DD278925A3 - METHOD FOR DETERMINING THE MEASUREMENT OF THE MASSENTIALITY TOMORROW OF ROTATING MEASURES IN AND / OR ELECTROMOTICALLY DRIVEN DEVICES, ESPECIALLY TOOLING MACHINES AND DGL. - Google Patents
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- DD278925A3 DD278925A3 DD30822387A DD30822387A DD278925A3 DD 278925 A3 DD278925 A3 DD 278925A3 DD 30822387 A DD30822387 A DD 30822387A DD 30822387 A DD30822387 A DD 30822387A DD 278925 A3 DD278925 A3 DD 278925A3
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zum Bestimmen des Massentraegheitsmomentes rotierender Teile an Vorrichtungen, die mittels Elektromotor angetrieben werden. Das Verfahren ist bevorzugt bei Werkzeugmaschinen sowie Reibschweissmaschinen einsetzbar und erfordert zu seiner Durchfuehrung im einfachsten Fall nur ein Drehzahlmessgeraet, eine Zeitmesseinrichtung sowie ein Wattmeter. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Messung des aufgepraegten Drehmomentes sowie des reibungsbedingten Eigenbremsmomentes der rotierenden Teile, die zur Bestimmung des Traegheitsmomentes aus Anlauf- bzw. Auslaufversuchen notwendig ist, dadurch zu vereinfachen, dass diese beiden Momente aus den elektrischen Betriebsparametern des Antriebsmotors ermittelt werden.The invention relates to a measuring method for determining the mass moment of inertia of rotating parts on devices which are driven by means of an electric motor. The method is preferably used in machine tools and friction welding machines and requires for its implementation in the simplest case only a Drehzahlmessgeraet, a time measuring device and a Wattmeter. The basic idea of the invention is to simplify the measurement of the applied torque as well as the friction-related self-braking torque of the rotating parts, which is necessary for determining the moment of inertia from start-up and run-out tests, by determining these two moments from the electrical operating parameters of the drive motor ,
Description
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestimmung des Massenträgheitsmomentes (ι.ichfolgend Trägheitsmoment genannt) rotierender Massen. Unter rotierenden Massen sollen hier insbesondere kompakte cestkörper sowie sich wie rotierende Festkörper verhaltende Partikelensembles, pasiöse Produkte, hochviskose Fluide u.>d andere Produkte verstanden werden, denen mit geeigneten Mitteln Formstabilität verliehen wird. Das Meßverfahren ist bevorzugt zur Bestimmung des Trägheitsmomentes rotierender Teile in oder an Werkzeugmaschinen, Verarbeitungsmaschinen, Industrierobotern und dgl. geeignet. Ein besonders bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung ist die Messung des Trägheitsmomentes von Reibschweißteilen, die im rotierenden Spannfutter von Reibschweißmaschinen eingespannt sind. Speziell beim Reibschweißen ermöglicht das Meßverfahren eine bessere Prozeßsteuerung sowie eine geringere Reproduzierunsicherheit der Phasenwinkellaye zwischen den verschweißten Teilen.The invention relates to a measuring method for determining the mass moment of inertia (called inertia moment) of rotating masses. Under rotating masses particularly compact c estkörper as well as rotating solid particles behaving ensembles pasiöse products, high-viscosity fluids u> d other products are to be understood here., Which is awarded by appropriate means dimensional stability. The measuring method is preferably suitable for determining the moment of inertia of rotating parts in or on machine tools, processing machines, industrial robots and the like. A particularly preferred field of application of the invention is the measurement of the moment of inertia of friction welding parts which are clamped in the rotating chuck of friction welding machines. Especially in friction welding, the measuring method allows better process control and a lower Reproduzierunsicherheit the Phasenwinkellaye between the welded parts.
Das Trägheitsmoment rotierender Teile ist eine physikalische Größe, deren exakte Kenntnis in vielen Zweigen der Technik eine notwendige Voraussetzung für die Untersuchung, Berechnung oder Beeinflussung des dynamischen Verhaltens von Maschinen und Baugruppen ist.The moment of inertia of rotating parts is a physical quantity whose exact knowledge in many branches of technology is a necessary prerequisite for the investigation, calculation or influencing of the dynamic behavior of machines and assemblies.
Aus dem umfangreichen Gebiet des Maschinenbaus sei hierbei insbesondere auf die Probleme bei der dynamisch optimierten Steuerung von CNC-Werkzeugmaschinen, Industrierobotern oder Reibschweißmaschinen hingewiesen, die bei der Bearbeitung von Werkstücken mit häufig wechselnder Geometrie und damit wechselndem Trägheitsmoment auftreten.From the extensive field of mechanical engineering, the problems in the dynamically optimized control of CNC machine tools, industrial robots or friction welding machines, which occur during the machining of workpieces with frequently changing geometry and thus changing moment of inertia, are particularly pointed out.
Anhand der bei der Steuerung von Reibschweißmaschinen erlangten Kenntnisse sollen diese Probleme nachfolgend charakterisiert werden, um damit zugleich das Bedürfnis nach einem Meßverfahren für Trägheitsmomente zu dokumentieren, das in die von der Maschine realisierte technologische Operation integrierbar ist.Based on the knowledge gained in the control of friction welding machines, these problems will be subsequently characterized in order to document at the same time the need for a measuring method for moments of inertia, which can be integrated into the technological operation realized by the machine.
