DE3805631A1 - Drehschwingungsantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehschwingungsantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ringlaserkreisel können Drehgeschwindigkeiten mit großer Genauigkeit mes­ sen. Es ist jedoch bekannt, daß Ringlaserkreisel ohne besondere Gegenmaß­ nahmen sehr kleine Drehgeschwindigkeiten nicht messen können, da sich die durch eine inertiale Drehung an sich unterschiedlichen Frequenzen der bei­ den gegensinnig umlaufenden Lichtwellen auf eine gemeinsame Zwischenfre­ quenz zusammenziehen (Mitzieheffekt gekoppelter Oszillatoren, sogen. Lock-In-Effekt). Die Größe dieser sich um den Drehgeschwindigkeitsnull­ punkt erstreckenden Tatzone kann zwar durch eine Reihe von laserkreisel­ spezifischen Entwurfskriterien beeinflußt werden, bleibt aber auch bei bestmöglicher Auslegung der relevanten Parameter noch so groß, daß der Drehgeschwindigkeitsmeßfehler in fast allen praktischen Anwendungen, z. B. in Lageregelungs- oder erst recht in Navigationssystemen, unakzeptabel ist.

Eine Methode, die angewendet wird, um den Fehler zu vermeiden ist unter dem Namen "Dithern" bekannt. Hierbei wird der Laserkreisel um eine Achse, die auf der Strahlpfadebene senkrecht steht, in gleichförmige Drehschwin­ gungen versetzt.

Die Zeitdauer, während der an den Umkehrpunkten der Drehschwingung des Laserkreisels eine Frequenzsynchronisation erfolgt, wird durch die Maximal­ amplitude und die Frequenz der Schwingung bestimmt und kann somit minimiert werden. Der letztlich noch verbleibende diesbezügliche Meßfehler des Laser­ kreisels wird somit bedeutend vermindert. Durch die Drehschwingung darf keinerlei Struckturverformung des Kreiselgrundkörpers, wie z. B eine periodische Dehnung, Stauchung oder Verbiegung verursacht werden, da dies aufgrund einer periodischen oder nicht periodischen Verlustmodulation des optischen Resonators zu fehlerhaften Meßverhalten des Laserkreisels führt.

Bei bisherigen Drehschwingern wurde ein Speichenrad kleinen Durchmessers benutzt, dessen Nabe an dem zu vermessenden Trägersystem befestigt war und dessen äußerer zylindrischer Radkranz in eine Öffnung im Zentrum des Krei­ selblocks eingepaßt wurde. Der gesamte Kreiselblock wurde somit vom Dreh­ schwinger getragen und beide zusammen bildeten dann ein Feder-Masse-System, das durch einen magnetischen oder piezoelektrische Antrieb in seiner Res­ onanzfrequenz erregt wurde.

Es sind viele unterschiedliche Abwandlungen dieses Lösungsprinzips bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung wird von Drehschwingern ausgegangen, die Speichen gleichförmigen Querschnitts aufweisen, auf denen piezokeramische Platten aufgebracht sind und die somit mehrschichtige Biegeelemente dar­ stellen. Wird eine elektrische Spannung angelegt, so wird ein Biegemoment in den Speichen erzeugt, woraus sich ein auf den Radkranz wirkendes Drehmoment ergibt. Üblicherweise wird mit einer Spannung, deren Frequenz der Resonanz­ frequenz des Systems entspricht, angeregt.

Es ist sehr schwierig, die Betriebsfrequenz dieser Systeme zu erhöhen und gleichzeitig die Schwingungssamplitude konstant zu halten; dies kommt durch die grundsätzliche Eigenheit von piezoelektrischen Resonanzsystemen zustan­ de, die darin besteht, daß die maximale Resonanzamplitude eines Wandlers um­ gekehrt proportional zur Resonanzfrequenz ist.

Vergrößerungen der Schwingamplitude bei fester Frequenz sind durch die Zug­ festigkeit der Piezokeramik begrenzt, die wesentlich kleiner als die der Metallspeichen ist, auf denen sie aufgebracht sind. Wenn man die Piezokeramik in ein Gebiet mit geringer Beanspruchung verschiebt, dann wird dadurch nur die Wirksamkeit als Antrieb reduziert. Diese und weitere Faktoren haben bisher Verbesserungen bei der Ausbildung von Drehschwingungseinrichtungen mit Piezoantrieb bei Laserkreiseln entgegengestanden.

Die folgenden der Erfindung vorausgehenden Überlegungen schränken die ein­ fache Auslegung eines Drehschwunges ein.

