DE69823850T2 - Bewegungen erteilendes gerät - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verleihung einer Bewegung von der Art, die geeignet ist, einer Masse eine Bewegung zu verleihen, um sie, gemäß Anspruch 1, zu positionieren oder, gemäß dem ersten Teil des Anspruchs 9, deren Bewegung zu steuern und zu modifizieren. Die vorliegende Erfindung findet bei einer großen Breite von Vorrichtungen ihre Anwendung, einschließlich beispielsweise bei Vorrichtungen von Arbeitsmaschinen. Im Allgemeinen erfordert eine solche Maschine nicht, dass die Vorrichtung ein Material mechanisch bearbeitet (d. h. es zu schneiden oder deformieren), sondern eher, die Position einer Masse zu steuern, die sich auf einem Lagersystem mit geringer Reibung bewegt. Solche Maschinen werden oft benötigt, um einen präzisen Positionierungsvorgang mit einer großen Wiederholungsrate und einem vernachlässigbaren Fehleraufkommen auszuführen. Bei einer derartigen Maschine hat die Verwendung eines elektromagnetischen Schiebers Vorteile gegenüber anderen Arten von Stellorganen, da er in seinem Aufbau an sich schon einfach ist, er hat kein Spiel und keine Steuerungsverzögerung. Diese wertvollen Eigenschaften erlauben es einem elektromagnetischen Stellglied eine schnelle Bewegung mit extremer Präzision und Verlässlichkeit zu erzeugen. Es ist möglich, Kräfte von mehr als 20 Tonnen bei mehreren Metern pro Sekunde bei einer Positionsgenauigkeit von wenigen Mikron anzulegen.
  • Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise auch bei Simulatoren zur Ausbildung oder zur Unterhaltung verwendet. Bei einer solchen Verwendung wird typischerweise eine Plattform relativ zu einer statischen Struktur bewegt, um für menschliche Insassen die Gefühle einer kontinuierlichen Bewegung einer an der sich bewegenden Plattform befestigten Kabine hervorzurufen. Solche Mechanismen werden auch zum Testen von Aufhängungssystemen und Stabilisierungsvorrichtungen verwendet, wobei die sich bewegende Plattform dazu benutzt wird, eingemessene Störbeschleunigungen zu erzeugen, gegenüber denen die Wirkung des Stabilisierungsmechanismusses geprüft werden sollen.
  • Die sich bewegende Plattform der Bewegung verleihenden Vorrichtung wird üblicherweise von einer Reihe von Stelleinheiten oder „Schiebern" betätigt, die durch eine Hydraulikflüssigkeit oder unter Druck stehendem Gas angetrieben werden, oder durch schieberähnliche Vorrichtungen die durch Mittel eines Kugellager- und Schraubenmechanismusses betätigt werden. Kürzlich wurde eine Vorrichtung konstruiert, die eine Untersetzungskurbel, die an einem Drehmotor befestigt war, verwendete oder unmittelbare elektromagnetische Einwirkung zwischen einem sich bewegenden kolbenförmigen Rotor und einem zylindrischen Stator einsetzte. Im Fall der letzteren elektrischen und elektromagnetischen Maschinen muss die Bewegung verleihende Vorrichtung gegenüber den Gravitationskräften, die auf die Kabine und ihre Insassen wirken, durch irgendwelche Mittel abgestützt werden. Dies ist wichtig, da sonst in der elektrischen Maschine kontinuierlich Energie verbraucht würde, um dem Schub der ständig auf die Kabine wirkenden Gravitationskraft entgegenzuwirken. Dies würde rasch zur Überhitzung der Motoren führen. Diesem Effekt begegnet man auch bei anderen Anwendungen.
  • Ein Versuch, dieses Problem zu lösen, ist in der Internationalen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO93/01577 beschrieben. Dieses Dokument beschreibt eine Technik, die die Masse der Bewegungsplattform auf einen gegenbalancierenden Mechanismus trägt, der eine niedrig wirkende Federkonstante besitzt. Als besonderes Beispiel wird darin ein kurbelförmiges Gasfedersystem beschrieben. Erfahrungen mit Mechanismen, die entsprechend der Offenbarung der WO93/01577 konstruiert wurden, haben gezeigt, dass das darin beschriebene Konzept zum Gegenbalancieren für eine elektromagnetische Antriebsbasis keinen optimalen Halt bietet. Die vorliegende Erfindung beruht in einem Aspekt auf der Erkenntnis, dass eine gesteuerte Feder (oder ein Satz gesteuerter Federn) mit einer erheblichen Federkonstante für optimalen Halt erforderlich ist.
  • Bis heute wurde eine Anzahl von elektromagnetischen Stellgliedern oder Linearmotoren konstruiert. Verschiedene Konfigurationen früherer Maschinen wurden in Dokumenten wie der WO93/01645 beschrieben, die eine elektromagnetische Vorrichtung offenbart, die so beschaffen ist, dass sie mit zylindrischer Symmetrie wie eine Kolbenzylindermaschine arbeitet. Der hauptsächliche Vorteil dieser Art von Aufbau ist, dass die starken Anziehungskräfte zwischen den Permanentmagneten in der Maschine und den magnetischen Materialien, die diese umgeben, um eine Mittelachse balanciert werden, so dass die Maschinenlager keinen großen magnetischen Kräften widerstehen müssen.
  • Ein weiterer Vorteil des zylindrischen Aufbaus ist, dass die Magnetfelder der Maschine in dem äußeren Stahlgehäuse des Stellglieds oder Schiebers eingefangen sind und dass sie so angeordnet werden können, dass sie die elektrischen Spulen mit einem hohen Wirksamkeitsgrad unterbrechen können.
  • Noch ein anderer Vorteil der zylindrischen Konstruktion ist es, dass der Rotor des Schiebers eine Gleitdichtung zwischen sich und der Innenfläche des Stators des Schiebers tragen kann, um den Kolben einer fluidischen Stellvorrichtung zu bilden. Dies ist vorteilhaft, wenn es erforderlich ist, schnell wirkende elektromagnetische Kräfte zu erzeugen, die gleichmäßige oder sich langsam ändernde Kräfte überlagern oder mit diesen intermittieren. Diese letzteren Kraftarten werden mittels eines fluidischen Stellglieds besser erzeugt. Die elektromagnetischen Elemente würden sonst benötigt, um ständig elektrischen Strom zu konsumieren, wenn sie selbst die statische oder sich langsam ändernde Kraft erzeugen müssten.
  • Außerdem ist die zylindrische, Kolben-Zylinder-Konstruktion bei der Anwendung eines Schiebers bei vielen industriellen Steuerungsanwendungen geeignet, bei denen jetzt hydraulische oder pneumatische Schieber eingesetzt werden. Dies rührt daher, dass die magnetischen Felder des Schiebers vollständig in dem zylindrischen Gehäuse eingeschlossen sind, so dass der Schieber gegenüber Spänen oder magnetischem Staub tolerant ist, die für andere Arten eines linearen elektromagnetischen Stellglieds ein Problem darstellen.
  • Die vorliegende Erfindung will eine Struktur schaffen, bei der der zylindrischen Statorraum eines elektromagnetischen Stellglieds durch eine Dichtung auf dem Kolben/Rotorelement in zwei Teile geteilt wird und Mittel besitzt, durch die die Rotoreinheit auch als Kraft erzeugendes Element eines fluidischen Drucksteuerungssystems dienen kann, zum Beispiel als Teil einer Gasfeder.
  • Es ist festzuhalten, dass die WO93/01646 und ihre zugehörige anhängige Anmeldung WO93/01577 eine Schieberkonstruktion zur Anwendung bei Bewegungsbasismaschinen beschreiben, bei der die Gasfedereigenschaft des Schiebers so ausgelegt ist, dass sie nur in einer Richtung wirkt, um so Gewicht zu tragen, d. h. einer Gravitationskraft entgegen zu wirken. Zu diesem Zweck beschreibt die WO93/01646 die Konstruktion eines Fluidkanals für den Fluss eines Fluids zur Verbindung mit von einem Teil des Schieberzylinders (nämlich der Unterseite des Kolbens) mit einem unter Druck stehenden Fluidreservoirs, das einen Teil einer Gasfeder bildet. Sowohl die WO93/01646 als auch die WO93/01577 beschreiben, dass der obere Teil des Kolbens direkt oder durch ein Auslassreservoir mit dem Umgebungsdruck kommuniziert.
