-
Die
Erfindung betrifft eine Verwendung von PKF(Piezo-Keramik-Feder)-Elementen
für Schwingfördersysteme
mit Piezoantrieb, wobei die PKF-Elemente eine längliche Trägerplatte aus einem federnden
Material aufweisen, wobei mindestens zweiseitig mindestens eine
Platte aus einem piezoekeramischen Material (PK-Platte im folgenden)
aufgebracht ist, wobei zum mindesten die den PK-Platten zugewandte
Oberflächen
der Trägerplatte
leitfähig
sind, wobei an der von der Trägerplatte
abgewandten Oberfläche
der PK-Platte eine Stromzuführung
anliegt, wobei die leitfähige
Schicht und die Stromzuführung
mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind und
wobei die Trägerplatte
mindestens an ihren Enden Mittel zum Befestigen des PKF-Elements
an zu erregenden Massen aufweist. Bei der Verwendung können im
Prinzip auch Federelemente angewandt werden, bei denen das piezoelektrische Material,
nicht keramisch ist.
-
Aufgabe
der Verwendung ist es, die Förderrichtung
und/oder die Fördergeschwindigkeit und/oder
das Förderverhalten
der zu fördernden
Teile insbesondere elektronich in weiten Grenzen variieren zu können.
-
Diese
Aufgabe wird mit einer Verwendung gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Die Wirkungslinie eines PKF-Elements ist definiert durch a) den
Winkel, den die Normale (Gerade, die senkrecht auf der Trägerplatte
des PKF-Elements steht) mit der Förderebene bildet, und b) den
Winkel, den die Projektion der Normalen auf die Förderebene
mit eine Bezugslinie auf der Förderebene
bildet. Die Förderebene
ist die obere Oberfläche
des Oberteils der Schwingfördereinheit,
entlang der die Förderteile
bewegt werden. Mit den PFK-Elementen lassen sich unter Anwendung der
Stellglieder Phasenunterschiede von 0 bis 360° zwischen den Schwingungen von verschiedenen
PKF-Elementen erzeugen.
-
Insbesondere
zwei Ausgestaltungen der Verwendung sind vorteilhaft.
-
Bei
der einen Ausgestaltung ist mindestens ein PKF-Element vorhanden,
das mit dem Unterteil m1 und dem Oberteil
m2, d.h. im Normalfall der Förderschiene,
einer Schwingfördereinheit
verbunden ist und dessen Schwingungsvektor in der Horizontalen eine
Komponente mit einer Richtung hat, welche mit der Richtung der Komponente
in der Horizotalen des Schwingungsvektors mindestens eines anderen PKF-Elements
mit eigenem Stellglied nicht übereinstimmt,
wobei dieses PKF-Element bevorzugt mit dem Unterteil m1 oder
dem Oberteil m2 und freischwingend mit einer
Hilfsmasse m3 verbunden ist. Bei dieser
Variante umgeht man die Schwierigkeit, daß bei großem Breiten- zu Dickenverhältnis der
Trägerplatten
deren Steifigkeit entlang der Breitenrichtung sehr groß ist, und
deshalb die Schwingungen von annähernd
senkrecht zueinander ausgerichteten PKF-Elementen nicht im Oberteil
m2 in Wechselwirkung treten können. Es
ist günstig,
wenn die PKF-Elemente mit ihren Enden mit m1 und
m2 bzw. m1 oder
m2 und m3 verbunden
sind. Mit dieser Ausgestaltung der Verwendung ist es insbesondere
möglich,
die Förderrichtung
von allen oder einzelnen Teilen ab einem bestimmten Punkt der Förderstrecke mindestens
kurzzeitig zu ändern.
-
Bei
der anderen Ausgestaltung der Verwendung sind die mindestens zwei
PKF-Elemente in eine Schwingfördereinheit
eingebaut, welche außer
dem Unterteil und dem Oberteil mindestens noch eine Zwischenplatte
aufweist, wobei benachbarte Platten, d.h. die Zwischenplatte(n),
das Unterteil und das Oberteil, durch PKF-Elemente beabstandet sind, welche mit
den Platten verbunden sind.
-
Vorteilhaft
ist es dabei, wenn die PKF-Elemente über ihre Enden mit den Platten
verbunden sind. Günstig
ist es, wenn die mindestens zwei PKF-Elemente entlang derselben
Ebene schwingen und besonders günstig,
wenn mindestens eines der PKF-Elemente in einer Richtung schwingt,
welche mit der Horizontalen einen Winkel zwischen 0 und 90° bildet,
und mindestens eines der PKF-Elemente von denen das andere in einer
Richtung schwingt, welche mit der Vertikalen einen Winkel zwischen
0 und 90° bildet
oder am günstigsten,
wenn mindestens ein PKF-Element in einer Richtung schwingt, welche
mit der Horizontalen einen Winkel zwischen 0 und 45° bildet,
und mindestens ein PKF-Element in einer Richtung schwingt, welche
mit der Vertikalen einen Winkel zwischen 0 und 45° bildet.
