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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Unwucht eines Rotors, der am Ende einer Spindel befestigt wird, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und wie aus
DE 198 44 975 C2 bekannt.
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Stand der Technik
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Um Rotoren ohne eigene Lager oder Lagerzapfen mit geringem Arbeitsaufwand auswuchten zu können, lässt man die fest eingebaute Spindel über das Gehäuse der Auswuchtmaschine hinausragen. Ein Rotor wird dann mittels Adapter zentrisch auf das Ende der Spindel aufgesetzt und befestigt. Der Rotor ist dann von mindestens fünf Seiten frei zugänglich, so dass Ausgleichsgewichte befestigt oder Masse abgenommen werden kann.
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Sitzt die Spindel nahe am Rand des Maschinengehäuses, wird die sechste Seite des Rotors teilweise und durch Drehen zusammen mit der Spindel allseitig zugänglich.
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Das Aufspannen auf das Ende der Spindel wird als ”Fliegende Lagerung” bezeichnet. Beide Lagerstellen der Spindel sitzen auf gleicher Seite neben dem Rotor im Maschinengehäuse. In 6 wird die bekannte, konventionelle Anordnung eines Messkopfes mit fliegender Lagerung für eine horizontale Auswuchtmaschine schematisch dargestellt. Die Messwandler und deren Stützen werden wie bei dem aus der Statik bekannten ”Horizontaler Balken auf zwei Stützen” durch die Unwucht- und Massenkräfte belastet.
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Wie mit den pfeilförmigen Kraftvektoren dargestellt, können die Unwuchtkräfte in den Messebenen 33 und 34 wesentlich größer werden als die Kräfte am Rotor 32.
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Die ”Fliegende Lagerung” der Spindel 16 erleichtert das Aufsetzen des Rotors 32, und dieser ist optimal zugänglich, auswuchttechnisch ergeben sich jedoch folgende Erschwernisse:
- – Von den Messwandlern 26 und 27 sowie der nachfolgenden Mess-Elektronik muss gegenüber einem symmetrischen Lagerungsfall eine größere Signaldynamik verarbeitet werden.
- – Vor allem bei horizontaler Ausrichtung der Spindel 16 werden Kräfte, welche beim Auf- und Abspannen des Wuchtgutes 32 auf die Messwandler einwirken, durch die Hebelübersetzung a + b/c verstärkt. Die Kräfte können die Messwandler 26 und 27 überlasten und deren Wandlungsfaktoren verändern.
- – Abweichungen der Wandlungsfaktoren der Messwandler zu den bei der Justage ermittelten Werten, durch Temperaturänderung, Alterung oder Überlastung werden bei der Umrechnung der Ebenen mit den Faktoren der Hebelübersetzungen vergrößert.
- – Die ungleiche Aufteilung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Messwandlerstützen und deren endlichen Steifigkeit hat eine kleine Verfälschung der Phasenlage der von den Messwandlern abgegebenen Unwuchtvektoren zur Folge. Für ein Rotor-Exemplar können diese Phasenfehler ermittelt und ausgeglichen werden. Bei Rotoren von variierender Masse und Schwerpunktlage kann dagegen der Ausgleich nur teilweise gelingen.
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All die oben genannten Fakten tragen dazu bei, dass die Umrechnung der Unwuchtkräfte von den Messebenen 33 und 34 in die Ausgleichsebenen 35 und 36 mit Fehlern behaftet ist, die Unwucht des Rotors also ungenau angezeigt wird.
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Für ”Direkt anzeigende Auswuchtmaschinen” mit fest eingebauter Spindel, bei der die Anzeige der Unwucht ohne vorhergehende Kalibrierung für den Rotor ausreichend genau sein soll, ist anzustreben, dass die Messebenen nahe bei sowie symmetrisch zu den Ausgleichsebenen liegen und beide etwa gleiche Steifigkeit aufweisen. Eine solche Anordnung verringert die Signaldynamik und die enthaltenen Störanteile sowie die von der Rotormasse abhängige Phasenverschiebung zwischen den Messwandlersignalen.
