DE3913053A1

DE3913053A1 - Magnetisch gesteuerte lagerung

Info

Publication number: DE3913053A1
Application number: DE3913053A
Authority: DE
Inventors: Toshiro Higuchi; Takeshi Sawamoto; Hiromasa Fukuyama; Takeshi Takizawa
Original assignee: THINK LABORATORY KASHIWA CHIBA JP KK; THINK LAB KASHIWA KK; NSK Ltd
Current assignee: Higuchi Toshiro Yokohama Kanagawa Jp Nippon Se
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1989-11-02
Anticipated expiration: 2009-04-21
Also published as: DE3913053C2; JPH01269722A; US5142177A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Wälzlager oder Allzwecklager zur Halterung einer Hauptantriebswelle eines Maschinenwerkzeugs oder ähnliches.

Zu diesem Zweck wurde ein Lagerbock als Lagerung für eine rotierende Welle oder Hohlwalze und einen anderen rotierenden oder schwingenden Körper verwendet. Der Aufbau eines solchen Lagerbocks ist auf Fig. 25 dargestellt, auf welcher ein rotierender Körper R ₁ von zwei Lagerböcken P unter einem Lager B ₁ an beiden Enden abgestützt wird. Auf dieser Figur bezeichnet H ein Gehäuse.

Eine weitere Lagerung wird in dem Patent US-41 14 960 von Helmut Habermann et al. beschrieben und auf Fig. 27 dargestellt, auf welcher eine magnetische Lagerung B ₂ die Rotationswelle eines Motors magnetisch trägt. Nach diesem System wird die Position einer Rotationswelle R ₂ von einem Radialsensor RS und einem Axialsensor AS erfaßt, wobei Gleichrichter-Steuerströme in einen radial gerichteten, elektromagnetischen Pol RE bzw. einen axial gerichteten, elektromagnetischen Pol AE zur Regelung einer Anziehungskraft jeder Elektrode fließen. Auf diese Weise wird die Rotationswelle drehbar im kontaktlosen Zustand in einer vorbestimmten Position gehalten.

Diese Lagerbock P weist ein Schwingungssystem bestehend aus einem Rotationskörper R, einem Lager B ₁ und einem Gehäuse H auf. Bei diesem Schwingungssystem ist eine Dämpfungskraft in dem System weitgehend von einer Dämpfungskraft des Lagers abhängig. Jedoch ist die Dämpfungskraft eines Wälzlagers normalerweise extrem klein. Wenn daher eine hohe Unwucht bei dem Rotationskörper R auftritt, entsteht infolge dieser Unwucht bei der Drehung eine hohe Zentrifugalkraft. Diese Zentrifugalkraft überträgt sich in Form von Schwingungen auf den gesamten Lagerbock über das Lager B ₁ des Lagerbocks P. Folglich gerät auch die Basis, auf welcher der Lagerblock P montiert ist, in Schwingungen.

Außerdem wird der von dem Lagerbock P unterstützte Rotationskörper R von einer Hauptachse der Funktion m-m, wie auf Fig. 26 dargestellt, getragen. Jedoch kann die Position dieser Rotations-Mittelachse nicht frei gewechselt werden. Zum Beispiel kann der Körper R nicht von der Haupt-Trägheitsachse n-n gehalten werden.

Andererseits ist das besagte, magnetische Lager B ₂ so konstruiert, daß der Rotationskörper R ₂ in einem vollständig kontaktlosen Zustand schwebt. Wenn jedoch eine lange und große Walze an beiden Enden gehalten werden muß, können Montagefehler sehr groß werden, da ein Strom zur Regelung des Gleichgewichts des Rotationskörpers zu stark wird und wirtschaftliche Nachteile nach sich zieht.

Ein anderes, bereits bekanntes Lagersystem zur Lagerung eines Rotors, der mit hoher Drehfrequenz gegen ein stationäres Element kontaktlos in radialer Richtung arbeitet, wird beispielsweise in dem US-Patent 38 77 761 beschrieben.

Darüber hinaus beschreibt das US-Patent 46 83 391 ein Lager, bei welchem ein Stellantrieb einen Rotor mit Zähnen in bestimmten Abständen und eine die Umdrehungen steuernde Spule aufweist, die um eine Anzahl von auf einem Kernelement gebildeten Polstücken gegenüber dem Rotor gewunden ist.

Diese beiden oben beschriebenen Beispiele sind so konstruiert, daß die Rotationswelle kontaktlos von der magnetischen Steuerung gehalten wird. Ähnlich dem auf Fig. 27 gezeigten Beispiel und dem US-Patent 41 14 960 erhöht sich die Spannung zur Gleichgewichtssteuerung des Rotationskörpers so, daß sie sich wirtschaftlich nachteilig auswirkt, wenn eine große Walze an beiden Enden gelagert werden muß, wobei der Fehler bei der Montage der Welle enorm ist.

