DE3433499C2 - Pendeldrucker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pendeldrucker mit einem Druckmechanismus, der einen pendelnd gelagerten Druckkopf und eine pendelnd gelagerte Antriebseinrichtung umfaßt.

Ein solcher Pendeldrucker ist aus dem "Hewlett Packard Journal", Vol. 29, No. 15, Nov. 1978, Seiten 23 bis 31 bekannt. In dieser Druckschrift wird das Grundprinzip eines Pendeldruckers erläutert. Innerhalb eines Rahmens sind eine hin- und herbewegbare Antriebseinrichtung und ein hin- und herbewegbarer Druckkopf angeordnet. Mittels einer elektrischen Spule in der Antriebseinrichtung wird der Druckkopf entweder angezogen oder abgestoßen. Da sowohl der Druckkopf als auch die Antriebseinrichtung federnd gelagert sind, stellt sich bei beiden eine Hin- und Herbewegung um die Ruhelage der Federn ein.

Dieser Druckschrift ist ferner ein Geschwindigkeitssensor entnehmbar, der ein Geschwindigkeitssignal abgibt. Der aus dieser Druckschrift bekannte Pendeldrucker umfaßt des weiteren eine Regeleinrichtung, die der Antriebseinrichtung ein Antriebssignal derart zuführt, daß sich der Druckkopf zumindest in einem mittleren Bereich zwischen zwei Wendepunkten mit konstanter Geschwindigkeit bewegt.

Aus der EP 0 012 860 A1 ist ein Druckmechanismus bekannt, der einen Druckkopf aufweist, der schwingend gelagert ist, und der derart angetrieben werden soll, daß er mit seiner Resonanzfrequenz schwingt. Hierzu wird dem Antriebssystem gemäß dieser Druckschrift ein Antriebssignal zugeführt, durch das der Druckkopf in konstante Schwingungen versetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pendeldruckmechanismus anzugeben, der mit minimaler Antriebsenergie auskommt.

Diese Aufgabe wird durch einen Pendeldrucker mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen gelöst.

Es hat sich herausgestellt, daß die Resonanzfrequenz von Druckmechanismen sich von Einheit zu Einheit sowie während des Betriebes ändert. Derartige Änderungen können aus vielerlei Gründen auftreten, wie beispielsweise durch Abweichungen bei der Massenproduktion, der Druckleistung in einem bestimmten Zeitraum, der Druckdichte innerhalb eines besonderen Zeitraumes, Papiereinlege-Auswirkungen, Temperaturänderungen oder Alterungen der Druckmechanismen.

Nur bei der Resonanzfrequenz ist eine minimale Antriebsleistung zu erzielen. Da sich jedoch die Resonanzfrequenz ändert, tritt bei den bekannten Antriebsmechanismen über die Zeit ein Anstieg der erforderlichen Antriebsenergie selbst dann auf, wenn dort ein Antrieb bei der in der Regel zuvor ermittelten Resonanzfrequenz stattfindet.

Mit den im Patentanspruch angegebenen Merkmalen wird erreicht, daß die Regeleinrichtung die Frequenz des Antriebssignals für die Antriebseinrichtung so verändert, daß sich beim Druckmechanismus stets die aktuelle Resonanzfrequenz einstellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Pendeldruckers mit einem Druckmechanismus und einer Antriebseinrichtung mit Geschwindigkeitsrückkopplung.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung des erfindungsgemäßen Pendeldruckers.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltbild der in Fig. 2 gezeigten Regeleinrichtung.

Die Fig. 1 zeigt vereinfacht einen Druckermechanismus, der erfindungsgemäß verbessert werden soll. Ein Druckkopf 10 weist eine Reihe steuerbarer Druckelemente 12 auf, die zum Erzeugen einer Druckzeile 14 benutzt werden, welche auf einem schrittweise transportierten Papierabschnitt gebildet werden kann. Während der Druckvorgänge wird der Druckkopf 10 an ersten Blattfedern 28 und 30 pendelnd in den durch den Doppelpfeil A dargestellten entgegengesetzten Richtungen hin- und herbewegt.

