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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Richt- und Stabilisierungsanlage,
insbesondere für
eine Waffe, mit einer bewegten Plattform, einer auf der Plattform
beweglich gelagerten im inertialen Raum stabilisierten Drehmasse,
einem Richtantrieb zum Richten der Drehmasse, der einerseits mit
der Drehmasse und andererseits mit der Plattform verbunden ist und
eine Abtriebseinrichtung aufweist, die den Richtantrieb mit der
Drehmasse verbindet, einer Kraftmessvorrichtung zur Drehmomentmessung
und mindestens einen Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des rotatorischen
Richtantriebs mittels der Drehmomentmessung.
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Die
Stabilisierung der Lageposition einer Drehmasse im inertialen Raum
auf einer bewegten Plattform, z.B. einer auf einem Fahrzeug angeordneten
drehbaren Waffenanlage, wird üblicherweise nicht
durch eine auf die Plattform bezogene Drehgeschwindigkeit erreicht,
sondern durch eine auf den inertialen Raum bezogene Messung der
Drehgeschwindigkeit oder der Position der Drehmasse mittels eines
Kreisels. Dabei werden die Messsignale des Kreisels einem Regelkreis
zugeführt,
der die Abweichung der tatsächlichen
raumbezogenen Lage mit einem Sollwert vergleicht und mit Hilfe eines
Stabilisierungsantriebs ausregelt.
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Die
Genauigkeit der stabilisierten inertialen Lage, d.h. der Lage in
einem sich geradlinig mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden
Koordinatensystem, wird durch verschiedene Einflussfaktoren beeinflusst,
beispielsweise der Lagereibung am Antrieb und der Lagerung der Drehmasse,
der Unbalance der Drehmasse und das rotatorische, auf die Drehmasse
reduzierte Trägheitsmoment
der rotierenden Antriebsmassen. Bei einer bewegten Plattform mit
einer stabilisierten Drehmasse müssen
die rotierenden Antriebsmassen in einem zeitgleichen Bewegungsablauf
wie die Plattform beschleunigt oder verzögert werden, wie dies von der
Bewegung der Plattform vorgegeben ist. Jede Abweichung dieser beiden
Bewegungsabläufe
wirkt sich als proportionaler Fehler im Stabilisierungswinkel aus.
Je nach der Abweichung vom gewünschten
Stabilisierungswinkel wird mit einem solchen Stabilisierungsantrieb eine
hohe oder geringe Stabilisierungsgüte erreicht. Um eine hohe Stabilisierungsgüte zu erreichen,
sind verschiedene Methoden zur Stabilisierung der Lageposition einer
Drehmasse bekannt, die nachstehend kurz beschrieben sind.
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Zum
einen kann der Richtantrieb derart aufgebaut sein, dass die Trägheit der
Antriebsmassen sehr klein dimensioniert ist. Dies kann bis zur Verwendung
von Direktantrieben, z.B. Ringtorquemotoren, führen, die ohne Getriebe um
die Drehachse eines Antriebs herum aufgebaut sind. Solche Direktantriebe
müssen
dann auch das gesamte zum Ausrichten der Drehmasse erforderliche
Drehmoment aufbringen, wodurch der Einfluss von Störungen die durch
die Eigenträgheit
der rotierenden Antriebsteile hervorgerufen wird, eliminiert oder
zumindest kleingehalten wird. Solche Direktantriebe sind insbesondere
zur Stabilisierung von optischen Geräten bekannt. Auch zur Stabilisierung
von Waffenanlagen wurden entsprechende Direktantriebe entwickelt,
die sich jedoch in der Praxis nicht durchgesetzt haben. Für Waffenanlagen
werden nur Richtantriebe mit einer kleinen Getriebeübersetzung
und einer entsprechend reduzierten Antriebsmasse eingesetzt. Für alle Lösungen,
die ohne oder mit nur einer gering übersetzten Getriebestufe auskommen
gilt, dass diese Richtantriebe nur für Drehmassen mit einem geringen
Unbalancemoment geeignet sind, da das Haltemoment am Antriebsmotor
für das
Unbalancemoment um so größer wird,
je kleiner die Übersetzung ist.
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Neuere
Entwicklungen bei gepanzerten Fahrzeugen haben zu einem Anwachsen
des Unbalancemoments der Waffenanlage geführt, bedingt durch einen verbesserten
Panzerschutz des Turmes sowie längeren
Rohrlängen
der Waffenanlage. Durch die Steigerung der Unbalance haben sich
die Anforderungen an den Stabilisierungsantrieb deutlich erhöht, da das
Stabilisierungsverhalten solcher Waffen gegenüber gut ausgewuchteter Drehmassen
sowohl in vertikaler als auch azimutaler Richtung deutlich von der
Fahrzeugbewegung beeinflusst wird. Durch ein Anwachsen der Unbalance
erhöht
sich proportional auch die Störungsanregung
in vertikaler Richtung mit einer entsprechend negativen Auswirkung
auf die Stabilisierungsgüte.