• 1. Die Masse des Lasergrundkörpers ist normalerweise sehr groß und der dem Schwingungsmechanismus zugestandene Platz sehr klein. Dies bedingt, daß der Drehschwinger aus einem Material hergestellt werden muß, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der vergleichbar mit dem von Stahl ist.
• Stähle mit zusätzlich niedrigem Ausdehnungskoeffizient kommen dabei üblicherweise zum Einsatz.
• 2. Die Drehachse muß stabil gehalten werden. Dies erfordert, daß der Drehschwinger extrem hohe Steifigkeit um alle Achsen außer der Drehachse aufweist, was wiederum verlangt, daß die Speichen paral­ lel zu der Drehachse so ausgedehnt wie nur möglich sind. Dies erfordert auch, daß die Achse des Drehschwingers mit dem Schwerpunkt des Kreiselblocks zusammenfallen muß.
• 3. Um erfolgreich Fehler zu vermeiden, ist es äußerst wichtig, daß sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der Schwingung gere­ gelt wird. Üblicherweise werden die Schwingungserzeuger bei der mechanischen Resonanz betrieben; die Resonanzfrequenz ist dann durch die Drehfederkonstante bestimmt, die schwer vorher zu bes­ timmen ist und nach Herstellung des Drehschwingers nicht mehr wesent­ lich geändert werden kann.
• Die Betriebsamplitude wird üblicherweise durch die Oberflächen­ zugfestigkeit der Piezokeramik eingeschränkt.
• 4. Es muß die Verformung des Drehschwingers im Betrieb vermieden werden. Das Zusammenziehen und das Ausdehnen verursacht falsche Signale im Laserkreisel.
• Diese zwingende Einschränkung erfordert, daß das Drehmoment entlang der Mantellinie eines zur Drehachse symmetrischen Zylinders in den Kreiselgrundkörper eingeleitet wird, der Zylinder soll einen kleinen Durchmesser haben und sich im Zentrum des Grundkörpers befinden. Eine punktförmige Einleitung von Kräften in den Kreiselgrundkörper verursacht nicht hinnehmbare falsche Meßergebnisse durch den Laserkreisel.
• 5. Das fertige Gerät muß geeignet sein, in einem erweiterten Um­ gebungstemperaturbereich betrieben zu werden, wie er durch ver­ schiedene Anwenderspezifikationen gefordert wird.
• Der Schwingungserzeuger muß mit dem Kreiselblock mittels einer Kupplung verbunden werden, die eine Strukturverformung des Krei­ selblocks durch eine thermische Ausdehnung in radialer Richtung verhindert.
• Diese Kupplung kann einfach sein, wie z. B. eine dicke Schicht aus elastischem Material oder kompliziert, wie z. B. ein vielgliedriges dreidimensionales Biegeelement.
• In jedem Fall ist das Ergebnis eine Kupplung, die in Drehrichtung sehr steif und in radialer Richtung sehr nachgiebig ist. Diese Kupplung stellt tatsächlich in der Praxis eine Einschränkung der Leistungsfähigkeit des Kreisels dar, da sie die Achsensteifigkeit vermindert.

Anordnungen gemäß dem Stand der Technik, die die oben erläuterten Beschrän­ kungen beinhalten, sind aus Stahl mit geringem Ausdehnungskoefizienten, wie z.B. Invar hergestellt und bestehen aus einem zentralen Bolzen, vier oder sechs ebenen Speichen mit gleichmäßigem rechteckförmigen Querschnitt und einem zylindrischen Radkranz, der ebenfalls einen gleichförmigen rechtecki­ gen Querschnitt aufweist.

Auf den Seitenflächen jeder Speiche sind piezokeramische Platten aufge­ bracht, die alle gleichzeitig mit einer hohen Spannung einer solchen Frequenz beaufschlagt werden, daß das System bei seiner Resonanzfrequenz schwingt.

Die vorliegende Erfindung schlägt demgegenüber einen speziell konstruierten Drehschwinger mit Piezoantrieb für Laserkreisel vor, der geeignet ist, bei wesentlich erhöhter Frequenz und Amplitude betrieben zu werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erfindungsgemäße Dreh­ schwinger ähnlich den bisherigen Drehschwingern aufgebaut: Er ist aus einem einzigen Block aus Stahl mit geringer Wärmeausdehnung hergestellt, weist eine zentrale Nabe auf, die z. B. am Trägerfahrzeug befestigt ist, und weist weiterhin Speichen und einen Radkranz auf, die beide einen gleichmä­ ßigen rechteckförmigen Querschnitt haben.

