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Auswuchtwaage Die Erfindung betrifft eine Auswuchtwaage mit einer
Aufnahme für den Wuchtkörper, welche in wenigstens einem Freiheitsgrad gegen die
Wirkung einer Gegenkraft beweglich angeordnet ist.
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Zu Beginn der Auswuchttechnik wurden Auswuchtwaagen in verschiedenen
Konstruktionen verwendet. Diese besitzen einen Waagebalken oder eine kardanische
Aufnahme. Die der Kompensation der Unwucht dienende Gegenkraft wird von Gewichten
oder vo : Federn erzeugt.
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Später haben sich überwiegend Auswurshtvorrichtungen durchgesetzt,
bei welchen der Wuchikörper in Rotation versetzt und die Unwucht aus den erzeugten
Lagerschwingungen ermittelt wird. Abgesehen davon, daß es Fälle gibt, bei denen
das zuletzt genannte Verfahren nicht anwendbar ist, z. B. bei Körpern, die noch
keine für die Rotation geeignete mechanische Festigkeit haben, ist offensichtlich,
daß die Auswuchtwaage eine Reihe von Vorteilen gegenüber Auswuchtmaschinen mit rotierender
Aufnahme besitzen. Es werden für Auswuchtwaagen keine kostspieligen Antriebe benötigt.
Man kann den Ausgleich der Unwucht direkt auf der Waage unter ständiger Kontrolle
vornehmen, ohne jedesmal eine zeitraubende Messung mit Hochdrehen und Auslaufenlassen
des Prüflings vornehmen zu müssen. Bei Formkörpern, z. B. bei noch nicht gebrannten
Schleifscheibenrohlingen, kann das noch plastische Material auf der Waage bereits
weitgehend unwuchtfrei nachgeformt werden, wobei an dem Ausschlag der Waage jeweils
sofort zu erkennen ist, ob eine Materialverformung in der gewünschten Richtung erfolgt.
Der große Nachteil der bisherigen Auswuchtwaagen liegt in deren verhältnismäßig
geringer Genauigkeit. Es konnte z. B. bei weitem nicht die Genauigkeit von Analysenwaagen
erreicht werden und zwar wegen eines konstruktiv bedingten Labilitätszustandes.
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Bei Analysenwaagen läßt man die von dem zu messenden Körper herrührende
Kraft und die Kraft der Gewichte an dem Waage-b alken über Drehschneiden angreifen,
wobei diese Drehschneiden mit der Drehschneide des Waagebalkens in einer Geraden
liegen. Dies hat zur Folge, daß sich der Gesamtschwerpunkt des Waagebalkens bei
einem Ausschlag sehr nur/gering verandert. Wenn aus Stabilitätsgründen der Schwerpunkt
des Waagebalkens um einen kleinen Betrag unter der Drehschneide desselben liegt,
läßt der Ausschlag des Waagebalkens einen unmittelbaren Rückschluß auf ein eventuelles
Übergewicht der einen oder der anderen Waagschale zu.
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Bei Auswuchtwaagen müßte der Wuchtkörper mit seinem Sollschwerpunkt
in den Schneidendrehpunkt der Aufnahme gebracht werden, da ja nur das ergewicht,
also die Unwucht in einer bestimmten Winkellage gemessen werden soll. Dies läßt
sich jedoch näherungsweise nur bei ganz flachen Körpern realisieren. Da die Wuchtkörper
verschiedene Gestalt und verschiedene große haben, ist es n den meisten Fällen unmöglich,
den Sollschwerpunkt des Wuchtkörpers genau im Schneidendrehpunkt anzuordnen. Sowehl
@@ Falle der Labilität als auch im Falle der Stabilität geht das Gesa@@gewicht des
Körpers in die Messung ein.
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Erschwerend kommt hinz@ @@@ Aufnahme kardanisch gelagert werden
muß,
wenn die Unwucht unmittelbar nach Richtung und Größe bestimmt werden soll. Der Schwerpunkt
des Wuchtkörpers wird sich dann im allgemeinen senkrecht über dem Kardandrehpunkt
befinden. Wenn nun die Aufnahme aufgrund einer Unwucht sich schräg stellt, dann
liegt der Gesamtschwerpunkt des Unwuchtkörpers nicht mehr über dem Kardandrehpunkt.