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Eine
weitere Möglichkeit
den Einfluss der Trägheit
der Antriebsmassen zu reduzieren ist, die Verwendung eines Hilfskreisels
zur Messung der Drehbewegung der bewegten Plattform um die Drehachse
der Drehmasse. Dabei wird das Messsignal dieses Hilfskreisels in
einen internen Regelkreis dazu verwendet, eine Drehung der Antriebsmassen
zu bewirken bevor der eigentliche Messkreisel eine Fehlerabweichung
registriert. Jedoch ist die praktische Verbesserung durch die Verwendung
eines Hilfskreisels sehr begrenzt, da die Reaktionszeit zwischen
der Beschleunigung der Antriebsdrehmassen und dem induzierten Messsignal
des Hilfskreisels zu groß ist.
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Eine
deutliche Verbesserung der Stabilisierungsgüte kann jedoch auch erreicht
werden, wenn die Kraft des Richtantriebs auf die Drehmasse und rückwirkend
auch die Reaktionskraft, die über
den Antrieb auf die Plattform ausgeübt wird, gemessen wird und
in einem internen Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des Richtantriebs
verwendet wird. Dieses Verfahren ist insbesondere bei hydraulischen
Antrieben bekannt, bei denen der Differenzdruck zwischen den beiden
Druckkammern im Antriebszylinder gemessen wird. Dabei ist der Druckaufbau
proportional der Kraft, die der Antrieb auf die Drehmasse und rückwirkend
auf die Plattform ausübt.
Die in einem solchen hydraulischen Antriebssystem wirkende Kraft
ist proportional der Beschleunigung zwischen der stabilisierten
Drehmasse und der Plattform, d.h. proportional der Ableitung der
Bewegungsgeschwindigkeit der Drehmasse. Diese in dem Hydrauliksystem
wirkende Kraft hat bei einer harmonischen Anregung bereits dann
seinen maximalen Wert, wenn die Geschwindigkeit gerade noch Null
ist.
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Dieser
bei hydraulischen Stabilisierungsantrieben zur Standardausführung gehörende Beschleunigungsregelkreis
ist seit einiger Zeit auch bei elektrischen Antrieben in Form einer
Kraftmessung des am Antriebsstrang wirkenden Drehmoments bekannt.
Dabei wird diese Kraftmessung durch die Messung der Dehnung an einem
linearen Stabilisierungsantrieb, der das Drehmoment des Motors über eine Spindel
auf einen die Drehmasse antreibenden Stellkolben überträgt.
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Eine
entsprechende Richt- und Stabilisierungsanlage mit einem linearen
Stellantrieb und einem Drehmomentregelkreis zur Stabilisierung einer auf
einem Fahrzeug angeordneten Waffenanlage wird in der
DE 43 17 935 C2 beschrieben.
Dabei wird das an dem Gehäuse
einer Spindel bzw. eines Getriebes der Antriebsvorrichtung abgegriffene
Drehmomentsignal einen Drehzahlregler zugeführt, der über die Leistungselektronik
auf den Antriebsmotor wirkt. Als Drehmomentsensor wird dabei ein
Satz Dehnungsmessstreifen verwendet, die in einer Brückenschaltung
miteinander verbunden sind sowie in axialer und radialer Richtung
an dem Spindelkopf der Spindel, an der Antriebshalterung oder an
der Aufnahmevorrichtung der Antriebsmechanik angeordnet sind.
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Derartige
lineare Stellantriebe werden vorrangig zur Ausrichtung von Waffen
mit einem begrenzten Richtwinkel in Elevationsrichtung, mit Richtwinkeln
bis zu 30° bis
40°, z.B.
für gepanzerte
Fahrzeuge. Bei Waffenanlagen mit größeren vertikalen Richtwinkeln
von bis zu 90°,
z.B. zum Einsatz für
die Luftabwehr, weisen derartige lineare Stellantriebe große Nachteile
auf, da die Änderung
der Übersetzung
der Drehbewegung des Motors in die Schwenkbewegung der Waffenanlage
in Elevationsrichtung mit zunehmenden Richtwinkeln überproportional
zunimmt und daher regelungstechnisch und antriebstechnisch schwer
auszugleichen ist. Daher werden bei Waffenanlagen mit größeren vertikalen
Richtwinkeln auch für
die Bewegung der Waffe in ihrer Höhenachse rotatorische Antriebe
verwendet, die eine konstante Übersetzung
bei allen Richtwinkel aufweisen.
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Zur
Drehmomentmessung sind allgemein Einrichtungen bekannt, die in den
Antriebsstrang eines solchen linearen Antriebs zwischen dem Rotor des
Motors und der anzutreibenden Drehmasse angeordnet werden können. Eine
derartige Anordnung würde
zu einer Messung des Drehmomentes an sich bewegenden Teilen führen, was
zu einem hohen Aufwand zur Übertragung
der Messsignale, z.B. mittels Schleifringen, Schleppkabel oder Funk,
vom drehenden Teil des Antriebes zum statischen Teil der Stabilisierungsanlage
führt.
