DE3644811A1 - Schwingfoerderer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingförderer, bestehend aus einer eine Förderbahn aufweisenden schwingenden Masse, die mit Federn an ortsfesten Punkten angebracht ist und mit Hilfe wenigstens eines Anregungsmagneten in Schwingun­ gen versetzt wird, insbesondere zur niederfrequenten An­ regung für die Durchführung von reinen Gleitbewegungen von zu transportierenden Teilen auf der Förderbahn.

Derartige Schwingförderer sind als Linearförderer und ins­ besondere in Form von Schwingfördertöpfen seit vielen Jahren bekannt und werden industriell vielfältig zur Zuförderung von Massenteilen verwendet. Die Schwingfördertöpfe weisen an ihrem äußeren Umfang eine gewendelte Förderbahn auf, auf der die Massenteile vereinzelt und ggfs. nach ihrer Lage sortiert werden, so daß sie am oberen Ende der gewen­ delten Bahn nacheinander in der gewünschten Ausrichtung ab­ nehmbar sind. Die seit vielen Jahren prinzipiell unverändert verwendeten Schwingfördertöpfe weisen einen Antrieb auf, der aus schräggestellten Plattfedern besteht, die am äußeren Umfangskreis des Schwingfördertopfes etwa tangential ausgerichtet sind und eine untere ortsfeste Gegenmasse mit der durch den Schwingfördertopf gebildeten schwingenden Masse verbinden. Ein ursprünglich verwendeter zentral ange­ ordneter Erregermagnet ist aus Gründen des Wirkungsgrades durch mehrere Erregermagneten am äußeren Umfangskreis des Förderertopfes ersetzt worden, wobei diese Magnete etwa senkrecht zur Plattfeder ausgerichtet sind. Üblicherweise wird bei diesen Schwingfördertöpfen den Massenteilen mit einer harmonischen netzfrequenten Anregung eine Mikrowurf­ bewegung mit einem Abwurfwinkel von 10-20° aufgeprägt. Die Mikrowürfe führen zu einer nicht unerheblichen mecha­ nischen Belastung der Massenteile, erzeugen einen erheb­ lichen Lärm und bewirken eine sehr unregelmäßige Förderung, die von einer Vielzahl von nicht beherrschbaren Parametern abhängt. Die Schwingfördertöpfe bedürfen daher einer stän­ digen Überwachung und Wartung.

Durch die Monographie Habenicht "Grundlagenuntersuchungen zur Werkstückleitförderung in Schwingzuführsystemen", VDI-Verlag 1984, ist ein Schwingförderer nach dem Gleit­ förderprinzip untersucht worden. Dabei wird der Förderrinne eine harmonische Bewegung aufgeprägt, die das zu fördernde Teil einerseits horizontal in Förderrichtung, andererseits vertikal nach oben (also entgegen der Erdanziehung) be­ schleunigt. Durch die nach oben gerichtete vertikale Be­ schleunigung verringert sich die normalkraftabhängige Haftreibung, so daß das Teilchen aufgrund der Horizontalbe­ schleunigung vorwärtsgleiten kann. Wichtige Randbedingung hierbei ist, daß die durch die vertikale Aufwärtsbewegung erzeugte Beschleunigung unter der Erdbeschleunigung bleibt, so daß ein Abheben der Teilchen vermieden wird. Bei der er­ forderlichen Rückstellbewegung des Schwingantriebs wird gleichzeitig eine vertikal nach unten gerichtete Bewegung ausgeübt, die die Normalkraft auf die Förderrinne und somit die Haftreibung vergrößert. Dadurch läßt sich erreichen, daß während der Vorwärtsbewegung in Förderrichtung das Teil gleitet, während es bei der Rückstellbewegung auf dem Bo­ den der Förderrinne haftet. Der Antrieb des Schwingförderers ist hierbei wesentlich niederfrequenter als bei den her­ kömmlichen Schwingförderern und liegt beispielsweise bei 3-5 Hz. Die auf einer beschriebenen Versuchsanordnung realisierte Gleitförderung hat den Vorteil einer erheblichen Teileschonung sowie einer wesentlichen Lärmverminderung. Darüberhinaus entsteht ein relativ gut definierter Förder­ weg pro Schwingzyklus, so daß die Fördergeschwindigkeit gut definierbar und einstellbar ist.

