CN104271479B - 具有要被驱动的轴的设备和运行该设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有要被驱动的轴的设备和运行该设备的方法，其中，至少一第一减速电机和一第二减速电机驱动所述轴，其中，通过拉力引起的转矩作用于轴上，其中该拉力由一装置产生，其中，由第一减速电机产生的转矩与通过拉力引起的转矩反作用，而由第二减速电机产生的转矩在通过拉力引起的转矩方向上起作用。

Description

具有要被驱动的轴的设备和运行该设备的方法
技术领域
本发明涉及一种具有要被驱动的轴的设备和运行该设备的方法。
背景技术
通常已知，在设备中驱动装置驱动一轴。
发明内容
因此本发明的目的在于，改进具有要被驱动的轴的设备，其中所述驱动应可改善。
按照本发明，这个目的在具有要被驱动的轴的设备方面通过一种具有要被驱动的轴的设备得以实现，其中，至少一第一减速电机和一第二减速电机驱动所述轴，其中，由拉力引起的转矩作用于轴上，其中，该拉力由一装置产生，由第一减速电机产生的转矩逆着由拉力引起的转矩起作用，而由第二减速电机产生的转矩沿着通过拉力引起的转矩的方向起作用,其中，由第二减速电机产生的且导引到轴上的转矩在数值上基本等于当第一减速电机未通电时由第一减速电机的减速器产生的转矩值，和/或第二减速电机产生一被调整到转矩理论值的转矩，该转矩理论值基于测得的卷绕辊和/或轴的转速按照特征曲线确定，对为第二减速电机供电的变流器的调节器输入一理论值，该理论值对应于在第一减速电机未通电时由第一减速电机的减速器产生的转矩；而在方法方面按照一种用于运行根据本发明的设备的方法得以实现，其中，确定卷绕辊半径，确定拉力，其中，确定所述卷绕辊的转速，其中，确定测得的拉力与给定的拉力理论值之间的调节偏差，利用所确定的半径换算成转矩值，将由第一减速电机产生的转矩调节到该转矩值，第二减速电机产生一转矩，将该转矩调节到转矩理论值，该转矩理论值基于所测得的卷绕辊和/或轴的转速按照特征曲线来确定。
在所述设备方面本发明的重要特征是，所述设备具有要被驱动的轴，其中，至少一第一减速电机和至少一第二减速电机驱动所述轴，由拉力引起的转矩作用在轴上，所述拉力由一装置产生，其中，由第一减速电机产生的转矩与由拉力引起的转矩作用相反，而由第二减速电机产生的转矩在由拉力引起的转矩的方向上起作用。
在此优点是，驱动所述轴的装置、即两个减速电机的可调转矩可以实现大的调整范围、即更宽的范围。因此利用第二减速电机也可以补偿第一减速电机在未通电时产生的转矩。通过这种方式使调整范围可以扩大到几乎为零。
在一有利的扩展结构中，所述第一减速电机的输出轴和第二减速电机的输出轴与所述轴抗转动地/以不能相对转动的方式相连接，尤其其中，这两个输出轴分别设计成空心轴并且分别套到所述轴上。在此优点是，这两个输出轴可前后依次地、即在轴线方向上设置在实心轴上。
在一有利的扩展结构中，所述第一减速电机和第二减速电机分别具有一可由电机以电动机方式或发电机方式驱动的减速器，其中，每个电机分别由相应的变流器供电。在此优点是，尽管减速器在未通电时产生由于轴承损失、减速器油路损失和其它尤其是啮合部的摩擦损失而引起的转矩，但是第二减速电机能够补偿这个转矩。此外第二减速电机也能够补偿第一减速电机的与转速有关的自锁/自行制动(Eigenhemmung)。
在一有利的扩展结构中，利用第一减速电机可以产生比利用第二减速电机大至少四倍或至少十倍的转矩，和/或基本上第一减速电机定义可由各减速电机产生的、可导入到轴里面的转矩的调整上限。在此优点是，第二减速电机仅须具有小的结构尺寸并因此是成本有利的。尽管两个减速电机设置在轴上，但是仅第一减速电机用于产生真正的驱动转矩。第二减速电机只用于补偿第一减速电机的减速器的损失转矩。
在一有利的扩展结构中，由第二减速电机产生的且导引到轴上的转矩在数值上基本等于当第一减速电机未通电时由第一减速电机的减速器产生的转矩值。在此优点是，对于主要的驱动转矩只需第一减速电机而第二减速电机只需用于补偿。
在一有利的扩展结构中，在设备中设置有用于确定拉力的传感器，其中所测得的拉力实际值被输送到为第一减速电机供电的变流器的调节器。在此优点是，第二减速电机可以作为卸载机器来运行。在此由第二减速电机调节到按照特征曲线M(n)确定的转矩值，其与实际转速相对应。第一减速电机被调节到理论拉力/期望拉力。
在一有利的扩展结构中，为第一减速电机供电的变流器的调节器被输入拉力的理论值/期望值。在此优点是，可以调节到拉力的理论值。
在一有利的扩展结构中，为第二减速电机供电的变流器的调节器被输入转速值，由该转速值按照特征曲线确定要达到的转矩理论值。在此，特征曲线描述第一驱动装置的与转速有关的自锁或者过补偿该自锁。在此优点是，补偿或过补偿第一减速电机的减速器的损失并由此可以达到驱动装置的扩大的调整范围。