Des Weiteren dürfen
derartige Drehmomentmessgeräte
nur von den zu messenden Drehmomenten belastet werden, so dass Querkräfte und
Biegekräfte
mittels einer aufwändigen
mechanischen Integration der Drehmomentmesseinrichtung eliminiert
werden.
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Grundsätzlich lassen
sich Drehmomente auch durch die Messung des Reaktionsdrehmoments,
das sich am Stator des Motors ausbildet, messen. Der Stator des
Motors dreht sich nicht mit, so dass das Signal direkt an den Stabilisierungsregelkreis übertragen
werden kann und Nachteile bei der Messsignalübertragung von drehenden Teilen vermieden
werden. Bei der Messung des Reaktionsmoments am Stator des Motors
können
jedoch keine Drehmomente gemessen werden, die entstehen, wenn die
Plattform sich bewegt und der noch nicht beschleunigte Rotor durch
die träge
Masse der stabilisierten Drehmasse angetrieben wird. Hinsichtlich
einer hohen Stabilisierungsgüte
des Stabilisierungsantriebs ist jedoch gerade diese Messinformation
die wichtigste Messgröße, da gerade
das Signal der angetriebenen Drehmasse mit dem Ziel einer möglichst verzögerungsfreien
Beschleunigung des Rotors im Regelkreis verarbeitet werden soll.
Auf den Stator des Motors wird jedoch dieses von der Drehmasse induzierte
Drehmoment nicht übertragen,
weil sich die Beschleunigungsmomente an der trägen Masse des Rotors abstützen.
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Eine
geeignete Messeinrichtung zur Ermittlung der Drehmomente für eine Richt-
und Stabilisierungsanlage darf außerdem keine Fremdeinflüsse messen,
die beispielsweise aus linearen Beschleunigungskräften entstehen,
die auf den Richtantrieb wirken, da die Plattformen auf denen die
Drehmasse gelagert ist Beschleunigungen in allen Richtungen erfahren,
können.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Richt-
und Stabilisierungsanlage mit einer einfachen Drehmomentmesseinrichtung
bereitzustellen, die die Drehmomente zwischen einer Drehmasse und
einer Plattform misst, wobei die Drehmomente sowohl vom Antrieb
als auch durch die bewegte Plattform erzeugt werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Richt- und Stabilisierungsanlage mit einer
Kraftmessvorrichtung zur Drehmomentmessung gelöst, die ringförmig ausgebildet
und zwischen der Plattform und dem Richtantrieb angeordnet ist,
bei der sich die Abtriebseinrichtung des Richtantriebs durch die
Kraftmessvorrichtung hindurch erstreckt, wobei die Kraftmessvorrichtung
das zwischen dem Richtantrieb und der Plattform entstehende, vom
Richtantrieb oder infolge einer Beschleunigung der Drehmasse am
Richtantrieb induzierte Drehmoment misst.
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Die
Entkoppelung der Kraftmessvorrichtung vom Richtantrieb bei einer
Richt- und Stabilisierungsanlage verhindert eine Belastung des Richtantriebes und
seiner Bestandteile, da wesentliche Teile des entstehenden Drehmoments
und möglicher
Biegebeanspruchungen durch die Kraftmessvorrichtung aufgenommen
werden. Die Anordnung der Kraftmessvorrichtung ermöglicht weiter
einen, nur auf die Anforderung der Richt- und Stabilisierungsanlage
ausgelegten Richtantrieb zu verwenden, wobei neben rotatorischen
Antrieben auch lineare Antriebe einsetzbar sind. Der Einsatz der
Kraftmessvorrichtung ermöglicht
weiter eine gute Abstimmung zwischen dem aufgeprägten Drehmoment und einem entsprechenden
Messsignal, so dass mit einem auf den Stabilisierungsregelkreis
abgestimmten Ansprechverhalten eine genaue Steuerung des Antriebs
möglich ist.
Die gewählte
Anordnung der Kraftmessvorrichtung zwischen der Antriebshalterung
und dem Richtantrieb weist zwar eine gewisse Abweichung der ermittelten
Messgröße zur idealen
Messgröße auf,
insbesondere des durch die sich bewegende Plattform an der stabilisierten
Drehmasse induzierten Drehmoments beim noch nicht beschleunigten
Rotors. Diese Abweichungen können
aber durch die abgestimmte Auswahl des Richtantriebs so klein gehalten
werden, dass weiterhin eine deutliche Verbesserung der Stabilisierungsgüte erreicht
wird.
