen.

Allgemein sind im Maschinenbau oder für den Angelsport Seilwinden bekannt, die das Aufwickeln von Drahtseilen durch hin und hergehende, zwangsweise mit den Trommelum­ drehungen geführten Spindelmuttern, zum Teil aus Sinter­ bronze, bewerkstelligen. Solche Anordnungen sind meist kompliziert, unpräzise und verschleißanfällig, ihre An­ wendung in der Längenmeßtechnik ist daher nicht versucht worden.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung für größere Seillängen zu schaffen, die gute dynamische Eigenschaften bei höheren Seilgeschwindig­ keiten, geringe, konstante Reibung, geringe Abnutzung und große Genauigkeit sowie ein hohes Maß an Reproduzierbar­ keit der Meßergebnisse, vor allem geringe Hysterese zwischen Vor- und Rücklaufdaten auch im Langzeitbetrieb aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kombination der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte und nicht selbstverständliche Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet. Sie umfassen zum Teil an sich für andere Verwendungszwecke bekannte Merkmale, die aber für die erfindungsgemäße Vorrichtung abgewandelt und beson­ ders vorteilhaft eingesetzt sind.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Figuren darge­ stellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung schematisch im Grundriß.

Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung wie in Fig. 1, jedoch mit zusätzlichem Tachogenerator.

Fig. 3 eine senkrechte Schnittzeichnung quer durch eine Ausführungsform der Erfindung in Höhe von Schraub­ spindel und Verdrehschutzstange (Spindel nur teil­ weise, Verdrehschutzstange und Verbindungsbolzen nicht geschnitten gezeichnet).

Fig. 4 eine Stirnansicht einer anderen Ausführung des Mutterblocks.

Fig. 5 eine Schnittansicht in der Ebene A-A der Fig. 4 dieses Mutterblocks.

Fig. 6 eine in den Mutterblock nach Fig. 4 und 5 ein­ setzbare Seilführungsbuchse.

Fig. 7 eine vorteilhafte Anordnung mit Verdrehschutz des Drehwinkel-Meßgebers.

Fig. 8 eine vorteilhafte Anordnung zur Erfassung von Seiltrommeldrehungen » 360 Winkelgrad.

Die Fig. 1 zeigt beispielshalber eine Vorrichtung nach der Erfindung, von oben bei entferntem Gehäuse gesehen. Dabei ist (1) die Grundplatte, mit (2) sind die auf der Grundplatte (1) befestigten Lagerschilder bezeichnet, (3) ist die glatte Seiltrommel mit aufgewickeltem Seil (4), das hier deutlichkeitshalber mit größerem Abstand gewic­ kelt und dick gezeichnet ist, (5) ist das feststehende Federhaus für die als "Flachspiralfeder ohne Windungszwi­ schenraum" konzipierte Feder. Diese Feder ist an sich be­ kannt und zeichnet sich durch einen großen Arbeitsbereich und weitgehend konstantes Federdrehmoment aus. Mit (6) ist die der Federabtriebswelle (7) zugeordnete, mit (8) die der Seiltrommelwelle (9) zugeordnete Zahnriemenscheibe be­ zeichnet. Eine weitere Zahnriemenscheibe (10) ist auf der Gewinde-Schraubspindel (11), versehen mit z. B. Tra­ pezgewinde oder metrischem ISO-Gewinde, befestigt, auf welcher der Mutterblock (12), zwangsgeführt durch die Spindel (11), quer hin- und hergleiten kann. Eine eben­ falls vorgesehene Verdrehsicherung für den Mutterblock (12) ist in Fig. 1 deutlichkeitshalber weggelassen. (13) sind Verbindungsbolzen zwischen den Lagerschildern Das Seil (4), das einen Endclip (14) aufweist, ist durch eine von der Seiltrommel (3) auf der Grund­ platte (1) möglichst entfernt, hier mittels des Win­ kels (17), verankerten Buchse (15) ins Gerät ge­ führt. Diese Buchse besitzt eine sich nach außen­ hin trompetenartig erweiternde Bohrung (nicht gezeichnet) für das Seil (4). Eine solche, das Seil im engeren Teil satt umschließende Bohrung (20) ist auch im Mutterblock (12) angedeutet. Der Drehwinkel-Meßgeber (16), z. B. ein Encoder oder Potentiometer, ist hier direkt an die Seil­ trommelwelle (9) gekoppelt. Er kann nach einer vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung auch über weitere Zahnriemenscheiben und einen Kerb-Zahnriemen mit Unter­ setzung an diese Achse gekoppelt sein, zum Beispiel um die Auflösung des Wegsensors zu verändern.

