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Einrichtung zur Bestimmung der Unwucht eines Werkstücks Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Unwucht eines Werkstücks mit einem
Antrieb für das Werkstück, einem mechanisch-elektrischen Schwingungsumformer zum
Messen der Größe der Unwucht und einem mit dem Antrieb synchronisierten Zeitsignalgeber
zum Messen der Phasenlage, der während des Umlaufs des Werkstücks zu diesem von
Hand einstellbar ist.
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Es ist bekannt, nockengesteuerte mechanische Unterbrecher als Zeitsignalgenerator
an Auswuchtmaschinen zu verwenden.
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Für eine Maschine zum selbsttätigen Bestimmen und Ausgleichen der
Unwucht eines Körpers mit schwingfähiger Lagerung des Körpers, mit Unwandlung der
Unwuchtschwingungen in elektrische Wechselspannungen durch elektromechanische Schwingungsaufnehmer,
mit Zuführung der Wechselspannungen zu Zerhackern, deren Auslässe durch eine synchron
mit dem Körper umlaufende nockengesteuerte veränderliche Schalteinrichtung gesteuert
sind, und einem den Unwuchtausgleich besorgenden Werkzeug, z. B. einem Bohrer, ist
vorgeschlagen worden, Folgende Merkmale zu kombinieren: a) Zuführung des von der
nockengesteuerten Schalteinrichtung gesteuerten Auslasses eines Zerhackers zwecks
Einstellung eines die Bohrtiefe begrenzenden Anschlags zu einer Nahlaufsteuerung,
die aus einem Potentiometer, einer eine konstante Vergleichsspannung liefernden
und an den Endpunkten des Potentiometers anliegenden Spannungsquelle und einem den
Anschlag und den Potentiometerabgriff verstellenden und von der Differenz zwischen
dem Auslaß des Zerhackers und der durch das Potentiometer reduzierten Vergleichsspannung
gesteuerten Servomotor besteht; b) Zuführung des von der nockengesteuerten Schalteinrichtung
gesteuerten Auslasses des anderen Zerhackers zwecks Ermittlung der Unwuchtlage zu
einem Servomotor, der bei Stromaufnahme die Verstellung der Phasenlage der beiden
um 900 gegeneinander versetzten Nocken der Schalteinrichtung gegenüber dem Wuchtkörper
vornimmt; c) automatische Eindrehung des Wuchtkörpers in die richtige Bohrlage nach
Beendigung des Meßlaufes mittels eines Servomotors, der durch den Synchronempfänger
einer nach dem Drehfeldprinzip in Ringfeldausführung arbeitenden Fernübertragungsanlage
gesteuert wird, deren Synchrongeberwelle mit der Welle des Servomotors für die Ermittlung
der Unwuchtlage gekuppelt ist.
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Diese Einrichtung zur Bildung eines variablen Phasenvergleichsignals
zur Bestimmung der Winkellage der Unwucht ist aufwendig und sperrig im Aufbau und
erfordert zuweilen die Verwendung schwerer beweglicher Teile an der Auswuchtmaschine
selbst.
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Ferner sind für die Einstellung der Einrichtung von außen her zusätzliche
Einstelleinrichtungen erforderlich. Auch die verwendeten Servomotoren bedeuten einen
erheblichen Leistungsaufwand für diese und die zugeordnete Gleichrichteranlage.
In Fällen, in denen eine direkte Kupplung des Werkstücks mit dem Antriebsmotor nicht
möglich ist, der Antrieb beispielsweise über einen Riementrieb erfolgt, ist die
Gewinnung eines einwandfreien Phasenvergleichssignals nicht gewährleistet, so daß
Ausweichlösungen erforderlich sind, z. B. die Verwendung einer stroboskopischen
Einrichtung, die mit einer am Werkstück zu befestigenden Gradskala zusammenwirkt.
Diese Einrichtungen sind nicht nur drehzahlabhängig, sondem weisen auch eine Verzögerung
auf, so daß trotz des Mehraufwandes Meßfehler eintreten können.
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Die Einrichtung nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile, indem
die Messung der Winkellage und der Größe der Unwucht mit Hilfe fester Zeitsignale
erfolgt, wodurch sie für die Verwendung in automatischen Auswuchtmaschinen besonders
geeignet ist. Hierbei ist es gleichgültig, ob der Antrieb des Werkstücks direkt
oder über einen Riementrieb
erfolgt. Es ergibt sich hierbei ein
gedrängterer Aufbau, eine billigere Herstellung und eine geringere Wahrscheinlichkeit
von Fehlern. so daß eine für den angestrebten Zweck vorteilhafte Einrichtung geschaffen
ist.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
an den Schwingungsumformer ein harmonischer Vektorzerleger angeschlossen ist, dessen
zwei Ausgänge mit zwei Modulatoren verbunden sind, die duch den Zeitsignalgeber
mit zwei zeitlich um 90 phasenverschobenen Zeitsignalen gespeist werden, so daß
an den beiden Ausgängen der Modulatoren die Summe und die Differenz der Ausgangsgrößen
des Vektorzerlegers gebildet werden.
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Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Zeitsignalgenerator einen elektronischen
Unterbrecher enthält.
