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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Einflüssen aus der Maschinenumgebung bei einer Schwingungen messenden Auswuchtmaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Auswuchtmaschine mit einer Einrichtung zum Ermitteln von Umgebungseinflüssen.
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Zur Bestimmung der Unwucht von Rotoren sind Auswuchtmaschinen bekannt, welche den Rotor in Drehung versetzen und die während der Drehung des Rotors induzierten Schwingungen und die diesen zugeordneten Drehzahlen des Rotors messen. Durch Auswertung der hierbei gewonnenen Messsignale wird dann die Unwucht bzw. die Masse zum Ausgleich der Unwucht und ihre Lage in Bezug auf den Rotor berechnet. Die Schwingungsmesssysteme derartiger Auswuchtmaschinen sind zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit sehr empfindlich. Wie THELEN, D.; BURKERT; W. G.; How to achieve lower tolerances in production balancing machines, veröffentlicht in: Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Technology Conference, 2003, S. 339–342, – ISSN 0362-2479 zu entnehmen, können Einflüsse aus der Maschinenumgebung und Schwingungen des Maschinenfundaments, beispielsweise hervorgerufen durch benachbarte Maschinen oder durch von Wind verursachte Bewegungen des Gebäudes, das Ergebnis der Messung der Auswuchtmaschine verfälschen. In manchen Fällen können solche Störungen so stark sein, dass die Messfähigkeit der Auswuchtmaschine nicht mehr gewährleistet ist. Der Grund für die durch solche Störeinflüsse verursachten Fehlmessungen ist in vielen Fällen nicht nach außen sichtbar und die Fehlerquelle ist auch nicht einwandfrei von anderen Fehlerquellen zu unterscheiden. Es kann daher in der Praxis bei unbekannter Fehlerquelle vorkommen, dass zum Erreichen der Messfähigkeit, d.h. der erforderlichen Messgenauigkeit, der Auswuchtmaschine eine Reihe unnötiger, kostspieliger Maßnahmen ergriffen werden, bis schließlich die eigentliche, aus der Maschinenumgebung resultierende Fehlerursache gefunden ist.
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Es ist bekannt, Schwingungen des Fundaments einer Auswuchtmaschine durch zusätzlich auf dem Fundament angebrachte Sensoren zu erfassen. Dies benötigt einen besonderen Messaufbau und fachkundiges Personal zur Durchführung und Auswertung der Messungen. Die Beurteilung, ob gemessene Schwingungen zu stark oder noch ohne Auswirkung auf Unwuchtmessungen sind, ist hierbei schwierig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem Beeinträchtigungen der Messgenauigkeit einer Schwingungen messenden Auswuchtmaschine, die durch Einflüsse aus der Umgebung der Auswuchtmaschine verursacht sind, auf einfache Weise erfasst und quantifiziert werden können.
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Die genannte Aufgabe wird nach der Erfindung durch das in den nebengeordneten Ansprüchen 1 und 2 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 bis 9 angegeben. Die Merkmale einer vorteilhaften Vorrichtung nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 10 und 11, eine erfindungsgemäße Auswuchtmaschine ist in den Ansprüchen 12 und 13 angegeben.
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Das Verfahren nach der Erfindung sieht in einer ersten Variante vor, dass ein bei stillstehendem Antrieb oder bei einer außerhalb des bei der Signalauswertung zur Bestimmung einer Unwucht des auszuwuchtenden Körpers erfassten Drehzahlbereichs liegenden Drehzahl des Antriebs erfasstes Messsignal wenigstens eines Schwingungsaufnehmers der Auswuchtmaschine mit einem vorgegebenen Drehzahlsignal kombiniert wird und aus den kombinierten Signalen unter Anwendung der Signalauswertungsmethode der Auswuchtmaschine ein den Umgebungseinfluss beschreibender Unwuchtvergleichswert berechnet wird.
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Eine zweite Variante des Verfahrens nach der Erfindung sieht vor, dass ein Messsignal wenigstens eines Schwingungsaufnehmers (8) der Auswuchtmaschine bei einer außerhalb des bei der Signalauswertung zur Bestimmung einer Unwucht des auszuwuchtenden Körpers erfassten Drehzahlbereichs liegenden Drehzahl des Antriebs erfasst wird, der innerhalb des bei der Signalauswertung zur Bestimmung einer Unwucht erfassten Drehzahlbereichs liegende Signalanteil des Messsignals mit einem vorgegebenen Drehzahlsignal kombiniert wird und aus den kombinierten Signalen unter Anwendung der Signalauswertungsmethode der Auswuchtmaschine ein den Umgebungseinfluss beschreibender Unwuchtvergleichswert berechnet wird.
