DE102006018325A1

DE102006018325A1 - Kugelmühle mit verstellbarer Ausgleichsmasse

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Publication number: DE102006018325A1
Application number: DE200610018325
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Bär; Markus Dipl.-Ing. Bund; Egbert Dipl.-Ing. Huwer; Michel Dipl.-Ing. Hermann; Wolfgang Dipl.-Ing. Mutter
Original assignee: Fritsch GmbH
Current assignee: Fritsch GmbH
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-10-25

Abstract

Kugelmühle, insbesondere Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab, umfassend ein Gehäuse (1), eine Trägervorrichtung (2), die relativ zum Gehäuse (1) um eine Zentrumsachse (24) drehbar gelagert ist, zumindest eine Mahlstation (3) mit einer Aufnahmevorrichtung (32) für zumindest ein Mahlgefäß, die um eine Aufnahmeachse (36) drehbar zur Trägervorrichtung (2) gelagert ist und von dieser um die Zentrumsachse (24) mitgeführt wird, und zumindest einem mit Mahlgut und Mahlkugeln befüllbaren und in die Aufnahmevorrichtung einsetzbaren Mahlgefäß, einen Antrieb (23) für die Trägervorrichtung (2), einen Antrieb (5) für die Aufnahmevorrichtung (32), eine verstellbare Ausgleichsmasse (42), um ein Gegenträgheitsmoment für die Mahlstation oder die Mahlstationen (3) zu bilden, eine Verstelleinrichtung (74, 75) zur Verstellung der Ausgleichsmasse (42), um das Gegenträgheitsmoment angepasst an das Trägheitsmoment der Mahlstation oder der Mahlstationen (3) zu verändern, einen von außerhalb der Trägervorrichtung steuerbaren Antrieb (8, 61, 65, 66, 73) für die Verstelleinrichtung (74, 75), um während der Rotation der Trägervorrichtung (2) die Ausgleichsmasse (42) zu verstellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugelmühle mit verstellbarer Ausgleichsmasse, insbesondere eine Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab und ein Verfahren um diese zu betreiben.
Kugelmühlen im Labormaßstab werden für ein breites Anwendungsspektrum, insbesondere zum Zerkleinern und Mischen von Proben und zum mechanischen Legieren eingesetzt. Ein Überblick über gängige Labormühlen findet sich auf der Website der Anmelderin unter www.fritsch.de.
Bei Planeten- und Fliehkraftkugelmühlen sind Mahlbecher exzentrisch zu einer Zentrumsachse angeordnet und bewegen sich auf einer Kreisbahn um die Zentrumsachse. Durch den Umlauf der Mahlbecher wird eine radial nach außen gerichtete Fliehkraft auf das Mahlgut ausgeübt.
Bei einer Fliehkraftkugelmühle wird die Drehung des Mahlbechers um seine eigene Achse in Bezug auf das Laborsystem verhindert. Im Gegensatz dazu basieren Planetenkugelmühlen darauf, durch zusätzliche Rotation um die Mahlbecherachse im Laborsystem eine kombinierte Umlauf- und Drehbewegung für die Mahlbecher zu erzeugen.
Anders als bei einer Fliehkraftkugelmühle verursacht der Antrieb der Mahlbecher in einer Planetenkugelmühle also eine absolute Rotationsbewegung des Mahlbechers um seine eigene Achse, die Aufnahme- oder Planetenachse, so daß in einer Planetenkugelmühle im Vergleich zu einer Fliehkraftkugelmühle eine deutlich größere, weitere Fliehkraftkomponente erzeugt wird. Diese ist der Fliehkraftkomponente überlagert, welche durch den Umlauf der Mahlbecher um die Zentrumsachse erzeugt wird. Schließlich ist auch noch die Corioliskraft wirksam. Diese drei Kräfte ergeben bei der Planetenkugelmühle ein resultierendes Kraftfeld, dem die Mahlkugeln und das Mahlgut ausgesetzt sind.
Bei bestimmten Abmessungen der umlaufenden Teile und bestimmten Drehgeschwindigkeiten werden in einer Planetenkugelmühle Flugbahnen für die Mahlkugeln erzeugt. Die Mahlkugeln bewegen sich dann quer durch den Mahlbecher hindurch, bis sie auf die Innenwand des Mahlbechers auftreffen. Danach werden die Mahlkugeln am Innenumfang des Mahlbechers mitgenommen, bis die resultierende Kraft erneut dafür sorgt, daß die oben beschriebene Querbewegung stattfindet und Mahlkugeln eine Flugbewegung durch den Mahlbecher ausführen. Dies wird auch als "Wurfregime" bezeichnet. Anders als eine Fliehkraftkugelmühle kann dadurch eine Planetenkugelmühle bei höheren Drehzahlen eine erheblich bessere Mahlwirkung erzielen.
Die auftretenden Kräfte infolge der Drehbewegungen der verschiedenen Bauteile, insbesondere bei einer Planetenkugelmühle können relativ hoch sein, so dass die Mühlen gut ausgewuchtet sein müssen. Bei einer Fliehkraftkugelmühle ist dieses Problem nicht so gravierend, so dass ältere Fliehkraftkugelmühlen sogar ohne oder mit einem festen Ausgleichsgewicht betrieben werden konnten. Bei Labor-Planetenkugelmühlen treten aufgrund der Möglichkeit hohe Drehzahlen zu fahren jedoch besonders große Unwuchten oder Kräfte auf. Daher wurden die besagten Labor-Planetenkugelmühlen über Jahrzehnte lediglich mit einer symmetrischen Anordnung aus mehreren Mahlstationen, z.B. zwei oder vier, gebaut. Dennoch gelang vor einigen Jahren auch die Konstruktion einer Labor-Planetenkugelmühle mit nur einer einzigen Mahlstation und Ausgleichsmasse, die in dem Patent DE 197 12 905 C2 beschrieben ist, welches hiermit vollumfänglich durch Referenz zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird. Eine solche Labor-Planetenkugelmühle wird auch als Mono-Kugelmühle oder genauer als Planeten-Mono(kugel-)mühle bezeichnet und wird unter der Marke „pulverisette^® 6" vertrieben (vgl. www.fritsch.de).
Die pulverisette^® 6 ist eine Planeten-Monokugelmühle mit einer verschiebbaren Ausgleichsmasse, welche das Trägheitsmoment der einen einzigen Mahlstation kompensiert. Diese Mühle hat sich zwar sehr bewährt, ist aber dennoch weiter verbesserungsfähig.
Um die Mühle zu betreiben, schaut der Benutzer typischerweise in einer Tabelle in der Betriebsanleitung die Soll-Position der Ausgleichsmasse für ein bestimmtes Mahlgefäß nach oder wiegt dieses und stellt die Soll-Position vor dem Starten der Mühle von Hand mit einer Rändelmutter ein. Zunächst ist diese Art der Einstellung relativ umständlich und nicht sehr komfortabel.
Ferner besteht die Möglichkeit, dass die Mühle bei gänzlich falscher Einstellung der Ausgleichsmasse betrieben werden kann, was mit einer großen Unwucht korrespondiert. Dies hat starke Vibrationen zur Folge und könnte unter Umständen sogar zur Beschädigung der Mühle führen oder die Mahlung gänzlich verhindern, da Sicherheitsmechanismen den Betrieb abbrechen.
Doch selbst wenn die Einstellung korrekt durchgeführt wird, ist sie relativ ungenau. Ein Ungenauigkeitsfaktor ist z.B. die Behandlung nach der Gesamtmasse des gefüllten Mahlgefäßes. D.h. es wird keine Unterscheidung getroffen zwischen z.B. einem Mahlgefäß mit einer Nettomasse von 1 kg mit einer Füllung von 2 kg und einem Mahlgefäß mit einer Nettomasse von 2 kg mit einer Füllung von 1 kg. Es treten also bereits Ungenauigkeiten bei der Feststellung der eigentlichen Justagegröße auf. Ferner kann die Vorgehensweise keine dynamischen Effekte berücksichtigen. Z.B. kann diese einmalige Einstellung nicht dem Umstand Rechnung tragen, dass die Vibrationen mit steigender Drehzahl stärker werden. Daher können bei hohen Drehzahlen trotz einer an sich korrekten Einstellung unerwünschte Vibrationen auftreten. Eine Veränderung des Mahlgutes während des Mahlvorgangs kann überhaupt keine Berücksichtigung finden.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kugelmühle bereit zu stellen, welche komfortabel zu bedienen ist und eine hohe Betriebssicherheit bietet.
