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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kompensation eines
durch den gyrostatischen Effekt hervorgerufenen Drehmomentes an
einer beweglichen Achse bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen.
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Bei
einer Werkzeug- oder Produktionsmaschine entsteht häufig ein
durch den sogenannten gyrostatischen Effekt hervorgerufenes Drehmoment,
welches auf eine bewegliche Achse der Werkzeug- oder Produktionsmaschine
einwirkt und in Folge zu Fertigungsungenauigkeiten und einer mechanischen
Belastung von Komponenten der Maschine führt.
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Zum
Verständnis
des gyrostatischen Effektes und der daraus resultierten Problematik
sind in 1 in Form einer
schematisierten Darstellung beispielhaft einige an der Bewegungsführung einer
Nutzlast 1 beteiligten Komponenten einer Maschine dargestellt.
Ein Motor 3 treibt über
eine rotierende Welle 15 die Nutzlast 1 mit der
Kreisfrequenz ωN. Die Nutzlast 1 besteht in dem
gezeigten Beispiel aus einem zylinderförmigen Werkstück, das
mit einem angedeuteten Werkzeug 2 bearbeitet wird. Der
Motor 3 ist mechanisch fest mit einer im oberen Bereich
tellerförmig
ausgeprägten
Achse 4 der Maschine verbunden. Die Achse 4 ist
drehbar gelagert und wird von einem Motor 5 angetrieben,
welcher die Achse 4 z.B. um einen Winkel φ drehen
kann. Der Motor 5 ist mechanisch fest mit einem Schlitten 6 verbunden,
wobei dieser entlang einer Richtung Y bewegt werden kann. Der Schlitten 6 ist
hierzu auf zwei Führungen 16 beweglich
gelagert und wird von einem Motor 8 angetrieben. Die Führungen 16 sind
mechanisch fest mit einem weiteren Schlitten 7 verbunden,
wobei dieser beweglich auf zwei Führungen 17 gelagert
ist und mittels eines Motors 9 entlang einer X-Richtung
bewegt werden kann. Das Antriebssys tem des Schlittens 7,
das im wesentlichen aus dem Motor 9 besteht und das Antriebssystems
des Schlittens 6, das im wesentlichen aus dem Motor 8 besteht,
sind der Übersichtlichkeit
halber nur schematisiert angedeutet.
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Die
Nutzlast 1, die Welle 15 sowie die rotierenden
Bestandteile des Motors 3 (z.B. Rotor des Motors 3)
bilden ein sogenanntes Maschinennutzsystem, welches mit der Kreisfrequenz ωN rotiert. Durch die rotierende Bewegung
des Maschinennutzsystems entsteht ein in 1 eingezeichnete vektorieller Nutzdrehimpuls D N in
Richtung der Welle 15 bzw. der Nutzlast 1. gemäß der Beziehung
(1). D N = J N·ωN (1)
- ωN
- = 2·π·f
- f:
- Drehfrequenz
- J N
- Trägheitsmoment des Maschinennutzsystems
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Nach
der Bearbeitung der Nutzlast
1 mit dem Werkzeug
2 soll
z.B. die Nutzlast
1 mit einem weiteren Werkzeug
17 bearbeitet
werden. Hierzu wird durch eine Drehbewegung der Achse
4 das
Maschinennutzsystem um den Winkel φ gedreht, wobei das Maschinennutzsystem
nach wie vor mit der Kreisfrequenz ω
N rotiert. Durch
die damit verbundene zeitliche Änderung
des Nutzdrehimpulses
D N entsteht gemäß Beziehung (2)
ein Nutzdrehmoment
M N welches über die
Achse
4, eine störende
Kraft F auf den Schlitten
7 und eventuell weiter vorhandene
Maschinenkomponenten ausübt.
Diese Kraft F muss vom Motor
9 kompensiert werden bzw.
von der Lageregelung des Schlittens
7 ausgeregelt werden.
Das durch den gyrostatischen Effekt hervorgerufene Nutzdrehmoment
M N belastet
somit mechanisch die Achse
4 sowie verschiedenste andere
Maschinenkomponenten und wirkt sich somit negativ auf die Fertigungsgenauigkeit
der Maschine aus.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung
zur Kompensation eines durch den gyrostatischen Effekt hervorgerufenen
Drehmomentes an einer beweglichen Achse bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen
zu schaffen.
