DE19821854C1

DE19821854C1 - Vorrichtung zum aktiven Unterdrücken von Kontaktschwingungen an einer Walzenanordnung

Info

Publication number: DE19821854C1
Application number: DE19821854A
Authority: DE
Inventors: Roger Wimmel; Uwe Dr Gnauert; Frank Grabow; Heinrich Dr Fehren; Hubertus Siebald; Michael Dr Wenzel
Original assignee: ERAS Entwicklung and Realisation adaptiver Systeme GmbH
Current assignee: ERAS Entwicklung and Realisation adaptiver Systeme GmbH
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2018-05-16
Also published as: EP0956950B1; ATE225256T1; DE59902901D1; EP0956950A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum aktiven Unterdrücken von Kontaktschwingungen an einer Walzenanordnung, insbesondere an Papierstreichapparaten, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Bei verschiedensten Walzenanordnungen, insbesondere bei Papier streichapparaten, mit zwei parallel ausgerichteten, direkt oder indirekt aneinander anliegenden Walzen treten Kontaktschwingun gen auf, die beispielsweise durch Unwuchten oder Unrundheiten einer der beiden Walzen initiiert werden. Insbesondere wenn die Anregung oder eine ihrer Harmonischen in den Bereich einer Resonanz fällt, die sich auf die beiden Walzen auswirkt, nimmt die Amplitude der Kontaktschwingungen schnell störende Ausmaße an; oder es kommt zu einer Rückkopplung der Effekte der Kontaktschwingungen mit ihrer Anregung. Ein solcher Fall ist beispielsweise dann gegeben, wenn eine der beiden Walzen eine elastische, aus einem Elastomerwerkstoff ausgebildete Oberfläche aufweist, die aufgrund der Kontaktschwingungen verformt wird, wobei die verformte Oberfläche ihrerseits die Kontakt schwingungen weiter anregt. Verformungen der Oberfläche zeigen sich aber nicht nur bei Walzen mit elastischen, aus Elastomer werkstoff ausgebildeten Oberflächen, sondern, wenn auch typischerweise nach längeren Zeiträumen, auch bei harten Walzen. Hier werden auf den Kontaktschwingungen beruhende dauerhafte Verformungen beobachtet, die als Rattermarken bezeichnet werden. Auch durch die Rattermarken vergrößern sich in der Folge die Amplituden der Kontaktschwingungen, bis die Walzen ausgetauscht werden müssen.

Eine Vorrichtung mit den eingangs beschrie benen Merkmalen ist aus der WO 97/3832 bekannt. Diese Anmeldung betrifft konkret die Verminderung der Biegeschwingungen von rotierenden Walzen, insbesondere bei Tiefdruck-Maschinen, in denen störende Schwingungen der Presseur-Walzen auftretenden können. Zur Verminderung der Biegeschwingungen wird vorgeschlagen, die durch Unwuchten und/oder zeitlich veränderliche, radial einwirkende Kräfte erzeugten Schwingungen und deren charakterisierende Parameter in einem breiten Frequenzband zu messen und diese Meßwerte zur Regelung und Ansteuerung von Aktuatoren zu verwenden, die die Schwingungen aktiv unterdrücken. Dabei soll die Regelung vorzugsweise selbstoptimierend sein und bei sich verändernden Eigenfrequenzen die dafür geeigneten Ansteuerungssignale für die Aktuatoren berechnen. Bei den Aktuatoren selbst soll es sich um piezo-elektrische oder magneto-striktive oder hydraulische Einheiten handeln. Es fehlt aber an einer Offenbarung, wie ein entsprechendes Verfahren konkret durchgeführt werden soll bzw. wie eine entsprechende Vorrichtung konkret aufgebaut werden kann, damit die Verminderung der Biegeschwingungen tatsächlich erreicht wird.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine konkrete Vorrichtung der eingangs beschrie benen Art aufzuzeigen, mit der das aktive Unterdrücken von Kontaktschwingungen an Walzenanordnungen tatsächlich möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei der neuen Vorrichtung ist eine Konzentration auf die Anregungen von Kontaktschwingun gen gegeben, die von der Drehfrequenz der die sich insbesondere verformende Oberfläche aufweisenden Walze abhängen. Nur Anregun gen mit dieser Drehfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz können zu den periodischen Verformungen der Oberfläche dieser Walze führen. Entsprechend können diese periodischen Verformungen der Oberfläche verhindert werden, wenn mit eben diesen Frequenzen aktiv in die Walzenanordnung einge griffen wird. Gleichzeitig ist mit der Konzentration auf diese Frequenzen eine ganz konkrete Vorgehensweise festgelegt und eine grundsätzliche Beschränkung für den Aufwand des Verfahrens gegeben. Zunächst ist die Drehfrequenz der Walze mit der sich potentiell insbesondere verformenden Oberfläche zu bestimmen. Dies kann direkt durch einen Drehzahlgeber an der Walze erfol gen. Es ist aber auch möglich, beispielsweise die Drehzahl eines die Walze antreibenden Motors zu registrieren und hieraus die Drehfrequenz der Walze zu bestimmen. Aus der Drehfrequenz werden typischerweise einige wenige ganzzahlige Vielfache der Dreh frequenz ermittelt und mit eben diesen Frequenzen die Aktuatoren angesteuert. Das Anregungssignal ist dabei für jede dieser Frequenzen typischerweise eine reine Sinuswelle, deren Amplitude und Phase in Abhängigkeit von den an einer Walze registrierten Kräften, Beschleunigungen und/oder Bewegungen festgelegt wird. Dabei kann sich der Regelalgorithmus, der die Kräfte, Beschleu nigungen bzw. Bewegungen als Kontrollsignal verwendet, nach einem Try-and-error-Verfahren schrittweise an die Walzen anordnung adaptieren, d. h. selbstätig optimieren.