Noch eine Aufgabe der Erfindung ist es eine Kugelmühle bereit zu stellen, welche insbesondere auch bei hohen Drehzahlen eine sehr hohe Laufruhe besitzt.
Eine weitere Aufgabe ist ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kugelmühle bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Es ist ersichtlich, dass der Einsatz einer verstellbaren Ausgleichsmasse für eine Mono-Kugelmühle mit nur einer einzigen Mahlstation von besonderer Bedeutung ist, um das Trägheitsmoment dieser einen Mahlstation zu kompensieren. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung eine verstellbare Ausgleichsmasse zur (Fein)-regelung der Unwucht bei einer Kugelmühle mit mehreren symmetrischen Mahlstationen einzusetzen, zum Beispiel um das Trägheitsmoment verschiedener Mahlbecher und/oder Füllungen in den Mahlstationen zu kompensieren und deren Laufruhe weiter zu verbessern. Im Folgenden wird der bevorzugte Fall der Mono-Kugelmühle beschrieben.
Vorzugsweise wird also eine Mono-Kugelmühle bereit gestellt, insbesondere eine Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab, mit einem Gehäuse, einer Trägervorrichtung, einer einzigen Mahlstation, je einem Antrieb für die Trägervorrichtung und die Mahlstation, einer an der Trägervorrichtung angeordneten Masseausgleichseinrichtung mit einer Ausgleichsmasse und einer Verstelleinrichtung zur zumindest radialen Verstellung der Ausgleichsmasse, um das Gegenträgheitsmoment angepasst an das – jeweilige, vom Mahlgefäß und der Füllung abhängige – Trägheitsmoment der Mahlstation zu verändern, bzw. um das Trägheitsmoment zu kompensieren. Die Trägervorrichtung rotiert im Betrieb der Mühle relativ zum Gehäuse bzw. im Laborsystem um eine Zentrumsachse. Die Mahlstation umfasst eine Mahlbecher-Aufnahmevorrichtung für zumindest ein Mahlgefäß, ist um eine in Bezug auf die Zentrumsachse exzentrische Aufnahmeachse drehbar zur Trägervorrichtung gelagert und wird von dieser um die Zentrumsachse mitgeführt. Der Antrieb der Trägervorrichtung und der Aufnahmevorrichtung erfolgt vorzugsweise gegenläufig, z.B. mittels gekoppelter Riemenantriebe durch einen einzigen Gesamtantriebsmotor. Ferner umfasst die Mahlstation im Betrieb zumindest ein mit Mahlgut und Mahlkugeln befülltes und in die Aufnahmevorrichtung eingesetztes Mahlgefäß. Der Begriff „Mahlkugeln" soll auch nicht-sphärische Mahlkörper, wie auf dem Gebiet bekannt, mit einschließen. Das Mahlgefäß wird in der Aufnahmevorrichtung gehalten, wenn es in die Aufnahmevorrichtung eingesetzt und befestigt ist, um die Mühle zu betreiben. Statt einem Mahlgefäß können auch mehrere Mahlgefäße in der einen Aufnahmevorrichtung übereinander gestapelt werden. Jedenfalls besitzt eine Mono-Kugelmühle keine weitere rotierende Mahlstation, gegenüber der einen Mahlstation, um die Unwucht zu kompensieren. Statt dessen ist in Bezug auf die Zentrumsachse gegenüber der Aufnahmevorrichtung die Masseausgleichseinrichtung mit der Ausgleichsmasse angeordnet, um ein Gegenträgheitsmoment für die eine Mahlstation zu bilden. Mit dieser Anordnung kann eine kostengünstige und besonders kompakte Bauweise der Kugelmühle realisiert werden. Insbesondere kann, anders als bei einer Mühle mit mehreren Mahlstationen sogar erreicht werden, dass die Aufnahmevorrichtung, gegebenenfalls sogar das Mahlgefäß, bis jenseits der Zentrumsachse oder Masseausgleichsebene reichen. Erfindungsgemäß besitzt die Mono-Kugelmühle einen von außerhalb der Trägervorrichtung steuerbaren motorischen Antrieb für die Verstelleinrichtung, mit dem während der Rotation der Trägervorrichtung die Ausgleichsmasse verstellt werden kann.
Dies ist höchst vorteilhaft, weil eine manuelle Verstellung entfallen kann und die Mühle zum Aufbau mit einem automatischen Regelkreis geeignet ist, so dass der Benutzer sich um die Verstellung der Ausgleichsmasse nicht mehr kümmern muss, egal welches Mahlgefäß verwendet wird oder wie schwer dessen Füllung ist. Ferner bietet die Mühle die Möglichkeit einer sukzessiven drehzahlabhängigen Verstellung bzw. Anpassung.
Zu diesem Zweck umfasst die Kugelmühle vorzugsweise noch eine Messeinrichtung zur Messung der dynamischen Unwucht und eine Steuereinrichtung, welche den Antrieb der Verstelleinrichtung in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht steuert, um das Gegenträgheitsmoment mittels der radialen Verschiebung der Ausgleichsmasse automatisch an das Trägheitsmoment der Mahlstation anzupassen, genauer, um das jeweilige Trägheitsmoment verschiedener Mahlgefäße und/oder unterschiedlicher Füllungen der Mahlgefäße zu kompensieren. Mit Vorteil kann somit ein Regelkreis aufgebaut werden, der sogar dynamische Effekte berücksichtigt. Die Masse und der Verschiebungsweg der Ausgleichsmasse sind insbesondere angepasst an die Mahlstation mit beliebigen Mahlgefäßen aus dem Bereich von vorzugsweise 80 ml bis 500 ml, z.B. aus Edelstahl und/oder Achat, zuzüglich der Füllung, bestehend aus Mahlgut und Mahlkugeln bzw. Mahlkörpern.
Ein besonders großer Vorteil der Erfindung liegt darin begründet, dass die mit steigender Drehzahl von sich aus immer kleinere Unwucht-erzeugende Effekte gemessen werden können, da die vibrationsverursachenden Kräfte bei konstantem Trägheitsmoment mit der Drehzahl zunehmen. Dadurch ist die Empfindlichkeit der Regelung inhärent drehzahlabhängig, so dass je schneller die Mühle dreht, umso präziser nachgestellt werden kann und so die Mühle auch bei höchsten Drehzahlen noch vibrationsarm betrieben werden kann.
Für die erfindungsgemäße Labor-Kugelmühle hat sich die Verwendung eines Beschleunigungssensors als zweckmäßig erwiesen, um die Unwucht zu messen. Der Beschleunigungssensor ist vorzugsweise ortsfest zur nicht-rotierenden Aufhängung der Trägervorrichtung, z.B. an einer Aufhängungsplatte des Gehäuses unterhalb der Trägervorrichtung befestigt und misst somit die durch die Vibration verursachte Beschleunigung der Aufhängung im Betrieb, d.h. während der Rotation der Trägervorrichtung, insbesondere die Größe und/oder Richtung der Beschleunigung.
Soll die Richtung der Unwucht bestimmt werden, weist die Mühle vorzugsweise Mittel zum Detektieren der Winkelstellung der Trägervorrichtung während der Rotation um die Zentrumsachse auf. Als zweckmäßig hat sich hierfür eine Magnetanordnung mit Magneten an der Trägervorrichtung, vorzugsweise an deren Unterseite, erwiesen, welche mittels ortsfesten Hallsensoren detektiert werden, wobei die Magnetanordnung eine z.B. räumliche Kodierung besitzt, um bestimmte Winkelstellungen eindeutig zu identifizieren. Zur Detektion der Winkelstellung der Trägervorrichtung werden die Signale der Hallsensoren von der Steuereinrichtung laufend während der Rotation der Trägervorrichtung ausgewertet und die ermittelte Winkelstellung mit dem Messergebnis des Beschleunigungssensors synchronisiert. Damit kann die Steuereinrichtung die Richtung ermitteln, in die die Ausgleichsmasse verschoben werden muss, um die Unwucht zu verringern und nicht zu vergrößern.
