-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Ermittlung von
rotierenden Bewegungsanteilen einer sich bewegenden Last.
-
In
den verschiedensten technischen Anwendungsgebieten werden Lasten
mittels eines Antriebs in eine rotierende Bewegung versetzt, wobei
unter Last auch eine Welle z.B. eines Antriebes zu verstehen ist.
Die Last ist dabei auf entsprechenden Lagern gelagert und wird von
einem Antrieb in Rotation versetzt.
-
In
der Regel wird die Drehgeschwindigkeit mittels einer Regelung geregelt,
die eine Solldrehgeschwindigkeit und einen von einem Geber gemessenen
Drehwinkel als Eingangsgrößen erhält. Der
Geber misst den Drehwinkel im Bezug auf ein ruhendes System, das
z.B. in Form eines ruhenden Maschinengehäuses vorliegen kann. Die rotierende
Last treibt zur Messung des Drehwinkels eine Geberstrichscheibe
an, auf die in Form von z.B. Strichen eine Maßverkörperung angebracht ist. Die
einzelnen Striche werden von dem Messkopf des Gebers gelesen, der
solchermaßen
den Drehwinkel in Bezug auf das ruhende System bestimmt.
-
In
der Praxis weist die Bewegung der Last nicht nur einen rein rotierenden
Anteil auf sondern die Last weist auch schwingende Bewegungsanteile
infolge z.B. von mechanischen Resonanzen auf. Solche Schwingbewegungen
der Last, welche der rotierenden Bewegung der Last überlagert
sind und im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse verlaufen,
wirken sich störend
auf die Regelung der Last aus, da neben der Rotationsbewegung auch
die Schwingbewegungen ein Vorbeigleiten der Striche auf der Geberscheibe
am Messkopf des Gebers bewirken und solchermaßen die Schwingungsanteile der
Bewegung der Last fälschlicherweise
ebenfalls als Drehbewegung interpretiert bzw. gemessen werden. Dies
führt zu
einer verminderten Regelgüte
und Regelstabilität.
Prinzipiell ist es zwar möglich
mittels geeigneter umfangreicher Filterung die gemessenen Schwingungsanteile
aus dem Gebersausgangssignal herauszufiltern, dies muss jedoch mit
einer infolge der Filterung reduzierten Regeldynamik erkauft werden.
-
Im
Hinblick auf eine hohe Regelgüte
und Regelstabilität
bei gleichzeitig hoher Dynamik des Regelkreises ist es deshalb wünschenswert,
dass nur die Änderungen
des Drehwinkels, welche von den rotierenden Bewegungsanteilen der
bewegenden Last herrühren,
der Regelung als zu regelnde Istgrößen zugeführt werden.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung
zur Ermittlung von rotierenden Bewegungsanteilen einer sich bewegenden
Last zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird für
eine Messeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
die Last in Bezug auf ein ruhendes System um einen Drehwinkel gedreht
ist, wobei der Drehwinkel durch Mittelung eines ersten Drehwinkels
und eines zweiten Drehwinkels ermittelbar ist, wobei der erste Drehwinkel
von einem ersten Mittel zur Erfassung des ersten Drehwinkels gemessen
wird, wobei der zweite Drehwinkel von einem zweiten Mittel zur Erfassung des
zweiten Drehwinkels gemessen wird, wobei das erste Mittel und das
zweite Mittel derart bezüglich
einer identischen Rotationsebene der Last anordenbar sind, dass
der erste und der zweite Drehwinkel im Bezug auf das ruhende System
phasenverschoben gemessen werden.
-
Eine
erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der erste und der zweite Drehwinkel in Bezug auf das ruhende
System gegenphasig gemessen werden.
-
Durch
die gegenphasige Messung werden die schwingenden Bewegungsanteile
der Last besonders effektiv herausgefiltert.
-
Ferner
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn als erstes und als zweites
Mittel zwei getrennte Geber vorgesehen sind, da dann Standardgeber
für die
Messeinrichtung verwendet werden können.
-
Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn als erstes Mittel und als
zweites Mittel zwei verschiedene Messköpfe innerhalb eines Gebers
vorgesehen sind. Die Messeinrichtung lässt sich bei Verwendung nur
eines Gebers besonders kompakt aufbauen.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittelung dermaßen
durchgeführt
wird, dass das arithmetische Mittel aus ersten Drehwinkeln und zweiten Drehwinkeln
gebildet wird. Die Bildung eines arithmetischen Mittels stellt eine
besonders einfache und effiziente Form der Mittelung dar.
-
Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Mittelung innerhalb einer
Steuerung oder Regelung eines Antriebes der Last durchführbar ist.
Da die Steuerung oder Regelung eines Antriebes in der Regel heutzutage
mikroprozessorgesteuert realisiert ist, kann die Mittelung besonders
leicht in der Steuerung oder Regelung durchgeführt werden.
