DE3622313A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen der unwucht oder unrundheit einer welle oder dergl. rotationskoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung behandelt das Problem der berührungslosen Fest­ stellung, Vermessung und Lokalisierung einer Unwucht oder Un­ rundheit einer Welle oder dgl. Rotationskörper im µm-Bereich und für höchste Drehzahlen, bei denen Unwuchten zu Tage treten, die mit herkömmlichen Meßinstrumenten nicht feststellbar sind. Bekannte statisch oder dynamisch wirkende Auswuchtmaschinen sind für größere Rotationskörper ausgelegt und haben nicht die Meßgenauigkeit, die zum Feststellen und Vermessen von Unwuchten oder Unrundheiten einer Welle im µm-Bereich erforderlich ist.

Wenn im Folgenden von einer Welle gesprochen wird, so ist damit jeglicher Rotationskörper, auch ein profilierter Rotationskörper wie z. B. ein Spiralbohrer, gemeint. Unter einer "Unwucht" ist stets auch eine Unrundheit zu verstehen, die auch bei einer ge­ nau zentrischen Lagerung einer Welle bei deren schneller Drehung eine Unwucht, d. h. ein rotierender Vektor einer Zentrifugal­ kraft sein kann.

Es wurde gefunden, daß mittels eines Laserstrahls mit parallelem Lichtbündel und eines positionsempfindlichen, auf den Laser­ strahl ausgerichteten Detektors eine Unwucht-Messung höchster Genauigkeit und selbst für Wellen mit einem Durchmesser bis hinunter zu 1 mm durchgeführt werden kann.

Soweit es auch nur auf die berührungslose Feststellung einer Unwucht ankommt, wird die gestellte Aufgabe durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das Prinzip der gefundenen Lösung, das auf dem Ausblenden eines Teilquerschnittes des Laserstrahls durch eine sich drehende Welle beruht, geht einher mit der Erkenntnis, daß die bloße Aufnahme der sich ändernden Lichtenergie durch eine hellig­ keitsempfindliche Fotodiode zu träge und zu ungenau wäre. Wie Versuche gezeigt haben, liefert ein positionsempfindlicher Detektor Ausgangssignale mit einer Auflösung im µm-Bereich in Abhängigkeit von dem Querverschiebeweg eines Fest­ körpers, der in den Laserstrahl hineingeschoben wird und einen Teilquerschnitt desselben ausblendet. Dieses Phänomen beruht offenbar darauf, daß ein positionsempfindlicher Detektor ein dem Mittelpunkt eines Laserstrahls mit parallelem Lichtbündel adäquates Ausgangssignal liefert, das sich proportional zur graduellen Ausblendung des Laserstrahls ändert.

Zum Vermessen der Unwucht oder Unrundheit dient das Eich-Verfahren nach dem Patentanspruch 2. Hiernach werden unter Vermessung des Quer­ verschiebeweges eines Festkörpers bzw. Referenzkörpers, der auch die Meß-Welle sein kann, am Detektor zwei verschiedene Ausgangssignale erzeugt, aus denen die Maß-Einheit der Signale ermittelt werden kann. Da der Detektor bei der Drehung der mit einer Unwucht behafteten Welle ein sinusähnliches Änderungssig­ nal abgibt, bedeutet die Summe der Amplituden des Änderungs­ signals die Größe der Unwucht in der Maß-Einheit, z. B. µm.

Soweit bisher beschrieben, ist die Drehlage der Unwucht bzw. die Exzentrizität der Welle gegenüber ihren Lagermitten noch nicht ermittelt. Hierzu dient das Verfahren gemäß dem Patent­ anspruch 3, wonach mit Hilfe eines elektronischen Phasen- Detektors und eines auf der Welle angebrachten Bezugspunktes ein der Drehlage des Bezugspunktes entsprechendes Referenz­ signal erzeugt wird.