Er erzeugt ein Moment, welches eine nicht vorhandene Unwucht vortäuscht. Das Meßergebnis
ist also nicht nur von der Unwucht, sondern auch von der Schrägstellung der Aufnahme
und von dem Gesamtgewicht des Wuchtkörpers abhängig.
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Bei Wuchtkörpern kennt man meistens nur die Solldrehachse, jedoch
nicht den Sollschwerpunkt. Es ist dementsprechend unmöglich, diese Fehlerquellen
auszuschalten. Von modernen Auswuchtvorrichtungen mit rotierender Aufnahme wird
eine Meßgenauigkeit von etwa 1 : 100000 verlangt, d. h. es sind noch Unwuchten von
1 g bei 100 kg Gewicht feststellbar. Bei Auswuchtwaagen sind derartige Genauigkeiten
bisher undenkbar. Zur Veranschaulichung sei erwähnt, daß bei einem 100 kg schweren
Körper eine Auslenkung des Schwerpunktes um 1/100 mm bereits dasselbe Moment erzeugt
wie eine iiber einen Hebelarm von 1 m angreifende Unwucht von 1 g.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit von
Auswuchtwaagen wesentlich zu verbessern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Gegenkraft von einer Kompensationseinrichtung
erzeugt, die von einem auf den Ausschlag der Waage ansprechenden Meßglied gesteuert
wird, wobei die erzeugte Gegenkraft die Waage bis auf eine zu vernachlässigende
Abweichung in eine Ausgangslage oder Soll-Lage zurückstellt0 Vorzugsweise befindet
sich die Waage in labilem Zustand, d. h. der Gesamtschwerpunkt der Aufnahme mit
Wuchtkörpern liegt über dem Drehpunkt. Die Gegenkraft stellt sich selbsttätig auf
das jeweilige, vom Sollschwerpunkt des Unwuchtkörpers erzeugte Moment ein und bringt
dieses durch die Zurückstellung der Aufnahme in die Ausgangslage auf Null. Wird
also die Waage,z. B. durch eine starke Erschütterung, ausgelenkt, so stellt die
Gegenkraft sofort wieder die Ausgangslage her. Diese Bedingungen gelten natürlich
nur in vernünftigen Bereichen. So wird es im allgemeinen genügen, wenn die Gegenkraft
ein maximales Moment von 100 g/m erzeugen kann. Diese Kraft kann von konventtonellen
Mitteln z. B. Federn, unterstiltzt werden.
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Wichtig ist, daß die Gegenkraft in der Nähe der Ausgangslage der Aufnahme
sich selbsttätig der jeweiligen Labilitätssituation anpaßt.
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Die Kompensationselnrichtung kann einen Elektromagneten enthalten,
der die Gegenkraft erzeugt. In Abwandlung kann die Kompensationseinrichtung jedoch
auch einen pneumatischen oder hydraulischen Steuerkreis enthalten, welcher die Gegenkraft
in Form eines Druckes in einem Druckmedium erzeugt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Elebtromagnet: von
einem Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsgrad gespeist. Das Meßglied liefert
dem Verstärker eine vom Ausschlag der Waage abhängige Spannung.
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Es läßt sich zeigen, daß die Meßgenauigkeit der Vorrichtung umso höher
ist, Je größer der Verstärkungsgrad des Verstärkers ist. Da Verstärker mit fast
unendlich hohem Verstärkungsgrad bekannt sind, bedeutet dies, daß Verstellbewegungen
der Aufnahme aus der Ausgangslage äußerst gering gehalten werden können. Dementsprechend
gestaltet sich das Verhältnis anteilige Einwirkung des Gesamtschwerpunktes des Unwuchtkörpers
zur anti gen Einwirkung der Unwucht
sehr günstig. Die Meßgenauigkeit
der Vorrichtung ist also sehr groß.