  • Es ist wünschenswert, ein wirksameres Verfahren, die Bewegung eines betätigten Simulationsmechanismusses zu steuern zu haben, als das der WO93/01577, indem eine Kombination von Luftdruck und elektromagnetischen Kräften verwendet wird, bei der die individuellen Kräfte und Kraftgradienten der Gasfedern gegenüber den Dimensionen der Masse optimiert sind, so dass die durch den Mechanismus verbrauchte Energie sich bei einem Minimum befindet. Zu diesem Zweck sollten die Gasfedern, die unter dem Kolben jedes Schiebers wirken, nicht nur zum Halten der Masse ausgelegt sein, wie in der WO93/01577, sondern sollten vielmehr als zeitweilige Reservoirs dienen, in denen die Energie, die der elektromagnetischen Wirkung der Schieber entspringt, gespeichert wird und eine kurze Zeit später wieder zugeführt werden kann. Diese die Energie wieder verwendende Technik ergibt eine Energieeinsparung, die Leistung eines elektromagnetischen Stellglieds verbessert und die Kosten seiner Herstellung und seines Betriebs vermindert.
  • Unter einem Gesichtspunkt sucht die vorliegende Erfindung daher ein Bewegung verleihendes System zu schaffen, bei dem eine kontinuierliche Lastkomponente in einer besonders wirksamen Weise getragen wird. Es ist ein Merkmal von Ausführungen dieser Erfindung, dass sie, wenn sie bei so genannten Bewegungsplattformen verwendet werden, eine Form aufweisen, die leicht zum Tragen von verschiedenen Kabinenformen angepasst werden kann, die physisch stabil und robust sind, die eine verbesserte Fähigkeit aufweisen, große Winkel von Neigungs- und Rollbewegungen zu erzeugen und die für die Inspektion und die Wartung leicht zugänglich sind.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 wird eine Vorrichtung zum Verleihung einer Bewegung an eine Masse geschaffen.
  • Das Kraft aufbringende Mittel kann ein elektromagnetisches Stellglied sein. Bei vielen Anwendungen kann ein lineares elektromagnetisches Stellglied bevorzugt werden, obwohl alternativ ein rotierendes elektromagnetisches Stellglied verwendet werden kann.
  • Bei solchen Fällen kann die Veränderung der Nachgiebigkeit durch Signale gesteuert werden, die als ein Integral eines Positionsanforderungssignals erzeugt werden, das an das elektromagnetische Stellglied angelegt wird.
  • Zu diesem Zweck ist es vorzuziehen, dass die Änderung der Nachgiebigkeit in Abhängigkeit des elektrischen Stroms gesteuert wird, der erforderlich ist, um das elektromagnetische Stellglied gegen die Masse zu bewegen.
  • Das nachgiebige Mittel kann eine Gasfeder sein und die Veränderung der Nachgiebigkeit kann erreicht werden, indem die Gasmenge die in einer Kammer mit veränderlichem Volumen enthalten ist, geändert wird.
  • Eine solche Veränderung kann durch Steuerventile erreicht werden, die Gas in die und aus der Kammer strömen lassen.
  • Alternativ kann der nachgiebige Halt ein fluidisches Stellglied sein, möglicherweise ein hydraulisches Stellglied, wobei das Betriebsfluid auf das Stellglied gerichtet sein kann, oder weg von diesem, um dessen Nachgiebigkeit zu ändern.
  • Eine Änderung der Nachgiebigkeit kann zum Beispiel erreicht werden, indem die Drücke in den einzelnen Gasfedern verstellt werden. Bei einer Ausführung wird dies entsprechend dem Zeitintegral der Ströme bewirkt, die von dem elektromagnetischen Stellglied während der Bewegung verbraucht werden. Dadurch werden die Eigenschaften der nachgiebigen Haltemittel optimiert, um den elektromagnetischen Schiebern zu erlauben, in ihren Nennbereichen betrieben zu werden und den Strom, den der gesamte Mechanismus verbraucht zu reduzieren.
  • Die vorliegende Erfindung kann mit einem elektromagnetischen Stellglied ausgestattet sein, dann bestehen der Rotor und der Stator der elektrischen Maschine aus einer Vorrichtung mit einem Kolben in einem Zylinder, wobei der Kolben oder Rotor in der Länge kürzer ist, als der Zylinder oder Stator und die ganze Zeit vollständig in diesem eingeschlossen ist, wobei der Zylinder an beiden Enden durch Elemente verschlossen ist, wobei der Kolben mit einer Stange oder einem Beaufschlagungselement versehen ist, die oder das sich durch wenigstens eines der Endelemente erstreckt, wobei das Rotor- oder Kolbenelement außerdem mit einer Luftdichtung oder Luftdichtungen zu den Endelementen hin versehen ist, wobei das Rotor- oder Kolbenelement außerdem mit einer Luftdichtung versehen ist, um den Zylinder in zwei Kammern zu teilen, wobei der Rotor erste Mittel besitzt, ein magnetisches Feldmuster zu erzeugen, das aus wenigstens zwei magnetischen Polen ent gegen gesetzter Polarität besteht und wenn aus mehr als zwei Polen, dann aus magnetischen Feldern, die so angeordnet sind, dass sich ihre Polarität entlang wenigstens eines Teils der axialen Länge des Rotors abwechselt und wobei der Stator mit zweiten Mitteln versehen ist, um ein weiteres magnetisches Feldmuster mit wenigstens zwei Polen entgegen gesetzter Polarität zu erzeugen und bei mehr als zwei magnetischen Polen die Pole so angeordnet sind, dass ihre Polarität wenigstens entlang eines Teils der axialen Länge des Stators abwechselt, wobei das zweite magnetische Feldmuster so angeordnet ist, dass es mit dem ersten magnetischen Feldmuster so zusammenwirkt, dass eine axial gerichtete Kraft erzeugt wird.
  • Vorzugsweise sind die physikalischen und elektrischen Parameter der Vorrichtung so ausgelegt, dass die elektrischen Anschlüsse mit einer oder mehr konventionellen elektronischen Antriebseinheiten verbunden werden können, um die Phase und die Amplitude wenigstens eines der magnetischen Feldmuster so zu steuern, dass eine gewünschte axial gerichtete elektromagnetische Kraft zwischen dem Kolben und dem Rotor erzeugt wird.
  • Vorzugsweise sind die zwei Kammern, eine auf jeder Seite des Kolbens und mit einem Volumen, dass entsprechend der Position des Kolbens in dem zylindrischen Rotor veränderlich ist, mit Verbindungsleitungen ausgestattet, so dass die Fluidmenge zwischen ihnen gesteuert werden kann. Dies erlaubt es dem Kolben, gleichzeitig als elektromagnetische Vorrichtung und als doppelt wirkender fluidischer Schieber zu wirken.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 9 wird daher eine Vorrichtung geschaffen, die relative Bewegung zwischen einer Plattform und einer Referenzebene mit einer Vielzahl von Freiheitsgraden zu schaffen, bestehend aus nachgiebigen Mitteln, um das Gewicht der Plattform zu tragen, einem oder mehreren Stellgliedern um eine Störkraft zwischen der Plattform und der Referenzebene zu erzeugen, und Steuermitteln, um das oder die Stellglieder so zu steueren, dass sie sich in die eine oder andere Richtung bewegen, wodurch die Plattform gegenüber der Referenzebene verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachgiebigkeit der nachgiebigen Haltemittel variabel ist und dass Mittel vorhanden sind, deren Nachgiebigkeit entsprechend den durch die Stellglieder auf die Masse angelegten Störkräften dynamisch zu verändern.
  • Bei Ausführungen, die als Bewegungsbasis ausgebildet sind, können drei Stellglieder zwischen der Bewegungsplattform und der festen Referenzebene vorhanden sein, die ein festes Teil des Mechanismusses sein kann. Die Stellglieder besitzen Drehzapfen oder Scharniere, die sie mit dem Teil der Vorrichtung verbinden, die die feste Referenzebene bilden, um den Bewegungsort des Stellglieds in der jeweiligen Ebene festzulegen. Die so definierten drei Ebenen überschneiden sich entlang einer vertikalen Linie, die das Zentrum eines unteren Dreiecks, das durch die Drehpunkte der Stellglieder gebildet wird, mit dem Zentrum des Bewegungsplattformdreiecks verbindet, das durch die Verbindungspunkte der oberen Enden der Stellglieder gebildet wird. Die oberen Enden der Stellglieder besitzen kardanische Verbindungen, so dass die Bewegungsplattform durch die Auswahl der drei jeweiligen Stellgliederlängen veranlasst werden kann, jede innerhalb vernünftiger Grenzen gewählte Hebungs-, Neigungs- und Rollbewegung anzunehmen. Der Mittelpunkt der Masse ist vorzugsweise so angeordnet, dass sie über und nahe dem Zentrum der Bewegungsplattform liegt und ein Tragelement besitzt, das mit der kardanischen Anlenkung zwischen dem Zentrum des unteren festen Dreiecks und dem Zentrum des obere (Bewegungs-)Dreiecks verbunden ist, wobei die Nachgiebigkeit des Tragelements entsprechend der Dimensionen der Bewegungsplattform optimiert ist.