Es ist bekannt, daß das vom Werkstoff, der Schweißteilgeometrie, der Stoßflächenbeschaffenheit, dem Reibdruck und der Reibgeschwindigkeit abhängige Reibmoment einen für den Reibschweißprozeß charakteristischen zeitlichen Verlauf hat und daß es sehr empfindlich auf die Änderung der genannten Größen reagiert. Die aus dem zeitlichen Verlauf des Reibmomentes abgeleiteten Größen für eine Prozeßsteuerung sind in der Patentschrift DD-PS 236038 fixiert.It is known that the frictional torque dependent on the material, the geometry of the welding part, the impact surface, the friction pressure and the friction speed has a characteristic course of time for the friction welding process and that it reacts very sensitively to the change in the variables mentioned. The derived from the timing of the friction torque sizes for process control are fixed in the patent DD-PS 236038.
Eine qualitätsgerechte Reibschweißverbindung entsteht nur dann, wenn das maximale Reibmoment Mm deutlich größer als das Reibmoment MR3 kurz vor dem Abbremsen ist. Für das Reibschweißen von Stahl wurde gefunden.A quality-compliant Reibschweißverbindung arises only if the maximum friction torque Mm is significantly greater than the friction torque M R3 shortly before braking. For the friction welding of steel was found.
M.,3M., 3
Die Stoßflächenaktivierung ist abgeschlossen, wenn die BedingungThe interface activation is completed when the condition
• = const (4)• = const (4)
erfüllt ist. Die Bedingungen (3) und (4) definieren Führungsgrößen für eine Prozeßsteuerung beim Reibschweißen, die sich im Gegensatz zu den bisher als Führungsgrößen verwendeten Sollwertvorgaben der Reibzeit, der Schweißteilverkürzung und des Reibmomentes unabhängig vom Werkstoff, der Stoßflächengeometrie, dem Reibdruck und der Reibgeschwindigkeit einstellen.is satisfied. The conditions (3) and (4) define reference variables for a process control in friction welding, which, in contrast to the setpoint specifications of the friction time, the weld part shortening and the friction torque used hitherto as guide variables, irrespective of the material, the abutment geometry, the friction pressure and the friction speed.
Die Anwendung der Gleichungen (3) und (4) für die Prozeßsteuerung erfordert eine robuste und ausreichend genaue Reibmomentmessung.The application of equations (3) and (4) for process control requires a robust and sufficiently accurate friction torque measurement.
Aus der Zeitschrift „Schweißen und Schneiden", 27 (1968) 5, S. 189 bis 198, ist eine Vorrichtung zur Axialkraft- und Drehmomentmessung auf der Grundlage von Dehnmeßstreifen bekannt, die zugleich das nicht rotierende Spannfutter darstellt.From the magazine "welding and cutting", 27 (1968) 5, p 189-198, a device for Axialkraft- and torque measurement on the basis of strain gauges is known, which also represents the non-rotating chuck.
Zur Übertragung des Reibmomentes auf den Torsionsstab der Vorrichtung weisen die Schweißteile zwei angefräste Flächen und somit einen Zapfen auf. Die Übertragung der Axialkraft auf den ebenfalls mit Dehnmeßstreifen bestückten Druckstab der Vorrichtung erfolgte durch ein überdimensioniertes Axialkugellager. Die beschriebene Axialkraft-Reibmoment-Meßvorrichtung ist für Produktionsmaschinen ungeeignet. Bei der in der Patentschrift DE-PS1911043 beschriebenen Reibschweißmaschine wird die auf die beiden Schweißteile wirkende Axialkraft erhöht, wenn das Reibmorr.ent deutlich ansteigt. Von diesem bekannten Fakt ausgehend, werden in der DE-PS 1911043 zwei alternative Verfahren und zugehörige Einrichtungen zur Bestimmung des Reibmomentes als einer Größe dargestellt, die für eine Steuerung des Prozeßablaufes benötigt wird.To transmit the frictional torque to the torsion bar of the device, the weld parts have two milled surfaces and thus a pin. The transmission of the axial force on the likewise equipped with strain gauges pressure rod of the device was carried out by an oversized axial ball bearing. The described axial force friction torque measuring device is unsuitable for production machines. In the friction welding machine described in the patent DE-PS1911043, the axial force acting on the two welding parts is increased when the Reibmorr.ent increases significantly. Based on this known fact, in DE-PS 1911043 two alternative methods and associated means for determining the friction torque are shown as a size that is needed for controlling the process flow.
Das 1 .Verfahren besteht in der direkten Messung des Reibmomentes durch Messung des am drehfesten Werkstück angreifenden Drehmomentes mittels üblicher Drehmomentmeßverfahren, ζ. Β. mittels Dehnmeßstreifen.The 1st method consists in the direct measurement of the frictional torque by measuring the torque acting on the non-rotatable workpiece by means of conventional torque measuring methods, ζ. Β. by means of strain gauges.
Das 2. Verfahren besteht in einer indirekten Messung des Peibmomentes und basiert auf der Messung des Motc rdrehmomentes.The second method consists in an indirect measurement of the Peibmomentes and is based on the measurement of Motc rdrehmomentes.
Um hierbei richtige Werte des Reibmomentes zu erhalten, muß auch das Moment berücksichtigt werden, das durch das Trägheitsmoment der kinematischen Kette verursacht wird, die den Antrieb des rotierenden Werkstückes übei nimmt.In order to obtain correct values of the frictional torque, the moment must be taken into account, which is caused by the moment of inertia of the kinematic chain, which takes the drive of the rotating workpiece übei.
Gemäß der DE-PS1911043 besteht eine zur indirekten Messung des Reibmomentes geeignete Vorrichtung aus einem Meßfühler zum Messen des Reaktionsmomentes des Antriebsmotors, einer Einrichtung zum Messen des Momentes, das durch das Trägheitsmoment der kinematischen Ketter erzeugt wird, die das rotierende Werkstück antreibt, und einer Einrichtung, die diese beiden Meßwerte zu einem Wert kombiniert, der proportional dem Reibmoment ist.According to DE-PS1911043 a device suitable for the indirect measurement of the frictional torque consists of a sensor for measuring the reaction torque of the drive motor, means for measuring the torque generated by the moment of inertia of the kinematic chain which drives the rotating workpiece, and a device which combines these two measured values into a value which is proportional to the friction torque.
