DE10005933B4

DE10005933B4 - Schwingfördersystem

Info

Publication number: DE10005933B4
Application number: DE10005933A
Authority: DE
Inventors: Kurt Bühner
Original assignee: BUEHNER und SCHAIBLE GmbH
Current assignee: Buehner und Schaible GmbH
Priority date: 2000-02-13
Filing date: 2000-02-13
Publication date: 2004-01-15
Anticipated expiration: 2020-02-14
Also published as: DE10005933A1

Abstract

Schwingfördersystem mit mindestens einem Schwingungserreger (17, 18) und einem elektronisch steuerbaren Stellglied zum Erzeugen einer Wechselspannung, eines Wechselstroms oder einer Wechselladung mit einstellbarer Frequenz und variabel einstellbaren Amplitudenbeträgen, um damit den mindestens einen Schwingungserreger (17, 18) anzusteuern, wobei jeder Schwingungserreger je zwei Massen (5, 6, 10) erregt, zwischen denen er angeordnet ist, und von denen die eine Masse, die von einem Stück oder von mechanisch gekoppelten Massen gebildet wird, von allen Schwingungserregern erregt wird, wobei die andere der zwei erregten Massen (5, 8) eine fördernde Systemkomponente (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei solcher Stellglieder (12, 13, 14) mit variabel einstellbarem Frequenzgenerator vorhanden sind, daß die Stellglieder untereinander elektrisch verbunden sind, wobei eines der Stellglieder, das als Master wirkt, den bezüglich der Frequenz synchronen Betrieb des Masters und der weiteren Stellglieder steuert, die als Slaves wirken, daß mindestens eines der Stellglieder einen Phasenschieber enthält, um die Phasenlage der Slave-Schwingung gegenüber der Phasenlage der Master-Schwingung variabel zwischen 0 und 360° einstellen zu können, und daß die andere der zwei erregten Massen (5, 8) für von unterschiedlichen Stellgliedern (12, 13) angesteuerten Schwingungserregern voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwingfördersystem mit mindestens einem Schwingungserreger und einem elektronisch steuerbaren Stellglied zum Erzeugen einer Wechselspannung, einer Wechselladung oder eines Wechselstroms mit einstellbarer Frequenz und variabel einstellbaren Amplitudenbeträgen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im Prinzip besteht ein solches Fördersystem aus mindestens einem Schwinger, welcher aus dem Erreger, den mit dem Erreger erregten Massen, wie dem Oberteil (Nutzmasse) mit den Förderteilen und dem Unterteil (Freimasse) einer Fördereinheit und einem federnden Element, das von dem Erreger zum Schwingen angeregt wird, wobei, wenn mehr als ein Schwinger vorhanden ist, deren Resonanzfrequenzen etwa gleich sind.

Derzeit wird üblicherweise bei Schwingfördersystemen die Erregungsfrequenz aus der Netzfrequenz abgeleitet, wobei entweder direkt mit der Netzfrequenz oder – indem eine der beiden Halbwellen unterdrückt wird – mit der halben Netzfrequenz erregt wird. Die Intensität wird über einen Phasenanschnitt gesteuert. Jede Anpassung der Fördereinheiten an die Erregungsfrequenz muß mechanisch durch Änderung der Federkonstanten oder der Masse am Schwingaufsatz vorgenommen werden. Der Abgleich kann in der Regel nur in entsprechenden Stufen und mit entsprechendem Arbeitsaufwand realisiert werden. Soll der Aufsatz der Fördereinheit verändert oder gar gewechselt werden, wird sich die mechanische Resonanz der Fördereinheit erneut ändern und ein Abgleich über die Mechanik wird nötig. Es kommt hinzu, daß die erforderlichen Einstellungen nicht berechnet werden können, sondern auf reiner Empirie beruhen. An Fördersystemen, die in einer Anlage eingebaut sind, ist ein Abgleich vielfach nicht möglich und die Fördereinheit wird dann mit einem mitunter sehr schlechten Wirkungsgrad weiterbetrieben, d.h. der Energieverbrauch ist sehr hoch. Dabei wird zudem die Fördereinheit empfindlich gegenüber Belastungsänderungen, und die Fördergeschwindigkeit wird beim Übergang von der unbeladenen zur beladenen Fördereinheit inkonstant. Ein solches Schwingfördersystem und ein dazu gehörendes Verfahren ist in der Europäischen Patentanmeldung 0 402 495 offenbart, das zum Betreiben eines magnetisch angetriebenen Schwingfördergeräts (Zweimassen-Schwingungssystem) bei unterschiedlicher Fördergutbelastung und konstanter Antriebsfrequenz dient. Die Eigenfrequenz ohne Fördergutbelastung wird so gewählt und eingestellt, daß bei Fördergutbelastung sich die Eigenfrequenz der Arbeitsfrequenz unter zunehmender Dämpfung nähert und bei maximaler Fördergutbelastung etwa gleich der Antriebsfrequenz ist. Die Schwingbreite des Magnetantriebs wird auf einen vorgegebenen Wert geregelt.

Beim Export von Schwingförderanlagen ins außereuropäische Ausland kann ein weiteres Problem auftreten. Wenn dort die Netzfrequenz einen Wert hat, der sich von 50 Hz unterscheidet, ändert sich auch die davon abgeleitete Antriebsfrequenz. Die Folgen sind ebenfalls ein Förderbetrieb mit schlechtem Wirkungsgrad und eine Verminderung der Fördergeschwindigkeit bis hin zum Stillstand, Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß die auf die Förderschiene wirkende Schwingungsenergie Reaktionsschwingungen in der Unterkonstruktion des Fördersystems verursacht, welche die Gleichförmigkeit der Fördergeschwindigkeit stören.

Angesichts dieser Probleme bestand schon seit längerem der Wunsch, bei Fördersystemen die Anpassung an die äußeren Gegebenheiten, wie Netzfrequenz und Schwankungen der Netzfrequenz, und an Änderungen bei Fördersystemen die Anpassung an die äußeren Gegebenheiten, wie Netzfrequenz und Schwankungen der Netzfrequenz, und an Änderungen der Förderbedingungen und die Behebung von Störungen mit geringerem Aufwand an zeit, Energie als bisher bzw. – bei bereits eingebauten Fördersystemen – überhaupt erst zu ermöglichen.

Der Anmelder hat bereits mit Elektromagneten angeregte Fördersysteme gebaut, bei denen die Anregungsfrequenz an die Resonanzfrequenz der Fördereinheit angepaßt ist. Aber auch mit solchen Fördersystemen lassen sich Förderteile unter den üblichen in der Praxis vorkommenden Gegebenheiten oft nicht befriedigend fördern.

Die Schwingfördersysteme bestehen aus unterschiedlich langen und/oder mehreren Fördereinheiten. Damit beim Erregen mit den sie erregenden voneinander beabstandeten und/oder auf unterschiedliche Förderschienen wirkenden Schwingungserreger überall etwa dieselben Verhältnisse, z.B. bezüglich der angreifenden Kraft und der Fördergeschwindigkeiten, herrschen, sind entsprechende Maßnahmen vorgeschlagen worden.

In der DE 37 07 391 A1 ist eine Anordnung zur Einstellung einer konstanten Schwingbreitenverteilunq in Längsrichtung der einzigen Förderrinne eines Schwingfördergeräts offenbart. Zum Betrieb des Schwingfördergeräts werden mindestens zwei in Längsrichtung der Förderrinne verteilte Schwingungserreger mit jeweils einem zugeordneten Schwingungsaufnehmer verwendet, wobei ein erster Schwingungerreger mit einem vorgegebenen Amplitudensollwert betrieben wird und die Schwingungsamplitude des bzw. der weiteren Schwingungserreger über die als Regelgröße dienende Differenz zwischen dem vorgegebenen Amplitudensollwert und der von dem zugeordneten Schwingungsaufnehmer festgestellten Schwingungsamplitude derart nachgeführt wird, daß längs der Förderrinne eine vorgegebene Schwingweitenverteilung beibehalten wird. Jedem Schwingungserreger ist eine Versorgungseinrichtung zugeordnet, die üblicherweise mit Thyristoren ausgerüstet ist, die im Phasenschnitt betrieben werden. Die Schwingungsaufnehmer können an einer gemeinsamen Freimasse befestigt sein.

In den zur Bildung der Gattung ausgewerteten Techn. Mitt. AEG-Telefunken 58 (1968) 3, S. 161–166 ist ein Bausteinprogramm für Steuerungen und Regelungen in der Vibrationstechnik, darunter für Schwingfördergeräten mit Einfach- und Mehrfachantrieben beschrieben. Die elektromagnetischen Antriebe werden mit einem als Thyristoranschlußgerät ausgebildeten Stellglied angeregt. Das Stellglied regt den (die) Antrieb(e) von einer oder mehreren Förderschienen an. Mehrfachanschlußgeräte werden als Kombination des Thyristoranschlußgeräts und einer Gleichrichtereinheit gebildet, wobei die Gleichrichtereinheit Trenndioden enthält, deren Anzahl der der anzuschließenden Vibratoren entspricht. Eine der Gleichrichtereinheit entsprechende Schaltung, die aber keine Trenndioden enthält, wird angewandt zum Betrieb von mehreren Vibratoren, die an getrennten Nutzgeräten angeordnet sind. Das Stellglied wird bzgl. der Schwingweite durch eine Kontrolleinheit überwacht und geregelt.

In der DE 44 27 958 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schwingungsübertragung zwischen mindestens zwei Schwingfördereinheiten offenbart, mit denen eine Verlängerung der Förderstrecke erreicht werden soll, ohne daß dafür ein eigener Schwingantrieb erforderlich wäre. Dabei ist vorgesehen, daß eine Schwingfördereinheit von einem Schwingantrieb angeregt wird. An diese angeregte Schwingfördereinheit sind andere Schwingfördereinheiten ohne Schwingantrieb angekoppelt. vorgesehen ist, daß jede Schwingfördereinheit über eine separate Gutfördervorrichtung und eine über Schwingfedern verbundene Gegenschwingmasse verfügt. Dabei wird die Gegenschwingmasse der angeregten oder einer angekoppelten Schwingfördereinheit federnd mit der Gutfördervorrichtung der anzukoppelnden Fördereinheit verbunden. Die Gegenschwingmasse ist federnd mit dem Fundament verbunden, damit die auf sie übertragene Schwingungsenergie nicht beachtlich gedämpft wird, sondern zum Anregen der benachbarten Schwingfördereinheit zur Verfügung steht. Die Schwingfördereinheiten bilden ein Zweimassenresonanzsystem mit zwei Freiheitsgraden.

Besteht das Fördersystem aus zwei oder mehr kaskadierten Fördereinheiten müssen bei den bisher benutzten Fördersystemen die Spalte zwischen den einzelnen Förderschienen abgestimmt auf die Schwingungsamplituden werden, um ein Zusammenstoßen der Förderschienen zu verhindern.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein einfach handhabbares Fördersystem anzugeben, um mit gutem Wirkungsgrad sehr unterschiedliche Teile unter Berücksichtigung von Schwingungswechselwirkungen gleichmäßig, ruhig und kontrolliert fördern zu können.

Diese Aufgabe wird mit einem Fördersystem der eingangs genannten Art, mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Die Lösung läßt sich mit dem Ausdruck "frequenzunabhängige Phaseneinstellung i.V.m. frequenzvariabler Synchronisation" charakterisieren.