Der verschleißfeste, massearme Zahnriemen (30) verbindet die Zahnriemenscheiben (6, 8 und 10). Er wird, wie an sich bekannt, vorteilhaft durch eine z. B. mit Exzenterbolzen radial verückbare Kunststoffrolle (nicht gezeichnet) ge­ spannt. Im Aufwickelbetrieb legt sich das Seil (4) durch die Führung des Mutterblocks und betätigt durch den gleichmäßigen Federzug der in Federhaus (5) montierten Feder exakt reproduzierbar Windung neben Windung auf die Trommel. Die geringe Reibungskraft und die vergleichsweise kleinen bewegten Massen, vor allem der dünnwandig aus Leichtmetall gefertigten Seiltrommel (3) läßt hohe Win­ kelbeschleunigungen zu.

Der Mutterblock (12) ist aus einem verschleiß­ armen und gleitfähigen Werkstoff, gemäß einer vor­ teilhaften Weiterbildung aus PTFE-Compound gefertigt; er o hat gegenüber Spindel (11) und Verdrehschutzstange (18, Fig. 3) geringe Reibungswerte und ist auch gegenüber der Reibung eines durch Öffnung (20) laufenden Stahlseils (4), das diese Öffnung satt umschließt, langzeitstandfest. Durch den Gang des Mutterblocks (12) gibt es bei mittiger Anordnung der Buchse (15), wie in Fig. 1 sichtbar, bei Stellungen des Mutterblocks (12 außerhalb der Mittellage Schrägabweichungen des Seilver­ laufs zwischen Buchse (15) und Mutterblock (12). Dies be­ dingt auch bei dem gezeichneten groß gewählten Abstand einen (insgesamt zwar relativ geringen) Linearitäts-Meß­ fehler. Bei der ersten und letzten Seilwindung auf der Trommel erreicht diese die wirksame Meßseillänge verän­ dernde Ablenkung jeweils ein Maximum. Von Abwickelbeginn (also vom nächstgelegenen Meßort ab) bis zur Mittellage des Mutterblocks besteht bei zylindrischer Seiltrommelober­ fläche die Tendenz, infolge der (zur Mitte hin abnehmen­ den) Seil-Schräglage "zu viel Seil" zu geben, also die Meßorte weiter weg zu verlegen. Von der Mitte bis zur letzten Seilwindung hin (entferntester Meßort) wird dage­ gen infolge der nunmehr steigenden Schrägabweichung bei zylindrischer Seiltrommel "seil gerafft", die Meßorte wer­ den also näher heran verlegt. Durch zweierlei vorteilhaf­ te Weiterbildungen der Erfindung können diese Fehler minimiert werden: Zum einen gelingt ihre Kompensation durch eine die Abweichungen jeweils aufhebende stetige Veränderung der Trommeldurchmesser entlang dem Wickelweg nach einer entsprechenden Funktion.