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Bevorzugt
ist der Richtantrieb zum Richten der Drehmasse als rotatorischer
Antrieb ausgebildet und die Kraftmessvorrichtung zwischen der Antriebshalterung
und dem rotatorischen Antrieb angeordnet. Die ringförmig ausgebildete
Kraftmessvorrichtung ist besonders gut geeignet die Drehmomente
bei einer durch einen rotatorischen Antrieb bedingten gleichmäßigen Übersetzung
der Drehbewegung des Motors zur Drehbewegung der Drehmasse zu messen.
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Eine
günstige
Ausführungsform
sieht vor, dass der Richtantrieb einen Elektromotor und ein mindestens
einstufiges Getriebe umfasst, wodurch ein einfacher und wirkungsvoller
Antrieb zum Richten der Drehmasse möglich wird. Dabei kann das
Getriebe je nach Anforderung der Richt- und Stabilisierungsanlage
als ein mindestens einstufiges Stirnradgetriebe, für eine möglichst
gleichförmige Übertragung
der Drehbewegung des Elektromotors auf die Drehmasse, oder als ein
mindestens einstufiges Planetengetriebe, für eine möglichst direkte Wirkung der Drehbewegung
des Rotors bzw. der Beschleunigung der Drehmasse auf das Getriebe,
ausgebildet sein.
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Eine
weitere Ausbildung sieht vor, dass die Abtriebseinrichtung des Richtantriebs
an dem mindestens einstufigen Getriebe angeordnet ist und die Kraftmessvorrichtung
das zwischen der Plattform und dem Gehäuse des Getriebes entstehende
Drehmoment misst. Durch diese Anordnung wird eine einfache und besonders
gut wirkende Drehmomentmessung ermöglicht. Dabei kann durch die
Wahl einer großen
Getriebeübersetzung
die Abweichung der ermittelten Messgröße zum eigentlich induzierten Drehmoment
besonderes gering gehalten werden und eine besonders gute Stabilisierungsgüte erreicht werden.
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Zur
einfachen Bestimmung des auf die Drehmasse wirkenden Drehmoments
kann die Kraftmessvorrichtung an mindestens einer Stelle eine messbare
Dehnung aufweisen, welche proportional zu dem zu messenden Drehmoment
ist. Um das zu messende Drehmoment sicherer zu bestimmen und auch eine
nicht synchron verlaufende Dehnung infolge von Biegekräften detektieren
zu können,
kann die Kraftmessvorrichtung an mindestens zwei Stellen eine messbare
Dehnung aufweisen, welche proportional zu dem zu messenden Drehmoment
ist.
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Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
sieht vor, dass an der mindestens einen oder mindestens zwei Stellen
der Kraftmessvorrichtung jeweils mindestens ein Dehnungsmessstreifen
die messbare Dehnung misst. Mittels Dehnungsmessstreifen sind bereits
geringe elastische Verformungen an der Kraftmessvorrichtung gut
messbar. Neben Dehnungsmessstreifen können auch Dehnungsaufnehmer
auf Basis piezoelektrischer Wandler zur Ermittlung der elastischen Verformungen
der Kraftmessvorrichtung verwendet werden.
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Zur
Kompensation von mechanischen und thermischen Störeinflüssen können an der mindestens einen
oder mindestens zwei Stellen der Kraftmessvorrichtung Dehnungsmessstreifen
zu einer Messbrücke
zusammengeschaltet sein. Dabei wird als Messschaltung für die Dehnungsmessstreifen
bevorzugt eine Wheatstone-Brücke
in Form von Viertel-, Halb- oder Vollbrücken (für 1, 2 oder 4 aktive Dehnungsmessstreifen)
eingesetzt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
sieht vor, dass der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum
Steuern des Richtantriebs die addierten Messsignale von mindestens
zwei Messbrücken
verwendet. Neben der genaueren Bestimmung des wirkenden Drehmoments
können
so auch die an der Kraftmessvorrichtung wirkenden Biegekräfte genau
bestimmt werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Kraftmessvorrichtung aus zwei gegeneinander verdrehbaren
Ringen bestehen die über
elastisch verformbare Stege miteinander verbunden sind, wobei sich
die Stege bei einem an den Ringen eingeleiteten Drehmoment elastisch
verformen. Durch diese einfache Vorrichtung kann bis zu einem Drehmoment
von 400 Nm eine Abstützung
des Richtantriebs an der Antriebshalterung ohne eine plastische
Verformung erfolgen. Sie ermöglicht
jedoch über
die elastisch verformbaren Stege, die im Wesentlichen die gesamte
elastische Verformung des an den Ringen eingeleiteten Drehmoments
aufnehmen, das am Richtantrieb induzierte Drehmoment zu messen.
