DE1262057B

DE1262057B - Device for measuring the degree of non-uniformity of rotary movements

Info

Publication number: DE1262057B
Application number: DE1965SC036876
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Walter Eggert; Dipl-Ing Franz-Josef Klings
Original assignee: Witwe Ferdinand Klingelnberg Soehne GmbH
Current assignee: Klingelnberg GmbH
Priority date: 1965-04-14
Filing date: 1965-04-14
Publication date: 1968-02-29
Also published as: GB1108928A

Description

Einrichtung zur Messung des Ungleichförmigkeitsgrades von Drehbewegungen Die Erfindung bezieht sich auf Ungleichförmigkeitsmesser, die unter Verwendung einer federgefesselten trägen Masse als Bezugssystem beispielsweise bei der Bestimmung von Getriebefehlern von Zahnrädern Verwendung finden. Ein entscheidendes Merkmal für die Güte eines Zahnradgetriebes ist die Gleichförmigkeit, mit der es eine Drehbewegung weiterleitet. Um die Güte von Zahnradgetrieben in dieser Beziehung zu überprüfen, werden insbesondere Einflanken-Wälzfehlermeßgeräte benutzt. Bei diesen Geräten stehen die Zahnräder eines Getriebes genauso wie im späteren Betriebszustand so im Eingriff, daß bei einem vorgegebenen festen Achsabstand jeweils nur eine Flanke, die rechte oder linke, mit der Gegenflanke in Berührung kommt. Es werden dann die Fehler in der Ubertragung der Drehbewegung gemessen. Dies kann z. B. mit Hilfe eines Vergleichsgetriebes, das fehlerfrei ist, geschehen; als solche Vergleichsgetriebe kommen Reibräder in Frage.Device for measuring the degree of irregularity of rotary movements The invention relates to non-uniformity meters which are made using a spring-bound inertial mass as a reference system, for example when determining of transmission errors of gears use. A key feature for the quality of a gear transmission is the uniformity with which it rotates forwards. To check the quality of gear drives in this regard, In particular, single-flank rolling error measuring devices are used. These devices stand the gears of a transmission are in mesh as in the later operating state, that with a given fixed center distance only one flank, the right one or left, comes into contact with the opposite flank. The errors in the transmission of the rotary movement measured. This can e.g. B. with the help of a comparison gear, that is error-free happened; as such comparison gears, friction wheels come in Question.

Jedoch ist es auch bei Reibrädergetrieben schwierig, diese entsprechend den Anforderungen an hohe Genauigkeit vollkommen schlupffrei zu gestalten, und sie arbeiten auch nur bei langsamen Drehbewegungen einwandfrei.However, even with friction gears, it is difficult to do so accordingly to make the requirements for high accuracy completely slip-free, and they only work properly with slow rotary movements.

Deshalb werden für die Einflankenmessung an Zahnradgetrieben in letzter Zeit in zunehmendem Maße Ungleichförmigkeitsgradmesser benutzt. Solche Ungleichförmigkeitsgradmesser dienen dazu, die Gleichmäßigkeit einer Drehbewegung zu bestimmen. Therefore, for the single flank measurement on gear drives in the last Time increasingly used irregularity meter. Such unevenness degree meter serve to determine the evenness of a rotary movement.