Das Fördersystem und das Förderverfahren sind nicht nur unabhängig von der Netzfrequenz und dabei auch von deren Spannungs- und Frequenzschwankungen, vielmehr wird die Erregungsfrequenz (mechanischer Arbeitspunkt) an die Resonanzfrequenz der Fördereinheit angepaßt, nicht umgekehrt. Man kann also mit einer beliebigen Resonanzfrequenz optimal arbeiten. Die Resonanzfrequenz ω₀ des Schwingers, d.h. seine aus dem Grundgesetz der Dynamik abgeleitete Kenngröße, ist:

wobei D_Ges [N/mm] die gesamte Federkonstante des Schwingers, m_r [kg] die resultierende Masse des Schwingers (Definition s.u.), d die Dämpfungskonstante des Schwingers (d = F_d/V_F, F_d [N] = Dämpfungskraft, V_F [m/s] = Federgeschwindigkeit) und m der sich auf die Dämpfung auswirkende Massenanteil ist. Eine gewünschte Resonanzfrequenz läßt sich also realisieren, indem man die Federkonstante gezielt einstellt, beispielsweise indem man den Wandler in spezieller Weise an das Unter- und das Oberteil der Fördereinheiten koppelt und/oder das federnde Element entsprechend ausbildet. Es ist auf diese Weise möglich, die Fördereinheiten zu normieren und zu typisieren. Anders ausgedrückt: die Schwingerkenngröße ω₀ kann als variabler, normierter, mechanischer Wert ausgeführt werden. Neben vielen Vorteilen, die diese Eigenschaften bringen, sind sie auch die Voraussetzung für das definiert aufeinander abgestimmte Schwingen von mindestens zwei Erregern. Das System ist derart ausgestattet, daß die Erreger synchron, d.h. mit identischer Frequenz und mit ähnlicher, einstellbarer Energie betrieben werden können. Die richtige Einstellung dieser Parameter reicht bereits aus, um die Erreger definiert aufeinander abgestimmt schwingen zu lassen. Das abgestimmte Schwingen kann man beispielsweise dazu benutzen, um Reaktionsschwingungen, welche beim Erregen der Fördereinheiten entstehen, beachtlich zu vermindern, was mithilft, die Gleichmäßigkeit der Förderung weiter zu verbessern. Außerdem ist bei der Erfindung besonders vorteilhaft, daß sie auch bei bereits installierten konventionellen Systemen, beispielsweise solchen, welche aus kaskadierten, auf eine gemeinsame Grundplatte montierten Fördereinheiten bestehen, angewandt werden kann. Hinzu kommt, daß bei Anwendung des Fördersystems es sehr einfach und mit geringem zeitlichen Aufwand möglich ist, die Förderparameter definiert und reproduzierbar einzustellen. Dazu trägt auch bei, daß die Verfahrensparameter sich ohne weiteres bestimmen und registrieren lassen. Diese Möglichkeiten sind die Voraussetzung, um eine teilweise Rückführung der in das Fördersystem gesteckten Energie vorzusehen, was mit dem Stellglied besonders einfach verwirklicht werden kann, und um gezielt eine bestimmte Impulsform der Erregungsschwingung zu erzeugen, was dazu dient, die Fördergeschwindigkeit zu erhöhen und die Gleichmäßigkeit der Förderung noch weiter zu verbessern.

Indem man die Erregungsfrequenz (Arbeitspunkt) in einen Frequenzbereich von größenordnungsmäßig +/– wenigen Hz um die Resonanzfrequenz legt, aber nicht mit der Resonanzfrequenz zusammenfallen läßt, verschiebt sich die Phasenlage der erzwungenen Schwingung bezüglich der erregenden Antriebskraft von dem Wert der Resonanzfrequenz (90°) des Schwingers in die Bereiche zwischen etwas unter 90 ° und 0° oder zwischen etwas über 90° und 180°. Dadurch ergibt sich ein günstiger mechanischer Arbeitspunkt, bei dem man eine stabile Fördergeschwindigkeit auch dann erreicht, wenn die Belastung der Fördereinheit bzw. wenn sich ihre Dämpfung ändert. Unter diesen Bedingungen bilden das Stellglied und die Fördereinheit ein Intertialsystem, das stabil bleibt, ohne daß es notwendig ist, die Ausgangsleistung des Stellglieds an die aufgetretene Veränderung anzupassen (d.h. ohne Rückführung). Wird eine Erregungsfrequenz eingestellt, welche etwas höher als die Resonanzfrequenz der Schwinger liegt, so werden in vorteilhafter weise Dämpfungsänderungen bei gleichzeitiger Erhaltung der harmonischen Schwingbewegung des mechanischen Schwingers kompensiert. Dieser Arbeitspunkt ist deshalb gut geeignet für schwierige Kunststofförderteile. wird eine Erregungsfrequenz eingestellt, welche etwas niedriger als die Resonanzfrequenz der Schwinger liegt, so wird zwar eine etwas größere Schwingungsenergie zum Betrieb der Fördereinheiten benötigt, aber andererseits erhält man eine stabile Fördergeschwindigkeit auch bei großen Gewichtsveränderungen der Förderteile. Die geringen Abweichungen der Erregungsfrequenzen von der Resonanzfrequenz oder richtiger die Phasendifferenz zwischen den Erregungsschwingungen und der Resonanzschwingung bewirken – vergleichbar dem "Schiffschaukeleffekt" – eine besonders gleichmäßige, reproduzierbare und gegenüber Störungen stabile Schwingungsanregung. Auch in der o.g. Europäischen Patentanmeldung 0 402 405 ist offenbart, bei einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz zu fördern, wobei aber das Fördern bei der Resonanzfrequenz nicht ausgeschlossen wird. Aber dabei wird so vorgegangen, daß die Resonanzfrequenz an die Arbeitsfrequenz (Netzfrequenz oder von dieser abgeleitet) angepaßt wird.

Mit dem beim erfindungsgemäßen Fördersystem in mindestens einem der Stellglieder enthaltenen Phasenschieber ist die Phasendifferenz zwischen den von den mittels der Stellglieder angesteuerten Schwingungserregern erzeugten Schwingungen (im folgenden auch Master- bzw. Slave-Schwingung) auf einen zweckdienlichen Wert zwischen 0 und 360° in der Weise einstellbar, daß mit dem Master die Phasenlage(n) der Slave-Schwingung(en) variabel einstellbar synchronisiert werden kann (können) und gegebenenfalls die Phasenlage des Master-Schwingung eingestellt werden kann, und mit dem (den) synchronisierten Slave(s) die Phasenlage(n) der über ihn (sie) erzeugten Slave-Schwingung(n) einstellbar ist (sind), wobei der Betrag, um den die Phasenlage geändert werden muß, von den zu den Schwingern gehörenden Arbeitspunkten abhängt. Bei Richtiger Einstellung der Phasenlage(n) lassen sich die Wirkung der Störkräfte minimieren oder auch die Breite des Übergangsspalts S zwischen zwei Fördereinheiten auf einen konstanten Wert einstellen, was ermöglicht, die Spaltbreite sehr klein zu machen (Größenordnung 0,1 mm), ohne daß die Fördereinheiten kollidieren. Mit dieser Ausgestaltung der Erfindung läßt sich auch das bei den bisherigen Systemen bei starker Kopplung zwischen den Fördereinheiten auftretende Problem der sich auslöschenden Aktionsschwingungen (s.o.) lösen, indem die Fördereinheiten über die Master- bzw. Slave-Stellglieder, mit denen sie angesteuert werden, so phasenrichtig betrieben werden, daß die Reduzierung der Schwingungen rückgängig gemacht wird.

Bei der Reaktionsschwingungskompensation lassen sich so beispielsweise zuverlässig die auf das Unterteil einer Fördereinheit bzw. die Grundplatte des Fördersystems wirkenden Reaktionschwingungen weitgehend kompensieren, indem die Phasendifferenz zwischen den von den Schwingungserregern erzeugten Schwingungen bzw. wenn es sich um mehr als zwei Schwingungserreger handelt, die Phasendifferenzen zwischen den von ihnen erzeugten Schwingungen so eingestellt werden, daß der Summenvektor der auf die genannte, mit allen Schwingungserregern verbundene Masse, nämlich die Freimasse des Fördersystems, wirkenden Schwingungsvektoren gegen Null geht. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Schwingungsvektoren etwa dieselbe Wirkungslinie haben (d.h., daß die Schwingungsvektoren etwa in derselben Richtung oder entgegengesetzt dazu schwingen). Dies ist in guter Näherung auch bei "Quasi-Linearförderern (s.u.) gegeben, die entlang einem gekrümmten Förderweg transportieren, sofern die federnden Elemente, deren Schwingungen kompensiert werden sollen, nahe (neben- oder hintereinander) beieinander liegen, wozu insbesondere die kompakten piezoelektrischen Wandler beitragen können. Bisher werden die Reaktionsschwingungen minimiert, indem – entsprechend dem Schwerpunktsatz der Mechanik – der untere Bereich der Fördersysteme, beispielsweise die Unterteile der Fördereinheiten und die gemeinsame Grundplatte, mit einer großen Masse ausgestattet wurde, die wesentlich größer war, als es für die Stabilität der Anlage notwendig gewesen wäre. Mittels der Reaktionsschwingungskompensation werden aufgrund der Beziehung FR = m · yR · ωA 2 (III),wobei F_R die erregende Reaktionskraft, m die erregte Masse, y_R die Schwingweite der erregten Reaktionsschwingung und ω_A die Erregungsfrequenz sind, mit den Schwingungen, d.h. der Schwingweite y_R, auch die Kraft F_R kompensiert. Deshalb ist es nicht mehr erforderlich, den unteren Bereich der Fördersysteme mit großen Massen auszustatten, vielmehr ist eine beachtliche Gewichtsreduzierung möglich (physikalischer Massenersatz).

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält das System mindestens zwei benachbarte Fördereinheiten, wobei die voneinander getrennten Massen die Oberteile und dieselben Massen die Unterteile der Fördereinheiten und die mit ihnen mit endlichem Kopplungsfaktor verbundene Grundplatte sind. Günstig ist es dabei, wenn die mindestens zwei Fördereinheiten aneinander grenzen und insbesondere, wenn die Fördereinheiten, wo sie aneinander grenzen, miteinander fluchten. Je nach dem wie die Phasendifferenz zwischen den benachbarte Fördereinheiten erregenden mit etwa gleicher Elongation synchron schwingenden Erreger eingestellt wird (etwa 180° oder 0°) kann man erreichen, daß die auf die Grundplatte wirkenden Reaktionskräfte minimiert werden oder die Breite des Übergangsspalt S konstant wird. Aneinander grenzende Fördereinheiten, können Linearförderer und Rundförderer sein. Linearförderer im engeren Sinn fördern geradlinig. Ähnlich wie Linearförderer, d.h "quasi-linear" verhalten sich jedoch auch Förderer, bei denen der Transportweg Kurven aufweist, sofern die Schwingungserreger entsprechend angeordnet sind, wobei, wegen des geringen Platzbedarfs der piezoelektrischen Schwingungserreger die Kurvenradien auch relativ klein sein können. Die "quasi-linearen" Förderer sind also den Linearförderern unter den benannten Voraussetzungen praktisch gleichzusetzen. Rundförderer werden weiter unten definiert.

Es ist vorteilhaft, wenn pro Fördereinheit der im vorangehenden Absatz beschriebenen Ausgestaltung mindestens ein zusätzlicher Erreger vorgesehen ist, welcher auf das Unterteil und eine freischwingende Masse wirkt und mit einem anderen Stellglied verbunden ist als dasjenige, welches den Erreger ansteuert, der die auf die Nutzmasse wirkende Aktionschwingung erzeugt, wobei aber beide Stellglieder synchron und zueinander betrags- und phasenrichtig betrieben werden können. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fördersystems ermöglicht es, gleichzeitig die an den Unterteilen angreifenden Störkräfte zu kompensieren (und damit auch Störungen an der Grundplatte zu minimieren) und die Breite der Übergangsspalte S zwischen den Fördereinheiten konstant zu halten.

