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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unwuchtausgleich eines Rotors
gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Es
sind Vorrichtung zum Unwuchtausgleich eines Rotors, mit zumindest
einem in Bezug auf eine Rotationsachse des Rotors bewegbaren Ausgleichsgewicht,
und mit einer in Abhängigkeit
von einem Unwuchtsignal magnetisch betätigbaren Stelleinrichtung für das Ausgleichsgewicht
bekannt.
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Derartige
Vorrichtungen werden an rotierenden Bauteilen bzw. Rotoren angewandt,
bei denen eine vorhandene Restunwucht vorzugsweise automatisch auszugleichen
ist. Zum Beispiel treten derartige Restunwuchten an Hauptspindeln
von Werkzeugmaschinen auf.
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Auszugleichende
Restunwuchten an rotierenden Rotoren sind einerseits fertigungs- und/oder montagebedingt
und andererseits von aufzunehmenden Komponenten abhängig. Zu
den aufzunehmenden Komponenten zählen
u.a. auch die in die Hauptspindel von beispielsweise Fräsmaschinen
oder Bearbeitungszentren einzusetzenden Werkzeuge. Die Hauptspindeln
werden im Fertigungsprozeß ohne Werkzeug
ausgewuchtet und weisen allgemein ein gutes Wuchtverhalten auf.
Durch das Einsetzen von Werkzeugen, besonders von zu den Drehachsen
unsymmetrischen Werkzeugen, kann allerdings das Wuchtverhalten negativ
beeinflußt
werden. Daher wird üblicherweise
ein Nachwuchten bzw. ein Unwuchtausgleich der Hauptspindel im Betrieb
durchgeführt.
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Daraus
ist entnehmbar, daß verschiedene Ausführungsformen
von Vorrichtungen zum Unwuchtausgleich bekannt sind. Eine Unterteilung
der Vorrichtung kann dabei erfolgen in Vorrichtungen mit mechanischen
Ausgleichgewichten, hydraulischer Verdrängung (Hydrokompensoren) oder
mit Verdampfung von Flüssigkeiten.
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Diese
Vorrichtung werden als Einbau- oder Anbauapparate sowie als Wuchtringe
ausgeführt. Der
Einsatz dieser Vorrichtung ist vor allem bei Schleifmaschinen bekannt.
In Führungsnuten
an der Stirnfläche
der Schleifscheibe können
z.B. die Ausgleichsgewichte zum einen mit ihrem Abstand zur Drehachse
und zum anderen mit ihrer Phasenlage variiert werden. Es besteht
weiterhin die Möglichkeit, Flüssigkeiten
in Kammern innerhalb der Schleifscheibe zum Unwuchtausgleich einzusetzen.
Zum Ausgleich der Unwucht des Rotors werden die auftretenden Schwingungen
von einem Meßwertaufnehmer erfaßt und an
eine Auswerteeinrichtung zur Verarbeitung der Daten weitergegeben.
Hier wird die neue Position der Ausgleichskörper ermittelt, angezeigt und
an die Ausgleichseinrichtung übergeben.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
die Unwucht mittels zylindrischer Halbschalen mit verschiedenen
Radien, die um die Drehachse um 360° und aneinander vorbei bewegbar
sind, zu beeinflussen. Dabei ist die Halbschale mit der größeren Masse
auf dem inneren Radius und die Halbschale mit der kleineren Masse
auf dem äußeren Radius
angeordnet. Der Unwuchtausgleich erfolgt automatisch über die Bewegung
der Halbschalen, die über
eine Zahnradpaarung oder durch Stellmotoren direkt erzeugt wird.
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Dabei
ist es möglich,
die Übertragung
der Steuersignale und der Antriebsenergie zur Bewegung der Ausgleichgewichte
berührungslos über einen
Sender durchzuführen.
Weiterhin besteht die Möglichkeit,
die Leistung und die Daten der Meßwertaufnehmer ohne Kontakt
induktiv in Primär-
und Sekundärspulen
zu übertragen.