Zur Vermeidung undefinierter Zustände ist die Anregung der Schwingförderer mit einer Frequenz erfolgt, die einen deut­ lichen Abstand zur Resonanzfrequenz aufweist, um undefinier­ te Zustände im Bereich der Resonanzfrequenz - im Extremfall sogar die sogenannte "Resonanzkatastrophe" - zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schwingförderer der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die Förderung der Massenteile mit einem verbesserten Wirkungsgrad erfolgt, daß auch bei variierender Beladung eine konstante Maximalbeschleunigung der Massenteile erzielt wird und daß durch Resonanzerscheinungen keine Unregelmäßigkeiten auftre­ ten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schwingförderer der ein­ gangs erwähnten Art gelöst durch

• - einen mit der Masse verbundenen Bewegungsaufnehmer,
• - eine Auswertungseinrichtung, die die Amplitude und die Periode des Ausgangssignals des Bewegungsaufnehmers mißt, und
• - eine Steuerung, die Steuerimpulse für den Anregungsmagne­ ten mit einer solchen Stärke und zeitlichen Verteilung produziert, daß die Masse möglichst nahe ihrer Resonanz­ frequenz schwingt und die Schwingungsamplitude einen vor­ bestimmten Sollwert aufweist.

Der erfindungsgemäße Schwingförderer weist gegenüber den herkömmlichen Schwingförderern ein völlig neues und ander­ artiges Antriebsprinzip auf. Erfindungsgemäß bewegt der An­ regungsmagnet die schwingende Masse mit einer Frequenz, die möglichst mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt. Durch ständige Überwachung und Regelung sowohl der Amplitude also auch der Frequenz wird der Masse genau so viel Anregungs­ energie über den Anregungsmagneten zugeführt, daß die ge­ wünschte Amplitude erreicht wird. Dadurch ist es möglich, in der Resonanzfrequenz anzuregen, ohne ungewollte Ampli­ tudenüberhöhungen (Resonanzkatastrophe) zu provozieren. Durch die Regelung der Anregungsfrequenz wird sichergestellt, daß bei Änderungen der Masse durch Zuführung von Massenteilen oder die Übergabe von Massenteilen vom Schwingförderer auf ein Abnahmesystem die Resonanzfrequenz nicht wesentlich ver­ lassen wird, so daß immer ein minimales Maß an Anregungs­ energie erforderlich ist, um die gewünschte Sollamplitude zu erzeugen.

In einer konkreten Ausführungsform gelangt das Ausgangssig­ nal des Bewegungsaufnehmers einerseits auf einen Amplituden­ detektor, dessen pro Periode festgestellter Amplitudenwert mit dem vorbestimmten Sollwert in einer Vergleichsstufe ver­ glichen wird, deren Ausgangssignal auf einen ersten Regler für die Stärke der Steuerimpulse gelangt, und andererseits auf einen Nulldurchgangsdetektor, an den sich eine Meß­ schaltung für die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen (Halb­ periode) anschließt, deren Ausgangssignal mit einem vorher gemessenen Differenzwert in einer Vergleichsstufe verglichen wird, die einen zweiten Regler für die zeitliche Verteilung der Steuerimpulse steuert. Vorzugsweise wird abwechselnd jeweils während eines Nulldurchganges angeregt und während des anderen Nulldurchganges lediglich beobachtet, so daß eine Regelung von Periode zu Periode erfolgen kann.

Als Bewegungsaufnehmer wird vorzugsweise ein Beschleunigungs­ aufnehmer verwendet. Es ist jedoch auch möglich, statt ei­ nes Beschleunigungsaufnehmers einen Weg- oder Geschwindig­ keitsaufnehmer einzusetzen.

Eine zusätzliche Sicherung gegen Amplitudenüberhöhungen wird dadurch erreicht, daß die Regelstufe für die Stärke der Anregungsimpulse eine Anstiegsbegrenzungsstufe für Sollwertänderungen aufweist, so daß einer Resonanzüberhöhung beim Einregeln nach Sollwertänderungen entgegengewirkt wird.