Vorzugsweise werden in einer der Walze mit der sich potentiell insbesondere verformenden Oberfläche abgekehrten Richtung die Kräfte auf, die Beschleunigungen der und/oder die Bewegungen der anderen Walze gemessen. Das heißt, die Kräfte, Beschleunigungen bzw. Bewegungen werden an der Walze festgestellt, deren Oberfläche sich nicht oder zumindest weniger verformt als die Oberfläche der anderen Walze. Dies entspricht der Aufzeichnung der Reaktionen auf die jeweiligen Anregungen der Kontakt schwingungen.

Diese Reaktionen sind häufig besonders groß in der Walzenmitte der betrachteten Walze, so daß dort auftretende Beschleunigungen und/oder Bewegungen vorzugsweise gemessen werden. Kräfte sind an dieser Stelle in aller Regel nicht ohne weiteres abgreifbar.

Bei der Betrachtung der Kräfte, Beschleunigungen bzw. Bewegungen an der jeweiligen Walze für die Festlegung der Ausgleichskräfte findet vorzugsweise eine Beschränkung auf ein Frequenzband um die Frequenz der potentiellen periodischen Verformung der Walze mit der sich potentiell insbesondere verformenden Oberfläche statt. Es ist sinnvoll, die Betrachtung der Kräfte, Beschleuni gungen bzw. Bewegungen auf die Frequenzen zu konzentrieren, in denen tatsächlich ein Eingriff in die Walzenanordnung mit den Ausgleichskräften erfolgen soll.

Ganz konkret werden die Ausgleichskräfte sinnvollerweise mit ein bis fünf, insbesondere mit ein, drei oder fünf verschiedenen ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz der Walze mit der sich potentiell verformenden Oberfläche aufgebracht. Dabei liegen die ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz in einem Frequenzband um die Frequenz der potentiellen periodischen Verformung der Walze mit der sich potentiell insbesondere verformenden Oberfläche. Die interessierenden ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz zeigen sich in den beobachteten Kräften, Beschleu nigungen bzw. Bewegungen in Form von ausgeprägten Peaks. Bei der Erfindung wird die Frequenz dieses Peaks jedoch nicht unmittel bar für die Festlegung der Frequenz der Ausgleichskräfte heran gezogen. Die Peaks legen zwar fest, welche ganzzahligen Vielfache der Drehfrequenz für die Ausgleichskräfte verwendet werden. Diese ganzzahligen Vielfache der Drehfrequenz werden aber unmittelbar aus der Drehfrequenz generiert. Die Phase und die Amplitude der Ausgleichskräfte werden dann wiederum aus den gemessenen Kräften, Beschleunigungen bzw. Bewegungen festgelegt. Eine Beschränkung der Ausgleichskräfte auf ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz ist möglich, wenn eine sich auf die Walzenanordnung auswirkenden Resonanz nur mit diesem Vielfachen der Drehfrequenz eine nennenswerte Überdeckung aufweist. Fallen mehrere ganzzahlige Vielfache in den Bereich der Resonanz, sind entsprechend noch die ersten und/oder zweiten Nachbarn der im wesentlichen betroffenen Frequenz zu berücksichtigen.