  • Bei einer bevorzugten Anordnung ist das obere Bewegungsdreieck, das durch die Enden der Stellglieder definiert wird, kleiner als das entsprechende Dreieck auf dem festen Teil des Mechanismusses, der die Referenzebene definiert, um den Stellgliedern mit begrenztem Hub zu erlauben, akzeptable Abweichungen der Bewegungsplattform bei Neigung und Rollen zu erzeugen und die Probleme der Befestigung einer Kabine an der Bewegungsplattform zu vereinfachen.
  • Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen dem Stellglied und der horizontalen Ebene in der geraden und Basis(Betriebs-)position der Bewegungsplattform etwa 45°. Der mittlere Träger kann ein einfaches Teil sein oder eine Baugruppe und kann aus einer Metall- oder Kunststofffeder bestehen, einem pneumatischen Schieber oder einem Schieber, in dem eine Flüssigkeit auf einen Kolben in dem Stellglied wirkt, wobei die Flüssigkeitsoberfläche in einem Reservoir entfernt von dem Kolben durch ein Gas unter Druck gesetzt ist.
  • Alternativ kann der nachgiebige Träger eine Faltenbalgeinheit sein, mit dem Vorteil dass an den Schnittstellen der Faltenbalgeinheit mit der festen und der beweglichen Plattform keine kardanischen Gelenke benötigt werden und dass die eingefaltete Länge des Faltebalgs die Hälfte seiner ausgedehnten Länge sein kann. Außerdem benötigt ein Faltenbalg keine innere Gleitdichtung, wie dies für einen gleitenden Kolben erforderlich ist. Als weitere Alternative, oder zusätzlich kann der mittlere Träger durch eine Anzahl unter Druck stehender Gasfedern gebildet werden, die so angeordnet sind, dass sie eine über den Totpunkt gehende Kniehebelbewegung erzeugen, die das meiste der Haltekraft entfernt, wenn die Bewegungsplattform die niedrigste oder Ladeposition annimmt.
  • Vorzugsweise sind die Stellglieder elektromagnetische Stellglieder und sind so ausgelegt, dass sie ausreichend Reservekapazität an Schub haben, um praktische Abweichungen in der Position des Massezentrums der Bewegungsplattform von der Idealposition nahe des exakten Schwerpunkts des oberen Bewegungsdreiecks aufzufangen.
  • Es ist festzuhalten, dass, wenn ein Bewegung verleihendes System (im Folgenden als Bewegungsbasis bezeichnet) in Betrieb ist, es eine mittlere, gerade und Ausgangsposition gibt, zu der die Kabine ständig zurückgeführt werden muss. Der Insasse oder die Insassen der geschlossenen Kabine ist oder sind sich von dieser ständigen Zentrierung nicht bewusst, die vorsichtig gesteuert wird um auf dem Hintergrund der anderen Bewegungen zu verschwinden. Es benötigt genauso viel Energie, die Kabine in die Startposition zurückzuführen, wie erforderlich war, um sie zunächst wegzubewegen und diese Energie kann in einem Federsystem gespeichert werden. Da das Massezentrum der Nutzlast unveränderlich über dem Schwerpunkt der Bewegungsplattform liegt, gibt es ein bedeutendes Drehmoment, das jeder Neigungs- und Rollbewegung hilft und dem durch Mittel wie Federkraft entgegengewirkt werden muss. Dennoch dürfen die wiederherstellenden Kräfte, die durch die federnde Aufhängung erzeugt werden, nicht zu groß sein oder sie werden unverhältnismäßig große Stellkräfte erfordern, um die anfänglichen Fortbewegungen zu verursachen.
  • Ausführungen der vorliegenden Erfindung können als ein Bewegung verleihendes System ausgebildet werden, das sechs Freiheitsgrade besitzt und sechs Stellglieder verwendet, die so angeordnet sind, wie zuerst von Stewart beschrieben, wobei das in der Internationalen Patentanmeldung WO93/01577 beschriebene Konzept, nämlich das das Gewicht gegenbalancierende System nicht angewandt wird, aber bei der die Kräfte zum Halten der statischen Last in einer anderen, besonderen und effizienten Weise angelegt werden, die den elektromagnetischen Strombedarf der Stellglieder bei jeder gegebenen Nutzlast stark verringert und damit die Nutzlastgrenze anhebt und die dynamische Leistung der Vorrichtung verbessert.
  • Andere Versuche, Bewegungsbasen zu schaffen, die einen nachgiebigen Halt für eine Last besitzen, sind in „Pneumatics: A force beyond virtual reality", erschienen in der Veröffentlichung „Hydraulics ans Pneumatics", Vol. 49, Nr. 7, 1. Juli 1996, Seiten 35–38 beschrieben, wie auch in der EP-A2-0 761 266. Die erstere beschreibt eine Bewegungsplattform, die nur durch pneumatische Stellglieder angetrieben wird, während die letztere einen Rahmen in Form einer oberen Plattform beschreibt, die durch einen torusförmigen Balg mit einer Bodenplattform verbunden ist, was es der oberen Plattform erlaubt, sich als Ergebnis der Bewegung eines Benutzers elastisch in jede Richtung zu neigen.
  • Bei der vorliegenden Erfindung sind, im idealisierten Fall einer Stewartschen Plattform drei Punkte der Bewegungsplattform, die ein Dreieck bilden, mit drei entsprechenden Punkten, die an dem Teil des Mechanismusses ein Dreieck bilden, der die Referenzebene bildet, durch sechs elektromagnetische Stellglieder verbunden, die Gelenke aufweisen, die eine kardanische Freiheit an den Schnittstellen zwischen den Stellgliedern und der festen Plattform, sowie gleichen Gelenken zwischen den Stellgliedern und der Bewegungsplattform bieten, so dass die Bewegungsplattform durch Auswahl der sechs einzelnen Stellgliederlängen so bewegt werden kann, dass sie einen breiten Bereich von Orientierungen durch Bewegung annehmen kann, die eine Bewegung oder eine Kombination von Bewegungen sein kann, die üblicherweise als Hub-, Stoß-, seitliche Schwing-, Gier-, Neigungs- und Rollbewegung bekannt sind. Das Massezentrum der Last ist vorzugsweise so positioniert, dass es über und nahe dem Schwerpunkt der Bewegungsplattform liegt und der Durchmesser des Bewegungsplattformumfangs besitzt vorzugsweise ein optimales Verhältnis zu dem Durchmesser des Umfangs der festen Referenzebene. Der Begriff „Umfang" soll hier den Kreis meinen, der um die Befestigungspunkte an den Enden der Stellglieder mit der Plattform oder der Referenzebene reicht. Jeder elektromagnetische Schieber kann mit einer eigenen Feder zusammenwirken oder so ausgebildet und an der Bewegungsbasis angeordnet sein, dass er auch als Ausgangsstellglied einer einzelnen Feder wirkt, wobei die Federn derart gestaltet sind, dass sie das Gewicht der Bewegungsplattform (und der Last darauf) in der mittleren, geraden Basisposition tragen.
  • Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass Federkonstanten gegenüber dem Stromverbrauch der Vorrichtung optimiert sind und dass die Kräfte, die von jeder einzelnen Feder ausgeübt werden vorzugsweise durch ein Überwachungssystem einstellbar sind, um das Integral des zugehörigen Stellgliedstroms über ein bestimmtes Zeitintervall auf Null zu reduzieren.
  • Vorzugsweise ist der obere Bewegungsumfang kleiner, als der entsprechende Umfang des festen Teils des Mechanismusses, der die Referenzebene definiert und das Verhältnis der zwei Radien ist so gewählt, dass der Energieverbrauch optimiert wird. Das optimale Verhältnis der Basisdimensionen ist nahe 1 : 1,5.
