DE19821854C1 - Vorrichtung zum aktiven Unterdrücken von Kontaktschwingungen an einer Walzenanordnung - Google Patents
Vorrichtung zum aktiven Unterdrücken von Kontaktschwingungen an einer WalzenanordnungInfo
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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.
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 (3)
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.
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