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Für eine einfache
und sichere Verbindung der Kraftmessvorrichtung mit der Antriebshalterung und
dem Richtantrieb können
die Ringe als Flansche ausgebildet sein. Dabei sind für eine einfache
Messung der Dehnung die Stege als Stellen messbarer Dehnung ausgebildet.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die zwei gegeneinander
verdrehbaren Ringe und/oder die elastisch verformbaren Stege aus
Aluminium hergestellt sind. Die Herstellung der Ringe aus Aluminium
ermöglicht
eine gute Festigkeit für eine
Anbringung an der Antriebshalterung und den Richtantrieb, während elastisch
verformbare Stege aus Aluminium die notwendige Elastizität zur Messung
einer Dehnung bei gleichzeitiger ausreichender Festigkeit zur Abstützung des
durch den Antrieb aufgebrachten Drehmoments an der Antriebshalterung ermöglichen.
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In
einer bevorzugten Ausbildung weist die Richt- und Stabilisierungsanlage
einen an der Drehmasse angeordneten Messkreisel zur Messung der Bewegung
der Drehmasse im inertialen Raum auf, und der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum
Steuern des Richtantriebs wandelt die Bewegungsmessung in Stellsignale
für die
Drehmasse um. Ein derartiger Messkreisel und der zugeordnete Regelkreis
ermöglichen
die direkte Ausrichtung der Drehmasse bzw. die Stabilisierung hinsichtlich
der Bewegung der Plattform und deren Drehung im inertialen Raum.
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Vorteilhafterweise
kann der mindestens eine Stabilisierungsregelkreis zum Steuern des
Richtantriebs der Signale eines Kreisels einer anderen Drehmasse
bzw. die Lagesignale einer bereits kreiselstabilisierten anderen
Drehmasse und/oder extern vorgegebene Richtsignale in Stellsignale
für die
Drehmasse umwandeln. Diese Ausgestaltung des Stabilisierungsregelkreises
ermöglicht
ein Steuern des Richtantriebs hinsichtlich weiterer Stellgrößen bzw. Bewegungen
der Richt- und Stabilisierungsanlage und vereinfacht damit auch
das Steuern des Richtantriebs mittels der Drehmomentmessung.
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Die
Verwendung einer Kraftmessvorrichtung in einer Richt- und Stabilisierungsanlage
nach einem der Ansprüche
1 bis 17 zum Messen des zwischen dem Richtantrieb und der Plattform
entstehenden, vom Richtantrieb oder in Folge einer Beschleunigung der
Drehmasse am Richtantrieb induzierten Drehmoments, wobei die Kraftmessvorrichtung
ringförmig ausgebildet
ist, zwischen der Plattform und dem Richtantrieb angeordnet ist
und die Abtriebseinrichtung des Richtantriebs sich durch diese hindurch
erstreckt, ermöglicht
eine elastische Verbindung des Richtantriebes mit der Drehmasse
in einer Richt- und Stabilisierungsanlage, und dadurch die Messung
des induzierten Drehmoments an einem stationären Bauteil. Die Kraftmessvorrichtung
ermöglicht
auch das Messen bereits geringer Drehmo mente, aber auch eine Abstützung großer vom
Motor an die Drehmasse übertragener
Drehmomente an der Plattform der Richt- und Stabilisierungsanlage.
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Im
Folgenden wird anhand der Zeichnung die Ausführung der erfindungsgemäßen Kraftmessvorrichtung
zur Drehmomentmessung in einer Richt- und Stabilisierungsanlage
näher erläutert, in
denen:
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1 eine
seitliche Schnittansicht einer Richt- und Stabilisierungsanlage
mit einer Kraftmessvorrichtung zur Drehmomentmessung zeigt,
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2 eine
Draufsicht und eine Seitenansicht der Kraftmessvorrichtung aus 1 zeigt,
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3a einen
vergrößerten Ausschnitt
der Seitenansichten eines Steges der Kraftmessvorrichtung aus 2 zeigt,
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3b eine
vergrößerten Ausschnitt
einer weiteren Seitenansicht eines Steges der Kraftmessvorrichtung
aus 2 zeigt, und
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4 eine
Seitenansicht und eine Draufsicht eines Planetengetriebes für den Richtantrieb
aus 1 zeigt.
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine Richt- und Stabilisierungsanlage 1 mit
einer Drehmasse 2, beispielsweise eine Waffe, und einer
bewegten Plattform 3, beispielsweise der auf einem Fahrzeug
angeordnete Geschützturm.
Die Drehmasse 2 ist mittels einer Welle 4 auf
einer mit der Plattform 3 fest verbundenen Halterung 5 angeordnet
und um die sich durch die Welle 4 erstreckende Achse A
gegenüber der
Plattform 3 beweglich gelagert. Die Richt- und Stabilisierungsanlage 1 weist
weiter einen rotatorischen Richtantrieb 6 auf. Der rotatorische
Richtantrieb 6 besteht aus einem Motor 7 mit einem
Rotor 8, einem Stator 9 und einer Motorwelle 10.
Die Motorwelle 10 ist auf der Abtriebsseite mit einem Ritzel 11 versehen,
das gleichzeitig das Sonnenrad des Planetengetriebes 12 bildet.