In den Fällen, in denen die Masse des mit Massenteilen be­ ladenen Schwingförderers unbekannt ist, ist die Verwendung einer Startschaltung zweckmäßig, mit der kurze Anregungs­ impulse für den Anregungsmagneten in einem solchen zeitlichen Abstand erzeugt werden, daß sich jeweils eine freie Schwin­ gung des Systems ausbilden kann, deren Grundperiode mit Hilfe des Nulldurchgangsdetektors feststellbar und als un­ gefährer Wert der Resonanzfrequenz verwendbar ist. In diesem Fall kann die Schaltung eine "Lernphase" durchmachen, in der bei mehreren Anregungsimpulsen die Eigenfrequenz des schwin­ genden Systems festgestellt wird. Eine ungefähre Feststel­ lung dieser Eigenfrequenz reicht aus, um die Regelung der Amplitude und der Anregungsfrequenz auf der Resonanzfrequenz wirksam werden zu lassen. Bei bekannten Systemen kann daher auf diese Startschaltung verzichtet werden, da die Anregungs­ frequenz grob bekannt ist, so daß sie nicht in einem Lern­ schritt ermittelt werden muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Antriebes eines er­ findungsgemäßen Schwingförderers,

Fig. 2 den Verlauf eines typischen Ausgangssignals ei­ nes an der schwingenden Masse befestigten Be­ schleunigungsaufnehmers sowie typische, von der Anregungsspule erzeugte Anregungsimpulse.

Der in Fig. 1 illustrierte Antrieb geht von einem herkömm­ lichen Aufbau eines Schwingförderers aus, der mit einer Er­ regerspule 1 eines Elektromagneten zum Schwingen angeregt wird. Die schwingende Masse wird beispielsweise durch einen Schwingtopf gebildet. Dessen Bewegung wird von einem Be­ schleunigungsaufnehmer S als Sensor für die Bewegung der Masse elektrisch detektiert. Das Ausgangssignal des Be­ schleunigungsaufnehmers S gelangt über ein Tiefpaßfilter 2 (Grenzfrequenz beispielsweise 100 Hz) einerseits auf einen Amplitudendetektor 3 innerhalb einer Amplitudenregelschlei­ fe 4 und andererseits auf einen Nulldurchgangsdetektor 5 innerhalb einer Frequenzregelschleife 6.

Der Amplitudendetektor 3 detektiert pro Periode die Maximal­ amplitude des Ausgangssignals des Beschleunigungsaufnehmers S. Dieser Maximalwert wird mit dem an einem Potentiometer 7 eingestellten Sollwert verglichen, der über eine Anstiegs­ begrenzungsschaltung 8 einer als Vergleichsstufe dienenden Addierschaltung 9 zugeführt wird. Der durch den Amplitudendetektor 3 detektierte Maxi­ malwert wird dabei invertiert, so daß die Differenz zwischen Sollwert und detektiertem Maximalwert in der Addierschaltung 9 gebildet wird. Das in der Addierstufe 9 gebildete Diffe­ renzsignal gelangt auf den Eingang eines ersten Reglers 10, der als PI-Regler ausgebildet ist. Dessen Ausgangssignal steuert einen Pulsbreitenmodulator 11, bestimmt also die Breite der vom Pulsbreitenmodulator 11 gelieferten Impulse. Parallel zum ersten Regler 10 wirkt auf dessen Ausgangs­ signale eine Anfahrbegrenzungsstufe 12. Bei der Anfahrbe­ grenzungsstufe 12 handelt es sich um einen Integrator, der zu Beginn des Anfahrvorganges gelöscht wird und der langsam (ca. 5-20 sec) auf seinen Maximalwert hochläuft. Dort bleibt er dann stehen, so daß dann die Regelung frei in Be­ trieb ist. Während des Anfahrvorganges wird die Stellgröße des ersten Reglers 10 auf den Wert des Integrators begrenzt. Sobald die Beschleunigungsamplitude dem Sollwert entspricht, löst sich der erste Regler 10 aus der Begrenzung und der Amplitudenregelkreis 4 ist in Betrieb. Der Ausgang des Puls­ breitenmodulators 11 steuert einen Schalter 13, über den die Erregerspule 1 eines Elektromagneten mit einer Spannungs­ quelle (+V) verbunden ist. Während der Dauer der Ausgangs­ impulse des Pulsbreitenmodulators 11 wird der Schalter 13 geschlossen, so daß sich das Feld der Erregerspule 1 auf­ bauen kann. Aufgrund der induktiven Eigenschaft der Erreger­ spule steigt das durch die Erregerspule erzeugte magnetische Feld allmählich an, wobei die Stärke des sich ausbildenden Feldes etwa proportional zur Breite der Ausgangsimpulse des Pulsbreitenmodulators 11 ist.