Ferner ist eine Energieübertragungseinrichtung vorgesehen, welche die Energie zum Antrieb der Verstelleinrichtung auf der rotierenden Trägervorrichtung bereit stellt. Hierfür besitzt die Energieübertragungseinrichtung einen ortsfest zu dem Gehäuse angebrachten ersten Teil und einen mit der Trägervorrichtung mitrotierenden zweiten Teil. Zweckmäßig sind der erste und zweite Teil der Energieübertragungseinrichtung koaxial zu der Zentrumsachse angeordnet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Verstellenergie mechanisch auf die rotierende Trägervorrichtung zu übertragen. Gemäß einer dementsprechend bevorzugten Ausführungform der Erfindung umfasst der Antrieb für die Verstelleinrichtung eine in Bezug zur Trägervorrichtung drehbar gelagerte Antriebswelle, welche vorzugsweise koaxial innerhalb der Zentrumachse verläuft und in dieser drehbar gelagert ist. Demnach ist die Zentrumsachse als Hohlachse ausgebildet, und die Antriebswelle ragt mit einem oberen und unteren Ende aus der Hohlachse heraus. Das obere Ende der zentralen Antriebswelle ist über ein Getriebe, vorzugsweise mittels eines Riemenantriebs mechanisch mit der Verstelleinrichtung gekoppelt. Wird die Antriebswelle relativ zu der Trägervorrichtung gedreht, überträgt der Riemenantrieb die Bewegung bzw. Kraft auf die Verstelleinrichtung, genauer einen Spindeltrieb, der die Ausgleichsmasse schließlich radial verschiebt. Die Gewindelspindel erstreckt sich vorzugsweise durch ein Innengewinde in der im Wesentlichen U-förmigen Ausgleichsmasse entlang deren Symmetrieachse.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebswelle im Normalzustand in Bezug auf das Gehäuse freilaufend, so dass die Antriebswelle aufgrund der Selbsthemmung des Spindeltriebs der Verstelleinrichtung von der Trägervorrichtung mitgenommen wird, d.h. sich relativ zu der Trägervorrichtung nicht dreht. Somit verhindert die Selbsthemmung der Verstelleinrichtung eine ungewollte Verschiebung der Ausgleichsmasse nach außen trotz der auf die Ausgleichsmasse wirkenden Zentrifugalkraft.
Um die Verstelleinrichtung anzutreiben, wird die Antriebswelle während der Drehung der Trägervorrichtung an einem unteren Ende relativ zu dem Gehäuse gebremst, was eine Relativdrehung zu der Trägervorrichtung und damit den Antrieb der Verstelleinrichtung bewirkt. Im diesem Fall bedeutet also Bremsen im Laborsystem Antreiben im mitgedrehten Bezugssystem der Trägervorrichtung. Vorteilhafterweise kann somit mittels der Bremseinrichtung der Antrieb der Verstelleinrichtung von der zu dem Gehäuse ortsfesten, d.h. nicht mitdrehenden Steuereinrichtung gesteuert werden. Vorzugsweise wird eine mit dem unteren Ende der Antriebswelle gekoppelte Magnetbremse mit einem Ankerteil und einem Flanschteil als Bremseinrichtung eingesetzt, um die Antriebswelle zu bremsen.
Es ist vorteilhaft, die Bremseinrichtung im Normalzustand, d.h. im Falle der Magnetbremse im stromlosen Zustand, freilaufend auszubilden und bei Strombeaufschlagung die Antriebswelle zu bremsen. Dadurch kann verhindert werden, dass sich die Ausgleichsmasse ungewollt verstellt, wenn z.B. der Strom unterbrochen wird.
Besonders einfach wird die Magnetbremse mit nur zwei Zuständen diskontinuierlich gesteuert, d. h. die Bremse nimmt entweder einen freilaufenden oder einen voll bremsenden Zustand ein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann anstatt der Bremse ein eigener Antriebsmotor zum Antreiben der Antriebswelle vorgesehen sein. Vorzugsweise wird hierfür ein Servomotor verwendet, der mit der Rotation der Trägervorrichtung synchronisiert wird, um im Normalzustand, d.h. wenn die Verstelleinrichtung nicht angetrieben werden soll, die Antriebswelle relativ zu dem Gehäuse mit derselben Drehzahl wie die Trägervorrichtung anzutreiben und zu drehen, so dass sich die Antriebswelle relativ zu der Trägervorrichtung nicht dreht. Um die Ausgleichsmasse zu verstellen wird bei dieser Ausführungsform mittels des Antriebsmotors der ortsfest zu der Aufhängung angeordnet ist, die Antriebswelle entweder mit geringerer oder höherer Drehzahl als die Trägervorrichtung angetrieben, je nachdem in welche Richtung (nach innen oder außen) die Ausgleichsmasse verstellt werden soll.
Vorzugsweise ist an dem oberen Ende der Antriebswelle ein erstes Zahnriemenrad befestigt, welches über einen Antriebsriemen mit einem zweiten Zahnriemenrad, welches wiederum an der Gewindespindel der Verstelleinrichtung befestigt ist, gekoppelt ist. Um die vertikale Rotation der Antriebswelle in eine horizontale Rotation für den Spindeltrieb zu vermitteln, wird der Antriebszahnriemen z.B. unter dem inneren Ständer der Masseausgleichseinrichtung rechtwinklig umgelenkt. Es ist ersichtlich, dass bei dieser Ausgestaltung die zur Verschiebung der Ausgleichsmasse aufgewendete Energie über die mechanische Kopplung an die Trägervorrichtung deren Rotationsenergie entnommen wird, wenn die Ausgleichsmasse entgegen der Zentrifugalkraft nach innen bewegt wird. Zur Bewegung nach außen muss lediglich die Selbsthemmung des Spindeltriebs überwunden werden. D.h. der von außerhalb der Trägervorrichtung steuerbare oder motorische Antrieb der Verstelleinrichtng erfolgt indirekt mittels des Gesamtantriebsmotors der Mühle. Es ist ersichtlich, dass im Sinne dieser Anmeldung unter der Bezeichnung „motorischer Antrieb" für die Verstelleinrichtung also auch das Bremsen der Antriebswelle relativ zu dem Gehäuse zu verstehen ist, da auch dann der Antrieb – indirekt – motorisch erfolgt und nicht von Hand verstellt werden muss. Diese Art der mechanischen Energieübertragung hat sich in der Praxis als besonders zweckmäßig erwiesen. Es ist jedoch denkbar, die Verstellenergie auch in anderer Weise, z.B. berührungslos oder kontaktlos mit einer induktiven Energieübertragungseinrichtung auf die rotierende Trägervorrichtung zu übertragen. Z.B. könnte ein axiales Spulenpaar an dem Gehäuse und der Trägervorrichtung befestigt sein, um einen Transformator oder Dynamo zu bilden, der elektrische Energie überträgt. Alternativ könnten aber auch elektrische Schleifringe, eine hydraulische Drehkupplung oder ähnliches verwendet werden.
Demnach stellt die Erfindung eine Kugelmühle zur Verfügung, bei welcher die Unwucht während der Rotation der Trägervorrichtung gemessen und die Ausgleichsmasse in Abhängigkeit der gemessenen Unwucht verstellt wird, um mit dem Gegenträgheitsmoment automatisch gesteuert das Trägheitsmoment der Mahlstation zu kompensieren und einen vibrationsarmen Lauf zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Trägervorrichtung bis zu einer Solldrehzahl beschleunigt und die Unwucht wird während der Beschleunigung laufend, insbesondere regelmäßig oder kontinuierlich gemessen und an die Steuereinrichtung übermittelt. In Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht wird die Verstellung der Ausgleichsmasse gesteuert, so dass ein Regelkreis zur Verstellung der Ausgleichsmasse gebildet ist. Die Regelung erfolgt zumindest solange bis die Kugelmühle die Solldrehzahl erreicht hat, da die Unwucht mit Erhöhung der Drehzahl zunimmt, vorzugsweise sogar bis zum Ende des Mahlvorgangs. Mit anderen Worten wird das Gegenträgheitsmoment mittels des Rückkopplungssignals der Messeinrichtung an die Steuereinrichtung laufend zumindest während des Hochfahrens der Kugelmühle geregelt. Die gemessene Unwucht wird also zumindest während der gesamten Dauer des Hochfahrens an die Steuereinrichtung übermittelt und ausgewertet, um die Verstellung der Ausgleichsmasse bei steigender Drehzahl laufend zu steuern, wobei die Nachregelung des Gegenträgheitsmoments schrittweise oder in mehreren Schritten erfolgt.