Das Sonnenrad 11 treibt dabei die Planetenräder 13 an,
die sich an dem Gehäuserad 14 abstützen, wobei
das Gehäuserad 14 fest mit
dem Getriebegehäuse 15 verbunden
ist.
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An
der Halterung 5 ist eine Kraftmessvorrichtung 16 angeordnet,
die über
die Halterung 5 mit der bewegten Plattform 3 verbunden
ist. An der Kraftmessvorrichtung 16 ist auf der entgegengesetzten Seite
der Halterung 5 das Planetengetriebe 12 des rotatorischen
Richtantriebs 6 an dem Getriebengehäuse 15 befestigt.
Die Planetenräder 13 des
Getriebes 12 treiben über
den Planetenkäfig 17,
der sich axial durch die Kraftmessvorrichtung 16 hindurch
erstreckt, die Drehmasse 2 an. Dabei ist der Planetenkäfig 17 über das
auf der anderen Seite der Kraftmessvorrichtung 16 angeordnete
Ritzel 18 mit einem an der Welle 4 angeordneten,
mit der Drehmasse 2 verbundenen Zahlensegment 19 gekoppelt
und treibt so die stabilisierte Drehmasse 2 an. Die Kraftmesseonrichtung 16 ist
dabei durch die Halterung 5 und das Getriebegehäuse 15 wirkmäßig zwischen
der Plattform 3 und dem rotatorischen Richtantrieb 6 angeordnet.
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2 zeigt
eine Draufsicht und eine Seitenansicht auf eine erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 16,
die sowohl die Drehmomente, die der Motor 7 auf die Drehmasse 2 ausübt, als
auch die durch die Drehmasse 2 induzierten Drehmomente, die
den Rotor 8 des Motors 7 rückwärts treibend beschleunigen,
messen kann. Dabei werden alle anderen Krafteinflüsse, die
auf den Richtantrieb 6 wirken, beispielsweise aus Linearbeschleunigungen
der Richt- und Stabilisierungslage 1 in
allen Richtungen oder auf das Ritzel 18 wirkende Querkräfte, durch
die zwischen der Plattform 3 und den rotatorischen Richtantrieb 6 angeordneten
Kraftmessvorrichtung 6 nicht gemessen. Die Kraftmessvorrichtung 6 besteht aus
zwei Ringen 20, 21, die über mehrere Stege 22 miteinander
verbunden sind. Die in 2 gezeigte Ausführungsform
der Kraftmesseinrichtung 16 verwendet vier Stege 22,
um die beiden Ringe 20, 21 miteinander zu verbinden,
wobei die vier Stege 22 jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnet
sind. Vorteilhafterweise werden die Ringe 20, 21 sowie
die Stege 22 aus einem einzelnen zusammenhängenden
Teil gefertigt, z.B. aus Aluminium, da Fügestellen zwischen den Stege
und Ringe die elastischen Verformungen, die ein Maß für das zu
messende Drehmoment darstellen und von den Drehmomentsensoren gemessen
wird, stören
können.
Die Ringe 20, 21 können dabei als Flansche zur
Befestigung der Kraftmessvorrichtung 16 an der Halterung 5 und
dem Getriebegehäuse 15 ausgebildet
und mit entsprechenden Bohrungen versehen sein.
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Wie
in 3a gezeigt, ist zumindest einer der Stege 22 mit
mindestens zwei Dehnungsmessstreifen 23, 24 versehen,
die eine elastische Verformung des Steges infolge einer auf die
Kraftmessvorrichtung einwirkenden Kraft detektieren und mittels einer Änderung
des Widerstands der Dehnungsmessstreifen 23, 24 ein
der elastischen Verformung des Steges proportionales Signal an eine
Auswerteelektronik für
die Dehnungsmessstreifen 23, 24 weiter gegeben.
Mit den parallel zueinander in Längsrichtung
auf dem Steg 22 versetzt angeordneten Dehnungsmessstreifen 23, 24 kann
bereits eine minimale elastische „Verbiegung" der Stege 22 gemessen
werden. Da Dehnungsmessstreifen 23, 24 üblicherweise
ein Messsignal liefern, das nur wenige Millivolt beträgt, wird
eine geeignete Auswerteelektronik benötigt, die eine Aufbereitung
des Signals entsprechend des vom Stabilisierungsregelkreis benötigten Eingangssignals
ermöglicht.
Diese Auswerteelektronik kann als einzelne Baugruppe mit kleinen
Dimensionen realisiert werden, so dass eine solche Baugruppe zwischen
den Ringen 20, 21 der Kraftmessvorrichtung 16 angeordnet
werden kann. Die Auswerteelektronik stellt zur Speisung der Dehnungsmessstreifen 23, 24 eine
Präzisionsreferenzspannung
von üblicherweise
10V bereit und umfasst zur Weiterverarbeitung des Signals einen
driftarmen Verstärker
mit einer 500-fachen Verstärkung.
