DE2725197C2

DE2725197C2 - Kreiselvorrichtung

Info

Publication number: DE2725197C2
Application number: DE2725197A
Authority: DE
Inventors: Alan Paul Mendick West Linton Liebing; James Norman Gallie Scott; Brian Richard Edinburgh Schottland Shackleton
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1976-06-08
Filing date: 1977-06-03
Publication date: 1985-01-03
Also published as: US4217787A; JPS595844B2; GB1520139A; FR2354537A1; DE2725197A1; JPS52149575A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung mit einer drehbaren Welle, einem Kardanbügel, der an der Welle durch eine biegsame Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Kardanbügels relativ zu der Welle um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Welle zuläßt, einem Rotor, der am Kardanbügel durch eine flexible Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Rotors relativ zum Kardanbügel um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Welle und zur Drehachse des Kardanbügels zuläßt sowie mit einem Aufnehmer.

Aus der US-PS 35 57 629 ist eine Kreiselvorrichtung bekannt mit einer von einem Motor angetriebenen Welle und einem Rotor, der mittels einer flexiblen Aufhängung direkt an der Welle befestigt ist Die Position bzw. die Bewegung des Rotors wird mittels eines Aufnehmers gemessen.

Ferner ist aus der US-PS 34 52 609 eine Krei ;elvorrichtung bekannt mit einem Kreisel mit einem Kardanring, der flexibel mit einer Welle verbunden ist sowie einem Rotor, der flexibel mit dem Kardanring verbunden ist Ferner sind Aufnehmer vorgesehen, die fest am Gehäuse der Kreiselvorrichtung angebracht sind und die eine Bewegung des Rotors relativ zum Gehäuse messen.

Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen ist es, daß bei diesen die Verschiebung des Rotors abgefühlt wird und eine Erreger-Wechselspannung benötigt wird, um den Ausgang von den drehenden Teilen der Kreiselvorrichtung abnehmen zu können.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, bei einer Kreiselvorrichtung der eingangs genannten Art den Aufnehmer so zu gestalten, daß die Abnahme der von ihm erzeugten Ausgangssignale vereinfacht wird.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht daß der Aufnehmer drehbar mit und im Abstand vom Kardanbügel angeordnet ist und auf Drehbewegungen des Kardanbügels um seine Aufhängeachse anspricht um Ausgangssignale abzugeben, die die Richtung und die Größe dieser Drehbewegung angeben.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

F i g. 1 schematisch eine Kreiselvorrichtung im Schnitt zeigt,

F i g. 2 zeigt einen Teilschnitt der Kreiselvorrichtung nach F ig. 1,

Fig.3 zeigt eine Draufsicht in Richtung der Pfeile 3—3 von Fig.2,

F i g. 4 zeigt schematisch eine Schaltung des Aufnehmers der Kreiselvorrichtung,

F i g. 5 zeigt eine alternative Schaltung des Aufnehmers.

Nach F i g. 1 hat ein Kreisel einen ringförmigen Rotor 10, der um einen Durchmesser an einem Kardanbügel 11 schwenkbar angeordnet ist. Der Kardanbügel 11 selbst ist drehbar um eine senkrechte Achse relativ zu einer Grundplatte 12, die auf einer drehbaren Welle 13 befestigt ist. Die Welle 13 ist in Lagern 14 gestützt und trägt den Rotor 15 eines Kreiselmotors. Über und unter dem Kardanbügel 11 sind obere und untere leitende Platten 16, 17 angeordnet, die entsprechend an der Grundplatte 12 befestigt und daher mit dieser und mit dem Kardanbügel 11 drehbar sind. Eine Abdeckung 18 ist an der Grundplatte 12 angebracht, um den Rotor 10 und den Kardanbügel 11 abzudecken, wobei das Gehäuse der Vorrichtung evakuiert und abgedichtet ist.

Jede der leitenden Platten 16 ist mit der diametral gegenüberliegenden Platte 17 verbunden und jedes Plattenpaar ist mit einem von zwei separaten metallischen Schleifringen 19,20 verbunden, die sich in Nuten 21 und 22 im Körper des Kreisels drehen. Die Nuten sind mit einem elektrisch leitenden Material ausgekleidet, das an die entsprechenden, noch zu beschreibenden Schaltkreise angeschlossen ist.

Der Kreisel trägt ferner den Stator 23 des Kreiselmo-

tors und einen Aufnehmer 24, der verwendet wird, um die Winkelposition der Welle 13 und des Kardanbügels 11 anzuzeigen. Eine elektrische Verbindung zum Anlegen einer Polarisations-Gleichspannung an die rotierende Einrichtung erfolgt über eine Bürste 25.

F i g. 2 und 3 zeigen den Aufbau der Hauptteile des Kreisels im Detail.

Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, wird der Kardanbügel 11 auf der Grundplatte 12 durch eine gekreuzte Federaufhängung 26 abgestützt, die es ermöglicht, daß der Kardanbügel um eine Aufhängeachse 27 (F i g. 3) schwenken kann. Eine gleiche Aufhängung wird benutzt, um zwei Träger 28 für den Rotor 10 zu schaffen, die es ermöglichen, daß dieser sich um eine Aufhängeachse 29 relativ zum Kardanbügel 11 dreht Die oberen leitenden Platten 16 und die unteren leitenden Platten 17 sind mit leitenden metallischen Schichten versehen, die auf keramischen Platten abgelagert sind. Jede der unteren Platten 17 ist über einen separaten Koppelkondensator CB

so gibt der Kreisel keinen elektrischen Ausgang ab, unabhängig von dessem wirklichen Abstand von den leitenden Platten. Wenn jedoch der Rotor 10 versetzt ist, schwingt der Kardanbügel mit einer Frequenz gleich der Drehfrequenz der Welle 13.

Der geerdete Kardanbügel 11 bewegt sich daher sinusförmig zwischen den Platten der Kondensatoren und erzeugt eine Wechselspannungs-Modulation der Polarisations-Gleichspannung. Die Ausgangsspannung Vo ist

ίο gegeben durch

Vo = Θ, cos wt + Gy sin wt,

worin θ_χ und 6_y die Winkelverschiebungen des Rotors 10 um senkrechte Achsen relativ zum Gehäuse des Kreisels und wdie Drehzahl ist. Dieses Signal kann in X- und y-Komponenten aufgelöst werden mit Hilfe eines Timing-Signals, das die Winkelsposition der Welle angibt und vom Aufnehmer 24 erhalten wird.

Die obenbeschriebene Aufnehmereinrichtung stellt die Schwingung des Kardans fest und erzeugt ein Wech-

getrennt an einen der Ringe 19 und 20 angeschlossen. 20 selspannungssignal, das kapazitiv mit dem Äußeren des Diese Ringe haben keinen Kontakt mit ihren entspre- Kreisels gekoppelt werden kann. Die., ist vorteilhafter chenden Nuten 21 und 22, der elektrische Ausgang wi.d
jedoch durch kapazitive Kopplung zwischen beiden

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findlich gegen Anfangsfehler der Position des Kardanbügels, weshalb solche Fehler nicht ausgetrimmt werden müssen.

Die Verwendung der Polarisations-Gleichspannung hat ferner den Vorteil, daß sie benutzt werden kann, um die Steilheit der Federaufhängung 26, die den Kardanbügel 11 abstützt, elektrostatisch zurückzubilden. Es ist bekannt, daß eine teilweise Aufhebung der Federsteifig-

als die bisherigen Anordnungen, die eine stetige Verschiebung des Rotors abfühlen und eine Erregerübertragen. Wechselspannung benötigen, um den Ausgang von den

Eine Polarisations-Gleichspannung wird über eine 25 drehenden Teilen des Kreisels abnehmen zu können. Verbindung 30 und zwei Speisewiderstände R an die Das beschriebene Aufnehmesystem ist ferner unempbeiden Paare von miteinander verbundenen leitenden - — Platten 16 und 17 angelegt Außerdem sind die beiden
Platten 16 über einen Kondensator CF miteinander verbunden.

F i g. 4 zeigt die elektrischen Verbindungen und Komponenten des Kreisels. Der Rotor 10 und der Kardanbügel 11 sind schematisch in einer verschobenen Position relativ zu den keramischen Platten dargestellt Der

Kardanbügel 11 ist mit dem Körper des Kreisels ver- 35 keit den Vorteil hat, daß eine relativ steife Feder einen bunden (d. h. geerdet) über die Federaufhängung 26 schweren Rotor abstützen kann ohne das große Rück- und die Lager 14. Die Polarisations-Gleichspannung V_p Stellmoment, das eine solche Feder normalerweise auskann über einen variablen Widerstand VR eingestellt übt. Es ist möglich, das Feder-Moment vollständig aufwerden und sie wird über die Speisewiderstände R an zuheben durch Einstellung der Stärke der Polarisationsdie miteinander verbundenen leitenden Platten 16 und 40 Gleichspannung.

17 gelegt Der Kondensator CF ist zwischen die oberen De·· Kondensator CF gewährleistet, daß die gesamte

Platten 16 geschaltet wie dargestellt Jedes Paar der elektrische Ladung im Kondensatorkreis konstant miteinander verbundenen leitenden Platten ist über die bleibt während eine Übertragung von Ladung von einer Koppelkondensatoren CB an separate kapazitive Seite des Kondensatorkreises auf die andere beim Schleifringe angeschlossen, die in F i g. 4 durch Konden- 45 Schwingen des Kardans ermöglicht wirJ. Hierdurch satoren CS dergesteüt sind. Die Schleifringe sind mit wird eine Wechselspannungs-Modulation erzeugt. Der Pufferverstärkern A verbunden, deren Ausgänge an ei- Kondensator CF gewährleistet ferner, daß die elektrone Differenzschaltung D gelegt sind, die einen Ausgang statische negative Federsteifigkei; durch kleine Ände- Vo abgibt. rungen der Spannung an den Aufnehmerkondensato-

