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Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Kompensation des nicht
von der Rotorunwucht herrührenden Meßgrößenanteils Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur elektrischen Kompensation des nicht von der Rotorunwucht
herrührenden Meßgrößenanteils, bei dem in einem ersten Meßlauf ein erster Gesamtunwuchtmeßwert
ermittelt, kompensiert und dadurch gespeichert wird.
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Bei einem bekannten Verfahren wird der nicht von der Rotorunwucht
herrührende Meßgrößenanteil bei Auswuchtmaschinen elektrisch kompensiert, wo bei
zwei Meßläufe mit einem »Umschlagen« des Rotors um 1800 durchgeführt werden. Der
Meßwert der Gesamtunwucht des ersten Meßlaufs, der aus dem eigentlichen Unwuchtvektor
und der nicht von dem Motor herrührenden Unwucht besteht, wird elektrisch gespeichert.
Im zweiten Meßlauf wird der Rotor um 1800 versetzt aufgespannt, und der dabei entstehende
Meßwert wird mit dem des ersten Laufes überlagert. Bei dieser Überlagerung heben
sich die durch die Auswuchtmaschine, beispielsweise durch eine Exzentrizität, erzeugten
Spannungen auf, und der angezeigte Meßwert entspricht dem doppelten Betrag der Rotorunwucht.
Letzterer wird sodann unter Beachtung der Winkellage auf den halben Wert reduziert,
was einer Kompensierung der nicht von der Rotorunwucht herrührenden Unwuchten der
Auswuchtmaschine entspricht.
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Bei diesem bekannten Verfahren wird somit der von der Auswuchtmaschine
herrührende Unwuchtteil dadurch kompensiert, daß der Meßwert des zweiten Laufes
nach Überlagerung mit dem des ersten Laufes unter Beachtung des Winkels auf den
halben Wert reduziert wird, wodurch der Unwuchtwert allein der Rotorunwucht erhalten
wird. Nachteilig ist hierbei vor allem die Tatsache, daß der störende Einfluß der
Unwuchten der Auswuchtmaschine nicht direkt, sondern nur indirekt ermittelt wird.
Es ist nämlich erforderlich, daß der nach dem zweiten Meßlauf vorliegende Meßwert,
der dem doppelten Betrag der Rotorunwucht entspricht, abgelesen und sodann z. B.
mit Hilfe von Potentiometern unter Beibehaltung der Winkellage auf die Hälfte reduziert
wird.
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Diese Arbeitsweise ist nicht sehr zweckmäßig, da hierbei verschiedene
Fehler auftreten. So ist z. B. das Ablesen des der doppelten Rotorunwucht entsprechenden
Meßwertes mit einem Meßfehler behaftet. Das gleiche gilt für das Ablesen der Winkellage
sowie für das nachträglich erfolgende Einstellen des halben Wertes unter Beibehaltung
des ursprünglichen Winkels.
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Ein weiterer Nachteil, der sehr gravierend sein und in manchen Fällen
die Durchführung einer Kompensation mit ausreichender Genauigkeit überhaupt in
Frage
stellen kann, ist darauf zurückzuführen, daß die Rotorunwucht oft wesentlich größer
ist als der von der Auswuchtmaschine herrührende Unwuchtanteil. Die Halbierung dieses
dem doppelten Betrag der Rotorunwucht entsprechenden und somit großen Meßwertes
ist jedoch, wie schon erwänht, mit einem gewissen Fehler behaftet, der etwa in der
Größenordnung des kleinen, von der Auswuchtmaschine herrührenden Unwuchtwertes liegt.