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Aus
der
DE 40 24 328 A1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausbalancierung dynamischer Wechselkräfte bei
Rotorsystemen bekannt. Die Druckschrift betrifft ein Verfahren,
das Gebrauch macht von einem während
des Betriebs wirksamen Regelkreis zur ständigen Überwachung stationärer Wechselkräfte und zum
Nachstellen von Trimmvorrichtungen zum Ausgleich dieser Wechselkräfte und
beschreibt eine dafür
notwendige Vorrichtung, die lineare Stellkräfte auf sich drehende Systeme überträgt.
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Aus
der
US 2,140,783 ist
eine neuartige Konstruktion eines Flugzeugs bekannt, mit dem Ziel
die Aerodynamik des Flugzeugs zu verbessern und solchermaßen die
Leistungsfähigkeit
des Flugzeugs und die Sicherheit und den Komfort für den Piloten
und die Passagiere zu erhöhen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Kompensation eines durch
den gyrostatischen Effekt hervorgerufenes Drehmomentes an einer
beweglichen Achse bei Werkzeug- oder Produktionsmaschinen, wobei
zu einem an der Achse angebrachten rotierenden Maschinennutzsystem,
das einen Nutzdrehimpuls erzeugt, ein an der Achse angebrachtes
rotierendes Maschinengegensystem, das einen Gegendrehimpuls erzeugt,
vorgesehen ist, dessen Betrag mit dem Betrag des Nutzdrehimpulses
mindestens teilweise übereinstimmt,
wobei das bei einer Bewegung des Maschinennutzsystems durch die
zeitliche Änderung
des Nutzdrehimpulses hervorgerufene Nutzdrehmoment durch ein von
der zeitlichen Änderung
des Gegenddrehimpulses hervorgerufenes Gegendrehmoment mindestens
teilweise kompensiert wird.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff Werkzeugmaschinen
z.B. ein- oder mehrachsige Dreh-, Fräs-, Bohr- oder Schleifmaschinen
verstanden. Zu den Werkzeugmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden
Erfindung 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 im Rahmen der vorliegenden
Erfindung z.B. Textil-, Kunststoff-, Holz-, Glas-, Keramik- oder
Steinbearbeitungsmaschinen gezählt.
Maschinen der Umformtechnik, Verpackungstechnik, Drucktechnik, Fördertechnik,
Aufzugstechnik, Pumpentechnik, Transporttechnik, Lüftertechnik sowie
Windkrafträder,
Hebewerkzeuge, Kräne
und Roboter gehören
ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu den Produktionsmaschinen.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das rotierende Maschinengegensystem derart an der Achse angebracht
ist, dass der vom ihm erzeugte Gegendrehimpuls dem Nutzdrehimpuls
vektoriell entgegengesetzt ausgerichtet ist. Wenn der Gegendrehimpuls
dem Nutzdrehimpuls vektoriell entgegengesetzt ausgerichtet ist,
lässt sich
der Nutzdrehimpuls besonders einfach und effektiv kompensieren.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Maschinennutzsystem von
einem Motor antreibbar ist und das Maschinengegensystem von einem
weiteren Motor antreibbar ist. Wenn das Maschinengegensystem von
einem weiteren Motor antreibbar ist, dann kann das Gegendrehmoment
besonders gut kompensiert werden, da die Rotationsgeschwindigkeit
des Maschinengegensystems exakt geregelt werden kann.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Regelung des weiteren
Motors derart erfolgt, dass der Betrag des Gegendrehimpulses mit
dem Betrag des Nutzdrehimpulses mindestens teilweise übereinstimmt.