Sie bestehen aus einer auf der zu messenden Achse leicht drehbar angeordneten trägen Masse, die gegen die Antriebsachse federgefesselt ist. Bei Änderungen der Winkelgeschwindigkeit der Antriebsachse führt die träge Masse eine Bewegung gegenüber der Antriebsachse aus, die beispielsweise auf elektrischem Wege durch induktive Abnehmer bestimmt und angezeigt wird. Diese Bewegung ist ein Maß für die Winkelbeschleunigung der Antriebsachse gegenüber dem Ungleichförmigkeitsgradmesser. Wird nun ein solcher Ungleichförmigkeitsgradmesser auf die Abtriebsachse eines Getriebes gesetzt und die Antriebsachse gleichförmig angetrieben, so sind die gemessenen Ungleichförmigkeiten identisch mit den Obertragungsfehlern des Getriebes. Da es schwierig ist, eine so gleichförmige Antriebsbewegung zu schaffen, wie es für die Hochgenauigkeitsmessungen bei Getrieben notwendig ist, wird weiter auch auf die Antriebsachse ein Ungleichförmigkeitsgradmesser gesetzt und die Differenz der Ausschläge beider Ungleichförmigkeitsgradmesser angezeigt, dabei werden z. B. unter entsprechender Angleichung der Empfindlichkeit die Geber gegeneinandergeschaltet. Die Differenz ist dann die durch das Getriebe eingebrachte Ungleichförmigkeit und ein Maß für die Fehler des Getriebes.They consist of an axis that can be easily rotated on the axis to be measured inert mass, which is spring-tied against the drive axle. If the The angular speed of the drive axle causes the inertial mass to move in relation to it the drive axle, for example by electrical means by inductive Customer is determined and indicated. This movement is a measure of the angular acceleration of the drive axle compared to the irregularity meter. Now becomes one Ununiformity meter placed on the output axis of a gearbox and the drive axle is driven uniformly, the measured irregularities are identical to the transmission errors of the gearbox. Since it is difficult to do one like that to create uniform drive motion as it is for the high accuracy measurements In the case of gearboxes, a degree of irregularity is also used on the drive axle is set and the difference between the deflections of the two degrees of uniformity is displayed, thereby z. B. with appropriate adjustment of the sensitivity the encoder switched against each other. The difference is then the one brought in by the gearbox Non-uniformity and a measure of the errors in the transmission.

Bei diesen Ungleichförmigkeitsmessern muß nun, da es sich um schwingungsfähige Systeme handelt, nicht nur eine Dämpfung vorhanden sein, welche die Eigenschwingungen unterdrückt, sondern es muß auch dafür gesorgt werden, daß die Eigenschwingung möglichst weit unterhalb der bei der Messung auftretenden Frequenz liegt. Das kann, da die Eigenschwingungszahl gegeben ist durch wo I das Trägheitsmoment und c die Federsteifigkeit der Rückstellkraft ist, durch ein möglichst großes I und ein möglichst kleines c verwirklicht werden. Dem sind aber in der Praxis Grenzen gesetzt. Die notwendige reibungslose Lagerung der trägen Masse kann nämlich in der Praxis nur durch eine federnde Aufhängung erreicht werden. Meist werden hierzu Kreuzfedergelenke benutzt, welche gleichzeitig eine eindeutige Festlegung des Drehpunktes ergeben. Da diese Kreuzfedergelenke die träge Masse tragen, können sie nicht beliebig dünn gehalten werden, und es gibt deshalb eine untere Grenze der Eigenschwingungszahl, die erreicht wird, da jede Vergrößerung der Masse eine entsprechende Verstärkung der Federn und eine Erhöhung der Federsteifigkeit nach sich zieht.With these irregularity meters, since they are vibratory systems, not only must there be damping that suppresses the natural vibrations, but it must also be ensured that the natural vibration is as far below the frequency occurring during the measurement as possible. This can, since the natural frequency is given by where I is the moment of inertia and c is the spring stiffness of the restoring force, can be realized by an I as large as possible and a c as small as possible. However, there are limits to this in practice. The necessary smooth storage of the inertial mass can in practice only be achieved by a resilient suspension. Usually, cross-spring joints are used for this purpose, which at the same time clearly define the pivot point. Since these cross spring joints carry the inertial mass, they cannot be kept as thin as desired, and there is therefore a lower limit to the natural frequency that is reached, since every increase in mass results in a corresponding reinforcement of the springs and an increase in the spring stiffness.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung beseitigt. Diese geht von einer Einrichtung zur Messung der Ungleichförmigkeit von Drehbewegungen aus, die mit einer federgefesselten drehbar gelagerten trägen Masse und einem induktiven Wegaufnehmer für die Relativdrehung zwischen Masse und Gehäuse versehen ist. Sie besteht darin, daß eine vom verstärkten Signal des Wegaufnehmers gesteuerte, an sich bekannte elektromagnetische Rückführung im Sinn einer Gegenkopplung auf die träge Masse einwirkt. These disadvantages are eliminated by the invention. This goes of a device for measurement the irregularity of rotational movements consisting of a spring-loaded rotatable inertial mass and an inductive one Displacement transducer is provided for the relative rotation between mass and housing. she is that one controlled by the amplified signal of the displacement transducer known electromagnetic feedback in the sense of a negative feedback to the inert mass acts.