Wenn die Baugruppe mit der Auswerteelektronik zwischen den Ringen 20, 21 der
Kraftmessvorrichtung angeordnet ist, sind von Außen nur Anschlüsse für die Versorgungsspannung, üblicherweise ± 15V,
für die
Bezugsmasse und das Ausgangssignal notwendig.
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3a zeigt
weiter die elastische Verformung des Steges 22 in Folge
eines Drehmomentes auftritt, das die beiden Ringe 20, 21 der
Kraftmessvorrichtung 16 gegeneinander verdreht. Eine auf
einer Fläche
eines Steges 22, bevorzugt einer Seitenfläche, angeordnete
bzw. aufgeklebte Messbrücke aus
Dehnungsmessstreifen, hier aus zwei Dehnungsmessstreifen 23, 24 bestehend,
erkennt die Verdrehung der Ringe 20, 21 zueinander
durch die Verkürzung
des Dehnungsmessstreifen 23 und der Verlängerung
des Dehnungsmessstreifen 24 in Folge der elastischen Verformung
des Steges 22. 3b zeigt
eine weitere Seitenansicht der Kraftmessvorrichtung 16 mit
einer geeigneten, parallelen Anordnung der Dehnungsmessstreifen 23, 24 für eine volle wheatstone'sche Messbrücke auf
dem Steg 22, die in gleicher Weise zur Messung des Drehmoments
geeignet ist.
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Die
elektronische Auswertung einer Widerstandsmessbrücke wird hier im einzelnen
nicht beschrieben, da dies dem zuständigen Fachmann allgemein bekannt
ist und in der Anwendung der Kraftmessvorrichtung 6 zur
Drehmomentmessung nicht über
den im Stand der Technik üblichen
Auswertealgorithmus hinausgeht. Auch die Befestigungseinrichtungen
der Ringe 20, 21 der Kraftmessvorrichtung 16 zur
Befestigung der Kraftmessdose an dem Getriebegehäuse 15 sowie der Halterung 5 sind
hier im Einzelnen nicht detailliert beschrieben, da weder die Auswahl
noch der Einsatz geeigneter Befestigungen einen wesentlichen Einfluss
auf die Funktion der Kraftmessvorrichtung 6 hat.
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Ein
auseinader ziehen der beiden Ringe 20, 21 der
Kraftmessvorrichtung 16 durch von Außen aufgebrachte Querkräfte bewirkt
bei einer symmetrischen Anbringung der Messbrücke auf den Steg eine Veränderung
der Widerstände
der Dehnungsmessstreifen 23, 24 in einer gleichen
Weise, was bei einer Messbrücke
keine Veränderung
des Messsignals hervorruft. In allen anderen Bewegungsrichtungen weisen
die beiden Ringe 20, 21 durch die Anordnung und
Auswahl der Stege 22 zueinander eine ausreichend steife
Struktur auf. Ein äußeres Biegungsmoment
führt dann
nicht zu einem bedeutenden Messsignal, wenn die Biegesteifigkeit
der Kraftmessvorrichtung 16 entsprechend ausgewählt ist.
Dies ist insbesondere bei einer Konstruktion einer Richt- und Stabilisierungsanlage
nach 1 wichtig, da sich dort die Umfangskräfte des
Ritzels 18 als Querkräfte über die
Abtriebsvorrichtung als Hebelarm rückwirkend als Biegemoment auf
die Kraftmessvorrichtung 16 auswirken. Wenn jedoch die
Biegesteifigkeit der Kraftmessvorrichtung 16 in Folge von
konstruktiven Anforderungen, z.B. geringen Wandstärken, nicht
ausreicht ein Messsignal in Folge von Biegekräften auf das Getriebe 12 des
rotatorischen Richtantriebs 6 zu verhindern, kann durch
das Anbringen einer zweiten Messbrücke auf einem der ersten Messbrücke gegenüberliegendem
Steg 22 gewährleistet
werden, dass eine Biegekraft, die an der ersten Messbrücke ein
positives Signal bewirkt, an der zweiten Messbrücke ein negatives Signal auslöst. Die
beiden Signale der ersten und zweiten Messbrücke können dann entsprechen addiert
werden, was insgesamt die Empfindlichkeit des Nutzsignals zur Drehmomentmessung
verdoppelt, ein durch eine Biegekraft ausgeübtes Signal jedoch auslöscht.
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Die 4 zeigt
einen Ausschnitt des in 1 dargestellten Planetengetriebes 12 in
einer Seitenansicht sowie einen Schnitt durch das Getriebe. Die
bei einer rückwärts treibenden
Beschleunigung des Rotors 8 auftretenden Kräfte und
Drehmomente an der Kraftmessvorrichtung 16, wobei diese Drehmomente
nicht durch den Motor 7 selbst aufgebracht werden, werden
anhand dieser Darstellung erläutert.