Die gewünschte Kompensation dieses störenden Meßanteiles kann somit nicht mehr durchgeführt
werden, da er die gleiche Größenordnung wie der Halbierungsfehler aufweist.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es nun Aufgabe
der Erfindung, den vorgenannten Nachteil abzuhelfen und ein verbessertes elektrisches
Kompensationsverfahren in Vorschlag zu bringen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in einem zweiten Meßlauf, bei dem der Rotor in an sich bekannter
Weise um 1800 verdreht ist, ein zweiter Gesamtunwuchtmeßwert, jedoch mit um 1800
phasenversetzter Meßeinrichtung ermittelt wird und daß der zweite Gesamtunwuchtmeßwert
mit dem gespeicherten Wert des ersten Meßlaufes in an sich bekannter Weise überlagert,
halbiert, gespeichert und bei nachfolgenden serienmäßigen Wuchtläufen den Meßwerten
beigemischt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit den großen Vorteil auf,
daß die Kompensation im Gegensatz zu dem eingangs genannten Verfahren nicht indirekt,
sondern direkt erfolgt, indem die Gesamtunwuchtmessung des ersten Meßlaufes im Vergleich
zur Gesamtunwuchtmessung des zweiten Meßlaufes
um 1800 phasenversetzt
erfolgt. Auf Grund dieser Phasenverschiebung von 1800 erhält man bei dem erfmdungsgemäßen
Verfahren nicht den doppelten Betrag der Rotorunwucht wie bei dem eingangs genannten,
bekannten Verfahren, sondern den doppelten Betrag des von der Auswuchtmaschine herrührenden
Unwuchtanteiles. Der störende Meßanteil wird somit direkt ermittelt und nicht indirekt
durch Rückschluß aus einer Halbierung des doppelten Betrages der Rotorunwucht Es
wird deshalb mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kompensation erreicht,
die wesentlich genauer ist als die nach dem vorbekannten, eingangs genannten Verfahren.
Durch die Beimischung des Meßwertes, der dem doppelten Betrag des von der Auswuchtmaschine
herrührenden Unwuchtwertes entspricht, ist es dann in sehr einfacher Weise möglich,
eine Vielzahl von Rotoren des gleichen Typs sehr genau auszuwuchten, denn jeder
der Meßwerte der einzelnen Wuchtläufe beim serienmäßigen Auswuchten wird um den
vorgenannten von Umwuchten der Auswuchtmaschine herrührenden Unwuchtwert korrigiert.
Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren wird somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
beim serienmäßigen Auswuchten von gleichartigen Rotoren die nicht vom Rotor herrührende
Unwucht nur einmal festgestellt und gespeichert.
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Die Meßwerte können in Form von Kondensatorladungen oder Potentiometerschleiferstellungen
gespeichert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform einer besonders vorteilhaften Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen
Dreifachschalter mit drei Schaltstellungen a, b und c, dem von Schwingungsaufliehmern
durch die Gesamtunwucht erzeugte Wechselspannungen zugeleitet werden, wobei in der
Schalterstellung a die Schwingungsaufnehmer so gepolt sind, daß die Unwuchtanzeige
mit um 1800 gedrehter Phase erfolgt und durch Potentiometer der erste, in einemAnzeigegerät
zur Anzeige gebrachte Gesamtunwuchtmeßwert kompensiert werden kann, ferner in der
Schalterstellung b die Schwingungsaufnehmer gegenüber der Schalterstellung a umgepolt
sind und durch weitere Potentiometer der zweite mit dem ersten Gesamtunwuchtmeßwert
überlagerte Gesamtunwuchtmeßwert kompensierbar ist und weiterhin in der dritten
Schalterstellung c dem Anzeigegerät eine Spannung zugeleitet wird, die gleich der
Hälfte der durch die letztgenannten Potentiometer kompensierten Spannung ist. Es
ist zweckmäßig, Kondensatoren vorzuziehen, durch die die während des ersten und
zweiten Meßlaufes entstehenden Gesamtunwuchtmeßwerte gespeichert werden können.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen
in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsformen die an Hand der Zeichnungen beschrieben
sind, ersichtlich. Es zeigt F i g. 1 eine vektorielle Darstellung der Unwuchten
im ersten Einrichtungslauf, F i g. 2 eine vektorielle Darstellung der Unwuchten
im zweiten Einrichtungslauf, F i g. 3 eine erste bevorzugte Ausführungsform einer
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fang. 4 eine zweite
bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In Fig. 1 sind die verschiedenen Unwuchten des ersten Einrichtungslaufes
mit willkürlich angenommenen Größen- und Winkellagen graphisch dargestellt.