Die Anstiegsbegrenzungsschaltung 8 beinhaltet einen Integra­ tor, der über eine Begrenzerstufe rückgeführt ist. Solange das Eingangssignal, also der Amplitudensollwert, konstant ist oder sich nur langsam ändert, ist das Ausgangssignal der Anstiegsbegrenzungsschaltung 8 nahezu gleich ihrem Eingangs­ signal. Wird die Änderungsgeschwindigkeit des Sollwerts der Amplitude so groß, daß die Begrenzerstufe innerhalb der An­ stiegsbegrenzungsschaltung 8 wirksam wird, erfolgt der An­ stieg des Ausgangssignals nur mit der Geschwindigkeit, die durch den Begrenzer vorgegeben ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Anstiegsbegren­ zungsschaltung 8 eine Zusatzfunktion. Wird ein Anschlagen des Schwingtopfes an die ortsfeste Masse detektiert, erkennt der Amplitudendetektor 3 eine Beschleunigungsspitze. Darauf­ hin wird der Wert des Integrators in der Anstiegsbegrenzungs­ schaltung 8 reduziert, beispielsweise halbiert. Dadurch er­ hält der erste Regler 10 für eine gewisse Zeit nur den hal­ ben Sollwert, der mit der Hochlaufgeschwindigkeit des Inte­ grators innerhalb der Anstiegsbegrenzungsschaltung 8 wieder auf den ursprünglichen Wert gebracht wird.

Das Ausgangssignal des Beschleunigungsaufnehmers S gelangt ferner auf den Nullstellendetektor 5, der zugleich die Zeit­ spanne zwischen zwei Nulldurchgängen ermittelt. Der Abstand zwischen zwei Nulldurchgängen wird verglichen mit dem Soll­ wertabstand, und zwar in einer der Addierstufen 9 analogen Addierstufe 14. Über einen Schalter 15 gelangt das Differenz­ signal der Addierstufe 14 als Steuersignal auf einen zweiten Regler 16, der ebenfalls als PI-Regler ausgebildet ist. Der zweite Regler 16 steuert den zeitlichen Beginn der vom Puls­ breitenmodulator 11 abgegebenen Impulse, also den Zeitpunkt, zu dem der Schalter 13 geschlossen wird. Die Regelschleife 6 für die Phase wird erst wirksam, wenn eine Minimalamplitu­ de aufgrund der Regelung des Regelkreises 4 für die Amplitu­ de erreicht worden ist. Erst dann wird der Schalter 15 geschlossen, so daß die Phasenregelung mittels des Phasen­ regelkreises 6 durchgeführt werden kann.

Fig. 1 verdeutlicht mit gestrichelten Linien, daß mit Aus­ nahme des Sollwert-Potentiometers 7 sowie des Beschleuni­ gungsaufnehmers S und der Anregungsspule 1 alle Funktionen des Regelkreises 4, 6 und des Anstiegsbegrenzers 8 durch einen Mikroprozessor 17 ausgeübt werden können. Dabei kann der Mikroprozessor in einer Lernphase die Eigenfrequenz der schwingenden Masse feststellen und als Sollwert für die Phase abspeichern.

Fig. 2 verdeutlicht schematisch eine bevorzugte Funktions­ weise der Phasenregelschleife 6. In Zeile a) der Fig. 2 ist ein typisches Ausgangssignal des Beschleunigungsaufneh­ mers S dargestellt, das etwa sinusförmig ist, wenn sich auch die Bewegung der Masse etwa sinusförmig einstellt. Die zuge­ hörigen Anregungsimpulse durch die Anregungsspule 1 zeigt Zeile b) der Fig. 2. Durch das Schließen des Schalters 13 steigt der Strom nahezu linear an, bis der Schalter 13 durch den Ausgangsimpuls des Pulsbreitenmodulators 11 wieder ge­ öffnet wird. Danach fällt der Strom durch die Anregungsspule 1 etwa linear wieder ab, so daß sich der dargestellte, etwa dreieckförmige zeitliche Verlauf für das Magnetfeld ergibt, das mit der Anregungsspule 1 erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt in Zeile b) in gestrichelter Form einen An­ regungsimpuls für einen breiteren Ausgangsimpuls des Puls­ breitenmodulators 11. Daraus wird ersichtlich, daß aufgrund der größeren Impulsbreite ein weiterer Anstieg des Stromes durch die Anregungsspule 1 erfolgt, der zu einem stärkeren Anregungsimpuls mit einer größeren Amplitude führt.