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Ferner ist es zweckmäßig, wenn der Modulator von einem relaisbetätigten
Zerhacker gebildet wird. In diesem Falle wird weiterhin vorgeschlagen, daß jeder
relaisbetätigte Zerhacker einen Transformator enthält, dessen Primärwicklung mit
einem der Auslässe des harmonischen Verktorzerlegers verbunden ist und dessen mittig
angezapfte Sekundärwicklung mit ihren Enden an zwei Relais angeschlossen ist, die
je einen zwischen zwei Kontakten bewegbaren Schaltarm und periodisch durch verschiedene
Zeitsignale erregte und entregte Betätigungsspulen haben. Ein weiteres Ausbildungsmerkmal
der Erfindung besteht darin, daß an die beiden Ausgänge der Modulatoren zwei Servomotoren
angeschlossen sind, von denen der eine mechanisch mit dem harmonischen Vektorzerleger
gekuppelt ist, um diesen so einzustellen, daß das Differenzsignal verschwindet.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Schwingungsumformer und dem harmonischen
Vektorzerleger ein einstellbarer Dämpfer angeordnet ist, der mechanisch mit dem
anderen Servomotor gekuppelt ist, und daß für die Steuerung dieses Servomotors ein
Vergleichskreis mit einer festen Spannungsquelle vorgesehen ist, die der additiven
Ausgangsspannung der beiden Modulatoren entgegenwirkt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen
erläutert. In der Zeichnung ist Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Auswuchtanlage
gemäß der Erfindung, F i g. 2 eine Skizze des mechanischen Aufbaues eines Teils
der Einrichtung nach F i g. 1, F i g. 3 und 4 schematische Darstellungen eines Teils
der Einrichtung nach F i g. 1, Fig. 5 ein Vektordiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise
eines Teils der Einrichtung nach Fig. 1, Fig. 6A bis 6C und 7A bis 7C über der Zeit
aufgetragene Kurven zur Erläuterung eines anderen Teils der Einrichtung nach F i
g. 1, Fig. 8 und 9 weitere Vektordiagramme zur Erläuterung der Erfindung, Fig. 10
eine schematische Einrichtung einer selbsttätigen Servoauswucht-, Einstell- und
Korrektionsvorrichtung, die nach den Grundsätzen der Einrichtung nach F i g. l ausgebildet
ist, F i g. 10 a ein elektrischer Schaltplan für einen Teil der Einrichtung gemäß
F i g. 10, F i g. 11 eine Anordnung der Auswuchteinrichtung bei einer Auswuchtmaschine
mit Riemenantrieb, Fig. 12 ein elektrisches Schaltbild für einen Teil der Einrichtung
nach F i g. 11 und
Fig. 12a bis 12s typische Spannungskurven, wie sie an verschiedenen
Stellen des Schaltbildes nach Fig. 12 erreicht werden.
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In F i g. 1 ist eine statische Auswuchtmaschine nach den Grundsätzen
der Erfindung dargestellt, die Größe und Winkellage der Unwucht eines Werkstückes
10 zu bestimmen gestattet, das ein Schwungrad, ein Drehkörper. ein Deckel, ein Schaufelrad
od. dgl. sein kann. Als statische Auswuchtmaschinen bezeichnet man solche, bei denen
die auszuwuchtenden Teile eine kurze axiale Länge haben, wie dies bei den angeführten
Werkstücken der Fall ist, so daß das Unwuchtmoment im wesentlichen in einer einzigen.
quer zur Achse gelegenen Ebene liegend angenommen werden kann. Das auszuwuchtende
Teil ist zweckmäßig an einer senkrechten Spindel 11 der Unwuchtmaschine befestigt,
die von einem elektrischen Motor 12 konstanter Drehzahl angetrieben wird. Der Motor
12 hat eine hohle Antriebswelle 13 und kann über einen Schalter 14 über Leitungen
15, 16 an eine geeignete elekrische Stromquelle angeschlossen werden. Die Maschinenspindel
11 erstreckt sich koaxial durch die hohle Motorwelle und ist an ihrem unteren Ende
mit dem benachbarten Ende der Motorwelle 13 durch ein Universalgelenk 18 verbunden
(F i g. 2). Der obere Teil der Maschinenspindel ist in einem federnd abgestützten
Lager 20 gehalten, das Schwingungen oder Ablenkungen der Maschinenspindel infolge
des Einflusses der Unwucht des drehenden Werkstückes gestattet.
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Wie F i g. 2 näher erläutert, ist der Antriebsmotor 12 mit senkrechter
Welle eingebaut und liegt mit seiner Grundplatte 22 auf einer Bodenplatte 23 eines
Aufbaues 24 auf. Die Spindel 11 der Auswuchtmaschine ragt durch eine Öffnung 25
eines einwärts gebogenen Teils 26 des Aufbaues, an dem eine Anzahl Träger 27 für
einstellbare Federn 28 sitzen. Die Federn 28 sind mit dem Lager 20 verbunden.
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Mit der Maschinenspindel 11 oder dem Lager 20 steht ein geeigneter
mechanisch-elektrischer Übertrager 31, wie z. B. ein elektrodynamischer Abtaster,
in Berührung, der ein Wechselstromsignal erzeugt, dessen Frequenz der Drehzahl des
Antriebsmotors und dessen Amplitude dem Wert der Unwucht U entspricht. Dieser Wert
wird durch die Größe der Ablenkung der Spindel der Auswuchtmaschine in einer senkrecht
zur Achse des Antriebsmotors 12 liegenden Ebene bestimmt. Der Auslaß des Signals
des Abtasters wird über elektrische Leitungen 33, 34 den Einlaßklemmen eines üblichen
Verstärkers 36 zugeleitet. Die Auslaßklemmen des Verstärkers sind über Leitungen
37, 38 an den Einlaß eines harmonischen Vektorzerlegers 40 angeschlossen, der zwei
90° gegeneinander phasenverschobene Auslässe A und B hat. Diese sind über Leitungen
41, 42 bzw.
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41', 42' mit den Einlässen zweier abgestimmter Verstärker 44 bzw.
44' verbunden, die in parallelen Stromkreisen liegen. Die Auslässe der Verstärker
44 und 44' sind über Leitungen 45, 46 bzw. 45', 46' mit den Einlässen zweier Gleichrichter
oder Zerhacker 48 bzw. 48' verbunden, die als relaisgesteuerte Kontakteinrichtungen
ausgebildet sind. Sie werden von einer Stromwendeeinrichtung 50 betätigt, die synchron
mit der Spindel 11 der Auswuchtmaschine angetrieben wird.