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Es bedeutet Z den vektoriellen Bezugspunkt, d. h. das Zentrum der
Maschinendrehachse. Ein erster Vektor lIM stellt die Unwucht sämtlicher drehender
Maschinenteile einschließlich der Rotoraufnahme dar An den Vektor UM schließt sich
eine Unwucht die sich daraus ergibt, daß die Rotormasse mR in Folge unvollkommen
er Zentrierung mit einem vektoriellen Versatz' um die Drehachse Z umläuft. Es ist
also ## = # #mR.
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Beide Unwuchten, #M und ##, bilden zusammen den störenden Meßgrößenanteil
21F UM uM Ue.
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Zu dieser Unwucht addiert sich die eigentliche Unwucht UR des Rotors.
Der Summenvektor U=UF+UR (1) wird vom Meßteil der Auswuchtmaschine verarbeitet und
angezeigt oder zur Steuerung einer Bearbeitungseinrichtung verwendet.
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Das - noch durch UF gestörte - Meßresultat VE2 wird erfindungsgemäß
gespeichert. Verfahren zur elektrischen Speicherung vektorieller Meßgrößen sind
an sich bekannt. So kann man beispielsweise durch Hinzublenden von in Größe und
Phase regelbaren Hilfswechselspannungen, die aus einem synchron mit der Maschinenwelle
umlaufenden Generator bezogen werden, zum Meßresultat 1t2 dieses zur Anzeige Null
abbauen. Die hierzu erforderliche Hilfswechselspannung stellt - mit entgegengesetzter
Phase -ein speicherbares Äquivalent zum Meßresultat 2 dar. Eine weitere Möglichkeit
einer automatischen Meßwertspeicherung erlaubt die Lehre des deutschen Patents 1
108475. Danach werden aus der Wechselspannung U Gleichspannungen abgeleitet, welche
den Komponenten von U in zwei vorzugsweise senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen
entsprechen und diese Gleichspanungen mittels Kondensatoren gespeichert.
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Vor Beginn des zweiten Einrichtungslaufes wird der Rotor erfindungsgemäß
um vorzugsweise 1800 in seiner Aufnahme gedreht. Im daran anschließenden Einrichtungslauf
wirken die meßgrößenbildenden Unwuchten dann gemäß F i g. 2 zusammen.
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Während der störende Meßgrößenanteilgenauer die entsprechende Unwucht
UF - seine Lage beibehält, erscheint die Unwucht des Rotors mit um 1800 versetzter
Wirkungsrichtung, d. h. als neuer Vektor UR. Die neue Anzeige ##* = #F - #R (2)
ist im allgemeinen von der im ersten Einrichtlauf ermittelten Anzeige ## verschieden.
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Durch Bildung der halben vektoriellen Summe jeweils der beiden Seiten
der Gleichungen (1) und (2) erhält man die Formel -- 2 welche das Rezept zur elektrischen
Herstellung eines speicherbaren Meßgrößenäquivalents für den störenden Meßgrößenanteil
UF angibt. Verfahrensgemäß
hat man also - je nach dem im ersten
Lauf benutzten Speicherverfahren - durch an sich bekannte elektrische Addition die
halbe Summe der Wechselspannungen hE und T U* bzw. der entsprechenden Komponentengleichspannungen
durchzuführen. In späteren Meßläufen wird die gemäß Formel (3) gespeicherte elektrische
Größe mit umgekehrten Vorzeichen zur additiven Einwirkung auf die neu anfallenden
Meßwerte gebracht. In klar ersichtlicher Weise wird dadurch eine zuverlässige und
genaue Sörbefreiung erwirkt.
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F i g. 3 zeigt eine erste bevorzugte Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung.