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In der Patentschriften
DE 23 07 476 A und
US 3,805,623 A wird eine Vorrichtung zum Messen der Unwucht eines Rotors beschrieben, welche eine senkrechte Achse aufweist, auf welcher der Rotor aufgespannt ist, und einen Antrieb der Achse und Rotor in Drehung versetzt.
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Die Vorrichtung besteht aus einem ortsfesten Rahmen (Grundplatte) und einem parallel dazu ausgerichteten Tisch (Koppelplatte), welcher die Lagerung und den Antrieb der senkrechten Achse trägt. Der Tisch wird von vier Stäben über dem Rahmen gehalten. Die Stäbe weisen nahe ihrer Enden elastische Bereiche auf, so dass zwei Paare von viergliedrigen Koppelgetrieben gebildet werden. Das erste Paar ist trapezförmig, das zweite Paar hat die Form eines Parallelogramms.
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Zwei am Rahmen befestigte Messwandler setzten die Vibrationen des Tisches in elektrische Signale um. Durch eine Momentenunwucht des Rotors wird eine pendelnde Bewegung des Tisches hervorgerufen, welche von den trapezförmigen Koppelgetrieben zugelassen wird. Eine statische Unwucht wird eine lineare Bewegung hervorrufen, welche vom Parallelogramm zugelassen wird.
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Einen Verdrehen des Tisches zum ortsfesten Rahmen durch die Beschleunigungs- und Bremsmomente des Antriebs wird nur durch die, ansonsten wenig wünschenswerte, Steifheit der elastischen Bereiche in den Stäben entgegengewirkt. Das Beschleunigen des Wuchtgutes auf Messdrehzahl und das Abbremsen kann also nur mit begrenztem Moment erfolgen und erfordert lange Beschleunigungs- und Bremszeiten, welche dem industriellen Einsatz der Vorrichtung entgegen stehen.
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In den Patentschriften
DE 25 58 026 A1 und
US 4,011,761 A wird eine Radauswuchtmaschine beschrieben, welche ein verstellbares Koppelgetriebe nutzt, um eine Schwenkachse (Schwingungsknoten) außerhalb des Maschinengehäuses zu projizieren. So wird erreicht, dass die Unwucht in der Ebene der Schwenkachse keinen Einfluss auf die momentan zu messende Ausgleichsebene hat.
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In den Patentschriften
DE 198 44 975 C2 und
US 6,505,510 B2 sind Vorrichtungen beschrieben, bei denen beide Messebenen mit viergliedrigen Koppelgetrieben außerhalb des Gehäuses der Maschinen zum Rotor verlagert sind und daher eine vorteilhafte Signaldynamik aufweisen.
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Bei diesen Vorrichtungen trägt ein erstes, viergliedriges Koppelgeriebe einen Zwischenrahmen, an dem ein zweites Koppelgeriebe befestigt ist, welches die Spindellagerung trägt. Durch das Hintereinandersetzen der Koppelgetriebe und der Messwandler ergibt sich jedoch eine Asymmetrie in der Steifigkeit der projizierten Messebenen. Wie in den 8 und 9 der Deutschen Patentschrift gezeigt wird, haben die Koppelgeriebe einige Ausdehnung in der Vertikalen und sind daher drehsteif.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Prinzip der projizierten Messebenen mit all seinen Vorzügen zur Anwendung kommt und die beiden Messebenen nahezu gleiche Steifigkeit aufweisen. Die Vorrichtung soll sowohl für Auswuchtmaschinen mit horizontaler als auch vertikaler Spindelanordnung verwendbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Kernstück der Vorrichtung ist die in Bereichen elastische Spindellageraufhängung, wie sie in 1 schematisch gezeigt wird. Die Aufhängung besteht aus zwei zur Spindelachse 17 rechtwinklig stehenden steifen Platten 2 und 3, welche über vier Stäbe 4–7 miteinander verbunden sind und einer Verdrehstütze 23.
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Die Grundplatte 2 kann die Wand des ortsfesten Maschinengehäuses 1 darstellen oder mit diesem fest verbunden sein. Die Koppelplatte 3 trägt die Spindellagerung 18 und ist zu dieser abgestützt. Die vier Stäbe 4–7 weisen an ihren Enden Gelenke 8–15 mit mindestens zwei Bewegungsfreiheiten auf. Die Befestigungspunkte der Stabenden auf den Platten 2 und 3 bilden Rechtecke von unterschiedlicher Größe mit paralleler Ausrichtung deren Mittelpunkte vorzugsweise auf der Spindelachse 17 liegen.