  • Vorzugsweise werden die tatsächlichen Beträge der beiden Radien so gewählt, dass der Winkel zwischen den Stellgliedern und der horizontalen Ebene etwa 45 Grad beträgt, wenn alle sechs Stellglieder um 50% ausgefahren sind.
  • Wenn eine Gasfederaufhängung verwendet wird, ist das Verhältnis des eingeschlossenen Volumens jedes Gasfedersystems bei voll ausgefahrenem Stellglied zu dem eingeschlossenen Volumen, wenn das Stellglied ganz eingezogen ist, vorzugsweise ebenso optimiert, um den Betriebsenergieverbrauch der Vorrichtung zu minimieren. Das optimale Verhältnis der Gasfedervolumina wird in dem Bereich von 1,8 angeordnet.
  • Vorzugsweise sind Mittel vorhanden, um die Größe und die Richtung des Bedarfs an elektrischem Strom bei jedem Stellglied zu überwachen und der Druck in jeder Gasfeder kann während des Betriebs häufig in Relation dazu eingestellt werden, um eine integrierte Symmetrie des Bedarfs an elektrischem Strom über eine ausgewählte Zeitperiode aufrecht zu erhalten.
  • Bei Ausführungen der vorliegenden Erfindung können drei Punkte der Bewegungsplattform mit drei entsprechenden Punkten auf dem festen Teil des Mechanismusses, der die Referenzebene definiert, durch Stellglieder verbunden werden, die kardanische Freiheit an der Verbindung zwischen den Stellgliedern und der Referenzebene und zwischen den Stellgliedern und der Bewegungsplattform besitzen, so dass die Bewegungsplattform durch Auswahl der drei jeweiligen Schieberlängen so bewegt werden kann, dass sie jedes gewählte Verhalten bei der Hub-, Neigungs- und Rollbewegung innerhalb der Grenzen der Bewegung der Stellglieder annimmt. Das Massezentrum der Last ist vorzugsweise über und nahe dem Schwerpunkt der Bewegungsplattform angeordnet und besitzt vorzugsweise ein Trägerelement, das kardanisch mit dem Schwerpunkt der Referenzebene und dem Schwerpunkt der Bewegungsplattform verbunden ist. In diesem Zusammenhang wird angenommen, dass der Flächenschwerpunkt der Plattform oder Ebene der Flächenschwerpunkt des Kreises ist, der das Dreieck umfängt, das durch die drei Verbindungspunkte zu den drei (oder sechs) Stellgliedern definiert wird. Die Federkonstante des Trägers ist vorzugsweise hinsichtlich der Parameter der Plattform und der Last optimiert.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Kreis, der das Dreieck der Stellgliedverbindungen mit der Bewegungsplattform umfängt kleiner, als das entsprechende Dreieck auf dem festen Teil des Mechanismusses, der die Referenzebene definiert, um es Stellschiebern mit begrenztem Hub zu erlauben, akzeptable Abweichungen der oberen Plattform in der Neigung und im Rollen zu erzeugen und die Probleme, eine Kabine an der Plattform zu befestigen, zu vereinfachen. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Größe der festen (Basis) Plattform, die die Referenzebene definiert zu der der Bewegungsplattform etwa 1,5 : 1.
  • Vorzugsweise beträgt der Winkel zwischen den Stellgliedern und der horizontalen Ebene wenn alle drei Stellglieder in der geraden und Basis- (Betriebs)- position sind etwa 45°.
  • Vorzugsweise ist die mittlere Stütze eine Faltenbalgeinheit. Dies hat den Vorteil, dass das obere und das untere Ende des Faltenbalgs direkt mit der Bewegungsplattform und einer festen Basis, die die Referenzebene definiert, befestigt werden können. Die eingefaltete Länge des Faltenbalgs kann weniger betragen, als seine ausgestreckte Länge und eine innere Gleitdichtung ist nicht erforderlich. Es ist festzuhalten, dass es eine der Eigenschaften einer Faltenbalgeinheit ist, dass sie in einer aufrechten oder vertikalen Achse vertikale Bewegung zulässt und dass das obere Ende des Faltenbalgs zu jedem Neigungs- und Rollwinkel gegenüber dem unteren Ende geneigt werden kann, aber dass sie nicht ohne weiteres ein seitliches Verschieben (Stoßen oder Schwingen) und überhaupt keine axiale Rotation (Gieren) zulassen wird. Daher kann eine Faltenbalgeinheit sowohl als Gasfedereinheit, als auch als Begrenzungsmechanismus dienen.
  • Vorzugsweise sind die Stellglieder als elektromechanische Schieber ausgebildet, die genügen Reservekapazität an Schub, um praktische Abweichungen der Position des Massezent rums der Bewegungsplattform von der Idealposition nahe dem exakten Flächenschwerpunkt des oberen Bewegungsdreiecks aufzunehmen.
  • Jetzt werden verschiedene Ausführungen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben, bei denen:
  • 1 eine axiale Schnittdarstellung eines Stellglieds als Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine schematische Ansicht eines Stellglieds und von Steuerungskomponenten als zweite Ausführung der Erfindung ist;
  • 3 eine schematische Ansicht einer alternativen Steuerungskonfiguration für ein Stellglied ist;
  • 4 ein Diagramm ist, das eine weitere Steuerungskonfiguration darstellt;
  • 5 eine schematische Perspektivansicht einer Konfiguration einer Bewegung verleihenden Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist;
  • 6 eine schematische Perspektivdarstellung einer alternativen Konfiguration einer Bewegung verleihenden Vorrichtung ist, die aus dem Stand der Technik bekannt ist;
  • 7 eine schematische Perspektivansicht einer Bewegung verleihenden Vorrichtung gemäß der Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8 eine schematische Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 9 eine schematische Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
  • 10 ein vereinfachtes Diagramm einer Stewartschen Plattform ist, die als weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • 11 eine Draufsicht auf die in 10 dargestellte Plattform ist;
  • 12 eine schematische Ansicht der Ausführung von 10 in einer ersten Betriebskonfiguration ist;
  • 13 ein schematisches Diagramm ist, das eine weitere Ausführung zeigt, bei der die Referenzebene kleiner ist, als die Bewegungsplattform;
  • 14 eine Draufsicht auf die Ausführung von 12 ist;
  • 15 eine Draufsicht auf die Ausführung von 13 ist;
  • 16 eine Draufsicht auf die Ausführung von 12 ist, gezeigt mit einer Verschiebung der Bewegungsplattform nach rechts;
  • 17 eine Draufsicht auf die Ausführung von 13 ist, wobei die Bewegungsformgegenüber der in 15 gezeigten Konfiguration nach rechts verschoben ist;
  • 18 eine schematische Draufsicht ist, die die vorweggenommenen optimalen Dimensionen einer als Ausführung der Erfindung ausgebildeten Stewartschen Plattform zeigt;
  • 19 ein dreidimensionaler Graph des Energieverbrauchs einer typischen Stewartschen Plattform Bewegung verleihenden Vorrichtung ist, die als Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • 20 ein Diagramm ist, das zeigt, wie der Energiebedarf der Stellglieder mit der Art der Bewegung variiert; und
  • 21A und 21B Diagramm sind, die Steuersequenzen für Stellglieder zeigen, die als Ausführungen der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind.
  • Unter Bezug nunmehr auf die Zeichnungen besteht das in 1 gezeigte Stellglied einen Kolben oder Rotor 8, der sich in einem Zylinder oder Stator 1 bewegt. Der Kolben ist mit einer Stange oder einem Schieberohr 7 verbunden, das sich durch eines der Endstücke 2 durch eine Luftdichtung 3 erstreckt. An dem Kolben 8 ist ein Dichtungsring 5 befestigt, um den Zylinder in zwei Kammern zu teilen, die je nach dem durch Rohranschlüsse 4a, 4b unter Druck gesetzt oder evakuiert werden. Der Kolben ist auch mit Lagerringen 6 verbunden, deren Funktion es ist, die Position des Kolbens zu halten, dass er sich sanft entlang der Mittelachse der Vorrichtung bewegt.