Bei dieser Verwendung ist es insbesondere möglich, die Fördergeschwindigkeit
und das Förderverhalten
(Werfen oder Gleiten) der zu fördernden
Teile ausschließlich
elektronisch zu variieren.
-
Vorteilhaft
ist es eine Kombination der beiden genannten Ausgestaltungen in
der Weise vorzunehmen, daß eine
Schwingfördereinheit
verwendet wird, welche außer
dem Unterteil und dem Oberteil noch zwischen diesen mindestens noch
eine weitere Platte aufweist, wobei benachbarte Platten durch PKF-Elemente
beabstandet sind, welche bevorzugt an ihren Enden mit den Platten
verbunden sind, und welche bevorzugt entlang derselben, auf der
Horizontalen senkrecht stehenden Ebene schwingen, wobei zusätzlich mindestens
ein PKF-Element mit eigenem Stellglied vorhanden ist, das auch mit
zwei Platten oder mit einer Platte und einer freischwingenden Hilfsmasse
verbunden ist und das nicht in derselben Ebene, wie die erstgenannten
PKF-Elemente schwingt. Diese Kombination erlaubt es, alle Förderparameter
durch entsprechende Einstellungen der Stellglieder zu variieren.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Verwendung ist in
die Schwingfördereinheit mindestens
ein zusätzliches
von einem eigenen Stellglied erregtes PKF-Element eingebaut, das
bezüglich
der Frequenz nicht synchron mit den anderen PKF-Elementen schwingt.
Mit dieser Anordnung lassen sich Schwingungsinterferenzen erzeugen.
Solche Interferenzen sind beispielsweise vorteilhaft, wenn pulverförmiges,
zum Zusammenbacken neigendes Fördergut
gefördert
werden soll. Die Interferenzen bewirken eine Auflockerung des Materials und
eine Vereinzelung der Pulverteilchen.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Verwendung sind in den Unteransprüchen offenbart.
-
Im
folgenden wird die Verwendung anhand von durch Zeichnungen erläuterten
Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es zeigen
-
11 als Beispiel einer Ausführungsform der
Verwendung die Sicht auf einen senkrecht zum Unterteil geführten Querschnitt
einer Schwingfördereinheit
mit PKF-Elementen, welche entlang zum Unterteil m1 senkrecht
verlaufender Ebenen schwingen, wobei mindestens eines der PKF-Elemente
mit m1 und m2 verbunden
ist und wobei, wenn mehr als ein PKF-Element davon verbunden ist,
diese entlang derselben Ebene schwingen, und zu diesem mindestens
einen PKF-Element mindesten ein senkrecht schwingendes PKF-Element
vorhanden ist, das mit m1 und einer freischwingenden
Hilfsmasse m3 verbunden sind,
-
11a in Aufsicht die Anordnung
der in der 11 gezeigten
PKF-Elemente zueinander, wobei der Querschnitt, auf den in der 11 geblickt wird, entlang
der in der 11a eingezeichneten
Linie A ... A geführt
ist,
-
12 für das anhand der 11 und 11a veranschaulichten Beispiel in einem
rechtwinkligen Koordinatensystem die resultierenden Schwingungsvektoren,
entlang der die Förderteile
bewegt werden, für
zwei Einstellungen der Phasenlagen der von den PKF-Elementen erzeugten
Schwingungen zueinander, deren Amplituden festgelegt sind,
-
13 als Beispiel für eine andere
Ausführungsform
der Verwendung eine Schwingfördereinheit,
bei der das Oberteil m1 durch in zwei übereinanderliegenden
Ebenen angeordneten PKF-Elementen zum Schwingen gebracht wird, wobei
die PKF-Elemente in derselben Ebene schwingen, und die PKF-Elemente
in der einen Ebene senkrecht und die in der anderen Ebene parallel
zur Förderebene schwingen,
-
14 für das anhand der 13 veranschaulichten Beispiels
in einem rechtwinkligen Koordinatensystem die resultierenden Schwingungsvektoren,
entlang der die Förderteile
bewegt werden, für drei
Einstellungen der Phasenlagen der von den PKF-Elementen erzeugten
Schwingungen zueinander, deren Amplituden festgelegt sind, und
-
15 eine Schwingfördereinheit,
in welcher mindestens ein Teil der in der 11. gezeigten PKF-Elemente durch PKF-Elementpaare
ersetzt sind, wie sie in der 13 gezeigt
sind.