Mechanisch arbeitet der Kreisel in bekannter Weise. 50 ren, die durch die leitenden Platten 16 und 17 gebildet Der Kreiselmotor dreht die Welle 13 und damit den sind, nicht beeinflußt wird.
Kardanbügel, den Rotor und die zugehörigen Komponenten mit einer hohen Drehzahl. Der Rotor 10 sucht
eine feste Orientierung im Raum einzunehmen und beizubehalten, weshalb j ede Verschiebung des Körpers des 55
Kreisels den Kardanbügel 11 veranlaßt, bei Drehung

relativ zur Grundplatte 12 zu schwenken. Jedes Paar der leitenden Platten 16 und 17 bildet einen Kondensator mit dem geerdeten Kardanbügel, der sich zwischen den Elektroden jedes Kondensators bewegt. Diese Kondensatoren werden durch die Polarisationsspannung V_p über die Widerstände R geladen, die einen hohen Wert haben, um zu verhindern, daß die Ladung auf den Kondensatoren durch die Widerstände abgeschwächt oder

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Wie bereits erwähnt, liegt der Ausgang des Aufnehmers vor in der Form
Vo — b_x cos wt + θ_γ sin wt.

Der Ausgang wird weiterverarbeitet, um d^;e Winkclverschiebungen B_x und B_y des Rotors relativ zum Kreiselgehäuse zu erhalten.

F i g. 5 zeigt einen alternativen elektrischen Kreis zu demjenigen von Fiρ 4, worin der Kardanbügel 11 gegen die Grundplatte 12 isoliert und an ihn die Polarisationsspannung V_p angelegt ist. Die Koppelkondensatoren Cßsind nicht langer erforderlich und daher weggelassen. Die Widerstände R sind an Erde gelegt, um das Durchschnittspotential an den leitenden Platten 16, 17

gedämpft wird. Die Koppelkondensatoren CB verhin- 65 auf derselben Höhe wit die Grundplatte 12 zu halten.

dem, daß die Polaruations-Gleichspannung an die

Schleifringe 19, 20 gelegt wird. Wenn der Kardanbüge!

11 statisch relativ zu den leitenden Platten 16 und 17 ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kreiselvorrichtung mit einer drehbaren Welle, einem Kardanbügel, der an der Welle durch eine biegsame Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Kardanbügels relativ zu der Welle um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Welle zuläßt, einem Rotor, der am Kardanbügel durch eine flexible Aufhängung befestigt ist, die eine begrenzte Drehung des Rotors relativ zum Kardanbügel um eine Achse senkrecht zur Drehachse der Welle und zur Drehachse des Kardanbügels zuläßt, sowie mit einem Aufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer (16, 17) drehbar mit und im Abstand vom Kardanbügel (11) angeordnet ist und auf Drehbewegungen des Kardanbügels (11) um seine Aufhängeachse (27) anspricht um Ausgangssignale abzugeben, die die Richtung und die Größe dieser Drehbewegungen angeben.

2. Kreisek-orrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnehmer zwei Paare von elektrisch leitenden Platten (16,17) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Kardanbügels (11) angeordnet sind, welcher in begrenztem Maße frei zwischen jedem Plattenpaar (16, 17) beweglich ist, daß ferner eine elektrische Verbindung zwischen jeder Platte (16,17) eines Paares und der entgegengesetzten Platte (17, 16) des anderen Paares vorgesehen ist, und daß ein Kondensator (CF) zwischen die beiden miteinander verbundenen Plattenpaare geschaltet ist

3. Kreiselvorrichtung nach .Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet deß der Mardanbügel (11) elektrisch mit der drehbaren Welle (13) verL unden ist daß zwei Speisewiderstände (R) vorgesehen sind, die zwischen die entgegengesetzten Enden des Kondensators (CF) und eine Quelle (VP) einer Polarisationsgleichspannung geschaltet sind, und daß der Ausgang der beiden Piattenpaare (16,17) über Koppelkondensatoren (CB) erhalten wird.

4. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Kardanbügel (11) elektrisch gegen die drehbare Welle (13) isoliert ist und mit einer Quelle (VP) einer Polarisationsgleichspannung verbunden ist, daß jedes Ende des Kondensators (CF) über einen Widerstand (R) mit der Welle (13) verbunden ist, und daß der Ausgang direkt von den Plattenpaaren (16,17) erhalten wird.

5. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein Paar kapazitiver Schleifringe (19, 20), über die der Ausgang des drehbaren Aufnehmers (11,16,17) übertragen wird.

6. Kreiselvorrichtung nach einem der Ansprüche 3—5, gekennzeichnet durch einen variablen Widsrstand (VR) zum Einstellen der Polarisationsgleichspannung (VP).