Zur Drehmomentüberwachung eines Antriebsmotors ist es auch bekannt, aus Strom, Spannung und Drehzahl des Motors über einen Rechner das jeweilige Drehmoment zu ermitteln (DE-PS 3029962). Eine weitere Vereinfachung ergibt sich dadurch, daß ein Motor benutzt wird, dessen Strombedarf proportional zu dem von ihm gelieferten Antriebsmoment verläuft (DE-PS 1911043).For torque monitoring of a drive motor, it is also known from current, voltage and speed of the engine via a computer to determine the respective torque (DE-PS 3029962). A further simplification results from the fact that a motor is used, the power consumption is proportional to the drive torque supplied by him (DE-PS 1911043).
Das Verfahren zur indirekten Reibmrmentmessung setzt jedoch die Kenntnis des Trägheitsmomentes I der kinematischen Kette voraus, die insbesondere aus Getriebe, Kupplung und Spannfutter der Reibschweißmaschine sowie dem rotierenden Werkstück und gegebenenfalls einem Schwungrad besteht.However, the method for indirect Reibmrmentmessung requires the knowledge of the moment of inertia I of the kinematic chain, which consists in particular of gear, clutch and chuck of the friction welding machine and the rotating workpiece and optionally a flywheel.
Die rechnerische Ermittlung des Trägheitsmomentes der kinematischen Kette oder Teile derselben, die mittels Kupplung lösbar verbunden sind, erweist sich jedoch insbesondere bei komplizierten Getriebegeometrien als aufwendig, so daß eine meßtechnische Ermittlung unumgänglich erscheint.The computational determination of the moment of inertia of the kinematic chain or parts thereof, which are releasably connected by means of a coupling, however, proves to be complicated, in particular in the case of complicated transmission geometries, so that a metrological determination appears unavoidable.
Verfahren zur Messung des Trägheitsmomentes sind in vielen Varianten bekannt. Die Vielzahl von Verf ahrensvarianten ist auf ein· ι relativ geringe Anzahl von Grundverfahren zurückführbar.Methods for measuring the moment of inertia are known in many variants. The multiplicity of variants of the method can be attributed to a relatively small number of basic methods.
Ein für ausgewuchtete Rotationskörper anwendbares Verfahren besteht darin, am betreffenden Körper eine Zusatzmasse exzentrisch anzubringen. Durch Messen der Schwingungsdauer des auf diese Weise in ein physikalisches Pendel verwandelten Körpers läßt sich dessen Trägheitsmoment bestimmen. (A. Gramberg, Technische Messungen bei Maschinenuntersuchungen und zur Betriebskontrolle, 5. Auflage, S.347ff., Springer-Verlag, Berlin 1923)A method applicable to balanced rotating bodies is to eccentrically attach an additional mass to the body in question. By measuring the period of oscillation of the body thus transformed into a physical pendulum, its moment of inertia can be determined. (A. Gramberg, Technical measurements at machine investigations and for the operational control, 5th edition, p.347ff., Springer publishing house, Berlin 1923)
Diese Methode ist jedoch bei den kinematischen Ketten mit mehrstufigen Getrieben zu ungenau, weil wegen der hohen Reibungsverluste nur stark p^dämpfte Schwingungen entstehen und die Meßwerte für die Schwingungsdauer daher relativ unsicher sind.However, this method is too inaccurate in the kinematic chains with multi-stage gearboxes, because due to the high friction losses only strongly dampened vibrations arise and the measured values for the oscillation period are therefore relatively uncertain.
Ausgehend vom dynamischen Grundgesetz M = Ιώ ist es selbstverständlich auch naheliegend, dem rotierenden Teil mit unbekanntem Trägheitsmoment I ein bekanntes Drehmoment M aufzuprägen, die resultierende Winkelbeschleunigung ώ zu messen und das Trägheitsmoment I als Quotient beider Grö!sen zu berechnen. Die resultierende Winkelbeschleunigung wird dabei über einen sogenannten Anlauf· bzw. Auslaufversuch ermittelt (a. a. 0., S. 351 und 354). In neuerer Zeit wurde dieses Verfahren nochmals in der DD-PS 219865 beschrieben. Sein Nachteil besteht jedoch darin, daß die näherungsweise Bildung desStarting from the dynamic constitution M = Ιώ it is of course obvious that the rotating part with an unknown moment of inertia I impose a known torque M, to measure the resulting angular acceleration ώ and sen to calculate the moment of inertia I as the quotient of both G r ö!. The resulting angular acceleration is determined via a so-called start-up or run-out test (aa 0., p. 351 and 354). More recently, this method has been described again in DD-PS 219865. Its disadvantage, however, is that the approximate formation of the
Differentialquotienten ώ = aus den diskreten MeI? /erten für die Winkelgeschwindigkeit ω = ω (t) zu relativDifferential quotient ώ = from the discrete MeI? / for the angular velocity ω = ω (t) relative to
dtdt
ungenauen Ergebnissen für das Trägheitsmoment führt. Außerdem setzt dieses Verfahren die separate Messung des durch Lagerreibung und dgl. erzeugten Eigenbremsmomentes der Maschine voraus. Hierzu sind an sich verschiedene bekannte Verfahren zur Messung von Drehmomenten einsetzbar. Ihr gemeinsamer Nachteil besteht jedoch darin, daß sie mit einem erheblichen meßtechnischen Aufwand verbunden sind und im allgemeinen konstruktive Eingriffe in die betreffende Maschine erfordern.results in inaccurate results for the moment of inertia. In addition, this method requires the separate measurement of the self-braking torque of the machine generated by bearing friction and the like. For this purpose, various known methods for measuring torques can be used per se. Their common disadvantage, however, is that they are associated with considerable metrological effort and generally require constructive interference with the machine in question.
Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung von Trägheitsmomenten, das ebenfalls auf der Untersuchung des Beschleunigungsverhaltens der rotierenden Masse basiert, ist als „Methode des doppelten Auslaufversuches" bekannt (a. a. 0., S. 355). Hierbei wird die Rotationsmasse auf eine bestimmte Drehzahl gebracht und danach in zwei Versuchen mit zwei verschiedenen Bremsmomenten, die sich um einen konstanten Betrag voneinander unterscheiden, antriebslos abgebremst, wobei die Winkelgeschwindigkeit gemessen und daraus die Winkelbeschleunigung errechnet wird. Die Realisierung einer konstanten Differenz zwischen den Bremsmomenten bei den zwei Auslaufversuchen erfordert jedoch den Anbau einer regel- und kalibrierbaren Bremsvorrichtung z. B. am Spannfutter der Werkzeugmaschine und somit einen hohen technischen Aufwand. Für den Fachmann ist es naheliegend, den doppelten Auslaufversuch derart zu modifizieren, daß zwei Auslauiversuche mit dem gleichen jedoch unbekannten Brernsmoment durchgeführt werden; vorzugsweise mit dem reibungsbedingten Eigenbremsmoment der rotierenden Teile. Zwischen beiden Versuchen wird jedoch das Trägheitsmoment der rotierenden Massen um einen bekannten Betrag geändert. Dieses Verfahren ist an sich mit geringem Aufwand durchzuführen, da es hierzu nur erforderlich ist, z. B. in das Spannfutter der Werkzeugmaschine einen Körper mit bekanntem Trägheitsmoment zu spannen. Die Anwendung dieses modifizierten Auslaufversuches scheitert jedoch insbesondere bei größeren Maschinen daran, daß die praktisch erzielbaren Trägheitsmomentänderungen relativ gering sind, so daß die Genauigkeit des Verfahrens vielfach unzureichend ist.Another method for the determination of moments of inertia, which is also based on the investigation of the acceleration behavior of the rotating mass, is known as the "double leak test method" (aa 0., p 355)., The rotational mass is brought to a certain speed and then in two tests with two different braking torques differing by a constant amount, decelerating without drive, the angular velocity being measured and the angular acceleration calculated therefrom However, the realization of a constant difference between the braking torques in the two run-out tests requires the installation of a regular and calibratable braking device, for example, on the chuck of the machine tool and thus a high level of technical complexity It would be obvious to a person skilled in the art to modify the double outrun test in such a way that two Auslauiversuche be performed with the same but unknown Brernsmoment n, preferably with the friction-related self-braking torque of the rotating parts. Between both experiments, however, the moment of inertia of the rotating masses is changed by a known amount. This process is in itself to carry out with little effort, since this is only necessary, for. B. in the chuck of the machine tool to stretch a body with a known moment of inertia. However, the application of this modified leakage test fails, especially in larger machines because the practically achievable moment of inertia changes are relatively small, so that the accuracy of the method is often insufficient.
Neben dem Aufbringen eines bekannten Bremsmomentes beim Aiislaufversuch ist es auch bekannt, ein Trägheitsmoment durch einen „Anlaufversuch" zu bestimmen, indem die rotierende Masse durch Aufprägen eines konstanten antreibenden Drehmomentes beschleunigt wird (F. Kohlrausch, Praktische Physik, Bd. 1, S. 134,20. Auflage, Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1955). Eine nach diesem Prinzip arbeitende Meßvorrichtung besteht aus einer horizontalen Drehscheibe, auf der der zu untersuchende Körper fest eingespannt ist (a. a. O., S. 134). Die Drehscheibe wird durch die Gewichtskraft einer Masse m + mR angetrieben, die über einen mittels einer Rolle umgelenkten Schnurlauf am Radius r der Drehscheibe angreift. mR ist die Zusatzmasse zur Kompensation der Reibung. Wird die Stracke s von den Massen nach ihrer Auslösung in der Zeit t durchfallen und bezeichnet man für die leere Drehscheibe die entsprechenden Größen bei gleichbleibender Fallstrecke mit mo, nriRo und t0, so ist das Trägheitsmoment des auf die Drehscheibe gelegten KörpersIn addition to the application of a known braking torque in Aiislaufversuch it is also known to determine a moment of inertia by a "starting attempt" by the rotating mass is accelerated by imposition of a constant driving torque (F. Kohlrausch, Practical Physics, Vol. 1, p , 20th edition, Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1955) A measuring device operating according to this principle consists of a horizontal turntable on which the body to be examined is firmly clamped (loc. Cit., P. 134) Mass m + m R driven, which acts via a roller-deflected line run at the radius r of the turntable mR is the additional mass to compensate for the friction If the road s from the masses after their release in the time t fall through and denoted by the empty turntable the corresponding sizes at the same fall distance with m o , nriRo and t 0 , so is the Trä moment of inertia of the body placed on the turntable
Prinzipiell bietet sich eine derartige Vorrichtung auch zur Bestimmung des Trägheitsmomentes der in Werkzeugmaschinen befindlichen kinematischen Ketten zum Beispiel in der Weise an, daß eine solche mit Fallgewichten angetriebene Drehscheibe in das Spannfutter der Maschine eingespannt wird. Wegen der erheblichen Drehmomente, die bei größeren Maschinen zur Überwindung von Getriebe- und Lagerreibungsverlusten aufgebracht werden müssen, erweist sich ein solches Verfahren in der Regel als wenig praktikabel. Im übrigen wäre ein derartiges Verfahren mit erheblichen Umrüstarbeiten der Maschine verbunden.In principle, such a device is also suitable for determining the moment of inertia of the kinematic chains in machine tools, for example in such a way that such a wheel driven by falling weights is clamped in the chuck of the machine. Because of the significant torques that must be applied in larger machines to overcome transmission and bearing friction losses, such a method usually proves to be less practicable. Moreover, such a method would involve considerable retooling of the machine.