Hier kommt noch hinzu, daß wenn Montagefehler zwischen der Welle und einem Magnetpol während der Montage auftreten, die Welle oder der Pol wegen der Interferenz zwischen beiden beschädigt werden kann.

Je schwerer oder länger die Welle ist, desto größer wird der Schaden. Dadurch wird sogar manchmal die Montagearbeit unmöglich.

Wenn außerdem das Gewicht einer auf die Welle ausgeübten Last steigt, wird eine größere Druckbeanspruchung erzeugt. Infolgedessen muß ein an die Magnetpole gelieferter Strom unvorteilhaft erhöht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Mängel zu beheben.

Sie verfolgt daher folgende Ziele:

a) die Dämpfungskräfte und Federkonstante im Schwingungssystem einschließlich dem Rotationskörper werden geändert;
b) die Resonanz der Rotationswelle wird in einem bestimmten Bereich der Drehfrequenzen verhindert;
c) das Zentrum des Lagers wird entsprechend dem Drehwinkel der Rotationswelle periodisch verändert;
d) die Schwingungen werden nicht durch Drehung des Körpers um die Hauptträgheitsachse auf das Gehäuse übertragen, und
e) es wird praktisch eine neue Art der Lagerung angeboten, denn die Schwankungs- oder Ablenkschwingung infolge der Unwucht des Rotationskörpers werden beim Rotieren des Körpers um die Hauptmittelachse oder Funktionsachse unterdrückt, wobei andere, verschiedene Bewegungs- und Schwingungszustände der Rotationswelle positiv gesteuert weden.

Gemäß den erfindungsgemäßen Merkmalen sind die folgenden Bestandteile zur positiven und magnetischen Steuerung eines Lagers vorgesehen, um die oben beschriebenen Aufgaben zu erfüllen.

1. Eine Rotationswelle, ein Lager zur Halterung dieser Rotationswelle, ein Lageraufnahmekörper zur Halterung dieses Lagers, ein Außengehäuse zur Halterung des Lageraufnahmeelements durch Abstützung mit einem elastischen Körper, eine Anzahl elektromagnetischer Pole, die einander gegenüberliegend an der Außenwandung des Lageraufnahmekörpers mit Zwischenräumen angeordnet und an dem Außengehäuse befestigt sind, eine Anzahl Sensoren, die an dem Außengehäuse oder an dem Lageraufnahmekörper montiert sind und die Bewegung des Lageraufnahmekörpers erfassen, und ein Regelkreis zur Regelung der Stärke einer Anziehungskraft der elektromagnetischen Pole entsprechend einem Detektorausgang dieser Sensoren.
2. Eine Walze, ein Lager zur Lagerung der Walze, ein Lageraufnahmekörper, der in einem Innenring des Lagers sitzt und das Lager hält, ein Innengehäuse, das den Lageraufnahmekörper durch Abstützung mit einem elastischen Körper hält, eine Anzahl elektromagnetischer Pole, die an der Innenwand des Lageraufnahmekörpers in gewissen Abständen einander gegenüber angeordnet und an dem Innengehäuse befestigt sind, eine Anzahl Sensoren, die an dem Innengehäuse des Lageraufnahmekörpers montiert sind und die Bewegung des Lageraufnahmekörpers erfassen, und ein Regelkreis, der die Stärke einer Anziehungskraft der elektromagnetischen Pole entsprechend einem Detektorausgang der Sensoren regelt.
3. Nach einem der Ansprüche 1 oder 2 weist der Regelkreis eine variable Kreiskonstante auf und ist in der Lage, eine variable Dämpfungskraft und eine Federkonstante an den Lageraufnahmekörper abzugeben.
4. Nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ist der Regelkreis mit Mitteln zur Änderung einer Kreiskontante gemäß einem bestimmten Bereich der Drehfrequenz für die Rotationswelle oder die Walze ausgestattet.
5. Nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ist der Regelkreis mit Mitteln zur Änderung einer Zielpositions-Bezugsspannung jedes elektromagnetischen Pols gemäß einem Rotationswinkel der Rotationswelle oder der Walze ausgestattet.
6. Nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ist der Regelkreis mit einer variablen Mittenfrequenz-Bandsperre versehen, welche eine Rückkopplung einer Frequenzkomponente entsprechend einer Drehfrequenz der Rotationswelle oder der Walze abschaltet.
7. Nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ist der Regelkreis mit einem ersten Mittel zur Berechnung der Abweichung von einer Haupt-Trägheitsachse auf der Informationsbasis über den Rotationswinkel der Rotationswelle oder der Walze und der Verschiebungsinformation von dem Sensor, und mit einem zweiten Mittel zur Änderung der Zielpositions-Bezugsspannung, die periodisch einem Rotationswinkel des Rotationskörpers entspricht, so daß der Rotationskörper um die Haupt-Trägheitsachse rotieren kann, versehen.
8. Nach Anspruch 7 besteht ein drittes Mittel zur weiteren Modifizierung der Zielpositions-Referenzspannung jedes elektromagnetischen Pols durch Erfassung eines an jeden elektromagnetischen Pol gelieferten Stroms, wobei ein Strom zur Korrektur einer Rotationsabweichung des Lageraufnahmekörpers minimiert wird.
9. Nach Anspruch 8 besteht ein viertes Mittel zur Erfassung einer Abweichungsbeschleunigung des Außen- oder Innengehäuses und ein fünftes Mittel zur weiteren Modifizierung der Zielpositions-Bezugsspannung jedes elektromagnetischen Pols zur Minimierung der Beschleunigung.