Der Bezugspunkt ist zweckmäßig ein erhabener Tupfer, der auf die Oberfläche der Welle aufgebracht wird und der optoelektro­ nisch, induktiv (wenn er magnetisierbare Eisenpartikel ent­ hält) oder auch durch Ausblendung des Laserstrahls im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfaßt wird.

In der Zeichnung ist schematisch eine Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ausführungsbei­ spiel dargestellt, anhand dessen das Meßverfahren erläutert wird.

Apparativ erforderlich sind ein Lasergerät 1 zum Aussenden eines Laserstrahls 1 a mit parallelem Lichtbündel, ein auf den Laserstrahl ausgerichteter positionsempfindlicher Detektor 3, ein durch einen Motor M gekennzeichneter Drehantrieb zur Auf­ nahme und Drehung einer Meß-Welle 2, ein quer zum Laserstrahl 1 a verschiebbarer Support, der durch den Doppelpfeil 4 schema­ tisch dargestellt ist, zur Aufnahme und zur Drehung der Meß- Welle 2, ein an den positionsempfindlichen Detektor 3 ange­ schlossenes Gerät zur Signalverarbeitung 5 sowie ein parallel­ geschalteter Phasendetektor 9.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß - wenn die Meß-Welle fest montiert, z. B. eine Turbinenwelle einer im Betrieb befindlichen Turbine ist - sowohl das Lasergerät 1 als auch der positionsempfindliche Detektor 3 zur relativen Querver­ schiebung zwischen Meß-Welle und Laserstrahl durch quer­ verschiebbare Supporte abgestützt und getragen sein müssen. In jedem Fall empfiehlt es sich, diese Geräte schwingungsfrei zu positionieren.

Bei dem Lasergerät 1 handelt es sich um einen Helium-Neon- Laser mit einer Leistung von 1 mW (Versuchsanordnung).

Das von einem solchen Laser erzeugte rote Licht erleichtert visuelle Feststellungen dahingehend, ob das Meßobjekt, die Welle 2, vom Laserstrahl berührt wird oder nicht. Da der Laserstrahl 1 a auf den positionsempfindlichen Detektor 3 ausgerichtet ist, liefert dieser ein Null-Signal, wenn die Welle 2 vom Laserstrahl nicht berührt wird.

Die Welle 2 ist um eine Achse 2 a drehbar in der Drehvorrich­ tung M eingespannt, die bei der Versuchsanordnung eine Bohr­ maschine für elektronische Labors war.

Um die am häufigsten vorkommende Unwucht einer Welle aufzu­ zeigen, die durch ungenaue Aufnahme der Welle oder wegen Durchhängens bei der Bearbeitung in der Drehmaschine ent­ steht, ist die Drehachse 2 a der Welle 2 um das Maß E über­ trieben exzentrisch zum wahren Mittelpunkt der Welle versetzt dargestellt.

Um die dargestellte Meßvorrichtung zu eichen, wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird die Welle 2 im Stillstand so weit zum Laserstrahl 1 a hin querverschoben, bis der Laserstrahl die Welle 2 berührt, wodurch der Detektor 3 eine Abweichung vom Null-Signal liefert. Dieses Signal wird als Referenzsignal der Messung festgehalten. Daraufhin wird die Welle erneut in die eine oder andere Richtung querverschoben, jedoch unter Messung des Verschiebeweges, weshalb der Support 4 mit einer Feingewindespindel mit Nonius-Skala versehen ist, so daß eine Querverschiebung im Bereich von 1/100 mm ablesbar ist. Der Detektor 3 liefert daraufhin ein zweites Referenzsignal. Aus der Differenz der beiden verschiedenen Ausgangssignale im Ver­ gleich zu dem vermessenen Querverschiebeweg ist die Maß-Ein­ heit ( µm) der angezeigten Querverschiebung zu ermitteln und wird im Gerät 5 zur Signalverarbeitung gespeichert. Wenn die Welle 2 in Drehung versetzt wird, ist die Amplitude der damit auftretenden periodischen Änderung des Ausgangssignals des Detektors 3 als Maß für die Größenordnung der Unwucht zu ver­ werten.