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Des
weiteren ist aus JP 62-24053 (A) Abstract eine Vorrichtung zum automatischen
Unwuchtausgleich eines Rotors bekannt. Gemäß dieser Vorrichtung ist es
vorgesehen, mittels eines elektromagnetisch steuerbaren Tauchkolbens
eine oder mehrere Kugeln aus einem im wesentlichen rotationssymmetrisch
um die Drehachse angeordneten Raum in eine Kammer eines Rotationskörpers einzuleiten.
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Diese
Vorrichtung ist allerdings höchstens dazu
geeignet, durch eine Erhöhung
des Trägheitsmomentes
die Rotationsgeschwindigkeit zu reduzieren, wenn eine erste "gefährliche
Geschwindigkeit" von
dem Rotationskörper
erreicht wird.
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Bei
gleichbleibender Geschwindigkeit, insbesondere bei einer sehr hohen
Geschwindigkeit, führt die
Eingabe von einer oder mehreren Kugeln unweigerlich zu einer Erhöhung der
Unwucht, da diese Kugeln sich in der Kammer an den Ort mit größter Zentrifugalkraft
anordnen werden.
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Ein
gezielter und gesteuerter Unwuchtausgleich ist daher mit dieser
Vorrichtung nicht möglich.
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Die
Anwendung all dieser Vorrichtungen ist allerdings auf Drehzahlen
von bis zu 12.000 U/min begrenzt. Bei größeren Drehzahlen, beispielsweise sind
sogeannte Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen mit Drehzahlen oberhalb
von 20.000 U/min üblich, stellt
die Energieübertragung,
insbesondere die berührungslose
Energieübertragung
ein Problem dar.
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Außerdem sind
die vorhandenen Vorrichtungen vorwiegend für den Einbau an bzw. in Schleifmaschinen
vorgesehen. Für
den Einbau in Hauptspindeln von beispielsweise Fräsmaschinen
sind derartige Vorrichtungen ungeeignet.
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Eine
Vorrichtung zum Unwuchtausgleich eines Rotors der eingangs genannten
Art ist aus der
DE 2 101 113 bekannt.
Bei dieser Vorrichtung sind zwei Hydraulikkammern angeordnet, die
sich jeweils in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse des Rotors
erstrecken, derart, daß die
beiden Ebenen parallel zueinander angeordnet und voneinander soweit beabstandet
sind, daß die
beiden Kammern voneinander getrennt sind. Diese Kammern sind zylindrisch ausgebildet
und um 90° zueinander
versetzt. In jeder dieser Kammern ist ein Kolben eingesetzt, wobei
der Kolben die Kammer in zwei gegenüberliegende Kammern dichtend
unterteilt. Jede dieser Kammern ist mit Hydraulikflüssigkeit
gefüllt
und in entsprechender Weise über
Leitungen und Ventile mit einer gesteuerten Hydraulikdruckquelle
verbunden. Der Kolben, der verschiebbar in der Kammer angeordnet
ist, dient als Ausgleichsgewicht, das radial bezüglich der Drehachse des Rotors
verschiebbar ist.
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Zum
Unwuchtausgleich wird Hydraulikflüssigkeit der einen Kammer zugeführt und
aus der gegenüberliegenden
Kammer abgelassen, um so den als Ausgleichsgewicht dienen den Kolben
radial zu verschieben, wobei diese Verschiebung in Abhängigkeit
einer erfassten Unwucht gesteuert wird.
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Um
bei dieser Vorrichtung eine möglichst kurze
Ansprechzeit zu realisieren, ist es notwendig, eine Hydraulikflüssigkeit
mit entsprechend geringer Viskosität vorzusehen. Weiterhin ist
es notwendig, zur Verschiebung des Kolbens ein gewisses Hydraulikfluidvolumen
zuzuführen
bzw. abzuführen.