Durch eine derartige elektrodynamische Rückführung wird zusätzlich eine »elektrische Federkraft« erzeugt, die der mechanischen Federkraft der Lagerung der trägen Masse entgegengerichtet ist. Dadurch wird die Aufhängung der trägen Masse im ganzen weicher, und man erreicht eine weitere Absenkung der Eigenfrequenz des Ungleichförmigkeitsgradmessers. Ein weiterer Vorteil ist, daß die elektrodynamische Rückführung gleichzeitig auch die Aufgabe eines Dämp fungsgliedes übernimmt.Such an electrodynamic feedback is additionally an "electrical spring force" generates that of the mechanical spring force of the bearing the inertial mass is opposite. This creates the suspension of the inertial mass generally softer, and one achieves a further lowering of the natural frequency of the Non-uniformity meter. Another advantage is that the electrodynamic Feedback at the same time also takes on the task of a damping element.

Bei Verwendung eines Kreuzfedergelenkes als Aufhängung für die träge Masse ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführung hinsichtlich der Linearität des Ungleichförmigkeitsgradmessers dann, wenn zur Erzeugung einer nichtlinearen, in erster Linie kubischen Funktion der Ungleichförmigkeitsschwankungen zwischen träger Masse und dem Gehäuse des Ungleichförmigkeitsgradmessers die von dem elektrischen Wegaufnehmer in eine proportionale Spannung umgewandelten Ungleichförmigkeitsbewegnngen außerdem über ein nichtlineares Glied auf das elektromagnetische System einwirken. When using a cross spring joint as a suspension for the sluggish Mass results in a particularly advantageous embodiment in terms of linearity of the degree of irregularity meter, if to generate a non-linear, primarily cubic function of the irregularity fluctuations between inertial mass and the housing of the irregularity meter, those of the electrical Displacement transducers converted into a proportional voltage also act on the electromagnetic system via a non-linear element.

An Hand der A b b. 1 wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert: Das Gehäuse des Ungleichförmigkeitsgradmessers ist in der Zeichnung durch den Doppelring 10 angedeutet. Während der- Messung ist dieses Gehäuse 10 fest mit dem zu messenden Objekt, üblicherweise einem Zahnrad, einer Frässpindel od. ä. verbunden. Using the A b b. 1 is an embodiment of the Invention explained in more detail: The housing of the degree of irregularity meter is in indicated in the drawing by the double ring 10. This is during the measurement Housing 10 fixed to the object to be measured, usually a gear, a Milling spindle or the like connected.

Die als Bezugssystem dienende träge Masse 1 ist dabei über ein Kreuzfedergelenk 5 reibungsfrei mit dem Gehäuse 10 verbunden. Die Ungleichförmigkeitsbewegungen zwischen der trägen Masse 1 und dem Gehäuse 10 werden von dem beispielsweise induktiven Wegaufnehmer 6 aufgenommen und in eine proportionale elektrische Spannung umgewandelt.The inertial mass 1 serving as a reference system is in this case via a cross-spring joint 5 connected to the housing 10 without friction. The irregularity movements between the inertial mass 1 and the housing 10 are of the inductive displacement transducer, for example 6 and converted into a proportional electrical voltage.