Zum anderen sieht eine Weiterbildung vor, im Mutterblock eine 90 Grad-Umlenkung durch eine Rolle (nicht gezeichnet) vorzunehmen. Eine solche Vorrichtung ver­ ringert den Fehler vorteilhaft, wenn die Umlenkung senk­ recht zur Zeichenebene der Fig. 1 und 2 erfolgt. Eine Umlenkung in der Ebene, in welcher die Bewegung des Mutterblocks (12) erfolgt, bedingt einen additiven linea­ ren Fehler, der z. B. jeweils ebenfalls durch anderen Durch­ messer der zylindrischen Seiltrommel kompensierbar ist.

Zum Abstreifen von Flüssigkeiten oder Schmutz ist es sehr günstig, der Buchse (15) Abstreiferscheiben aus flexiblem Kunststoff in einem Rohrsegment zuzuordnen, insbesondere solche, wie sie in dem deutschen Patent Nr. 4217562 be­ schrieben sind.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, in welchem aber, zusätzlich und in einigen Fällen vorteilhaft, über die weiteren Zahnriemenscheiben (18) und (19) und den Zahnriemen (31) sowie die Ankoppeleinrichtung (21) ein die Seilgeschwindigkeit anzeigender Sensor, z. B. Tacho­ generator (28), an die Seiltrommelachse (9) gelegt ist. Solche Zusätze erhöhen zwar etwas die Masseträgheit der Anordnung, besonders, wenn zum Tacho (28) hin, wie ge­ zeichnet, eine Übersetzung stattfindet. In anderen Fällen, etwa bei beschränkter Kapazität des Drehwinkel-Meßgebers (16), kann es vorteilhaft sein, diesen über eine, umgekehrt wie in Fig. 2 gezeichnet, die Seiltrommeldrehzahl untersetzende Anordnung an die Seiltrommelachse (9) zu legen. Dann kommt vorteilhaft zur Erhöhung der Genauigkeit ein spiel freier Kerbzahnrie­ men zur Anwendung, welcher sich neben guter Präzision durch geringe Masseträgheit auszeichnet.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung, der durch die Symmetrieachsen der Gewindespindel (11) und einer Verdrehschutzstange (18), die selbst klarheitshal­ ber nicht oder nur teilweise geschnitten gezeichnet dar­ gestellt sind. Das Seil läuft hier durch eine Bohrung (20) des Mutterblocks (12), der selbst mittels der Aus­ nehmung (22) durch die Verdrehschutzstange (18) präzise geführt wird. Die Spindel (11) wird über die Seilriemen­ scheibe (10) angetrieben. Die übrigen Positionen ent­ sprechen den in Fig. 1 beschriebenen.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform eines leicht abgeänderten Mutterblocks (27) deutlicher, wobei Fig. 5 ein Schnitt durch die Ebene A-A der Fig. 4 ist. Die Ausnehmung (22) erlaubt die Anwendung einer Verdreh­ schutzstange (18) mit eckigem oder rundem Querschnitt. (23) ist die Gewindebohrung für die Gewindespindel (11), während (24) eine Bohrung zur Aufnahme einer Bronzebuchse (25) ist, die durch einen in die Bohrung (26) einsetzba­ ren, nicht gezeichneten Stift gesichert werden kann. Eine solche Buchse anstelle der Seilöffnung (20) ist bei Kunststoff- oder kunstoffummantelten Seilen (4) notwen­ dig, um Störungen zu vermeiden. Die Bohrung erweitert sich dabei in Richtung zum Meßobjekt hin progressiv.

Bei entsprechender Wahl der Temperaturkoeffizienten des Metalls der Seiltrommel (3) kann entsprechend einer Wei­ terbildung deren Ausdehnung bei Erwärmung die dann erfol­ gende Dehnung des Seils kompensieren.