-
Bei
der Verwendung werden beispielsweise PKF-Elemente eingesetzt, welche
eine längliche
Trägerplatte
aus einem federnden Material aufweisen, wobei mindestens zweiseitig
mindestens eine Platte aus einem piezoekeramischen Material (PK-Platte
im folgenden) aufgebracht ist, wobei zum mindesten die den PK-Platten
zugewandte Oberflächen
der Trägerplatte
leitfähig
sind, wobei an der von der Trägerplatte abgewandten
Oberfläche
der PK-Platte eine Stromzuführung
anliegt, wobei die leitfähige
Schicht und die Stromzuführung
mit je einem Pol einer Elektrizitätsquelle verbunden sind und
wobei die Trägerplatte an
ihren Enden Mittel zum Befestigen des PKF-Elements an zu erregenden
Massen aufweist.
-
Die
PKF-Elemente werden mit Stellgliedern zu Schwingungen festgelegter
Frequenz und Amplitude erregt und mindestens eines von ihnen wirkt
als Master, mit dem die Frequenz synchron betrieben wird, und Phasen
der Schwingungen von mit unterschiedlichen Stellgliedern erregten
PKF-Elemente eingestellt werden.
-
Die
Stellglieder werden controllergesteuert betrieben. Bevorzugt beinhalten
die Stellglieder eine Endstufe mit Ansteuerung, die Stromversorgung
der Endstufe und der Ansteuerung und die interne Steuerung. Die
Endstufe wird von einer symmetrischen Vollbrücke bestehend aus sehr schnellen
Hochvolt-Power-MOS-FET- bzw. IGBT- Transistoren und sehr schnellen Rückstromdioden
für die
teilweise Rückgewinnung
der Erregungsenergie gebildet. Zur Ansteuerung und der Strom- und
Spannungsüberwachung
der Power-Transistoren sind entsprechende Ansteuerbausteine, wie
MOS-FET-Treiber, vorgesehen. Die interne Steuerung erfolgt bevorzugt über einen
Microcontroller, beispielsweise der NEC-K3-Serie. Er steuert die
Endstufe bevorzugt über
einen ON-Chip PWM-Generator, dessen Träger mit der die Arbeitsfrequenz
moduliert wird. Zum Demodulieren ist ein Demodulator im Stellglied
enthalten. Um die CPU bei der Berechnung beispielsweise der Sinuswellenform
zu entlasten, wird bevorzugt die Kurvenform als Datentabelle im
internen ROM-Speicher abgelegt. Zur Regelung der Ausgangsintensität lassen sich
die digitalen Informationen aus der Datentabelle in 1%-Schritten
zurückrechnen
(Modulationsgradbestimmung). Aus der bestehenden Tabelle lassen
sich auch modifizierte Kurvenformen berechnen.
-
Die
Frequenz des Ausgangsignals wird über einen internen Timer, beispielsweise
einen 16-Bit-Timer, erzeugt. Mit einem solchen Timer wird der Frequenzbereich ≥ 1 Hz (nach
oben keine Grenze die in der Praxis interessanten Frequenzen liegen
aber nicht höher
als etwa 20 kHz) mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 Hz erfaßt. Der
interne UART-Baustein des Mikrocontrollers bildet die serielle Schnittstelle zur
Steuerung der Endstufe. Bevorzugt über einen aus Software gebildeten
Befehlsinterpreter erfolgt die Steuerung aller Funktionen des Stellglieds.
Die Steuerung des synchronen Betriebs von mit unterschiedlichen
Stellgliedern (Master-Slave) angesteuerten Erregern durch eines
der Stellglieder (Master) beispielsweise bei der grenzüberschreitenden
Förderung
beim Übergang
von einem Rund- zu einem Linearförderer
und bei der Reaktionsschwingungskompensation, erfolgt auch durch
dessen Befehlsinterpreter.
-
In
den 11 und 11a sind Details einer Schwingfördereinheit 195 gezeigt.
Die PKF-Elemente 151 und 153 sind mit ihrem einen
Ende über
Halterungen 135 (für
das PKF-Element 153 nicht gezeigt) am Unterteil m1 134 (in der 11a nicht gezeigt) befestigt. Die anderen
Enden der PKF-Elemente 151 sind über Halterungen 132 am Oberteil
m2 133 (in der 11a nicht gezeigt) befestigt. Das andere
Ende des PKF-Elements 153 ist freischwingend mit einer
Halterung 132 an einer Hilfsmasse m3 147 befestigt.