Die Ausgleichskräfte werden vorzugsweise senkrecht zu dem Anlagebereich der beiden Walzen aufgebracht, d. h. beispiels weise zwischen den endseitigen Lagern der beiden Walzen. An den Lagern kann grundsätzlich auch die Messung der interessierenden Kräfte, Beschleunigungen und/oder Bewegungen für die Festlegung der Ausgleichskräfte erfolgen.

Wenn die potentiell auftretenden Kontaktschwingungen einen asymmetrischen Verlauf bezogen auf die Quermittelebene der Walzenanordnung aufweisen, können die Kräfte auf, die Beschleu nigung der und/oder die Bewegung der jeweiligen Walze für die Festlegung der Ausgleichskräfte in mehreren, in Längsrichtung der Walze untereinander beabstandeten Punkten gemessen werden, wobei in Abhängigkeit davon in mehreren in Längsrichtung der Walzen untereinander beabstandeten Bereichen separat festgelegte Ausgleichskräfte aufgebracht werden. Bei symmetrischen Kontakt schwingungen reicht es hingegen aus, die Ausgleichskräfte einheitlich festzulegen, auch wenn sie in unterschiedlichen Bereichen, beispielsweise an beiden endseitigen Lagern, auf die Walzen aufgebracht werden. Dabei kann die Beobachtung der Kräfte, Beschleunigungen und/oder Bewegungen durchaus in einer außermittigen Position erfolgen.

Vorzugsweise ist der Sensor für die Beschleunigungen und/oder Bewegungen der jeweiligen Walze über der Oberfläche der Walze, insbesondere in der Walzenmitte, angeordnet, wobei der Sensor ein Abstandssensor, vorzugsweise ein kapazitiver Abstandssensor ist, dem ein Korrektursensor für die Eigenbeschleunigungen bzw. Eigenbewegungen des Sensors zugeordnet ist. Der Korrektursensor für die Eigenbeschleunigung bzw. Eigenbewegung des Sensors ist erforderlich, weil in aller Regel eine Lagerung des Sensors für die Beschleunigung bzw. Bewegung der jeweiligen Walze nicht absolut ruhend angeordnet werden kann, sondern beispielsweise an einem Maschinengerüst gelagert werden muß, das seinerseits schwingt. Wenn die jeweils beobachtete Walze keine einfache Biegeschwingungen aufgrund der Kontaktschwingungen vollführt, sondern in der Walzenmitte einen Schwingungsknoten zeigt, wird der Sensor vorzugsweise im Bereich eines Viertels der Walzen länge angeordnet. Vorzugsweise wird der Sensor so angeordnet, daß er die Beschleunigungen bzw. Bewegungen der Walzen der durch die beiden Drehachsen definierten Ebene senkrecht zu der Drehachse der beobachteten Walzen registriert. Wenn hierfür keine Anbringungsmöglichkeiten des Sensors gegeben sind, besteht manchmal die Möglichkeit, den Sensor auch senkrecht zu der durch die Drehachsen definierten Ebene anzuordnen, weil in dieser Richtung von den Schwingungen in der Ebene abhängige Schwin gungskomponenten beobachtet werden können, beispielsweise bei einer elliptischen Bewegung der beobachteten Walze.

Wenn die Lager der beiden Walzen der Walzenanordnung um eine Schwenkachse auseinanderschwenkbar sind, sind der oder die Aktuatoren vorzugsweise tangential zu der Schwenkachse ange ordnet.