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Man kann in vereinfachter Ausbildung die Aufnahme der Auswuchtwaage
nur in einem Freiheitsgrad beweglich gestalten, indem man z. B. die Aufnahme auf
zwei im Abstand voneinander angeordneten Schneiden lagert. Wenn die Unwucht in die
Verbindungslinie zwischen den beiden Schneiden fällt, liefert sie selbstverständlich
kein Auslenkungsmoment, während Unwuchten, die um 900 versetzt hierzu liegen, die
größte Kraft liefern. Man muß dementsprechend zur Messung den Unwuchtkörper gegebenenfalls
mit einem Teil der Aufnahme einmal um 900drehen.
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Obwohl der Erfindungsgedanke auf derartige Auswuchtwaagen einfacher
Bauart anwendbar ist, werden solche bevorzugt, bei denen die Aufnahme in zwei Freiheitsgraden,
z. B. kardanisch oder über ein Schneidenkreuz, beweglich ist. Bei derartigen Auswuchtwaagen
ist dann gemäß der Erfindung jedem Freiheitsgrad eine Kompensationseinrichtung zugeordnet,
dergestalt, daß sich die Rückstellbewegung derselben nur in dem zugeordneten Freiheitsgrad,
jedoch nicht in dem anderen Freihetsgrad auswirkt.
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Bei einer speziellen Ausführungsform enthält das Meßglied eine mit
Wechselstrom gespeiste, mechanisch mit der Aufnahme verbundene
Spule,
die in der Ausgangslage gleiche Spannungen in einem stationär angeordneten Spulenpaar
induziert. Die Spannungen des Spulenpaares werden mittels einer Gleichrichteranordnung
gleichgerichtet und gegeneinander geschaltet. Die Differenzspannung wird über einen
Verstärker mit theoretisch unendlich hohem Verstärkungsgrad verstärkt und dem Elektromagneten
zugeleitet. Der Elektromagnet kann dabei einen Permanentmagneten enthalten. Mit
der Aufnahme ist eine dem Permanentmagneten zugeordnete und von der Verstärkerspannung
durchflossene Kompensationsspule verbunden.
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Eine wesentliche konstruktive Vereinfachung ergibt sich, wenn die
Kompensationsspule und die Meßspule zu einer Einheit zusammengefaßt werden, wobei
die Messung über den durch die Spule fließenden Wechselstrom erfolgt und die Gegenkraft
von dem vom Verstärker gelieferten und ebenfalls durch die Spule fließenden Gleichstrom
erzeugt wird.
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Vorzugsweise wird die Unwucht nach Größe und Richtung oder in Komponenten
von Anzeigeinstrumenten angezeigt, welche von der Verstärkerspannung mittelbar oder
unmittelbar gesteuert werden. Weiterhin kann der Auswuchtwaage eine Markier- oder
Ausgleichseinrichtung zugeordnet seinj welche ebenfalls von der Verstärkerspannung
mittelbar oder unmittelbar gesteuert wird.
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Auf den beiliegenden Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsformen
des Gegenstandes der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch die Schaltung einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 schematisch die Schaltung einer zweiten Ausführungsform; Fig. 3 eine Draufsicht
auf eine in zwei Freiheitsgraden auslenkbare Auswuchtwaage gemäß der Erfindung;
Fig. 4 einen Schaltplan zu der Ausführungsform gemäß Fig. 3.
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Eine Aufnahme 1 für einen auszuwuchtenden Körper 2 ist ähnlich einem
Waagebalken auf einer Schneide 3 drehbeweglich gelagert. fl'er Sollschwerpunkt 4,
der sich beispielsweise in der konstralktiv vorgesehenen Drehachse für den Wuchtkörper
2 befindet, wird über der Schneide 3 angeordnet. Es sei angenommen, daß der Wuchtkörper
2 eine Unwucht besitzt, welche die durch den Pfeil 5 angedeutete Kraft erzeugt.
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Mit der Aufnahme 1 ist über ein Gestänge 6 eine Spule 7 verbunden.