  • Es ist festzuhalten, dass, wenn die Anschlüsse 4 geschlossen sind, die Wirkung der Luftdichtung 5 eine Bewegung des Kolbens in dem Zylinder veranlassen wird, die das Gas in einer der Kammern unter Druck setzt, während sie dem Gas in der entgegen gesetzten Kammer erlaubt, zu expandieren. In beiden Fällen wird eine Kraft geschaffen, die dazu neigt, bei Abwesenheit von elektrischem Strom den Kolben in die Ursprungsstellung zurückzusetzen. Durch Einstellung der in den beiden Kammern eingeschlossenen Gasmenge können die Kräfte der zwei Federn eingestellt werden und durch Auswahl der Verhältnisses der beiden Lademengen kann die Ausgangsposition (oder die Balance) voreingestellt werden. Wenn es nötig ist, die Gasfederraten auf einen niedrigen Wert zu reduzieren, wird der Ausbau der Endteile 2 geändert, um die Verbindung eines äußeren Reservoirs mit jeder Kammer zu erlauben.
  • Mittel, durch die die pneumatischen Ventile (nicht gezeigt) in den Leitungen, die mit den Anschlüssen 4 verbunden sind, können in Übereinstimmung mit den elektrischen Strömen gesteuert werden, die von den Schiebern gezogen werden, wenn diese von einer Antriebseinheit zu einer zyklischen oder pseudozufälligen Positionierung einer Last mit Energie versorgt werden, werden nachstehend beschrieben. Durch die Schaffung einer Möglichkeit einer quasikontinuierlichen Einstellung der Parameter der entgegen gesetzten Gasfedern gegenüber der Symmetrie der elektrischen Antriebsströme in einem Schieber ist es möglich, die Energie, die durch den Schieber verbraucht wird, zu minimieren und dabei erhebliche Einsparungen bei seiner physikalischen Anforderung zu bewirken.
  • In 2 ist die Erfindung bei der Anwendung an einem elektromagnetischen Schieber gezeigt. Der Kolben 8 trägt eine Dichtung 5, durch die das Innere des Zylinders 1 in zwei Kammern A und B geteilt wird. Die Gasmenge in beiden Kammern wird durch Ventile 9 und 10 gesteuert, die durch eine Drucksteuerungseinheit 11 versorgt werden. Die durch den Schieber erzeugten elektromagnetischen Kräfte werden durch die Einheit 12 gesteuert, die Positionierungsbefehle 13 und Positionsmeldungssignale 14 durch einen geeigneten Wandler (nicht gezeigt) erhält, der mit der Schieberausgangsstange oder dem Schubrohr 7 verbunden ist. Die Einheit 12 versorgt den Schieber über die Leitungen 17 mit Strom. Das Signal 15, das durch die Schieberpositionierungsteuerung 12 erzeugt wird, ist ein wichtiger Prozessparameter auf den die Drucksteuerungseinheit 11 reagiert, wie unten beispielhaft beschrieben.
  • Wenn der Schieber als Teil einer Bewegungsbasis verwendet der Art wird, wie oben beschrieben, lässt man das Volumen der Kammer B unter Umgebungsdruck verbleiben. Die Ventileinheit 9 ist nicht vorhanden und der Anschluss 4b zur Kammer B ist so ausgelegt, dass er eine große Bohrung besitzt, so dass Luft frei zu und von der Umgebung strömen kann. Tatsächlich kann der Schieber so aufgebaut sein, dass die Kammer B vollständig weggelassen wird, indem man einen Aufbau mit einem offenen Ende wählt. Um eine Federrate zu erzielen, die ausreichend niedrig ist, kann es nötig sein, die Kammer A mit einem Rohr mit einer weiten Bohrung mit einem externen Speicher zu verbinden. Ähnliche Überlegungen treffen auf industrielle Anwendungen zu, bei denen der Schieber benötigt wird, eine Last auf einer vertikalen oder nahezu vertikalen Achse zu tragen, oder auf andere Anwendungen, wie zum Beispiel Aufzüge.
  • Die Steuerung 11 wirkt dann über die Ventileinheit 10, um die Menge des Gases in der Kammer A zu erhöhen, wenn der Parameter 15 anzeigt, dass der augenblickliche Bedarf des Stellglieds vor allem in der Richtung liegt, die das Volumen der Kammer A vergrößern würde und umgekehrt. Es ist festzuhalten, dass hierdurch das pneumatische System den von dem Schieber benötigten Strom auf ein Minimum reduziert und die Effizienz des Systems steigert. Es ist ebenfalls festzuhalten, dass die Anordnung gegenüber Lecks in beiden Richtungen, Temperaturänderungen und Änderungen im Betriebszyklus oder der quasizufälligen Bewegungssequenz, die durch den Schieber vollzogen wird, tolerant ist. Gegenüber Wertänderungen der Dauerbelastung ist es selbstkompensierend und passt sich stets der Bewegung des Schiebers in eine „Park"position an. Eine mathematische Analyse des Systems zeigt auch, dass die Druckeinstellung tolerant gegenüber Fehlern im Bereich des Endausgleichs ist und dass der Steuerkreis sehr stabil ist.
  • Jetzt ist der Fall zu betrachten, in dem der Schieber keine stete (d. h. Gravitations-) Kraft erfährt, die dazu neigt, das Volumen der Kammer A zu verringern. Beispielsweise kann der Schieber dazu benutzt werden, eine träge Masse während eines wiederkehrenden Kreislaufs auf einem horizontalen Weg zu positionieren, der einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist.
  • Die Steuerung 12 ist dann erforderlich, die Hauptposition des Schiebers aus den Werten der Positionswandlersignale 14 zu berechnen, die über wenigstens einen ganzen Bewegungszyklus während eines erheblichen Zeitintervalls gemittelt werden. Die Steuerung 12 wird dann gebraucht, den augenblicklichen Strom zu messen, der von dem Schieber gezogen wird und diesen Wert mit dem Abstand des Schiebers von der berechneten Hauptposition zu diesem Zeitpunkt zu multiplizieren. Die rollierende Summe dieser Produkte (oder „Strommomente") wird dann als Prozessparameter 15 an die Ventilsteuerung gegeben.
  • Die Steuerung 11 lässt dann die Gasmenge in der Kammer A ansteigen, wenn der Parameter 15 anzeigt, dass es einen vorherrschenden Strombedarf in einer Richtung einer Kraft gibt, die dazu neigt, den Schieber zu seiner Mittelposition zu bewegen, indem das Volumen der Kammer A vergrößert wird. Die Steuerung 11 ist so ausgelegt, dass sie die Gasmenge in der Kammer A verringert, wenn ein entgegen gesetztes Vorherrschen angezeigt wird.
  • Der Druck in Kammer B wird so eingestellt, dass die Kräfte auf beiden Seiten des Kolbens 8 im Gleichgewicht sind, wenn sich der Schieber in der berechneten Hauptposition befindet.
  • Wie in 2 dargestellt, besitzt das System Druckwandler 20 und 21, die als T-Stück in die Leitungen von den Ventileinheiten 9 und 10 über Tiefpassfilter (nicht gezeigt) eingesetzt sind. Der Wandler 20 zeigt den durchschnittlichen Druck in Kammer B und der Wandler 21 zeigt den durchschnittlichen Druck in Kammer A. Die Steuerung 11 wirkt dann auf die Ventile 9, so dass der Druckwert 20, multipliziert mit der Kolbenfläche in der Kammer B gleich ist mit dem Wert des Drucks 21, multipliziert mit der Kolbenfläche in Kammer A. Es ist festzuhalten, dass diese Ausgleichsfunktion auch einfacher durch Diaphragma betätigte pneumatische Drucksteuerungen ausgeführt werden kann, die die Möglichkeit haben, ein Verhältnis festzulegen, was bei manchen maschinellen Anwendungen ein vorteilhafter Aufbau sein kann.
  • Externe Speicher, deren Funktion es ist, die Federrate der Gasfedern zu verringern, können je nach den von dem System verlangten Kräfteprofilen mit den Kammern A und B verbunden sein oder nicht.
  • 3 zeigt eine Anwendung der Erfindung bei einem linearen Motorantrieb, der nicht so aufgebaut ist, dass pneumatische Kräfte direkt auf den Antriebsausgang abgelegt werden können. Beispielsweise kann der Linearmotor einen offenen, flachen Aufbau aufweisen und einen Rotor mit einem Permanentmagneten verwenden, der mit einer Dreiphasen-Servomotoreinheit verbunden werden kann. In diesem Fall sind der Linearmotor 25 und sein Ausgangselement 26 durch geeignete Mittel 28 mit einem pneumatischen Schieber 27 verbunden, der einen Kolben 8 aufweist, sowie Kammern A und B usw., wie oben beschrieben.