Insgesamt zeigt sich, daß ein unter Betriebsbedingungen anwendbares und insbesondere in die von der Maschine zu vollziehende technologische Operation integrierbares Verfahren zur Bestimmung des Trägheitsmomentes rotierender Teile in oder an Werkzeugmaschinen, das insbesondere ohne aufwendige Zusatzeinrichtungen arbt itet, nicht bekannt ist, obwohl spezioll für Reibschweißmaschinen ein Bedürfnis zur Lösung dieses Problems mindestens seit Veröffentlichung der DE-PS 1911043 besteht.Overall, it can be seen that a method which can be used under operating conditions and can be integrated in particular in the technological operation to be carried out by the machine for determining the moment of inertia of rotating parts in or on machine tools, which in particular does not require expensive additional equipment, is not known, although it is particularly suitable for friction welding machines Need to solve this problem at least since the publication of DE-PS 1911043 is.
Das Zibi der Erfinuung besteht in einem Meßverfahren für das Trägheitsmoment rotierender Massen in oder an Vorrichtungen, das mit geringem technischen Auhvand sowie ohne wesentliche Beeinträchtigung der technologischen Operation durchführbar ist, für die die die rotierende Masse enthaltende Vorrichtungen vorgesehen ist.The object of the invention is to provide a method of measuring the moment of inertia of rotating masses in or on devices that can be carried out with little technical effort and without significantly affecting the technological operation for which the rotating mass-containing devices are provided.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur Bestimmung des Trägheitsmomentes, die auf der Untersuchung des Beschleunigungsverhaltens rotierender Massen basieren, so zu modifizieren, daß auf den Einsatz der üblichen aufwendigen Zusatzvorrichtungen zum Aufprägen eines externen bremsenden oder beschleunigenden Drehmomentes definierter Größe bzw. der Messung mittels üblicher Drehmomentmesser (z. B. Torsinnsdynamometer) verzichtet werden kann.The invention has for its object to modify the known methods for determining the moment of inertia, based on the investigation of the acceleration behavior of rotating masses, that on the use of the usual expensive additional devices for impressing an external braking or accelerating torque of defined size or the Measurement by means of conventional torque meter (eg Torsinnsdynamometer) can be omitted.
Die reibungsbedingten Eigenbremsmomente der Vorrichtung besitzen einen erheblichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit des zu entwickelnden Verfahrens. Daher muß auch die Auswirkung dieser Drehmomente auf das Beschleunigungsverhalten der rotierenden Massen mit hoher Genauigkeit erfaßt werden, um die entsprechenden Korrekturgrößen für den Wert des Trägheitsmomentes bestimmen zu können. Auch für die hieraus resultierende Teilaufgabe gilt, daß der Einfluß der Eigenbremsmomente ohne aufwendige separate Untersuchungen mit komplizierten Zusatzvorrichtungen erfaßbar sein muß, insbesondere ohne Einsatz von Drehmomentmeßgeräten. Nach Möglichkeit soll das Trägheitsmoment mit an sich bei Werkzeugmaschinen üblicherweise bereits installierten Meßmitteln bestimmbar sein.The friction-related self-braking moments of the device have a significant influence on the measurement accuracy of the process to be developed. Therefore, the effect of these torques on the acceleration behavior of the rotating masses must be detected with high accuracy in order to determine the corresponding correction values for the value of the moment of inertia. Also applies to the resulting subtask that the influence of the self-braking torque without complex separate investigations with complicated additional devices must be detectable, especially without the use of Drehmomentmeßgeräten. If possible, the moment of inertia should be determinable with measuring devices which are usually already installed in machine tools.
Ein Spezialfall der vorstehenden Aufgabenstellung besteht schließlich darin, die zur Bestimmung des Trägheitsmomentes notwendigen Maßnahmen allein auf die Bestimmung dieses Korrekturfaktorsund die Messung der Winkelgeschwindigkeit der rotierenden Massen in vorbestimmtem Zeitabstand zu reduzieren.Finally, it is a special case of the above problem to reduce the measures necessary for determining the moment of inertia solely to the determination of this correction factor and the measurement of the angular velocity of the rotating masses at a predetermined time interval.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren, bei dem das durch aufgeprägte Drehmomente erzeugte Beschleunigungsverhalten der rotierenden Massen untersucht wird, erfindungsgemäß durch folgende wesentliche Maßnahmen gelöst:This object is achieved according to the invention by the following essential measures in a method in which the acceleration behavior of the rotating masses generated by impressed torques is investigated.
1. Zum Aufprägen eines Drehmomentes Μ(ω) definierter Größe zwecks Erzeugung einer Winkelbeschleunigung ώ = der1. For impressing a torque Μ (ω) of defined size in order to generate an angular acceleration ώ = the
rotierenden Massen wird der Antriebsmotor der Vorrichtung selbst und/oder deren reibungsbedingtes Eigenbremsmoment verwendet. Das mittels des Antriebsmotors aufgeprägte Drehmoment kann dabei insbesondere auch eine negative Winkelbeschleunigung der rotierenden Massen erzeugen, z.B. bei Drehrichtungsumkehr des Motors oder bei dessen Schaltung als Motorbremse.rotating masses of the drive motor of the device itself and / or its friction-induced self-braking torque is used. The torque impressed by means of the drive motor can in particular also produce a negative angular acceleration of the rotating masses, e.g. when reversing the direction of rotation of the motor or when switching it as a motor brake.