Die Spannung gelangt über ein RC4lied 7 auf einen Verstärker 8 und erregt schließlich die mit der trägen Masse 1 verbundene Tauchspule 3 des Tauchspulsystems 4, dessen als Topfmagnet ausgebildeten Permanentmagnet 2 fest mit dem Gehäuse 10 des Ungleichförmigkeitsgradmessers verbunden ist. Die Wirkung des RC-Gliedes wird hier zunächst außer acht gelassen und nur der von ihm abgegebene proportionale Anteil berücksichtigt. Es wird dann eine elektrodynamische, -der Federkraft des Kreuzfedergelenkes 5 entgegengerichtete und wie diese winkelproportionale Kraft erzeugt, die auf die träge Masse einwirken. Die dabei als Differenz aus der mechanischen und der sogenannten »elektrischen Federkraft« resultierende Federkraft beträgt bei geeigneter Einstellung des Regelkreises nur einen Bruchteil der ursprünglichen Federkraft des Kreuzfedergelenkes. Für radiale Bewegungsgrößen wirken sich diese Federkräfte als auf die Achse bezogenes DrehmomentMd aus. Wird dieses Drehmoment dann auf den Verdrehwinkel , den die träge Masse- ausführen kann, bezogen, ergibt sich die entsprechende Federsteifigkeit, die entweder aus dem elektrodynamischen Rückführkreis resultiert oder auf den mechanischen Rückstellkräften des Kreuzfedergelenkes beruht. A b b. 2 verdeutlicht die Zusammenhänge zwischen mechanischen und »elektrischen Federkräften«. Die obere bis zum Winkel 5vo linear ansteigende Federkennlinie I zeigt die Federsteifigkeit cmeeh des Kreuzfedergelenkes allein. Darunter ist die negative, auf der elektrodynamischen Rückführung beruhende, elektrische Federkennlinie II aufgetragen. Durch die Addition der beiden Kennlinien I, II ergibt sich die in Ab b. 2 gezeichnete resultierende Kennlinie III, die sehr viel flacher verläuft, also eine wesentlich kleinere Federsteifigkeit aufweist. Infolgedessen nimmt auch die Eigenfrequenz jetzt wesentlich niedrigere Werte an.The voltage reaches an amplifier 8 and via an RC element 7 finally excites the moving coil 3 of the moving coil system connected to the inertial mass 1 4, whose permanent magnet 2, designed as a pot magnet, is fixed to the housing 10 of the irregularity meter. The effect of the RC element is initially disregarded here and only the proportional share given by him considered. There is then an electrodynamic spring force of the universal spring joint 5 oppositely directed and how this generates angularly proportional force acting on the act inert mass. The difference between the mechanical and the so-called "Electrical spring force" is the resulting spring force with a suitable setting of the control loop only a fraction of the original spring force of the universal spring joint. For radial movement quantities, these spring forces act as related to the axis TorqueMd off. If this torque is then applied to the angle of rotation that the sluggish Can perform mass, related, results in the corresponding spring stiffness, which results either from the electrodynamic feedback loop or from the mechanical one Restoring forces of the Cross spring joint is based. A b b. 2 clarifies the relationships between mechanical and "electrical spring forces". The top up to the angle 5vo linearly increasing spring characteristic curve I shows the spring stiffness cmeeh of the universal spring joint alone. Below is the negative, based on electrodynamic feedback, electrical spring characteristic II plotted. By adding the two characteristics I, II results in the in Fig. B. 2 plotted resulting characteristic curve III, the very runs much flatter, so has a much lower spring stiffness. As a result, the natural frequency now also assumes much lower values.

Xb. 3 zeigt die durch den Einbau eines elektrodynamischen Regelkreises in den Ungleichförmigkeitsgradmesser erzielte Wirkung. Die Eigenfrequenz ist auf etwa ein Zehntel ihres ursprünglichen Wertes herabgesetzt, wodurch der Meßbereich entsprechend vergrößert wird. Die durchgezogene Linie zeigt den Frequenzgang eines Ungleichförmigkeitsgradmessers mit elektrodynamischer Rückführung; gestrichelt ist der Frequenzgang eines Gerätes ohne Rückführung gezeichnet. Xb. 3 shows the result of the installation of an electrodynamic control loop effect achieved in the unevenness degree meter. The natural frequency is on about a tenth of its original value reduced, thereby reducing the measuring range is enlarged accordingly. The solid line shows the frequency response of a Non-uniformity meter with electrodynamic feedback; is dashed the frequency response of a device is drawn without feedback.