Der Pulsbreitenmodulator 11 wird so gesteuert, daß die An­ regungsimpulse genau zum Zeitpunkt jedes zweiten Nulldurch­ ganges, der vom Nulldurchgangsdetektor 5 detektiert wird, erzeugt werden. Der darauffolgende Nulldurchgang dient zur Feststellung der aktuellen Halbperiode T, die den Zeitpunkt festlegt, zu dem der nächste Anregungsimpuls erzeugt wird.

Bezüglich der Nulldurchgänge wechseln sich daher die Schrit­ te "anregen" und "beobachten" ab. Diese Arbeitsweise ist je­ doch nicht zwingend. Die Steuerimpulse können auch eine kon­ tinuierlich geregelte sinusförmige Topfanregung bewirken. In diesem Fall wird die Sollphase durch Bestimmung der momenta­ nen Phase ermittelt.

Claims (9)

1. Schwingförderer, bestehend aus einer eine Förderbahn auf­ weisenden schwingenden Masse, die mit Federn an ortsfesten Punkten angebracht ist und mit Hilfe wenigstens eines An­ regungsmagneten (1) in Schwingungen versetzt wird, insbe­ sondere zur niederfrequenten Anregung für die Durchführung von reinen Gleitbewegungen von zu transportierenden Teilen auf der Förderbahn gekennzeichnet durch
einen mit der Masse verbundenen Bewegungsaufnehmer (S),
eine Auswertungseinrichtung, die die Amplitude und die Periode des Ausgangssignals des Bewegungsaufnehmers (S) mißt, und
eine Steuerung, die Steuerimpulse für den Anregungsmagneten (1) mit einer solchen Stärke und einer solchen zeitlichen Verteilung produziert, daß die Masse möglichst nahe ihrer Resonanzfrequenz schwingt und die Schwingungsamplitude einen vorbestimmten Sollwert aufweist.

2. Schwingförderer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Bewegungsaufnehmers (S) einer­ seits auf einen Amplitudendetektor (3), dessen pro Perio­ de festgestellter Amplitudenwert mit dem vorbestimmten Soll­ wert in einer Vergleichsstufe (9) verglichen wird, deren Aus­ gangssignal auf einen ersten Regler (10) für die Stärke des Steuerimpulses gelangt, und andererseits auf einen Nulldurchgangsdetektor (5) gelangt, an den sich eine Vergleichsstufe (14) zum Vergleich der Nulldurchgänge mit aus vorherigen Messungen bestimmten Referenz-Nulldurch­ gängen anschließt, die einen zweiten Regler (16) für die zeitliche Verteilung der Steuerimpulse steuert.

3. Schwingförderer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite Nulldurchgang zur Anregung des Anre­ gungsmagneten (1) und die dazwischenliegenden Nulldurch­ gänge zur Feststellung von Referenz-Nulldurchgängen aus­ genutzt werden.

4. Schwingförderer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an die Regler für die Steuerimpulse ein Pulsbreitenmodulator (11) angeschlossen ist, dessen Aus­ gangsimpulse in ihrer Breite durch den ersten Regler (10) und in dem Zeitpunkt ihres Beginns durch den zweiten Regler (16) bestimmt werden.

5. Schwingförderer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch eine Startschaltung, mit der kurze An­ regungsimpulse für den Anregungsmagneten (1) in einem solchen zeitlichen Abstand erzeugt werden, daß sich je­ weils eine freie Schwingung des Systems ausbilden kann, deren Grundperiode mit Hilfe des Nulldurchgangsdetektors (5) feststellbar und als ungefährer Wert der Resonanz­ frequenz verwendbar ist.

6. Schwingförderer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge­ kennzeichnet durch eine Anstiegsbegrenzungsstufe (8) für die Änderung des Sollwertes der Amplitude.

7. Schwingförderer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch eine Anfahrbegrenzungsstufe (12), die im ungeregelten Zustand die Stellgröße des ersten Reglers (10) begrenzt.

8. Schwingförderer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Bewegungsaufnehmer (S) ein Beschleunigungsaufnehmer ist.

9. Schwingförderer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstiegsbegrenzungsschaltung (8) ein dessen Eingangswert reduzierendes Signal zugeführt wird, wenn der Amplitudendetektor (3) eine Beschleuni­ gungsspitze detektiert.