Auf welche Vielfachen der Drehfrequenz der Walze mit der sich potentiell verformenden. Oberfläche sich die Steuereinrichtung konzentriert, kann fest vorgegeben sein. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, daß die Steuereinrichtung bei Betriebsbeginn eine Systemidentifikation durchführt und dabei die für die Walzenanordnung relevanten Resonanzen ermittelt und daraufhin die Vielfachen der Drehfrequenz in Abhängigkeit von der Dreh frequenz selbst festlegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Anordnung der neuen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Ansteuerung der Aktuatoren bei einem Versuchs aufbau mit der Anordnung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 die Beschleunigung einer der beiden Walzen des Ver suchsaufbaus mit der Anordnung gemäß Fig. 1 aufgrund der Ansteuerung der Aktuatoren gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Walzenanordnung 1 weist eine erste Walze 2 und eine zweite Walze 3 auf, die parallel zueinander ausgerichtet sind und direkt oder indirekt aneinander anliegen. Der Fall des direkten Anliegens ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Walze 3 eine Stützwalze für die Walze 2 ist. Der Fall des indirekten Aneinanderliegens ist beispielsweise dann gegeben, wenn die Walzen 2 und 3 die Walzen eines Papierstreich apparats sind, zwischen denen eine Papierbahn hindurchgeführt wird. Die Walzen 2 und 3 laufen gegensinnig um ihre Drehachsen 4 und 5 um. Dabei kann es beispielsweise durch Unwuchten und Unrundheiten zu Kontaktschwingungen kommen. Die Kontaktschwin gungen der Walzen 2 und 3 weisen besonders große Amplituden auf, wenn durch die erzwungenen Kontaktsschwingungen irgendeine sich auf die Walzen 2 und 3 auswirkende Resonanz angeregt wird. Hierbei handelt es sich typischerweise um eine höhere Harmo nische der Drehfrequenz einer der beiden Walzen 2 oder 3. Im vorliegenden Fall soll gelten, daß die Oberfläche 6 der Walze 2 durch die Kontaktschwingungen eine zunehmende periodische Verformung erleidet, wobei die Periode der Verformung dem angesprochenen Vielfachen ihrer Drehfrequenz entspricht. Die Oberfläche 7 der Walze 3 ist demgegenüber von Verformungen ihrer Oberfläche aufgrund der Kontaktschwingungen weit weniger oder überhaupt nicht betroffen, wobei die Oberflächen 6 und 7 dennoch aus demselben Material ausgebildet sein können. Um die Kontakt schwingungen der Walzen 2 und 3 zu unterdrücken, sind zwischen den endseitigen, aber hier nicht selbst dargestellten Lagern an den Walzen 2 und 3 Aktuatoren 8 angeordnet, mit denen Aus gleichskräfte für die Kontaktschwingungen aufbringbar sind. Die Aktuatoren 8 werden von einer Steuereinrichtung 9 über ein Ansteuersignal 10 angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt in Abhängigkeit von einem Drehzahlsignal 11 eines Drehzahlsensors 12 und in Abhängigkeit von einem Wegsignal 13 eines Abstands sensors 14. Der Drehzahlsensor 12 erfaßt die Drehfrequenz der Walze 2 mit der sich potentiell verformenden Oberfläche 6. Hieraus bestimmt die Steuereinrichtung 9 die Frequenzen, mit denen die Aktuatoren 8 angesteuert werden. Hierbei handelt es sich um ein oder mehrere ganzzahlige Vielfache der Drehfrequenz einschließlich der Drehfrequenz selbst. Insbesondere handelt es sich um die Frequenz, die der potentiellen periodischen Verfor mung der Oberfläche 6 der Walze 2 entspricht. Unter Verwendung der aus dem Drehzahlsignal 11 festgelegten Frequenzen erzeugt die Steuerung 9 ein Ansteuersignal, das für jede der Frequenzen einen sinusförmigen Anteil aufweist. Die Phase und die Amplitude dieses Ansteuersignals werden mit der Steuereinrichtung 9 in Abhängigkeit von dem Wegsignal 13 des Abstandssensors 14 fest gelegt. Der Abstandssensor 14 erfaßt etwa im Bereich der Walzenmitte der Walze 3 auf der der Walze 2 abgekehrten Seite der Walze 3 die Bewegungen der Walze 3 aufgrund der Kontakt schwingungen. Wenn diese Bewegungen durch die Ausgleichskräfte der Aktuatoren 8 kompensiert werden, werden alle negativen Auswirkungen der Kontaktschwingungen unabhängig von ihrer Erregung beseitigt. Da es geradezu unmöglich ist, den Abstands sensor 14 ruhend gegenüber einem Inertialsystem anzuordnen, ist dem Abstandssensor 14 ein Korrektursensor 15 zugeordnet, der ein Korrektursignal 16 an die Steuereinrichtung 9 abgibt. Basierend auf einer Beschleunigungsmessung bietet der Korrektursensor 15 die Möglichkeit, die Eigenbewegungen des Sensors von dem Weg signal 13 abzuziehen, um die reine Bewegung der Walze 3 gegenüber dem Inertialsystem zu extrahieren. Die Anzahl der Frequenzen, mit denen die Steuereinrichtung 9 die Aktuatoren 8 ansteuert, bei denen es sich jeweils um ein ganzzahliges Vielfaches der Drehfrequenz der Walze 2 handelt, beträgt typischerweise 1 bis 5, je nach dem, wie breit der Bereich der Resonanz ist. Wenn beispielsweise drei ganzzahlige vielfache der Drehfrequenz in den Kernbereich dieser Resonanz fallen, erfolgt die Ansteuerung des Aktuators mit drei unterschiedlichen Frequenzen. Durch die Ausgleichskräfte der Aktuatoren 8 ist es möglich, das Auftreten sogenannter Rattermarken an der zur Verformung ihrer Oberfläche 6 neigenden Walze 2 zu verhindern, wenn diese eine harte Oberfläche aufweist, oder das Auftreten von elastischen, aber sich während des Betriebs der Walzen anordnung 1 nicht zurückstellenden Verformungen der Oberfläche 6 zu verhindern, wenn diese weich, d. h. beispielsweise aus einem Elastomerwerkstoff ausgebildet ist. Dieser Fall tritt beispielsweise bei Druckmaschinen oder auch bei Papier beschichtungsmaschinen auf.