Gemäß den obigen Anordnungen 1. und 2. wird der Bewegungs- und Schwingungsstatus für die Rotationswelle positiv geregelt. Die Dämpfungskraft und die Federkonstante können durch die Anordnung 3. variabel gemacht werden, während die Resonanz der Rotationswelle in einem bestimmten Bereich der Drehfrequenzen auf der Basis der Anordnung 4. verhindert wird. Die Anordnung 5. ermöglicht die periodische Änderung des Lagerzentrums entsprechend dem Rotationswinkel der Rotationswelle. Die Anordnung 6. bewirkt, daß die Welle um die Trägheitsachse rotiert, während eine bestimmte Dämpfungskraft und Federkonstante erhalten bleiben. Nach der Anordnung 7. wird die Welle um die Haupt-Trägheitsachse gedreht. Die Anordnung 8. und 9. sorgen für die präzise Drehung um die Haupt-Trägheitsachse.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines bevorzugten, hiermit jedoch nicht eingeschränkten Ausführungsbeispiels erläutert, und mit Bezug auf die Schemazeichnungen erklärt. Hierbei zeigt die

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt der Hauptteile einer ersten, erfindungsgemäßen Ausführungsform; die

Fig. 2 einen Querschnitt durch die gleichen Teile; die

Fig. 3 eine Schrägansicht der in der gleichen Ausführungsform verwendeten Blattfeder; die

Fig. 4 und 5 Abhängigkeiten zwischen der Funktions- und der Belastungsrichtung der Blattfeder; die

Fig. 6 eine Schrägansicht des in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten, elektromagnetischen Pols; die

Fig. 7, 8 und 9 Schnittansichten von Hauptteilen zur Darstellung der Anordnung der elektromagnetischen Pole der gleichen Ausführungsform; die

Fig. 10 einen seitlichen Schnitt der Hauptteile in einer zweiten Ausführungsform; die

Fig. 11 eine Seitenansicht der gleichen Hauptteile; die

Fig. 12 einen seitlichen Schnitt der gleichen Teile; die

Fig. 13 und 14 Seitenansichten zur Darstellung von Anwendungsbeispielen der ersten und zweiten Ausführungsform; die

Fig. 15 ein Blockdiagramm des Regelkreises in der ersten und zweiten Ausführungsform; die

Fig. 16 ein Schaltbild einer PID-Regelung in dem gleichen Regelkreis; die

Fig. 17 ein Blockdiagramm des Regelkreises in der dritten und vierten Ausführungsform; die

Fig. 18 ein Schaltbild eines Komparators in dem gleichen Regelkreis; die

Fig. 19 eine Kurvendarstellung der Merkmale der dritten und vierten Ausführungsform; die

Fig. 20 ein Blockdiagramm des Regelkreises der fünften Ausführungsform; die

Fig. 21 ein Blockdiagramm des Regelkreises der sechsten Ausführungsform; die

Fig. 22 ein Blockdiagramm des Regelkreises der siebenten Ausführungsform; die

Fig. 23 ein Blockdiagramm des Regelkreises der achten Ausführungsform; die

Fig. 24 ein Ortsansicht des Lagerzentrums; die

Fig. 25 eine Gesamtansicht eines konventionellen Beispiels; die

Fig. 26 eine Ansicht zur Darstellung der Hauptfunktions- und Hauptträgheitsachse, und die

Fig. 27 eine Gesamtansicht eines weiteren, konventionellen Beispiels.

