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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Maschine mit
rotierenden Bauteilen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In
Maschinen mit rotierenden Bauteilen kommt es z.T. durch äußere Anregungen,
durch die Wechselwirkung der rotierenden Bauteile miteinander (Kanalschlag)
und/oder einem zu bearbeitenden Werkstoff (Schlaganregungen), aber
auch durch die Rotation der Bauteile (Unwuchten) selbst zu Anregungen
von Schwingungen. Für
den einzelnen Rotationskörper
existieren in Abhängigkeit
seiner Abmessung und seines Aufbaus Resonanzfrequenzen, welche durch
passende Anregungen – beispielsweise durch
eine bestimmte Drehzahl der Maschine – angeregt werden und sich
zu starken Schwingungen aufschaukeln. Während diese kritischen Anregungen
für den
einzelnen Rotationskörper
noch theoretisch ableitbar, simulierbar oder im Labor messbar sind,
ist dies für
ein Gesamtsystem mehrerer zusammenwirkender Teile unter Berücksichtigung
der Betriebsbedingungen kaum noch möglich. Aus Gründen der
Behebung dieser Resonanzen durch Verschieben, zur Vermeidung dieser
Produktionsdrehzahl und/oder zur Auswertung und Katalogisierung
im Sinne einer Fehlererkennung ist die Kenntnis hierüber für den Konstrukteur
und das Bedienpersonal jedoch von erheblicher Bedeutung.
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Durch
die
DE 198 21 854
C1 ist ein Verfahren zum Unterdrücken von Kontaktschwingungen
bekannt, deren Amplituden besonders groß ausfallen, wenn eine Resonanz
angeregt wird, welche einer höheren
Harmonischen der Drehfrequenz entspricht. Die Periode der Verformung
entspricht dieser Drehfrequenz. Der hieraus angeregten Schwingung
wird durch Aufbringen einer geeigneten Gegenkraft entgegengewirkt.
Um diese Gegenkraft aufzubringen, wird mittels eines Sensors die
Bewegung der Walze, d.h. deren Schwingung, aufgenommen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer Maschine mit rotierenden Bauteilen zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass ein einfaches Verfahren zur Verminderung von schwingungsbedingten Qualitätsverlusten
geschaffen wird, welches ohne spezielle Vorrichtungen zur gezielten
Aufbringung von Gegenkräften
auskommt. Einer Maschinensteuerung oder dem Bedienpersonal wird
ein vereinfachtes Verfahren an die Hand gegeben, mittels welchem für eine gewünschte Produktionsgeschwindigkeit
die Auswirkungen einer ggf. für
diese Drehzahl vorliegende Resonanzfrequenz bzgl. Schwingungsanregung
vermindert werden.
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Im
Gegensatz zu baulich und steuerungstechnisch aufwändigen Gegenmaßnahmen
kann hierbei die Schwingungsanregung in einfacher Weise bereits
in ihrer Entstehung vermieden werden. Grundsätzlich kann das Verfahren auch
zusätzlich
zu einer Gegenkräfte
aufbringenden Maßnahme
eingesetzt werden, wobei jedoch Größe und Aufwand benötigter Aktuatoren
erheblich kleiner ausfallen können.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines schwingenden Rotationskörpers;
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2 ein
idealisiert dargestelltes, schwingungsbedingtes Streifenmuster;
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3 ein
schematisches Diagramm zur Steuerung der Maschinendrehzahl in der
Nähe einer kritischen
Solldrehzahl.
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1 zeigt
ein rotierendes Bauteil 01 bzw. einen Rotationskörper 01,
z. B. einen Zylinder 01 oder eine Walze 01 einer
Maschine, z. B. einer Be- bzw. Verarbeitungsmaschine für Material 02 wie
Bahnen 02 oder Bogen 02, insbesondere einer Rotationsdruckmaschine.
Der Rotationskörper 01 ist
zu beiden Stirnseiten mittels Zapfen 03 (oder eine Achse 03 oder
Welle 03 des Zylinders 01) über entsprechende Lager 04,
z. B. Radiallager 04, rotierbar in Gestellen 06 gelagert.
Der Rotationskörper 01 ist i.d.R.
Bestandteil eines Systems zusammen wirkender Bauteile – wie z.
