CH660937A5 - Einrichtung zur steuerung einer mit vibrationen behafteten maschine. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung einer von einem elektrischen Motor angetriebenen, mit mechanischen Schwingungen behafteten Maschine.

In elektrisch angetriebenen Maschinen können sich Resonanzeffekte aufgrund eines ungleichmässigen Drehmoments bilden, welche sich auf die mit Eigenresonanzen behafteten Maschinenteile unterschiedlich auswirken. Solche Effekte führen zu Vibrationen. Obwohl im allgemeinen ein gewisses Mass an Vibrationen für elektrisch betriebene Maschinen in normalen Anwendungsfällen nicht zu Schwierigkeiten führt, hat es sich im Bereich von Hochpräzisionsmaschinen als notwendig erwiesen, derartige Vibrationen soweit wie möglich zu unterdrücken. Dies spielt insbesondere bei Werkzeugmaschinen eine Rolle, deren Schneid- oder andere Werkzeuge in ihrer Bearbeitungsgenauigkeit durch Vibrationseffekte beeinflusst werden.

Vibrationen in elektrisch angetriebenen Maschinen können auf verschiedene Quellen zurückgehen. Eine mögliche Entstehungsquelle kann ein Übertragungsglied sein, welches zwischen dem Antriebsmotor und der Last angeordnet ist. Ein solches Übertragungsglied kann beispielsweise durch ein Getriebe, einen Riemen, eine Kette, einen Draht oder ein Kugelumlaufgetriebe sowie durch ein Untersetzungsgetriebe oder dgl. gebildet sein.

In derartigen Übertragungsgliedern tritt eine Fluktuation bezüglich der Parameter auf, die einem ganzzahligen Vielfachen oder einem ganzzahligen Bruchteil der Rotationsgeschwindigkeit des Antriebsmotors entspricht. Dies ist auf die spezielle Bauweise zurückzuführen, wobei die durch die Parameterfluktuation auftretenden Zwangskräfte das Maschinensystem zu kräftigen Vibrationen bringen können.

Selbst wenn der Motor mit konstanter Geschwindigkeit dreht, können aufgrund der erwähnten Tatsachen Ungleichmäs-sigkeiten bei der Übertragung des Drehmomentes auf die Last auftreten, so dass eine gleichmässige und äusserst akkurate Bewegung von Schneid- und anderen Werkzeugen nicht immer gewährleistet ist.

Wegen der Drehmomentschwankungen aufgrund der Parameterfluktuation eines Übertragungsgliedes verursacht die zyklisch aufgezwungene Energie im Maschinensystem eine Resonanz, welche grundsätzliche Probleme für den praktischen Gebrauch und die Möglichkeiten solcher Maschinen zur Folge hat.

Zur Unterdrückung derartiger Resonanzeffekte ist es üblich, Dämpfungsmittel auf die Abtriebsseite des Getriebes anzuordnen. Ferner ist es üblich, die Maschine nicht in einem Drehzahlbereich zu betreiben, in welchem derartige Resonanzen auftreten. Während die erste Methode Änderungen mechanischer Art oder am Gesamtsystem bedingt, hat die zweite Methode rein anwendungstechnische Nachteile zur Folge, da der Einsatzbereich der Maschine begrenzt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung anzugeben, welche derartige Einschränkungen nicht erforderlich macht, sondern den vollen Einsatzbereich der Maschine ohne mechanische Eingriffe in das System zur Verfügung stellt. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierten Massnahmen gelöst.

Durch diese Massnahme wird über die Motorsteuerung eine äusserst wirkungsvolle Dämpfung der Vibrationen erreicht. Es sind keine mechanischen oder anderen Modifikationen im System erforderlich. Der einzige Zusatz besteht in einem Beschleunigungsdetektor und einfachen elektrischen Schaltungseinrichtungen, welche ausschliesslich auf dem Prinzip der Signalverarbeitung beruhen und keinerlei Eingriff in die Energiebilanz der elektrisch betriebenen Maschine darstellen.