  • Die Arbeitsweise ist die gleiche. Wenn die Last vorwiegend konstant ist (d. h. gravitational) steht die Kammer B des Schiebers 27 (der das Ausgangselement des Gasfedersystems bildet) mit der Atmosphäre in Verbindung und die Gasmenge in Kammer A wird so gesteuert, dass die Strombedarfe nach Schub in der entgegen gesetzten Richtung ausgeglichen werden. Wenn die Last vorwiegend träge ist, wird der Druck in einer Kammer so gesteuert, dass die Momente der Strombedarfe um die Mittelposition des Stellglieds ausgeglichen werden und der Druck in der anderen Kammer eingestellt wird, um die Kräfte auf den Kolben 8 in der Mittelposition des Systems auszugleichen.
  • 4 zeigt eine Anwendung der Erfindung auf eine lineare Positioniervorrichtung, die durch einen Drehmotor angetrieben wird. Bei diesem Beispiel haben wir eine Riemen getriebene Anordnung gewählt, jedoch kann die Erfindung ebenso gut auf einen Kurbelzahnantrieb oder ein Kugelrollspindelstellglied angewandt werden.
  • Hier bewegt der Drehmotor 25 den Wagen 29 durch Riemen 30. Das Ausgangselement 26 ist durch eine geeignete Verbindung 28 mit der Gasfeder verbunden. Die Arbeitsweise des Systems ist bei Gravitations- oder trägen Massen wie vorstehend beschrieben, daher haben die verschiedenen Nummerierungen der Elemente die gleiche Bedeutung.
  • Es ist festzuhalten, dass die Erfindung nicht auf Maschinen begrenzt ist, bei denen die gesamte Federkraft durch die Gasfeder oder -federn zur Verfügung gestellt wird, die durch die Einheit 11 und die Ventile 9 und 10 gesteuert werden. Es kann für die Maschine, bei der der Positionierungsmechanismus ein Teil ist, vorteilhaft sein, mit zusätzlichen Federn ausgerüstet zu sein, seien sie Gasfedern oder metallische Federn, deren Charakteristika voreingestellt sind, um ein Energiespeicher für den Mechanismus zu bilden.
  • Es ist festzuhalten, dass die gesamte Federkraft, die für eine effiziente Arbeitsweise der Maschine benötigt wird, durch metallische Federn oder Gasfedern bereit gestellt werden kann, die durch eine ausgebildete manuell auf die richtigen Werte eingestellt werden, der die Strombelastungscharakteristika des Elektromotors beobachtet, um diese Einstellungen vorzunehmen.
  • Gemäß 5 wird die stationäre oder Basisplattform mit der Nummer 31 bezeichnet und die bewegliche Plattform mit der Nummer 32. Die Schieber 33 bilden die Verbindungen zwischen den stationären und beweglichen Elementen. Es ist leicht zu verstehen, dass durch Ausbildung geeigneter Variationen bei der Länge der Schieber die Haltung und die Position der beweglichen Plattform gegenüber der festen Plattform geändert werden kann. Es ist auch leicht zu verstehen, dass, wenn ein Schieber ausfährt oder sich zurückzieht sich der Winkel zwischen diesem Schieber und der horizontalen Fläche ändern muss. Die Schieber rotieren in vertikalen Ebenen um ihre unteren Gelenke 34.
  • Um die Neigungs- und Rollfähigkeiten der Plattform zu verbessern und die Zugänglichkeit des Mechanismusses für den Bau, den Betrieb und die Instandhaltung zu verbessern, ist es ein Merkmal dieser Erfindung, dass der Dreifuß so aufgebaut ist, dass er die konventionellere Form annimmt, die in 6 dargestellt ist. Bei dieser Abbildung ist die obere Plattform 42 jetzt kleiner, als die untere Plattform 41. Es ist zu beobachten, dass die Gelenke oder Drehpunkte an den unteren Enden der Schieber 43 (die die Maschinenelemente sind, die die größte Beanspruchung tragen) an den äußeren Enden der Bewegungsbasis angeordnet sind, was diese und die Hauptkörper der Schieber leichter zugänglich für den Zusammenbau, die Inspektion und die Wartung macht. Es ist auch zu beobachten, dass die Oberfläche der festen Plattform störungsfrei und unbehindert durch Begrenzungsrahmen ist, was einen klaren Zugang zu dem Mittelbereich freigibt, falls benötigt. Ein weiterer Vorteil dieser Konfiguration ist, das der Schnittbereich zwischen der Bewegungsplattform und der Simulationskabine verringert ist, was das Design des Kabinenbodens und der Anordnungen für den Kabinenzugang weniger eingrenzt.
  • Der in 6 gezeigte Mechanismus hat jedoch den Nachteil, dass unter manchen extremen Bewegungen der Winkel zwischen der Bewegungsplattform 42 und der Horizontalen größer sein kann, als der Winkel zwischen wenigstens einem der Schieber 43 und der Horizontalen – so dass der Mechanismus schließlich in eine Verschlussposition kippt. Um dies zu verhindern sind die relativen Abmessungen der oberen Bewegungsplattform 42, der unteren Bewegungsplattform 41 und die Länge der Schieber so proportioniert, dass keine Kippbewegung stattfinden kann. Im Allgemeinen wird das Verhältnis der festen Plattform 41 zu dem der beweglichen Plattform 42 reduziert. 7 zeigt diese Verbesserung, wobei die Elemente des Mechanismusses die gleichen Bezugsnummern haben, wie bei der Ausführung von 6.
  • 8 zeigt eine Ausführung, die ein mittleres, nachgiebiges Stützteil oder eine Stützbaugruppe 45 besitzt, durch die die statische Last der Bewegungsplattform 42 ausgeglichen wird, so dass die elektromagnetischen Schieber 43 keine kontinuierliche Kraft aufbringen müssen. Es ist klar, dass die vertikale Federrate des mittleren nachgiebigen Stützteils in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Aufbau der Bewegungsbasis und ihren Betriebsparametern optimiert werden muss. Wenn das Stützteil ein Gasfederstellglied ist, kann es nötig sein, dass es mit einem nahen unter Druck stehenden Gasspeicher (nicht gezeigt) von geeignetem Volumen kommunizieren muss.
  • Alternativ kann das einzelne, vertikale Stellglied durch zwei oder mehr Stellglieder ersetzt oder unterstützt werden, die nach innen zu dem Flächenmittelpunkt des Bewegungsdreiecks abgewinkelt sind und so proportioniert sind, dass sie, wenn sich die Bewegungsplattform hebt und senkt, sich durch einen Winkel in einer vertikalen Ebene drehen. Die abgewinkelten Stellglieder können Gasfedern sein, die vorher unter Druck gesetzt wurden, wie solche, die verwendet werden, um einen Kofferraumdeckel zu halten und die so angeordnet werden, dass sie eine über den Totpunkt gehende Bewegung besitzen, die verwendet werden kann, um die Bewegungsplattform in der Ladeposition festzuklemmen, wenn dies nötig ist.
  • 9 zeigt eine Ausführung mit einer mittleren, vertikalen Faltenbalgeinheit, durch die die Nutzlast der Bewegungsplattform 42 ausbalanciert wird, um zu verhindern, dass die elektromagnetischen Schieber 43 eine kontinuierliche Kraft erzeugen müssen. Es ist klar, dass die vertikale Federrate des mittleren Faltenbalgs in Übereinstimmung mit dem allgemeinen Aufbau der Bewegungsbasis und ihrer Betriebsparameter optimiert werden muss. Dies bedeutet, dass der flexible Teil des Faltenbalgs auf einer starren mittleren Stütze gegebener Größe gelagert werden muss. (Die starre Stütze ist in 8 nicht extra gezeigt).
  • Die Federwirkung des Faltenbalgs kann durch zwei oder mehr geeignete Gasfedern (nicht gezeigt) verbessert werden, die so angeordnet sind, dass sie sich durch einen Winkel in der vertikalen Ebene drehen, wenn sich die Bewegungsplattform hebt und senkt. Diese können so konzipiert sein, dass sie über den Totpunkt gehen, so dass sie verwendet werden können, um die Bewegungsplattform in der Lade-(tiefsten)position zu klemmen, wenn es nötig ist, ohne dass die Faltenbalgeinheit evakuiert werden muss, wobei der Verbrauch von Druckluft verringert wird.