在用于运行设备的方法方面的重要特征是，确定卷绕辊半径并确定拉力，其中，确定所述卷绕辊的转速，其中，确定所测得的拉力与预先给定的拉力理论值之间的调节偏差，并利用所确定的半径换算成转矩值，将由第一减速电机产生的转矩调节成该转矩值，第二减速电机产生一转矩，该转矩被调节到转矩理论值，该转矩理论值作为测得的卷绕辊和/或轴的转速的函数按照特征曲线来确定，尤其其中，该特征曲线描述或者过补偿地描述第一减速电机的减速器的与转速有关的自锁。
在此优点是，第二驱动装置可以补偿或过补偿第一驱动装置的自锁。因此扩大了第一驱动装置的调整范围并且改善了调节特性。因此如果第一驱动装置是功率较弱的，则可以实现非常大的调整范围。
如果选择第一驱动装置比第二驱动装置功率更弱，则由于功率更弱的驱动装置的细化的电流分辨率，可以实现在调整范围内部细化的并因此改善的可调节性。但是在此精细的调整范围只由功率更弱的驱动装置确定。
本发明不局限于所记载的特征组合。对于本领域技术人员，尤其从任务的提出和/或通过与现有技术比较提出的任务可以得到本申请所公开的特征的其它有意义的组合可能性。
附图说明
下面借助于附图详细解释本发明：
在图1中示出按照本发明的设备的示意图。
在图2中示出驱动装置、即第一和第二减速电机的变流器的原理图。
在图3中示出通过添加第二减速电机到驱动装置而放大的转矩-调整范围。
在图4中以斜视图示出按照本发明的设备的示意图，其中未示出用于确定拉力F的传感器辊。
在图5中示出了与转速有关的自锁、即与转速有关的转矩M(n)。
具体实施方式
如图1所示，在轴1上抗转动地连接有卷绕辊2，在该卷绕辊上可以卷上卷绕物、例如纸或材料/织物。
在此卷绕物通过力F、即力的实际值退卷，其中，一未示出的装置产生这个拉力F。
利用转向辊可以设有传感器S，该传感器检测拉力F的实际值F_ist。
为了将拉力调节到理论值F_Soll，使轴1与第一减速电机连接，其中该减速电机与拉力F作用相反。为此该减速电机产生转矩M，其位于最大值与最小值之间。转矩M的最大值M_max通过减速电机的结构尺寸和构造来确定。转矩M的最小值M_min是在电机未通电时产生的那个值。此时减速器由卷绕辊2驱动，并且电机只利用其惯性矩起作用，如果未通过第二减速电机产生过补偿的话。
作用于卷绕辊上的转矩M与卷绕辊2的半径、即直径的一半有关。在此满足M＝F×R。
按照本发明，卷绕辊2的轴1(也如图4所示)不仅与第一减速电机41的输出轴而且与第二减速电机42的输出轴相连接。因此两个由减速电机(41，42)产生的转矩作用于卷绕辊2的轴1上。
通过这种方式能够，使第二减速电机42反作用于在第一减速电机41未通电时由第一减速电机的减速器产生的转矩M_min、即第一减速电机41的自锁。因此第二减速电机42以由该第二减速电机产生的转矩增加地作用于拉力。由第一减速电机41产生的转矩降低地作用于拉力F，这是因为由第一减速电机产生的转矩与该拉力作用相反。力F由未示出的装置引起。由第二减速电机42产生的转矩增加地作用于轴、尤其是拉力F，这是因为第二减速电机产生的转矩在由未示出的装置产生的力方向的方向上起作用。由两个减速电机(41，42)产生的力和由未示出的装置产生的力的总和在静止运行中为零。
第二减速电机42的结构尺寸设计得比第一减速电机的结构尺寸小，因为第二减速电机只需施加第一减速电机的转矩值M_min。因此整个驱动装置的调整范围由第一减速电机41的变流器经历。第二减速电机42只补偿自锁。
通过这种方式利用第二减速电机可以扩大第一减速电机41的调整范围，该调整范围原本只在M_min与M_max之间存在。此时作为调整下限甚至几乎能够实现消失的转矩。
作为电机优选使用同步电机或异步电机，作为减速器使用具有正齿轮传动级的、具有行星齿轮传动级的或者具有非自锁的角传动级的减速器。
如图2所示，由传感器确定的拉力实际值F_ist被输送到第一减速电机41的变流器21，该变流器具有调节器，这个实际值F_ist被输入该调节器。此外理论值F_Soll也被输入该调节器，该理论值对应于所期望的拉力值。调节偏差被输送到线性调节器并且利用与由传感器测得的或者通过其它方法确定的卷绕辊2半径相乘换算成转矩值M1_soll，第一变流器21调节到该转矩值。
给第二减速电机42供电的变流器22获得轴转速的实际值n_ist，并且按照特征曲线M(n)确定转矩理论值M2_Soll，因此转矩理论值是转速n的函数。特征曲线M(n)描述第一减速电机的减速器的与转速有关的自锁。在此该自锁由油路损失、轴承滚动体的滚动摩擦和摩擦损失、尤其是处于啮合的啮合部的摩擦损失引起。
第一变流器21给第一减速电机41的电机供电，第二变流器22给第二减速电机42的电机供电。