Dies geschieht über
eine Mehrzahl von Kanälen,
die sich nahe der Drehachse des Rotors durch den Spindelstock erstrecken
und über
versetzte Ringnuten und Schleifkontaktanschlüsse mit der gesteuerten Hydraulikdruckquelle
verbunden sind. Eine derartige Vorrichtung ist nur mit hohem konstruktivem
Aufwand zu realisieren, wobei enge Fertigungstoleranzen vorgesehen
werden müssen,
um die entsprechenden Anschlüsse
zwischen dem drehenden Teil und dem stationären Teil in zuverlässiger Weise
zu realisieren. Weiterhin wird bei der genannten Vorrichtung das Ausgleichsgewicht
durch die gegenüberliegenden gefüllten Hydraulikkammern
gelagert, wobei sich der Kolben über
das Hydraulikfluid im wesentlichen an den Rückschlagventilen abstützt. Diese
Abstützung ist
verhältnismäßig weich,
so daß im
dynamischen Betrieb Schwingungen unvermeidbar sind und der Kolben
nur bedingt in stabiler Lage gehalten werden kann.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zum Unwuchtausgleich eines Rotors der eingangs genannten Art zu
schaffen, wobei das Ausgleichsgewicht in einfacher und stabiler
Weise positioniert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung zum Unwuchtausgleich eines Rotors mit den Merkmalen
des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Dabei
kann die Stelleinrichtung eine magnetorheologische Flüssigkeit
sowie eine erste Spule oder ein magnetostriktives Stellelement mit
einem Stellglied und einer zweiten Spule umfassen.
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Im
ersten Fall ist es vorteilhaft, die magnetorheologische Flüssigkeit
gemeinsam mit dem Ausgleichsgewicht in einem Gehäuse aufzunehmen, während die
erste Spule außerhalb
dieses Gehäuses angeordnet
ist.
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Im
zweiten Fall ist es vorteilhaft, das Stellglied in einem Gehäuse anzuordnen
und im wesentlichen parallel oder senkrecht zur Rotationsachse des
Rotors auszurichten, während
die zweite Spule außerhalb
des Gehäuses
angeordnet ist.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn das Ausgleichsgewicht in einem Führungsgehäuse bezüglich der
Rotationsachse des Rotors radial beweglich aufgenommen ist, wobei
das Ausgleichsgewicht über
einen Stift mittels Gleitkontakt durch das Stellglied verfahrbar
ist.
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Sollte
eine gewisse Voreinstellung der radialen Position des Ausgleichgewichtes
notwendig sein, ist es vorteilhaft, wenn der in das Stellglied eingefügte Stift
ein verstellbarer Gewindestift ist.
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Zur
Reduzierung des Reibungswiderstandes zwischen dem Stellglied und
dem Ausgleichgewicht ist es vorteilhaft, wenn an dem freien Ende
des Stiftes bzw. Gewindestiftes eine Kugel angeordnet ist, die sich
mit einer Schräge
am radialen Innenende des Ausgleichsgewichtes in Gleitkontakt befindet.
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Dabei
kann die Schräge
von einem rechteckförmigen
Blech gebildet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die zweite Spule derart angeordnet, daß sie den Rotor umschließt.
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Bei
beiden Lösungsvarianten
ist es für
einen erneuten Unwuchtausgleich eventuell notwendig, das Ausgleichgewicht
wieder in die Ausgangsposition zu bewegen, d.h. wieder radial nach
innen zu bewegen. Dieser Vorgang wird vorteilhafterweise über ein
mechanisches Stellelement bewirkt, das an dem radialen Außendende
des Ausgleichgewichts zum Aufbringen einer radial nach innen gerichteten
Rückstellkraft
auf das Ausgleichgewicht angeordnet ist.
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Dieses
mechanische Stellelement kann dabei aus einer Schraubenfeder oder
einer Tellerfeder bestehen.
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Obwohl
eine Vielzahl von Sensorelementen zur Ermittlung der Unwucht denkbar
sind, wie z.B. Dehnungsmeßstreifen
oder Lichtschrankenanordnungen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens
ein Beschleunigungsaufnehmer verwandt, der an dem Rotor befestigt
ist.
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Die
von den Sensorelementen bzw. dem Beschleunigungsaufnehmer ausgegebenen
Daten werden vorteilhafterweise in eine Steuereinheit zum Verarbeiten
dieser Daten eingegeben, wobei diese Steuereinheit dann diesen Daten
entsprechende Steuersignale an die Stelleinrichtung zur Steuerung
der radialen Position des Ausgleichgewichtes ausgibt.