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Ein Antriebsmotor 1 treibt über eine Gelenkwelle 2 die Wuchtspindel
3 an. Diese stützt sich über die Lagerung 4 gegen das Maschinengehäuse ab. Durch
bekannte, in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel ist für Schwingfähigkeit in
Richtung quer zur Spindel 3 gesorgt. Die Wuchtspindel 3 ist am oberen Ende mit der
Aufnahmeeinrichtung 5 versehen. Infolge der Fertigungstoleranz e zentriert diese
den Rotor 6 um das gleiche vektorielle Maß exzentrisch. Die angedeuteten schweren
Stellen 7 und 8 sollen die Maschinenunwucht UM und die Rotorunwucht UR versinnbildlichen.
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Die zufolge aller Unwuchten auftretenden Lagerschwingungen werden
dem Schwingungsaufnehmer 9 mechanisch zugeleitet und von diesem in bekannter Weise
in äquivalente Wechselspannungen umgewandelt.
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Es versteht sich von selbst, daß das erfindungsgemäß Verfahren nicht
nur auf frei schwingendeAuswuchtmaschinen mit bewegungsmessenden Schwingungsaufnehmern
beschränkt ist. Es kann ebenso gut bei Auswuchtmaschinen mit starrer Lagerung und
kraftmessenden Wandlern, etwa auf piezoelektrischer Meßgrundlage, angewandt werden.
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Die anfallenden Wechselspannungen werden einer Schalteinrichtung
10 mit drei Stellungen a, b, c zugeleitet. Im erste Einrichtlauf befinden sich die
Schaltarme des Schalters 10 in der Stellung a. Aus der Figur ist zu entnehmen, daß
das linke Ende der die Wechselspannung erzeugenden Spule 11 an Masse zu liegen kommt,
während das rechte Ende zu den Meßgeräten 12 führt. Es möge angenommen werden, daß
- beispielsweise durch entsprechende Polung der Spule 11, der in der Zeichnung nicht
dargestellten Winkelbezugseinrichtung - die Unwuchtanzeige mit 1800 versetzter Phase
erfolgt.
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Aus einer winkeltreu mit der Wuchtspindel 3 umlaufenden, an sich
bekannten Hilfseinrichtung, beispielsweise aus Permanentmagnet 13 und stationärer
Spule 14 bestehend, werden im Takte der Drehzahl schwankende elektrische Bezugssiguale
gewonnen, die über eine weitere Einrichtung 15 derart umgewandelt werden, daß an
den Ausgängen 16 und 17 der Einrichtung 15 zwei gegenseitig um 900 versetzte m7echselspannungen
mit der Frequenz der Wuchtspindel 3 zur Verfügung stehen. Diese Wechselspannungen
können durchaus einen nicht sinusförmigen Zeitverlauf (etwa rechteck-, dreieck-
oder sägezahnförmig) besitzen. Einrichtungen 15 sind bekannt, z. B. durch das deutsche
Patent 1 103 637.
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Mittels zweier Transistoren 18 und 19 werden an den Punkten 20, 21
bzw. 22, 23 jeweils zwei gleich große, jedoch gegeneinander um 1800 phasenversetzte
Wechselspannungen gebildet. An Stelle der Transistoren können auch andere Hilfsmittel,
z. B.
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Röhren oder Transformatoren, Verwendung finden.
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Über genügend große Kondensatoren 24 werden die Wechselspannungen
den Enden der Potentiometer 25, 26 und 27 und 28 zugeleitet. Diese Potentiometer
sind zweckmäßigerweise mit ihrer elektrischen Mitte an Masse gelegt. Je ein Paar
Potentiometer 25, 26 bzw. 27, 28 bildet zusammen mit zwei gleich großen Misch- bzw.
Addierwiderständen 29 bzw. 30 eine Einheit zur Erzeugung von Kompensationswechselspannungen
beliebiger Größe und Phase an den Punkten 31 bzw. 32.
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In Stellung a des Schalters 10 gelangt eine erste, an den Potentiometern
25 und 26 einzustellende Kompensationsspannung von Punkt 31 über den Widerstand
33 auf die zu den Meßgeräten 12 führende Leitung 34. Die Kompensationsspannung wird
so eingestellt, daß an den Meßgeräten 12 keine Größenanzeige mehr erfolgt. Dies
ist ein Zeichen dafür, daß die das Meßresultat zum Verschwinden bringende Kompensationsspannung
in ihrer Wirkung auf die Anzeige einer fiktiven Unwucht der vektoriellen Größe Ur
entspricht.