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Jeder Zerhacker 48 und 48' enthält einen Transformator 52 bzw. 52'
und zwei Relais 54, 56 bzw. 54', 56'. Jeder Transformator52, 52' hat eine Primärwicklung
58
bzw. 58' und eine Sekundärwicklung 60 bzw. 60' mit geerdeter Mittelanzapfung 62
bzw. 62'.
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Die Relais 54, 56 und 54', 56' der Zerhacker 48 bzw.
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48' haben Betätigungsspulen 66 und 68 bzw. 66' und 68', die federbelastete
Schaltarme 70 und 72 bzw. 70' und 72' betätigen. Alle Relais sind in der entregten
Stellung gezeichnet. Die Schaltarme 70 und 70' der Relais 54 bzw. 54' werden von
ihren Spulen 66 bzw.
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66' zwischen festen Kontakten 74, 76 bzw. 74', 76' bewegt. Die Schaltarme
72 und 72' werden von den zugeordneten Spulen 68 bzw. 68'zwischen Kontakten 78,
80 bzw. 78', 80' bewegt. Das eine Ende der Sekundärwicklung 60 des Zerhackers 48
ist über eine Leitung 82 mit den Kontakten 74 und 78 der Relais 54 bzw. 56 verbunden,
während ihr anderes Ende über eine Leitung 84 an den Kontakten 76 bzw.
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80 liegt. Die Sekundärwicklung 60' des Zerhackers 48' ist mit ihrem
einen Ende über eine Leitung 82' mit dem Kontakt 74' des Relais 54' verbunden, während
das andere Ende über eine Leitung 84' mit dem Kontakt 76' dieses Relais 54' verbunden
ist.
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Um aus später erklärten Gründen die Phase des dem Kontakten des Relais
56'zufließenden Stromes umzukehren, ist der Kontakt 74' des Relais 54' über eine
Leitung 86 mit dem gegenüberliegenden Kontakt 80' des Relais 56' und der Kontakt
76' über eine Leitung 88 mit dem Kontakt 78' verbunden. Die Schaltarme 70 und 70'
der Relais 54 bzw. 54' sind über Leitungen 90, 90' mit einem geeigneten Auswertgerät
verbunden, z. B. einem Anzeigegerät 92, das in noch zu beschreibender Weise die
Gesamtamplitude der Unwucht anzeigt oder aufzeichnet. Die Schaltarme 72 und 72'
der Relais 56 bzw. 56' sind über Leitungen 94 und 94' mit einem weiteren Auswertgerät
96 verbunden, das ein Anzeigegerät mit mittlerer Nulllage sein kann, das den Winkel
0 der Unwucht, also deren Lage, anzeigt.
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Die synchron mit der Maschinenspindel angetriebene Stromwendereinrichtung
50 hat eine Welle 102, die von der Motorwelle 13 durch einen Satz Zahnräder 104
gleicher Zähnezahl angetrieben wird. Die Welle 102 trägt mechanisch um 900 zueinander
versetzte Nocken 106 und 108, deren Nockenbahn 1800 umfaßt. Mit dem Nocken 106 arbeitet
ein federbelasteter Kontaktarm 110 zusammen, der während eines halben Umlaufs der
Welle 102 über einen festen Kontakt 112 einen Stromkreis über eine Leitung 114 schließt.
Diese Leitung 114 führt zu je einer der Klemmen der Relaisspulen 66 bzw. 68', deren
andere Klemmen über Leitungen 116, eine Batterie 118 und eine Leitung 119 an dem
Kontaktarm 110 liegen. Mit dem Nocken 108 arbeitet ein federbelasteter Kontaktarm
120 zusammen, der während eines halben Umlaufs der Welle 102 über einen festen Kontakt
122 einen Stromkreis zu einer Leitung 124 schließt. Diese Leitung ist mit je einer
Klemme der Relaisspulen 68 und 70' verbunden, während deren andere Klemmen über
Leitungen 126, eine Batterie 128 und eine Leitung 129 am Kontaktarm 120 liegen.
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Zum besseren Verständnis wird die Bauart und Wirkungsweise geeigneter
harmonischer Vektor-oder Sinus-Kosinus-Zerleger, die bei der Erfindung verwendet
werden können, beschrieben.
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Ein Sinus-Kosinus-Zerleger ist ein elektromechanisches Gerät, in
das ein elektrisches Signal und mechanisch ein Winkel di eingeleitet werden kann.
Baumäßig sind solche Geräte sehr klein und haben ge-
ringe Maße, so daß für ihre
Betätigung nur ein kleines mechanisches Drehmoment erforderlich ist.
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Der Zerleger liefert zwei elektrische Signale, von denen das eine
dem Produkt des Eingangssignals mit dem Sinus des eingebrachten Winkels, das andere
dem Produkt des Eingangssignals mit dem Kosinus des Winkels proportional ist.
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Ein gewöhnlich zur Sinus-Kosinus-Zerlegung benutztes Gerät ist der
in Fig. 3 schematisch dargestellte Synchronzerleger. Dieser besteht aus einem Läufer
140 mit ausgeprägtem Pol und Wicklung und einem Zweiphasenstator mit den Phasenwicklungen
143, 144. Der Läufer wird über Schleifringe 145, 146 erregt, und zwar durch das
zu zerlegende Eingangssignal. Die Formgebung der Polenden und die Anordnung der
Wicklungen ist so gewählt, daß die Flußverkettung zwischen Läufer und Stator sich
entsprechend dem Sinus des Winkels des Läufers verändert. Mit der Welle 147 des
Läufers ist ein Einstellknopf 148 mit Gradeinteilung verbunden, der mit einem Zeiger
149 am Statorgehäuse zusammenwirkt (F i g. 1), so daß der Läufer von Hand relativ
zum Stator verdreht werden kann, um jeden gewünschten mechanischen Winkel in den
Vektorzerleger einführen zu können.