Auf jedem PKF-Element
sind zwei PK-Platten 75 befestigt. Die PK-Platten sind – was allgemein für die hier
erörtete
Verwendung gilt – so
geschaltet, daß bei
Anlegung einer Spannung die eine PK-Platte sich zusammenzieht, währendsich
die andere ausdehnt. Das PKF-Element 153 kann
so eingebaut sein, daß sein
Schwingungsvektor keine vertikale Komponente aufweist. Wie die 11a zeigt, bilden die auf
das Unterteil m1 projizierten Längsachsen
der PKF-Elememte 151 mit
der auf das Unterteil m1 projizierte Längsachse
des PKF-Elements 153 einen rechten Winkel. Die PKF-Elemente 151 einerseits und
die PKF-Elemente 153 andererseits sind je mit einem (nicht
gezeigten) Stellglied verbunden, die im Verhältnis von Master und Slave
zueinander stehen. Die PKF-Elemente bilden mit dem Oberteil m2 (der Horizontalen) einen festgelegten Winkel.
Werden die PKF-Elemente 151 erregt, bewegen sich auf die
Förderkomponente 133 gelegte
Förderteile
in Richtung yyH → (in der 11a ist die Projektion von yyH → auf
die Förderebene
als yyH' → eingezeichnet). yyH → und yyQ → sind Vektoren,
deren Betrag y den Schwingweg bedeutet (dies gilt auch für die später genannten,
durch Index gekennzeichneten y-Vektoren). yyH → und yyQ → bezeichnen die Richtungen, in denen sich
die Förderteile
bewegen, wenn entweder das PKF-Elememt 151 oder das PKF-Elememt 153 schwingt.
Wird zusätzlich
das PKF-Element 153 synchron mit den PKF-Elementen 151 (yyQ →) erregt, bewegen sich die Förderteile
in Richtung des resultierenden Schwingungsvektor yyres → weiter.
Dabei wirkt die von dem PKF-Element 153 auf das Unterteil
m1 134 übertragene Reaktionsschwingung
mit der von den PKF-Elementen 151 auf das Unterteil m1 übertragenen
Reaktionsschwingungen zusammen, wodurch die auf das Oberteil m2 wirkenden Schwingungen der PKF-Elemente
beeinflußt
werden. Der Winkel, den yyH' → und yyres1' → (yyres1' → ist die Projektion
von yyres1 → auf die Förderebene) miteinander bilden,
hängt von
den Phasen- und Amplitudenunterschieden zwischen den Schwingungen
die PKF-Elemente 151 und 153 ab. Die Verhältnisse
werden durch die 12 noch
genauer erläutert:
In der 12 ist in den
1. Quadranten des Koordinatensystems yyH → parallel
zur Ordinate und yyQ → parallel zur Abszisse
eingetragen. yyH → = yyh → + yyv → wobei yyh → den Vektor
des PKF-Elements 151 parallel zur Förderrichtung und yyv → den
Vektor senkrecht zur Förderrichtung
bezeichnen. yyQ → kann entsprechend zusammengesetzt
sein. yyH → bezeichnet die Richtung die senkrecht
zum PKF-Element 151 steht und schräg nach oben verläuft und
sie ergibt sich aus der Richtung, in der yyh → schwingt,
wenn yyv → nach oben schwingt. Das PKF-Element 153 schwingt
(yyQ →) senkrecht zur Ebene in der die PKF-Elemente 151 schwingen.
Haben die Schwingungen der PKF-Elemente 151 und 153 eine
solche Phasenbeziehung zueinander, daß die PKF-Elemente 151 und 153 gleichzeitig
in der positiven Richtung schwingen, ergibt sich ein resultierender
Schwingungsvektor yyres1 → im I. Quadrant,
und, wenn die Phasenbeziehung derart ist, daß das PKF-Element 151 in
die positive Richtung und PKF-Element 153 in die negative
Richtung schwingen, ergibt sich ein resultierender Schwingungsvektor yyres2 → im II. Quadranten. Der in die 11a eingezeichnete yyQ' → (-) ergibt
sich demnach aus yyQ' →, wenn die Phasenlage um Δφ = 180° geändert wird.
Die Winkel, die yres mit den Koordinaten
bilden, kann verändert
werden, indem man den Phasenunterschied zwischen den von den PKF-Elementen 151 und 153 ausgeführten Schwingungen
anders einstellt, indem man die Amplituden ändert, oder indem man den Winkel,
welchen die Längsachsen
der PKF-Elemente 151 und 153 miteinander bilden,
von 90° verschieden
einstellt.