Der vorstehend beschriebene Antrieb mit der Bremse läßt die Verstellung oder Verschiebung der Ausgleichsmasse bei rotierender Trägervorrichtung lediglich in einer Richtung zu, welche von der Drehrichtung der Trägervorrichtung abhängt. D.h. es besteht eine konstruktiv bedingte feste Zuordnung zwischen Drehrichtung der Trägervorrichtung und Verschiebungsrichtung der Ausgleichsmasse. Z.B. läßt sich bei einer konkreten Bauform der Kugelmühle die Ausgleichsmasse lediglich nach außen verschieben, wenn die Trägervorrichtung mit dem Uhrzeigersinn rotiert und nach innen, wenn die Trägervorrichtung gegen den Uhrzeigersinn rotiert. D.h. es besteht statistisch lediglich eine 50%-ige Wahrscheinlichkeit, dass die Verstelleinrichtung in die „richtige" Richtung verstellt werden kann. Dies stellt erhöhte Anforderungen an die automatische Regelung des Gegenträgheitsmoments, was wie folgt gelöst werden kann:

1. Die Steuereinrichtung fährt die Mühle an und bestimmt, ob die Ausgleichsmasse in die richtige Richtung verstellt werden kann. Ist dies der Fall, wird die Ausgleichsmasse verstellt; ist dies nicht der Fall, wird die Trägervorrichtung automatisch angehalten und in umgekehrter Richtung wieder angetrieben, oder
2. am Ende jedes Mahlvorgangs wird die Ausgleichsmasse in die jeweils anhand der Rotationsrichtung der Trägervorrichtung zugängliche Extremposition, d.h. entweder ganz nach innen oder ganz nach außen, bewegt und die Trägervorrichtung beim nächsten Anfahren in umgekehrter Richtung in Gang gesetzt. Mit diesem Verfahren kann sichergestellt werden, dass die Ausgleichsmasse immer in der „richtigen" Richtung verstellt werden kann.

Es ist ersichtlich, dass die Schwierigkeit der Richtungsabhängigkeit bei Einsatz eines eigenen Antriebsmotors, statt einer Bremseinrichtung nicht besteht, da der Antrieb der Antriebswelle dann bei drehender Trägervorrichtung relativ zu dieser in beide Richtungen erfolgen kann.
Ferner bevorzugt umfasst die Steuereinrichtung ein Speichermittel, in welchem ein vorbestimmtes Toleranzintervall für die Unwucht gespeichert ist. Die Steuereinrichtung setzt den Antrieb für die Verstelleinrichtung immer dann in Gang, wenn die gemessene Unwucht außerhalb des vorbestimmten Toleranzintervalls liegt und aktiviert den Antrieb für die Verschiebung der Ausgleichsmasse solange bis die gemessene Unwucht den zugehörigen Grenzwert des Toleranzintervalls, dessen Betrag größer ist als die minimal erreichbare Unwucht, erreicht ist. D.h. es wird beim Hochfahren der Mühle (in einem Regelzyklus) das Toleranzintervall in allen Schritten nur von einer einzigen Richtung aus angefahren.
Für manche Mahlaufgaben kann es ausreichend sein, wenn die Verstellung der Ausgleichsmasse nicht bei jedem Mahlvorgang durchgeführt wird. Ist das gewünscht, gibt das Steuerprogramm dem Benutzer die Möglichkeit die Ausgleichsmasse-Verstellung temporär zu deaktivieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei die Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden können und unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie gemeinsam mit anderen Merkmalen beschrieben sind.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine dreidimensionale Ansicht der Trägervorrichtung und des Antriebs einer erfindungsgemäßen Planeten-Mono-Kugelmühle von schräg oben,
2 eine dreidimensionale Ansicht auf das Ausführungsbeispiel aus 1 von schräg unten,
3 eine dreidimensionale Ansicht ähnlich 1, aber mit ausgeblendeter Aufnahmevorrichtung,
4 eine dreidimensionale Ansicht ähnlich 3, aber aus anderem Blickwinkel und mit ausgeblendeter Ausgleichsmasse,
5 eine Schnittdarstellung entlang der von der Planetenachse, Zentrumsachse und Ausgleichsmasse gebildeten Symmetrieebene der Trägervorrichtung,
6 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus 5,
7 eine dreidimensionale Ansicht auf das entlang der Symmetrieebene in 5 geschnittene Ausführungsbeispiel,
8 eine schematische Aufsicht von unten auf die Trägervorrichtung,
9 ein Blockschaltbild der Regelungskomponenten und
10 ein Blockdiagramm des Steuerprogramms gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine Trägervorrichtung 2, die an einem Gehäuse 1, von dem lediglich eine Aufhängungsplatte 12 dargestellt ist, drehbar gelagert ist. Die Trägervorrichtung 2 lagert exzentrisch und wiederum drehbar eine Mahlstation 3 mit einer Mahlgefäßaufnahmevorrichtung 32 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Mahlgefäßes. Das Mahlgefäß wird mit geeigneten Mitteln in der Mahlgefäßaufnahmevorrichtung 32 verspannt oder anderweitig befestigt. Gegenüber der Mahlstation 3 ist eine Masseausgleichseinrichtung 4 mit radial verschieblicher Ausgleichsmasse 42 angeordnet. Die Ausgleichsmasse 42 ist im wesentlichen U-förmig mit einem Mittelteil 422 und zwei schräg zu dem Mittelteil verlaufenden Schenkeln 424 und 426 ausgebildet.
Bezug nehmend auf 5 und 6 umfasst die Trägervorrichtung 2 zwei miteinander verschraubte, scheibenförmige Blöcke 21, 22. Ein Gesamtantriebsmotor (nicht dargestellt) treibt über einen Keilriemen 23 als Gesamtantrieb den unteren scheibenförmigen Block 22 an. Eine Zentrumsachse 24 ist an ihrem unteren mit Schrauben 14 fest mit der Aufhängungsplatte 12 des Gehäuses 1 verschraubt und lagert als Lagerzapfen mittels eines unteren und oberen Kugellagers 25, 26 drehbar die Trägervorrichtung 2. In der Trägervorrichtung 2 ist mittels eines weiteren Kugellagers 33 die Aufnahme- oder Planetenwelle 34 drehbar in der Trägervorrichtung 2 gelagert.
Den Antrieb 5 für die Mahlstation 3 bilden ein erstes Zahnriemenrad 51, welches zwischen den Kugellagern 25, 26 an der Zentrumsachse 24 befestigt ist, ein zweites Zahnriemenrad 52, welches zwischen dem Kugellager 33 und einem unteren Lagerkranz 35 an der Planetenwelle 34 befestigt ist, und ein Zahnriemen 53, welcher die beiden Zahnriemenräder 51 und 52 miteinander koppelt derart, dass die Mahlstation um die Aufnahmeachse oder Planetenachse 36 mit einem relativen Drehzahlverhältnis von etwa k = –1,6 bis –2,2, bevorzugt k = –1,7 bis –2,0, d.h. entgegengesetzt zur Trägervorrichtung rotiert.