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Eine andere Form eines Sinus-Kosinus-Zerlegers ist das Sinus-Kosinus-Potentiometer
oder ein Gleichstromzerleger, wie er in F i g. 4 dargestellt ist. Dieser besteht
aus einer Karte 152, auf die fortlaufend ein Leiter aufgewickelt ist, der eine flache
Spule aus geraden, parallelen, stromführenden Drähten gleichen Abstandes bildet.
Das Eingangssignal wird den einander entgegengesetzten Enden dieser Spule über Schleifringe
154, 155 zugeleitet. Eine Drehung der Karte um ihren Mittelpunkt veranlaßt die zwei
Auslaßkontaktpaare 156 und 158 einen kreisförmigen Weg auf der Karte zurückzulegen.
Die Spannung zwischen jeder Bürste und dem Mittelpunkt der Windung ändert sich entsprechend
dem Sinus des Winkels der Kartendrehung. Um die Spannungszufuhr zu verbessern, sind
zwei auf einem Durchmesser einander gegenüberliegende Kontakte für jede Auslaßkomponente
statt eines einzigen verwendet. Zwei um 900 versetzte Kontaktpaare sind verwendet,
um gleichzeitig eine Sinus- und eine Kosinusfunktion von der gleichen Karte zu erhalten.
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Die elektrische Wirkung der Kombination eines Sinus-Kosinus-Zerlegers
mit einem synchron arbeitenden Zerhackersystem auf die der Unwucht entsprechende
Spannung wird nachstehend erläutert.
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In F i g. 5 ist die Wirkung des Zerlegers als Vektordiagramm dargestellt.
Bei einem Winkel im Zerleger wird die Unwucht U in die zwei Komponenten A = U cos
s1> und B = U sin di zerlegt. A und B sind parallel zu U gezeichnet, so daß also
A und B noch in gleicher elektrischer Phase wie U sind.
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Zur Bestimmung der Amplitude wird die Relaisspule 66 des Zerhackers
48 des Zweiges A über den Kreis x-x angeschlossen und wird wechselweise und periodisch
erregt und entregt. Der Kreis x-x wird wechselweise und periodisch durch die Unterbrechernocken
106 und die zugeordneten Kontakte 110, 112 geschlossen und unterbrochen. Die Relais
spule 66' des Zerhackers 48' des Zweiges B wird über den Kreis y-y wechselweise
und periodisch erregt und entregt. Der Kreis y-y wird durch den Unterbrechernocken
108 und die zugeordneten Kontakte 120, 122 wechselweise und periodisch geschlossen
und unterbrochen.
Der Nocken 108 ist räumlich und zeitlich 900 gegenüber
dem Nocken 106 verschoben.
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Ist ¢9 der Phasenwinkel zwischen der Nullage des Unterbrechers und
der Winkellage der Unwucht am Werkstück, so liefert der Zerhacker des Zweiges A
eine pulsierende, gleichgerichtete Gleichspannung am Auslaß, der zwischen dem Schaltarm
70 und der mittleren Anzapfung 62 abgenommen wird und deren Mittelwert dem Wert
A cos # proportional ist. Der Zerhacker im Zweig B wird eine ähnliche Gleichspannung
am Auslaß liefern, der zwischen dem Schaltarm 70' und der mittleren Anzapfung 62'
abgenommen wird und deren Mittelwert B sin # proportional ist. Die Zerhacker 48,
48' vollziehen daher wie der statische Zerleger 40 ebenfalls eine harmonische Zerlegung,
die indessen dynamisch gegen das Einganssignal phasenverschoben ist.
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Die Zerlegung in sin #- und cos 6?-Komponenten des den Einlässen
der Zerhacker zugeleiteten Eingangssignals ist aus den F i g. 6 und 7 ersichtlich,
die über der Zeit aufgetragene Kurven aufweisen. Die Kurven zeigen, daß eine Wechselspannung
e, die sich mathematisch als Esin (#t+#) darstellt, bei einwandfreier Arbeit der
Zerhacker in zwei Gleichspannungen zerlegt werden kann, die Esin 6? und Ecos 6?
proportinal sind, wobei 6? ein beliebiger Vergleichswinkel in Bezug zu # t = 0 ist.
Baumäßig entspricht # bei der Einrichtung nach F i g. 1 der Winkellage der Unwucht
zu einem festen Punkt der Spindel 11 der Auswuchtmaschine oder zu der Nullstellung
der Unterbrechereinrichtung 50, die zu diesem festen Punkt in einem bestimmten Winkel
angeordnet ist.
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Die Spannung e ist in den Fig. 6A und 7A in ausgezogenen Linien dargestellt,
während ihre Phasenkomponenten Ecos # und Esin 6? gestrichelt gezeichnet sind. Wird
die Spannung e=E sin (# t+#) dem Einlaß des Zerhackers 48 zugeführt und bei #t=0
durch das Relais 54 zerhackt, das von dem stromgesteuerten Nocken 106 betätigt wird,
so wird diese Spannung durch den Zerhacker entsprechend den Kurven der Fig. 6B und
6C umgewandelt. Die Kurven zeigen, daß beide Werte E cos # und E sin # während eines
Winkels von 0 bis 1800 ungeändert und während eines Winkels von 180 bis 3600 mit
umgekehrter Phase durchgehen. Aus der Kurve der Fig. 6B ist zu erkennen, daß eine
Gleichspannung von Null durch Zerhacken der Komponente E sin # bei 0° Phasenverschiebung
erreicht wird. Aus Fig. 6C ist zu erkennen, daß die sich aus der Zerhackung der
Komponente E cos # bei 0° ergebende Gleichspannung dem integrierten Mittelwert der
Sinuswelle von 0 bis 1800 entspricht.