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Das Gestänge 6 kann dabei auch ein Hebelmechanismus sein, welcher
den Ausschlag der ^^. ? fnahme 1 vergrößert. Die Spule 7 bewegt sich in einem ortsfest
angeordneten Spulenträger 8, welcher zwei Wicklungen 9 und 10 besitzt. Die Wicklungen
9 und 10 sind bei 11 miteinander verbunden und an dem Symmetriepunkt 12 einer Gleichrichteranordnung
gelegt. Die Gleichrichteranordnung enthält Dioden 13 und 14 und von Kondensatoren
15 und 16 überbrückte Widerstände 17 und 18. Legt man die Spule 7 über den Anschluß
19 an eine Wechselspannung, so ist die Spannung am Ausgang der Gleichrichteranordnung
Null, wenn sich die Spule 7 genau in der Mitte zwischen den Wicklungen 9 und 10
befindet, d. h. wenn in den Wicklungen 9 und 10 aufgrund des durch die Spule 7 fließenden
Wechselstromes gleiche Spannungen induziert werden. Durch die gegensinnige Schaltung
der Wicklungen 9 und 10 heben sich die von den Dioden 13 und 14 gleichgerichteten
Spannungen gegenseitig auf.
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Die Unwucht 5 vbersucht nun die Aufnahme 1 so zu bewegen, da# die
Spule 7 weiter in den Spulenkörper 8 eintaucht. Dies bedeutet, da# in die Wicklung
9 eine größere Spannung induziert wird, als in der Wicklung 10. Es entsteht also
eine negative Spannung, welche einem durch eine Serienschaltung 20 aus einem Kondensator
und einem Widerstand überbrückten Operatiwerstärker 21 mit sehr hohem Verstärkungsgrad
zugeleitet
wird. Die negative Eingabespannung erzeugt am Ausgang 22 des Operativverstärkers
21 eine hohe positive Spannung, welche einer Spule 23 zugeleitet wird, die in dem
Magnetfeld eines ortsfesten Permanentmagneten 24 liegt. Die Spule 23 ist über ein
Gestänge 25 ebenfalls mit der Aufnahme 1 verbunden. Bei entsprechender Polung erzeugt
der durch die Spule 23 fließende Strom ein Magnetfeld, das zum Magnetfeld des Permanentmagneten
24 so orientiert ist, daß eine der Unwuchtkraft 5 entgegengerichtete Kraft über
das Gestänge 25 auf die Aufnahme 1 übertragen wird. Wenn der Operativverstärker
21 einen beinahe unendlich großen Verstärkungsgrad hat, was fast realisierbar ist,
so wird die Aufnahme 1 überhaupt keine Bewegung ausführen. Die über das Gestänge
25 übertragene Kraft ist immer gleich groß und entgegengerichtet der Unwucht kraft
5. Kleinste Verschiebungen des Waagebalkens nach oben oder unten lösen sofort und
ohne Zeitverzögerung entsprechend große Gegenkräfte aus.
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Der Sollschwerpunkt 4 des Unwuchtkörpers 2 bleibt dementsprechend
immer über dem Drehpunkt der Schneide 3. Er geht in die Messung nicht ein.
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Es wird unabhängig von der Gestalt des Wuchtkörpers 2 nur die tatsächlich
vorhandene Unwucht 5 gemessen. Würde man dagegen zulassen, daß sich die Aufnahme
1 nach der einen oder anderen Richtung absenkt, dann müßte eine Gegenkraft, z. B.
ein Gegengewicht, nicht
nur die Unwucht 5, sondern auch den Schwerpunkt
4 etwas anheben.
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Die Kraft müßte also größer sein als die Kraft der Unwucht 5. Wenn
der Schwerpunkt 4 dann seine höchste Stellung hat, wird dementsprechend der Waagebalken
nach der anderen Seite abkippen. Die Waage befände sich also in einem labilen Gleichgewicht.
Durch den hohen Verstärkungsgrad des Operativverstärkers 21 ist bei der Ausführungsform
gemäß der Erfindung demgegenüber sichergestellt, daß die Waage sich in einem indifferenten
n Gleichgewicht und zwar jeweils genau in ihrer Mittellage befindet.
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Die Spannung am Ausgang 22 des Operativverstärkers 21 ist nun proportional
der Unwucht 5. Ein angeschlossenes Meßinstrument 26 kann dementsprechend direkt
auf die Unwuchtgröße geeicht werden. Einschwingvorgänge werden durch das RC-Glied
20 unterdrückt.