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So bilden die vier Stäbe 4–7 zusammen mit den beiden Platten 2 und 3 zwei Paare von trapezförmigen, gleichschenkligen, viergliedrige Koppelgetriebe, wobei die Paare orthogonal zueinander stehen und über die Platten 2 und 3 verbunden sind. Die Schwenkachsen 24 und 25 der Koppelgetriebe stehen dann ebenfalls im rechten Winkel zueinander und kreuzen die Spindelachse 17 in einem ersten und einem zweiten Abstand von der Grundplatte 2. Die Verdrehstütze 23 verhindert die Drehung der Koppelplatte 3 und der mit ihr verbundenen Spindellagerung 18 um die Spindelachse 17; sie lässt jedoch translatorische, axiale, laterale und angulare Bewegungen zu.
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Für die von der Unwucht des Rotors bei Drehung hervorgerufenen Kräfte wirken die Schwenkachsen 24 und 25 als Schwingungsknoten. Außer der Rotation um die Spindelachse werden die Freiheitsgrade des Rotors 32 durch die Koppelgetriebepaare soweit eingeschränkt, dass nur ein Schwingen um die quasi ortsfesten Schwenkachsen 24 und 25 verbleibt. Aber auch diese Torsionsbewegungen um die Schwenkachsen werden verhindert, denn die ortsfest abgestützten und wenig elastischen Messwandler 26 und 27 nehmen die Unwuchtkräfte auf und wandeln sie in elektrische Signale um. Die Unwuchtsignale weisen einen Phasenversatz von 90° auf, denn die Messwandler stehen wie die Schwenkachsen im rechten Winkel zueinander. Bevor die Unwuchtkräfte von den Mess- in die Ausgleichsebenen umgerechnet werden, kann vom Mikroprozessor eine Korrektur des Phasenversatzes vorgenommen werden.
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Das in 7 abgebildete zweidimensionale, viergliedrige Koppelgetriebe, auch Viergelenkkette genannt, wird häufig als Scharnier mit projiziertem also außerhalb der Bauteile liegendem Drehpunkt genutzt. Angewendet werden sie meist paarweise z. B. als: Scharnier in Küchenmöbeln oder an PKW Koffer- oder Motorraumdeckeln.
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Die vier Glieder 2–5 in 7 sind über die vier Gelenke 8–11 verbunden. Das Glied 2 ist ortsfest und bildet die Basis. Somit sind zwei der Gelenke ortsfest und die gleich langen Glieder 4 und 5 können sich nur um die Gelenke 8 und 11 drehen. Das Glied 3 ist kürzer als die Basis 2 und verbindet die Glieder 4 und 5 und wirkt also als Koppel. Die vier Glieder haben die Form eines Trapezes.
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Bewegt man das Koppelglied 3 wie in den 7 und 8 gezeigt, schwenkt es um einen Punkt, an dem sich die verlängerten Glieder 4 und 5 im unausgelenktem Zustand kreuzen. Dieser Drehpunkt wird auch als Pol bezeichnet.
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Das Koppelgetriebe nach 7 kann ins Räumliche erweitert werden. Die Basis 2 und das Koppelglied 3 werden dann zu rechteckigen Flächen, der Grund- und Koppelplatte.
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An den Ecken der Flächen sind über acht Gelenke mit mindestens zwei Freiheitsgraden vier stabförmige Glieder angebracht. Die zwei Flächen und die vier Stäbe bilden zusammen zwei orthogonal verbundene Paare von Koppelgetrieben. Wobei ein Paar aus zwei kongruenten Trapezoiden besteht, die in einigem Abstand nebeneinander stehen.
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Die Schwenkachsen der Koppelgetriebepaare liegen auf den Kreuzungspunkten in der Verlängerung der Glieder und stehen orthogonal zueinander. Zum Zweck der Spindellageraufhängung sind die Flächen Rechtecke von unterschiedlicher Größe, so dass die Schwenkachsen in verschiedenem Abstand zur Basisfläche liegen.