Jedoch sind die Speichen mit dem Radkranz über ein spezielles Biegeelement befestigt. Dieses Biegeelement ist so ausgelegt, daß es wie ein Gelenk arbeitet, das eine große Nachgiebigkeit für Biegebewegungen in der Ebene senkrecht zur Drehachse aufweist, das jedoch eine hohe Steifigkeit für Biegebewegungen außerhalb dieser Ebene aufweist.

Die Verwendung des Gelenks an der Verbindung Speiche/Radkranz bringt für die Piezoelemente eine sehr viel effektivere Umsetzung der elektrischen in mechanische Energie, geringere Oberflächenbeanspruchung der Piezoelemente und noch weitere Vorteile mit sich.

Die vorliegende Erfindung bringt zumindest die folgenden vier Vorteile ge­ genüber dem Stande der Technik:

• 1. Die Verwendung eines Gelenks vereinfacht die Festlegung der Reso­ nanzfrequenz dadurch, daß die Felgendeformation des Speichenrades vermieden wird.
• 2. Die Verwendung des Gelenks garantiert, daß das gesamte Volumen der Piezokeramik zur Drehmomentenerzeugung ausgenutzt werden kann. Die Ausbildungen gemäß dem Stand der Technik erreichen wegen der auftretenden Momentenkompensation bei weitem nicht diesen Aus­ nutzungsgrad.
• 3. Die Verwendung eines Gelenks reduziert die maximale Oberflächenbe­ anspruchung der Piezokeramik im Vergleich zur Lösung ohne Gelenk, wenn man gleiche Frequenz und Amplitude der Schwingung voraussetzt.
• 4. Das Gelenk entkoppelt den Radkranz vom Biegemoment am äußeren Ende der Speichen. Hierdurch wird die übliche Verformung des Radkranzes vermieden, die entweder auf den Kreiselblock übertragen würde, oder wertvolle Vibrationsenergie in die Verbindung Radkranz/Kreisel­ grundkörper ableitet. Das Ergebnis ist, daß höhere mechanische Güte erreichbar ist.

Anhand der Zeichnung werden Ausführbeispiele erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Drehschwinger,

Fig. 2 zeigt eine Verbindung der Fig. 1 im Detail,

Fig. 3A und Fig. 3B zeigen Speichenverbindungen mit dem bzw. ohne das spezielle erfindungsgemäße Gelenk.

Fig. 4A und Fig. 4B zeigen schematisch ein Experiment, das klar macht, wodurch die vorliegende Erfindung eine erhöhte Nutzung der mechanischer Energie, die von den Biegeelementen her verfügbar ist, ermöglicht.

Fig. 5A und 5B zeigen Speichen- und Radkranzverbiegungen, wie sie typisch für den Stand der Technik und für die Erfindung sind.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehschwingers in Aufsicht gezeigt.

Dieser ist aus einem Werkstück, das aus einem Stahl mit geringem Ausdehnungskoeffizienten besteht, herausgearbeitet. Eine Nabe 1 wird durch vier Vorsprünge 2 gehalten, die mit Hilfe von vier nicht gezeigten Bolzen, die durch Bohrungen 3 gesteckt werden, an einer nicht dargestellten Befe­ stigungsplatte festgelegt sind. Es sind vier Speichen 4 vorgesehen, die sich von der Nabe 1 auswärts erstrecken, und die mit einem zylindrischen Radkranz 5 über spezielle Gelenke 6 verbunden sind. Ein Laserkreiselblock, der nicht dargestellt ist, weist eine zentrale Befestigungsöffnung auf, in die der Radkranz 5 eingepaßt wird. Diese Verbindung stellt die einzige Hal­ terung des Laserkreiselblocks dar. Dünne piezokeramische Platten 7 und 8, die an ihren großen Oberflächen mit Elektroden versehen sind, sind leitend auf die beiden Seiten jeder Speiche ganzflächig formschlüssig aufgebracht.

Sie sind so groß bemessen, daß sie einen großen Teil der Speichenoberfläche abdecken. Die äußeren Elektroden 9 und 10 der Platten 7 und 8 sind elektrisch alle mit einer Klemme einer Wechselspannungsquelle verbunden (nicht dar­ gestellt). Die andere Klemme der Quelle ist mit dem Körper des Drehschwingers verbunden. Die piezokeramischen Platten weisen alle remanente Polarisations­ vektoren auf, die in Fig. 1 im Antiuhrzeigersinn gerichtet sind. Dann bewirkt das Anlegen eines positiven Potentials an die äußeren Elektroden der piezo- keramischen Platten ein Moment auf den Radkranz 5 im Uhrzeigersinn.