Durch eine entsprechende Regelung des weiteren Motors kann das Gegendrehmoment
besonders gut kompensiert werden.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Maschinennutzsystem von
einem Motor antreibbar ist und das Maschinengegensystem über ein
Getriebe vom gleichen Motor antreibbar ist. Durch Verwendung eines
Getriebes kann ein separater Motor, der das Maschinengegensystem
antreibt, entfallen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das rotierende Maschinennutzsystem und das rotierende Maschinengegensystem
schwenkbar auf der Achse gelagert sind, wobei bei einer Schwenkbewertung
des Ma schinennutzsystems eine entgegengesetzte Schwenkbewegung des
Maschinengegensystem derart erfolgt, dass das durch die Schwenkbewegung
des Nutzdrehimpulses hervorgerufene Nutzdrehmoment durch ein von
der Schwenkbewegung des Gegendrehimpulses hervorgerufenes Gegendrehmoment
mindestens teilweise kompensiert wird. Durch diese Maßnahme kann
auch eine Schwenkbewegung des Maschinennutzsystems durch eine entgegengesetzte
Schwenkbewegung des Maschinengegensystems kompensiert werden.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Maschinennutzsystem von
einem Motor antreibbar ist und das Maschinengegensystem von einem
weiteren Motor antreibbar ist. Wenn das Maschinengegensystem von
einem weiteren Motor antreibbar ist, dann kann das Gegendrehmoment
besonders gut kompensiert werden, da die Rotationsgeschwindigkeit
des Maschinengegensystems exakt geregelt werden kann.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Regelung des weiteren
Motors derart erfolgt, dass der Betrag des Gegendrehimpulses mit
dem Betrag des Nutzdrehimpulses mindestens teilweise übereinstimmt. Durch
eine entsprechende Regelung des weiteren Motors kann das Gegendrehmoment
besonders gut kompensiert werden.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Maschinennutzsystem von
einem Motor antreibbar ist und das Maschinengegensystem über ein
Getriebe vom gleichem Motor antreibbar ist. Durch Verwendung eines
Getriebes kann ein separater Motor, der das Maschinengegensystem
antreibt, entfallen.
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Weiterhin
erweist es sich für
die Erfindung von Vorteil, wenn das Maschinengegensystem ein kleineres Trägheitsmoment
aufweist als das Maschinennutzsystem, wobei das Maschinengegensystem
eine entsprechend proportional höhere
Drehgeschwindigkeit aufweist, so dass der Betrag des Gegendrehimpulses
mit dem Betrag des Nutzdrehimpulses mindestens teilweise übereinstimmt.
Wenn das Maschinengegensystem nur ein kleineres Träg heitsmoment
besitzt, kann das Maschinengegensystem besonders klein und platzsparend
realisiert werden.
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Weiterhin
erweist es sich für
die Erfindung von Vorteil, wenn das Nutzdrehmoment und/oder das
Trägheitsmoment
des Maschinennutzsystems zur Regelung der Drehgeschwindigkeit des
Maschinengegensystems gemessen wird und die Drehgeschwindigkeit
des Maschinengegensystems dermaßen
geregelt wird, dass der Betrag des Gegendrehimpulses mit dem Betrag
des Nutzdrehimpulses mindestens teilweise übereinstimmt. Hierdurch kann
eine optimale Kompensation des Nutzdrehmomentes erreicht werden
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Drei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung von Maschinennutzsystem, Maschinengegensystem
und Achse,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In
der Einleitung wurde bereits der gyrostatische Effekt und die daraus
resultierte Problematik, sowie die Komponenten, die in 1 dargestellt
sind, beschrieben. Ziel der Erfindung ist es, dass das durch die
zeitliche Änderung
des Nutzdrehimpulses D N vom Maschinennutzsystem hervorgerufene
Nutzdrehmoment M N, durch
einen von einem zusätzlichen
Maschinengegensystem, welches einen Gegendrehimpuls aufweist und hierdurch
ein Gegendrehmoment M G, dass in 1 gestichelt
eingezeichnet ist, erzeugt, kompensiert wird. Der Übersichtlichkeit
halber ist das Maschinengegensystem in 1 nicht
dargestellt.
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In 2 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Auf die aus 1 bekannte
Achse 4 ist entsprechend 1 ein Motor 3 der über eine
rotierende Welle 16 ei ne Last 1 mit der Kreisfrequenz ωN rotierend antreibt, mechanisch starr befestigt.