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Es
ist nicht zwingend notwendig, die Vorrichtung am Außendurchmesser
der Rotoren bzw. des Rotors zu befestigen. Bei geeigneten Konstruktionen,
beispielsweise bei Schleifscheiben, ist es auch denkbar, diese Vorrichtung
innerhalb dieser Rotoren bzw. dieses Rotors anzuordnen.
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Ferner
ist die Vorrichtung nicht notwendigerweise darauf beschränkt, lediglich
eine Stelleinrichtung zu besitzen, es können auch mehrere Stelleinrichtungen
angeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist es
möglich,
die z.B. infolge eines Werkzeugwechsels veränderte Restunwucht an Werkzeugspindeln
automatisch auszugleichen. Die maximal erreichbare Drehzahl ist
dabei größer als
bei bekannten Lösungen.
Die Vorrichtung kann auf der Hauptspindel angeordnet werden und muß nicht
an deren Ende befestigt sein.
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Zum
Unwuchtausgleich werden Stelleinrichtungen verwendet, die durch
den Einfluß eines
magnetischen Feldes ihre Eigenschaften ändern. Dieser Effekt wird ausgenutzt,
um das Wuchtverhalten des Rotors gezielt zu beeinflussen. Die beschriebenen Lösungsvarianten
basieren dabei auf magnetorheologischen Flüssigkeiten oder auf magnetostriktiven Stellgliedern.
Beide Lösungsvarianten
kommen ohne direkte Energieübertragung
aus und sind somit für hohe
Drehzahlen geeignet.
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Dabei
basiert das Grundprinzip jeweils darauf, daß mit einem Beschleunigungsaufnehmer
o.ä. die
Unwucht des Rotors erfaßt
werden kann und mit Hilfe entsprechender Ansteueralgorithmen die
neue Position der Ausgleichgewichte ermittelt wird. Durch die Ansteuerung
der Stellglieder werden die Ausgleichsgewichte in ihre neue Position
bewegt.
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Nachfolgenden
wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
teilweise geschnittene Ansicht einer ersten Ausführungsform mit einer magnetorheologischen
Flüssigkeit;
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2 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht der in 1 gezeigten
Ausführungsform;
und
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3 eine
Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform mit einem magnetostriktiven Stellglied.
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In
den 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Unwuchtausgleich eines um eine Rotationsachse
drehenden Bauteils bzw. eines Rotors dargestellt. Wie gezeigt, befindet sich
ein Ausgleichsgewicht 3 in einer magnetorheologischen Flüssigkeit
(MRF) 5, die in einem Führungsgehäuse 2 angeordnet
ist, das mit einer Hauptspindel 1 form- oder kraftschlüssig verbunden
ist.
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Außerhalb
des Führungsgehäuses 2 ist
eine erste Spule 6 angeordnet. Durch die Induktion einer Spannung
in der ersten Spule 6 entsteht ein Magnetfeld, das eine Änderung
des Viskositätsverhaltens der
MRF 5 hervorruft. Die radial nach außen gerichtete Bewegung des
Ausgleichsgewichtes 3, die durch die Zentrifugalkräfte infolge
der Rotation der Hauptspindel 1 auftritt, wird durch die
veränderte
Viskosität der
MRF 5 verhindert. Die Scherspannung zwischen der Oberfläche des
Ausgleichgewichtes 3 und der MRF 5 ist dabei so
groß,
daß die
wirkende Zentrifugalkraft keine Bewegung des Ausgleichsgewichts 3 mehr
hervorrufen kann.
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Dabei
ist es vorteilhaft, das Magnetfeld zu dem Zeitpunkt zu aktivieren,
zu dem die zulässige Restunwucht
der Hauptspindel 1 erreicht wird.
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Wie
in der 1 gezeigt, ist auf der Hauptspindel 1 ein
Beschleunigungsaufnehmer 7 angeordnet, der die Restunwucht
erfaßt
und die dabei ermittelten Daten einer nicht dargestellten Steuereinheit überträgt.