Die Erfindung wird nachfolgend im Detail mit bezug auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele beschrieben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Hauptteile einer ersten Ausführungsform der "magnetisch gesteuerten Lagerung" gemäß der vorliegenden Erfindung; die Fig. 1 stellt eine Seitenansicht im Schnitt gemäß der Linie B-B der Fig. 2 dar, während die Fig. 2 einen Querschnitt durch die Linie A-A der Fig. 1 zeigt. Die Fig. 3 bis 9 zeigen Ansichten zur Darstellung von bei dem gleichen Ausführungsbeispiel verwendeten Elementen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, wird eine Rotationswelle 1 durch ein in zwei Positionen in der Axialrichtung angeordnetes Lager 2 gehalten. Das Lager 2 ist auf dem Lageraufnahmekörper 3 aus magnetischem Material befestigt. Der Lageraufnahmekörper 3 wird radial von einer Blattfeder 4 gehalten, die getrennt in einer axialen Richtung in zwei Positionen angeordnet ist. Die Blattfeder weist, wie aus Fig. 3 ersichtlich, einen W-förmigen Körper auf. Die Blattfeder 4 ist an einem Außengehäuse 8 mittels einer Blattfederklammer (I) 41 befestigt und mit dem Lageraufnahmekörper 3 mit Hilfe der Blattfederklammer (II) 42 verbunden. Die Blattfeder verformt sich (siehe Fig. 4 und 5) in eine Belastungsrichtung des Lageraufnahmekörpers 3. Ein elektromagnetischer Pol 5 besteht aus Siliziumstahlblechplatinen in E-Form (Fig. 6), die übereinander angeordnet sind, wobei eine Spule um den Mittelteil gewickelt ist. Ein Sensor 6 erfaßt eine Position des Lageraufnahmekörpers 3. Die elektromagnetischen Pole 5 und die Sensoren 6 sind wie auf den Fig. 7-9 dargestellt, angeordnet. Insgesamt sind zwölf elektromagnetische Pole symmetrisch, das heißt, vier in vertikaler und acht in horizontaler Richtung, vorgesehen. Die Fig. 8 zeigt eine Anordnung der elektromagnetischen Pole 5 und der Sensoren 6 entlang der Linie A-A der Fig. 7. Die Fig. 9 zeigt die gleiche Anordnung entlang der Linie B-B der Fig. 7. Die Fig. 7 zeigt eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie C-C der Fig. 8.

Wie auf den Zeichnungen dargestellt, sind die elektromagnetischen Pole an der radialen Außenseite der Blattfedern 4 einander gegenüberliegend in vertikaler und horizontaler Richtung montiert, wobei sie an dem Außengehäuse 8 befestigt sind. Es sind Paare von elektromagnetischen Polen in vertikaler Richtung (5-1, 5-2) und (5-3, 5-4) und in horizontaler Richtung (5-5, 5-11), (5-6, 5-12), (5-7, 5-9) und (5-8, 5-10) vorhanden. Die Sensoren 6 belegen die Paare 6-1, 6-3 in vertikaler Richtung und 6-2, 6-4 und 6-5 in horizontaler Richtung. Mit den Sensoren 6-1 und 6-3 ist die Verschiebung und Neigung des Lageraufnahmekörpers 3 in vertikaler Richtung erfaßbar. Die Sensoren 6-2, 6-4 und 6-5 erfassen die Verschiebung, Neigung und Drehung des Lageraufnahmekörpers 3 in horizontaler Richtung.

Wenn auf die Rotationswelle 1 in vertikaler Richtung eine Belastung erfolgt, wird der von den Blattfedern 4 über die Lager 2 gehaltene Lageraufnahmekörper 3 veranlaßt, sich in die Belastungsrichtung zu bewegen. Die Sensoren 6-1, 6-3 erfassen diese Verschiebungsgröße, wobei sie Ströme an die elektromagnetischen Polpaare 5-1 und 5-3 über einen nicht dargestellten Regelkreis abgeben, wodurch die Rotationswelle 1 in eine Zielposition in vertikale Richtung eingestellt wird.

Wenn eine Belastung auf die Rotationswelle 1 in horizontaler Richtung erfolgt, erfassen die Sensoren 6-2, 6-4, 6-5 deren Verschiebungsgrad, wobei Ströme an elektromagnetische Polpaare geliefert werden und wobei 5-5, 5-11, 5-6, 5-12 und 5-7, 5-9 sowie 5-8, 5-10 betätigt werden, um die Welle in eine Zielposition in horizontale Richtung einzustellen.

Wenn die Rotationswelle 1 sich dreht, wird ein Drehmoment ausgelöst, das den Lageraufnahmekörper 3 in Drehrichtung über das Lager 2 dreht. Die Blattfeder von Fig. 3 erzeugt keine Widerstandskraft gegen dieses Drehmoment. Jedoch wird der Lageraufnahmekörper 3 durch die Tätigkeit der elektromagnetischen Polpaare 5-5, 5-11, die Paare 5-6, 5-12, die Paare 5-7, 5-9 und 5-8, 5-10 wie an der Außenfläche des Lageraufnahmekörpers 3 einander gegenüber angeordnet, daran gehindert, in Rotation gebracht zu werden.

Natürlich kann anstelle der Blattfedern jede Art drehelastischer Federstahl, Gummipuffer und andere elastische Körper eingesetzt werden.

Nach der oben beschriebenen Anordnung kann der Betätigungs- und Schwingungszustand des Lagers nach den für einen Regelkreis üblichen Merkmalen geregelt werden.

Die Fig. 10 bis 12 zeigen die Hauptteile einer zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform der "magnetisch gesteuerten Lagerung"; Fig. 10 stellt einen seitlichen Querschnitt der Ausführungsform dar; Fig. 11 ist eine Seitenansicht entlang der Linie B-B der Fig. 10 und Fig. 12 ist ein seitlicher Schnitt entlang A-A der Fig. 10.