Im folgenden werden Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockdiagramm einer elektrisch betriebenen Maschine gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 2 das elektrische Ersatzschaltbild der Maschine gemäss Fig. 1,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 4 das Schaltbild eines Vibrations-Beschleunigungs-Kon-verters,

Fig. 5 das Phasendiagramm für ein Korrektursignal,

Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung und

Fig. 7 Darstellungen zur prinzipiellen Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung eines schwingungsempfindlichen Systems mit einem Antriebsmotor 1, einer Last 2 und einem dazwischen angeordneten Übertragungsglied 3, beispielsweise einem Reduktionsgetriebe.

Die entsprechende elektrische Schaltung der Einrichtung gemäss Fig. 1 ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei entspricht das Reduktionsgetriebe 3 ungefähr einem idealen Transformator und einer Feder (Energiespeicher). In Fig. 2 bezeichnen T das Drehmoment des Motors 1, Jm die Motorträgheit, Vm die Motorgeschwindigkeit, N das Übersetzungsverhältnis des Reduktionsgetriebes 3, K die entsprechende Federkonstante des Reduktionsgetriebes 3, J die Trägheit der Last und V die Geschwindigkeit der Last.

Da innerhalb des Maschinensystems das Reduktionsgetriebe das Element mit der geringsten Starrheit ist, wird dessen Federkonstante in der elektrischen Ersatzschaltung mit K bezeichnet, während die Federkonstanten der anderen Maschinenteile als unendlich gross betrachtet werden.

Die Drehmomentänderungen, die durch die Parameterfluktuation des Reduktionsgetriebes verursacht werden, werden an den Stellen A und B im Ersatzschaltbild nach Fig. 2 auftreten. Resonanz tritt auf, wenn diese Drehmomentänderungen eine Frequenzkomponente aufweisen, welche der Eigenfrequenz fn des Maschinensystems entsprechen:

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IS

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SO

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65

3

660 937

1 /k f„ = — V - ... a)

27t T J

1

Für J = C und K = — nimmt fn folgende Form an:

L

1 / ï

f„ = \ — ... (2)

2it T LC

Fig. 3 zeigt das Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Ein Motor 1 wird über eine Subtraktionseinrichtung 5 und eine Geschwindigkeits-Steuereinrichtung 6 in Abhängigkeit von einem Geschwindigkeits-Steuersignal Vr von einer Geschwindigkeits-Steuereinrichtung 4 gesteuert. Dem Motor 1 sind ein Reduktionsgetriebe 3 sowie eine Last 2 nachgeschaltet.

Erfindungsgemäss und im Unterschied zu bekannten Einrichtungen dieser Art ist ein Schwingungsdetektor 7 vorgesehen, welcher die Schwingungen an der Last 2 aufnimmt. Dem Schwingungsdetektor 7 ist ein Beschleunigungsdetektor 8 nachgeschaltet, welcher aus den Schwingungssignalen die Beschleunigungswerte ableitet und das Ergebnis einer nachgeschalteten Phasensteuerungsschaltanordnung 9 zuführt. Diese erzeugt ein Phasensteuerungssignal, welches über einen Spannungsregler 10 der Subtraktionseinrichtung 5 zugeführt wird. Im Schwingungsdetektor 7 sowie im nachgeschalteten Beschleunigungsdetektor 8, die gemeinsam als Schwingungs-Beschleunigungsdetektor 11 bezeichnet werden, wird ein elektrisches Signal erzeugt, welches proportional den Schwingungsbeschleunigungen im Schwingungsbereich ist.

Dieses Signal wird in ein Korrektursignal umgewandelt, welches später im einzelnen beschrieben wird. Mit Hilfe der Phasenlage des Korrektursignals wird die Schwingungsbewegung im genannten Schwingungsbereich über die Phasensteuerungs-schaltanordnung 9 sowie den Spannungsregler 10 sowie die nachfolgende Subtraktionseinrichtung 5 gedämpft.

Als Schwingungsdetektor 7 eignet sich ein beliebiger Detektor, welcher entweder zur Aufnahme der Vibrationsgeschwindigkeit x oder der Versetzung x an der Last 2 geeignet ist.

Als Beschleunigungsdetèktor 8 kann ein beliebiger Konverter eingesetzt werden, welcher die Eingangssignale in elektrische Signale umwandelt, welche der Beschleunigung der Schwingungen x proportional sind. Für die besagten Zwecke eignet sich ein Differenzierglied gemäss Fig. 4(a), welches aus einem Rechenverstärker 20, einem Widerstand 21 und einem Kondensator 22 besteht. Als Detektor zur Feststellung einer Versetzung x eignet sich als Schwingungsdetektor 7 eine zweistufige Differenzierschaltung gemäss Fig.4(b) mit den Elementen 20a als Rechenverstärker, 21a als Widerstand und 22a als Kondensator in der ersten Stufe und 20b als Rechenverstärker, 21b als Widerstand und 22b als Kondensator in der zweiten Stufe.