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In
der Steuereinheit wird dann mit einem geeigneten Auswertealgorhythmus
die Position des Ausgleichsgewichts dabei berechnet, d.h. der Abstand
zwischen dem Ausgleichsgewicht 3 und der Rotationsachse
der Hauptspindel 1, sowie das darauf basierende Ansteuersignal
für das
Magnetfeld ermittelt. Dabei kann der Viskositätsgrad der MRF 5 mit der
entsprechenden magnetischen Feldstärke gesteuert werden.
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Durch
Abregen der ersten Spule 6 wird das Magnetfeld wieder abgebaut
und die MRF 5 wieder dünnflüssiger.
Dadurch wird das Ausgleichsgewicht 3 wieder durch die einwirkende
Zentrifugalkraft im Führungsgehäuse 2 bewegt.
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Für einen
erneuten Unwuchtausgleich ist es vorteilhaft, das Ausgleichsgewicht 3 erneut
in die Ausgangsposition zu bewegen, d.h. radial nach innen zu bewegen.
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Dieser
Vorgang kann durch ein mechanisches Stellelement, in diesem Fall
eine Schraubenfeder 4 realisiert werden. Diese Schraubenfeder 4 ist dabei
an dem radialen Außenende
des Ausgleichsgewichtes 3 innerhalb des Führungsgehäuses 2 angeordnet.
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In
der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
ist das Führungsgehäuse 2 zylinderförmig ausgebildet.
Es können
aber auch andere Querschnittsformen verwandt werden.
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Die
in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform
ermöglicht
während
des Betriebes der Hauptspindel 1 eine Bewegung des Ausgleichgewichts 3 lediglich
in einer Richtung. Es ist allerdings vorteilhaft und bei manchen
Anwendungsfällen
notwendig, während
des Betriebes einer Spindel eine Bewegung für ein Ausgleichsgewicht in
beiden radialen Richtungen zur Verfügung zu stellen.
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In
der 3 ist eine Ausführungsform gezeigt, die eine
Bewegung eines Ausgleichsgewichts 15 in beide radialen
Richtungen zuläßt.
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Bei
der Ausführungsform
gem. 3 wird die Stellbewegung des Ausgleichgewichts 15 durch ein
Stellglied realisiert. Das Stellglied basiert auf einem magnetostriktiven
Bauelement 26 und umfaßt des
weiteren ein Gehäuse 12,
in dem das magnetostriktive Bauelement 26 mit einem Ende
befestigt ist.
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An
dem gegenüberliegenden
Ende des in diesem Falle stabförmigen
magnetostriktiven Bauelements 26 ist eine Schelle 14 befestigt,
in der ein Gewindestift 13 für die Übertragung der Stellbewegung
des Stellgliedes auf das Ausgleichsgewicht 15 befestigt
ist.
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Obwohl
auch ein einfacher Stift verwandt werden kann, ist es vorteilhaft,
diesen Gewindestift 13 zu verwenden, da dadurch eine gewisse
Voreinstellung der radialen Position des Ausgleichsgewichts 15 ermöglicht wird.
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Obwohl
das stabförmige
magnetostriktive Bauelement 26 auch quer zur Rotationsachse
eines Rotors bzw. einer Hauptspindel angeordnet sein kann, was nicht
in den Figuren gezeigt ist, ist in der 3 eine Variante
dargestellt, in der das stabförmige
magnetostriktive Bauelement 26 im wesentlichen parallel
zur Rotationsachse der Hauptspindel angeordnet ist.
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Dabei
ist es vorteilhaft, an dem freien Ende des Gewindestiftes 13 eine
Kugel vorzusehen, die mit dem Ausgleichsgewicht 15 in Eingriff
steht, da dadurch ein Gleitkontakt mit geringerer Reibung zwischen
dem magnetostriktiven Bauelement 26 und dem Ausgleichsgewicht 15 sichergestellt
werden kann.