  • Es ist festzuhalten, dass die Verwendung einer Faltenbalgeinheit als mittleres Begrenzungsteil keinerlei Anordnungen zur Montage und Verbindung der elektromagnetischen Stellglieder ausschließt, so dass diese auch statt der oder in Kombination mit der Kraft, die von dem Faltenbalg und/oder den Gasfedern erzeugt wird, als einzelne Gasfedern wirken können. Wenn die elektromagnetischen Stellglieder ebenfalls als Gasfederelemente ver wendet werden, sind Mittel vorhanden, den Druck häufig zu verstellen, um das langfristige Integral des Stellgliedstroms – und damit des Energieverbrauchs, zu minimieren.
  • Die erfindungsgemäße Bewegung verleihende Vorrichtung besteht aus einem Mechanismus, bei dem eines der Teile (die Basisplattform) als stationär gesehen werden kann und das andere Teil (die Bewegungsplattform) als mittels der Stellglieder positioniert betrachtet werden kann.
  • 10 ist ein vereinfachtes Diagramm einer Stewartschen Plattform und zeigt die Bewegungsplattform 51, die durch Schieber 53 über der Basisplattform 52 getragen wird. Bei diesem Diagramm ist der Radius 54 der Bewegungsplattform kleiner, als der Radius 55 der Basisplattform. 11 zeigt dies in Draufsicht.
  • 12 und 13 zeigen den konzeptionellen Unterschied zwischen einer Stewartschen Plattform, bei der der Radius 54 kleiner ist, als der Radius 55, wie in 12, und einer Stewartschen Plattform, bei der der Radius 54 größer ist, als der Radius 55, wie in 13. Es sind die Kräfte in den Gasfedern zu beachten, wenn sich die Bewegungsplattform nach vorne hebt (nach recht in 16). Wenn die Bewegungsplattform kleiner ist, als die Basisplattform, werden die Schieber 56 an der „Vorderseite" der Bewegungsplattform zusammengedrückt und erzeugen Kräfte, die den Rand der Plattform nach oben drücken wollen, während die Schieber an der „Rückseite" ausgeschoben sind, ihre nach oben gerichtete Kraftkomponente verringern und es dem nachlaufenden Rand der Bewegungsplattform erlauben, zu fallen. Eine derartige Anordnung sollte die Bewegungsplattform daher veranlassen, sich nach oben zu neigen, wenn sie sich nach vorne hebt (16). Anders herum sollte bei der gleichen Überlegung das Verhalten eines Mechanismusses, bei dem der Radius der Bewegungsplattform größer ist, als der der Basisplattform, die Bewegungsplattform veranlassen, sich nach unten zu neigen, wenn sie sich nach vorne hebt (17).
  • Es folgt daher, dass es zwischen den beiden Extremen eine optimale Konfiguration geben muss, bei dem eine Hebebewegung weder Kletter-, noch Tauchneigungen veranlasst. Wenn irgendein Satz von Schieberdimensionen betrachtet wird, ist das optimale Verhältnis der Größe der unteren Plattform zu der der oberen Plattform wohl bei 2 : 1, wie in dem vereinfachten Diagramm von 18 gezeigt.
  • 19 ist ein dreidimensionales Graph des Energieverbrauchs einer typischen Stewartschen Bewegungsplattform bei einer vernünftigen Kombination aller sechs möglichen Bewegungen (Hub-, Stoß-, seitliche Schwing-, Gier-, Neigungs- und Rollbewegungen). Eine Achse zeigt, wie sich der Energieverbrauch der Bewegungsplattform mit dem Größenverhältnis zwischen der festen und der beweglichen Plattform ändert und die andere Achse zeigt, wie es sich mit dem Volumenverhältnis des Gasfedersystems ändert (oder mit der Federrate eines äquivalenten festen Federsystems).
  • Es ist zu erkennen, dass das bestes Größenverhältnis der Plattformen im Bereich von 1,5 und das bestes Gasfederverhältnis im Bereich von 1,8 liegen. Dies trifft für alle Arten von Schiebern und Bewegungsplattformen zu, sofern sie untersucht wurden.
  • 20 zeigt, wie sich die Energieanforderungen der Schieber mit der Art der Bewegung ändern, sowie die „Federung" des Mechanismusses, wie er von dem Verhältnis der Gasfedervolumina abhängt. Es ist festzuhalten, das eine weiche, oder „ausbalancierte" Bewegungsbasis ein großes Gasfederreservoir und ein kleines Volumenverhältnis haben würde und auf dem Diagramm links angeordnet wäre, während eine „hart gefederte" Bewegungsbasis rechts läge. Wie erwartet steigt der Energieverbrauch bei allen Bewegungen steil an, wenn sich die Härte der Federung am Rand des Diagramms erhöht.
  • Nichtsdestotrotz ist festzuhalten, dass der Energieverbrauch bei einer Neigungsbewegung sehr groß ist, wenn die Federung für die Hebebewegung optimiert ist, d. h. wenn der Mechanismus „ausbalanciert" ist. Es ist ebenso festzuhalten, dass der Energieverbrauch bei der Neigungsbewegung stark verringert werden kann, indem die Federung des Systems auf einen optimalen Wert angehoben wird, der geringer ist, als der Punkt, an dem die „harten" Federkräfte beginnen vorzuherrschen. Es gibt ähnliche optimale Federcharakteristika für andere Arten der Basisbewegung, jedoch ist die Neigungsbewegung dominant (hier ist daran zu erinnern, dass das Konzept der WO93/01577 vor allem im Neigungsmodus fehlschlug).
  • Es ist festzuhalten, dass während die Prinzipien dieser Erfindung unter Bezug auf das Sechsachsenbewegungssystem, das als Stewartsche Plattform bekannt ist, erörtert wurde, sie auch ebenso auf andere Arten von Bewegungsbasen zutreffen, wie auf das Dreiachsensystem, auf das in der WO93/01577 Bezug genommen wird und auf verschiedene andere Ausführungen von Bewegungsbasen, die in unseren gleichzeitig anhängenden Patentanmeldungen beschrieben sind.
  • Es ist weiter festzuhalten, dass der Simulationsmechanismus in der stabilisierten Plattform ein spiegelbildliches Äquivalent besitzt, bei dem nämlich die untere Plattform Bewegungen unterworfen ist, die von den relativen Bewegungen der Schieber aufgefangen werden müssen, um die obere Plattform stationär zu halten. Der optimierte Aufbau des Bewegungsbasismechanismusses, der hier beschrieben ist, betrifft daher genauso stabilisierte Plattformen, die auf einer Stewartschen Konfiguration basieren und die Prinzipien betreffen ganz allgemein stabilisierte Plattformen anderer Art.
  • Wenn jetzt 21A betrachtet wird, so zeigt diese die Hauptabläufe der Steuerungsfunktionen eines elektromagnetische Stellglieds mit einer zugehörigen oder integrierten Stütze, deren Nachgiebigkeit variabel ist, um die sich verändernden Parameter wie die jeweilige Position, die gewünschte Position, die Last, die Beschleunigung, die Geschwindigkeit usw. zu berücksichtigen. Bei dieser Ausführung wird die Nachgiebigkeit in Abhängigkeit der jeweiligen Last verändert, die als Funktion des Stroms bestimmt wird, der von dem elektromagnetischen Stellglied bei Anforderungssignalen gezogen wird. 21A zeigt die Abfolge von Schritten, die bei Veränderung der Nachgiebigkeit einer Gasfeder aufeinander folgen. Bei Schritt 201 wird der Antriebsstrom, der durch geeignete Sensoren gemessen wird, an einen Eingang des Steuerungssystems gelegt. Dieses Signal wird bei Schritt 202 als rollierendes Integral über aufeinander folgende Messperioden interiert, deren Länge von bestimmten Umständen abhängt, aber die beispielsweise im Fall einer Unterhaltungsbewegungsbasis in dem Bereich von drei Sekunden liegen können.