Eine Walze 1-A wird von Lagern 2-A gehalten, wobei die Lager 2-A an einem Lageraufnahmekörper 3-A befestigt sind. Der Lageraufnahmekörper 3-A wird radial von Federn 4-A gehalten. In axialer Richtung wird der Lageraufnahmekörper 3-A durch Einführen eines axialen Positionierstiftes in eine axiale Positionsnut, an einem Innengehäuse 8-A mit einem Zwischenraum positioniert. Die Federn 4-A sind an dem Innengehäuse 8-A mit Federbefestigungsmitteln (I) 41-A befestigt und mit dem Lageraufnahmegehäuse 3-A durch Federbefestigungsmittel (II) 42-A verbunden. Konstruktion, Anordnung, Sensorpositionen und Funktionen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten, außer daß die elektromagnetischen Pole am Innengehäuse 8-A, während sie bei der ersten Ausführungsform am Außengehäuse 8, montiert sind. Die bei der ersten oder zweiten Ausführungsform verwendete magnetisch gesteuerte Lagerung A wird in einem auf Fig. 13 dargestelltes Auslegersystem oder einem zweiendigen Supportsystem, wie aus Fig. 14 ersichtlich, bezogen auf ein Werkstück W, betätigt.

Nachfolgend werden die Ausführungsformen des Regelkreises jeder oben beschriebenen Ausführungsart erklärt.

Die Fig. 15 und 16 zeigen die Hauptteile eines Regelkreises nach der ersten oder zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform der "magnetisch gesteuerten Lagerung"; Fig. 15 zeigt ein Blockdiagramm mit Darstellung des gesamten Regelkreises; Fig. 16 einen Schaltplan eines PID-Reglers der Fig. 15.

Auf diesen Figuren zeigen die Zahlen 5-1 und 5-2 elektromagnetische Polpaare der gleichen Zahlen der ersten Ausführungsform, während die Zahl 6-1 den Sensor der gleichen Zahl der gleichen Ausführungsform darstellt.

Die Verschiebungsbedingungen eines beweglichen Körpers (in diesem Fall eines Lageraufnahmekörpers 3 oder 3-A) werden von den Sensoren 6-1 erfaßt, von welchen die Ausgangssignale einem Subtraktivfilter 10 über einen Tiefpaß LPF zur Störfilterung gesendet werden. Ein weiterer Eingang zu dem Subtrahierer 10 ist eine Zielposition-Bezugsspannung V₀ (in diesem Fall V _v) zur Darstellung einer Zielposition des beweglichen Körpers in die vertikale Richtung. Ein Ausgang des besagten Subtraktivfilters 10 wird an den PID-Regler 11 übertragen. Der Ausgang des PID-Reglers 11 verläuft getrennt in zwei Teilen; einer wird der Vorspannung V ₁ in einem Addierer 12 zugeordnet, während der andere mit einer Vorspannung V ₂ in einem Subtrahierer 13 verglichen wird, wobei beide Teile des Ausgangs zu Leistungsverstärkern 14 bzw. 15 übermittelt und dann den Spulen der elektromagnetischen Pole 5-1, 5-2 zugeführt werden. Der bewegliche Körper wird gesteuert, bis der Ausgang des Subtrahierers 10 Null erreicht hat, das heißt, daß der bewegliche Körper eine Bezugsposition einnimmt. Nachfolgend werden die Vorspannungen V ₁ und V ₂ beschrieben. Gemäß der Differenz zwischen V ₁ und V ₂ wird eine in den Spulen der elektromagnetischen Pole 5-1, 5-2 fließende Stromdifferenz erzeugt und bewirkt eine Differenz in den Anziehungskräften der elektromagnetischen Pole 5-1, 5-2. In diesem Fall werden Stromkreisparameter selektiert, so daß die Differenz der Anziehungskräfte der eigenen Schwerkraft des beweglichen Körpers entspricht.

Im Regelkreis dieser Ausführungsart befindet sich ein Differenzial-Schaltelement für den Anschluß einer Phase zum Anlegen einer Dämpfungskraft auf die Bewegung des beweglichen Körpers in dem Abschnitt D des PID-Reglers.

Ein Beispiel des auf Fig. 15 abgebildeten PID-Reglers wird auf Fig. 16 erläutert.

Wie auf Fig. 16 dargestellt, besteht ein proportionaler Teil (Teil P) aus R _p ₁, R _p ₂, r und OP 1, wobei er einen Integralteil (Teil I) mit R _I, C _I, r, OP 2, einen Differenzialteil (Teil D) mit C _D, R _D, r und OP 3 bildet. Zu R _A ₁, R _A ₂, r und OP 4, werden die Teile P, I und D hinzugefügt, so daß der Eingang mit einem PID-geregelten Ausgang versehen wird. Für weitere elektromagnetische Polpaare ist die gleiche Anordnung anwendbar.