Fig. 7 zeigt eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung in Form eines für den Drehwinkelmeß­ geber (16) in Gestalt eines steifen, federela­ stischen Blechteils (32). Dieser ist einerseits mit Schrauben oder Nieten (33) am Gehäuse des Meßgebers (16) so befestigt, daß er mit seiner Mittelebene senk­ recht zu der ihn antreibenden Achse (9) liegt. Wie im Aufriß der Fig. 7 besser erkennbar ist als im teilweise entlang Linie B - B) geschnittenen Grundriß, be­ sitzt das Blechteil (32) peripher eine U-förmige, mit ihrer Symmetrielinie die Seele der Welle (9) schneidende Ausnehmung (34), die einen schraubengesicherten (35) Sechskantbolzen (36) umgreifen kann. Die Passung zwischen Ausnehmung und Bolzen ist mit kleinem Spiel gewählt, der Sechskantbolzen kann bis zur spielfreien Verdrehsicherung verdreht und festgelegt werden.

Fig. 8 schließlich zeigt beispielshalber eine besonders vorteilhafte hochauflösende Anordnung zweier Resolver oder Synchro (RS) an einer erfindungsgemäßen Anordnung. Hier wird die zwischen Seiltrommel (3) und Feder-Abtriebswelle (7) vorhandene Untersetzung (6, 8, 30) zur genaueren Erfassung der Weglänge, die sich über viele Umdrehungen der Seiltrommel (3) erstreckt, benutzt. Zur Untersetzung kann auch ein gesondertes Getriebe ver­ wendet werden.

Claims (15)

1. Seilzug- Wegaufnehmevorrichtung mit einem durch eine Öffnung in die Vorrichtung geführten, flexiblen Seil, insbesondere Stahlseil, das an einem Ende mit einer Seiltrommel fest verbunden und sehr dünn gegenüber dem Trommeldurchmesser ist und mit seinem anderen Ende am bezüglich der Distanz zur Vorrichtung zu er­ fassenden Objekt festlegbar ist, wobei die lediglich eine Wickellage auf der Trommel bestreitende Auszugslänge des Seils dargestellt wird durch einen mit der Achse der Seiltrommel winkelstarr verbundenen Drehwinkel-Meßgeber und die Seiltrommelachse über ein Untersetzungsgetriebe mechanisch derart mit der Ab­ triebsachse einer Feder gekoppelt ist, daß das gegen die Ausziehrichtung des Seils wirkende Federdreh­ moment untersetzt auf die Seiltrommelachse übertragen wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• a) Das Untersetzungsgetriebe umfaßt einen flexiblen Zahnriemen (30) und Zahnriemenscheiben (6, 8), von denen eine (8) der Seiltrommelachse (9) und eine andere (6) der Federabtriebsachse (7) zugeordnet ist.
• b) Die Wickelführung des Seils (4) zur Seiltrommel (3) erfolgt durch einen Mutterblock (12, 27) aus gleitfähigem , abriebfestem Kunststoff mit einer Bohrung (20) für das Seil (4) mit Zwangsführung durch eine zur Seiltrommelachse (9) achsparallele Gewindespindel (11), wobei letztere über eine weitere Zahnriemenscheibe (10) winkelstarr mit der Seiltrom­ mel (3) angetrieben und so gestaltet ist, daß der Vor­ schub des Mutterblocks (12, 27) pro Umdrehung größer oder gleich dem Seildurchmesser ist.
• c) Dem Mutterblock (12, 27) ist eine parallel zur Gewindespindel (11) liegende, an den Lagerschildern (2) der Anordnung festgelegte Verdrehschutzstange (18) zugeordnet, auf der er mit einer satt passenden U-Aus­ nehmung (22) oder einer entsprechenden Bohrung gleit­ fähig ist.
• d) Die in einem Federhaus (5) untergebrachte Feder ist eine Flachspiralfeder ohne Windungszwischenraum.
• e) Die Seiltrommel (3) ist dünnwandig und aus einem harten, leichten Metall gefertigt.

