-
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.