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Wie
in der 3 gezeigt, ist an dem radialen Innenende des Ausgleichgewichts 15 ein
rechteckförmiges
Blech 18 schräg
zur radialen Bewegungsrichtung des Ausgleichge wichtes 15 angeordnet. Durch
dieses Blech 18 wird eine Schräge gebildet, an der die Kugel
des Gewindestiftes 13 gleitend anliegt.
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Wie
oben bereits angegeben, ist das magnetostriktive Bauelement 26 parallel
zur Hauptspindel 8 angeordnet und wird mit dem der Kugel
entgegengesetzten Ende in einem Ring 10 abgestützt, der
durch eine Buchse 11 auf einem konstanten Abstand zu einem
Führungsgehäuse 9 gehalten
wird.
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Das
Führungsgehäuse 9 und
der Ring 10 sind auf den jeweiligen Wellenabsätzen durch
eine Welle-Nabe-Verbindung in Form von Paßfedern 23 und 24 befestigt.
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Das
Führungsgehäuse 9,
der Ring 10 sowie das rechteckförmige Blech werden durch eine
Nutmutter 21 mit Sicherungsblech 22 gegen axiales
Verschieben gesichert.
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In
der gezeigten Ausführungsform
ist die Hauptspindel 8 von einer zweiten Spule 29 umgeben, die
ein Magnetfeld erzeugen und somit Einfluß auf die Stellung des magnetostriktiven
Bauelements 26 ausüben
kann. Durch die Induktion einer Spannung in der zweiten Spule 29 bildet
sich in diesem Bereich das Magnetfeld aus, das eine Längendehnung
des magnetostriktiven Bauelements 26 bewirkt.
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In
der in 3 gezeigten Ausführungsform wird die axiale
Stellbewegung des Stellgliedes in eine radiale Bewegung des Ausgleichgewichtes 15 umgewandelt.
Dafür ist
der oben beschriebene Übertragungsmechanismus
erforderlich, der in diesem Fall durch die Schräge oder durch das rechteckförmige Blech 18 an
der Unterseite des Ausgleichgewichtes 15 verwirklicht wird.
Die Stellbewegung des Stellgliedes wird über die Kugel an der Spitze
des Gewindestiftes 13 punktförmig auf die Schräge 18 übertragen.
Der dabei erreichbare Stellweg des Ausgleichsgewichtes 15 ist
von dem Winkel der Schräge 18 abhängig.
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Wie
auch bei der Ausführungsform
gem. den 1 und 2 ist für die Rückstellung
des Ausgleichgewichtes 15 eine mechanisches Stellelement angeordnet,
das bei dieser Ausführungsform
aus einer Tellerfeder 27 besteht, die an dem radialen Außenende
des Ausgleichgewichtes 15 angeordnet ist und der Zentrifugalkraft
entgegenwirkt, die durch die Rotation der Hauptspindel 8 hervorgerufen
wird.
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Mit
einer Verstellschraube 16, die mit einer Sechskantmutter 25 gegen
unbeabsichtigtes Lösen gesichert
ist, wird eine Aufnahmebohrung in dem Führungsgehäuse 2 für das Ausgleichsgewicht 15 verschlossen.
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Ferner
ist, wie bei der ersten Ausführungsform
gem. der 1 und 2, ein Beschleunigungsaufnehmer 30 auf
dem Spindelaußenrand
angeordnet. Bei dieser Ausführungsform
entspricht der Ansteueralgorhythmus demjenigen der Ausführungsform
gemäß der 1 und 2.
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Die
in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen
können
mehrfach am Spindelaußenrand
angebracht werden, obwohl dies nicht in den Figuren gezeigt ist.
Dabei kann das Magnetfeld jeweils durch eine ortsfeste Spule oder
durch eine auf der Spindelwelle bzw. Hauptspindel befindlichen Spule
aufgebaut werden.
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Mit
den beschriebenen Ausführungsformen ist
es möglich,
eine an den Hauptspindeln vorhandene Restunwucht automatisch auszugleichen.
Aufgrund der indirekten Energieübertragung
ist ein Unwuchtausgleich auch bei Rotoren für die sogenannte Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
möglich.