第一变流器21的调节器得到应存在于卷绕辊2上的拉力理论值F_Soll作为理论值。由调节偏差、即实际值F_ist与理论值F_Soll的偏差确定调整值，其中调节器在最简单的情况下是线性调节器、例如PID调节器。但是另选地也可以使用简单的比例调节器或者PI调节器。如图2所示，调整值是一转矩值，该转矩值利用上述的与卷绕辊2半径的乘积由用第一变流器21供电的具有减速器的电机产生。在此调整范围位于M_min与M_max之间。
第二变流器22的调节器得到在轴上测得的转速作为实际值，由该转速利用与转速有关的自锁特性曲线M(n)形成转矩理论值M2_Soll，第二减速电机的转矩调节到该转矩理论值。因此第二减速电机42补偿第一减速电机41的自锁。
因此达到应存在于卷绕辊2上的拉力理论值F_Soll。
依赖于卷绕辊2的半径R，转矩M对应于拉力F＝M×R。
优选由各驱动装置可产生的最大转矩M_max和由各驱动装置可产生的最小转矩M_min。
由各减速电机可产生的转矩调整下限M0接近零，这是因为第二减速电机补偿自锁、即由第一减速电机的减速器在第一减速电机未通电时产生的转矩，其中转速通过轴1给定并且自锁相应地取决于转速。
如在图4中所示的那样，由第一减速电机41将转矩M1导入到轴1里面并且由第二减速电机42将转矩M2导入到轴1里面。由减速电机产生的抵抗拉力的反力F利用箭头表示并且作用于卷绕辊2的半径R上。
图5示出与转速有关的自锁、即与转速有关的转矩M(n)，该转矩在第一减速电机未通电时产生并且作为特征曲线M(n)至少由第二减速电机给定以进行补偿。但是也可以实现过补偿。在过补偿时有利的是，无需给定复杂的与转速有关的变化曲线作为特征曲线，而是给出较简单的变化曲线、例如恒定的变化曲线。通过补偿或过补偿，仅仅范围52作为整个驱动装置(其包括第一和第二减速电机)的调整范围；即范围53不作为调整范围，因为该范围被补偿了。
在按照本发明的其它实施例中，所述设备是退卷器或卷绕器。两个减速电机的调整范围、即(R_max×F_max)/(R_min×F_min)利用本发明大于30，其中R_max是卷绕辊的最大半径，R_min是卷绕辊的最小半径，F_max是所出现的最大拉力，F_min是所出现的最小拉力。
在按照本发明的其它实施例中，使两个变流器的调节器交换，由此功率更强的第一减速电机的变流器被输入实际转速n_ist，按照特性曲线M(n)确定转矩理论值M_Soll，并利用该减速电机导引到轴上。第二减速电机的变流器的调节器得到实际力F_ist并且被输入所确定的或测得的卷绕辊2半径，由此由与理论力/期望力F_Soll的比较获得调整值，并由此这样运行第二调节器，使得实际力被调节到理论力上。
在按照本发明的其它实施例中，卷绕辊半径不通过传感器直接检测，而是借助所测得的卷绕物的退卷速度或卷绕速度和所测得的轴转速通过形成速度的商来确定。
在按照本发明的其它实施例中，在轴与卷绕辊之间设置一传动装置，由此使转速相差一系数。
在按照本发明的其它实施例中，变流器的调节器不是设置在变流器(21，22)里面，而是设置在上置的控制器里面，该控制器利用数据总线与变流器(21，22)连接。
在按照本发明的其它实施例中，在之前所述的方法步骤中、例如在初次启动时，确定两个减速电机中的一个减速电机的自锁特性曲线，其方式是：使这个减速电机未通电地在多个转速下运行，优选在断耦联的或空的卷绕辊的情况下使这个减速电机未通电地在多个转速下运行，并且确定在另一减速电机上产生的、用于克服之前那个减速电机的自锁的转矩。为了克服测量误差和/或实现过补偿，将安全系数添加到在每个转速下确定的转矩上，并且将这样获得的转速-转矩值对作为离散描绘的特性曲线储存。中间值可以通过插值、尤其线性插值方便地确定。
附图标记列表：
1 轴
2 卷绕辊
41 第一减速电机
42 第二减速电机
S 传感器
F 拉力，它对于卷绕辊的退卷起作用
F_Soll 拉力的理论值
F_ist 拉力的实际值
F_Soll,Offset 未通电的第一减速电机的偏移值
R 卷绕辊的半径，取决于已卷绕的量
M 转矩
M1 由第一减速电机产生的转矩
M2 由第二减速电机产生的转矩
M_max 由驱动装置可产生的转矩的最大值
M_min 由第一减速电机可产生的转矩的最小值
M0 由减速电机可产生的下转矩调整下限

Claims (18)