Wenn die Änderung einer Dämpfungskraft oder einer Federkonstanten bezogen auf die Bewegung des beweglichen Körpers entsprechend der Masse des beweglichen Körpers oder der Drehfrequenz der Welle erforderlich ist, werden einige oder alle Regelkreiskonstanten (V ₁, V ₂, R _p ₁, R _p ₂, R _I, C _I, C _D, R _D, R _A ₁, R _A ₂), etc. in den Regelkreisen der Fig. 15 und 16 manuell oder automatisch geändert. Dabei werden die Frequenzmerkmale (Schwingungsmerkmale) einer dynamischen Steifheit für die Bewegung des beweglichen Körpers geändert.

Ein Beispiel wie oben beschrieben wird in der dritten und vierten, erfindungsgemäßen Ausführungsform mit bezug auf die Fig. 17 bis 19 beschrieben. Fig. 17 stellt ein Blockdiagramm für die Hauptteile der gleichen Ausführungsformen dar, während die Fig. 18 ein Schaltbild eines Komparators 17 auf der Fig. 17 zeigt, und die Fig. 19 eine charakteristische Darstellung der Drehfrequenz/Amplitude der gleichen Ausführungsformen zeigt.

Die Frequenzmerkmale des beweglichen Körpers, nämlich des Lageraufnahmekörpers 3 sind in Fig. 19 dargestellt. Der Verstärkungsfaktor des Regelsystems wird durch die Methode der Anordnung von Regelkreiskonstanten im Regelkreis bestimmt. Mit einem geringen Verstärkungsfaktor werden die Amplitudenmerkmale des Lageraufnahmekörpers in Drehfrequenz ausgedrückt C ₁. Bei einem großen Verstärkungsfaktor ergibt sich die Kurve C ₂.

Die Kurven C ₁ und C ₂ zeigen Schwingungsmerkmale der Welle oder des Wellenaufnahmekörpers, wenn die Konstanten des Regelsystems oder die Federkonstanten der Lagerung geändert werden.

Vorausgesetzt, die Regelkreiskonstanten werden geändert, dann werden die Amplitudenmerkmale typisch ähnlich der Kurve C ₁ oder C ₂. Bei Realisierung der Kurve wie C ₁ wird die Amplitude bei hoher Drehfrequenz größer trotz einer kleinen Amplitude bei einer kritischen Frequenz. Andererseits, wenn die Merkmale ähnlich der Kurve C ₂ sind, wird die Amplitude bei einer kritischen Frequenz groß, obwohl sie bei hohen Drehfrequenzen kleiner wird. In beiden Fällen bewirkt eine große Amplitude eine starke Schwingung einer Basis.

Jedoch werden Amplituden über den ganzen Bereich der Drehfrequenzen wirksam durch Änderung der Kreiskonstanten so unterdrückt, daß die Kurve C ₂ unter einer Drehfrequenz von N ₁ und über N ₂ realisiert wird, während die Regelkreiskonstanten zur Realisierung der Kurve C ₁ im Bereich der Drehfrequenzen N ₁ nach N ₂ selektiert werden. Genauer gesagt, ein derartiger Resonanzzustand wie bei einer kritischen Drehfrequenz von N₀ dargestellt, kann vermieden werden.

Dieser Ablauf wird durch einen auf Fig. 17 dargestellten Regelkreis durchgeführt; eine Drehfrequenz n wird von einem an der Rotationswelle nach Fig. 1 befestigten Drehkodierer 7 erfaßt und in einen analogen Spannungsausgang Vn in dem FV-Konverter 18 umgesetzt, in welchem der Ausgang Vn mit den Ausgängen V _N ₁, V _N ₂ des FV- Konverters verglichen wird, welcher den Drehfrequenzen N ₁, N ₂ (N ₁ < N₀ < N ₂) in der Nähe einer kritischen Drehfrequenz N ₀ entspricht. Wenn deshalb die Drehfrequenz n sich nahe der kritischen Drehfrequenz der Kurve C ₂ befindet, das heißt V _N ₁ < V _N < V _N ₂, werden die Analogschalter 16-A, 16-B und 16-C von den Bedingungen umgeschaltet, wo die Drehfrequenz weit von der kritischen Frequenz entfernt ist, das heißt V _N < V _N ₁ oder V _N < V _N ₂, wodurch die Kreiskonstanten des PID-Reglers geändert werden.

Der Aufbau eines Komparators 17 wird auf Fig. 18 dargestellt.

Ein Eingang V _N des FV-Konverters wird mit V _N ₁ und V _N ₂ in arbeitenden Verstärkern OP 5 und OP 6 verglichen, durchläuft Widerstände r ₁ und r ₂, ein Interface bestehend aus einer Diode, einem Transistor, einem Inverter und einem NOR-Element. Wenn V _N ₁ < V _N < V _N ₂ ist ein Großsignal der Ausgang. Kleinsignale sind unter anderen als den oben beschriebenen Bedingungen der Ausgangs. Entsprechend werden die Analogschalter 16-A, 16-B und 16-C über H oder L geschaltet, wobei die Regelkreiskontanten geändert werden.