Es ist vorteilhaft, wenn das Stellglied eine Endstufe aus symmetrisch geschalteten Hochvolt-Power- bzw. IGBT-Transistoren aufweist, zu deren Ansteuerung Treiber Verwendung finden, wenn die Endstufe über einen aus einem Gleichrichter und entsprechenden als Ladungsspeicher wirkenden Elektrolytkondensatoren bestehenden Zwischenkreis versorgt wird, wenn ein getaktetes Netzteil die Spannungen oder Ladungen für die Endstufenansteuerung liefert, wenn ein Timer die Frequenz des Ausgangssignals erzeugt und wenn die Endstufe bevorzugt elektronisch nach Art der Pulsweiten-Modulation (PWM) gesteuert wird. Mit dieser vorteilhaften Ausgestaltung lassen sich die Verfahrensparameter einfach ermitteln und einstellen und über die Dauer der Förderung konstant halten.

Es ist vorteilhaft, wenn als Schwingungserreger Elektromagneten oder piezoelektrische Wandler vorgesehen sind. Ein piezoelektrisches, als Vibrationsquelle in einer Teilezuführung dienendes Gerät ist in der DE 37 11 388 A1 offenbart. Es enthält eine Zwischenplatte, eine auf einer Oberfläche der Zwischenplatte befestigtes erstes piezokeramisches Element, ein auf der anderen Oberfläche der Zwischenplatte befestigtes plattenförmiges zweites piezokeramisches Element und einen die beiden Elemente verbindenden Leitungsdraht. Die Zwischenplatte besteht auf gehärtetem Werkzeugstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6 bis 1,5%, oder einem feinkeramischen Material. Ein piezoelektrischer Wandler basiert auf dem inversen Piezoeffekt. Bei der Erregung mit Elektromagneten kann man auf eine bereits sehr ausgereifte Technik zurückgreifen. Systeme, welche mit piezoelektrischen Wandlern erregt werden, haben in erster Linie den Vorteil, daß sie in einem wesentlich größeren Frequenzbereich und insbesondere mit wesentlich größeren Frequenzen erregt werden können als elektromagnetische Erreger. Es ist möglich, bei Erregerfrequenzen > etwa 1 Hz, bevorzugt zwischen etwa 4 und etwa 20 kHz und noch bevorzugter zwischen etwa 100 Hz und etwa 2 kHz zu fördern. Entsprechend kann man bei mit piezoelektrischen Schwingungserregern betriebenen Systemen, beispielsweise durch geeignete Wahl des federnden Elements, die Resonanzfrequenzen zwischen etwa 1 Hz und fast beliebig hohen werten einstellen. Hohe Resonanzfrequenzen bzw, daran angepaßte und entsprechend hohe Erregungsfrequenzen erlauben es, aufgrund der Beziehung ω0 2 . y = a (II),wobei y [mm] die Schwingweite der Schwingung und a [m/s²] die Beschleunigung der Schwingweite ist, die Schwingweite auch bei hohen Fördergeschwindigkeiten klein zu halten, wodurch bei Frequenzen > 200 Hz eine sehr ruhige Gleitbewegung erreichbar ist. D.h. die Bewegung zeigt kein Mikrowurfverhalten. Da die piezoelektrischen Wandler, wie beispielsweise ein solcher aus einem ein- oder zweiseitig auf eine Blattfeder aufgebrachten piezokeramischen Material, sehr kompakt sind und wenig Raum beanspruchen, ergeben sich weitere Freiheitsgrade beim Aufbau des Systems, beispielsweise bezüglich der Anzahl und der räumlichen Anordnung der piezoelektrischen Wandler, was man ausnutzen kann, um die Rotationsbewegungsanteile in der Förderbewegung von Linearförderern auszuschalten. Hinzu kommt das geringe Gewicht der piezoelektrischen Wandler, durch das sich das Gesamtgewicht der Systeme beachtlich vermindern läßt.

Zum Ausgleich ungleicher Wirkungslinien ist es vorteilhaft, wenn mindestens ein zusätzliches auf die Freimasse wirkendes mit den anderen federnden Elementen synchron und – gegebenenfalls phasenrichtig federndes Element vorgesehen ist, dessen Lage bezüglich der anderen federnden Elemente und/oder dessen Schwingungsvektor zweckdienlich eingestellt werden können. Die Anzahl, die Positionierung der (des) zusätzlichen federnden Elemente (Elements) und/oder die richtige Ausrichtung seines Schwingungsvektors bzw. ihrer Schwingungsvektoren lassen sich durch einfache Versuche ermitteln, deren Ergebnisse durch Berühren der Unterkonstruktion an der maßgebenden Stelle beurteilt werden können.

In vorteilhafterWeise wird die Fördergeschwindigkeit außer über die Erregungsfrequenz und die Schwingkraft über die Impulsform des Erregungsstroms eingestellt.