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Nach Abschalten des Motors 1 wird der Rotor 6 in der Aufnahme 5 um
1800 umgeschlagen. Gleichzeitig wird Schalter 10 in Stellung b gebracht. Infolge
der geänderten Schalterstellung vertauschen sich die Anschlüsse des Schwingungsaufnehmers
9, so daß nun die Unwucht phasenrichtig angezeigt wird.
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Gleichzeitig gelangt eine weitere, mittels der Potentiometer 27 und
28 einstellbare Kompensationsspannung über den Widerstand 35 auf die Leitung 34.
Solange die Schleifer der Potentiometer 27 und 28 auf Mittelstellung sind, also
keine Wechselspannungen abgreifen, entspricht die sich hierbei ergebende Anzeige
lediglich dem Doppelten des Unwuchtvektors UF. Falls erwünscht, kann dieser Vektor
abgelesen und notiert werden. In der weiteren Ausübung des Verfahrens werden die
Schleifer der Potentiometer 27 und 28 jedoch so verstellt, daß abermals die Anzeige
Null entsteht. Durch diesen Verfahrensschritt wird die Wechselspannungsgröße - 2
UF in die Potentiometer 28 und 27 übernommen, wodurch sie für spätere Messung reproduzierbar
gemacht werden.
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Noch im selben Lauf kann nun durch Umlegen des Schalters 10 in seine
letzte Stellung e eine fehlerfreie Anzeige der Unwucht UR des Rotors 6 bewirkt werden.
In dieser Schalterstellung gelangt das fehlerbehaftete Unwuchtsignal phasenrichtig
auf die Meßgeräte 12, während die erste der beiden Kompensationsspannungen außer
Eingriff gebracht wird und ferner die zweite Kompensationswechselspannung mittels
des nun eingeschalteten, zusätzlichen Widerstandes 36 so geschwächt wird, daß sie
nur mit der Hälfte ihres Wertes auf das Meßresultat einwirkt.
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In den anschließenden Auswuchtläufen, in denen gleichartige Wuchtrotoren
6 unter Verwendung derselben Aufnahme 5 zur Vermessung gelangen, d. h. in der Serienwuchtung,
verbleibt Schalter 10 in Stellung c. Hierdurch wird gewährleistet, daß die in den
Potentiometern27, 28 gespeicherte Kompensationswechselspannung -2 UF - durch den
Widerstand 36 um die Hälfte reduziert - stets in die anfallenden Unwuchtmeßresultate
eingeht und diese von dem Meßgrößenfehler + UF befreit.
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Eine zweckmäßige weitere Maßnahme kann darin bestehen, die Potentiometer
27 und 28 mit einer Einrichtung zur Ablesung der Schleiferstellung zu versehen.
Die
Skalierung kann direkt in Unwuchteinheiten, z. B. cmgr erfolgen, es kann jedoch
ebensogut eine Bezifferung mit einer neutralen Zahlenreihe vorgenommen werden.
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Eine andere Au sftlhrungs art einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt F i g. 4.
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In dieser Figur sind die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 3 verwendet.
In einem ersten Einrichtlauf bei Stellung a des Schalters 10 gelangt die Meßwertsumme
UF+UR an den Eingang 37 des Meßwertumformers 38. Dieser erhält von den Klemmen 16
und 17 der Einrichtung 15 zwei gegenseitig um 900 versetzte Steuerwechselspannungen
und liefert im Sinne des deutschen Patents 1 108475 an seinen Ausgangsklemmen 39,
40 zwei speicherbare Gleichspannungswerte, deren Größe in bekannter Weise zwei aufeinander
senkrecht stehenden Unwuchtkomponenten entsprechen. Es ist ein Schalter 41 vorgesehen,
der von Hand oder durch Programmsteuerung betätigt werden kann. In geöffnetem Zustand
verhindert er das Abiließen der auf den Kondensatoren 42, 43 angesammelten Ladungen.