2. Die Abgabe von Nutzarbeit durch die Vorrichtung, insbesondere die technologische Operation der Werkzeugmaschine, wird mindestens während der Beschleunigungsdauer At = t2 - ti unterbrochen. Zugleich wird die Winkelgeschwindigkeit ü>i (ti) und (JU2 (t2) der rotierenden Massen gemessen, deren Änderung allein durch das Drehmoment Μ(ω) verursacht wird.2. The delivery of useful work by the device, in particular the technological operation of the machine tool, is interrupted at least during the acceleration period At = t 2 -ti. At the same time, the angular velocity u> i (ti) and (JU2 (t 2 ) of the rotating masses are measured, the change of which is caused solely by the torque Μ (ω).
3. Die Messung des aufgeprägten Drehmomentes erfolgt durch Bestimmung des allein aus den elektrischen3. The measurement of the impressed torque is made by determining the sole of the electrical
t2 t 2
Betriebsparametern des Antriebsmotors für ώ Φ 0 errechenbaren Integralwertes \ M(u>)d<p des Antriebs- bzw. Drehmomentes M (ω des Antriebsmotors, welcher einenOperating parameters of the drive motor for ώ Φ 0 calculable integral value \ M (u>) d <p of the drive or torque M (ω of the drive motor, which a
titi
Wirkungsgrad η aufweist, indem die diesem Integralwert direkt proportionale elektrische Energie WE oder eine davon abgeleitete Größe, z.B. die elektrische Wirkleistung Pw, gemessen wird, die dem Antriebsmotor während der Beschleunigungsdauer At = t2 - ti zugeführt oder von ihm als Generator abgegeben wird.Efficiency η by the this integral value directly proportional electrical energy W E or a derived derived variable, for example, the electrical active power Pw is measured, which is supplied to the drive motor during the acceleration period At = t 2 - ti or delivered by him as a generator.
4. Die Bestimmung des Korrekturfaktors K„ der den Einfluß reibungsbedingter Eigenbremsmomente der Vorrichtung auf die Messung berücksichtigt, erfolgt allein aus den elektrischen Betriebsparametern des Antriebsmotors für ώ = 0, indem die elektrische Leistungsaufnahme Pstat (ω) des Antriebsmotors oder eine von dieser abgeleitete Größe in dessen durch ώ = 0 gekennzeichneten stationären oder nahezu stationären Zustand im Intervall ω, ...ω2 gemessen wird. Dies kann insbesondere durch eine einmalige Kennwertermittlung vor Durchführung einer technologischen Operation erfolgen.4. The determination of the correction factor K "which takes into account the influence of frictional self-braking torque of the device on the measurement, takes place solely from the electrical operating parameters of the drive motor for ώ = 0, by the electric power P sta t (ω) of the drive motor or derived from this Size is measured in its stationary or near stationary state characterized by ώ = 0 in the interval ω, ... ω 2 . This can be done in particular by a unique characteristic value determination before carrying out a technological operation.
5. Aus den so ermittelten Kennwerten wird das Trägheitsmoment I der rotierenden Massen nach der Gleichung5. From the characteristics thus determined, the moment of inertia I of the rotating masses becomes the equation
bestimmt.certainly.
Es versteht sich von selbst, daß der Wert für das Trägheitsmoment I, der nach den vorstehenden erfindungsgemäßen VerfahrenIt goes without saying that the value for the moment of inertia I, according to the above inventive method
z. B. an einer aus Werkstück, Spannfutter, Antriebsspindel und Getriebe bestehenden kinematischen Kette ermittelt wurde, die Bedeutung eines effektiven Trägheitsmomentes einer gedachten Ersatzmasse besitzt, die mit der Winkelgeschwindigkeit des Teiles rotiert, dessen Drehzahl in Gleichung (1) eingeht.z. B. was determined on an existing workpiece, chuck, drive spindle and gear kinematic chain, the meaning of an effective moment of inertia of an imaginary equivalent mass has that rotates with the angular velocity of the part, whose speed in equation (1) received.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens besteht darin, daß zu seiner Anwendung keine aufwendigen Zusatzvorrichtungen erforderlich sind, sondern lediglich ein Drehzahlmeßgerät, ein Zeitmesser zur Erfassung der Beschleunigungsdauer At sowie ein Wattmeter bzw. ein Wattstundenzähler zur Bestimmung der elektrischen Energie We bzw.A particular advantage of the measuring method according to the invention is that no elaborate additional devices are required for its application, but only a tachometer, a timer for detecting the acceleration time At and a Wattmeter or a Wattstundenzähler to determine the electrical energy We or
Leistung P„a, (ω). Dabei ist es selbstverständlich möglich, die elektrischen Signale dieser Meßgeräte einer Ausworteschaltung zuzuführen, die insbesondere aus A-D-Wandlern und einem Rechner besteht, der die zur Auswertung von Gleichung (1) notwendigen Rechenoperationen durchführt. Weiterhin kann der Datenspeicher des Rechners insbesondere auch die Werte für Pstat M des Antriebsmotors enthalten, so daß der exakte Wert des Trägheitsmomentes praktisch unmittelbar nach Abschluß der Beschleunigungsdauer zur Verfügung steht.Power P " a , (ω). It is of course possible to supply the electrical signals of these meters of a Auswordeschaltung, which consists in particular of AD converters and a computer which performs the necessary for the evaluation of equation (1) arithmetic operations. Furthermore, the data memory of the computer can in particular also contain the values for Pstat M of the drive motor, so that the exact value of the moment of inertia is available practically immediately after completion of the acceleration duration.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur näherungsweisen Bestimmung des Trägheitsmomentes die elektrische Leistungsaufnahme P5131 (ω) des Antriebsmotors in dessen stationären Zustand bei einer einzigen Winkelbeschleunigung ω3 ermittelt, die im Intervall ü)i ...ω2 liegt. Das Trägheitsmoment wird bei dieser Variante nach der GleichungIn a preferred embodiment of the invention, the approximate determination of the moment of inertia is determined by the electric power consumption P 5131 (ω) of the drive motor in its steady state at a single angular acceleration ω 3 which lies in the interval) i ... ω 2 . The moment of inertia is in this variant according to the equation
bestimmt.certainly.