Aufgrund seiner guten Überschaubarkeit, Steuerbarkeit und ausgezeichneten Reproduzierbarkeit läßt sich das Verfahren so durchführen, daß die Erregungsenergie teilweise wieder zurückgeführt wird. Dies läßt sich so verwirklichen, daß im Erreger aufgrund der magnetischen Induktion bzw. des piezoelektrischen Effekts erzeugte Elektrizität, bevorzugt über Dioden in einen Ladungsspeicher, zurückgeführt und in den den Wandler treibenden Strom eingespeist wird. Typischerweise lassen sich bei dieser Ausgestaltung des Fördersystems und des Verfahrens etwa 2/3 der Antriebsenergie wieder zurückgewinnen. In der DE 31 10 758 A1 ist eine Steueranordnung für Vibrationsförderer offenbart, mit der sich ein Niederspannungsbetrieb (unter 50 V) ohne proportional erhöhtem Strom erreichen läßt, indem sich Energie teilweise aus Spulen in den elektromagnetischen Betätigungsgliedern rückgewinnen läßt, statt als Wärme in den Wicklungen oder als Rauschen und Schwingungen verbraucht zu werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Schwingfördersystems und des erfindungsgemäßen Schwingförderverfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigen
1 in perspektivischer Darstellung eine mit Piezoekeramikelementen betriebene Ausführungsform eines ersten Linearförderers,
2 in schematischer Seitenansicht und verkürzt das in der
1 gezeigte Fördersystem,
2a in Diagrammen die Schwingweiten Y_A1 und Y_A2 als Funktion von U_A1/Q_A1 bzw. U_A2/Q_A2 bei dem in der 2 gezeigten Linearförderer,
3 in perspektivischer Darstellung eine mit Elektromagneten betriebene Ausführungsform eines zweiten Linearförderers,
4 in einem Diagramm die ungedämpfte Schwingung einer mit ihrer Resonanzenergie erregten Fördereinheit und eine erzwungene Schwingung derselben Fördereinheit, wenn sie mit einer Frequenz erregt wird, welche etwas oberhalb ihrer Resonanzfrequenz liegt,
4a das Phasendiagramms der Fördereinheit, zu der das in der
4 gezeigte Diagramm gehört,
5 in einem Diagramm die ungedämpfte Schwingung einer mit ihrer Resonanzenergie erregten Fördereinheit und eine erzwungene Schwingung derselben Fördereinheit, welche mit einer Frequenz erregt wird, welche etwas unterhalb ihrer Resonanzfrequenz liegt,
5a das Phasendiagramms der Fördereinheit, zu der das in der 5 gezeigte Diagramm gehört,
6 eine von einer Sinusform abgeleitete Impulsform der Erregungsschwingung,
7 ein Phasen-Betrags-Schaubild (komplexes Übertragungsmaß) von Master-Slave-Stellgliedern, mit denen die Ladungsstrom- bzw. Erreger-(Vektor)-Ortskurven von mit Slaves verbundenen Schwingern einstellbar sind,
7a ein Phasendiagramm, in dem die Phasenlage eines Schwingers über einem seine Resonanzfrequenz (Schwingerkenngröße) einschließenden Frequenzbereich [1/s] aufgetragen ist, zur Ermittlung möglicher Schwingerarbeitspunkte,
8 die Ortskurve der Reaktionsschwingungs-Kompensation (komplexes Übertragungsmaß) beim Zusammenwirken von zwei Störschwingungen,
8a in einem Diagramm der Betrag der Störschwingung als Funktion der Phasendifferenz zwischen zwei Störschwingungen,
9 einen Rund- und zwei Linearförderer eines synchron betriebenen Fördersystems in perspektivischer Darstellung, anhand der die Minimierung der Übergangsspalte S zwischen den Einheiten erläutert wird,
10 die Ortskurve des Übergangssspalts S zwischen zwei aneinander grenzenden, kaskadierten Fördereinheiten (komplexes Übertragungsmaß),
10a in einem Diagramm der Betrag des Übergangsspalts S als Funktion der Phasendifferenz zwischen den schwingenden Fördereinheiten,
11 eine Ausführungsform der Schaltung zur Rückgewinnung eines Teils der Erregungsenergie bei einer Ausführungsform des Fördersystems,
11a ein Diagramm, in dem die vom Stellglied an die in der 11 erwähnte Fördereinheit abgegebene Stromstärke und der Wirkungsgrad der Stromrückgewinnung gegen die aus dem Netz entnommene Stromstärke aufgetragen sind,
12 in einem Flußdiagramm die Ansteuerung der Erreger des in den 2 gezeigten Linearförderers, und
13 in einer vereinfachten Darstellung eine Ausführungsform des Schwingfördersystems, wobei verschiedene Varianten der Steuerung gezeigt sind.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In den Ausführungsbeispielen werden auch die folgenden Symbole verwendet:
Der Index bei den Schwingweiten, Kräften usw. gibt, sofern nichts anderes angegeben ist, die Bezeichnung der zugehörigen Schwingung wieder. Die Schwingweiten, Kräfte usw. sind generell als Maximalwerte zu verstehen. Wenn in Gleichungen Augenblickswerte und Maximalwerte vorkommen, sind die Maximalwerte mit "y ^", "F ^" usw. gekennzeichnet. "Master-Schwinger" und "Slave-Schwinger" bedeuten einen Schwinger, dessen Schwingungserreger vom Master (s.u.) bzw. vom Slave (s.u.) angesteuert wird.
Die mechanischen Teile der Fördersysteme in den Ausführungsbeispielen bestehen aus mindestens einer Fördereinheit. Eine solche Fördereinheit besteht aus einem Oberteil, auf welchem die Förderteile gleiten, einem Unterteil, welches üblicherweise – gegebenenfalls zusammen mit anderen Fördereinheiten – auf eine Grundplatte montiert ist (die Unterteile und ggf. die Grundplatte bilden die Unterkonstruktion des Fördersystems). Das Oberteil und das Unterteil sind durch mindestens ein federndes Element verbunden, welches durch einen piezoelektrischen Wandler erregt wird. Grundsätzlich können die Fördereinheiten eines Fördersystems räumlich nebeneinander, beispielsweise auch in der Weise, daß Fördereinheiten sternförmig von einem Punkt ausgehen, und/oder hintereinander angeordnet sein.
In den 1 und 2 ist ein Fördersystem 1 mit identischen Fördereinheiten 2 bis 4 bzw. 2 und 3 gezeigt, bei denen es sich um Linearförderer handelt. Die Fördereinheiten weisen je ein Oberteil 5 mit einer Masse m₂ (Nutzmasse) und ein zum Oberteil paralleles Unterteil 6 mit einer Masse m₁ (Freimasse) auf. Das Unterteil ruht auf einer Grundplatte 10, wobei Gummischeiben 11 mit einer Dämpfungskonstante d_R (Kopplungsgrad χ₂) das Unterteil abfedern. Das Unter- und das Oberteil sind über mindestens zwei federnde Elemente 7 mit der Federkonstante D miteinander gekoppelt, wobei die Verbindung zum Oberteil und zum Unterteil über fest mit dem Unter- und dem Oberteil verbundene Klemmblöcke 8 bzw. 9 zustandekommt, in welche die Enden der federnden Elemente eingeklemmt sind. Die federnden Elemente bestehen aus einer Metall- oder Kunststoffplatte mit der Federkonstante D, die als Blattfeder wirkt und auf die ein- (wie in der 2) oder zweiseitig Piezokeramikelemente 18 (in der 1 nicht gekennzeichnet) aufgebracht sind. Bevorzugt hat (haben) der (die) Piezokeramikelemente direkten Kontakt zu einem (wie in der 2) oder beiden Klemmblöcken. Die Anzahl der federnden Elemente pro Längeneinheit Förderstrecke wird bevorzugt so festgelegt, daß Rotationsschwingungs- und Biegeschwingungsanteile der Förderbewegung von Linearförderern und Quasi-Linearförderern minimiert werden. Eine andere oder zusätzliche Maßnahme um diese Wirkung zu erzielen, besteht darin, den Abstand zwischen Ober- und Unterteil zu verringern, beispielweise indem die Blattfeder verkürzt wird. Über die Klemmblöcke sind bei dem System der 1 oder 2 die Piezokeramikelemente der Fördereinheit 2 mit einem Stellglied 12, die der Fördereinheit 3 mit einem Stellglied 13 und die der Fördereinheit 4 mit einem Stellglied 14 verbunden. Mit einem Stellglied lassen sich bis zu 8 Erreger ansteuern. Die Fördereinheiten haben keinen direkten Kontakt untereinander.
Die Stellglieder sind untereinander elektrisch verbunden. Das Stellglied 12 steuert den – bezüglich der Frequenz – synchronen Betrieb aller Erreger. Mit anderen Worten: das Stellglied 12 ist unabhängig veränderlich (Master), während die Stellglieder 13 und 14 abhängig veränderlich sind (Slaves) (alternativ können auch das Stellglied 13 (oder das Stellglied 14) der Master und die Stellglieder Slaves sein). Bei einer Ausführungsform unterscheiden sich die Stellglieder zusätzlich dadurch, daß das Stellglied 12 (als Master) einen Phasenschieber enthält, mit dem die Phasenlage(n) der Slave-Schwingung(en) bezüglich der der Master-Schwingung variabel einstellbar synchronisiert werden können und gegebenenfalls die Phasenlage der Master-Schwingung eingestellt werden kann. Die Slaves können auch Phasenschieber enthalten, mit denen sie die Phasenlagen der über sie erregten Slave-Schwingungen bezüglich der der Master-Schwingung einstellen können.
Die schwingende Oberfläche der Piezokeramikelemente hat gegenüber dem Oberteil einen Neigungswinkel γ = Der Neigungswinkel γ bestimmt den Wurfwinkel β der geförderten Teile: β = 90° – γ
Die Länge der zu den Fördereinheiten 3 bzw. 4 gehörenden Schwingungsvektoren
bzw.
in der Wurfrichtung sind – wie die 2a zeigt – abhängig von den Spannungen U_A1 und U_A2 bzw. Ladungen Q_A1 und Q_A2 (y_A1 = f(U_A1) bzw. f(Q_A1) y_A2 = f(U_A2) bzw. f(Q_A2)), mit denen die piezoelektrischen Wandler mit den Stellgliedern 12 bzw. 13 angesteuert werden.
In der 3 ist ein Fördersystem 1' gezeigt, das im Aufbau im wesentlichen mit dem in den 1 und 2 gezeigten Fördersystem 1 übereinstimmt (entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszei chen benannt). Die beiden Systeme unterscheiden sich in der Art der Erregung. Sie erfolgt bei dem System 1' anstatt mit piezoelektrischen Wandlern mit Elektromagneten 17, wobei Blattfedern 18 mit einer Federkonstante D über die Ober- und Unterteile 5 bzw. 6 erregt werden. Die Elektromagneten werden mit Strömen I_A1, I_A2 usw. mittels der Stellglieder 12 bis 14 angesteuert. Die 2a gilt, sofern auf den Abszissen die Ströme I_A1 bzw. I_A2 aufgetragen werden, entsprechend für das in der 3 gezeigte Fördersystem.
werden die dazugehörenden Schwingweiten y_R1, y_R2, y_R3 usw. der Reaktionsschwingungen (Störschwingungen) erzeugt. Das Verhältnis χ₁ der auf das Oberteil übertragenen Aktionskraft zu der auf das Unterteil übertragenen Reaktionskraft, d.h. beispielsweise F_A1 : F_R1, wird (s.o.) in [%] angegeben. Der als Faktor angegebene Kopplungsgrad χ₂ (Störkraftfluß) zwischen den auf die Unterteile zweier Fördereinheiten, wie der Fördereinheiten 2 und 3, wirkenden Schwingungsenergien F_R1 und F_R2, wobei die Kopplung über die Grundplatte erfolgt, ist durch die Dämpfungskonstante d_R der
die Minimierung der Störvektoren zwischen den Fördereinheiten 3 und 4 möglich.
Die Stellglieder haben beispielsweise die in der Beschreibungseinleitung beschriebene vorteilhafte Ausbildung oder die im Zusammenhang mit den 12 und 13 beschriebenen Ausbildungen. Mit ihnen lassen sich Frequenzwerte > etwa 1 Hz, typischerweise zwischen etwa 100 Hz und etwa 2 kHz, absolut stabil einstellen (zu berücksichtigen ist allerdings, daß elektromagnetisch angetriebene Erreger, nur Schwingungen mit Frequenzen bis etwa 100 Hz erzeugen können). Netzfrequenz- und Netzfrequenzschwankungen wirken sich nicht aus. Die Wechselströme bzw. Wechselladungen am Ausgang der Stellglieder sind symmetrisch. Dadurch lassen sich harmonische mechanische Schwingungen auch bei hohen Frequenzen erzeugen.
Die obigen auf Linearförderer, d.h. geradlinig transportierende Förderer, bezogenen Ausführungen gelten (s.o.) im Prinzip auch für Förderer, deren Transportweg Krümmungen bzw. Kurven aufweist (Quasi-Linearförderer), wobei die Konstanz der Schwingungsvektoren nach Betrag und Richtung (bezogen auf die jeweilige Richtung des Transportwegs) und die Genauigkeit, mit der die geförderten Teile auf der richtigen Spur gehalten werden, über die Anzahl der Erreger entlang des Transportwegs gesteuert wird. Dies ist bei der Anwendung kompakter, wenig Raum beanspruchenden Erreger, wie der piezoelektrischen Wandler, flexibel möglich, ohne daß sich benachbarte Erreger gegenseitig behindern. Bei den (eigentlichen) Rundförderern ist die Situation insofern etwas anders wie bei Linearförderern als die Förderteile ausgehend vom Zentrum spiralig ansteigend (entlang dem Förderweg 29) transportiert werden, wobei die federnden Elemente auf Radien eines Kreises bei gleichem Mittelpunktsabstand angeordnet sind. Üblicherweise sind die federnden Elemente, wenn n von ihnen vorhanden sind, bezüglich der Mittelachse n-strahlig symmetrisch angeordnet. Bei der Schwingungserzeugung kommt es teilweise auf Trägheitsmomente statt auf Massen an Die Schwingerkenngröße bei Rundförderern ist
Dies ist bei der Konstruktion der Rundförderer zu berücksichtigen. Bei Rundförderern können aber dieselben federnden Elemente wie bei Linearförderern eingesetzt werden. Am Ausgang des Rundförderers ist die Bewegung der tangential wegstrebenden Förderteile praktisch geradlinig, was den Übergang zu einem benachbarten Förderer, wie einem Linearförderer, erleichtert.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird der Schwinger bei einer Erregungsfrequenz betrieben (Arbeitspunkt), welche in der Nähe seiner Resonanzfrequenz liegt, aber nicht mit ihr zusammenfällt.
Die Schwingweite der erzwungenen Schwingung, die sich auf dem Grundgesetz der Dynamik ableiten läßt, ist:
Wenn mit der Resonanzfrequenz erregt wird, wird der Klammerausdruck im Nenner 0. D.h. y_A ist hyperbolisch abhängig von d, weshalb das System sehr weich und damit stark dämpfungsabhängig ist.
Wie die experimentell ermittelten Kurven 25 und 26 in den 4 und 5 zeigen, werden, wenn der Arbeitspunkt bei f₀ + 1,5 Hz liegt, Dämpfungsänderungen bei gleichzeitigen Erhaltung der harmonischen Schwingbewegung des Schwingers kompensiert, weshalb dieser Arbeitspunkt für schwierige Kunststoffteile, d.h. solche, die leicht sind und nur eine geringe Auflagefläche haben, gut geeignet ist. Weiter erhält man, wenn der Arbeitspunkt bei f₀ – 3Hz liegt, eine konstante (stabile) Fördergeschwindigkeit auch bei großen Gewichtsänderungen der Förderteile.
Bei dem in der 4 gezeigten Diagramm sind auf der Abszisse Frequenzwerte aufgetragen und auf der Ordinate Schwingweitenwerte. Die Kurve 24 zeigt die Schwingweite y₀, wenn der Schwinger mit seiner Resonanzfrequenz ω₀ erregt wird (ungedämpfte Schwingung). Die Kurve 25 zeigt Schwingweitenwerte y_A, die sich einstellen, wenn der Schwinger bei Frequenzen zum Schwingen gezwungen wird (erzwungene Schwingung), welche etwas höher (beispielsweise bei dem Wert f_A = f₀ + 1,5 Hz) als die Resonanzfrequenz ω₀ liegen. Der Verlauf der Kurve 25 zeigt, daß ein Frequenzbereich oberhalb der Resonanzfrequenz existiert, für den gilt, daß die Schwingweite immer denselben Wert hat, wenn sie mit einer innerhalb des Bereichs liegenden Frequenz erregt wird.
Das Ergebnis kann man sich plausibel machen, wenn man die o.g. Gleichung (IV) anwendet. Wird der Schwinger mit einer f_A erregt, welche = f₀ + 1,5 Hz ist, wobei f₀ der Resonanzfrequenz bei einer festgelegten Beladung entspricht, so erhält man eine bestimmte Schwingweite y_A. Erhöht man die Beladung, wird ω₀ kleiner, da die Masse erhöht wird und sich gleichzeitig die Dämpfungskonstante d des Schwingers erhöht. Da ω_A gleich bleibt und sich die Masse m_r erhöht hat, wird der Absolutwert des ersten Summanden im Nenner der Gleichung (I) größer, wobei sein Vorzeichen negativ ist, und der zweite – positive – Summand wird wegen der Erhöhung von d auch größer. Da die Summanden voneinander abzuziehen sind, bleibt der Nenner in erster Näherung konstant, d.h. die Schwingweite y_A ändert sich höchstens unwesentlich. Es ist also so, daß – was die Kurve 25 zeigt – trotz des durch die Beladungsänderung verursachten vergrößerten Abstands zwischen ω₀ und ω_A sich die Schwingweite y_A nicht ändert.