Die dargestellte fliegende Lagerung der Mahlgefäßaufnahmevorrichtung 32, der Aufbau des Antriebs und die Anordnung der Masseausgleichseinrichtung 4 oben auf der Trägervorrichtung 2 entspricht im wesentlichen der Mühle, welche in der DE 197 12 905 C2 beschrieben ist, die insbesondere diesbezüglich durch Referenz hiermit inkorporiert wird. Es ist dem Fachmann jedoch ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf diese Bauform beschränkt ist, sondern auch bei einer neuen, flacheren Bauform von Planetenkugelmühlen, wie sie z.B. in den Anmeldungen DE 20 2005 015 896 , DE 20 2005 015 897 und DE 20 2005 015 898 derselben Anmelderin, jeweils eingereicht am 7. Oktober 2005, beschrieben ist, welche ebenfalls mittels Referenz vollumfänglich zum Gegenstand dieser Offenbarung gemacht werden.
Bezug nehmend auf 5 und 7 wird im Folgenden der Antrieb 6 der Masseausgleichseinrichtung 4 zur Verschiebung der Ausgleichsmasse 42 (in 5 und 7 nicht dargestellt) näher erläutert. Eine Antriebswelle 61 ist mittels eines unteren und oberen Lagers 62, 63, in diesem Beispiel zwei Kugellager, innerhalb der Zentrumsachse 24 drehbar gelagert. Demnach ist die Zentrumsachse 24 als Hohlachse ausgebildet. Am oberen Ende 64 der Antriebswelle 61 ist ein Zahnriemenrad 65 befestigt, um welches ein Zahnriemen 66 gelegt ist. Der Zahnriemen 66 verläuft um das horizontale Zahnriemenrad 65 in einer horizontalen Ebene, parallel zur Ebene der Trägervorrichtung 2, und wird mittels Umlenkrollen 71, 72, von denen in 6 nur die Umlenkrolle 72 dargestellt ist, in die Vertikale umgelenkt. Das Antriebswellen-Zahnriemenrad 65 sowie der untere Bereich des Zahnriemens 66 sind in einer Aussparung 27 in der Oberseite der Trägervorrichtung 2 eingelassen, um unter der Mahlgefäßaufnahmevorrichtung 32 Platz zu finden. Oberhalb der Umlenkrollen 71, 72 ist der Zahnriemen um 90° verdreht, um über ein Zahnriemenrad 73 eine Gewindespindel 74 antreiben zu können. Die Gewindespindel 74 ist an ihren jeweiligen Enden in einem inneren und äußeren Ständer 43, 44 gelagert und treibt über ein Innengewinde 75 in der Ausgleichsmasse 42 diese an (vgl. 3). Um zusätzlich eine manuelle Verstellung vornehmen zu können, ist an dem äußeren Ende der Gewindespindel 74 noch ein Rändelknopf 76 befestigt, der im regulären Betrieb aber nicht benötigt wird. Die Ausgleichsmasse wird ferner zwischen dem inneren und äußeren Ständer 43, 44 mittels Führungsstangen 77, 78 und der Gewindespindel 74 des Spindeltriebs radial geführt (vgl. 3 und 4).
Wieder Bezug nehmend auf 5 und 7 ist am unteren Ende 67 der Antriebswelle 61 eine Bremseinrichtung in Form einer Magnetbremse 8 angeordnet. Im Betrieb rotiert nun die Trägervorrichtung oder Sonnenscheibe 2 um die Sonnenachse 24 und treibt gleichzeitig über den Antrieb 5 die Rotation der Planetenwelle 34 und damit der Mahlstation 3 an. Durch die Rotation der Trägervorrichtung 2 wirkt zwar eine Fliehkraft F auf die Ausgleichsmasse 42, welche diese nach außen ziehen möchte, jedoch sind die Gewindespindel 74 und das zugehörige Innengewinde 75 der Ausgleichsmasse 42 selbsthemmend ausgelegt, so dass sich die Ausgleichsmasse trotz Rotation der Trägervorrichtung 2 nicht selbsttätig radial nach außen bewegt. Dadurch wird vermittels des Zahnriemenantriebs 6 der Masseausgleichseinrichtung 4 die Antriebswelle 61 mit der Rotation der Trägervorrichtung 2 mitgenommen und rotiert mit selber Drehzahl mit, solange die Magnetbremse 8 frei läuft. Das heißt, die Antriebswelle 61 rotiert in dem frei laufenden Zustand innerhalb der Zentrumsachse 24 mit der Trägervorrichtung 2. Mit anderen Worten befindet sich die Antriebswelle 61 in dem frei laufenden Zustand relativ zur Trägervorrichtung 2 in Ruhe, d. h. es findet in diesem Zustand keine relative Drehung statt, so dass auch kein Antrieb auf die Gewindespindel 74 und die Ausgleichsmasse 42 erfolgt.
Um die Gewindespindel 74 anzutreiben und die Ausgleichsmasse 42 radial zu verschieben, wird während der Rotation der Trägervorrichtung 2 die Bremseinrichtung 8 aktiviert, d. h. die Bremse wird geschlossen. Dadurch wird die Antriebswelle 61 relativ zu dem Gehäuse 1 gebremst, wodurch eine Drehung der Antriebswelle 61 relativ zu der rotierenden Trägervorrichtung 2 bewirkt wird. Durch die Relativdrehung der Antriebswelle 61 zur Trägervorrichtung 2 wird der Antrieb 6 der Masseausgleichseinrichtung 4 in Gang gesetzt dahingehend, dass der Antriebsriemen 66 in Bewegung versetzt wird und über die Riemenscheibe 73 die Gewindespindel 74 dreht. Somit wird die Ausgleichsmasse 42 radial, d. h. entweder nach innen oder nach außen, abhängig von der Rotationsrichtung der Trägervorrichtung 2, verschoben. Das heißt, mittels des vorgesehenen Ausgleichsmassen-Antriebs 6 wird die Energie oder Kraft, welche zum Antrieb der Ausgleichsmasse 42 aufgewendet wird, der Rotationsenergie der Trägervorrichtung 2 entnommen.
Die Antriebswelle 61 ragt durch eine zentrale Öffnung 13 in der Aufhängungsplatte 12 des Gehäuses 1 hindurch, und die Bremseinrichtung 8 ist koaxial von unten an der Aufhängungsplatte 12, welche die Zentrumsachse 24 trägt, befestigt.
Bezug nehmend auf 6 ist die Bremseinrichtung 8 als eine Magnetbremse mit einem feststehenden Flanschteil 81, welcher an der Aufhängungsplatte 12 befestigt ist, und einem mitdrehenden Ankerteil 82, an welchem die Antriebswelle 61 befestigt ist, ausgebildet. In dem relativ zu dem Gehäuse 1 feststehenden Flanschteil 81 ist eine Magnetspule 83 eingelassen, welche unter Strombeaufschlagung das Ankerteil 82 bremst. Hierzu wird eine Bremsscheibe 85 unter Überwindung eines Luftspalts 86 mit einem Bremsbelag 87 in Reibschluss gebracht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Magnetbremse der Firma Magneta in Groß-Berkel mit der Typenbezeichnung 14.110.103 verwendet. Derartige Magnetbremsen weisen Bremskräfte in Bezug auf das Drehmoment von 0,6 bis 3,6 Nm auf.
Es ist hervorzuheben, dass die Magnetbremse 8 in einem inaktivierten oder stromlosen Zustand freilaufend und in einem aktivierten, strombeaufschlagten Zustand bremsend ausgelegt ist. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Stromausfall während des Betriebs der Mühle kein unerwünschter Antrieb der Ausgleichsmasse in Gang gesetzt wird. Andernfalls könnte die Mühle beschädigt werden. Statt der Magnetbremse kann auch ein Servomotor vorgesehen sein.