-
Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Mittelung innerhalb des
Gebers durchführbar
ist, da dann z.B. bei einer bestehenden Maschine nur ein schon vorhandener
Geber mit nur einem Messkopf gegen einen Geber mit zwei Leseköpfen ausgetauscht
werden muss, aber ansonsten an der Regelung oder Steuerung keine Änderungen
vorgenommen werden müssen,
da der Geber nach wie vor nur einen Drehwinkel als Ausgangssignal
liefert.
-
Die
erfindungsgemäße Messeinrichtung
eignet sich besonders gut zur Ermittlung von rotierenden Bewegungsanteilen
einer sich bewegenden Last bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen,
da bei solchen Maschinen eine hohe Regelgüte gefordert wird. Die Messeinrichtung
ist jedoch auch zur Ermittlung von rotierenden Bewegungsanteilen
einer sich bewegenden Last auf anderen technischen Gebieten geeignet.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
-
1 das Messprinzip der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
und
-
2 die Funktionsweise der
erfindungsgemäßen Messeinrichtung
sowie weitere Komponenten in Form eines Blockschaltbildes.
-
In 1 ist in Form einer Schnittdarstellung das
Messprinzip der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
anhand eines Ausführungsbeispiels
anhand einer direkt angetriebenen Last 1 dargestellt. In 1 wird die Last 1,
die in dem Ausführungsbeispiel in
Form einer durchgehenden Walze vorliegt, von einem Torquemotor direkt
angetrieben. Der Torquemotor besteht dabei aus einem mit der Last 1 mechanisch
fest verbundenen Rotor 5, einem Gehäuse 7 und einem mit
dem Gehäuse 7 des
Motors mechanisch fest verbundenen Stators 6. Die Last 1 ist über drei
Lager 3a, 3b und 3c drehbar gelagert
und wird von einem Maschinengestell 2a und 2b und
dem Gehäuse 7,
das mechanisch fest mit einen Sockel 10 verbunden ist,
getragen, wobei das Gewicht bzw. die Belastung auf ein Maschinenbett 9 übertragen
wird. Das Maschinengestell 2a und 2b und der Sockel 10 ist
dazu mechanisch fest mit dem Maschinenbett 9 verbunden.
Eine Geberstrichscheibe 8 ist mit der Last 1 mechanisch
fest verbunden und rotiert mit der Drehgeschwindigkeit der Last 1.
An der Geberstrichscheibe 8 ist in dem Ausführungsbeispiel
in Form von Strichen eine Maßverkörperung
ange bracht. Die Striche auf der Geberstrichscheibe 8 werden
beim Vorbeilaufen von zwei Leseköpfen 11a und 11b erkannt und
solchermaßen
ein Drehwinkel φ1 vom Messkopf 11a und ein Drehwinkel φ2 vom Messkopf 11b gegenüber einem
ruhenden System, das in dem Ausführungsbeispiel
durch das Gehäuse 7 gebildet
wird, bestimmt. Die Position der Geberstrichscheibe 8 bildet bzw.
legt eine Rotationsebene 26 senkrecht zur Drehachse der
Last 1 fest an deren Stelle der Drehwinkel bzw, die Rotationsbewegung
der Last 1 gemessen werden soll.
-
Vorzugsweise
werden die beiden Leseköpfe 11a und 11b gegenphasig
angeordnet, da dann die Schwingungsanteile der Bewegung der Last
sich besonders gut bei der Messung gegenseitig aufheben. In dem
Ausführungsbeispiel
sind deshalb die Leseköpfe 11a und 11b im
Bezug auf die Rotationsachse der Last um 180° versetzt angeordnet, wobei
jedoch auch andere von 180° abweichende
Winkel denkbar sind. Dies hängt
vom konkreten Anwendungsfall sowie der Art der auftretenden Schwingbewegungen der
Last ab.
-
In
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 bildet der Messkopf 11a ein
erstes Mittel zur Erfassung eines ersten Drehwinkels φ1 und der Messkopf 11b ein zweites
Mittel zur Erfassung eines zweiten Drehwinkels φ2.
-
Wird
die Last 1 nun durch den Torquemotor in Rotation versetzt,
weist die Last neben ihrem im wesentlichen rotierenden Bewegungsanteilen
auch Schwingungsanteile auf. Diese Schwingungsanteile in der Bewegung
sorgen nun z.B. dafür,
dass zu einem bestimmten Zeitpunkt der Schwingungsbewegung der Messkopf 11a einen
um eine positive Abweichung Δφ zu großen Drehwinkel φ1 misst, während zum selben Zeitpunkt
der Messkopf 11b einem um eine negative Abweichung Δφ zu kleinen
Drehwinkel φ2 misst. Die Abweichung Δφ wird nun durch eine Mittelung
der beiden gemessenen Drehwinkel φ1 und φ2 herausgefiltert, so dass der nach Mittelung von
der Messeinrichtung ausgegebene Drehwinkel φMess nur
noch die rotierenden Bewegungsanteile der bewegenden Last 1 enthält.
-
In 2 ist die erfindungsgemäße Messeinrichtung 16 und
weitere Komponenten in Form eines Blockschaltbildes dargestellt.