B. weiterer zusammen wirkender Zylinder oder Walzen und/oder der
zu bearbeitenden dargestellten Bahn 02. In 1 ist
daher schematisch ein zweites rotierendes Bauteil 07 bzw.
ein zweiter Rotationskörper 07 angedeutet,
welcher in der gleichen Weise rotierbar gelagert ist. Ein Widerlager, z.
B. ein weiterer Zylinder, auf der dem Rotationskörper 01 abgewandten
Seite der Bahn 02 ist nicht dargestellt. Die Bahn 02 kann
ggf. auch zwischen den Rotationskörpern 01 und 07 hindurchgeführt sein.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist der Rotationskörper 01 als
mit der Bahn 02 zusammen wirkender Zylinder 01 dargestellt,
welcher in einer Offsetdruckmaschine als ein einen elastischen Aufzug
(z. B. ein endliches Gummituch oder eine Gummituchhülse) auf
seiner Mantelfläche
tragender Übertragungszylinder 01 ausgeführt ist.
Der zweite Rotationskörper 07 stellt
hierbei einen eine Druckform tragenden Formzylinder 07 dar.
In einer Maschine für
den Direktdruck stellt der Zylinder 01 beispielsweise einen die
Druckform (Hochdruckdruckform, Tiefdruckdruckform, Flexodruckform)
tragenden Formzylinder 01 dar und der Rotationskörper 07 beispielsweise eine
Farbwalze 07.
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Nach
Maschinenstart wird der Rotationskörper 01 bzw. sämtliche
zusammen wirkenden Rotationskörper 01; 07 des
Systems auf eine gewisse Ziel- bzw. Solldrehzahl ṅsoll gebracht, welche mit der Produktionsgeschwindigkeit
korreliert. Liegt ein Vielfaches dieser Solldrehzahl ṅsoll nun im Bereich einer Resonanzfrequenz
vR (ab einer Harmonischen derselben) eines
einzelnen Rotationskörper 01; 07 und/oder
insbesondere des Systems, so kommt es nach einer gewissen Zeit zu
selbsterregten Schwingungen. Diese Schwingungen schlagen sich als Streifen
auf dem Aufzug des Übertragungszylinders 01,
auf der Druckform und/oder auf der bearbeiteten Bahn 02 bzw.
dem Bogen 02 nieder. Sie zeichnen sich durch einen über den
Umfang des Rotationskörpers 01 (bzw. über dessen
Umfang entsprechende Abschnittlängelänge der
Bahn 02) konstanten Abstand aus.
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2 zeigt
einen Ausschnitt eines derartiges Streifenmuster in der Abwicklung
der Mantelfläche
des betreffenden Rotationskörpers 01; 07 oder einem
Bearbeitungsmuster der Bahn 02. Hierbei wechseln sich periodisch
stärker
und weniger verfärbte
Stellen oder stärker
und weniger beanspruchte Stellen ab, welche mit bloßem Auge
erkennbar sind. Dies müssen
nicht unbedingt Farbunterschiede sein sondern können allgemein optisch erkennbare
Resultate unterschiedlicher Beanspruchung (glatte und weniger glatte
Stellen, erhabene bzw. eingedrückte Stellen,
etc.) in periodischer Anordnung in Umfangsrichtung sein. Bei einem Übertragungszylinder
bzw. Formzylinder 01 mit einem Umfang, welcher zwei Zeitungsseiten,
z. B. im Broadsheetformat, entspricht, kann beispielsweise eine
Anzahl k von 16 bis 25 derartiger Perioden feststellbar sein. Diese
Anzahl k entspricht nun dem ganzzahligen Verhältnis der Eigenfrequenz des
Rotationskörpers 01,
insbesondere des Schwingungssystems der beteiligten Zylinder 01; 07 (und
ggf. Gegendruckzylinder sowie Farb-/Feuchwalzen, d. h. des Druckwerks)
zur ursächlichen
Drehfrequenz, d.h. zur für
das Streifenmuster verantwortlichen kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k Das Vorliegen einer Resonanzschwingung,
und damit das Vorliegen einer kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k kann nun entweder durch einen Sensor 08,
wie er in 1 beispielhaft im Rotationskörper 01 angedeutet
ist, manuell durch das Bedienpersonal am sich bildenden Streifenmuster,
oder durch einen das Druckbild kontrollierenden, nicht dargestellten
Sensor erkannt werden. In einer Variante können auch ein oder mehrere beispielsweise
optisch wirksame Sensoren 08 in der Weise außerhalb
des zu beobachtenden Rotationskörpers 01; 07 angeordnet
sein, dass ein Abstand zu dessen Mantelfläche oder direkt ein Schwingungsbild
der Körpersilhouette
(z. B. über
CCD-Kamera) detektiert und
ausgewertet wird.