Der Drehschwinger kann aus Invar oder einer ähnlichen Legierung bestehen und hat einen Durchmesser von etwa 5,5 cm und eine Höhe (Dicke) von etwa 3 cm. Vorzugsweise sind vier Speichen 4 vorgesehen, die eine Breite (Maß zwischen den Platten 7 und 8) von einigen Millimetern und radiale Längen von ca. 10 oder mehr Millimetern aufweisen.

Die Nabe 1 ist im verbleibenden Raum so stabil wie möglich ausgebildet, um Biegebeiträge der Nabe zu vermeiden.

Eine vergrößerte Ansicht einer Speiche 4 und eines Gelenkes 6 zeigt Fig. 2. Die Höhe des Gelenks ist vorzugsweise so groß, wie die des gesamten Dreh­ schwingers (etwa 3 cm).

Wird der Radkranz 5 in Richtung des Pfeils 7 gedreht, dann wirkt sowohl eine translatorische Kraft 8 als auch ein Drehmoment 9 bei 6 D auf das Ende der Speiche 4.

Das Gelenk ist so ausgelegt, daß bei den vorkommenden Kräften die Segmente 6 A, 6 B und 6 C zusammen eine nachgiebige Drehfeder um den Punkt 6 D bilden und damit das Moment 9 vom Speichenende entkoppeln.

Die Segmente 6 A und 6 C sind anderseits jedoch sehr steif in Hinsicht auf eine Kompression oder einen Zug in Richtung der translatorischen Kraft 8. Daraus resultiert, daß tatsächlich die volle translatorische Kraft 8 auf das Speichenende 6 D gelangt. Als Folge davon verhält sich die Speiche fast wie ein nur einseitig an der Nabe eingespannter freier Balken, der einer Punktlast an der Spitze ausgesetzt ist. Das Biegeelement 6 B ist auch in radialer Richtung drucksteif, wodurch unerwünschte Querschwingungen ver­ mieden werden, die sonst auftreten würden.

Da die Elemente 6 A, 6 B und 6 C die gleiche Höhe (Dicke) wie der Drehschwinger haben, weisen sie eine hohe Torsionssteifigkeit für Kräfte auf, die um Achsen wirksam sind, die nicht mit der gewünschten Achse der Kreiselrota­ tion zusammenfallen. Die Dicke und Länge der Elemente 6 A, 6 B und 6 C liegen in der Größenordnung von 1 mm.

Man kann zeigen, daß bei Drehschwingern, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind, bei denen also die Speichen als von der Nabe ausgehende, am anderen Ende freie Träger betrachtet werden können, die Abmessungen der Speichen die bei weitem wesentlichsten Parameter für die Festlegung der mechanische Eigenfrequenz der Laserkreiselanordnung darstellen.

Bisher waren die Abmessungen des Radkranzes und die Verbindung Radkranz und Block von gleicher Wichtigkeit, weshalb die Vorhersage der mechanischen Eigenfrequenz sehr schwierig war. Der Beitrag der erfindungsgemäß verwende­ ten Gelenke zur Frequenzfestlegung liegt dagegen unter 10%.

In Fig. 3A ist eine Speiche 11 gemäß dem Stand der Technik gezeigt, die von der Nabe 12 ausgeht und hier starr mit dem Radkranz 13 verbunden ist. Wird der Radkranz 13 um den Winkel x verdreht, dann ergibt sich der gestrichelt dargestellt Verlauf der verbogenen Speiche. Die Speiche weist eine cha­ rakteristische Doppelverbiegung auf, hat also S-Form.

Fig. 3B zeigt eine ähnliche Speiche 11, die mit dem Radkranz 13 über ein Biegegelenk 15 verbunden ist. Wenn der Radkranz 18 um den gleichen Winkel x verdreht wird, muß bei dieser Ausführung die Speiche 11 einer weniger starken Verbiegung unterworfen werden; dies hat eine sehr viel kleinere Oberflächenbeanspruchung der Piezoelemente 14 zur Folge. Es hat sich ge­ zeigt, daß, selbst wenn die Speichen gemäß Fig. 3A und 3B gleiche Steifigkeit aufweisen, der Vorteil der Ausbildung der Fig. 3B erhalten bleibt, also die Oberflächenspannung der Keramik bezüglich der erreichbaren Amplitude keine Begrenzung darstellt.