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Diese Mittelspannung beträgt 63,70/0 der Spitzenspannung. Mit anderen
Worten liefert die Wechselspannungskomponente E cos 6? eine Gleichspannung von 63,7%
der Komponente Ecos 6?. Die einzige bei der 0°-Zerhackung erreichte Spannung wird
also eine Gleichspannung sein, die Ecos 6? proportional ist und zusätzliche Pulsation,
die durch ein übliches Filter entfernt werden kann.
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Wird die Spannung E sin (#t+#) in dem Zerhacker 48' des Zweiges B
zerhackt, und zwar entweder 900 vor oder hinter dem Zerhacker im ZweigA, d. h. bei
wt=900, so wird der sich zwischen dem Schaltarm 70' und der mittigen Anzapfung 62'
ergebende Auslaß eine Gleichspannung sein, deren Mittelwert gleich 0,637 Esin #
ist, wie dies die Kurven in Fig. 7A, 7B und 6C ausweisen.
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Es sei nun die Wirkung der Zerhacker erklärt, wenn der Winkel # des
Zerlegers gleich dem Winkel # der Unwucht gemacht wird. die algebraische Summe der
Gleichspannungen aus den Zerhackern der Zweige A und B wird dann der Größe der Unwucht
U proportional sein. Dies kann analytisch und gegebenenfalls graphisch nachgewiesen
werden.
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Analytisch können die Auslässe der Zerleger und Zerhacker wie folgt
ausgedrückt werden: Zerleger A = U cos #; B = U sin #; (1) Zerhacker Auslaß A =
KA cos (-); Auslaß B = KB sin (-). (2) Die Vereinigung der erhaltenen Auslässe der
Zerhacker ergibt: Auslaß A + Auslaß B = KA cos 6? t KB sin #. (3) Durch Einsetzen
der Gleichung (1) in Gleichung (3) folgt: Auslaß A + Auslaß B = KU cos # cos # +
KU sin # sin # (4) und = KU (cos # cos # + sin # sin #). (5) Bei <P 6? wird Gleichung
(5) zu: Auslaß A + Auslaß B =KU (cos2 # + sin2 #). (6) Da (cos2# + sin2#) = 1, wird
also Gleichung (6) zu: Auslaß A + Auslaß B = KU. (7) Gleichung (7) beweist, daß
die Summe der bei 0° Phasenverschiebung zerhackten A-Komponente und der bei @ 900
Phasenverschiebung zerhackten B-Komponente gewonnenen Auslässe proportional der
Unwucht des Werkstückes ist, wenn die Welle des Zerlegers in gleiche Winkellage
wie die Unwucht des Werkstückes gebracht wird.
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Zur Bestimmung der Phase wird das Relais 56 des Zerhackers des Zweiges
A üer die -90° phasenverschobenen Kontakte 120, 122 vom Unterbrechernocken 108 und
das Relais 56' des Zerhackers des Zweiges B über die 0°-Kontakte 110, 112 vom Unterbrechernocken
106 betätigt. Der Zerhacker des Zweiges A liefert dann am Auslaß eine Gleichspannung,
die A sin (-) proportional ist, während der Zerhacker des Zweiges B am Auslaß eine
Gleichspannung proportional B cos # liefert. Wird der Winkel 0 des Zerlegers gleich
dem Winkel 6? der Unwucht gemacht, so wird die Differenz zwischen den Gleichspannungen
der Zerhacker der Zweige A und B unter diesen Phasenbedingungen Null und wird phasenempfindich
bei Abweichungen zwischen # und # sein. Das heißt, wenn # kleiner als # ist, wird
Auslaß A minus Auslaß B positiv wein, während bei # größer als # Auslaß A minus
Auslaß B negativ wird.
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Der Beweis, daß bei # = # die Differenz zwischen Auslaß A und Auslaß
B Null wird, kann analytisch geführt werden.
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Zerleger A = U cos #; B = U sin #; (1) Zerhacker Auslaß A = KA sin
5) ; Auslaß B = KB cos (3. (2) Die Bildung der Differenz der Auslässe der Zerhacker
ergibt: Auslaß A - Auslaß B = KA sin 6? - KB cos 6?, (8) und durch Einsetzen von
Gleichung (1) in Gleichung (8): Auslaß A - Auslaß B = KU cos rf,sin 0 - KU sin cos
0. (9) Bei Q> = 6? wird Gleichung (9) Auslaß A - Auslaß B =KU cos # sin # - KU
sin # cos # = 0.(10) Der Nachweis, daß bei 0 größer oder kleiner als # die Differenz
der Auslässe der Zweige A und B nicht Null ist und phasenempfindlich ist, kann in
leichterer Form graphisch erbracht werden: F i g. 8 zeigt eine graphische Lösung
mit Vektoren für die Differenz zwischen dem Auslaß A und dem Auslaß B, wenn # größer
als 6? ist. Es ist zu erkennen, daß diese Differenz negativ ist. Fig. 9 ist eine
ähnliche Lösung für den Fall, daß 0 kleiner als 6? ist, wobei dann diese Differenz
der Auslässe positiv wird. Da das Vorzeichen des Gleichstromauslasses wechselt;
wenn di über den Wert # = 6 läuft, ist der Auslaß phasenempfindlich.
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Aus der bisherigen Beschreibung geht die Wirkung des Zerleger-Zerhacker-Systems
bei einer von Hand einstellbaren Auswuchtmaschine gemäß F i g. 1 genügend klar hervor.
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Der Arbeitsvorgang wird durch Erregen und Anlassen des Antriebsmotors
12 eingeleitet. Der Knopf 148 am Zerleger 40 wird so eingestellt, daß am Anzeigegerät
96 Nullanzeige eintritt. Danach wird die Amplitude der Unwucht am Anzeigegerät 92
und deren Winkellage am Knopf 148 abgelesen.