Wenn der Schwingungsdetektor 7 selbst die Schwingungsbeschleunigung x bestimmt, ist der Vibrationsbeschleunigungsde-tektor 8 überflüssig.

Die Phasensteuerungsschaltanordnung 9 dient zur Kompensation der Phasencharakteristik des Antriebsmotors 1.

Die Phasensteuerungsschaltanordnung 9 regelt die Phasencharakteristik 0(co) des Ausgangssignals derart, dass gilt:

0(co) = 0(co) + cp(co), ... (3)

Darin bedeuten 0(co) die Phasendifferenz zwischen dem Ausgang des Vibrationsbeschleunigungsdetektors 8 und der Beschleunigung x der Lastschwingung und cp(co) die Phasencharakteristik des Motors, der über die Geschwindigkeitssteuereinrichtung 6 angesteuert wird.

Dies bedeutet, dass die Phase des Korrektursignals, welches der Steuereinrichtung des Motors 1 zugeführt wird, gegenüber demjenigen der Beschleunigung x der Lastvibration invertiert ist, um so die Schwingung zu dämpfen.

Die genannten Phasenbeziehungen sind in Fig. 5 dargestellt. Wird als Schwingungsdetektor 7 ein Beschleunigungsmesser verwendet und treten weder Phasenverzögerungen des Motors 1 bei der Resonanzfrequenz noch ein Signal vom Beschleunigungsmesser auf, sind sowohl die Phasensteuerungsschaltung 9 als auch der Vibrationsbeschleunigungsdetektor 8 — wie sie zuvor beschrieben sind — überflüssig.

Die Phasensteuerung der Phasensteuerungsschaltanordnung 9 tritt nur im Bereich der kritischen Frequenzen (nämlich der Resonanzfrequenz) in Aktion, bei der die Schwingungen im praktischen Gebrauch kritisch werden.

Der Spannungsregler 10, welcher die Verstärkung regelt, dient zur Festlegung der Grösse für das Korrektursignal, welches zur Dämpfung der Schwingung verwendet wird. Es eignen-sich für diesen Zweck ein Rechenverstärker, ein als Spannungsteiler geschaltetes Widerstandsnetzwerk, ein variabler Widerstand oder ein ähnliches Schaltungselement.

Im folgenden wird die Funktion und die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung näher erläutert. Fig. 6(a) zeigt die Funktion der Steuereinrichtung gemäss dem Stand der Technik bei Resonanzfrequenz. Unter der Annahme, dass der Geschwindigkeitsbefehl für den Motor 1 gemäss einem konstanten Verlauf festgesetzt wird, so dass die durch die Parameterfluktuation verursachten Schwingungen innerhalb des Reduktionsgetriebes 3 mit der Eigenfrequenz des Maschinensystems zusammenfallen, tritt eine Resonanz auf und die Last 2 erzeugt starke Vibrationen. Dadurch wird der Verlauf der Geschwindigkeit für den Motor 1 durch den Einfluss der Last 2 zu leichten Schwankungen gezwungen.

Wie in Fig. 6(b) gezeigt, verursacht ein aktives Korrektursignal bei der Resonanzfrequenz eine Dämpfung der Schwingung des Motors 1, und zwar durch Zugabe auf die Geschwindigkeitssteuerung, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 3 erläutert wurde. In diesem Fall wird die Beschleunigung x der Lastschwingung als Korrektursignal aufgeprägt, wobei die Phase dieses Signals derart geregelt wurde, dass sie dem Wechselspannungssteuersignal für die Motorgeschwindigkeit entgegenläuft.

Die Lastschwingung ist in diesem Fall bemerkenswert gering, wie sich aus Vergleich der Fig. 6(a)(III) mit Fig. 6(b)(IlI) ergibt.

Es ist in der Praxis möglich, die Lastschwingungen auf Null herabzusetzen.