Da die periodisch auftretenden Änderungen des Ausgangssignals sinusartig verlaufen, ist die Summe der Amplituden der Sinus­ schwingung im Gerät für Signalverarbeitung 5 als Größe der Unwucht zu verarbeiten. Die vorbeschriebene Eichung der Vor­ richtung liefert als Weg-Einheit eine Gerätekonstante, die nur von der Skala der Querverschiebung des die Welle 2 tragen­ den Supports 4 abhängig ist, nicht von dem Durchmesser oder einer etwaigen Unwucht der Welle.

Der eigentliche Meßvorgang ist folgender: In der Zeichnung ist die Welle 2 voll ausgezogen in einer Drehlage dargestellt, in der die Unwucht bezw. Exzentrizität E vom Laserstrahl 1 a weg gerichtet ist. Um die nachfolgende Beschreibung nicht zu komplizieren sei angenommen, daß es möglich ist, die Welle 2 in dieser Drehlage so weit an den Laserstrahl anzunähern, daß dieser den Umfang der Welle tangiert, vom Detektor 3 also gerade noch das Null-Signal abgegeben wird, das auch anliegt, wenn die Welle 2 weiter querab stünde. Diesem Null- Signal entspricht die Mittellinie des Laserstrahls 1 a bei dessen vollem Querschnitt D′₁. Wenn nun die Welle mit der Meßdrehzahl in Drehung versetzt wird, wird der Laserstrahl bei jeder Umdrehung von der Unwucht auf einem Teilquerschnitt 6 ausgeblendet, wie die gestrichelte Darstellung der Welle 2 nach einer halben Umdrehung zeigt. Diese periodische teil­ weise Abdeckung des Laserstrahls 1 a führt nun im Detekor 3 zu einer Abweichung Δ X vom Null-Signal, obwohl dieser Detek­ tor nicht auf die verminderte Helligkeit bezw. Lichtenergie des teilweise ausgeblendeten Laserstrahls ansprechen kann, da es sich um einen positionsempfindlichen Detektor handelt. Wie durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet, führt der aus­ geblendete Teilquerschnitt 6 des Laserstrahls zu einem Rest­ querschnitt D ₂ und demgemäß im Detektor zu der Abweichung Δ X, die der Hälfte der Exzentrizität E der Welle 2 entspricht.

Die Zeichnung zeigt rechts neben dem Detektor 3 einen sinus­ artigen Verlauf der Plus-Abweichung Δ X vom Null-Signal über die Zeit, d.h. bei Drehung der Meßwelle 2.

Tatsächlich ist es in der Praxis nicht notwendig, die darge­ stellte Konstellation der Welle 2 zum Laserstrahl 1 a einzu­ stellen. Man kann einfach mit der sich drehenden Welle 2 in den Laserstrahl "hineinfahren", wobei der Detektor 3 eine sinus-ähnliche Signalfolge mit der Amplitude Δ X liefert, deren Amplitudensumme der Unwucht E entspricht. Hält man vor den Detektor 3 ein Blatt Papier, so ist aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges eine Linie sichtbar.

Es konnte mit einer Versuchsanordnung mit Laborgeräten bei einer Welle von 3-mm Durchmesser und einer Meßdrehzahl von 10⁴upm eine Unwucht von 10 µm gemessen werden. Wichtig ist, daß die Oberflächengüte der Welle besser ist als die zu vermessende Unwucht. Was die Empfindlichkeit der Meßan­ ordnung bzw. des Verfahrens anbelangt, konnte eine Nachweis­ grenze von 0,01 µm ermittelt werden.