In dem in der 5 gezeigten Diagramm sind – wie in der 4 – auf der Abszisse Frequenzwerte aufgetragen und auf der Ordinate Schwingweitenwerte. Die Kurve 24 zeigt die Schwingweite y₀, wenn der Schwinger mit seiner Resonanzfrequenz ω₀ erregt wird. Die Kurve 26 zeigt Schwingweitenwerte y_A, die sich einstellen, wenn der Schwinger bei Frequenzen zum Schwingen gezwungen wird, welche etwas niedriger (beispielsweise bei dem Wert f_A = F₀ – 3 Hz) als die Resonanzfrequenz liegen. Der Verlauf der Kurve 26 zeigt, daß ein Frequenzbereich unterhalb der Resonanzfrequenz existiert, für den gilt, daß die Elongation immer denselben Wert hat, wenn sie mit einer innerhalb des Bereichs liegenden Frequenz erregt wird. Auch dieses Ergebnis kann man anhand der Gleichung (IV) plausibel machen: wird der Schwinger mit einer f_A erregt, welche = f₀ – 3 Hz ist, wobei f₀ der Resonanzfrequenz bei einer festgelegten Beladung entspricht, so erhält man eine bestimmte Schwingweite y_A. Erhöht man die Beladung, wird ω₀ kleiner, da die Masse erhöht wird und sich gleichzeitig die Dämpfungskonstante d des Schwingers erhöht. Da ω_A gleich bleibt, wird der Klammerausdruck im ersten Summanden des Nenners der Gleichung (III) kleiner und zwar, da die ω-Werte quadriert sind, beachtlich kleiner, weshalb der Wert des ersten (positiven) Summanden trotz der höheren Masse mr abnimmt. Der zweite – ebenfalls positive – Summand wird wegen des größeren d größer. Da die Summanden zusammenzuzählen sind, bleibt der Nenner, da sich die Summanden gegensinnig ändern, in erster Näherung konstant, d.h. die Schwingweite y_A ändert sich höchstens unwesent lich. Es ist also so, daß – was die Kurve 25 zeigt – trotz des durch die Beladungsänderung verursachten verkleinerten Abstands zwischen ω₀ und ω_A sich die Schwingweite y_A nicht ändert.
Die Phasenlage der erzwungen Schwingung bezüglich der angreifenden Kraft ergibt sich entsprechend der aus der Schwingungslehre bekannten Gleichung:
Demnach ist bei Erregung mit der Resonanzfrequenz φ = 90°, da arc tg ∞ = 90° ist. Wird mit einer Frequenz erregt, welche etwas oberhalb der Resonanzfrequenz liegt (oberkritischer Arbeitspunkt), bewegt sich φ von 90° in Richtung 180° (gegenphasiger Bereich). Wird mit einer Frequenz erregt, welche etwas unterhalb der Resonanzfrequenz liegt (unterkritischer Arbeitspunkt), bewegt sich φ von 90° in Richtung 0° (gleichphasiger Bereich). Diese Verhältnisse geben die Diagramme in den 4a für den oberkritischen Arbeitspunkt (Kurve 27) und 5a für den unterkritischen Arbeitspunkt (Kurve 28) wieder, in denen die Phasenlage φ in [°] und in [rad] gegen die Frequenz in [Hz] und der Resonanzbereich (Halbwertsbreite) des Schwingers um seine Kenngröße durch von der Resonanzfrequenz ausgehende, zur Abszisse parallele gleich lange Pfeile gekennzeichnet ist.
Bei den angegebenen Bereichen der Erregungsfrequenzen bzw. der Phasendifferenzen bildet also das Fördersystem ein Intertialsystem, welches durch eine stabile Fördergeschwindigkeit ohne Rückführung auch bei großen Gewichtsänderungen ausgezeichnet ist. Werden Arbeitspunkte eingestellt, welche die beispielhaft genannten Differenzen zur Resonanzfrequenz von etwa + 1,5 und etwa – 3 Hz aufweisen, liegt, man bei der Anwendung auf Schwinger durchschnittlicher Güte, wie sie üblicherweise eingesetzt werden, mit der Phasendifferenz zwischen der erzwungenen Schwingung und der angreifenden Antriebskraft innerhalb der oben angegebenen Bereiche.
Die Resonanzfrequenz des Fördersystems läßt sich mittels der Vorrichtung bestimmen: Dazu wird die Fördereinheit 2 mit nur einem Prüfteil beladen. Dann wird beispielsweise mittels des von einem Handprogrammiergerät (s.u.) gesteuerten Stellglieds 12 bei einer festgelegten Spannung U₁ bzw. Ladung Q₁ bzw. Stromstärke I₁ die Antriebsfrequenz beginnend bei kleinen Weiten in Schritten ≥ etwa 1/10 Hz allmählich gesteigert (Einzelheiten s.u. im Zusammenhang mit 22). Bei der mechanischen Resonanz hat das Prüfteil die größte Geschwindigkeit, was mit dem Handprogrammiergerät festgestellt wird, wobei zu beachten ist, daß zwei oder mehr Resonanzen durchlaufen werden können. Die Hauptresonanzstelle ist die, bei der die Fördergeschwindigkeit am höchsten ist. Nunmehr wird die Erregerfrequenz auf einen Arbeitspunkt ω_A eingestellt, welcher – je nach dem Anwendungsfall – etwa 1,5 Hz höher oder etwa 3 Hz niedriger liegt als die Resonanzfrequenz.
Nachdem die Erregungsfrequenz eingestellt ist, wird die gewünschte Fördergeschwindigkeit über die Einstellung der Schwingkraft und der Impulsform des Erregungsstroms erzeugt. Die Schwingkraft F_A wird bei piezoelektrischen Wandlern entsprechend der Für den piezoelektrischen Effekt geltenden Beziehung F_A = K₁ · Q_A, wobei K₁ eine von den Eigenschaften des piezoelektrischen Wandlers abhängige Konstante ist, durch Zuführen einer Ladung Q_A bzw. aufgrund der Zusammenhänge Q_A = U_A · C, wobei C eine Kapazität ist, und Q_A = I_A · t durch Anlegen einer Spannung U_A oder durch Zuführen eines Stroms I_A erzeugt. Bei dem elektromagnetischen Wandler wird die Schwingkraft entsprechend der für die elektromagnetische Anregung geltende Beziehung F_A = K₂ · I_A ² mit zugeführtem Strom erzeugt, wobei K₂ eine von den Eigenschaften des elektomagnetischen Erregers abhängige Konstante ist. Die Anlegung der Ladung ist bei den piezoelektrischen Wandlern vorzuziehen, weil sie genauere Ergebnisse liefert. Beispielsweise ist die Beziehung zwischen eingestellter Ladung und der am Ausgang des Stellglieds gemessenen Ladung linearer als die zwischen eingestellter und gemessener Spannung. Bei dem Verfahren entfällt ein Abgleichen der Mechanik, d.h. des Schwingers, an die Erregungsfrequenz, beispielsweise der Abgleich in einem Gebiet mit 60 Hz-Netzfrequenz. Deshalb ist es u.a. möglich, die Mechanik zu typisieren und zu normieren. Beispielsweise sind dann Aufsatzwechsel in der Fördereinheit mit den entsprechenden Sollwerten der Schwingfrequenz und der Schwingkraft (Fördergeschwindigkeit) in einem Steuerprogramm normierbar.
Werden die in ihrer Mechanik praktisch identischen Fördereinheiten 2 bis 4 mit derselben Frequenz und derselben Schwingungsamplitude betrieben, ist die Förderung ausgezeichnet durch eine präzise ruhige Gleitbewegung der Förderteile, d.h keine Sprungeffekte, sondern eine Bewegung wie bei einem Tazzelwurm. Bei der Erregung mit dem piezoelektrischen Wandler kommt als entscheidender Vorteil gegenüber der mit einem Elektromagneten wegen der hohen Schwingfrequenz bzw. der hohen Schwingbeschleunigung, die erzeugt werden kann, ein gleiches Förderverhalten von unterschiedlichen Förderteilen und eine verbesserte Bewegungscharakteristik hinzu.
Die Stellglieder sind so ausgestattet, daß sie rechteckige, trapezförmige, dreieckige, sägezahnförmige und sinusförmige Impulse gezielt erzeugen können (beim elektromagnetischen Erreger entsteht aus einer rechteckigen Erregung eine dreieckförmige Schwingung). Durch die Impulsform kann man die Fördergeschwindigkeit (s.o.) und das Bewegungsverhalten der Förderteile beeinflussen. Die rechteckige Impulsform hat den Vorteil, daß das Loslaß verhalten des federnden Elements jeweils nach Durchlaufen der maximalen Amplitude gut ist und damit die bei sonst gleichen Verhältnissen erzielbare Fördergeschwindigkeit besonders hoch im Verhältnis zur eingesetzten Energie ist. Die Rechteckform macht aber wegen der bei ihrer Bildung beteiligten Oberwellen ein unangenehmes Geräusch. Bei der Dreieckform ist das Loslaßverhalten zufriedenstellend und Geräuschbelästigung ist geringer als bei der Rechteckform. Die Sinusform ist bei der Geräuschbelästigung am günstigsten, aber bei ihr läßt das Loslaßverhalten zu wünschen übrig. Diesen Nachteil kann man vermeiden, ohne daß man die Vorteile der Rechteckform einbüßt, indem eine Impulsform erzeugt wird, von der eine Variante in der 6 gezeigt wird. Sie wird erreicht, indem man ausgehend von einer Sinusform jeweils nach Durchlaufen der maximalen Amplitude kurzzeitig (bevorzugt für etwa 1/4 der jeweiligen Periodenzeit) die Energie abstellt. Bei einer weiteren Variante wird noch zusätzlich nach Durchlaufen des Nullpunkts die Energie kurzzeitig abgestellt. Die Wechselströme, Wechselspannungen bzw. Wechselladungen am Ausgang der Stellglieder sind symmetrisch. Deshalb lassen sich harmonische mechanische Schwingungen auch bei hohen Frequenzen erzeugen.
Unter den genannten Bedingungen findet bereits eine sehr ruhige präzise Förderungsbewegung statt, jedoch führen – trotz der Dämpfung durch die Gummischeiben zwischen Unterteil und Grundplatte – Schwebungen, Überlagerungen (Interferenzen) von mechanischen Störschwingungen bzw. Reaktionskräften und die zu große Breite der Spalte zwischen den Fördereinheiten oft zu Störungen im Förderfluß von Fördersystemen, wie solchen mit auf eine gemeinsame Grundplatte montierten Fördereinheiten (s. 1 bis 3).
Die Wirkung der Störkraft ist bei solchen Fördersystemen abhängig von der erregenden Kraft, von χ₁ und von χ₂. Abhilfe kann nach Ausschöpfung verschiedener mechanischer Maßnahmen, wie der Verbesserung der Dämpfungs- bzw. Abstützfunktion der einzelnen Fördereinheiten, durch das Zusammenwirken der Master- und Slave-Stellglieder mit gutem Erfolg erreicht werden. Insbesondere bei der Verwendung von gleichartigen mechanischen Fördereinheiten lassen sich bei voller Nutzschwingung hohe Kompensationseffekte nachweisen, wobei die Anzahl der Slave-Schwinger beliebig ist.
Das Master-Slave-Verfahren zur Kompensation (Reduzierung) von Reaktionsschwingungen, Schwebungen, Störkräften und Reaktionskräften an benachbarten, synchron betriebenen Fördereinheiten beruht darauf, daß Störkraft- bzw. Reaktionsschwingungen sich gegenseitig teilweise auslöschen. Aufgrund der Reduzierung der Störkräfte lassen sich die Förderteile bereits beachtlich präzise und ruhig fördern. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zusätzlich der Phasenunterschied zwischen den Reaktionsschwingungen so eingestellt wird, daß der resultierende Summenvektor der Störkraftvektoren der synchron schwingenden Einzelschwinger durch Phasen- und Betragsabgleich ein Minimum erreicht bzw. beim Vorliegen besonders günstiger Bedingungen Null wird. Zu den genannten Bedingungen gehören u.a., daß die Schwingungsvektoren der Schwingungen, die sich kompensieren sollen, etwa dieselbe Wirkungslinie haben, d.h., daß die Schwingungsvektoren etwa in derselben Richtung oder entgegengesetzt dazu schwingen (mit den piezoelektrischen Wandlern ist dies auch dann realisierbar, wenn der Transportweg gekrümmt ist (s.o.)). Haben die Schwingungsvektoren nicht etwa dieselbe Wirkungslinie kann der Summenvektor nicht Null werden. Es läßt sich aber eine teilweise Reaktionsschwingungskompensation erreichen, die umso besser ist, je weniger die Wirkungslinien voneinander abweichen. Eine weitgehende Minimierung des resultierenden Summenvektors ist aber auch bei abweichenden Wirkungslinien durch den Einbau mindestens eines zusätzlichen federnden Elements möglich, dessen Position bezüglich der anderen federnden Elemente, mit denen es synchron schwingt und von denen es sich gegebenenfalls gezielt in der Phasenlage unterscheidet, und dessen Schwingungsvektor nach Betrag und Richtung entsprechend dem Ergebnis einfacher versuche eingestellt werden kann. Entsprechend läßt sich (s.u.) das Master-Slave-Verfahren auch für die Minimierung der Übergangsspalte zwischen benachbarten Fördereinheiten einsetzen.
Das Phasen-Betragsschaubild (komplexes Übertragungsmaß) in der 7 zeigt Phasenlagen bezüglich der Masterschwingung und F_A (Erregungs)-, Q_A (für die piezoelektische Erregung)- und I_A (für die elektromagnetische Erregung)-Beträge der Schwingung eines Slave-Schwingers, wobei der Slave mit dem Master verbunden ist. Die Phasenlage der Schwingung läßt sich dabei zwischen 0° und 360° (+/– 3,6°) gesteuert vom Master oder vom Slave einstellen und die Q_A-Beträge sind von 1% bis 98% mit dem Slave wählbar, wobei Master und Slave synchron betrieben werden. Wie die 7 zeigt, ist auf diese Weise jeder Punkt in der Phasen-Betragsebene einstellbar. Übertragen auf die in den 1 bis 3 gezeigten Systeme ergibt sich aus dieser Erkenntnis, daß, wenn der Betrag des Störvektors der Slave-Schwingung und sein Phasenunterschied abgestimmt auf den entsprechenden Störvektor der Master-Schwingung
Für den Fall, daß der resultierende Summenvektor sich in Richtung 0 bewegt, gilt für die Störkraftkompensation:
Bei der Einstellung der Phasenlage müssen – wie die 7a zeigt – die mechanischen Schwingerarbeitspunkte berücksichtigt werden. in dem Diagramm in der 7a ist die Phasenlage φ der Erregungsschwingung in [°] und in [rad] (bezogen auf die der erregenden Kraft) gegen die Antriebsfrequenz in [l/s] aufgetragen. Gezeigt sind (jeweils durch von der Resonanzfrequenz ausgehende gleich lange und zur Abszisse parallele Pfeile) der Resonanzbereich des Schwingers um seine Kenngröße und der Bereich, in dem der Schwingerarbeitspunkt liegen kann. Während also der Phasenunterschied zwischen der ungedämpften Schwingung in Resonanz und der erregenden Kraft immer 90° beträgt, hängt die Phasenlage am Schwingerarbeitspunkt davon ab, ob die Antriebsfrequenz ω_A unterhalb oder oberhalb der Resonanzfrequenz ω₀ liegt und wie groß dabei der Frequenzunterschied ist. Die Schwingerkenngrößen (ω₀ von Master- und Slave-Schwingern sollten etwa im 5%-Bereich übereinstimmen, damit die Beträge der Schwingweite gleich gemacht werden können.
Die Störkraft-Kompensation zwischen Rund- und Linearförderern ist an der Materialflußlinie ebenfalls mit gutem Erfolg möglich, da hier die Drehschwingung des Rundförderers als "Längsschwingung" wirkt (s. die mathematische Darstellung).
Mathematisch läßt sich die Reaktionsschwingungskompensation, d.h. die Minimierung (Null-Indikation) des resultierende Summenvektors der Störkraftvektoren, wie folgt darstellen:
Der eben angeführte Begriff "Längsschwingung" ist eine vereinfachte Darstellung für die in Wirklichkeit vorhandene dreidimensionale, longitudinale, mechanische Reaktionsschwingung mit der Schwingweite y_R, die durch den komplexen Ausdruck
beschrieben werden kann, wobei j für "imaginär" und φ_R für die Phasenlage der Schwingung mit der Schwingweite y_R bezüglich eines Bezugspunkts, beispielsweise der Phasenlage der Schwingung, mit der sie interferiert, steht. Die Schwingung mit der Schwingweite y_R wird erzeugt durch eine an der Feder (mit der Federkonstanten D) wirkende, ladungsproportionale Erregerkraft von der Form
Die Schwingweite y_R der Reaktionsschwingung ist nach dem Schwerpunktsatz eine Funktion der Massen- bzw. Massenträgheitsmoment-Verhältnisse der mechanischen Schwinger. Es verhält sich die Aktionschwingung y_A zur Reaktionsschwingung y_A umgekehrt (reziprok) wie die Nutzmasse m₂ zur Grund- bzw. Freimasse m₁ bzw. die entsprechenden Trägheitsmomente J₂ und J₁ zueinander. Es ist
somit ergibt sich:
In der 8 ist die Ortskurve der Reaktionsschwingungskompensation von Störschwingungen mit den Schwingweiten y_R1 und y_R2 für