Die Einstellung erfolgt am Spannungsregler durch Einstellung der Verstärkung (im Beispiel von Hand). Bei grösserer Verstärkung wird die Schwingung stärker herabgesetzt, aber es kann bei übermässiger Verstärkung ein Weglaufen (Instabilität) auftreten. Es ist daher zweckmässig, die Einstellung so vorzunehmen, dass eine maximale Verstärkung ohne Verlust der Stabilität erreicht wird.

Im folgenden wird das theoretische Prinzip der Erfindung näher erläutert. Zu diesem Zweck zeigt Fig. 7 (A) noch einmal das Ersatzschaltbild gemäss Fig. 2 für die Einrichtung gemäss Fig. 1.

Die Schaltung der Fig. 7 (A) lässt sich durch die folgende Differentialgleichung beschreiben:

/VM dv

( V ) dt = J ... (4)

N dt

Wird der Motor 1 angehalten, beträgt VM = 0 und das entsprechende Ersatzschaltbild auf der Seite der Last ergibt sich aus Fig. 7 (B).

Diese Schaltung stellt ein ungedämpftes Schwingungssystem

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50

55

6(1

65

660 937

4

dar, dessen Übertragungsfunktion in Fig. 7 (C) aufgezeigt ist.

K

Darin bedeutet <a„ = —.

J

Solch ein ungedämpftes Schwingungssystem hält die Schwingung für lange Zeit aufrecht, sobald die Schwingung aus welchen Gründen auch immmer angeregt wurde.

Einerseits ist die Übertragungsfunktion eines gewöhnlichen Schwingungssystems durch folgende Gleichung beschrieben:

OJn2

i r- - (5)'

S2 + 2i;oonS + n2

wobei C0n die Eigenfrequenz des Systems und i, den Dämpfungskoeffizient bezeichnen, sofern ein Dämpfungsterm vorhanden ist. In der Ersatzschaltung gemäss Fig. 7 (B) wird angenom-

C dv men, dass der Betrag von • (die Beschleunigung,

N dt welche einem konstanten Vielfachen der Lastbeschleunigung

Vm entspricht) anstelle des Terms (= 0) tritt, wie dies Fig. 7

N

(D) zeigt.

In diesem Fall ist die Differentialgleichung des Schwingungssystems wie folgt:

/VM C dv dv

( V)dt = J ...(6),

N N dt dt

Vm worin = 0 ist.

N

Die Übertragungsfunktion dieses Ausdruckes ist in Fig. 7

(E) dargestellt. Durch Vergleich dieser Übertragungsfunktion mit der Übertragungsfunktion gemäss Ausdruck (5) ergibt sich:

C'

Dies bedeutet, dass der Dämpfungsterm = durch

C dv 2yKJ~

Anlegen eines Signals - -— • in einer derartigen Ersatz-

N dt

Schaltung auf der senkundären Lastseite gemäss Fig. 7 (D) auftritt.

dv

Dies ist gleichbedeutend einem Signal - C • , welches dt auf der Primärseite (auf der treibenden Motorseite) gemäss Fig. 6 (I) angelegt wird.

Dies bedeutet, dass die Schwingung durch Hinzufügen eines dv

Korrektursignals - C • innerhalb des Regelkreises für die dt dv

Geschwindigkeitssteuerung hinzugefügt wird, wobei auf dt der Lastseite gemessen wird.

Übertragen auf das Ersatzschaltbild bedeutet dies, dass die Schwingung auf der Lastseite mit einer Schaltungsanordnung gemäss Fig. 7 (F) gedämpft werden kann. Damit ist das Grundprinzip beschrieben, welches der Erfindung zugrundeliegt.

In der Praxis besteht jedoch eine Phasenverzögerung innerhalb des Schwingungssystems und es ist daher unmöglich, die dv

Schwingung allein durch Zugabe einer Beschleunigung ( C )

dt bezüglich der Schwingung auf der Lastseite dem Geschwindigkeitsregelkreis aufzuprägen, wie dies oben beschrieben wurde. Vielmehr ist es erforderlich, diese Phasenverzögerung zu kompensieren.

Zur Begrenzung schädlicher Schwingungen ist es notwendig, ein Korrektursignal hinzuzufügen, welches in Gegenphase liegt zur Wechselspannungskomponente des Steuersignals für die Motorgeschwindigkeit, und zwar auf der Antriebsseite des Motors 1.