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Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vorteil, dass der Einfluss von Störschwingungen aus der Maschinenumgebung auf die Schwingungsmessung einer Auswuchtmaschine durch einen einfachen Messvorgang ermittelt werden und in einer direkt interpretierbaren physikalischen Größe angegeben werden kann, die mit den von der Auswuchtmaschine bei der Unwuchtmessung erzeugten Messergebnissen unmittelbar vergleichbar ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Messkette der Auswuchtmaschine zur Quantifizierung des Umgebungseinflusses verwendet werden kann und daher kein externer Messaufbau benötigt wird. Aufgrund der Einfachheit des Messverfahrens lassen sich auch automatische Tests des Umgebungseinflusses realisieren, welche unter anderem in einer periodischen Maschinenprüfung eingesetzt werden können. Der den Umgebungseinfluss kennzeichnende Unwuchtvergleichswert ist nach der Erfindung in der gleichen Weise definiert und kann daher die gleiche Einheit haben, wie die mit der Auswuchtmaschine zu messenden Unwuchten von Rotoren. Es ist daher leicht möglich, den aus der Maschinenumgebung resultierenden Messfehler in die Auswertung der Unwuchtmessung einzubeziehen und rechnerisch zu kompensieren.
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Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei stillstehendem Antrieb durchgeführt, so dass von ihm keine Schwingungssignale ausgehen können. Man kann das Verfahren aber auch anwenden, wenn der Antrieb so stark verlangsamt betrieben wird, dass er bei der Messung der Umgebungsstörungen verlässlich keine nennenswerten Signalanteile im Frequenzbereich der Messdrehzahl erzeugt.
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Die vorgegebene Drehzahl kann nach der Erfindung die Messdrehzahl für die Messung der Unwucht des auszuwuchtenden Körpers sein oder im Bereich der Messdrehzahl oder Messdrehzahlen liegen, damit der umgebungsbedingte Einfluss mit dem Ergebnis von Unwuchtmessungen vergleichbar ist. Eine Abweichung der vorgegebenen Drehzahl von der Messdrehzahl sollte in einem Bereich von 70% bis 130% der Messdrehzahl liegen.
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In der Regel erfolgen die Messungen zur Bestimmung der Unwucht eines Rotors bei verschiedenen Drehzahlen oder kontinuierlich über einen Drehzahlbereich. Dementsprechend sieht eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass in zeitlichem Abstand mehrere Messsignale wenigstens eines Schwingungsaufnehmers der Auswuchtmaschine mit mehreren vorgegebenen Drehzahlsignalen kombiniert und aus den kombinierten Signalen mehrere Umgebungseinflüsse beschreibende Unwuchtvergleichswerte berechnet werden. Auf diese Weise kann die Auswirkung der aus der Maschinenumgebung resultierenden Messungenauigkeit bei verschiedenen Drehzahlen bzw. über den für die Unwuchtmessung relevanten Drehzahlbereich erfasst werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Umgebungseinflüsse beschreibende Unwuchtvergleichswert mit Hilfe einer an den Schwingungsaufnehmer angeschlossenen Signalauswertungseinrichtung der zuvor kalibrierten Auswuchtmaschine berechnet und das vorgegebene Drehzahlsignal mittels eines Signalgenerators erzeugt und der Signalauswertungseinrichtung übermittelt wird. Für die Signalauswertung sind dann keine separaten Einrichtungen erforderlich und die spezifische Kalibrierung der Signalauswertungseinrichtung wird bei der Bestimmung des Umgebungseinflusses in gleicher Weise wie bei der Unwuchtmessung berücksichtigt. Dies erlaubt daher auf einfache Weise eine genaue Kompensation des umgebungsbedingten Einflusses bei der Unwuchtmessung. Für die Durchführung des Verfahrens genügt es in diesem Fall, den Signalgenerator an den für den Drehzahlgeber bestimmten Eingang der Signalauswertungseinrichtung der Auswuchtmaschine anzuschließen und Messungen bei stillstehendem Antrieb der Auswuchtmaschine durchzuführen.