Gleichzeitig kann durch den Rückführkreis ein weiterer Vorteil gewonnen werden. Normalerweise verwendet man als Dämpfungsglied bei Ungleichförmigkeitsgradmessern Anordnungen, die nach dem Prinzip der Wirbelstromdämpfung arbeiten. Dabei ist die auf der Wirbelstromdämpfung beruhende Wirkungskraft der Geschwindigkeit proportional und gegenüber der ursprünglich in Bewegungsrichtung wirkenden Kraft negativ und um 900 phasenverschoben. Da es in einem elektrischen Kreis relativ einfach ist, mit Hilfe eines RC-Gliedes zu einer Größe eine zweite, die Ableitung des Ausschlages darstellende, um 900 phasenverschobene Größe zu bilden, ist es möglich, eine solche Dämpfungskraft mit Hilfe des eingebauten Rückführkreises zu erzeugen und auf ein Wirbelstromdämpfungssystem zu verzichten. At the same time, another advantage can be gained through the feedback loop will. Usually used as an attenuator in non-uniformity meters Arrangements that work on the principle of eddy current damping. Here is the action force based on the eddy current damping proportional to the speed and with respect to the force originally acting in the direction of movement, negative and out of phase by 900. Since it is relatively easy in an electrical circuit, With the help of an RC element, a second variable, the derivation of the deflection, becomes a variable representative, in order to form 900 phase-shifted quantity, it is possible to use such a Generate damping force with the help of the built-in feedback circuit and on a To dispense with eddy current damping system.

Ausgangspunkt für die durch das Tauchspulsystem auf die träge Masse ausgeübte Dämpfungskraft sind wiederum die durch den induktiven Wegaufnehmer gemessenen und als proportionale Spannung zur Verfügung stehenden Ungleichförmigkeitsbewegungen.Starting point for the moving coil system on the inertial mass The damping force exerted is in turn the one measured by the inductive displacement transducer and irregular movements available as proportional voltage.

Das zwischen dem induktiven Wegaufnehmer und dem Verstärker liegende RC-Glied 7 stellt neben dem proportionalen Anteil zur Erzeugung der »elektrischen Federkraft« einen Anteil, der zur Erzeugung der erforderlichen Dämpfungskraft dient, und der gegenüber der ursprünglichen Größe eine 900-Phasenverschiebung aufweist. Dabei ist das RC-Glied so ausgelegt, daß auf ein zusätzliches Wirbelstrom-Dämpfungssystem ganz verzichtet werden kann und die Dämpfung allein durch eine entsprechende elektrodynamische Kraft in der Rückführung erzeugt wird.The one between the inductive displacement transducer and the amplifier RC element 7 provides, in addition to the proportional share for the generation of the »electrical Spring force «a portion that is used to generate the required damping force, and which has a 900 phase shift compared to the original size. The RC element is designed in such a way that an additional eddy current damping system is used can be completely dispensed with and the damping solely through a corresponding electrodynamic Force is generated in the feedback.