2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiltrommel (3) aus einer Aluminiumlegierung besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mutterblock (12, 27) aus PTFE-Com­ pound besteht.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel (11) über die Zahnriemenscheibe (10) von dem Zahnrie­ men (30) angetrieben wird.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Mut­ terblock (12, 27) eine Umlenkrolle drehbar befestigt ist und die Anordnung so getroffen ist, daß das Seil (4) vor der Seiltrommel (3) um 90 Grad umgelenkt wird.

6. Vorrichtung nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Ausgleich des Fehlers, der bei entspre­ chender Umlenkung durch den in Seilrichtung verlau­ fenden Gang des Mutterblocks (12, 27) entlang der Gewindespindel (11) entsteht, der das Seil (4) auf­ nehmende Mantel der Seiltrommel (3) linear zunehmende oder abnehmende Durchmesser aufweist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Seil (4) durch eine fest mit der Grundplatte (1) verbundene Buchse (15) in die Vorrichtung eintritt und daß die die La­ gerschilder (2) der Anordnung tragende Grundplatte (1) und der Aufbau länglich sind, mit hintereinander liegender Anordnung von Federhaus (5) und Seiltrommel (3) derart, daß ein vergleichsweise großer Abstand zwischen Buchse (15) und Mutterblock (12, 27) entsteht.

8. Vorrichtung nach dem Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zwecks Eliminierung des durch den von der Mit­ te aus jeweils schräger werdenden Seilzug zwischen Buchse (15) und Mutterblock-Öffnung (20) entstehenden Meßfehlers der das Meßseil aufnehmende Mantel der Seiltrommel (3) mit zu den Enden hin entsprechend veränderten Durchmessern gestaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Seil abgedichtet durch zwei oder mehrere Dichtscheiben aus flexiblem Kunststoff gleitet, welche innerhalb der Buchse (15) dicht und senkrecht zur Seilrichtung in einem zur Seilachse koaxialen Rohrabschnitt be­ festigt sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel-Meßgeber (16) an die Seiltrommelachse (9) über Zahnriemenscheiben und einen an sich be­ kannten Kerbzahnriemen gekoppelt ist und bei Verwendung eines Drehwinkel-Meßgebers (16) mit be­ schränktem Umdrehungszahlbereich die winkelstarre mechanische Kopplung mit einer entsprechenden Unter­ setzung der Seiltrommeldrehzahl ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Seiltrommelachse (9) über vorhandene oder geson­ derte Zahnriemenscheiben (18, 19) und Zahnriemen (31) ein Tachodynamo (28) zur Ermittlung der Augenblicks-Seilgeschwindigkeit angekoppelt ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Kunststoffseils oder eines kunst­ stoffummantelten Metallseils in die erweiterte Seilöffnung (24) des Mutterblocks (27) eine Seilführungsbuchse (25) aus Metall, vorzugsweise aus Bronze, mit nach außen zu sich trompetenförmig er­ weitender Bohrung eingelassen ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkoeffizienten des Seil- und Seiltrom­ melmaterials so gewählt sind, daß sich die Seillängenänderungen bei Temperaturänderungen durch Änderungen des Trommeldurchmessers kompensieren.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Seiltrommel-Drehbereichen » 360 Grad neben dem der Seiltrommelachse (9) zugeordneten Drehwinkelmeßgeber (16), der als Resolver oder Synchro (RS) ausgebildet ist, ein weiterer Resolver (RS) vorgesehen ist, der der Federabtriebs­ achse (7) zugeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verdrehsicherung des Drehwinkel-Meßgebers (16, RS) ein dünnes, federelastisches Blechteil (32) vorgesehen ist, das mit seiner Flächenebene senkrecht zu der den Meßgeber antreibenden Achse montiert, mit Befestigungs­ mitteln (33) einerseits am Meßgebergehäuse festgelegt ist und das andererseits peripher eine U-förmige Aus­ nehmung (34) aufweist, mit der es einen am Lagerschild (2) mittels Schraube (35) spielfrei zum Blechteil (32) einstellbaren Sechskantbolzen (36) umfassen kann.