Bei der Prüfung auf Unrundheiten einer Welle verhält sich die Meßanordnung wie vorbeschrieben bei einer Unwucht, nur spielt dann eine Meßdrehzahl keine Rolle. Die Welle kann während eines Meßvorganges langsam gedreht werden.

Auch zur Lokalisierung einer Unwucht kann die dargestellte Meß­ vorrichtung benutzt werden. Wenn auf der Welle 2 in Höhe des Laserstrahls 1 a ein erhabener Tupfer aufgebracht und die Welle gedreht wird, wird der Tupfer als eine Unrundheit erkannt. Bei der größten drehlagen-abhängigen Signalabweichung des Detektors 3 wird die aktuelle Drehlage als Null Grad der Winkelskala dem Phasendetektor 9 zugeführt, dem beim Messen der Unwucht unter Drehzahl auch die Signalabweichung des Detektors 3 zugeführt wird. Der Phasendetektor 9 ermittelt die Phasenverschiebung zwischen Null Grad und dem Winkel, unter dem die Signalabwei­ chung ein Optimum erreicht, womit die Unwucht lokalisiert ist. Es liegt im Rahmen der Erfindung, statt des Laserstrahls einen normalen Lichtstrahl mit parallelem Lichtbündel eines Lichtwerfers zu verwenden.

Claims (7)

1. Verfahren zur berührungslosen Feststellung, Vermessung und Lokalisierung einer Unwucht oder Unrundheit einer Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) unter Drehung relativ zu einem auf einen positionsempfind­ lichen Detektor (3) ausgerichteten Laserstrahl (1 a) mit parallelem Lichtbündel querverschoben wird, bis die Welle einen Teilquerschnitt des Laserstrahls ausblendet, und daß eine periodische Änderung des Ausgangssignals des Detektors als Anzeichen für das Vorhandensein einer Unwucht oder Un­ rundheit der Welle einer Signalverarbeitung (5) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zum Vermessen der Unwucht oder Un­ rundheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörper, z. B. die Welle (2), ohne Drehung nacheinander in zwei verschiedene Relativ­ lagen zum Laserstrahl (1 a) unter Vermessung des Weges quer­ verschoben wird, in denen der Detektor (3) zwei verschiedene Ausgangssignale liefert, aus deren Differenz im Vergleich zu dem vermessenen Querverschiebeweg die Maß-Einheit (µm) der Amplitude der bei der Drehung der Meß-Welle (2) auftretenden periodischen Änderung des Ausgangssignals des Detektors er­ mittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 zur Lokalisierung der Unwucht oder Unrundheit, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Vermessung auf der Welle (2) ein Bezugspunkt angebracht wird, dessen der op­ timalen Annäherung an den Laserstrahl (1 a) zugeordnete Dreh­ lage als Referenzsignal einem elektronischen Phasendetek­ tor (9) zugeführt wird, dem auch die periodischen Änderungen des ( Δ X) Ausgangssignals des positionsempfindlichen Detektors (3) zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugspunkt ein erhabener Tupfer aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Tupfer optoelektronisch, induktiv oder durch eine Ausblendung des Laserstrahls (1 a) erfaßt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Lasergerät (1) zum Aussenden eines Laserstrahls (1 a) mit parallelem Lichtbündel, einen positionsempfindlichen Detektor (3), eine Drehvorrichtung (M) zur Aufnahme und Drehung der Meß- Welle (2), je einen verschiebbaren Support (4) zur Abstützung und Auf­ nahme entweder der Drehvorrichtung oder - bei Vermessung einer fest montierten Meß-Welle - sowohl des Lasergerätes als auch des positionsempfindlichen Detektors zur relativen Querverschiebung zwischen Meß-Welle und Laserstrahl, wobei der Querverschiebeweg des oder der Supporte ablesbar ist, und durch eine an den Detektor (3) anschließbare Signal­ verarbeitung (5).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Phasendetektor (5) zum Anschluß an den positionsempfindlichen Detektor (3).