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Alternativ kann die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Weise erfolgen, dass das Messsignal eines Schwingungsaufnehmers der Auswuchtmaschine zur digitalen Verarbeitung aufbereitet und an einen separaten Computer übertragen wird und dass mittels des Computers, der mit einem der Signalauswertungsmethode der Auswuchtmaschine entsprechenden Programm und einem Programm zur Generierung von digitalen Drehzahlsignalen versehen ist, ein vorgegebenes digitales Drehzahlsignal generiert, mit dem Messsignal kombiniert und aus den kombinierten Signalen der den Umgebungseinfluss beschreibende Unwuchtvergleichswert berechnet wird. Dieses Verfahren eignet sich für Auswuchtmaschinen, die nicht für einen Betrieb der Signalauswertungseinrichtung bei stillstehendem Antrieb oder bei einer mit von der vorgegebenen Drehzahl abweichenden Drehzahl des Antriebs eingerichtet sind.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ein an wenigstens einen Schwingungsaufnehmer einer Schwingungen messenden Auswuchtmaschine anschließbares Messgerät, das Messsignale des Schwingungsaufnehmers aufnimmt und digitalisiert, und einen Bedienungscomputer aufweisen, der die digitalisierten Messsignale von dem Messgerät empfängt und speichert und der an einen Berechnungscomputer angeschlossen ist, der mit einem Programm zur Signalauswertung nach der Signalauswertungsmethode der Auswuchtmaschine programmiert ist und der entweder ein Programm zur Erzeugung von digitalen Drehzahlsignalen aufweist oder an einen Signalgenerator zur Erzeugung von digitalen Drehzahlsignalen angeschlossen ist und der dazu ausgebildet ist, ein im Stillstand des Antriebs oder bei stark verlangsamtem Antrieb der Auswuchtmaschine erfasstes Messsignal des wenigstens einen Schwingungsaufnehmers mit einem vorgegebenen Drehzahlsignal zu kombinieren und aus den kombinierten Signalen unter Anwendung der Signalauswertungsmethode der Auswuchtmaschine einen den Umgebungseinfluss beschreibenden Unwuchtvergleichswert zu berechnen.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann eine Schwingungen messende Auswuchtmaschine, die einen Antrieb zum Drehen eines auszuwuchtenden Körpers um eine vorgegebene Achse und wenigstens einen Schwingungsaufnehmer aufweist, mit einer Vorrichtung zum Ermitteln von Einflüssen aus der Maschinenumgebung ausgerüstet und mit einer Maschinensteuerung versehen sein, die eine Betriebsstellung aufweist, in welcher der Antrieb für den auszuwuchtenden Körper bei im Übrigen eingeschalteter und betriebsbereiter Auswuchtmaschine stillgesetzt ist. Mit einer in dieser Weise ausgestalteten Auswuchtmaschine kann ohne den Einsatz zusätzlicher Vorrichtungen periodisch, beispielsweise nach jeder Kalibrierung, ein Testlauf zur Ermittlung von durch die Maschinenumgebung verursachten Einflüssen auf die Messgenauigkeit durchgeführt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung einer Auswuchtmaschine mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine andere Ausgestaltung der Auswerteeinrichtung der Auswuchtmaschine gemäß 1,
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3 eine separate Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Auswuchtmaschine 1 zur Messung der Unwucht eines drehbaren Körpers 2, beispielsweise einer Welle. Der Körper 2 ist in federnd nachgiebigen Lagerständern 3 drehbar gelagert und kann durch einen motorischen Antrieb 4 drehend angetrieben werden. Der Antrieb weist eine Steuereinrichtung 5 zum Ein- und Ausschalten und zur Vorgabe und Regelung der Antriebsdrehzahl auf. Mittels der Steuereinrichtung 5 kann außerdem die Energieversorgung für das Messsystem der Auswuchtmaschine 1 unabhängig vom Antrieb 4 ein- und ausgeschaltet werden. Die Lagerständer 3 und der Antrieb 4 sind auf einem Maschinenbett 6 angeordnet, das auf einem Fundament 7 ruht. An den Lagerständern 3 sind Schwingungssensoren 8 angebracht, die Schwingungen der Lagerständer 3 in einer vorgegebenen Richtung erfassen. Die Schwingungssensoren 8 sind über Leitungen 9 mit einer Einrichtung 10 zur Signalaufbereitung verbunden. Weiterhin ist am Maschinenbett 6 ein Drehfrequenzsensor 11 vorgesehen, der eine auf dem Körper 2 angebrachte Markierung erfasst. Der Drehfrequenzsensor 11 ist über eine Leitung 12 ebenfalls an die Einrichtung 10 angeschlossen. Von der Einrichtung 10 werden die von den Sensoren 8, 11 empfangenen Messsignale verstärkt und digitalisiert. Die digitalisierten Messsignale werden dann über eine Verbindung 13 zur Datenübertragung an eine Auswerteeinrichtung 14 übertragen, die einen zur Signalauswertung programmierten elektronischen Rechner 15 umfasst und mit einer Eingabevorrichtung 16 zur Eingabe von für den jeweiligen Anwendungsfall spezifischen Kalibrierdaten verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung berechnet aus empfangenen Schwingungs- und Drehfrequenzsignalen einen oder mehrere auszugleichende Unwuchtwerte nach Betrag und Richtung. Die Ergebnisse einer Auswertungsrechnung werden auf einem an den Rechner 15 angeschlossenen Bildschirm 17 sichtbar gemacht.