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Während des ersten Einrichtlaufes gelangen die der Unwucht UF+UR
entsprechenden Komponentenspannungen bzw. -ladungen über die im rechten Teil der
Fig. 4 befindlichen Schaltstrecken a des Schalters 10 auf die Kondensatoren 42.
Zwei Kathodenstufen 44, 45 leiten die Spannungswerte über Leitungen 46, 47 der Anzeigeeinrichtung
12 zu. Die Kathodenstufen können mittels Potentiometer 48, 49 auf Null justiert
werden. Die Anzeigeeinrichtung 12 kann in einfachster Weise aus zwei Gleichspannungsinstrumenten
bestehen, die in diesem Falle die Unwuchtkomponenten anzeigen. Es kann jedoch auch
eine Rückverwandlung der Komponentenspannungen in eine Wechselspannung frei wählbarer
Frequenz erfolgen, so daß die Möglichkeit einer getrennten Anzeige nach Größe und
Phasenlage der Unwucht geschaffen wird. Die diesbezüglichen Dinge snd jedoch nicht
Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Sie sind ausführlich im deutschen Patent
1 108475 beschrieben.
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Vor Beginn des zweiten Einrichtlaufes wird der Rotor 6 um 1800 umgeschlagen,
und es wird Schalter 10 in die Stellung b gebracht. Durch das Umlegen des Schalters
10 werden im zweiten Einrichtungslauf - wenn sich Schalter 41 schließt - die Kondensatoren
43 an die Ausgangsklemmen 39 und 40 des Meßwertumformers 38 gelegt. Die Kondensatoren
42, die zuvor mit ihren unteren Belägen mit Masse verbunden waren, bleiben in Schalterstellung
b infolge der stockwerkartigen Serienschaltung voll wirksam. Ihre aus dem ersten
Einrichtlauf stammenden gespeicherten Spannungen addieren sich zu den im zweiten
Einrichtlauf entstehenden Spannungen der Kondensatoren 43. Die letzteren entsprechen
wegen des erfolgten Rotorumschlages einer Unwuchtgröße UFUR. Es ergibt sich so,
daß die erfolgende Anzeige der doppelten Größe des störenden Meßgrößenanteils UF
entsprechen muß.
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In Stellung b des Schalters 10 ist jedoch erfindungsgemäß zusätzlich
eine durch die Potentiometer 27 und 28 herstellbare und an Punkt 31 entnommene Kompensationswechselspannung
wirksam. Sie gelangt über den in der Figur links befindlichen Teil des Schalters
10 an Punkt 37 zusätzlich zur eigentlichen Meßspannung an den Eingang des Meßwertumformers
38. Das erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, daß durch entsprechende Betätigung
der Potentiometer 27 und 28 während des zweiten Einrichtlaufes die Anzeige an 12
zu Null gemacht wird. Damit wird erreicht, daß die Kompensationsspannung einer fiktiven
Unwucht -2ir, äquivalent ist.
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Noch im gleichen Lauf oder in späteren Serienläufen kann nun durch
Umschalten von Schalter 10 in Stellung c eine meßfehlerfreie Unwuchtanzeige bewirkt
werden. In Schalterstellung c werden die Kondensatoren 43 unwirksam gemacht und
eventuelle Restladungen der Kondensatoren 42 durch den neu erfolgenden Aufladevorgang
beseitigt. Ferner wird durch einen Reduzierwiderstand 36 die Wirksamkeit der Kompensationsspannung
auf die Hälfte herabgesetzt, so daß sie einem Vektor -UF entspricht, der den in
jedem späteren Lauf anfallenden Meßgrößenfehler UF kompensiert.
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Ein in Schalterstellung a an Punkt 37 angeschlossener Widerstand
48 sorgt dafür, daß Spule 11 in allen Schalterstellungen a, b und c gleiche Belastungsverhältnisse
erfährt.