= 0 bedeutet, daß der Summenvektor Null ist. In dem Diagramm der 8a ist der Betrag Δy_R der Störschwingung bei y_R1- bzw. y_R2-Werten von je 1 mm im Synchronbetrieb von zwei benachbarten Schwingern als Funktion des Phasenlage φ_R2 von y_R2 aufgetragen.
Anhand der 9 soll die Minimierung der Spalte zwischen kaskadierten Fördereinheiten erläutert werden. In der 9 sind drei aneinander gekoppelte Fördereinheiten 2', 3 und 4 eines – gegebenenfalls viele Fördereinheiten aufweisenden – Fördersystems 1' gezeigt, welche auf einer gemeinsamen Grundplatte 10 stehen. Die Fördereinheit 2' ist ein Rundförderer. Die Fördereinheiten 3 und 4 sind wie die Fördereinheiten 3 bzw. 4 in den 1 und 2 aufgebaut. Die Aktionsschwingungen mit den Elongationen y_A1, y_A2 und y_A3 wirken mit dem Wurfwinkel β auf die Oberteile 5 (Förderschienen) der Fördereinheiten 2', 3 und 4, deren Nutzmassen bzw. Nutzträgheitsmomente m₂ bzw. J₂ sind. Die Förderrichtung ist mit einem zum Oberteil parallelen Pfeil angezeigt. Übergangsspalte S (Bezugsnummer 80) trennen die Fördereinheiten. Die Fördereinheiten 2', 3 und 4 werden von mit ihnen und unter einander elektrisch verbundenen Stellgliedern 12, 13 bzw. 14 gesteuert. Mit den Stellgliedern werden die Beträge U_A, Q_A bzw. I_A und die Frequenz eingestellt, mit denen die zugehörigen Fördereinheiten angesteuert werden. Das Stellglied 12 ist der Master und die Stellglieder 13 und 14 sind die Slaves. Der Master sorgt für den synchronen Betrieb der Stellglieder, d.h. dafür, daß (ω_A1 = ω_A2 = ω_A2 usw. ist. Der Master 12 kann außerdem den Phasenunterschied zwischen den Master- und den Slave-Schwingungen – bevorzugt an Slave-Schwingern – einstellen. Die Stellglieder 13 und 14 und gegebenenfalls weitere vorhandene Stellglieder haben die Funktion von Slaves, d.h. sie sind dem synchronen Betrieb unterworfen. Die Stellglieder 13, 14 usw. können so ausgestattet sein, daß sie die Phasenlage der ihnen jeweils zugehörigen Slave-Schwingung bezüglich der Master-Schwingung einstellen können (Alternativ können auch die Stellglieder 13, 14 usw. als Master und die jeweils anderen Stellglieder als Slaves fungieren).
Die Fördergeschwindigkeit V der kaskadierten Fördereinheiten 12', 13 und 14 (s. 9) soll einheitlich sein, V ist = f(y_A) und die Schwingweite der Aktionsschwingung durchläuft eine harmonische Bewegung für die gilt:

y_A =
· sinω_t.

Für eine einheitliche Förderung müssen also die Fördereinheiten synchron (frequenzgleich) und mit gleichem y_A betrieben werden. Auch wenn diese Bedingungen erfüllt sind, kann der Spalt 80 zwischen einzelnen Fördereinheiten insbesondere bei kritischen Förderteilen Probleme verursachen (Anschlag- bzw. Berührungseffekte, Spaltvergräßerung, gegenläufige Bewegung der Fördeeinheiten Der Grund hierfür ist die von ihrem Schwingerarbeitspunkt abhängige mechanische Phasenlage der Fördereinheiten (s. 7a). Die spezifischen mechanischen Phasenlagen der Aktionsschwingungen werden mit φ_A1, φ_A2, φ_A3 usw. bezeichnet. Sie sind auf eine gemeinsame Bezugsphasenlage (insbesondere auf die Phasenlage der Master-Schwingung, d.h. auf φ_A1) bezogen. Sind die Phasenlagen unterschiedlich, schwingen die Fördereinheiten so, daß die Breite der Spalte zwischen ihnen nicht konstant sind, da gilt:
Abhilfe ist mittels der Master-Slave-Stellglieder 12, 13, usw. möglich, indem mit ihnen die Phasenlagen der die Fördereinheiten erregenden Schwingungen und deren Elongation eingestellt werden.
Werden die Bedingungen y_A1 = y_A2 usw. und φ_A1 = φ_A2 usw. durch entsprechenden Betrags- und Phasenabgleich der sychronisierten Stellglieder erfüllt, erreicht man, daß der differentielle mechanische Bewegungsablauf der einzelnen Fördereinheiten synchron und betrags- und phasenmäßig absolut gleich verläuft, was bedeutet, daß die Spaltbreite konstant ist. Dies erlaubt, den Spalt sehr klein zu machen. Bei optimalen mechanischen Bedingungen sind Spaltbreiten von ≤ 0,1 mm möglich.
In der 10 ist die Ortskurve des Übertragungsspalts S, wenn auf zwei aneinander grenzende, kaskadierte Fördereinheiten Aktionsschwingungen mit den Schwingweiten y_A1 und y_A2 wirken, für
betrags- und phasengleich schwingen. In dem Diagramm der 10a ist der Betrag Δ_yS des Übergangsspalts S bei y_A1- bzw. y_A2-Werten von je 1 mm im Synchronbetrieb von zwei gekoppelten Fördereinheiten als Funktion der Phasenlage φ_A2 von y_A2 aufgetragen.
Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens unter Verwendung des in der 9 gezeigten Fördersystem ist jedoch keine Störkraftkompensation möglich. Eine konstante Spaltbreite bei gleichzeitiger Störkraftkompensation ist allerdings möglich, wenn in die Fördereinheiten 2', 3 und 4 noch zusätzliche auf die Unterteile und eine freischwingende Hilfsmasse wirkende federnde Elemente eingebaut werden, welche den federnden Elementen 7 benachbart sind, welche über ihnen zugeordnete Erreger und Stellglieder erregt werden, wobei diese Stellglieder mit den Stellgliedern 12, 13 und 14 synchron und betrags- und phasenrichtig so betrieben werden können, daß eine Reaktionsschwingungskompensation an den Unterteilen 6 der Fördereinheiten erreicht werden kann. Unter diesen Bedingungen werden dann keine oder nur minimale Störkräfte auf die Grundplatte 10 übertragen und die Fördereinheiten können so miteinander betrieben werden, daß der Übergangsspalt zwischen ihnen eine konstante Breite hat.
Mit dem Fördersystem kann Energie gespart werden, wenn die nicht für die mechanische Arbeit verbrauchte Energie in Form eines Stroms I_R vom Piezokeramikelement zum Stellglied zurückfließt.
Die 11 zeigt die Schaltung, die diese Energierückführung ermöglicht und wie folgt funktioniert. In der 11 ist als Last ein piezoelektrischer Wandler eingezeichnet. Die Last kann aber auch ein Elektromagnet sein. Der treibende, aus dem Primärstromkreis stammende Strom I_A setzt sich zusammen aus I_E (Strom aus dem Versorgungsnetz) und I_C (Strom aus einem Ladungsspeicher 34). Dieser Strom I_A fließt über einen Zweig der Vollbrückenendstufe 35 (Sekundärstromkreis) des Stellglieds in die Last 31 (piezoelektrischer Wandler oder Elektromagnet) des Schwingers. Dort bewirkt es eine Verformung des Wandlers bzw. den Aufbau eines Magnetfeldes. Werden die Transistoren 32 der Endstufe gesperrt, dann wird durch die Rückverformung des piezoelektrischen Wandlers bzw. die Induktionswirkung im Elektromagneten eine Spannung erzeugt. Diese Spannung treibt einen Strom I_R, der dann über Dioden 33 zurück zum Ladungsspeicher fließt. So wird ein Großteil der Energie, die in die Last fließt, wieder zurückgewonnen. Nur ein geringer Teil, der durch Reibung (mechanische Dämpfung) verloren geht, muß vom Versorgungssnetz zugeführt werden.
Messungen haben ergeben (s, das Diagramm in der 11a, in dem I_A und der Wirkungsgrad
(= I_A/I_E) der Stromrückgewinnung als Funktion von I_E aufgetragen sind), daß sich mit dieser vorteilhaften Ausführungsform also bis zu 2/3 des Erregungsstroms zurückgewinnen lassen.
Anhand des in der 12 gezeigten elektrischen Blockschaltbilds soll erläutert werden, wie die Erfindung unter Einsatz der Reaktionsschwingungskompensation und der Energierückgewinnung – bevorzugt – programmgesteuert funktioniert. Die Fördereinheit soll wie die in der 2 gezeigte ausgebildet sein. Bei dem gewählten Beispiel wird die mit piezoelektrischen Wandlern erregte Fördereinheit mit einer Wechselladung angesteuert. Das Gesagte gilt aber für die Ansteuerung mit einer Wechselspannung entsprechend.
Das Stellglied 12 (Master) wird mittels eines – nicht gezeigten – mit dem Master verbundenen Handprogrammiergeräts betätigt, mit dem alle erforderlichen Schritte gesteuert werden. Mit dem Potentiometer 41 des Stellglieds wird – wahlweise manuell – eine gewünschte Ausgangsladung eingestellt (die Sollwerte für die Ladungsansteuerung bzw. die Spannungsansteuerung, d.h. die Eingangsdaten liegen zwischen 0 und 10 V(olt), 0 und 20 mA oder werden an einem 10k-Potentiometer abgegriffen). Das Stellglied erzeugt entsprechend der Einstellung aus den vom Netzteil 42 gelieferten und aus der bei der Energierückführung in der 1. Endstufe 43 gewonnenen Energie die tatsächliche Ausgangsladung Q_A1. Anschließend wird verglichen (Ladungsmesser 44, Vergleichskomponente 45), ob Q_A1 mit der eingestellten Ausgangsladung übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, wird mittels des Regelverstärkers 46 der gemessene Wert korrigiert. Der Regelverstärker ist mit einem Wahlschalter 47 ausgestattet, um sowohl Spannungen als auch Ladungen verstärken zu können. Beginnend bei 1 Hz wird mit einem softwaregesteuerten Frequenzgenerator 48 in Schritten ≥ etwa 1/10 Hz die Frequenz des Ausgangssignals erhöht, bis die Resonanzfrequenz der mit dem Erreger 55 erregten Fördereinheit erreicht ist. Bei der Resonanzfrequenz ist die Fördergeschwindigkeit am höchsten. Das Maximum wird visuell, akustisch anhand der Fördergeräusche oder mittels der Zeit, welche ein Probekörper benötigt, um eine festgelegte Strecke zu durchlaufen, ermittelt (Messvorrichtung 49). Wird festgestellt (beispielsweise mittels der Vergleichskomponente 50), daß die Resonanzfrequenz erreicht ist, wird die Erregungsfrequenz auf einen Wert 1,5 Hz über oder 3 Hz unter der Resonanzfrequenz eingestellt. Mit einer Komponente 51 wird softwaregesteuert die gewünschte Form der Ausgangsimpulse, beispielsweise eine Sinus- oder Rechteckform erzeugt. Die Fördergeschwindigkeit wird erneut gemessen. Entspricht sie nicht dem gewünschten Wert (Vergleichskomponente 52), wird Q_A1 mit dem Potentiometer entsprechend geändert. Am Ausgang des anderen Stellglieds (Slave) 13, das – nicht gezeigt – den Komponenten 41 bis 48 und 51 entsprechende Komponenten und Bauteile für die Energierückführung enthält, wird – wie im Zusammenhang mit dem Master beschrieben – die Ausgangsladung Q_A2 erzeugt, welche gleich Q_A1 ist, deren Impulsform und Frequenz ebenfalls mit dem im Master erzeugten übereinstimmt, und mit welcher der Erreger 66 erregt wird. Mit dem Phasenschieber 53, der zum Master gehört, der aber auch zum Slave gehören könnte, d.h. gegebenenfalls enthalten sowohl der Master als auch der Slave einen Phasenschieber, wird eine Phasenverschiebung im Bereich 0 bis 360° zwischen der Master- und der Slave-Schwingung durch Verändern der Phasenlage der Slaveschwingung eingestellt. Dann wird beispielsweise mit einem Stroboskop 54, oder auch durch Berühren mit der Hand oder, indem ein Prüfteil auf die Grundplatte gelegt wird, gemessen, ob die Grundplatte vibriert. Ist dies der Fall, wird der Phasenunterschied so verändert, daß die Vibration an der Grundplatte schwächer wird. Läßt sich damit keine vollständige Auslöschung erreichen, wird auch Q_A2 noch etwas verändert, daß die Schwingung an der Grundplatte noch mehr gegen null geht. Gegebenenfalls werden die genannten Schritte ein- oder mehrfach wiederholt, bis die Schwingung an der Grundplatte ausgelöscht ist oder wenigstens einen minimalen Wert erreicht hat.
Mit diesen Einstellungen werden der Master und der Slave synchron betrieben (Frequenz identisch), wobei die Ladungen Q_A1 und Q_A2, die Impulsform, die Frequenz und der Phasenunterschied konstant gehalten werden.
Anhand der 13 werden nachfolgend verschiedene vorteilhafte Varianten der Ansteuerung der Fördereinheiten erläutert.
Zugrundegelegt ist das in der 9 gezeigte Fördersystem, d.h. die Erreger auf den federnden Elementen 7 in den Fördereinheiten 3 und 4 und der – nicht gezeigte – Erreger in dem Rundförderer 2' sind je mit einem der Stellglieder 12, 13 und 14 und diese untereinander verbunden. Für die Stellglieder sind Steuerungen vorgesehen, welche mit den Stellgliedern räumlich eine Einheit bilden und/oder als externe Steuerung ausgebildet sind.
Die Stellglieder beinhalten im erstgenannten Fall eine Endstufe mit Ansteuerung, die Stromversorgung der Endstufe und der Ansteuerung und die interne Steuerung. Die Endstufe wird von einer symmetrischen Vollbrücke bestehend auf sehr schnellen Hochvolt-Power-MOS-FET- bzw. IGBT-Transistoren und sehr schnellen Rückstromdioden für die teilweise Rückgewinnung der Erregungsenergie gebildet. zur Ansteuerung und der Strom- und Spannungsüberwachung der Power-Transistoren sind entsprechende Ansteuerbausteine, wie MOS-FET-Treiber, vorgesehen.
Zur Versorgung der Endstufe ist ein Zwischenkreis, bestehend aus einem Gleichrichter und entsprechenden Elektrolytkondensatoren, vorgesehen. Entscheidend ist hier die Größe der Kapazität. Auf der einen Seite muß die Kapazität so groß sein, daß keine Spannungseinbrüche (Welligkeiten) zustande kommen. Auf der anderen Seite besteht, wenn die Energie zurückgewonnen werden kann, d.h. wenn die Kondensatoren durch Rückstrom wieder aufgeladen werden können, die Möglichkeit, die Kapazität klein zu halten und somit Platz und Kosten zu sparen. Zur Versorgung der Ansteuerung dient bevorzugt ein getaktetes Netzteil, wie ein Sperrwandler-Netzteil. Es liefert sowohl die Spannungen für die Endstufenteile, als auch für die Steuerung.
Die interne Steuerung erfolgt bevorzugt über einen Microcontrol1er, beispielsweise der NEC-K3-Serie. Er steuert die Endstufe bevorzugt über einen ON-Chip PWM-Generator. Um die CPU bei der Berechnung beispielsweise der Sinuswellenform zu entlasten, wird bevorzugt die Kurvenform als Datentabelle im internen ROM-Speicher abgelegt. Zur Regelung der Ausgangsintensität lassen sich die digitalen Informationen aus der Datentabelle in 1%-Schritten zurückrechnen (Modulationsgradbestimmung). Auf der bestehenden Tabelle lassen sich auch modifizierte Kurvenformen berechnen, beispielsweise wenn die Sinusflanke zum Nulldurchgang hin verändert werden soll. Läßt man beispielsweise diese Flanke steiler verlaufen, so wird ein besserer Energierückfluß und ein besseres Ausschwingen der Mechanik (Feder) erreicht (s.o. 6). Wahlweise kann man, wenn mit einem Elektromagnet erregt wird, die Frequenz auch direkt als Rechteck auf den Ausgang legen, was an der Last einen dreieckförmigen Strom bewirkt, der ein anderes mechanisches Laufverhalten der Teile in der Fördereinheit bewirkt.
Die Frequenz des Ausgangsignals wird über einen internen Timer, beispielsweise einen 16-Bit-Timer, erzeugt. Mit einem solchen Timer wird der Frequenzbereich ≥ 1 Hz (nach oben keine Grenze die in der Praxis interessanten Frequenzen liegen aber nicht höher als etwa 20 kHz) mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Hz erfaßt. Der interne UART-Baustein des Mikrocontrollers bildet die serielle Schnittstelle zur Steuerung der Endstufe. Bevorzugt über einen aus Software gebildeten Befehlsinterpreter erfolgt die Steuerung aller Funktionen des Stellglieds. Die Steuerung des synchronen Betriebs von mit unterschiedlichen Stellgliedern (Master-Slave), wie den Stellgliedern 12, 13 und 14, angesteuerten Erregern durch eines der Stellglieder (Master), wie das Stellglied 12, beispielsweise bei der grenzüberschreitenden Förderung beim Übergang von einem Rund- zu einem Linearförderer (s.o.) und bei der Reaktionsschwingungskompensation (s.o.), erfolgt auch durch dessen Befehlsinterpreter.
Über zwei interne Analog/Digital-Converter lassen sich die elektrischen Parameter, wie die Netzspannung und den Ausgangsstrom für die Kompensation von Netzschwankungen, ständig überwachen.
Die Programmierung der Software für die interne Steuerung erfolgt aus Gründen der Leistungsfähigkeit bevorzugt in der controllereigenen Assemblersprache. Die komplexe Aufgabenstellung der Software erfordert den Aufbau eines eigenen Betriebssystems für den Microcontroller. Sämtliche Programmodule müssen parallel ablaufen können. Der Hauptprozessor des Microcontrollers muß hierfür in maximal acht virtuelle Prozessoren aufgeteilt werden (Echtzeit-Multitasking).
Die Programmierung der internen Steuerung der Stellglieder erfolgt insbesondere über ein Handprogrammiergerät 57. Nach der Programmierung wird, wenn an der Einstellung nichts mehr geändert werden muß, das Handprogrammiergerät nicht mehr benötigt. Soll die Möglichkeit einer späteren Änderung der Einstellung gegeben sein, wird das Handprogrammiergerät vorteilhaft anstelle der internen Steuerung angewandt. Es beinhaltet gegenüber der internen Steuerung zusätzliche Funktionen.
Das Handprogrammiergerät ist ebenfalls mit einem Microcontroller der NEC-K3-Serie bestückt. Ein Anzeigeelement, bevorzugt ein LCD-Display, ist vorhanden, das über ein paralleles Interface mit dem Microcontroller verbunden ist. Als Eingabeeinheit ist eine Tastatur mit 21 Tasten vorgesehen. Als Schnittstelle 58 (RS485) zum Stellglied dient ebenfalls der UART-Baustein des Microcontrollers.
Die Betriebsparameter können mit einer Zehner-Tastatur direkt eingegeben werden. Beispielsweise kann die Frequenz- und Intensitätseinstellung wahlweise über UP/DOWN-Tasten oder direkt mit der Zehnertastatur eingegeben werden. Das Handprogrammiergerät kann die Funktionen von bis zu 32 Stellgliedern steuern. Das Handprogrammiergerät wird über ein Stellglied mit Strom versorgt.
Die Programmierung der Software für das Handprogrammiergerät erfolgt auf Gründen der Leistungsfähigkeit ebenfalls bevorzugt in der controllereigenen Assemblersprache. Auch mit dem Handprogrammiergerät müssen parallele Programmabläufe bewältigt werden, wozu bevorzugt ebenfalls die Multitaskingtechnologie angewandt wird.
Mittels eines RS485/RS232-Interfaceconverters 59 mit galvanischer Trennung, welcher die Steuersignale des RS485-Bussystems in die einer Standard-RS232-Schnittstelle 60 umsetzt, und der entsprechenden Steuersoftware kann jeder handelsübliche PC oder Laptop 61 mit RS232-Schnittstelle das Stellglied steuern. Der Converter bietet auch die Möglichkeit, an der RS232-Schnittstelle anstelle eines PCs ein handelsübliches Modem 62 anzuschließen. Durch die Modemanbindung läßt sich über das öffentliche Telefonnetz 63, ein weiteres Modem 64 und eine weitere Schnittstelle RS232 das Stellglied von entfernten PC-Arbeitsplätzen 65 steuern.
Als Basis der PC-Steuersoftware eignet sich beispielsweise das Betriebssystem Microsoft Windows 95 oder Windows NT und als Programmiersprache beispielsweise Microsoft VISUAL BASIC. Der Aufwand für die Programmierung der PC-Steuersoftware ist dem beim Programmieren des Handprogrammiergeräts vergleichbar.