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Die orthogonal verbundenen Koppelgetriebepaare sind alleine als Maschinenelement nicht brauchbar, denn die Koppelfläche kann sich gegen die Grundfläche verdrehen und ändert dabei den Abstand zwischen den Flächen. Es muss eine Verdrehstütze (Momentenstütze) 23 eingeführt werden, die Drehmomente aufnimmt aber Bewegungen in alle anderen Richtungen zulässt.
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Eine geringe Verdrehung der Koppelplatte 3 gegenüber der ortsfesten Platte 2 wird die Funktion der verbundenen Koppelgetriebe nicht beeinträchtigen, solange die Verdrehstütze 23 diese Verdrehung konstant hält.
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Die verbundenen Koppelgetriebepaare nach 1 können also als ein ins Dreidimensionale erweiterte Koppelgetriebe nach 7 gesehen werden.
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Liste der Figuren
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1 Erstes Ausführungsbeispiel der Spindellageraufhängung über zwei viergliedrige Koppelgetriebepaare mit projizierten Messebenen 33 und 34 links und rechts von den Ausgleichsebenen 35 und 36 des Rotors und einer symmetrischer Verdrehstütze 23.
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2 Zweites Ausführungsbeispiel der Spindellageraufhängung mit den Messwandlern 26a und 26b als Verdrehstütze.
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3 Drittes Ausführungsbeispiel der Spindellageraufhängung mit einer projizierten Messebene nahe dem Massemittelpunkt des Rotors 32 und der zweiten Messebene in großem Abstand zum Rotor und sechs Stäben zwischen den steifen Platten.
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4 Viertes Ausführungsbeispiel der Spindellageraufhängung mit nur drei Stäben.
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5 Fünftes Ausführungsbeispiel der Spindellageraufhängung über zwei invers angeordnete viergliedrige Koppelgetriebepaare. Die ortsfeste Platte 2 ist nahe dem Rotor 32, die Koppelplatte 3 im Maschinengehäuse 1 platziert.
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6 Schematische Abbildung des bekannten, konventionellen Messkopfes einer Auswuchtmaschine und Darstellung einer Unwuchtkräfteverteilung.
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7–9 Viergliedrige Koppelgetriebe: in Mittelstellung, 5° ausgelenkt, –5° ausgelenkt.
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10–12 Varianten viergliedriger Koppelgetriebe: leicht asymmetrisch, asymmetrisch, stark asymmetrisch.
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13a Erstes Ausführungsbeispiel einer Verdrehstütze, teilweise im Schnitt.
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13b Erstes Ausführungsbeispiel einer Verdrehstütze, in räumlicher Darstellung
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14a Zweites Ausführungsbeispiel einer Verdrehstütze, teilweise im Schnitt.
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14b Zweites Ausführungsbeispiel einer Verdrehstütze, in räumlicher Darstellung
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15 Realistische Darstellung eines Messkopfes mit orthogonal projizierten Messebenen, in perspektivischer Darstellung.
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1 zeigt eine Vorrichtung zum Messen der sinusförmigen Kräfte, die von einem Rotor 32 ausgehen dessen Masse ungleich um die Rotationsachse verteilt ist. Der Rotor ist auf das Ende der Spindel 16 aufgesetzt ist und rotiert zusammen mit dieser. Die Spindellagerung 18 ist über eine in Bereichen elastische Aufhängung am ortsfesten Maschinengehäuse 1 befestigt. Die Unwuchtkräfte werden über die Verbindungsstäbe 28 und 29 zu zwei ortsfest abgestützte, wenig elastische Messwandler 26 und 27 übertragen.
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Die Spindellageraufhängung besteht aus zwei, rechtwinklig zur Spindelachse 17 ausgerichteten, steifen Platten 2 und 3, vier Stäben 4–7 sowie einer Verdrehstütze 23. Die Grundplatte 2 kann als Wand des ortsfesten Maschinengehäuse 1 ausgebildet oder an dieser befestigt sein. Die Koppelplatte 3 trägt die rohrförmige Spindellagerung 18. Über vier Knotenbleche 19–22 ist die Spindellagerung 18 abgestützt und die Koppelplatte versteift. Die Platten 2 und 3 sind über die vier Stäbe 4–7 miteinander verbunden.