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Bei
dem Sensor 08 (bzw. mehreren Sensoren 08) kann
es sich um einen im Rotationskörper 01; 07 angeordneten
druck- bzw. zugsensitiver Sensor 08 (z.B. auf der Basis
eines Piezoelementes) handeln, welcher die mit der Schwingung einhergehende Verformung
bzw. Längenänderung
registriert und als Spannungssignal ausgibt. Der Sensor 08 kann
aber auch in anderer Weise wegsensitiv ausgeführt sein. Der Sensor 08 kann
jedoch auch an einem (oder beiden) Zapfen 03 angeordnet
sein. Auch kann ein drucksensitiver Sensor 08 auch im Bereich
des Lagers 04 angeordnet sein und die mit der Schwingung einhergehenden
Wechseldrücke
registrieren. In einer weiteren Variante können auch ein oder mehrere
beispielsweise optisch wirksame Sensoren 08 in der Weise
außerhalb
des Rotationskörpers 01; 07 angeordnet
sein, dass ein Abstand zu dessen Mantelfläche oder direkt ein Schwingungsbild
der Körpersilhouette
detektiert und ausgewertet wird. In vorteilhafter Ausführung sind
mehrere Sensoren 08 über
den Ballen des Rotationskörpers 01; 07 und/oder
des Zapfens 03 bzw. oberhalb dessen Mantelfläche in axialer
Richtung voneinander beabstandet angeordnet, um die Wahrscheinlichkeit
der Beobachtung lediglich eines potentiellen Schwingungsknotens
zu verkleinern.
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Durch
die Auswertung der Signale des Sensors 08 bzw. der Sensoren 08 kann
auf das Vorliegen einer Resonanzschwingung und damit auf das Vorliegen
einer kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k geschlossen werden.
Die betriebsmäßige Drehfrequenz,
d. h. die betriebsmäßige Drehzahl
des Rotationskörpers 01; 07,
ist hierbei i.d.R. deutlich geringer als die Frequenz der Resonanzschwingung.
Eine Anregung durch die Rotation erfolgt z. B. nicht in jeder Schwingung,
sondern, bei vorliegen einer Drehzahl als ganzzahliger Teiler einer
Resonanzfrequenz vR, in jeder dieser ganzen
Zahl entsprechenden Vielfachen einer vollen Schwingung.
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Zur
manuellen Bestimmung kann das Erreichen einer kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k hierdurch erkannt werden, dass die
oben genannte Streifenbildung (auf Drucktuch, Druckform und/oder
Druckprodukt) einsetzt. Um die hierzu gehörige Resonanzfrequenz vR des Bauteils bzw. des Systems zu erhalten, kann
die Anzahl k der Perioden (je ein Maximum M und ein Minimum m) für eine volle
Umdrehung des betreffenden Rotationskörpers 01; 07 oder
auf einem der Abwicklung entsprechenden Druckbildabschnitt ermittelt
und mit der für
die festgestellte Schwingung verantwortlichen kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k (Betriebsdrehzahl, jedoch in Umdrehungen/Sekunde
= Hz) multipliziert werden. Mit diesem Wissen könnten nun Resonanzfrequenzen
vR und deren höhere Harmonische festgestellt
werden und die zugehörigen Maschinendrehzahlen
als kritische Solldrehzahlen ṅsoll,k bei
der Produktion wie unten dargelegt vermieden werden. Das selbe kann
durch Ermitteln von Perioden an einer dem Umfang entsprechenden
Länge des
Druckbildes am Produkt erfolgen. Anderseits wäre es auch möglich, durch
Maßnahmen
wie der Verwendung von Aufzügen
anderer mechanischer Eigenschaften, einer Veränderung der Lagerspannung und/oder
des Lagerpunktes, und/oder einer Veränderung des Anstelldruckes
zweier Rotationskörper 01; 07 die
Resonanzfrequenz vR derart zu verschieben,
dass die gewünschte
Solldrehzahl ṅsoll ohne Schwingungsresonanz
gefahren werden kann, d. h. nicht kritisch ist. Das Ermitteln der
Anzahl k kann auch durch einen optischen Sensor erfolgen, welcher auf
die Oberfläche
der betrachteten Rotationskörpers 01; 07 oder
die Bahn 02/den Bogen 02 gerichtet ist.