Claims

Schwingfördersystem mit mindestens einem Schwingungserreger (17, 18) und einem elektronisch steuerbaren Stellglied zum Erzeugen einer Wechselspannung, eines Wechselstroms oder einer Wechselladung mit einstellbarer Frequenz und variabel einstellbaren Amplitudenbeträgen, um damit den mindestens einen Schwingungserreger (17, 18) anzusteuern, wobei jeder Schwingungserreger je zwei Massen (5, 6, 10) erregt, zwischen denen er angeordnet ist, und von denen die eine Masse, die von einem Stück oder von mechanisch gekoppelten Massen gebildet wird, von allen Schwingungserregern erregt wird, wobei die andere der zwei erregten Massen (5, 8) eine fördernde Systemkomponente (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei solcher Stellglieder (12, 13, 14) mit variabel einstellbarem Frequenzgenerator vorhanden sind, daß die Stellglieder untereinander elektrisch verbunden sind, wobei eines der Stellglieder, das als Master wirkt, den bezüglich der Frequenz synchronen Betrieb des Masters und der weiteren Stellglieder steuert, die als Slaves wirken, daß mindestens eines der Stellglieder einen Phasenschieber enthält, um die Phasenlage der Slave-Schwingung gegenüber der Phasenlage der Master-Schwingung variabel zwischen 0 und 360° einstellen zu können, und daß die andere der zwei erregten Massen (5, 8) für von unterschiedlichen Stellgliedern (12, 13) angesteuerten Schwingungserregern voneinander getrennt sind.
Fördersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit mindestens einem Slave die Phasenlage jeder erzeugten, synchron mit der Master-Schwingung schwingenden Slave-Schwingung) einstellbar ist.
Fördersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den von einander getrennten Massen eine freischwingende Hilfsmasse gehört.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Masse oder die mechanisch gekoppelten Massen (6, 10) zur Unterkonstruktion des Fördersystems (1, 1') gehören.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine von dem einen Stellglied (12) angesteuerte Schwingungserreger (17, 18) das Oberteil (5) und das Unterteil (6), einer Fördereinheit (2) und der mindestens eine von einem weiteren Stellglied (13) angesteuerte Schwingungserreger eine freischwingende Hilfsmasse m₃, welche sonst keine Verbindung mit dem System hat, und das Unterteil der genannten Fördereinheit oder das Oberteil (5) und das Unterteil (6) einer anderen Fördereinheit (3) erregt, wobei mit der Hilfsmasse die beiden Fördereinheiten an eine gemeinsame Grundplatte gekoppelt sind.
Fördersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei Fördereinheiten (2, 3) enthält, welche räumlich nebeneinander oder hintereinander oder hintereinander und nebeneinander angeordnet sind.
Fördersystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Fördereinheiten (2, 3) mit einer Hilfsmasse ausgebildet sind.
Fördersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß pro Fördereinheit mindestens ein zusätzlicher Schwingungserreger vorliegt, welcher auf das Unterteil (6) und eine freischwingende Hilfsmasse wirkt und mit einem anderen Stellglied verbunden ist als dasjenige, welches den Schwingungserreger ansteuert, der das Oberteil (5) erregt, wobei beide Stellglieder miteinander verbunden sind und synchron betrieben werden können und daß mit einem der genannten Stellglieder die Phasendifferenz zwischen den über die genannten Stellglieder erzeugten Schwingungen einstellbar ist.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Fördereinheiten (2, 3) im Übergabebereich miteinander fluchten.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinheiten (2', 3, 4) Linearförderer, Quasi-Linearförderer oder Rundförderer sind.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellglied (12, 13) mehrere Schwingungserreger (17, 18) ansteuert.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserreger (17, 18) ein federndes Element erregt, das mit der fördernden Systemkomponente oder einer freischwingenden Hilfsmasse und der Unterkonstruktion des Fördersystems gekoppelt ist.
Fördersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Element (7, 19) von dem Schwingungserreger gebildet wird oder aus Metall oder Kunststoff besteht und als Blattfeder, Biegefeder, Drehfeder, Zugfeder, Spiralfeder und Druckfeder ausgebildet sein kann.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsvektoren verschiedener Reaktionsschwingungen entlang derselben Wirkungslinie verlaufen, so daß der Summenvektor gleich Null ist.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich ungleicher Wirkungslinien mindestens ein zusätzlicher auf die Masse oder die mechanisch gekoppelten Massen wirkender Schwingungserreger vorliegt, dessen Position bezüglich der anderen Erreger, mit denen er synchron schwingt und von denen er sich gegebenenfalls gezielt in der Phasenlage unterscheidet, und dessen Schwingungsvektor nach Betrag und Richtung bezüglich des Förderwegs variabel einstellbar ist.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (12, 13, 14) eine Endstufe aus symmetrisch geschalteten Hochvolt-Power- bzw. IGBT-Transistoren aufweisen, zu deren Ansteuerung Treiber Verwendung finden, daß die Endstufe über einen aus einem Gleichrichter und entsprechenden als Ladungsspeicher wirkenden Elektrolytkondensatoren bestehenden Zwischenkreis versorgt wird, daß ein getaktetes Netzteil die Spannungen oder Ladungen oder Stromstärken für die Endstufenansteuerung liefert, daß ein Timer die Frequenz des Ausgangssignals erzeugt, und daß die Endstufe bevorzugt elektronisch nach Art der Pulsweiten-Modulation (PWM) gesteuert wird.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungserreger Elektromagneten (17) vorliegen.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungserreger piezoelektrische Wandler (18) vorliegen.
Fördersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler aus einem piezokeramischen Material besteht, welches ein- oder zweiseitig auf einer Blattfeder (7) aufgebracht ist.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Frequenzgenerator die Erregungsfrequenz in Schritten von ≥ 1/10 Hz eingestellt werden kann.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß im Schwingungserreger (31) aufgrund des piezioelektrischen Effekts oder der elektromagnetischen Induktion erzeugte Elektrizität zurückgeführt und in den den Schwingungserreger (18, 17) treibenden Strom eingespeist werden kann.
Fördersystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in der Endstufe des Stellglieds (12, 13, 14), ein zum Ausgang des getakteten Netzteils parallel geschalteter Ladungsspeicher (34) vorliegt, in den die erzeugte Elektrizität über Dioden (33) geleitet werden kann.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, das die Resonanzfrequenz zwischen 4 Hz und 20 kHz liegt.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Steuerung aller Funktionen der Stellglieder und das Zusammenwirken der mindestens zwei Stellglieder über einen programmierten Microcontroller erfolgt.
Fördersystem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Microcontroller mittels eines peripheren Geräts programmier- und steuerbar ist.
Fördersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gerät ein mit dem Stellglied verbundenes Handprogrammiergerät (57) ist.
Fördersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Gerät ein PC (61, 65) ist, mit dem gegebenenfalls ferngesteuert programmiert und/oder gesteuert werden kann.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß seine Mechanik normiert und typisiert ist.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsfrequenz um die Resonanzfrequenz der Schwinger liegt, aber nicht mit der Resonanzfrequenz zusammenfällt.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsfrequenz 0,5 bis 3 Hz über der bei 100 Hz liegenden Resonanzfrequenz des Schwingers liegt.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsfrequenz 1 bis 5 Hz unter der bei 100 Hz liegenden Resonanzfrequenz des Schwingers liegt.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß durch gesteuertes Verändern der Ausgangsfrequenz über die Messung der Fördergeschwindigkeit die Resonanzfrequenz des Schwingers als Schwingerkenngröße ermittelt wird.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der Schwingungsvektoren und die Phasendifferenz zwischen den von zwei Stellgliedern (12, 13) angesteuerten Schwingungserregern (17, 18) ausgehenden Schwingungen so eingestellt werden, daß der Summenvektor der auf die genannte Masse wirkenden Schwingungsvektoren auf ein Minimum eingestellt wird.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasendifferenz zwischen den benachbarten, hintereinander angeordneten Fördereinheiten (2, 3, 4) erregenden mit gleichem Schwingweg schwingenden Schwingungen so eingestellt wird, daß die Breite des Übergangsspalts (80) zwischen den Fördereinheiten (2, 3, 4) konstant ist.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die die Unterteile (6) der hintereinander geschalteten, aneinander grenzenden und auf eine gemeinsame Grundplatte (10) montierte Fördereinheiten (2, 3, 4) erregenden Schwingungen kompensiert werden und die die Oberteile (5) der Fördereinheiten (2, 3, 4) erregenden Schwingungen so eingestellt werden, daß sie synchron und betrags- und phasengleich schwingen.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördergeschwindigkeit außer über die Erregungsfrequenz und die Schwingkraft über die Impulsform eingestellt wird.
Fördersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß bei sinusförmigem Impuls die Ladung/Spannung nach Durchlaufen der Maxima abgeschaltet wird, bevorzugt für etwa 1/4 der jeweiligen Periodenzeit.