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Die Befestigungspunkte der Stäbe auf den Platten 2 und 3 sind an den Ecken unterschiedlich großer Rechtecke angeordnet. Die Stäbe 4–7 haben nahe ihrer Enden Gelenke 8–15 mit mindestens zwei Freiheiten, so dass zwei Paare von viergliedrigen Koppelgetrieben gebildet werden, welche orthogonal zueinander stehen und symmetrisch um die Spindelachse 17 angeordnet sind.
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Die Befestigungspunkte der Stäbe 4–7 sind in ihren Abständen zur Spindelachse 7 so gewählt, dass die quasi ortsfeste Schwenkachsen 24 und 25 der Koppelgetriebe die Spindelachse 17 kreuzen und in einem ersten und einem zweiten Abstand vor der Grundplatte 2 liegen.
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So werden zwei orthogonal zueinander stehende und daher voneinander unabhängige Schwingungsknoten erzwungen, welche die projizierten Messebenen 33 und 34 darstellen. Die Verdrehstütze 23, als Struktur in der Grundplatte 2 dargestellt, verhindert eine Drehung der Koppelplatte 3 und der mit ihr verstrebten Spindellagerung 18 um die Spindelachse 17, lässt indessen Translatorische- und Schwenkbewegungen in jede anderen Richtung zu, so dass die Unwuchtkräfte ungeschmälert auf die Messwandler übertragen werden.
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2 zeigt eine ähnliche Aufhängung der Spindellagerung wie in 1, jedoch wird das Verdrehen der Koppelplatte 3 zur Grundplatte 2 mittels der, in einigem Abstand zur Spindelachse 17 angeordneten Messwandler 26a und 26b verhindert. Die Messwandler können elektrisch parallel geschalteten werden, so dass Drehmomente mit gegenläufigen Phasenlagen aufgenommenen und daher kompensiert werden.
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3 zeigt eine Aufhängung der Spindellagerung bei der die Befestigungspunkte der Stäbe 4–7 so gewählt wurden, dass die horizontale Schwenkachse 24 beim Schwerpunkt des Rotors 32 liegt, die vertikale Schwenkachse einen großen Abstand vom Rotor 32 hat. Die Befestigungspunkte der Stäbe sind auf der Grund- und Koppelplatte 2 und 3 gleich weit von der Spindelachse 17 entfernt. In der Horizontalen wirkt die Viergelenkkette als Parallelschwinger. Diese Auslegung ist für eine horizontale Anordnung der Spindel geeignet, denn die Masse des Rotors 32 wird von der Schwenkachse 24 getragen und hat so geringen Einfluss auf die Vorspannung des Messwandlers 26.
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Auch wird gezeigt, dass die Koppelplatte 3 bei paralleler Anordnung der Stäbe mit mehr als vier Stäben befestigt werden darf, ohne dass es, bei Bewegungen der Koppelplatte um die Schwenkachsen 24 und 25, zu Spannung in den Stäben kommt. Die Bewegung also nicht gehemmt wird und die Unwuchtkräfte ungeschmälert zu den Messwandlern gelangen.
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Zudem wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Verdrehstütze als drehstarre Struktur in der Grundplatte 2 dargestellt.
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4 zeigt eine Spindellageraufhängung, bei welcher die verbundenen Koppelgetriebe mit nur drei Stäben 4–6 gebildet werden. Die Unwuchtkräfte werden von den orthogonal zueinander stehenden Messwandlern 26 und 27 aufgenommen, so dass nur die orthogonalen Schwenkachsen 24 und 25 zur Wirkung kommen.
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5 zeigt eine umgekehrte Anordnung Grund- und Koppelplatte. Die ortsfeste Platte 2 ist nahe am Rotor, die Koppelplatte 3 im Maschinengehäuse 1 platziert. Der Antriebsmotor 40 kann dann auf der Koppelplatte 3 befestigt werden.
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Allen in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele der orthogonal projizierten Messebenen haben folgende Vorteile gegenüber der in 6 gezeigten, bekannten, konventionellen Ausführung:
- – Mindestens eine der projizierten Messebenen liegt nahe beim Rotor 32 und dessen Spannvorrichtung. Schwere Spannmittel vollautomatischer Rad-Auswuchtmaschinen werden von der quasi ortsfesten Schwenkachse nahe der Massenanhäufung gestützt, so dass die Eigenfrequenz der Spindellageraufhängung hoch ist.