Der Korrekturfaktor K1 wird hierbei durch das Produkt P513, (ω) At angenähert, was unter der Bedinqung ω, t> /ω2 - ü)i/ ohne wesentliche Verluste an Genauigkeit zulässig ist.The correction factor K 1 is approximated by the product P 513 , (ω) At, which is permissible under the condition ω, t> / ω 2 -μ) i / without significant losses of accuracy.
Das Verfahren kann schließlich noch weiter vereinfacht werden, indem zur Erzeugung der Winkelbeschleunigung ausschließlich das reibungsbedingte Eigenbremsmoment der Vorrichtung verwendet wird und zu diesem Zwetk der Antriebsmotor mindestens während der Beschleunigungsdauer At spannungslos geschaltet wird. Dio Berechnung des Trägheitsmomentes erfolgt auch bei dieser Verfahrensvariante nach Gleichung (1) oder (2), wobei für die Energieaufnahme des Antriebsmotors We = 0 zu setzen ist.Finally, the method can be further simplified by using exclusively the friction-related self-braking torque of the device for generating the angular acceleration and, at least during the acceleration duration Δt, the drive motor is switched to zero-voltage. Dio calculation of the moment of inertia is also in this process variant according to equation (1) or (2), wherein for the energy consumption of the drive motor We = 0 is set.
Der besondere Vorteil dieser Variante besteht darin, daß hiermit bei kurzzeitig ausgeschaltetem Antriebsmotor aus lediglich zwei Drehzahlmessungen im Zeitabstand At und c'.an z. B. im Datenspeicher eines Rechners oder in Nomogrammen erfaßten Werten für Ps,ai (ω) eine präzise Bestimmung des Tr. gheitsmomentes möglich ist. Da bei entsprechender Genauigkeit der Drehzahlmessung der Zeitabstand At im allgemeinen wenige Sekunden nicht zu überschreiten braucht, ist diese Variante besonders gut zur Integration in den Ablauf technologischer Operationen geeignet.The particular advantage of this variant is that hereby with briefly switched off drive motor from only two speed measurements in the time interval At and c'.an z. B. in the data memory of a computer or in nomograms detected values for P s , ai (ω) a precise determination of Tr. Muthmomentes is possible. Since with appropriate accuracy of the speed measurement of the time interval At generally does not need to exceed a few seconds, this variant is particularly well suited for integration into the flow of technological operations.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in dieser Ausführungsform vorteilhaft anwendbar, um Größen zu bestimmen, die mit dem Trägheitsmoment in einem bekannten funktionellen Zusammenhang stehen. Zu denken wäre etwa an den Füllgrad von rotierenden Trommeln, z. B. Drehrohrofen.In addition, the method according to the invention is advantageously applicable, in particular in this embodiment, to determine quantities which are in a known functional relationship with the moment of inertia. To think about the degree of filling of rotating drums, z. B. rotary kiln.
In einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren dazu verwendet werden, das Trägheitsmoment eines Abschnittes einer kinematischen Kette, die z. B. aus Antriebsmotor, Kupplung, Getriebe, Antriebsspindel und Spannfutter mit Werkstück besteht, aus Differenzmessungen zu bestimmen. Hierzu wird in separaten Messungen das Trägheitsmoment der gesamten Kette sowie desjenigen Teiles der Kette bestimmt, der den besagten Abschnitt nicht enthält. Aus der Differenz dieser Werte ergibt sich das Trägheitsmoment des besagten Abschnittes.In another embodiment, the method may be used to determine the moment of inertia of a portion of a kinematic chain, e.g. B. from drive motor, clutch, gearbox, drive spindle and chuck with workpiece, to determine from differential measurements. For this purpose, the moment of inertia of the entire chain and of that part of the chain which does not contain the said section is determined in separate measurements. The difference between these values results in the moment of inertia of said section.
Das erfindun isgemäße Verfahren sowie seine speziellen Ausführungsformen können weiterhin dazu verwendet werden, das Trägheitsmoment rotierender Massen in und/oder an Reibschweißmaschinen zu bestimmen, um aus dieser Größe, der Winkelbeschleunigung ώ und dem Motordrehmoment M das resultierende Reibmoment MR = M -Ju) zu bestimmen.The method according to the invention and its specific embodiments can furthermore be used to determine the moment of inertia of rotating masses in and / or on friction welding machines in order to obtain from this quantity, the angular acceleration ώ and the motor torque M the resulting friction torque M R = M -Ju) determine.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Diesem Ausführungsbeispiel liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Reibschweißmaschine den zeitlichen Verlauf des Reibmomentes aus dem zeitlichen Verlauf des Drehmomentes des Antriebsmotors, dem Massenträgheitsmoment und der sich zeitlich ändernden Winkelbeschleunigung der Glieder der den Antrieb des umlaufenden Werkstückes bewirkenden kinematischen Kette zu bestimmen. Nachdem die zunächst stillstehenden, bei laufendem Motor zugeschalteten Glieder der kinematischen Kette und das von ihr bewegte Schweißteil die Drehzahl n( des Antriebsmotors erreicht haben, wird der Motor für 3s vom Netz getrennt. Die Drehzahl fällt in dieser Zeit auf einen Wert n2 ab, der ebenfalls gemessen wird. Mit dem Wert von Pslat (n3), der für eine zwischen n, und n, liegende Drehzahl n3 aus einem Nomogramm entnommen wird, sowie dem bekannten Wert des Motorwirkungsgrades kann das Trägheitsmoment unmittelbar aus Gleichung (2) errechnet werden, die sich in diesem Fall zuThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. This embodiment is based on the object to be determined in a friction welding machine, the time course of the friction torque from the time course of the torque of the drive motor, the moment of inertia and the time-varying angular acceleration of the links of the drive of the rotating workpiece causing kinematic chain. After the initially stationary motor links of the kinematic chain and the welding part moved by them have reached the speed n (of the drive motor, the motor is disconnected from the mains for 3 seconds, the speed drops to a value n 2 during this time. With the value of P slat (n 3 ) taken from a nomogram for a rotational speed n 3 lying between n and n , and the known value of the engine efficiency, the moment of inertia can be derived directly from Equation (2). be calculated in this case too
7 * 2 4* 7 * 2 4 *
vereinfacht.simplified.