-
Indem
das PKF-Element 153 nur kurzfristig, d.h. impulsartig,
erregt wird, kann die in den 11 und 11a gezeigte Anordnung auch
dazu benutzt werden, um einzelne Förderteile aus dem durch die PKF-Elemente 151 bestimmten
Förderpfad
zu selektieren.
-
In
der 13 ist eine Schwingfördereinheit 295 gezeigt,
bei der ein Unterteil m1 134 und
eine Zwischenplatte 158 parallel zueinander ausgerichtet und
von zwei PKF-Elementen 152 auf Abstand gehalten werden,
welche parallel zur Zwischenplatte und zum Unterteil m1 134 angeordnet
sind und welche mit ihrem einen Ende durch Halterungen 135 an dem
Unterteil m1 134 und mit ihrem
anderen Ende durch Halterungen 132 an der Zwischenplatte
befestigt sind. Das Unterteil m1 134 ist
auf Gummifüßen 160 gelagert.
Oberhalb der Zwischenplatte und parallel zu ihr ist das Oberteil
m2 133 (die Förderschiene) angeordnet. Voneinander
getrennt sind die Zwischenplatte und das Oberteil m2 133 durch
zwei PKF-Elemente 154, welche mit ihnen rechte Winkel bildend
durch Halterungen 235 an der Zwischenplatte und Halterungen 232 an
der Förderschiene
befestigt sind. Die PKF-Elemente 152 und 154 schwingen synchron
in derselben auf dem Unterteil m1 senkrecht stehenden
Ebene, jedoch senkrecht zueinander.
-
Die
PKF-Elemente 152 einerseits und die PKF-Elemente 154 andererseits
sind je mit einem (nicht gezeigten) Stellglied verbunden, die im
Verhältnis
von Master und Slave zueinander stehen.
-
Werden
die PKF-Elemente 152 und 154 zum Schwingen erregt,
hängt es
vom Verhältnis
der (festgelegten) Amplituden und/oder dem Phasenunterschied zwischen
den von den PKF-Elemente 152 und 154 ausgeführten Schwingungen
ab, welche resultierende Schwingungsvektoren sich einstellen. Diese Verhältnisse
lassen sich anhand der 14 veranschaulichen.
Der Schwingungsvektor yyv → des PKF-Elements 154 schwingt
senkrecht zur Förderebene
und zwar in die positive und in die negative Richtung. Der Schwingungsvektor yyh → des PKF-Elements 152 schwingt
parallel zur Förderebene
und zwar auch in die positive und in die negative Richtung. Der
resultierende Schwingungsvektor yyres1 → ergibt
sich aus der Richtung von yyh → in dem Moment,
in dem yyv → nach oben schwingt. D.h. schwingt
das PKF-Element 154 in dem Moment nach rechts (positiv),
in dem der yyV → nach oben gerichtet ist, dann
verläuft
der resultierende Schwingungsvektor nach rechts (1. Quadrant). Schwingt
das PKF-Element
in dem Moment nach links (negativ), in dem yyv → nach oben
gerichtet ist, dann verläuft
der resultierende Schwingungsvektor nach links (2. Quadrant). Die Richtungsänderung
von yyres1 → und yyres2 → kommt durch
eine Phasenverschiebung des durch die PKF-Elemente 154 erzeugten Schwingungen
gegenüber
den durch die PKF- Elemente 152 erzeugten Schwingungen
um 180° zustande.
werden andere φ-Winkel
eingestellt kommt es darauf an, je nachdem, ob Δφ > oder < 90° ist, ob
der resultierende Schwingungsvektor yyres3 → im
1. oder im 2. Quadranten liegt. Die Richtung des resultierenden
Schwingungsvektors ist also phasenabhängig. Oder anders: Es hängt von
der Polarität
der yyV → Erregung ab, in welcher Richtung
sich die Förderteile
bei Erregung bewegen.
-
Die
Anzahl der für
zum Zustandekommen der resultierenden Schwingungsvektoren beitragenden
Parameter läßt sich
noch erhöhen,
wenn die Winkel welche die PKF-Elemente mit dem Oberteil m2 bilden, variiert werden.
-
In
der 15 ist eine Schwingfördereinheit gezeigt,
die aus der in der 11 gezeigten Schwingfördereinheit
weiterentwickelt ist, indem die gegenüber der Förderschiene geneigten PKF-Elemente 151 und
gegebenenfalls 153 durch PKF-Elementkombinationen 152/154 ersetzt
sind, wie sie in der 13 gezeigt
sind. Diese Kombination erlaubt es, alle – außer den Wirkungslinien – Förderparameter
durch entsprechende Einstellungen der Stellglieder zu variieren.