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Im
Beispiel der 3 liegt die kritische Solldrehzahl ṅsoll,k beispielsweise bei 36.000 Umdrehungen/Stunde
bzw. 10 Umdrehungen/Sekunde, d. h. eine Frequenz von 10 Hz. Wurden
beispielsweise eine Anzahl von 20 Perioden (deutlich erkennbare Streifen)
je Umdrehung ermittelt, so weist dies darf die Anregung einer (Grund)Resonanzfrequenz
vR hin. Das Produkt zwischen der Drehzahl
(jedoch in 1/Sekunde, was der Frequenz entspricht) und der Anzahl
k der Perioden liefert die (Grund)Resonanzfrequenz vR (bzw.
Eigenfrequenz) des Systems mit 200 Hz. Die höheren Harmonische der Drehfrequenz sind
hier im Kontext ebenfalls mit dem Ausdruck „Resonanzfrequenzen" bezeichnet, da sie
zur Anregung der Schwingungen geeignet sind.
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Die
einmal festgestellte Lage von kritischen Solldrehzahlen ṅsoll,k kann beispielsweise tabellarisch dem
Bedienpersonal oder aber in der Maschinensteuerung abgelegt und
dort wieder abrufbar sein. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen,
dass diese kritischen Solldrehzahlen ṅsoll,k nur
bei ansonsten weitgehend gleichen Bedingungen (Drucktuch, Anstelldruck,
Lagerspiel bzw. -stelle, Temperatur etc.) erhalten bleiben und nicht
verschoben sind. Bei wechselnden Bedingungen können diese deutlich anders
liegen. Somit können
diese in eine Ausführung
zusammen mit den wichtigsten Parametern für die Bedingungen – z. B.
zumindest der Drucktuchart – abgelegt sein.
Grundsätzlich
kann nach Feststellung der kritischen Solldrehzahlen ṅsoll,k für
die beabsichtigten Produktionsbedingungen auf weitere Messungen mittels
Sensoren 08 verzichtet, und das nachfolgende beschriebene
Verfahren auf der Basis der abgelegten Erfahrungswerte durchgeführt werden.
Das selbe gilt für
den Fall einer manuellen Bestimmung wie oben dargelegt.
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In
einer komfortableren Ausführung
erfolgt die Erkennung und weitere Überwachung jedoch mittels Sensoren 08,
was zur Automatisierung des Betriebes weiter beiträgt.
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Soll
nun eine Produktion auf oder in der Nähe einer kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k (in 3 beispielhaft
36.000 Umdrehungen/Stunde) gefahren werden – bereits bekannter oder unbekannter
Weise – so
wird wie folgt verfahren:
Ist die Solldrehzahl ṅsoll bereits als kritisch bekannt, so wird
diese in einer ersten Ausführung 3,
a) des Verfahrens nicht direkt angefahren, sondern es wird die Solldrehzahl ṅsoll für
die Maschine um einen kleinen Drehzahlbetrag Δṅsoll in
der Weise verändert (vergrößert oder
verkleinert), das sie von der kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k ausreichend weit beabstandet ist (z.B.
35.400 oder 37.230), jedoch selbst nicht ein ganzzahliges Verhältnis der
Resonanzfrequenz vR (d. h. die Eigenfrequenz)
des Rotationskörpers 01, 07 bzw.
des Systems mit der Solldrehzahl ṅsoll bildet. In
dieser verschobenen Solldrehzahl ṅsoll,v,
mit (ṅsoll,v = ṅsoll,k + Δṅsoll) wird dann die Maschine zu deren Produktion
stationär
(abgesehen von produktionsbedingten Drehzahlwechseln) betrieben.