Auf diese Weise stehen die Merkmale der Kurve C ₂ zur Verfügung, wenn die Drehfrequenz der Welle n unter N ₁ oder über N ₂ liegt. Die Merkmale der Kurve C ₁ stehen zur Verfügung, wenn die Drehfrequenz n zwischen N ₁ und N ₂ liegt.

Die Diode von Fig. 18 ist zur Pegelumsetzung vorgesehen, wenn die Stromspannung, die dem Operationsvertärker geliefert wird, bei 15 V liegt, während sie für den Transistor 5 V beträgt.

Die Fig. 20 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung von Hauptteilen einer fünften, erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Gegenstand dieser Ausführungsform ist, daß die Mantelfläche eines Rotationskörpers in einer bestimmten Art bei der Synchronisierung der Drehung des Rotationskörpers mit Hilfe eines Bezugsspannungs-Einstellgeräts 19 variiert, was ein Mittel zur Änderung einer Zielpositions-Bezugsspannung darstellt, die auf jeden elektromagnetischen Pol des Lageraufnahmekörpers periodisch angelegt wird, entsprechend dem Drehwinkel des Rotationskörpers, das heißt eine Rotationswelle 1 oder eine Walze 1-A. Bei Fig. 20 wird ein Ausgangssignal eines Drehwinkels für den Rotationskörper durch einen Drehkodierer 7 (siehe Fig. 1) herausgeholt und an ein Zählwerk gesendet. Das Ausgangssignal des Zählwerks fließt der Adresse des PROM 21 zu. In PROM 21 wird eine Datenliste für die Zielkoordinaten des Wellenzentrums für jeden Drehwinkel der Welle im voraus gespeichert. Der Ausgang von PROM 21 tritt in einen D/A-Konverter 22 ein, wovon der Ausgang in einen Tiefpaß geleitet und in eine Zielpositions-Bezugsspannung V _V umgesetzt wird, die Zielpositionsdaten der Welle entspricht. Diese Art des Regelsystems ermöglicht die Steuerung des Wellenzentrums der Lagerung mit einem bestimmten Unrundheit. Daher ist dieses System für eine Hauptspindel einer Drehbank anwendbar, die geeignet ist, ein Produkt in geformte Abschnitte als auch in runde Abschnitte zu schneiden.

Die Fig. 21 zeigt ein Blockdiagramm, auf dem die Hauptteile einer sechsten, erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt sind.

Diese Ausführungsform wird so betätigt, daß eine Rotationswelle 1 um die Haupt-Trägheitsachse durch Blockierung der Rückkopplung der Frequenzkomponenten dreht, die Drehfrequenzen entsprechen, um Wellenschwingungen nach außen, zum Beispiel an ein Gehäuse, zu verhindern. Gemäß Fig. 21 wird die Drehfrequenz der Rotationswelle 1 von einem Drehkodierer 7 erfaßt und in einen variablen Typ eines Mittenfrequenz-Bandpaßfilters 23 über ein Zählwerk 20 und einen D/A-Konverter 22 eingegeben. So wird, entsprechend einer Drehfrequenz, der Ausgang eines Subtraktivfilters 10, der in den variablen Typ eines Mittenfrequenz-Bandpaßfiltes einfließt, abgeführt.

Dabei wird die Rückkopplungskontrolle der Frequenzkomponente, die der Drehfrequenz der Welle entspricht, nicht länger betätigt. Daher übt ein beweglicher Körper (Lageraufnahmekörper 3) keine restriktive Kraft auf die Drehung der Rotationswelle 1 aus, sobald sie zu drehen beginnt. Folglich dreht sich die Rotationswelle um die Hauptträgheitsachse gemäß ihrer eigenen Unwucht. In dem Moment werden die Schwingungen infolge der Unwucht der Rotationswelle 1 nicht mehr auf das Außengehäuse übertragen, da keine Schwankungskomponenten der elektromagnetischen Anziehungskraft für die elektromagnetischen Pole erzeugt werden.

Die Fig. 22 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung der Hauptteile einer siebten, erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Bei dieser Ausführungsform berechnet ein Computer eine Unwuchtposition und eine Unwuchtgröße zur absichtlichen Bewegung eines Lageraufnahmebereichs durch elektromagnetische Pole, wodurch die Welle um die Haupt-Trägheitsachse rotiert.