1.一种具有要被驱动的轴的设备，其中，至少一第一减速电机和一第二减速电机驱动所述轴，其中，由拉力引起的转矩作用于轴上，其中，该拉力由一装置产生，其特征在于，由第一减速电机产生的转矩逆着由拉力引起的转矩起作用，而由第二减速电机产生的转矩沿着通过拉力引起的转矩的方向起作用,其中，由第二减速电机产生的且导引到轴上的转矩在数值上基本等于当第一减速电机未通电时由第一减速电机的减速器产生的转矩值，和/或第二减速电机产生一被调整到转矩理论值的转矩，该转矩理论值基于测得的卷绕辊和/或轴的转速按照特征曲线确定，对为第二减速电机供电的变流器的调节器输入一理论值，该理论值对应于在第一减速电机未通电时由第一减速电机的减速器产生的转矩。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，第一减速电机的输出轴和第二减速电机的输出轴与所述轴抗转动地相连接。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，第一减速电机和第二减速电机分别具有一减速器，其中，每个电机分别由一相应的变流器供电。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，利用第一减速电机产生的转矩能够比利用第二减速电机产生的转矩大至少四倍或至少十倍，和/或基本上第一减速电机定义能由这两个减速电机产生的、导入到轴里面的转矩的调整上限。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设有用于检测卷绕辊半径的传感器，或者由测得的轴转速和测得的卷绕辊的周向速度或者由退卷或卷上的卷绕物的速度来确定卷绕辊半径。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，在所述设备中设置有用于确定拉力的传感器，其中，测得的拉力实际值被输送给为第一减速电机供电的变流器的调节器。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，拉力的理论值被输送给为第一减速电机供电的变流器的调节器，其中，通过与卷绕辊半径相乘将调节偏差换算成转矩值M1_Soll，由第一减速电机产生的转矩被调节到这个转矩值。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，第二减速电机产生这样的转矩，使得克服第一减速电机的自锁。
9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，用于第一变流器的调节器与用于第二变流器的调节器相互交换。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备是退卷机或卷绕机，和/或在所述轴上设置有卷绕辊。
11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，两个减速电机的调整范围、即(R_max×F_max)/(R_min×F_min)大于30，其中R_max是卷绕辊的最大半径，R_min是卷绕辊的最小半径，F_max是所出现的最大拉力，F_min是所出现的最小拉力。
12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述特征曲线描述或者过补偿地描述第一减速电机的减速器的与所述卷绕辊和/或轴的转速有关的自锁。
13.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，两个输出轴分别构造成空心轴并分别套装到所述轴上。
14.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，第二减速电机产生的转矩与由第一减速电机产生的转矩相反作用。
15.一种用于运行根据上述权利要求中任一项所述设备的方法，其特征在于，
确定卷绕辊半径，确定拉力，其中，确定所述卷绕辊的转速，
其中，确定测得的拉力与给定的拉力理论值之间的调节偏差，利用所确定的半径换算成转矩值，将由第一减速电机产生的转矩调节到该转矩值，第二减速电机产生一转矩，将该转矩调节到转矩理论值，该转矩理论值基于所测得的卷绕辊和/或轴的转速按照特征曲线来确定。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在事先进行的方法步骤中确定所述特征曲线，其方式为：使第一减速电机未通电地运行，并确定在第二减速电机上出现的、用于克服第一减速电机自锁的转矩。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述特征曲线描述或者过补偿地描述第一减速电机的减速器的与卷绕辊和/或轴的转速有关的自锁。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，为了由所测得的值确定特征曲线考虑安全系数。
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