Übliche einfache Drehschwinger mit Speichen sind auch nachteilig, weil sie die mechanische Energie, die durch die Piezoelemente erzeugt wird, in nicht effizienter Weise nutzen. Dies soll anhand der Fig. 4A und 4B erläutert wer­ den, die ein einfaches Experiment zeigen, daß unter Benutzung von Bimorph­ platten durchgeführt werden kann.

In der Fig. 4A sind Biegeelemente 22 A und 22 B, die zwei benachbarte Speichen des Drehschwingers darstellen sollen, an einem Grundkörper 21, der der Nabe entsprechen soll und an einen starren Block 23, der dem Radkranz entsprechen soll, befestigt.

Wenn das Biegeelement 22 B so erregt wird, daß sein rechtes Ende in Richtung des Pfeils 24 bewegt wird, erzeugt das Biegeelement 22 A, das als passive Säule auf Druck beansprucht wird und durch den Block 23 als Hebel wirkt, ein Drehmoment an die Spitze des Biegeelements 22 B, das fast völlig dem durch die Piezoelemente erzeugten Biegeelement entgegenwirkt.

Aufgrund der Symmetrie kann das gleiche Ergebniss erwartet werden, wenn das Biegeelement 22 A erregt wird.

In der Praxis erhält man ein Ergebnis, bei dem die erwartete statische Aus­ lenkung in einem starken Maße reduziert ist, was durch die Verluste der me­ chanische Energie bedingt ist. In Fig. 4B entkoppeln dagegen Gelenke 26, die die Biegeelemente der vorliegenden Erfindung darstellen, die Drehaktivitä­ ten der Biegeelemente 22 A und 22 B von der translatorischen Aktivität, wo­ durch es möglich wird, fast die gesamte erreichbare Arbeit aus den Biegee­ lementen abzuleiten.

In Drehschwinanordnungen gemäß dem Stand der Technik ist die Momentenredu­ zierung nicht so stark, wie bei dem anhand der Fig. 4A geschilderten Experi­ ment, weil Teile der Speichen und/oder Teile des Radkranzes teilweise noch als Biegeelemente wirken; trotzdem ist die Ausnutzung der vorhandenen me­ chanischen Energie sehr gering und abhängig von Toleranzen bei der Plazie­ rung der Piezokeramiken und der Befestigung des Kreiselblocks am Drehschwinger Fig. 5A zeigt schematisch das Biegemuster eines Drehschwingers, dessen Spei­ chen starr mit dem Radkranz verbunden sind und das in Richtung des Pfeils 31 verdreht wurde. Die dabei entstehenden Bewegungen von Teilen des Radkranzes in radialen Richtungen 32 rufen Schwierigkeiten für das Befestigen des Kreiselblocks am Drehschwinger hervor.

Wenn die Verbindung starr und gleichmäßig ist, werden die oszillierenden Verformungen zum Kreiselblock weitergeleitet.

Ist die Verbindung dagegen weich, entsteht eine unkontrollierbare Dämpfung und es wird eine unerwünschte Achsen-Nachgiebigkeit in das Gerät eingebracht. Fig. 5B zeigt das Biegemuster eines Drehschwingers, der erfindungsgemäß durch Gelenke beeinflußte Verbiegungen aufweist. In diesem Fall können die zuvor gezeigten Schwierigkeiten bei der Befestigung Radkreuz/Kreiselblock nicht auftreten.

Claims (4)

1. Drehschwingungsantrieb für einen Laserkreisel, bei dem eine an einer Grundplatte befestigte Nabe über mehrere radiale Speichen mit einem Radkranz verbunden ist, der mit dem Laserkreisel ver­ bunden ist und den Laserkreisel mit seinem Schwerpunkt auf der Achse des Drehschwingantrieb (Drehachse) festhält und bei der auf den Seitenflächen der Speichen Platten aus piezoelektrischen Ma­ terial sowie darüber liegende Elektroden aufgebracht sind, die bei Anlegen einer Wechselspannung den Radkranz in oszillierende Schwin­ gungen um die Drehachse versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Übergangs der Speichen (4; 11) in den Radkranz (5; 13) jeweils ein Biegeelement (6; 15) ausgeprägt ist, das eine große Nachgiebigkeit für Drehungen des Radkranzes um die Drehachse aufweist.

2. Drehschwingungsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (6) aus einem sich radial erstreckenden Steg (6 B) und zwei sich in tangentialer Richtung entsprechenden Stegen (6 A und 6 C) gebildet ist.

3. Drehschwingungsantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Höhe des Drehschwingungsantriebs möglichst groß gewählt ist.

4. Drehschwingungsantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Höhe des Biegeelements (6; 15) etwa so groß wie die des gesamten Antriebs ist.