Die rotierende Last 1, die Welle 15 sowie die
rotierenden Komponenten des Motors 3 (z.B. Rotor des Motors)
bilden, genau wie bei 1, ein rotierendes Maschinennutzsystem,
das einen Nutzdrehimpuls D N in Richtung der Achse 15 bzw.
der Last 1 aufweist. Wird nun die Achse 4 um einen
Winkel φ gedreht,
dann entsteht infolge des gyrostatischen Effektes durch die damit
verbundene zeitliche Änderung
des Nutzdrehimpulses D N, das aus 1 bekannte
Nutzdrehmoment M N.
Erfindungsgemäß wird nun
das Nutzdrehmoment M N durch ein von einem sogenannten Maschinengegensystem
erzeugtes Gegendrehmoment M G kompensiert. Das Maschinengegensystem besteht
dabei aus den rotierenden Komponenten eines zweiten Motors 12,
der zum Maschinennutzsystem um 180° versetzt auf der Achse 4 montiert
ist, sowie aus einer vom Motor 12 angetriebenen rotierenden
Welle 16 und einer Gegenlast 14. Das rotierende
Maschinengegensystem rotiert mit der gleichen Drehrichtung wie das
Maschinennutzsystem, jedoch ist infolge der auf der Achse 4 um
ca. 180° versetzten
Befestigung des Maschinengegensystems, der von ihm erzeugte Gegendrehimpuls D G dem
Nutzdrehimpuls D N vektoriell
entgegengesetzt ausgerichtet. Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass
selbstverständlich
der Nutzdrehimpuls D N, der Gegendrehimpuls D G, das Trägheitsmoment
des Maschinennutzsystems J N sowie das Trägheitsmoment des Maschinengegensystems J G vektorielle
Größen darstellen.
Die Kreisfrequenz ωG mit der das Maschinengegensystem rotiert,
wird nun von einer gestrichelt gezeichneten nur schematisch dargestellten
Regelung 20 immer so geregelt, dass der Betrag des Gegendrehimpulses D G mit
dem Betrag des Nutzdrehimpulses D N möglichst übereinstimmt
d.h. es gilt: |J N·ωN| = |J G·ωG| (3) mit |D N| = |J N·ωN| |D G| = |J G·ωG|
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Der
Nutzdrehimpuls D N und
der Gegendrehimpuls D G bzw. das Nutzdrehmoment M N und das Gegendrehmoment M G heben
sich solchermaßen
jeweils gegenseitig auf, so dass im Idealfall eine fast vollständige Kompensation
des Nutzdrehmomentes M N erreicht werden kann.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt. 3 zeigt im Prinzip die gleiche Anordnung
wie 2. Die Bezeichnung der Komponenten von 3 stimmt
mit der Bezeichnung der Komponenten von 2 überein.
Auch das Wirkprinzip zur Kompensation des Nutzdrehmomentes M N ist
mit dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 identisch. 3 unterscheidet
sich von 2 lediglich in der Ausführung des
Maschinengegensystems. In der Ausführungsform gemäß 3 wird
das Maschinengegensystem im wesentlichen von einer rotierenden Last 14 und
von einer rotierenden Welle 16, welche die Last 14 antreibt,
gebildet. Der Antrieb des Maschinengegensystems erfolgt vom Motor 3 des
Maschinennutzsystem über
ein Getriebe 13, wobei ein Teil der rotierenden Massen
im Getriebe 13, das mit der Kreisfrequenz ωG des Maschinengegensystems rotiert, dem
Maschinengegensystem zuzuordnen sind, während ein anderer Teil der
rotierenden Massen des Getriebes, die mit der Kreisfrequenz ωN des Maschinennutzsystems rotieren, dem
Maschinennutzsystem zuzuordnen sind. Die Übersetzung des Getriebes 13 ist
nun möglichst
derart ausgeführt,
dass die Gleichung (3) möglichst
weitestgehends erfüllt
ist. Gegenüber
der Ausführungsform
der Erfindung gemäß 2 besitzt
die Ausführungsform
gemäß 3 den
Nachteil, dass die Übersetzung
des Getriebes 13 in der Regel nicht beliebig stufenlos
von einer gestrichelt gezeichneten nur schematisch dargestellten
Regelung oder Steuerung 21 veränderbar ist und damit oft nur
eine teilweise Kompensation des Nutzdrehimpulses D N bzw. des Nutzdrehmomentes M N möglich ist.