Wieder Bezug nehmend auf 1 und 5 ist an dem Gehäuse 1, genauer an der Aufhängungsplatte 12 ein zweidimensional messender Beschleunigungssensor 9 befestigt. Rotiert die Trägervorrichtung 2 und ist die Ausgleichsmasse 42 nicht optimal eingestellt, so vibriert die Trägervorrichtung und überträgt diese Vibration auf die Aufhängung 12. Der Beschleunigungssensor 9 misst die Richtung und Größe in beiden Dimensionen (x- und y-Richtung) der Horizontalebene der durch die Unwuchtsvibrationen erzeugten Beschleunigung der Aufhängung 12, verbildlicht durch die Pfeile x und y. Der gemessene Beschleunigungsvektor rotiert quer zur Zentrumsachse 24 und spannt somit eine Beschleunigungsellipse auf, deren Größe ein Maß für die Unwucht darstellt. Die Beschleunigungsellipse kann aufgrund unterschiedlicher Steifigkeit in den beiden Dimensionen der Horizontalebene signifikant exzentrisch sein. Daher ist es für die Qualität des Steuersignals vorteilhaft die Größe der Beschleunigung entlang der ersten Hauptachse der Ellipse zu Bestimmen und diese als Messgröße für die Steuerung der Verstellung der Ausgleichsmasse 42 zu verwenden. Hiermit wird die Verstelleinrichtung vorzugsweise wie folgt gesteuert. Die Steuereinrichtung fährt die Mühle an und misst kontinuierlich den Beschleunigungsvektor. Dann wird die Ausgleichsmasse in einer (willkürlichen) Richtung etwas verstellt und die Veränderung der Größe der Beschleunigungsellipse entlang der ersten Hauptachse wird bestimmt. Hat sich die Größe verringert, ist dies die „richtige" Richtung gewesen und der Vorgang wird fortgesetzt bis das Toleranzintervall erreicht ist. Hat sich die Größe vergrößert, ist dies die „falsche" Richtung gewesen und es muss in entgegengesetzter Richtung verstellt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu die Drehrichtung der Trägervorrichtung 2 umgekehrt.
Dieses Ausführungsbeispiel der Kugelmühle weist eine Winkeldetektionseinrichtung 10 auf, mit welcher die Winkelstellung der Trägervorrichtung 2 während der Rotation bestimmt werden kann. Die Winkeldetektionseinrichtung 10 umfasst eine Anordnung aus einer Vielzahl von Magneten 101, welche an der Trägervorrichtung 2, genauer an deren Unterseite, befestigt sind. Die Magnete 101 sind ringförmig, in diesem Beispiel auf mehreren Umfangslinien 110, 112 mit unterschiedlichen Radien, angeordnet (vgl. 8). Eine Empfangseinrichtung 102 mit einer Mehrzahl von Hallsensoren 104 ist ortsfest zum Gehäuse 1 unter den Magneten 101 angeordnet. Die Magnete sind derart angeordnet, dass eine Kodierung gebildet wird, so dass mittels der korrespondierenden Hallsensoren 104 (hier drei) zumindest an einer Stelle der Trägervorrichtung 2 – in 8 ist dies links, wo ein zweiter Magnet 101 auf dem äußeren Umfang 110 angeordnet ist – diese Winkelstellung eindeutig identifiziert werden kann. Für die übrigen Magnete 101, welche in regelmäßigen Winkelabständen auf dem inneren Umfang 112 an der Trägervorrichtung 2, z.B. wie in 8 schematisch dargestellt, in einer gleichmäßigen Neuner-Teilung, angeordnet sind, genügt dann das Zählen der durch die Magnete 101 induzierten Signale in der Hallsensoranordnung 102.
Bezug nehmend auf 9 wird die Winkeldetektionseinrichtung 10, genauer werden die Hallsensoren 102 von einer Steuereinrichtung 103 ausgelesen und ausgewertet. Ferner liest die Steuereinrichtung 103 den Beschleunigungssensor 9 aus und synchronisiert dessen Daten mit der Winkelinformation. Dadurch kann die Steuereinrichtung 103 sogar optional bestimmen, in welche Richtung die Ausgleichsmasse 42 zu verschieben ist, um die Unwucht zu verringern. Ferner steuert die Steuereinrichtung 103 die Bremseinrichtung 8, um den Antrieb 6 der Masseausgleichseinrichtung 4 zu steuern und den Hauptantrieb 23 der Trägervorrichtung 2.
Es ist ersichtlich, dass mit der gewählten Art des mechanischen Antriebs der Masseausgleichseinrichtung 4 die Ausgleichsmasse 42 immer nur in einer bestimmten Richtung, entweder nach innen oder nach außen, verschoben werden kann, je nachdem, ob die Trägervorrichtung 2 mit oder entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert. Daher besteht bei zufälliger Stellung der Ausgleichsmasse 42 nur eine 50%ige Wahrscheinlichkeit, dass die Ausgleichsmasse 42 bei einer gegebenen Rotationsrichtung der Trägervorrichtung 2 in die gewünschte Richtung verstellt werden kann. Dieses Problem kann z.B. mit dem in 10 dargestellten beispielhaften Steuerungsverfahren mit folgenden Maßnahmen gelöst werden.
Nach der Benutzereingabe 202 zum Start des Mahlvorgangs läd 204 die Steuereinrichtung 103 das Toleranzintervall aus einem Speichermittel 105. Dann steuert die Steuereinrichtung 103 wie folgt:
Um der Richtungsabhängigkeit des Antriebs 8, 61 der Verstelleinrichtung 74, 75 Rechnung zu tragen ist, wird zunächst eine Richtungsinitialisierungsroutine 206–212 ausgeführt. Dabei wird die Kugelmühle zunächst angefahren 206 und eine Initialmessung 208 der Beschleunigungsellipse durchgeführt. Anschließend wird der Verstellantrieb für eine Intitalverstellung 210 in Gang gesetzt und die Beschleunigungsellipse abermals gemessen 208'. Anhand eines Vergleichs zwischen den Ergebnissen 208 und 208' ermittelt die Steuereinrichtung 103, ob die Ausgleichsmasse in Schritt 210 die „richtige" Richtung verstellt wurde. Je nach Ergebnis dieser Initialmessung entscheidet 211 die Steuereinrichtung 103 dann entweder – wenn die Richtung richtig war – das Hochfahren der Mühle fortzusetzen oder – wenn die Richtung falsch war – die Drehrichtung umzukehren 212 und bei Schritt 206 das Hochfahren von vorn zu beginnen. Beide Fälle kommen statistisch zu je 50% vor.
Ist die Richtung richtig, wird nach der Richtungsinitialisierungsroutine mit einer Sekundärroutine 213–222 die Trägervorrichtung 2 wie folgt hochgefahren und der Mahlvorgang durchgeführt:

(a) Messen 213 der Unwucht,
(b) wenn die gemessene Unwucht außerhalb des Toleranzintervalls liegt (Abfrage 214), dann Verstellen 216 der Ausgleichsmasse 42 bis das Toleranzintervall erreicht ist,
(c) Weiterbeschleunigen 219 der Trägervorrichtung 2 auf eine höhere Drehzahl,
(d) Messen 213 der Unwucht bei der höheren Drehzahl,
(e) wenn die gemessene Unwucht das Toleranzintervall verläßt (Abfrage 214), dann Verstellen 216 der Ausgleichsmasse 42 in derselben radialen Richtung wie bei Maßnahme (b) bis das Toleranzintervall wieder erreicht ist,
(f) Weiterbeschleunigen 219 der Trägervorrichtung 2 auf eine höhere Drehzahl.

Die Trägervorrichtung 2 wird solange beschleunigt, bis die Solldrehzahl (Abfrage 218) erreicht ist. Nach Erreichen der Solldrehzahl (Abfrage 218) wird der Mahlvorgang solange und unter weiterer kontinuierlicher Messung 213 der Unwucht und Regelung 213, 214, 216 des Gegenträgheitsmoments fortgesetzt, bis das Mahlziel erreicht ist (Abfrage 222).