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Es sei darauf hingewiesen, daß eine mechanische Winkeleinstellung
der Unterbrecherkontakte zu den Nocken 106 und 108 der Unterbrechereinrichtung 50
nicht vorzunehmen ist, um die Winkellage der Unwucht bestimmen zu können, daß vielmehr
die einzige hierbei erforderliche Einstellung die des Zerlegers 40 ist, dessen Bauart
so gewählt ist, daß ein schnelles Einstellen möglich ist.
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Das erfindungsgemäße System wäre auch für das dynamische Auswuchten
axial langgestreckter Körper verwendbar. In diesem Falle würden zwei Einrichtungen
gemäß F i g. 1 benutzt werden, die an je einem Ende des Körpers vorgesehen werden,
oder zwei Abtaster mit Verstärker 36 mit zugeordneten Geräten, um Meßwerte an beiden
Enden zu erhalten.
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In jedem Falle ist dabei eine Kompensationsschal-
tung zur Ebenentrennung
erforderlich, um eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Meßwerte in bekannter
Weise auszuschalten.
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Würde das erfindungsgemäße System bei einer über Riemen angetriebenen
Maschine gemäß F i g. 11 verwendet, bei der das Werkstüok 170 federnd in Lagern
172 abgestützt und von dem Antriebsmotor 12' über einen Riemen 174 angetrieben wird,
so kann die mechanische Unterbrechereinrichtung 50 der F i g. 1 durch eine synchronisierende
Abtasteinrichtung 176 mit Photozelle und einen elektrischen Unterbrecherl78 ersetzt
werden. Die synchronisierende Abtasteinrichtung 176 kann von der photoelektrischen
oder magnetischen Bauart sein. Die erstere enthält eine Lichtquelle 177, die einen
Farbfleck 180 am Werkstück beleuchtet, und eine Photozelle 179, die aus dem vom
Farbfleck reflektierten Strahl einen synchronisierenden Ausgangssignalpuls bildet.
Der elektrische Unterbrecher 178 hat zwei zeitlich 900 phasenverschobene Auslässe,
die mit den Relaisspulen der Zerhacker 48 und 48' verbunden sind. Die näheren Einzelheiten
ergeben sich aus der später noch zu beschreibenden F i g. 12.
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In Fig. 10 ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Zerleger-Zerhacker-Systems
bei einer selbsttätigen Auswuchtmaschine veranschaulicht, bei der drei getrennte
Servosysteme für folgende drei Hauptarbeiten vorgesehen sind; 1. Bestimmung der
Größe und Lage der Unwucht; 2. Einstellung des Werkstückes zur Korrektionseinrichtung;
3. Steuerung des Korrektionsvorganges.
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Die erwähnten Arbeitsgänge können, wie angegeben, nacheinander ausgeführt
werden, wenn es auch möglich ist, daß unter gewissen Umständen Arbeitsgänge kombiniert
werden können.
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Die Auswuchteinrichtung ist schematisch in Linien dargestellt, wobei
sich drehende Teile durch Kreise angedeutet sind.
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Die Bestirnmung der Unwucht wird durch Anlassen des Hauptantriebsmotors
12 eingeleitet, das selbsttätig erfolgen kann, wenn das Ein- und Ausspannen des
Werkstückes in die Maschine durch eine selbsttätige Einrichtung erfolgt.
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Ein durch das Zerleger-Zerhacker-System gehendes Unwuchtsignal wird
im allgemeinen eine Spannung am Zerhackersystem 184 und ein Fehlerwinkelsignal am
Phasen-Zerhackersystem 186 ergeben. Das Amplituden-Zerhackersystem 184 und das Phasen-Zerhackersystem
186 enthalten jene Elemente der Zerhacker 48 und 48' der Fig 1, die nötig sind,
um das zwischen den Leitungen 90 und 90' erscheinende Signal für die Amplitude der
Unwucht und das zwischen den Leitungen 94 und 94' erscheinende Signal für den Winkel
der Unwucht zu erzeugen.
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Die Ausgangs-Gleichspannung am Amplituden-Zerhackersystem 184 wird
über eine Leitung 190 einem Amplituden-Servogerät zugeleitet, um mit einer festen
Gleichspannung 196 und der unterschiedlichen Spannung verglichen zu werden, die
als ein Fehlersignal in das Amplituden-Servosystem eingeht. Dieses enthält einen
Servoverstärker 198 (F i g. 10 a) und einen Servomotor 200, der einen auf einer
gemeinsamen Systemwelle 201 sitzenden, auf den Verstärker 198 rückgekoppelten Tachometergenerator
202 antreibt und ferner einen einstellbaren Dämpfer 32 und einen Synchronübertrager
204, der einen Synchronempfänger 206 eines Korrektions-
Sçrvosystems
zugeordnet ist. Der Servomotor 200 wird um einen Betrag und in der Richtung drehen,
die durch die Amplitude und die relative Polarität des dem Servoverstärker 198 zugeführten
Fehlersignals bestimmt sind. Es wird hierbei den einstellbaren Dämpfer 32 in der
Richtung um einen Betrag verstellen, daß das Amplituden-Fehlersignal vermindert
wird. Mit anderen Worten wird der Dämpfer selbsttätig so eingeregelt, daß die Gleichspannung
des Amplituden-Zerhackersystems der festen Vergleichs-Gleichspannung gleich wird.
Die Einstellung des Dämpfers ist dann ein Maß für die Amplitude der Unwucht.
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Zusätzlich zu dem Synchronübertrager204 kann das Korrektions-Servosystem
außerdem einen Servoverstärker 208 und einen Servomotor 210 enthalten, der eine
gemeinsame Systemwelle 211 antreibt. Auf dieser sitzen der Synchronempfänger 206
und ein einstellbares Korrektionsglied 214 der Korrektionseinrichtung 212, die z.
B. als Bohrer oder Schweißvorrichtung ausgebildet sein kann, die an die ermittelte
Un ! wuchtstelle oder einer dieser gegenüberliegenden Stelle bewegbar ist.