Dem gegenüber
steht jedoch der Vorteil, dass zum Antrieb des Maschinengegensystems
kein separater Motor benötigt
wird. Bei einer besonders einfachen Ausführung kann das Übersetzungsverhältnis des
Getriebes 13 auch nicht automatisch veränderbar sein, sondern wird
fest eingestellt.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Auf einer Achse 4 ist ein rotierendes
Maschinennutzsystem und ein rotierendes Maschinengegensystem schwenkbar
auf einer Achse 4 gelagert. Das Maschinennutzsystem wird
dabei von einer Nutzlast 1, einer Welle 15 sowie
den rotierenden Komponenten eines Motors 3 gebildet. Das
Maschinengegensystem wird von einer Gegenlast 14, einer
Welle 16 und den rotierenden Bestandteilen eines antreibenden
Motors 12 gebildet. Bei einer Schwenkbewegung des Maschinennutzsystems,
z.B. um den Winkel φ2 wird zur Kompensation des dabei auftretenden
Nutzdrehmomentes M N das
Maschinengegensystem in entgegengesetzter Richtung um den Winkel φ1 gedreht, wobei gilt |J N·ωN| = |J G·ωG| (4a) φ1 = φ2 (4b)
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Die
Schwenkbewegung des Maschinengegensystems erfolgt dabei derart,
dass das durch die Schwenkbewegung des Nutzdrehimpulses D N hervorgerufene
Nutzdrehmoment M N durch
ein von der Schwenkbewegung des Gegendrehimpulses D G hervorgerufenes
Gegendrehmoment M G kompensiert
wird. Die Schwenkbewegung des Maschinengegensystems kann dabei über einen
separaten Antrieb erfolgen, der vom Antrieb der Schwenkbewegung
des Maschinennutzsystems unabhängig
arbeitet oder aber die Schwenkbewegung des Maschinengegensystems
ist über
ein Getriebe mit der Schwenkbewegung des Maschinennutzsystems entsprechend
gekoppelt.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, das es in der Praxis oft
schwer ist, eine vollständige
Kompensation des Nutzdrehimpulses DN zu
erreichen, da insbesondere das Trägheitsmoment der Last 1 des
Maschinennutzsystems oft Schwankungen unterworfen ist und oft auch
nicht genau bekannt ist.
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In
solchen Fällen
kann z.B. durch Abschätzen
des Trägheitsmomentes
der Last 1 bzw. des Trägheitsmomentes J N des
Maschinennutzsystems, der Nutzdrehimpuls D N bzw. das Nutzdrehmoment M N mit
dem Gegendrehimpuls D G bzw. dem Gegendrehmoment M G mindestens teilweise
kompensiert werden. So dass sich in der Praxis auch in diesen Fällen eine
deutliche Verbesserung erzielen lässt.
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Es
ist natürlich
auch denkbar dass das Gegendrehmoment M G und/oder das Trägheitsmoment J N des Maschinennutzsystems
zur Regelung der Drehgeschwindigkeit d.h. der Kreisfrequenz ωG des Maschinengegensystems gemessen wird
und die Drehgeschwindigkeit des Maschinengegensystems dermaßen geregelt wird,
dass der Betrag des Gegendrehimpulses mit dem Betrag des Nutzdrehimpulses
möglichst
genau übereinstimmt.
Eine solche Messung könnte
z.B. mit Hilfe einer geeigneten Sensorik und/oder durch Messung
z.B. der zur Beschleunigung der Nutzlast 1 bzw. der zur
Beschleunigung des Maschinennutzsystems aufzubringenden Energie
erfolgen.
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Um
das Maschinengegensystem möglichst
kompakt und klein aufbauen zu können,
ist es weiterhin sinnvoll, das Trägheitsmoment J G des Maschinengegensystems
klein zu halten während
dies durch eine entsprechend proportional höhere Drehgeschwindigkeit, d.h.
eine proportional größere Kreisfrequenz ωG des Gegensystems ausgeglichen wird, so
dass der Betrag des Gegendrehimpulses mit dem Betrag des Nutzdrehimpulses
wieder übereinstimmt.