Es ist aber auch denkbar, die Ausgleichsmasse 42 bei Beendingung eines jeden Mahlvorgangs in die innere oder äußere Extremposition 42a, 42b (vgl. 8) zu verstellen, je nachdem, welche Verstellrichtung aufgrund der Drehrichtung der Trägervorrichtung 2 gerade möglich ist, und beim nachfolgenden Mahlvorgang die Trägervorrichtung 2 in entgegengesetzter Richtung in Gang zu setzten. Somit kann sichergestellt werden, dass die Ausgleichsmasse 42 immer in die richtige Richtung verstellt werden kann. Es ist lediglich erforderlich, die Trägervorrichtung 2 bei nacheinander folgenden Mahlvorgängen abwechselnd mit und entgegen dem Uhrzeigersinn hoch zu fahren. Mit anderen Worten wird beim Abbremsen der Trägervorrichtung 2 nach Beendigung eines ersten Mahlvorgangs mit einer ersten Drehrichtung der Trägervorrichtung 2 die Ausgleichsmasse 42 automatisch in eine erste Extremposition 42a oder 42b verstellt. Beim Beschleunigen der Trägervorrichtung 2 für einen nachfolgenden zweiten Mahlvorgang wird die Trägervorrichtung 2 in umgekehrter zweiter Drehrichtung in Gang gesetzt. Beim Abbremsen der Trägervorrichtung nach Beendigung des zweiten Mahlvorgangs wird die Ausgleichsmasse dann automatisch in die gegenüberliegende zweite Extremposition 42b bzw. 42a verstellt und beim Beschleunigen der Trägervorrichtung 2 für einen nachfolgenden dritten Mahlvorgang wird die Trägervorrichtung 2 wieder in der ersten Drehrichtung in Gang gesetzt, usw.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne die Erfindung zu verlassen.

Claims

Kugelmühle, insbesondere Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle im Labormaßstab, umfassend ein Gehäuse (1), eine Trägervorrichtung (2), die relativ zum Gehäuse (1) um eine Zentrumsachse (24) drehbar gelagert ist, zumindest eine Mahlstation (3) mit einer Aufnahmevorrichtung (32) für zumindest ein Mahlgefäß, die um eine Aufnahmeachse (36) drehbar zur Trägervorrichtung (2) gelagert ist und von dieser um die Zentrumsachse (24) mitgeführt wird und zumindest einem mit Mahlgut und Mahlkugeln befüllbaren und in die Aufnahmevorrichtung einsetzbaren Mahlgefäß, einen Antrieb (23) für die Trägervorrichtung (2), einen Antrieb (5) für die Aufnahmevorrichtung (32), eine verstellbare Ausgleichsmasse (42), um ein Gegenträgheitsmoment für die Mahlstation oder die Mahlstationen (3) zu bilden, eine Verstelleinrichtung (74, 75) zur Verstellung der Ausgleichsmasse (42), um das Gegenträgheitsmoment angepasst an das Trägheitsmoment der Mahlstation oder der Mahlstationen (3) zu verändern, ein von außerhalb der Trägervorrichtung (2) steuerbarer Antrieb (8, 61, 65, 66, 73) für die Verstelleinrichtung (74, 75), um während der Rotation der Trägervorrichtung (2) die Ausgleichsmasse (42) zu verstellen.
Kugelmühle nach Anspruch 1, ausgebildet als Mono-Kugelmühle mit nur einer einzigen Mahlstation (3), wobei die verstellbare Ausgleichsmasse (42) in Bezug auf die Zentrumsachse (24) gegenüber der einen Mahlstation (3) angeordnet ist, um ein Gegenträgheitsmoment für die eine Mahlstation (3) zu bilden.
Kugelmühle nach Anspruch 1 oder 2, umfassend eine Messeinrichtung (9) zur Messung der Unwucht, und eine Steuereinrichtung (103), welche den Antrieb (8, 61, 65, 66, 73) der Verstelleinrichtung in Abhängigkeit der gemessenen Unwucht steuert, um das Gegenträgheitsmoment mittels der Verstellung der Ausgleichsmasse (42) automatisch an das Trägheitsmoment der Mahlstation oder der Mahlstationen (3) anzupassen.
Kugelmühle nach Anspruch 3, wobei die Steuereinrichtung (103) ein Speichermittel (105) umfasst, in welchem ein vorbestimmtes Toleranzintervall für die Unwucht gespeichert ist, wobei die von der Messeinrichtung (9) gemessene Unwucht als Rückmeldung an die Steuereinrichtung (103) übermittelt wird und ein Regelkreis zur Verstellung der Ausgleichsmasse (42) gebildet ist, wobei der Antrieb (8, 61, 65, 66, 73) für die Verstelleinrichtung in Gang gesetzt wird, wenn die gemessene Unwucht außerhalb des vorbestimmten Toleranzintervalls liegt.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Energieübertragungseinrichtung (8, 61) zur Übertragung von Verstellenergie auf die rotierende Trägervorrichtung (2), wobei die Energieübertragungseinrichtung (8, 61) einen ortsfest zu dem Gehäuse angebrachten ersten Teil (81, 83) und einen mit der Trägervorrichtung mitrotierenden zweiten Teil (82, 61) umfasst und wobei zumindest zeitweise mittels der übertragenen Verstellenergie die Verstelleinrichtung (74, 75) angetrieben wird.
Kugelmühle nach Anspruch 5, wobei der erste und zweite Teil (81, 83, 82, 61) der Energieübertragungseinrichtung koaxial zu der Zentrumsachse (24) angeordnet sind.
Kugelmühle nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Energieübertragungseinrichtung mechanisch eine Stellkraft oder induktiv elektrische Verstellenergie auf das mitrotierende zweite Teil (82, 61) überträgt.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zur motorischen Verstellung der Ausgleichsmasse (42) eingesetzte Energie der Rotationsenergie der Trägervorrichtung (2) entnommen wird.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Antrieb für die Verstelleinrichtung eine in Bezug auf die Trägervorrichtung (2) drehbar gelagerte Antriebswelle (61) umfasst, welche mittels eines Getriebes (65, 66, 73) mit der Verstelleinrichtung (74, 75) gekoppelt ist, derart dass die Ausgleichsmasse (42) radial verschoben wird, wenn die Antriebswelle (61) relativ zu der Trägervorrichtung (2) gedreht wird.
Kugelmühle nach Anspruch 9, wobei eine Bremseinrichtung (8) zum Bremsen der Rotation der Antriebswelle (61) relativ zu dem Gehäuse oder ein Antriebsmotor zum Antreiben der Antriebswelle (61) vorgesehen ist, um dadurch eine Drehung der Antriebswelle (61) relativ zu der rotierenden Trägervorrichtung (2) zu bewirken und die Verstelleinrichtung (74, 75) anzutreiben.
Kugelmühle nach Anspruch 10, wobei die Bremseinrichtung (8) eine Magnetbremse (81–83) umfasst.
Kugelmühle nach Anspruch 11, wobei die Magnetbremse (81–83) im stromlosen Zustand freilaufend ausgebildet ist und bei Strombeaufschlagung die Antriebswelle (61) relativ zu dem Gehäuse (1) bremst.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bremseinrichtung (8) nur zwei Zustände, nämlich freilaufend oder voll bremsend einnehmen kann.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zentrumsachse (24) als Hohlachse ausgebildet ist und die Antriebswelle (61) koaxial innerhalb der Hohlachse verläuft und mit einem oberen und unteren Ende (64, 67) die jeweils aus der Hohlachse herausragen.
Kugelmühle nach Anspruch 14, wobei an dem oberen Ende ein Antriebsrad (65) befestigt ist, welches an die Verstelleinrichtung (74, 75) gekoppelt ist, um diese anzutreiben.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verstelleinrichtung (74, 75) einen Spindeltrieb aus Gewindespindel und korrespondierendem Innengewinde zur radialen Verschiebung der Ausgleichsmasse (42) umfasst und der Spindeltrieb selbsthemmend ausbildet ist.
Kugelmühle nach Anspruch 16, wobei der Spindeltrieb mittels einer in Bezug auf die Trägervorrichtung drehbar gelagerten Antriebswelle angetrieben wird, wenn die Antriebswelle (61) relativ zu der Trägervorrichtung (2) gedreht wird.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ankopplung der Antriebswelle (61) über einen Zahnriemenantrieb (65, 66, 73) mit einem ersten und zweiten Zahnriemenrad (65, 73) und einem Zahnriemen (66) erfolgt, wobei das erste Zahnriemenrad (65) mit einem oberen Ende (64) der Antriebswelle (61) verbunden ist und das zweite Zahnriemenrad (73) mit der Gewindespindel (74) verbunden ist und der Zahnriemen (66) über Umlenkrollen (71, 72) zwischen dem ersten und zweiten Zahnriemenrad (65, 73) umgelenkt wird.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (9) zur Messung der Unwucht einen Beschleunigungssensor umfasst.