- – Die Messwandler 26 und 27 sitzen nahe beieinander, so dass die momentane Temperatur annähernd gleich sein und die Alterung ähnlich verlaufen wird.
- – Von der Unwucht hervorgerufene Kräfte und solche die beim Aufspannen der Rotoren auftreten, werden nicht über Hebel verstärkt sondern nahezu 1 zu 1 auf die Messwandler übertragen. Dies ergibt eine geringe Dynamik der Unwuchtsignale, so dass die Anforderungen an die Messwandler und die Messelektronik gering bleiben.
- – Wenig Störanteile in den Unwuchtsignalen, so dass eine hohe Messwiederholgenauigkeit bei kurzer Messzeit erreicht werden kann.
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Gegenüber der im Patent
DE 198 44 97 C2 beschriebenen Ausführung ist unter Anderem folgender Vorteil zu nennen:
- – Die Spindellagerung 18 wird unmittelbar von den viergliedrigen Koppelgetrieben getragen. Beide Messebenen weisen nahezu gleiche Steifigkeit auf, so dass der von der Rotormasse beeinflusste Phasenverschiebungen klein bleibt.
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6 zeigt schematisch die die Anordnung der Messwandler 26 und 27 bei fliegender Lagerung des Rotors 32 in der bekannten, konventionelle Anordnung eines Messkopf mit fest eingebauter Spindel. Es wird ein Beispiel der Unwuchtkräfteverteilung auf die Messwandler gegeben.
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In den 10 bis 12 wird gezeigt, dass die Koppelgetriebe asymmetrisch gestaltet werden können, die Schwenkachse 24 aber weiterhin die Mittelachse 17 kreuzt.
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Die 13a und 13b zeigen eine für Torsion steife Verdrehstütze als Faltenbalg. Die Verdrehstütze 23 kann auch, wie in den 14a und 14b gezeigt, als mehrfach geschlitztes Rohr ausgeführt sein. Beide Ausführungen können zwischen Grund- und Koppelplatte zentrisch um die Spindelachse 17 angeordnet werden.
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Als Verdrehstütze geeignet sind alle rohrförmigen Kupplungen aus der Antriebstechnik, welche Torsionskräften spielfrei übertragen und dabei axialen, lateralen und angularen Versatz ausgleichen.
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15 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Messkopfes einer Rad-Auswuchtmaschine mit orthogonal projizierten Messebenen. Die spielfreien Gelenke 8–15 an den Enden der Stäbe 4–7 sind wie in der Auswuchttechnik üblich als elastische Bereiche durch Schwächung des Querschnitts der Stäbe verwirklicht. Die ausladenden Messwandlerstützen 30 und 31 erlauben es, die Unwuchtkräfte nahe der Koppelplatte 3 aufzunehmen und versteifen zudem Grundplatte 2. Der Antriebsmotor 40 ist in horizontaler Richtung beweglich am Maschinengehäuse (nicht dargestellt) befestigt. Die Zugkraft des Riemens 39 wird von einer Stütze zwischen Spindellagerung 18 und dem Motor aufgenommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschinengehäuse, schematisch
- 2
- Grundplatte
- 3
- Koppelplatte
- 4–7
- Stab
- 8–15
- Gelenk (elastischer Bereich)
- 16
- Spindel
- 17
- Spindelachse
- 18
- Spindellagerung
- 19–22
- Knotenblech
- 23
- Verdrehstütze
- 24
- Schwenkachse L
- 25
- Schwenkachse R
- 26
- Messwandler L
- 27
- Messwandler R
- 28–29
- Verbindungsstab
- 30–31
- Messwandlerstütze, ortsfest
- 32
- Rotor (Wuchtgut)
- 33
- Messebene L
- 34
- Messebene R
- 35
- Ausgleichsebene I
- 36
- Ausgleichsebene r
- 37
- Spannmittel (Adapter)
- 38
- Riemenscheibe
- 39
- Riemen
- 40
- Antriebsmotor
- 41
- Motorträger