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Das Gleichstrom-Fehlersignal vom Phasen-Zerhackersystem 186 wird
über die Leitungl94 unmittelbar dem Phasen-Servoverstärker 220 des Phasen-Servosystems
zugeführt, das außerdem einen Servomotor 222 enthält. Dieser Motor treibt über eine
gemeinsame Welle 227 einen auf den Verstärker 220 rückgekoppelten Tachometergenerator
224, einen Synchronübertrager 226 und den Zerleger 40 an. Der Phasenservomotor 222
dreht den Zerleger 40 in einer solchen Richtung, daß das Phasen-Fehlersignal verkleinert
wird. Wenn das Phasen-Fehlersignal unter einen bestimmten Wert abgesunken ist, wird
die Winkelstellung Ides Zerlegers der Winkellage der Unwucht entsprechen.
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Jetzt sind Winkel und Größe der Unwucht bestimmt, und der Hauptantriebsmotor
12 kann angehalten werden. Dies kann durch Nullanzeigegeräte im Amplituden- und
Phasen-Servosystem veranlaßt werden. So können z.B., wie Fig. 10a zeigt, empfindliche
Relais 230 und 232, die parallel zu den Steuerwicklungen 200a bzw. 222a der Servomotoren
200 bzw. 222 liegen, so abgestimmt sein, daß sie schließen, wenn diese Steuerspannungen
verschwinden oder unter einen bestimmten Wert fallen. Die Servomotoren 200 und 222
können übliche Zweiphasenservomotoren sein, deren Bezugsphasenwicklungen 200 b bzw.
222b mit einer Wechselstromquelle verbindbar sind.
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Die normalerweise geschlossenen Kontakte 234 und 236 der empfindlichen
Relais 230 bzw. 232 liegen in einem Erregerkreis für ein Verzögerungsrelais 240,
das nach einer gewissen Zeit eine Bremse für den Hauptantriebsmotor 12 betätigen
oder diesen durch Öffnen der Kontakte 232 in seinem Erregerkreis zum Stillstand
bringen kann.
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Wenn der Hauptantriebsmotor 12 zum Stillstand gekommen ist, was gewöhnlich
durch einen vom Motor angetriebenen Nulldrehzahlschalter angezeigt wird, wird das
Spindeleinstellsystem betätigt. Dieses enthält einen Servoverstärker 248, der von
dem Synchronübertrager 226 erregt wird. Der Synchronübertrager 226 wird von dem
Phasen-Servosystem eingestellt und steuert die Steuerphasenwicklung eines Servomotors
250, der eine gemeinsame Welle 258 für einen rückgekoppelten Tachometergenerator
252,
eine Magnetkupplung254 und einen Synchronempfänger 256 antreibt. Das Schließen
des Nulldrehzahlschalters 247 beim Anhalten des Hauptantriebsmotors 12 veranlaßt
die Erregung der normalerweise ausgerückten Magnetkupplung 254 und der Synchroneinrichtungen
226 und 256, wie dies der Schaltplan nach F i g. 10 a erkennen läßt. Stimmen die
Winkellagen der Synchroneinrichtungen 226 und 256 nicht überein, so wird ein Fehlersignal
zum Servomotor 250 für die Einstellung der Spindel gehen, der die Spindel der Auswuchtmaschine
so lange dreht, bis diese winkelgleich geworden ist. Diese Nachstellung der Spindel
auf einen von dem Synchronübertrager 226 auf der Zerlegerwelle bestimmten Winkel
wird das unausgewuchtete Werkstück in eine Lage drehen, die der 0oder Bezugslage
des Unterbrechersystems 50 entspricht, dessen Bauart und Wirkungsweise aus F i g.
1 klar hervorgeht. In Praxis kann die Spindel in jedem Fall in jeden gewählten Winkel
gebracht werden, indem das Gehäuse der Unterbrechereinrichtung oder jede der Synchroneinrichtungen
zur Einstellung der Spindel von Hand eingestellt wird.
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Das Beenden der Einstellung der Spindel kann durch ein Nullanzeigegerät
angezeigt werden, z. B. durch ein empfindliches Relais 262, das parallel zur Steuerphasenwicklung
250a des Servomotors 250 liegt. Die Bezugsphasenwicklung dieses Servomotors liegt
an einer Wechselstromquelle. Das auszuwuchtende Teil ist nun in der Lage, die Korrektion
in der Auswuchtmaschine vorzunehmen oder in einer besonderen Korrektionseinrichtung,
in die das Teil übergeführt wird. In jedem Falle kann der nächste Arbeitsgang durch
ein Null-Servorelais 262 eingeleitet werden, dessen normalerweise geschlossene Kontakte
263 im Erregerkreis des Korrektionssystems liegen, wie dies F i g. 10 a zeigt.
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Es wird bemerkt, daß der erforderliche Betrag der Korrektion als
Winkeleinstellung der Synchroneinrichtung 204 auf der Abtastdämpferwelle 201 gespeichert
wurde, deren Winkelverstellung auf das einstellbare Steuerglied 214 der Korrektionseinrichtung
212 für den Bohreranschlag od. dgl. über das Korrektions-Servosystem übertragen
wird.
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Der Dämpfer 32, der zwischen dem Abtaster 31 und dem Verstärker 36
liegt, wird von dem Amplituden-Servosystem eingestellt, um einen konstanten Auslaß
am Verstärker zu erhalten. Dies ermöglicht dem Phasen-Servosystem ein Fehlersignal
aufzunehmen, das den gleichen Spannungsgradienten beiderseits des Nullwertes für
große wie kleine Werte des Unwuchtsignals hat. Hierdurch werden die Stabilität und
das Ansprechen der Servosysteme gegenüber einer Anordnung verbessert, bei der das
Amplituden-Servosystem durch Auswahl eines bestimmten Teils der Spannung der Bezugsquelle
196 zum Vergleich mit einem Unwuchtsignal veränderlicher Amplitude vom Verstärker
36 ausgeglichen wird.