Kugelmühle nach Anspruch 19, wobei der Beschleunigungssensor Richtung und/oder Größe der Beschleunigung misst.
Kugelmühle nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Beschleunigungssensor die Beschleunigung zumindest zweidimensional in einer Ebene quer zur Zentrumsachse (24) misst.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (9) zur Messung der Unwucht ortsfest zu der Zentrumsachse (24) befestigt ist.
Kugelmühle nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mühle Mittel (10) zum Detektieren der Winkelstellung der Trägervorrichtung (2) während der Rotation um die Zentrumsachse (24) aufweist, die Messeinrichtung (9) während der Rotation der Trägervorrichtung ausgelesen und mit der Winkelstellung synchronisiert wird, um die Richtung der Unwucht zu bestimmen.
Verfahren zum Betreiben einer Planeten- oder Fliehkraftkugelmühle mit zumindest einer Mahlstation (3), welche im Betrieb von einer um eine Zentrumsachse (24) rotierenden Trägervorrichtung (2) um die Zentrumsachse (24) mitgeführt wird und gleichzeitig zumindest relativ zur Trägervorrichtung (2) um eine Aufnahmeachse (36) rotiert und einer verstellbaren Ausgleichsmasse (42) als Gegenträgheitsmoment für die Mahlstation oder die Mahlstationen (3), insbesondere zum Betreiben einer Kugelmühle gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während der Rotation der Trägervorrichtung (2) die Unwucht gemessen wird und die Ausgleichsmasse (42), welche verstellbar an der Trägervorrichtung (2) angebracht ist, in Abhängigkeit der gemessenen Unwucht verstellt wird, um das Gegenträgheitsmoment automatisch an das Trägheitsmoment der Mahlstation oder der Mahlstationen (3) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Trägervorrichtung (2) bis zu einer Solldrehzahl beschleunigt und die Unwucht während der Beschleunigung laufend gemessen wird und wobei die Verstellung der Ausgleichsmasse (42) in Abhängigkeit von der gemessenen Unwucht automatisch gesteuert wird, zumindest bis die Kugelmühle die Solldrehzahl erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Trägervorrichtung (2) bis zu einer Solldrehzahl beschleunigt und die Unwucht während der Beschleunigung laufend gemessen wird und wobei die Verstellung der Ausgleichsmasse (42) bei steigender Drehzahl schrittweise durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Ausgleichsmasse bei dem schrittweisen Verstellen beim Beschleunigen der Trägervorrichtung (2) mehrfach nur in einer einzigen Richtung verstellt wird, bis die gemessene Unwucht in einem vorbestimmtem Toleranzintervall liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in einem Speichermittel (105) ein vorbestimmtes Toleranzintervall für die Unwucht gespeichert ist, wobei die von einer Messeinrichtung (9) gemessene Unwucht als Rückmeldung an eine Steuereinrichtung (103) übermittelt wird, so dass ein Regelkreis zur Verstellung der Ausgleichsmasse gebildet ist, wobei die Steuereinrichtung (103) einen Antrieb (8, 61, 65, 66, 73) zur Verstellung der Ausgleichsmasse (42) in die Richtung, welche eine Verringerung der Unwucht bewirkt dann in Gang setzt, wenn die gemessene Unwucht außerhalb des vorbestimmten Toleranzintervalls liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei während der Rotation der Trägervorrichtung (2) laufend ihre Winkelstellung detektiert (10) und die Richtung der Unwucht mithilfe der detektierten Winkelstellung bestimmt wird und wobei die Kugelmühle in Abhängigkeit der Richtung und/oder der Größe der Unwucht gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die radiale Richtung der Verstellung der Ausgleichsmasse (42) von der Drehrichtung der Trägervorrichtung abhängt und die Steuereinrichtung (103) ein Steuerprogramm ausführt, welches die Drehrichtung der Trägervorrichtung (2) automatisch umkehrt, wenn dies zur Verstellung der Ausgleichsmasse (42) in die richtige Richtung notwendig ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kugelmühle eine Steuereinrichtung (103) mit einem Speichermittel (105) aufweist, in welchem ein vorbestimmtes Toleranzintervall für die Unwucht gespeichert ist, wobei zumindest folgende Maßnahmen ausgeführt werden: (a) Messen (213) der Unwucht, (b) wenn die gemessene Unwucht außerhalb des Toleranzintervalls liegt, dann Verstellen (216) der Ausgleichsmasse (42) bis das Toleranzintervall erreicht ist, (c) Beschleunigen (219) der Trägervorrichtung (2) auf eine höhere Drehzahl, (d) Messen (213) der Unwucht bei der höheren Drehzahl, (e) wenn die gemessene Unwucht das Toleranzintervall verlässt, Verstellen (216) der Ausgleichsmasse (42) bis das Toleranzintervall erreicht ist, (f) Beschleunigen (219) der Trägervorrichtung (2), wobei die Maßnahmen (d) bis (f) solange durchgeführt werden, bis eine Solldrehzahl erreicht ist (218).
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die radiale Richtung der Verstellung der Ausgleichsmasse (42) von der Drehrichtung der Trägervorrichtung (2) abhängt und die Steuereinrichtung (103) ermittelt, ob (i) die Drehrichtung der Trägervorrichtung (2) eine Verstellung der Ausgleichsmasse (42) in diejenige Richtung ermöglicht, welche die Unwucht verringert oder (ii) die Drehrichtung der Trägervorrichtung (2) eine Verstellung der Ausgleichsmasse (42) in diejenige Richtung nicht ermöglicht, welche die Unwucht verringert, und wobei die Steuereinrichtung (103) auf Basis der ermittelten Alternativen (i) oder (ii) automatisch folgende Entscheidung trifft (211): bei Vorliegen des ermittelten Ergebnisses (i), weiteres Hochfahren der Trägervorrichtung (2), bei Vorliegen des ermittelten Ergebnisses (ii), Umkehren (212) der Drehrichtung der Trägervorrichtung (2).
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die radiale Richtung der Verstellung der Ausgleichsmasse (42) von der Drehrichtung der Trägervorrichtung (2) abhängt, wobei die Ausgleichsmasse (42) zwischen einer ersten und zweiten Extremposition (42a, 42b), welche sich radial gegenüber liegen, verstellt werden kann, wobei die Ausgleichsmasse (42) bei Beendingung eines Mahlvorgangs in die erste oder zweite Extremposition (42a, 42b) verstellt wird, je nachdem, welche Verstellrichtung aufgrund der Drehrichtung der Trägervorrichtung (2) möglich ist, und beim nachfolgenden Mahlvorgang die Trägervorrichtung (2) in entgegengesetzter Richtung in Gang gesetzt wird, um sicher zu stellen, dass die Ausgleichsmasse (42) in die richtige Richtung verstellt werden kann, so dass die Trägervorrichtung (2) bei nacheinander folgenden Mahlvorgängen abwechselnd mit und entgegen dem Uhrzeigersinn hochgefahren wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine koaxial zu der Zentrumsachse (24) der Kugelmühle angeordnete Antriebswelle (61) in einem Normalzustand mit gleicher Drehzahl mit der Trägervorrichtung (2) rotiert und zur Verstellung der Ausgleichsmasse (42) mittels der Antriebswelle (61) eine Kraft mechanisch auf die Trägervorrichtung (2) übertragen wird, dadurch dass eine Relativdrehung der Antriebswelle (61) zu der Trägervorrichtung (2) bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei laufend die Richtung und Größe der Beschleunigung der Aufhängung der Trägervorrichtung in zumindest zwei Dimensionen in einer Ebene quer zur Zentrumsachse (24) gemessen wird, um die von dem in der Ebene rotierenden Beschleunigungsvektor aufgespannte Beschleunigungsellipse zu bestimmen und anhand der Veränderung der Beschleunigungsellipse beim Verstellen der Ausgleichsmasse zumindest die Richtigkeit der Richtung der Verstellung zu ermitteln.