Die Geberscheibe 8 ist an ihrer Außenseite mit einer Maßverkörperung
versehen, die in dem Ausführungsbeispiel
in Form von Strichen gegeben ist, bei der der Übersichtlichkeit halber nur
ein Strich 12 mit einer Bezeichnung versehen ist. Die Maßverkörperung
wird von den beiden Leseköpfen 11a und 11b,
welche in dem Ausführungsbeispiel
auf der Geberscheibe 8 um 180° versetzt
angeordnet sind, ausgelesen und solchermaßen die beiden Drehwinkel φ1 und φ2 gemessen. Im Weiteren werden die beiden
Drehwinkel φ1 und φ2 in einem Addierer 13 addiert und
nachfolgend mit einem Dividierer 15 durch eine Faktor 2
dividiert und solchermaßen
ein Drehwinkel φMess, der das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Messeinrichtung 16 darstellt,
ermittelt. In dem Ausführungsbeispiel
wird dabei, wie oben beschrieben, das sogenannte arithmetische Mittel
zur Mittelung der beiden Drehwinkel φ1 und φ2 berechnet. Es sind jedoch auch andere Formen
der Mittelung, wie z.B. ein geometrisches Mittel zur Bildung der
Mittelung denkbar.
-
Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass in dem Ausführungsbeispiel der Addierer 13 und
der Dividierer 15 der Messeinrichtung 16 innerhalb
einer Regelung 25 verwirklicht sind, was aber nicht unbedingt
so sein muss. Der Addierer 13 und der Dividierer 15 der
Messeinrichtung 16 können
auch von der Regelung unabhängig
realisiert sein.
-
Die
Leseköpfe 11a und 11b können zusammen
mit der Maßverkörperung 8 als
einen Geber mit den beiden Drehwinkeln φ1 und φ2 als Ausgangssignale aufgefasst werden oder
aber die Leseköpfe 11a und 11b gehören zu zwei
verschiedenen Gebern wobei der eine Geber den Drehwinkel φ1 ausgibt und der andere Geber den Drehwinkel φ2. Selbstverständlich kann dann jeder der
Geber auch eine eigene Geberscheibe 8 besitzen.
-
Weiterhin
ist es auch denkbar, dass im Falle der Verwendung eines Gebers mit
zwei Leseköpfen, die
Mittelung noch auf der Elektronik des Gebers durchzuführen und
den gemittelten Drehwinkel φMess als Ausgangssignal des Gebers einer
Regelung oder Steuerung zur Verfügung
zu stellen.
-
Es
sei an dieser Stelle auch angemerkt, dass anstatt der Regelung 25 auch
eine Steuerung vorgesehen sein kann.
-
In
der Regelung 25 wird im Ausführungsbeispiel der Drehwinkel φMess einem Subtrahierer 17 zugeführt, der
für den
Offset-Abgleich
einen entsprechenden Offset-Winkel φOff abzieht.
Der Subtrahierer 17 gibt als Ausgangssignal den korrigierten
Drehwinkel φMeesK aus. Dieser wird einem Differenzierer 18 zugeführt der
den korrigierten Drehwinkel φMeesK nach der Zeit ableitet und eine solchermaßen berechnete Drehgeschwindigkeit φMeesK an einen Proportional-Integral-Regler
(PI-Regler) ausgibt. Als Sollgröße wird dem
PI-Regler 19 eine Solldrehgeschwindigkeit φSoll vorgegeben. Der PI-Regler 19 steuert über eine
Verbindung 22 einen Umrichter 20 an, der wiederum über eine
Verbindung 23 den Antriebsmotor 21 der Last 1 steuert.
-
Es
sei an dieser Stelle angemerkt, dass selbstverständlich anstatt des in 1 gezeichneten Direktantriebs
in Form des Torquemotors auch ein indirekter Antrieb der Last mittels
einer Welle und eines Getriebes erfolgen kann, wobei die erfindungsgemäße Messeinrichtung
dann auch die Rotationsbewegung der Welle des Motors oder der Antriebswelle der
Last messen kann, je nach dem welche Messstelle als günstiger
für den
konkreten Anwendungsfall erscheint.
-
Weiterhin
sei an dieser Stelle angemerkt, dass als Werkzeugmaschinen z.B.
ein- oder mehrachsige Dreh-, Fräs-,
Bohr- oder Schleifmaschinen zu verstehen sind. Zu den Werkzeugmaschinen
werden auch noch Bearbeitungszentren, lineare und rotatorische Transfermaschinen,
Lasermaschinen oder Wälz-
und Verzahnmaschinen gezählt.
Allen gemeinsam ist, dass ein Material bearbeitet wird, wobei diese
Bearbeitung mehrachsig ausgeführt
werden kann. Zu den Produktionsmaschinen werden z.B. Textil-, Kunststoff-,
Holz-, Glas-, Keramik- oder Steinbearbeitungsmaschinen gezählt. Maschinen
der Umformtechnik, Verpackungstechnik, Drucktechnik, Fördertechnik,
Aufzugstechnik, Pumpentechnik, Lüftertechnik
sowie Windkrafträder,
Hebewerkzeuge und Roboter gehören
ebenfalls zu den Produktionsmaschinen.