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In der F i g. 12 ist der elektronische Unterbrecher zusammen mit
der Wellenform entsprechend den Kurven a bis s dargestellt, die den an den verschiedenen
Stellen erhaltenen Spannungsverlauf zeigen.
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Der Unterbrecher enthält eine Anzahl von Kreisen mit Elektronenröhren.
Er umfaßt einen vorbelasteten Verstärker V1, einen VerstärkerV2, einen Sägezahngenerator
V3, einen linearen Verstärker V4, einen doppelten Amplitudenbegrenzer V S, einen
Verstärkere6, eine weitere Amplitudenbegrenzerstufe
V7, einen linearen
Verstärker V8 und einen Kraftverstärker V9. Eine Zweigverbindung führt zwischen
den Stufen V8 und V 9 zu einem linearen Verstärker V10, an den sich ein doppelter
Amplitudenabschneider Vil, ein linearer Verstärker V 12, ein zweiter doppelter Amplitudenabschneider
V 13, ein linearer Verstärker V14 und ein Kraftverstärker V15 anschließen. Die Stufen
Vll bis V15 entsprechen den Stufen VS bis V9.
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Die Fotozelle 179 liegt zwischen den Leitungen 280 und 282 und liefert
über einen an Erde liegenden Widerstand 284 eine Spannung entsprechend Kurve 12a
zum Einlaß von l"1. An der Kathode ist V1 1 durch Widerstände 298 und 290 vorbelastet
und wird bei Eingangsspannungen über etwa 0,5 Volt leitend, wodurch im wesentlichen
der Rauschpegel des zugeleiteten rohen synchronisierenden Eingangspulses entfernt
wird. Vl liefert einen umgekehrten Puls, wie er durch die Kurve 12b angedeutet wird,
zum Verstärker V2. V2 ist nicht vorbelastet und liefert am Auslaß einen umgekehrten
verstärkten Puls im wesentlichen gleicher konstanter Höhe, wie die Kurve 12 c zeigt.
Dieser wird einem Differenzierglied 294 zugeleitet, das aus einem Kondensator 295
und einem Widerstand296 besteht, über den eine Spannung nach Kurve 12d entwickelt
wird, die dem Einlaß des Sägezahngenerators V3 zugeleitet wird, der eine sägezahnartige
Welle gleicher Frequenz wie das synchronisierende Eingangssignal bildet.
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V3 hat einen üblichen Sägezahngeneratorkreis ähnlich dem bei Kippgeräten
für Kathodenstrahloszillatoren und liefert eine Spannung nach Kurve 12e zum Einlaß
des folgenden linearen Verstärkers V4. Der verstärkte umgekehrte Auslaß von V4 entsprechend
Kurve 12J gelangt zu einem üblichen Doppeldiodenbegrenzer V5, der mit +1 2 Volt
vorbelastet ist und ein symmetrisches Abscheiden im Positiven und Negativen vornimmt.
V5 liefert daher eine Spannung entsprechend Kurve 12g zum linearen Verstärker V6,
dessen Auslaß entsprechend Kurve 12 h einem zweiten symmetrischen Doppeldiodenbegrenzer
V7 zur weiteren Wellenformung zugeleitet wird. DerAuslaß von V7 ist eine Rechteckspannung,
wie sie Kurve 12i ausweist, die dem Kraftverstärker V9 über den vorgeschalteten
linearen Spannungsverstärker V8 zugeleitet wird. Im Auslaßkreis des Kraftverstärkers
liegen die Reiaisspulen 66 und 68' der Zerhacker 48 und 48' der F i g. 1, die periodisch
in Übereinstimmung mit der ausgehenden Rechteckwelle gemäß Kurve 12k des Kraftverstärkers
erregt und entregt werden.
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Um eine zweite Rechteckwelle mit zeitlicher Phasenverschiebung von
900 zu der für den Betrieb der Relaisspulen 66' und 68 der Zerhacker 48 und 48'
bestimmten Rechteckwelle 12k zu erhalten, wird der rechteckförmige Auslaß von V
8 über die Zweigleitung 310 einem Integrierglied 312 zugeleitet, das aus einem Widerstand
313 und einem Kondensator 314 besteht und auf die eingehende Rechteckwelle 121 einwirkt,
um eine verlagerte Dreieckwelle entsprechend Kurve 12 m über den Kondensator 314
zu bilden, die dem Einlaß des linearen Verstärkers V 10 zugeleitet wird. Der verstärkte
Auslaß entsprechend Kurve 12n von V 10 wird aufeinanderfolgend durch die kaskadenartig
geschalteten Stufen 1" 11, 1" 12, V13, V14 und V15 unter Bildung von Wellen entsprechend
den Kurven 120 bzw. 12p bzw. 12q bzw.
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12 r bzw. 12s weiter verformt, wobei die sich er-
gebende endgültige
Rechteckwelle 12s 900 phasenverschoben zur Wellel2k des oberen Zweiges ist.
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Im Auslaß des Kraftverstärkers V15 liegen die Relaisspulen 66' und
68' der Zerhackerrelais der Fig. 1.
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Es ist wichtig festzustellen, daß der Vektorzerleger 40 zum Unterschied
gegen einen Phasenschieber die Phasenkenuzeichen der zerlegten Komponenten U cos
0 und U sin nicht beeinfiußt, die die gleiche Phase 6? in Bezug zum festen Punkt
am Werkstück und zum Unwuchtsignal U aufweisen, wie dies F i g. 5 ausweist.
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Die beschriebenen Auswuchteinrichtungen können bei jeder beliebigen
konstanten Drehzahl in weiten Drehzahlbereichen des Antriebsmotors der Auswuchtmaschine
betätigt werden.