DE202007005801U1 - Vorrichtung zur aktiven Horizontalstabilisierung von Trägersystemen von optischen oder funktechnischen Einrichtungen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung mit einem aktiv einstellbaren, horizontal stabilisierten Träger für optische oder funktechnische Gerätesysteme auf einem kardanischen Ringsystem, bestehend aus einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung drehbeweglich um eine Achse senkrecht zur Achse des Kardaninnenringes aufgehängt ist, und bei dem Azimutverstellungen des Kardaninnenringes und des Kardanaunenringes jeweils über eine von zwei Motor-Getriebeeinheiten als Antriebselemente erfolgen, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung mechanisch gekoppelt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit direkt angetriebenen Kippachsen zur aktiven horizontalen Stabilisierung von Trägersystemen, welche vor allem für optische und funktechnische Geräte Anwendung finden. Sie werden in bewegten Fahrzeugen eingesetzt, um eine von dessen Eigenbewegungen entkoppelte stabile horizontale Lage für die Trägerplattformen der genannten Geräte zu gewährleisten. Hierzu gehören beispielsweise auch in Flugzeugen montierte Bildmesskammern oder Antennensysteme auf Fahrzeugen für die Funkübertragungstechnik. Trotz dauernder Lageänderungen infolge von Fahrzeugbewegungen, die ein Kippen oder Drehbewegungen des Aufstellungsortes der Geräte verursachen können, ist deren Positionierung absolut stabil zu halten.
• Bekannt sind Vorrichtungen mit einer kardanischen Aufstellung der Geräte. Hierzu benutzt man häufig Geräteplattformen, die kardanisch aufgehängt sind. Dadurch wird es möglich, trotz der Bewegungen des Aufstellungsplatzes im Fahrzeug, die dort angeordneten Instrumente in der vorgesehenen und zumeist horizontalen Aufstellung zu halten. Bekannte kardanische Systeme in derartigen Vorrichtungen, welche oftmals – wie auch in DE 3516805 C1 , DE 4405644 A1 oder DE 69315102 T2 beschrieben – durch von Gyroskopen gesteuerte Antriebssysteme in ihrer Stabilisierungsbewegung unterstützt werden, besitzen jedoch vielfach keine ausreichende Stabilisierungsgenauigkeit, u.a. infolge der Trägheit des Gesamtsystems oder wegen der geringen Steifigkeit des Antrieb- bzw. Getriebesys tems. Sie erfordern häufig auch zu große Geräteabmessungen. Bekannt sind ferner Geräteplattformen mit motorischer Horizontierung wie sie z.B. in EP 0504930 vorgeschlagen werden und bei denen die Plattform über von den Motoren angetriebene Spindeln eingestellt wird. Von Nachteil dabei ist, dass deren Verstellung zu langsam und zumeist auch nicht ausreichend exakt erfolgt. Für ein dynamisches Arbeiten sind deshalb solche mechanischen Systeme nur bedingt geeignet.
• Eine weitere bekannte Anordnung gemäß DD 254079 beschreibt eine Einrichtung mit einer stabilisierten Plattform für Luftbildmesskammern, die auf mehreren Auflagepunkten ruht und mindestens eine Kippachse aufweist, wobei die Auflagepunkte mit Kolben hydraulischer Zylinder verbunden sind. Die Zylinder stehen miteinander in hydraulischer Verbindung, wobei im Hydraulikkreis eine durch einen elektronischen Regelkreis gesteuerte Pumpe vorgesehen ist. Mit einer derartigen Anordnung sind bei ausreichender Schwingungsunempfindlichkeit und Steifigkeit des Systems vor allem auch größere Gerätemassen schnell und einigermaßen exakt positionierbar. Problematisch bei dieser Lösung sind jedoch Störanfälligkeiten infolge von möglichen Undichtheiten des hydraulischen Systems oder dem Ausfall der Pumpe. Ungünstig ist weiterhin der mit der Fertigung der Vorrichtung verbundene erhebliche Kostenaufwand.
• Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur aktiven Horizontalstabilisierung eines Trägers, beispielsweise für optische Geräte, zu schaffen, die eine kardanische Aufhängung benutzt und einen vergleichsweise einfachen mechanischen Aufbau aufweist. Diese Vorrichtung zur hochpräzisen horizontalen Stabilisierung der Geräteplattform soll zugleich ein hochdynamisches Arbeiten bei der Gerätebedienung erlauben sowie eine exakte, spielfreie Positionierung gewährleisten. Auch soll sich der Fertigungsaufwand zur Herstellung einer solchen Vorrichtung in vertretbaren Grenzen bewegen.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe löst nach den Merkmalen des Hauptanspruches eine Vorrichtung mit einem aktiv einstellbaren, horizontal stabilisierten Träger für Gerätesysteme. Sie verwendet hierfür ein kardanisches Ringsystem mit einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung drehbeweglich um eine Achse, senkrecht zur Drehachse des Kardaninnenringes, aufgehängt ist, und bei dem Azimutverstellungen der Kardanringe jeweils über eine von zwei zugehörigen Motor-Getriebeeinheiten als Antriebselemente erfolgen, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängungen mechanisch gekoppelt sind.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Gegenstand von mehreren Unteransprüchen.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelingt die direkte Übertragung der durch einen Sollwert definierten Stellbewegung in die Halterung der zu stabilisierenden optischen elektronischen Geräteeinheiten unter Verzicht auf weitere mechanische oder elektrische Übertragungsglieder. Durch die Verwendung von Präzisionsgetrieben lässt sich, zusammen mit dem Einsatz von Hochleistungsmotoren, das dynamische Arbeiten bei den Stellbewegungen erheblich verbessern und zugleich eine hohe Stabilisierungs- bzw. Einstellungsgenauigkeit erreichen. Außerdem verbindet sich mit dem Einsatz von kompakten, kleinräumigen und hochpräzisen Antriebsbaugruppen für die Kippbewegungen der Vorrichtung eine höchst vorteilhafte Gewichts- und Platzeinsparung.
• Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles und zwei Abbildungen näher erläutert werden.
• Die 1 zeigt chematisch das Wirkungsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur horizontalen Gerätestabilisie rung und die 2 in verkleinertem Maßstab eine perspektivische Seitenansicht dieser Vorrichtung bei Weglassung der Trägerplatte.
• In 1 wird mit 1 ein Kardaninnenring der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der drehbeweglich um eine Achse X angeordnet ist, bezeichnet. Der Kardaninnenring trägt eine hier nicht dargestellte Trägerplatte für die horizontal zu positionierenden optischen oder elektronischen Geräte. Der Kardaninnenring 1 ist kardanisch in einem diesen konzentrisch umgebenden Kardanaußenring 2 aufgehängt. In gleicher Weise ist der Kardanaußenring, der wiederum um eine zur Achse X senkrecht orientierte Achse Y drehbeweglich ist, am Gehäuse 3 der Vorrichtung kardanisch aufgehängt. Als Antrieb für die Verstellbewegung beider Kardanringe und damit auch der Geräteplattform um die zwei Kippachsen dienen Antriebsbaugruppen 4 und 5. Diese enthalten in ihrer kompakten Bauform Antriebsmotoren 6 bzw. 6', geregelt durch Regeleinrichtungen 8 bzw. 8', sowie Präzisionsgetriebe 7 bzw. 7'. Durch die direkte Kopplung ihrer zentralen Antriebswellen mit den Kippachsen der Kardanringe erfolgen die Drehbewegungen des Kardanaußen- und des Kardaninnenringes. Dadurch lässt sich der Geräteträger auf dem Kardaninnenring 1 horizontal stabil positionieren und der Azimut nach dem jeweiligen Sollwert ausrichten.
• Zum Antrieb werden im Ausführungsbeispiel drehmomentstarke Servoantriebe und Präzisionsgetriebe der Firma Harmonic Drive^® verwendet, die sich bei geringer Baugröße durch ihre hervorragende Steifigkeit und eine Wiederholgenauigkeit von +/– 6 Winkelsekunden auszeichnen.
• Die Vorrichtung ist für die Stabilisierung von Geräten mit einer Gesamtmasse zwischen 3 bis 20 kg vorgesehen.
• In 2 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung im Maßstab von etwa 1:2 in perspektivischer Ansicht, angeordnet auf einer Grundplatte 9, gezeigt. Auf dem Kardaninnenring 1 liegt die zu stabilisierende, hier nicht dargestellte Plattform auf. Gegebenfalls kann dabei die Ringöffnung des Kardaninnenringes 1 zugleich als freie Öffnung für das optische System des auf der Plattform aufgestellten, zu stabilisierenden Gerätes dienen. Zur Ermittlung von Lageabweichungen können in bekannter Weise zusätzlich geräteinterne Beschleunigungsmess- und Neigungssensoren oder auch extern angeordnete Messsysteme Verwendung finden.

Claims (4)

1. Vorrichtung mit einem aktiv einstellbaren, horizontal stabilisierten Träger für optische oder funktechnische Gerätesysteme auf einem kardanischen Ringsystem, bestehend aus einem Kardaninnenring, welcher in einem dazu konzentrisch angeordneten Kardanaußenring drehbeweglich aufgehängt ist, wobei der Kardanaußenring wiederum im Gehäuse der Vorrichtung drehbeweglich um eine Achse senkrecht zur Achse des Kardaninnenringes aufgehängt ist, und bei dem Azimutverstellungen des Kardaninnenringes und des Kardanaunenringes jeweils über eine von zwei Motor-Getriebeeinheiten als Antriebselemente erfolgen, die direkt mit den Kippachsen der kardanischen Aufhängung mechanisch gekoppelt sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit einen Hochleistungsmotor, ein Präzisionsgetriebe, sowie einen Winkelgeber umfasst, wobei dessen Einstellung zwecks horizontaler Ausrichtung unter Verwendung einer Regelungssoftware erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung horizontaler Lageabweichungen des Trägers mit den Kardanringen verbundene geräteinterne Gyroskope, sowie Beschleunigungsmess- und Neigungssensoren vorgesehen sind.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung horizontaler Lageabweichungen des Trägers externe Messsysteme vorgesehen sind, deren elektrische Signale über Regelkreise die Antriebseinheiten steuern.