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Für die Durchführung eines Unwuchtmesslaufes ist zunächst eine Kalibrierung der Auswuchtmaschine 1 erforderlich. Hierzu wird als Körper 2 ein Testrotor in die Auswuchtmaschine 1 eingelegt und über die Eingabevorrichtung 16 werden rotorspezifische Daten, wie Abmessungs- und Formdaten, und lagespezifische Daten, wie Abstände und Lage der Lager- und Wuchtebenen der Auswerteeinrichtung 14, vorgegeben. Durch Testläufe mit dem Testrotor, wobei bekannte Unwuchten durch Ansetzen von Kalibriermassen erzeugt werden, wird dann die Kalibrierung der Auswerteeinrichtung 14 durch Einstellung von Auswerteparametern vorgenommen.
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Um festzustellen, ob die vorgenommene Kalibrierung nicht durch Störeinflüsse, die von der Umgebung der Auswuchtmaschine 1 hervorgerufen werden, Messfehler enthält, kann nun nach der Kalibrierung eine Unwuchtmessung mittels der Auswuchtmaschine 1 durchgeführt werden, bei welcher der Testrotor nicht angetrieben wird, sondern stillsteht. Hierzu muss durch entsprechende Betätigung der Steuereinrichtung 5 die Auswuchtmaschine 1 in einen Betriebszustand versetzt werden, in welchem wenigstens ein Schwingungssensor 8 und die Einrichtungen 10 und 14 betriebsbereit sind, der Antrieb 4 aber ausgeschaltet ist, so dass Antrieb 4 und Testrotor stillstehen. Da der Drehfrequenzsensor bei stillstehendem Testrotor kein Signal liefert, welches für die Berechnung eines Unwuchtwertes benötigt wird, wird außerdem über eine Schnittstelle 18 die Leitung 12 mit einem Signalgenerator 20 verbunden. Mit Hilfe des Signalgenerators 20 kann der Auswerteeinrichtung 14 ein beliebiges Drehfrequenzsignal vorgegeben werden. Zur Ermittlung evtl. Messfehler werden nun der messbereiten Auswuchtmaschine bei stillstehendem Antrieb eine Reihe von Drehzahlsignalen vorgegeben, aus denen die Auswerteinrichtung 14 durch Verknüpfung mit jeweils zeitgleich empfangenen Schwingungssignalen der Schwingungsaufnehmer 8 nach Maßgabe der zuvor eingestellten Kalibrierung Unwuchtvergleichswerte berechnet. Diese Unwuchtvergleichswerte kennzeichnen keine Unwucht, sondern durch Umgebungsanregung verursachte Schwingungen, welche wie durch Unwuchten von der Größe der berechneten Unwuchtvergleichswerte induzierte Schwingungen auf das Messsystem der Auswuchtmaschine wirken.
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Aus vielen solchen bei Maschinenstillstand aufgenommenen Unwuchtvergleichswerten kann daher eine Messungenauigkeit berechnet werden, die ausschließlich aus den Einflüssen der Maschinenumgebung und gegebenenfalls Defekten der Messeinrichtungen herrührt und nicht von mechanischen Einflüssen des Antriebs und des drehenden Rotors abhängig ist. Auf diese Weise wird eine Trennung von anderen möglichen Fehlerquellen erzielt und das Aufspüren und Analysieren von Messfehlern wesentlich erleichtert. Fehler der Messeinrichtungen lassen sich leicht ermitteln und von Einflüssen aus der Maschinenumgebung unterscheiden und behindern das Verfahren daher nicht.