  • Das so gebildete Integral wird dann in Schritt 203 mit gesetzten Grenzwerten verglichen. Der Überschuss über den Grenzwert (wenn er existiert) führt dann zu Erzeugung eines Steuersignals oder „Antriebsimpulses", dessen Länge proportional zum Überschuss ist. Dieses Signal steuert die Öffnung eines Ventils, um Gas in die geschlossene Kammer einer Gasfeder (nicht gezeigt) strömen zu lassen oder aus dieser freizusetzen, die mit einem elektromagnetischen Stellglied in irgendeiner der hier beschriebenen Weisen verbunden ist. Dies verändert die Stützkraft, die der Last durch die Gasfeder verliehen wird, indem ihre Nachgiebigkeit dem dynamischen Status des Stellgliedes kontinuierlich angepasst oder „getunt" wird. Wenn beispielsweise ein Stellglied rasch ausfährt, wird das Ventil geöffnet, um ein Einströmen von Gas in eine Kammer zuzulassen, deren Volumen sich vergrößert, um den Widerstand zu der Bewegung zu reduzieren, der sonst ausgeübt werden würde. Die Grenzwerte sind so gewählt, dass das „Tunen" der Gasfeder die Möglichkeit einer kurzfristigen Rückbewegung in Betracht zieht, so dass kein Gas in die Kammer gelassen wird, das sofort wieder freigesetzt werden müsste und die Bestimmung über das Ein- oder Auslassen von Gas wird stattdessen über einen ausreichenden Zeitraum berechnet, um rasche Übergänge abzumildern.
  • In 21B sind die wichtigsten Schritte eines Systems gezeigt, das eine sich bewegende Masse stützt, deren Verschiebung durch ein elektromagnetisches Stellglied angetrieben wird. Wie bei einer Bewegungsbasis wird der Antriebsstrom in dem elektromagnetischen Stellglied gemessen und bei 206 angelegt, jedoch wird in diesem Fall die Position eines sich bewegenden Kolbens oder eines anderen sich bewegenden Teils des Stellglieds bei 207 erkannt und das Mittelstandssignal wird auch bei Schritt 209 angelegt. Mit diesen Signalen wird eine Berechnung des Strommoments um die Mittelposition des sich bewegenden Teils ausgeführt, auf die bei Schritt 210 ein Integral des Antriebsstromwerts über eine Zeitperiode gebildet wird, die eine exakte Zahl von Zyklen der sich bewegenden Masse repräsentiert, mit einem Zeitzuschuss um mit dem Nachlassen der Bewegung Schritt zu halten.
  • Wie vorher wird dieses Integral bei Schritt 211 mit einem Grenzwert vergleichen und die Antriebsimpulslänge eines einem Ventil gegebenen Signals wird in Schritt 212 bestimmt. Dieses Signal wird an eine Seite des Kobens angelegt, in diesem Fall der Gasdruckstangenseite, wie in Schritt 213 dargestellt und der Druck als vorbestimmter Teil des Hauptdruckwerts wird bei Schritt 214 festgestellt, um bei Schritt 215 den erforderlichen Gasdruck auf der anderen Seite des Kolbens zu bestimmen, um die Veränderungen auszugleichen, die auf die Kammer auf der ersten Seite des Kolbens ausgeübt werden.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur Verleihung einer Bewegung an eine Last, bestehend aus Mitteln (1, 4a, 4b; A, B) zur Bereitstellung eines nachgiebigen Halts der Last und Mitteln (7, 8; 12, 17) zur Anlegung von Kräften auf die Last um deren Position sich verändern zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (7, 8) zum Anlegen einer Kraft auf die Last unabhängig von den Mitteln (1, 4a, 4b; A, B) zur Bereitstellung eines nachgiebigen Halts der Last wirken, um Störkräfte an die Last zu legen, dass die Mittel zur Bereitstellung eines nachgiebigen Halts als Konsequenz der von den Mitteln (7, 8) zur Anlegung von Störkräften ihr verliehenen Bewegung, zur Speicherung und zur Abgabe von Energie von oder zur Last dienen, und dass Mittel (9, 10, 11) zur Veränderung der Nachgiebigkeit der Mittel (A, B) zur Bereitstellung von nachgiebigem Halt vorhanden sind, die dazu dienen, die Nachgiebigkeit während des Betriebs der Vorrichtung mit oder ohne Betätigung der Mittel (7, 8; 12, 17) zur Anlegung von Störkräften an die Last zu verändern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel (7, 8; 12, 17) zum Anlegen einer Störkraft an die Last ein Betätigungselement (1, 7, 8) besitzen, das wenigstens einen Freiheitsgrad aufweist, das eine wiederkehrende Störkraft an die Last anlegen kann, wodurch diese verschoben wird, und wobei die nachgiebigen Haltemittel (1, 4a, 4b; A, B) zusätzlich zu der wiederkehrenden Störkraft eine Kraft an die Last anlegen können, wobei die Mittel (9, 10, 11) zur Veränderung der Nachgiebigkeit des nachgiebigen Halts (A, B) so gesteuert sind, dass sie in einer Weise wirken, die mit der an die Last gelegte Kraft korreliert, wobei sie aktiv an deren Verschiebung teilnehmen.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mittel zum Anlegen der Störkraft ein elektromagnetischer Aktuator sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Aktuator ein linearer elektromagnetischer Aktuator ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Veränderung der Nachgiebigkeit in Abhängigkeit von dem elektrischen Strom gesteuert wird, der benötigt wird, um die Last zu beschleunigen.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Veränderung der Nachgiebigkeit durch Signale gesteuert wird, die als ein Integral eines Positionsanforderungssignals, das an den elektromagnetischen Aktuator gelegt, ist, erzeugt werden.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens ein Teil der nachgiebigen Mittel eine Gasfeder (A, B) ist und die Veränderung der Nachgiebigkeit durch Veränderung der Gasmasse erfolgt, die in einer Kammer (A, B) mit einem variablen Volumen enthalten ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei wenigstens ein Teil der nachgiebigen Mittel eine Gasfeder (A, B) ist, und die Veränderung der Nachgiebigkeit durch Steuerventile (9, 10) erreicht wird, die Gas in die oder aus der Kammer (A, B) lassen,
  9. Vorrichtung zur Steuerung relativer Bewegung in einer Mehrzahl von Freiheitsgraden zwischen einer Plattform (32; 42) und einer Bezugsebene (31; 41), bestehend aus nachgiebigen Mitteln (A, B; 45) zum Tragen des Gewichts einer Plattform (32, 42), einem oder mehreren Aktuatoren (33, 43), um Störkräfte zwischen der Plattform (32; 42) und der Bezugsebene (31, 41) anzulegen, und Steuermitteln (12) um den oder die Aktuatoren (33, 43) so zu steuern, dass sie sich in die eine oder andere Richtung bewegen, wodurch die Plattform (32; 42) gegenüber der Bezugsebene (31; 41) verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachgiebigkeit der nachgiebigen Tragmittel (A, B; 45) variabel ist und Mittel (9, 10, 11, 12) vorhanden sind, um deren Nachgiebigkeit dynamisch entsprechend den Störkräften, die durch die Aktuatormittel (7, 8; 26, 26; 29, 30) an die Last gelegt werden, zu verändern.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Aktuatoren (33; 43) Schwenkverbindungen (33; 44) zu dem Teil der Vorrichtung besitzen, der als feste Bezugsebene (41) definiert ist, wobei jeder Aktuator darauf beschränkt ist, sich jeweils in einer Ebene um die Schwenkverbindung zu drehen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein Tragmittel (41) mit universeller Freiheit zwischen der Bewegungsplattform (42) und der Bezugsebene (41) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Nachgiebigkeit der nachgiebigen Haltemittel (45) durch Veränderung der Gasmasse, die in einem Gasfederelement eingeschlossen ist, verändert wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Neigung zwischen den Aktuatoren (33; 43) und der horizontalen Ebene der Bewegungsplattform (32; 42) in einer Ruhestellung etwa 45° beträgt.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel für das Tragen des Gewichts der Bewegungsplattform jeweils nachgiebige Tragmittel besitzen, die jeweils einen zugehörigen Aktuator aufweisen.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Durchmesser des Umfangskreises um die Befestigungspunkte der Enden der Aktuatoren (33; 43) an der Bewegungsplattform (32; 42) gegenüber dem Durchmesser des Umfangskreises der Befestigungspunkte der Enden der Aktuatoren (33; 43) an dem Teil der Vorrichtung, das die Bezugsebene (31; 41) definiert, in einem Bereich von 1 : 1,5 liegt.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem Begrenzungsmittel vorhanden sind, um die Bewegung der Bewegungsplattform gegenüber der Bezugsebene (31; 41) hinsichtlich unerwünschter Freiheitsgrade zu beschränken.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Begrenzungsmittel aus einer Balgfedereinheit (45) bestehend oder eine solche besitzen.
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