Bei dem dargestellten Beispiel ist der Druckkopf 10 an einer Stange 16 befestigt, die mit dem Permanentmagneten 18 den Anker einer hin- und herbewegbaren Antriebseinrichtung 20 bildet, welche eine Antriebswicklung 22 aufweist, die durch ein Antriebssignal 44 mit einer Frequenz gespeist wird, die gleich der Resonanzfrequenz des Druckmechanismus sein soll. An der Wicklung 22 kann ein Gegengewicht 26 befestigt sein, durch das die Gesamtmasse der Wicklung und des Gegengewichts ungefähr gleich derjenigen des Druckmechanismus gemacht wird.

Die ersten Blattfedern 28 und 30 sind an einem Rahmen 32 des Pendeldruckers befestigt. Die Wicklung 22 der Antriebseinrichtung wird zusammen mit ihrem Gegengewicht 26 auf einem Paar von zweiten Federn 34 und 36 gelagert, die ebenfalls an dem Rahmen 32 befestigt sind.

Bei dem beschriebenen Beispiel sollen die Federn 28, 30, 34 und 36 im wesentlichen gleich und so gestaltet sein, daß die Bewegung des Druckkopfes und der Antriebseinrichtung jeweils im wesentlichen gleich und gegenphasig ist.

Bei dem System gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird angenommen, daß die Resonanzfrequenz eine feste vorbestimmte Frequenz ist. Daher liefert ein Geschwindigkeitssensor 40 ein Geschwindigkeitssignal 41, das die momentane Lineargeschwindigkeit des Pendelmechanismus darstellt. Dieses Geschwindigkeitssignal wird in einem Servosystem 42 in einem Vergleicher CF mit einem Bezugssignal aus einer Wechselstromquelle 24 mit fester Frequenz verglichen, die so gewählt ist, daß eine Anäherung an die Resonanzfrequenz des Pendeldruckmechanismus versucht wird. Der Vergleicher CF erzeugt dann ein Antriebssignal 44, das an die Wicklung 22 der Antriebseinrichtung angelegt wird.

Falls die mechanische Resonanzfrequenz des Pendeldruckers konstant bleibt und diese Resonanzfrequenz auf genaue Weise bestimmt und mittels der Wechselstromquelle 24 näherungsweise erreicht wird, wäre eine minimale Antriebsleistung zum Antrieb des Druckmechanismus erforderlich. Gemäß den vorangehenden Erläuterungen ist jedoch zu erwarten, daß sich die mechanische Resonanzfrequenz des Pendeldruckers von Einheit zu Einheit und während des normalen Betriebs aus verschiedenerlei Gründen ändert. Infolgedessen ist für den Antrieb eines derartigen Pendeldruckers eine Leistung erforderlich, die beträchtlich höher als die minimale Antriebsleistung ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pendeldruckers gemäß Fig. 2 ist ein Phasenkopplungskreis/Geschwindigkeitsregelkreis vorgesehen, der statt der bei dem Pendeldrucker nach Fig. 1 gezeigten Regeleinrichtung eingesetzt wird. Hierbei kann der gleiche Geschwindigkeits- Sensor 40 zum Erzeugen eines Geschwindigkeitssignals 41 benutzt werden. Mittels nachfolgend beschriebener weiterer Einrichtungen wird auch ein Antriebssignal 44 erzeugt und in die gleiche Motorantriebswicklung 22 eingegeben. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist ein Phasenvergleicher 100 vorgesehen, der die Phase des erfaßten Geschwindigkeitssignals 41 mit der Phase des Antriebssignals 44 für die Antriebseinrichtung vergleicht. Das Bezugszeichen 102 bezeichnet einen Verstärker.