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Testläufe der beschriebenen Art bei stillstehendem Antrieb lassen sich durch entsprechende Gestaltung der Maschinensteuerung und Integration eines Signalgenerators zur Erzeugung von Drehfrequenzsignalen in die Auswuchtmaschine automatisieren. Periodische Maschinenüberprüfungen auf Umgebungseinflüsse können dann durch das Bedienungspersonal ohne großen Aufwand durchgeführt werden.
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Alternativ kann eine Messung zur Ermittlung des Einflusses aus der Maschinenumgebung auch bei laufendem Antrieb der Auswuchtmaschine durchgeführt werden. In diesem Fall muss aber die Antriebsdrehzahl außerhalb des Drehzahlbereiches liegen, der bei der Messung der Unwucht des auszuwuchtenden Rotors von der Signalauswertung erfasst und in die Unwuchtberechnung einbezogen wird. Von dem vom Schwingungsaufnehmer 8 erfassten, verstärkten und digitalisierten Messsignal werden dann, beispielsweise mittels eines Frequenzfilters, die Signalanteile abgetrennt, die außerhalb des Drehzahlbereichs liegen, der von der Signalauswertung bei der Messung der Rotorunwucht erfasst wird. Das verbleibende Messsignal enthält somit umgebungsbedingte Schwingungseinflüsse, die im Drehzahlbereich für die Unwuchtmessung liegen, jedoch keine diesem Drehzahlbereich zugeordnete Schwingungen aus dem Betrieb der Auswuchtmaschine. Der im Drehzahlbereich für die Unwuchtmessung liegende Signalanteil des Messsignal wird mit einer vorgegebenen Drehzahl in diesem Drehzahlbereich zur Berechnung eines den Umgebungseinfluss beschreibenden Unwuchtvergleichswerts kombiniert.
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In einer in 2 gezeigten vorteilhaften Weiterbildung weist die Auswuchtmaschine 1 eine Auswerteeinrichtung 114 auf, die ein Hilfsprogramm 22 zur Erzeugung von digitalen Drehzahlwerten bei Stillstand des Antriebs enthält. Zur Berechnung von Unwuchtvergleichswerten, die umgebungsbedingte Messfehler repräsentieren, kann bei Stillstand der Auswuchtmaschine mit Hilfe eines Computers 115 ein Auswerteprogramm 23 und das Hilfsprogramm 22 aufgerufen werden, das dann den Drehzahlwerten entsprechende digitale Drehzahlsignale erzeugt, die von dem Auswerteprogramm 23 zur Berechnung von Unwuchtwerten mit digitalen Schwingungssignalen verknüpft werden. Auf diese Weise kann mit einer so ausgestatteten Auswuchtmaschine ohne Anschluss zusätzlicher Einrichtungen jederzeit das Vorliegen von Messfehlern überprüft werden.
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Auswuchtmaschinen, die für einen Betrieb mit stillstehendem Antrieb nicht eingerichtet sind, können mit einer anderen vorteilhaften, in 3 gezeigten Vorrichtung 30 ausgerüstet und auf umgebungsbedingte Messfehler geprüft werden. Die vorzugsweise portable Vorrichtung 30 umfasst ein Messgerät 31, das an die Schwingungsaufnehmer 8 der Auswuchtmaschine 1 anschließbar ist. Die im Rotorstillstand bei messbereiter Maschine aufgenommenen Schwingungssignale werden von dem Messgerät 31 in digitaler Form an einen Bedienungscomputer 32 übertragen und dort abgespeichert. Der Bedienungscomputer 32 kann unmittelbar oder über eine Datenübertragung 33 mit einem Berechnungscomputer 34 verbunden sein, der mittels einem an die Unwuchtmessung der Auswuchtmaschine angeglichenen Hauptprogramm 35 die Berechnung eines den Messfehler beschreibenden Unwuchtvergleichswertes durchführen kann. Die Berechnung des Unwuchtvergleichswertes erfolgt dabei anhand der abgespeicherten Signale, wobei über ein im Berechnungscomputer 34 gespeichertes Hilfsprogramm 36 eine beliebige Drehzahl vorgegeben werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing & Coil Winding Technology Conference, 2003, S. 339–342, – ISSN 0362-2479 [0002]