Ungleichförmigkeitsgradmesser mit Kreuzfedergelenk als Lagerung für die träge Masse haben noch Linearitätsfehler, die darauf beruhen, daß für große Ungleichförmigkeitsschwankungen von dem Kreuzfedergelenk kein proportionales Rückstellmoment Md mehr zur Verfügung gestellt werden kann, d. h., daß die Kennlinie der mechanischen Federsteifigkeit oberhalb eines bestimmten Winkels (Po einen Knick hat und sich abzuflachen beginnt (s. dazu A b b. 2, Kennlinie I). Durch die Anwendung einer elektrodynamischen Rückführung ist es jedoch möglich, diesen Fehler zu eliminieren und dem Ungleichförmigkeitsgradmesser innerhalb seines Meßbereiches ein auch hinsichtlich der zu messenden Amplituden streng proportionales Verhalten zu geben. Zur Erklärung wird von A b b. 2 ausgegangen. Die letztlich zur Verfügung stehende resultierende Federsteifigkeit Cresult ist bei einem Gerät nach der vorliegenden Anordnung die Differenz der mechanischen Federsteifigkeit cmeeh des Kreuzfedergelenkes und der »elektrischen Federsteifigkeit« cel, die aus dem Verhalten der Rückführung resultiert und der natürlich ein beliebig linearer Verlauf gegeben werden kann. Durch die Differenzbildung gehen jedoch Linearitätsfehler des mechanischen Teils in ihrer absoluten Größe voll in die resultierende Federsteifigkeit ein, wodurch der gesamte Kreis instabil werden kann. (In A b b. 2 ist diese Möglichkeit durch den gestrichelten Verlauf der Kennlinie der resultierenden Federsteifigkeit angedeutet.) Aus diesen wie auch aus allgemeinen Linearitätsgründen ist es wichtig, der resultierenden Federsteifigkeit einen praktisch linearen Verlauf zu geben. Das kann dadurch erreicht werden, daß man der »elektrischen Federkennlinie« denselben nichtlinearen Verlauf gibt, wie ihn die mechanische Federkennlinie aufweist. Non-uniformity meter with a cross-spring joint as a bearing for the inert mass still have linearity errors based on the fact that for large Non-uniformity fluctuations from the universal spring joint do not have a proportional restoring torque Md more can be made available, d. that is, the characteristic of the mechanical Spring stiffness above a certain angle (butt has a kink and is begins to flatten out (see A b b. 2, characteristic curve I). By applying an electrodynamic However, it is possible to use feedback to eliminate this error and the nonuniformity meter within its measuring range, too regarding the to be measured To give amplitudes strictly proportional behavior. For explanation, A b b. 2 assumed. The resulting spring stiffness that is ultimately available In a device according to the present arrangement, Cresult is the difference in the mechanical Spring stiffness cmeeh of the cross-spring joint and the "electrical spring stiffness" cel, which results from the behavior of the feedback and which of course is arbitrary linear course can be given. However, linearity errors go through the formation of the difference of the mechanical part in their absolute size fully into the resulting spring stiffness which can make the whole circle unstable. (In A b b. 2 this possibility is by the dashed course of the characteristic curve of the resulting spring stiffness For these reasons, as well as for general reasons of linearity, it is important to to give the resulting spring stiffness a practically linear course. That can be achieved by using the same "electrical spring characteristic" there is a non-linear course, as it has the mechanical spring characteristic.

Dadurch bekommt die resultierende Federkennlinie als Differenz der mechanischen und der elektrischen Federkennlinie einen linearen Verlauf. Erreicht wird das im praktischen Ausführungsbeispiel dadurch, daß von den Ungleichförmigkeitsschwankungen mittels eines nichtlinearen Gliedes 9 eine in erster Linie kubische Funktion gebildet wird, die neben den anderen Regelgrößen außerdem noch über den Verstärker 8 auf die Spule 3 des Tauchspulsystems wirkt.This gives the resulting spring characteristic as the difference of the mechanical and electrical spring characteristics have a linear course. Achieved in the practical embodiment, this is achieved by the fluctuations in the irregularity a primarily cubic function is formed by means of a non-linear element 9 which, in addition to the other controlled variables, also via the amplifier 8 the coil 3 of the plunger coil system acts.

Claims

Claims: 1. Device for measuring the degree of irregularity of rotary movements with a spring-loaded rotatable inertial mass and an inductive displacement transducer for the relative rotation between mass and housing, characterized in that one controlled by the amplified signal of the displacement transducer (6), known electromagnetic feedback (4) in the sense of a negative feedback acts on the inert mass (1).

2. Device according to claim 1 using the electrodynamic Feedback for damping, characterized in that an RC element (7) is provided is via which the electrical signal generated by the electrical displacement transducer (6) is guided by the amplification before it is applied to the electromagnetic system (4) acts.

3. Device according to claim 1 with a universal spring joint as a bearing the inertial mass, characterized in that the electrical displacement transducer (6) irregular movements converted into a proportional voltage act on the electromagnetic system (4) via a non-linear element (9).

Printed publications considered: U.S. Patents No. 2 942,476, 3,164,998; "Industrie-Anzeiger" magazine, Essen, No. 72 from September 6, 1963, Pp. 25 to 32.