Eine Phasendifferenz zwischen diesen beiden miteinander verglichenen Signalen ergibt ein Phasenfehlersignal an einem Ausgang 104 des Phasenvergleichers 100. Das Phasenfehlersignal wird dann zur Steuerung eines spannungsgesteuerten Oszillators 106 benutzt. Obwohl ein sinusförmiges Ausgangssignal dieses spannungsgesteuerten Oszillators direkt ein sinusförmiges Bezugssignal mit geregelter Frequenz und geregelter Amplitude ergeben könnte, weist das Ausführungsbeispiel einen gesonderten Sinusbezugssignal- Generator 108 auf, der durch das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 106 angesteuert wird, um ein sinusförmiges Bezugssignal mit geregelter Frequenz und geregelter Amplitude an seiner Ausgangsleitung 110 abzugeben. Dieses sinusförmige Bezugssignal wird dann in einem Verstärker 112 mit dem erfaßten rückgekoppelten Geschwindigkeitssignal kombiniert, um das vorangehend genannte Antriebssignal U4 für die Antriebseinrichtung zu erzeugen.

Es ist somit erkennbar, daß in dem gesamten Regelsystem nach Fig. 2 ein Geschwindigkeits-Regelkreis 114 gebildet ist, welcher seinerseits teilweise in einem Phasenkopplungskreis 116 enthalten ist. Das Ergebnis ist eine Regeleinrichtung mit einer durchgehenden Phasenkopplungsschleife, welche automatisch die Resonanzfrequenz des Druckmechanismus (aus nachfolgend ausführlicher erläuterten Gründen) erfaßt und das Antriebssignal 44 für die Antriebseinrichtung auf der erfaßten Resonanzfrequenz sowie auf einer bestimmten Amplitude hält.

Das anhand der Fig. 2 erläuterte Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 3 detaillierter dargestellt, in der gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher Elemente verwendet sind.

Der Geschwindigkeits-Regelkreis 114 bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 enthält Rechenverstärker U1A, U1B, U2A und U3 sowie deren zugehörige passive Bauelemente.

Der Verstärker U1B ist ein Pufferverstärker, der dazu benutzt wird, eine Belastung des Geschwindigkeitssensors 40 zu verhindern. Der Verstärker U1A und Widerstände R18, R19 und R20 bilden einen Spannungsverstärker, der eine Rückkopplungsverstärkung und die erforderliche Regelkreisverstärkung für den Geschwindigkeits-Regelkreis 114 liefert. Der Verstärker U2A, Widerstände R1, R2, R17, R29 und R14 sowie ein Kondensator C1 bilden zusammen mit einem Summierknotenpunkt 120 eine Einrichtung zum algebraischen Summieren des Rückkopplungs-Geschwindigkeitssignals (nämlich des Ausgangssignals des Verstärkers U1A) mit dem sinusförmigen Bezugssignal (nämlich dem Ausgangssignal des Sinusbezugssignal-Generators 108).

Ferner wird an dem Summierknotenpunkt 120 bei dem Ausführungsbeispiel auch ein Niederfrequenzkompensations-Rückkopplungssignal (nämlich aus einer internen Stromschleife) aus dem Verstärker U2B hinzugesetzt.

Der Verstärker U3 und Widerstände R4 und R3 ergeben eine Leistungsverstärkung des Motor-Antriebssignals bei einer geringen Spannungsverstärkung. Ein Widerstand R7 und ein Kondensator C2 dienen zum Stabilisieren des Verstärkers U3, während Strombegrenzungswiderstände R8 und R10 den Ausgangsstrom des Verstärkers U3 auf einen Maximalwert begrenzen. Gemäß Fig. 3 wird mit dem Ausgangssignal des Verstärkers U3 die Wicklung 22 der Antriebseinrichtung gespeist.

Der Verstärker U2A ist so geschaltet, daß er ein Fehlersignal integriert, welches durch die summierte Spannung an dem Summierknotenpunkt 120 gebildet ist (nämlich durch die algebraische Summe aus dem sinusförmigen Bezugssignal und dem Rückkopplungs-Geschwindigkeitssignal). Infolgedessen stellt das Ausgangssignal des Verstärkers U2A das integrierte Fehlerausgangssignal dar, das in dem Geschwindigkeits- Regelkreis 114 erfaßt wird.