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Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von
der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, daß die Gestänge 6 und 25 zu
einem einzigen Gestänge 27 und die Spulen 7 und 23 zu einer einzigen Spule 28 zusammengefaßt
sind. An die Spule 28 wird einerseits über den Anschluß 29 eine Wechselspannung
angelegt, die in dem Magnetfeld des Permanentmagneten 24 keine Gegenkraft erzeugt,
die
jedoch entsprechende Spannungen in den Spulen 9 und 10 induziert.
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Diese Spannungen werden wiederum von den Dioden 13 und 14 gleichgerichtet
und über die Kondensatoren 15 und 16 geglättet. Solange die in den Spulen 9 und
10 induzierten Spannungen gleich groß sind, ist dementsprechend die Ausgangsspannung
des Operativverstärkers 21 Null. Bei einer kleinen Verschiebung in der einen oder
anderen Richtung erzeugt jedoch der Operativverstärker 21 eine große Gegenspannung,
die über eine Induktivität 31 der Spule 28 zugeleitet wird. Da die Ausgangsspannung
des Operativverstärkers 21 eine Gleichspannung ist, erzeugt dementsprechend der
durch die Spule 28 fließende Gleichstrom eine entsprechende Gegenkraft im Magnetfeld
des Magneten 24.
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Der Magnet 24 mit den Wicklungen 9 und 10 und der Spule 28 können
in einem Gehäuse 32 untergebracht sein. Wenn die Unwucht nach Winkel und Grieße
erfaßt werden soll oder wenn die in senkrechte Koordinaten fallenden Unwuchtkomponenten
einzeln bestimmt werden sollen, muß die Aufriahme 1 in zwei Freiheitsgraden beweglich
sein. Eine wesentliche Vereinfachung ist dabei gemäß der Erfindung dadurch möglich,
daß eine kardanische Aufhängung durch Federn 33 ersetzt werden kann.
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Dies (;ewicht der Aufnahme 1 und des auszuwuchtenden Körpers wird
dllr f h das Sl,itzenlaffer 3 aufgenommen.
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Da die Aufnahme 1 keine wahrnehmbaren Verstellbewegungen ausführt,
geht dementsprechend die Kraft der Federn 33 nicht in das Meßergebnis ein Durch
die Federn 33 wird also in einfacher Weise eine Halterung der Aufnahme 1 erzielt.
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Die Aufnahme 1 besitzt eine Winkelskala 34. Man kann nun einerseits
die Unwucht in Komponenten messen, indem man jedem Gehäuse 32 eine Schaltung, z.
B. gemäß Fig. 1 oder Fig. 2, zuordnet und dann an den beiden Meßinstrumenten 26
die Größe der Unwuchtkomponenten abliest. Man kann jedoch auch die Unwucht als solche
nach ihrer Größe und nach ihrem Winkel entsprechend der Winkelskala 34 durch Verwendung
einer Schaltung, wie sie schematisch in Fig. 4 angedeutet ist, bestimmen. Auf diesem
Schaltplan sind die Spulenanordnung durch das Blockkästchen 30 und die Gleichrichteranordnung
13 bis 18 schematisch durch das Blockkästchen 35 angedeutet. Durch kurzzeitiges
Schließen einer Schalteranordnung 36 werden die Ausgangsspannungen der Operativverstärker
21 auf Kondensatoren 37 aufgeschaltet und dort gespeichert.
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Den Kondensatoren 37 sind Verstärker 38 nachgeschaltet, die ein Abfließen
der Gleichspannung verhindern. Es ist weiterhin eine Frequenz-Lransformationseinrichtung
39 vorgesehen, wie sie beispielsweise aus dem deutschen Patent 1 108 475 bekannt
ist. In dieser wird aus den
in den Kondensatoren 37 gespeicherten
Gleichspannungen eine Wechselspannung erzeugt, deren Amplitude der Unwuchtgröße
proportional ist und deren Phasenlage dem Unwuchtwinkel entspricht. Diese Wechselspannung
wird in bekannter Weise so ausgewertet, daß das MeßinstruO ment 41 die Unwuchtgröße
und das Meßinstrument 42 den Unwuchtwinkel entsprechend der Gradeinteilung an der
Winkelskala 34 anzeigt