Der den Fig. 2 und 3 zugehörige Versuchsaufbau entspricht der Anordnung gemäß Fig. 1, wobei die Oberfläche 6 der Walze 2 aus einem Elastomerwerkstoff ausgebildet ist. Fig. 2 zeigt die Spannung des Ansteuersignals 10 für die Aktuatoren 8, bei denen es sich um Linearmotoren handelt. Fig. 3 zeigt die bei dem Ansteuersignal 10 gemäß Fig. 2 aus dem Wegsignal 13 und dem Korrektursignal 16 ermittelten Beschleunigungen der Oberfläche 7 der Walze 3 in der von den beiden Drehachsen 4 und 5 festge legten Ebene. Das Ansteuersignal 10 führt die Beschleunigungen der Walze 3 sehr schnell auf einen unschädlichen Rest zurück. Das Ansteuersignal 10 wird dabei immer kleiner, wobei die Abnahme des Ansteuersignals 10 mit der Rückformung der elasti schen Oberfläche 6 der Walze 2 in eine Rundform einhergeht. Sobald das Ansteuersignal 10 ausgeschaltet wird, wachsen die Beschleunigungen der Walze 3 sofort wieder an. Gleichzeitig wird eine zunehmende periodische Verformung der Oberfläche 6 beobachtet, die ihrerseits in Form einer Rückkopplung die Kontaktschwingungen vergrößert.

Bezugszeichenliste

1

Walzenanordnung

2

Walze

3

Walze

4

Drehachse

5

Drehachse

6

Oberfläche

7

Oberfläche

8

Aktuator

9

Steuereinrichtung

10

Ansteuersignal

11

Drehzahlsignal

12

Drehzahlsensor

13

Wegsignal

14

Abstandssensor

15

Korrektursensor

16

Korrektursignal

Claims

1. Vorrichtung zum aktiven Unterdrücken von Kontaktschwingungen an einer Walzenan ordnung, die zwei parallel ausgerichtete, direkt oder indirekt aneinander anliegende Wal zen aufweist, von denen insbesondere eine ohne aktives Unterdrücken der Kontakt schwingungen eine zunehmende periodische Verformung ihrer Oberfläche zeigt, wobei für Kräfte auf mindestens eine, Beschleunigungen mindestens einer und/oder Bewegun gen mindestens einer der beiden Walzen mindestens ein ein Störsignal abgebender Sensor vorgesehen ist und wobei für das Aufbringen von Ausgleichskräften zwischen den Walzen mindestens ein Aktuator vorgesehen ist, wobei eine Steuereinrichtung vor gesehen ist, die ein Ansteuersignal für den Aktuator erzeugt, wobei sie dessen Phase und Amplitude in Abhängigkeit von dem Störsignal festlegt, dadurch gekennzeichnet, daß für die Walze (2) mit der sich insbesondere verformenden Oberfläche (6) ein Dreh zahlsensor (12) vorgesehen ist, der die Drehfrequenz der Walze (2) mißt und ein Dreh zahlsignal (11) abgibt, und daß die Steuereinrichtung (9) unter Verwendung der aus dem Drehzahlsignal (11) festgelegten Drehfrequenz und/oder mindestens einem aus der Drehfrequenz generierten ganzzahligen Vielfachen der Drehfrequenz das Ansteuersignal (12) für jeden Aktuator (8) erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor für die Beschleunigungen und/oder Bewegungen der jeweiligen Walze (2 oder 3) über der Oberfläche (6 bzw. 7) der Walze, insbesondere in der Walzenmitte, angeordnet ist, wobei der Sensor ein Abstandssensor (14), vorzugsweise ein kapazitiver Abstandssensor ist, dem ein Korrektursensor (15) für die Eigen beschleunigungen bzw. Eigenbewegungen des Sensors zugeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager der beiden Walzen (2 und 3) um eine Schwenkachse auseinanderschwenkbar sind, und daß der oder die Aktuatoren (8) tangential zu der Schwenkachse (21) angeordnet sind.