Bei einer bewegter Plattform 3 und einem die Drehmasse 2 nicht
antreibenden Motor 7 treibt die stabilisierte Drehmasse 2 selbst
bei einer Beschleunigung aufgrund ihrer eigenen Trägheit rückwirkend den
Motor 7 an. Das dabei am Ritzel 18 entstehende Drehmoment
ist im Weiteren mit MdR bezeichnet. Für diesen Fall, dass der Rotor 8 des
Motors 7 von der stabilisierten Drehmasse 2 angetrieben
wird, entsteht ein Unterschied zwischen dem Drehmoment am Ritzel 18 und
dem Drehmoment welches vom Getriebegehäuse 15 übertragen
und mit der hier vorgeschlagenen Kraftmessdose 16 gemessen
wird. Das Drehmoment welches an der Kraftmessvorrichtung 16 gemessen
ist nachstehend mit MdG bezeichnet.
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Mittels
der in 4 dargestellten Größen wird ein Vergleich des
Drehmomentes MdR am Ritzel 18 von dem am Gehäuserad 14 und
damit am Gehäuse 15 des
Getriebes 12 auftretenden und von der Kraftmessvorrichtung 16 gemessenen
Drehmomentes MdG dargestellt und bewertet. Das Drehmoment am Ritzel 18 beschleunigt
die Planetenräder 13 welche
am Sonnerad 11 und am Getriebegehäuse 15 die drehmomentbildenden,
gleichen Kräfte
F2 hervorrufen. Der Rotor 8 des Motors 7 wird
durch das Drehmoment, welches aus den Kräften F2 mit dem Radius R1 des
Planetenrades 13 entsteht, beschleunigt. Das am Gehäuserad 14 auftretende
Drehmoment MdG wird ebenfalls durch die Kräfte F2 hervorgerufen, jedoch über den
Radius R2 des Gehäuserades 14.
Dabei sind die Kräfte
F2 halb so groß wie
die Kräfte
F1, was sich aus der Gleichgewichtsbedingung, d.h. die Summe aller
Kräfte
muss gleich Null sein, ergibt.
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Das
am Gehäuse 15 des
Getriebes 12 gemessene Drehmoment MdG ist das Produkt aus
den Kräften
F2 multipliziert mit dem Radius R2. Das am Ritzel 18 gemessene
Drehmoment MdR ist das Produkt aus den Kräften F1 multipliziert mit dem
Radius bis zum Mittelpunkt des Planetenrades 13. Mathematisch
ergibt sich somit die folgende Gleichung für das Verhältnis der beiden Drehmomente: MdG/MdR = F2 × R2/F1 × (R1 + (R2 – R1)/2)
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Mit
der oben genannten Randbedingung, das die Kraft F1 doppelt so groß ist wie
die Kraft F2 (F1 = 2 × F2)
stellt sich die Gleichung wie folgt dar: MdG/MdR
= R2/(R2 + R1)
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Bei
einem Planetengetriebe 12 ist die Übersetzung Ü durch das Verhältnis der
beiden Radien R1 und R2 wie folgt definiert: Ü = 1 + R2/R1
oder R2 = (Ü – 1)/Ü
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Damit
ergibt sich das Verhältnis
des gemessenen Drehmomentes am Planetengetriebe 12 zu dem
Drehmoment welches an dem Ritzel 18 des Getriebes 12 auftritt
zu: MdG/MdR = 1–1/Ü
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Damit
wird deutlich, dass für
ein einstufiges Planetengetriebe 12 die Abweichung der
Messungen des Drehmoments zwischen der Antriebswelle der Drehmasse 2 und
am Gehäuse 15 des
Planetengetriebes 12, bzw. an der Kraftmessvorrichtung 16 umso
kleiner ist, je größer die Übersetzung
des Getriebes 12 ist.
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Im
Umkehrschluss ist daraus auch zu erkennen, dass die erfindungsgemäße Kraftmessvorrichtung 6 für sehr kleine Übersetzungsverhältnisse
oder Direktantriebe nur schlecht geeignet ist. Jedoch ist bei kleinen Übersetzungsverhältnissen
bzw. Direktantrieben, wie anfangs erläutert. eine Messung des induzierten
Drehmoments auch nicht erforderlich.
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Für mehrstufige
Planetengetriebe und für Stirnradgetriebe
führt die
Berechnung zum gleichen, oben dargestellten Ergebnis. Auf die Darstellung
der Ableitung für
diese Fälle
wird jedoch hier verzichtet.
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Die
vom Motor 7 auf die Drehmasse 2 übertragen
Drehmomente rufen sowohl am drehenden Abtriebsritzel 18 als
auch am stillstehenden Gehäuse 15 des
Getriebes 12, bzw. an der Kraftmessvorrichtung 16 das
gleiche Drehmoment hervor. Auf die Darstellung dieser Berechnung
wird ebenfalls verzichtet.