Ohne die Niederfrequenzkompensationsschaltung mit dem Verstärker U2B kann der Geschwindigkeits-Regelkreis 114 eine Niederfrequenzverstärkung von nahezu "0" haben. Wenn dies der Fall ist, kann durch diese Eigenschaft bewirkt werden, daß das Ausgangssignal des Integrators U2A auswandert und schließlich an seine Grenzwerte hin gelangt, wodurch der Regelkreis unwirksam wird. Infolgedessen enthält das Ausführungsbeispiel einen verhältnismäßig langsamen Stromregler, der durch einen Strommeßwiderstand R5 zusammen mit dem Verstärker U2B und dessen zugehörigen Bauteilen gebildet ist. Die Widerstände R12, R13 und R14 ergeben eine brauchbare Niederfrequenzkompensations- Stromschleifenverstärkung, während die Komponenten R13, C3 und C4 eine Stromschleifenkompensation mit einer Phasenvoreilung oder Phasenverzögerung bei den Frequenzen ergeben. In dieser Hinsicht ist anzumerken, daß kein erkennbares Strombezugssignal vorliegt, da der angestrebte zeitlich gemittelte Strom in der Wicklung 22 des Linearmotors "0" ist.

Falls der Druckkopf sinusförmig bewegt werden soll, muß an der Leitung 110 ein sinusförmiges Bezugssignal anliegen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird ein sinusförmiges Bezugssignal mittels eines Vorwärts/Rückwärts- Zählers 122, eines Festspeichers (ROM) 124 und eines Digital/Analog-Wandlers 126 erzeugt. Ferner wird gemäß Fig. 3 dem Digital/Analog-Wandler 126 eine stabile Bezugsspannung V zugeführt, um dessen analoges Ausgangssignal dementsprechend zu bemessen und damit die Amplitude des sinusförmigen Bezugssignals einzuregeln.

Bei dem Ausführungsbeispiel zählt der Zähler 122 fortgesetzt von "0" bis "511" (oder zu einer anderen vorbestimmten Zahl) vorwärts und dann von "511" bis "0" zurück. Auf diese Weise gibt der zyklische Vorwärts/Rückwärts-Zähler 122 fortgesetzt eine Folge sich zyklisch ändernder digitaler Adressensignale an den Festspeicher 124 ab, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Da der Zähler seinen Wert in Zeitintervallen erhöht (oder erniedrigt), die durch ein eingegebenes Taktsignal bestimmt sind (dessen Erzeugung nachfolgend erläutert wird), folgt daraus, daß sich die Folge der an den Festspeicher 124 abgegebenen digitalen Adressensignale in Zeitintervallen ändert, die durch das eingegebene Taktsignal bestimmt sind. Der Inhalt des Festspeichers 124 ist derart programmiert, daß der Speicher entsprechend der zyklischen Folge der eingegebenen digitalen Adressensignale digitale Ausgangsdaten-Bytes abgibt, durch die sehr eng die Amplitude einer Sinuskurvenform an gleichmäßig beabstandeten Abtastpunkten angenähert wird. Es ist ersichtlich, daß zur Erzeugung von zyklischen Adressensignalen für den Festspeicher 124 auch andersartige zyklische Zähler oder dergleichen verwendet werden können. Beispielsweise kann ein kontinuierlich vorwärts zählender Zähler verwendet werden (der für den Beginn eines weiteren Vorwärtszählungszyklus "überläuft"), falls mehr mehr Festspeicherraum vorgesehen ist, um digitale Abtastwerte zu speichern, welche einen kompletten Zyklus der Sinuskurvenform oder dergleichen darstellen.

Die eine abgetastete Sinuskurvenform darstellenden digitalen Signale werden dann aufeinanderfolgend in den Digital/Analog- Wandler 126 eingegeben, wodurch dieser eine kontinuierliche, nahezu sinusförmige Spannung abgibt. Da an diesen Digital/Analog-Wandler eine Bezugsspannung V angelegt wird, wird damit die Amplitude des kontinuierlichen sinusförmigen Bezugssignals auf genaue Weise gesteuert und geregelt.