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In
einer zweiten Ausführung
wird die Drehzahl nicht stationär
eingehalten, sondern die Maschine um die gewünschte, aber kritische Solldrehzahl ṅsoll,k herum oszillierend betrieben. Dies
kann grundsätzlich
in einer beliebigen zeitlichen Abhängigkeit erfolgen, wobei in 3,
b) ein Umfahren entlang von ansteigenden und fallenden Rampen und
in 3, c) ein sinusförmiges oszillieren um die gewünschte,
jedoch kritische Solldrehzahl ṅsoll,k herum erfolgt.
Eine maximale Amplitude (die den maximalen Abstand von der gewünschten
Solldrehzahl ṅsoll,k darstellende
halbe Amplitude) kann hierbei wie oben zu 3, a) beschrieben
gewählt
bzw. festgelegt werden. Die Periodenlänge der oszillierenden Variation kann
vorteilhaft im Minutenbereich, z. B. bei 1 bis 10 Minuten, liegen.
Da selbsterregte Schwingungen jedoch nicht ad hoc und spontan einsetzten
sondern sich erst nach z.T. längeren
Betrieb bei der kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k einstellen,
kann die Periodenlänge abhängig von
den Systemeigenschaften auch in größeren Zeitbereichen, z. B.
im Bereich von 10 bis 60 Minuten, liegen. Letzteres ist insbesondere
dann der Fall, wenn die kritische Solldrehzahl ṅsoll,k Teiler einer höheren Harmonischen der Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz
vR ist, da die resultierenden Amplituden
in diesem Fall regelmäßig kleiner
ausfallen.
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Ist
die Solldrehzahl ṅsoll nicht bereits
als kritisch bekannt, so wird sie beispielsweise in o.g. Weise zunächst durch
Beobachtung der Streifen, des Druckbildes oder aber über den
Sensor 08 während des
Betriebes der Maschine als solche erkannt. Das nachfolgende Umfahren
dieser gewünschten,
aber kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k erfolgt
in der bereits zu 3, a, b oder c oben beschriebenen
Weise. Die Erkennung über
den Sensor 08 kann in vorteilhafter Ausführung eigenständig durch
eine Auswerteeinheit (oder ein Auswerteprogramm) erkannt, und der
Maschinensteuerung oder einem entsprechenden Steuerprogramm übergeben
werden, worauf die beschriebene Umfahren dem Bedienpersonal entweder vorgeschlagen
oder durch die Steuerung selbsttätig durchgeführt wird.
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Allgemein
wird also zum Betrieb der Maschine mit dem zumindest einen rotierenden
Bauteil 01; 07 zunächst die angestrebte Solldrehzahl ṅsoll auf eine im Hinblick auf Schwingungsresonanzen
kritische Solldrehzahl ṅsoll,k hin überprüft und ggf.
als solche erkannt. Bei positivem Ergebnis wird die Maschine gezielt
nicht stationär
mit dieser kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k,
sondern mit einer von dieser kritischen Solldrehzahl ṅsoll,k um den Drehzahlbetrag Δṅsoll stationär beabstandeten oder um diese
kritische Solldrehzahl ṅsoll, k oszillierende Drehzahl betrieben.
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Die
o. g. Verfahrensweise ist von besonderem Vorteil bei der Steuerung
des Antriebes/der Antriebe von Rotationsdruckmaschinen. Grundsätzlich kann
jedoch unter Be- bzw. Verarbeitungsmaschine von Bahnen oder Bogen
auch eine Maschine zur Herstellung oder Wickeln von Papier oder
der Herstellung bzw. dem Walzen von Blechen verstanden werden. Diese
Methode ist im allgemeinen dort von Vorteil, wo Material unter Verwendung
von rotierenden Bauteilen 01; 07 hergestellt oder
bearbeitet wird.
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- 01
- Rotationskörper, rotierendes
Bauteil, Zylinder, Walze, Übertragungszylinder,
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- Formzylinder
- 02
- Material,
Bahn, Bogen
- 03
- Zapfen,
Achse, Welle
- 04
- Lager,
Radiallager
- 05
- –
- 06
- Gestell
- 07
- Rotationskörper, rotierendes
Bauteil, Zylinder, Walze, Formzylinder, Farbwalze
- 08
- Sensor
- M
- Maximum
- m
- Minimum
- ṅsoll
- Ziel-
bzw. Solldrehzahl, gewünscht
- ṅsoll,k
- Solldrehzahl,
kritisch
- ṅsoll,v
- Solldrehzahl,
verändert
- Δṅsoll
- Drehzahlbetrag