Da zusätzliche Phasenverzögerungen im Beschleunigungsdetektor und in der Einrichtung für die Geschwindigkeitsregelung des Antriebsmotors auftreten, ist es ausserdem notwendig, auch diese Phasenverzögerungen zu kompensieren. Die Phasensteue-rungsschaltungsanordnung 9 ist so ausgelegt, dass sie alle diese Phasenverzögerungen kompensieren kann.

Es bieten sich drei Verfahren zur Messung der Schwingungen an: eine Methode zur Messung der durch die Schwingung verursachten Versetzung x, eine weitere Methode zur Messung der Geschwindigkeit x der Schwingung und eine Methode zur Messung der Beschleunigung x der Schwingung.

Zur Begrenzung der Schwingung ist es notwendig, eine Beschleunigungskomponente der Schwingung für die Steuerungszwecke zurückzuführen, so dass bei Anwendung der ersten oder der zweiten Methode für die Messung der Versetzung x oder der Geschwindigkeit x der Schwingung diese Werte zweimal oder einmal in Beschleunigungssignale für die Schwingung mit Hilfe der Differentialschaltung umgewandelt werden müssen. Im vorliegenden Fall wird der Vibrationsbeschleunigungsdetektor 8 für diese Aufgabe eingesetzt.

Die beschriebene Methode zur Begrenzung von unerwünschten Schwingungen bei elektrisch betriebenen Maschinen besteht im Aufprägen eines Korrektursignals auf das Geschwindigkeitsregelsystem. Ähnlich wirkungsvoll lässt sich die beschriebene Einrichtung in elektrisch betriebenen Maschinen mit einer Wegsteuerung einsetzen (gewöhnlich mit einem Servosystem). Es lässt sich in diesem Fall das gleiche Verfahren auf den Kreis für die Geschwindigkeitsregelung für die Wegsteuerung anwenden.

Auf der Lastseite einer elektrisch betriebenen Maschine tritt eine Vibration mit einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten auf. Die Erfindung bezieht sich auf die Beherrschung der bemerkenswertesten Frequenzkomponenten, so dass der Schwingungsdetektor zur Erfassung dieser Frequenzkomponenten eingesetzt wird. Es kann aber auch ein breitbandiger Schwingungsdetektor verwendet werden, dem ein Bandpassfilter mit Hochoder Tiefpasseigenschaften zugeschaltet wird, so dass nur die oben erwähnten Frequenzkomponenten durchgelassen werden.

Bei Verwendung von elektrisch betriebenen Maschinen für bestimmte Aufgaben kann in Einzelfällen die Schwingung der Last bemerkenswert sein. In einem solchen Fall empfiehlt es sich, an elektrisch betriebenen Maschinen, welche mehreren Zwecken dienen, Schaltmittel vorzusehen, mit deren Hilfe die beschriebene Einrichtung dann eingeschaltet wird, wenn für den gewählten Betriebszweck eine Korrektur der auftretenden Schwingungen erwünscht ist.

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V

2 Blätter Zeichnungen

Claims (5)

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1. Einrichtung zur Steuerung einer von einem elektrischen Motor angetriebenen, mit mechanischen Schwingungen behafteten Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vibrations-Be-schleunigungsdetektor (8) zur Ableitung eines elektrischen Beschleunigungssignals vorgesehen ist, welches der Beschleunigung der Schwingungen am betroffenen Maschinenteil proportional ist, dass eine Phasensteuerungs-Schaltungsanordnung (9) und ein Spannungsregler (10) zur Umwandlung des gewonnenen Beschleunigungssignals in ein Korrektursignal zur Phasenkorrektur vorgesehen sind und dass Aufschaltmittel (5) zur Aufschaltung des Korrektursignals auf eine Steuereinrichtung (6) des Antriebsmotors (1) vorgesehen sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor (1) eine Geschwindigkeits-Steuereinrichtung (6) vorgeschaltet ist, welchem das Korrektursignal zugeführt ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionssteuereinrichtung vorgesehen ist, welcher das Korrektursignal zugeführt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrations-Beschleunigungsdetektor (8) zur Erfassung eines Schwingungssignals einer bestimmten Frequenz und zur Ableitung eines dazu proportionalen elektrischen Signals ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Leitungszug für das Korrektursignal ein Auswahlschalter vorgesehen ist.