Es soll nun erläutert werden, daß die Frequenz des sinusförmigen Spannungs-Bezugssignals auf der Leitung 110 durch die Frequenz des Takteingangssignals für die Ansteuerung des Zählers 122 bestimmt ist. bei dem Ausführungsbeispiel sind zum Festlegen eines kompletten Zyklus der Sinuskurvenform ungefähr 1020 digitale Abtastsignale erforderlich. Infolgedessen ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Frequenz des sinusförmigen Bezugssignals gleich der durch 1020 geteilten Frequenz des eingegebenen Taktsignals. Ein weiterer Frequenzteiler 128 kann dafür vorgesehen werden, das System (beispielsweise durch Schalterverbindungen) leicht für den Antrieb unterschiedlicher Druckmechanismen anzupassen, welche für den Betrieb mit unterschiedlichen mittleren Druckgeschwindigkeiten ausgelegt sind.

Ein Druckmechanismus zeigt prinzipiell eine Unterdämpfungs- Impulsansprechcharakteristik zweiter Ordnung. Irgendein derartiges System zweiter Ordnung hat bei der Resonanzfrequenz einen Spitzenwert, der zu Regelungszwecken erfaßt werden könnte. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es jedoch wichtiger, die ziemlich steile Phasenverschiebung (von +90° auf -90°) zu erfassen, die auftritt, sobald die Antriebsfrequenz in der Weise erhöht wird, daß sie die mechanische Resonanzfrequenz des Pendeldruckmechanismus durchläuft. Darüberhinaus ist nahe der Resonanzfrequenz die relative Phasenverschiebung zwischen der erfaßten Geschwindigkeit und dem Antriebssignal 44 ungefähr 0°.

Bei dem Ausführungsbeispiel wird diese Information über die relative Phasenlage gleichzeitig dazu benutzt, die Resonanzfrequenz zu erfassen und automatisch ein sinusförmiges Geschwindigkeits-Bezugssignal mit dieser Resonanzfrequenz zu erzeugen. Dies ist die Funktion des angeschlossenen Phasenkopplungskreises 116, der den Phasenwinkel zwischen dem Antriebssignal für die Antriebseinrichtung und dem erfaßten Geschwindigkeitssignal auf ungefähr 0° durch geeignetes Ändern der Frequenz des in dem Geschwindigkeits- Regelkreis 114 benutzten sinusförmigen Geschwindigkeits-Bezugssignals auf der Leitung 110 einregelt.

Vor einer solchen Phasenregelung müssen jedoch die die Motorantriebsspannungs-Phase und die erfaßte Geschwindigkeitsphase darstellenden Signale in eine Form gebracht werden, in der sie auf einfache Weise durch den Phasenvergleicher 100 verarbeitet werden können. An dem erfaßten analogen Geschwindigkeitssignal wird eine geeignete Signalumformung mittels eines herkömmlichen Nulldurchgangsdetektors 150 vorgenommen. Das Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors 150 wird mit einem Inverter 152 invertiert und in einen der Phasenerfassungseingänge des Phasenvergleichers 100 eingegeben, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Die an dem Ausgang des Verstärkers 112 auftretende Motorantriebsspannung wird mittels eines Verstärkers U13 und zugehöriger passiver Bauteile in eine Rechteckwelle umgeformt, die dann in einem weiteren Nulldurchgangsdetektor 154 verarbeitet wird, der dem Phasenvergleicher 100 das zweite Eingangsignal für die Phase der Motorantriebsspannung liefert.