Die Drehzahlmessung erfolgt mittels im rotierenden Spannfutter angebrachter Dauermagnete, die sich im Wirkungsbereich einer feststehenden an der Reibschweißmaschine befestigten Spule befinden. Je nach Anzahl der paarweise angebrachten Dauermagnete kann die Drehzahl den Anforderungen entsprechend genügend genau gemessen werden.The speed measurement takes place by means of permanent magnets mounted in the rotating chuck, which are located in the effective range of a fixed coil attached to the friction welding machine. Depending on the number of permanent magnets mounted in pairs, the speed can be measured with sufficient accuracy.
Nachdem das Trägheitsmoment bekannt ist, kann der zeitliche Verlauf des Reibmomentes Mr bestimmt werden. Hierzu ist es notwendig, die Drohzahl des Antriebsmotors und die ihm zugeführte elektrische Wirkleistung Pw (ω) kontinuierlich zu messen und aus diesen Meßwerten auf der Grundlage der GleichungAfter the moment of inertia is known, the time course of the friction torque Mr can be determined. For this purpose, it is necessary to continuously measure the threat number of the drive motor and the electric active power P w (ω) supplied to it, and from these measured values on the basis of the equation
das Reibmoment Mr mittels eines für den Echtzeitbetrieb geeigneten Rechners zu bestimmen. Die wesentlichen Vorteile in diesem Einzelfall sind insbesondereto determine the friction torque Mr by means of a suitable for real-time operation computer. The main advantages in this particular case are in particular
- das Bestimmen des Massenträgheitsmomentes der rotierenden Massen, ohne daß detaillierte Kenntnisse der konstruktiven Gestalt der kinematischen Kette und des rotierenden Werkstückes vorliegen, undthe determination of the mass moment of inertia of the rotating masses, without detailed knowledge of the constructive shape of the kinematic chain and of the rotating workpiece, and
- die einfache Realisierung des Verfahrens mit den bekannten Geräten zum Messen der Wirkleistung und der Drehzahl sowie zur rechentechitischen Weiterverarbeitung der Meßwerte.- The simple realization of the method with the known devices for measuring the active power and the speed and for the computer-aided further processing of the measured values.
Claims (5)
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung der Winkelbeschleunigung ausschließlich das Eigenbremsmoment der Vorrichtung verwendet wird, der Antriebsmotor mindestens während der Beschleunigungsdauer At spannungslos geschaltet und das Trägheitsmoment nach Gleichung (1) oder (2) mitWE = 0 bestimmt wird.is determined.
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for generating the angular acceleration exclusively the self-braking torque of the device is used, the drive motor at least during the acceleration period At de-energized and the moment of inertia according to equation (1) or (2) with W E = 0 is determined.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD30822387A DD278925A3 (en) | 1987-10-26 | 1987-10-26 | METHOD FOR DETERMINING THE MEASUREMENT OF THE MASSENTIALITY TOMORROW OF ROTATING MEASURES IN AND / OR ELECTROMOTICALLY DRIVEN DEVICES, ESPECIALLY TOOLING MACHINES AND DGL. |
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| DD30822387A DD278925A3 (en) | 1987-10-26 | 1987-10-26 | METHOD FOR DETERMINING THE MEASUREMENT OF THE MASSENTIALITY TOMORROW OF ROTATING MEASURES IN AND / OR ELECTROMOTICALLY DRIVEN DEVICES, ESPECIALLY TOOLING MACHINES AND DGL. |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD278925A3 true DD278925A3 (en) | 1990-05-23 |
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ID=5593276
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| DD30822387A DD278925A3 (en) | 1987-10-26 | 1987-10-26 | METHOD FOR DETERMINING THE MEASUREMENT OF THE MASSENTIALITY TOMORROW OF ROTATING MEASURES IN AND / OR ELECTROMOTICALLY DRIVEN DEVICES, ESPECIALLY TOOLING MACHINES AND DGL. |
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| DD (1) | DD278925A3 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29922424U1 (en) * | 1999-12-21 | 2001-05-03 | Kuka Schweissanlagen Gmbh | Friction welding device |
| CN114006560A (en) * | 2021-10-29 | 2022-02-01 | 国家管网集团川气东送天然气管道有限公司 | Motor rotational inertia identification method, system and device based on vector control |
-
1987
- 1987-10-26 DD DD30822387A patent/DD278925A3/en not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE29922424U1 (en) * | 1999-12-21 | 2001-05-03 | Kuka Schweissanlagen Gmbh | Friction welding device |
| CN114006560A (en) * | 2021-10-29 | 2022-02-01 | 国家管网集团川气东送天然气管道有限公司 | Motor rotational inertia identification method, system and device based on vector control |
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