Die ermittelte Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Geschwindigkeitssignal wird durch den zeitlichen Mittelwert der Ausgangsspannung eines Phasendetektors 156 angezeigt. Diese Spannung wird vorzugsweise mittels eines Verstärkers U17A gefiltert und mittels eines Verstärkers U17B sowie zugehöriger Bauteile integriert und hinsichtlich der Phase korrigiert, um damit eine gefilterte integrierte Fehlerspannung für die Ansteuerung des spannungsgesteuerten Oszillators 106 zu bilden. Eine derartige Filterung erfolgt häufig mittels eines einzigen passiven Verzögerungs- bzw. Tiefpaßfilters erster Ordnung. Dem Fachmann für Servomechanismen ist es jedoch ersichtlich, daß ein Phasenkopplungskreis hinsichtlich der Verstärkung im offenen Regelkreis zwei Pole haben sollte, um den erfaßten Ruhezustand-Phasenfehler auf "0" zu bringen. Einer dieser Pole wird von Natur aus durch den spannungsgesteuerten Oszillator 106 gebildet. Der andere Pol wird bei dem Ausführungsbeispiel außerhalb des Oszillators gebildet (nämlich durch den Verstärker U17B und die zugeordneten passiven Bauteile).

Der Verstärker U17A und dessen zugeordnete Bauteile ergeben die Schleifenverstärkung, ein Verzögerungs- bzw. Tiefpaßfilter erster Ordnung sowie eine Phasenregelungsfehler- Summierung. Beispielsweise wird durch Widerstände R52 und R53 eine Phasenregelungsfehler-Bezugsspannung gebildet. Der Verstärker U17B und dessen zugehörige Bauteile ergeben eine Schleifenverstärkung, eine Integration (durch den erforderlichen zusätzlichen Pol) und eine Phasenvoreilungs- Frequenzkompensation zur Schleifenstabilisierung. Mit der Ausgangsspannung des Verstärkers U17B wird dann der spannungsgesteuerte Oszillator 106 angesteuert, welcher seinerseits das Taktsignal abgibt, das zur Ansteuerung des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 122 erforderlich ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Frequenz des sinusförmigen Geschwindigkeits-Bezugssignals auf der Leitung 110 gleich der durch 1020 geteilten Frequenz des Taktsignals. Da die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators die Frequenz des sinusförmigen Geschwindigkeits- Bezugssignals auf der Leitung 110 bestimmt, ergibt dies eine Einrichtung für das Verändern des Phasenfehlers in dem Phasenregler nach Erfordernis in der Weise, daß an dem Ausgang des Phasendetektors 156 ein Phasenfehler von nahe "0" aufrechterhalten wird. Dadurch wird automatisch der Druckmechanismus mit dessen Resonanzfrequenz angetrieben, welche während des Betriebs durch Änderungen von Massen, Federkonstanten oder anderen Umgebungs-Betriebsbedingungen verändert werden könnten. Infolgedessen wird durch das gesamte Phasenkopplungskreis/Geschwindigkeitsregelkreis- Servoregelsystem gemäß Fig. 3 automatisch die Antriebsfrequenz für den Motor geregelt und sichergestellt, daß die minimale Antriebsleistung erforderlich ist.

Claims (1)

1. Pendeldrucker mit

• a) einem Druckmechanismus, der einen an ersten Federn (28, 30) pendelnd gelagerten Druckkopf (10) und eine an zweiten Federn (34, 36) pendelnd gelagerte Antriebseinrichtung (20) umfaßt,
• b) einem Geschwindigkeitssensor (40) zur fortlaufenden Erfassung der Geschwindigkeit des Druckkopfes (10) und zur Erzeugung eines entsprechenden Geschwindigkeitssignals (41), und
• c) einer Regeleinrichtung, die der Antriebseinrichtung (20) ein Antriebssignal (44) zuführt, durch das der Druckkopf (10) und die Antriebseinrichtung (20) in gegenphasige sinusförmige Schwingungen mit vorbestimmter Amplitude versetzt werden,
• d) wobei die Regeleinrichtung eine Phasendifferenz zwischen dem Geschwindigkeitssignal (41) und dem Antriebssignal (44) erfaßt und die Frequenz des Antriebssignals (44) derart regelt, daß die Phasendifferenz minimiert wird, so daß der Druckmechanismus etwa mit seiner Resonanzfrequenz schwingt.