Nach dieser Fig. 22 erhält der Computer 24 die Information über Drehung und Verschiebung, die von einem Drehkodierer 7 bzw. einem Sensor 6 übermittelt werden. Der Computer 24 berechnet eine Unwuchtgröße der Rotationswelle in einer Unwuchtposition und berechnet auch eine Abweichung zwischen der Hauptträgheitsachse und der Hauptrotationsachse in einer Position des Lageraufnahmekörpers 3. Genauer gesagt, bei Fig. 21 beispielsweise, auf welcher die Welle um die Hauptträgheitsachse (d. h. es wird keine Rückkopplung ausgeführt) rotiert, speichert der Computer die Verschiebungsinformation über den Lageraufnahmekörper 3 bezogen auf die Information über den Drehwinkel der Welle, das heißt, die Koordinateninformation der Hauptträgheitsachse pro Wellendrehung. Auf diese Weise berechnet und speichert der Computer 24 auch die Veschiebeinformation des Lageraufnahmekörpes 3 bezogen auf die Information des Drehwinkels der Hauptachse, um welche die Welle sich in dem Moment dreht, nämlich die Differenz der Koordinateninformation im Verhältnis zu der Hauptrotationsachse. Als nächstes gibt der Computer 24 periodisch Ausgänge über die Zielpositions-Bezugsspannungen an jeden elektromagnetischen Pol ab, so daß die Differenz zwischen den beiden besagten Koordinateninformationen so gelöscht wird, wie sie sich periodisch ändern. Es gibt noch eine andere Methode, um die besagte Koordinateninformation über die Hauptträgheitsachse zu erhalten, bei der die Anziehungskraft jedes elektromagnetischen Pols aus dem laufenden Wert jedes elektromagnetischen Pols und der Verschiebungsinformation des Lageraufnahmekörpers 3 erreicht wird. Auf diese Weise wird eine Zentrifugalkraftverteilung von der Anziehungskraft berechnet, um die Koordinateninformation um die Hauptträgheitsachse zu erhalten. Es ist auch möglich, eine Zielbezugsspannung für jeden elektromagnetischen Pol unter Verwendung besagter Koordinaten um die Hauptträgheitsachse zu erhalten, so daß die Differenz zwischen beiden Koordinateninformationen, wie oben beschrieben, nicht mehr existiert, wobei der Ausgang des Computers 24 geregelt wird. Dieser Ausgang des Computers wird in einen Subtraktivfilter 10 über einen D/A-Konverter 22 und einen Tiefpaß als Zielpositions-Bezugsspannung eingegeben. Auf diese Weise kann der Lageraufnahmekörper 3 mit seiner Rotationsachse, die um die Hauptträgheitsachse gehalten wird, gedreht werden, wobei eine Dämpfungskraft und eine Federkraft beibehalten werden. Folglich wird die Schwingung infolge der Unwucht in der Rotationswelle nicht mehr auf das Außengehäuse übertragen. Die Fig. 23 ist ein Blockdiagramm, das Hauptteile einer achten, erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Zielpositions-Bezugsspannung bei dem auf Fig. 22 gezeigten Regelkreis weiter durch die Erfassung eines Stromflusses, der in der Spule jedes elektromagnetischen Pols in dem Regelkreis der Fig. 22 fließt, modifiziert, in den Computer 24 eingegeben und so angeglichen, daß die Summe der effektiven Korrektionsströme für die Unrundheit des Lageraufnahmekörpers zwischen den Strömen in den Spulen der elektromagnetischen Pole fließenden Ströme minimiert wird.

In dem Regelkreis der Fig. 23 kann zur weiteren Modifizierung der Zielpositions-Bezugsspannung jedes elektromagnetischen Pols ein weiteres Mittel zur Minimierung der Schwingungsbeschleunigung des Außengehäuses 8 oder des Innengehäuses 8-A durch Erfassung der Schwingungsgeschwindigkeit anstatt der Erfassung von an die elektromagnetischen Pole gelieferten Ströme vorgesehen sein.

Nachfolgend wird der Regelungsvorgang jeder Ausführungsform der Fig. 22 und 23 mit bezug auf die Ortskurve eines Lagerzentrums 2 c der Fig. 24 erläutert.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, daß eine Schwingungskraft, die infolge der Unwucht auftritt, wenn eine unwuchtige Rotationswelle sich dreht, nicht auf das Gehäuse 8 übertragen wird. Zu diesem Zweck kann die Rotationswelle frei um die Hauptträgheitsachse rotieren. Der in dem Lager 2 integrierte Lageraufnahmekörper 3 mit dem integrierten Lager 2 wird nämlich bewegt, um mit der Bewegung der Rotationswelle 1 in der Lagerung zusammenzutreffen, wenn die Welle um die Hauptträgheitsachse rotiert. Dieses Ziel könnte man durch die Abstützung des Lageraufnahmekörpers 3 mit extrem weichen Federn in einem Zustand ähnlich dem freien Tragen erreichen. Jedoch würde man keine zufriedenstellende statische Steifheit zu dem Zeitpunkt erreichen, sondern die Rotationswelle 1 würde erheblich verschoben, sobald eine Kraft (z. B. Schwerkraft) darauf einwirkt. Folglich wurden die Ausführungsformen gemäß den Fig. 22 und 23 entwickelt, um eine zufriedenstellende Bewegung des Lageraufnahmekörpers 3, wie oben beschrieben, durchzuführen, wobei eine vollständige statische Steifheit und eine ausreichende Dämpfungskraft erhalten bleiben.

Auf Fig. 24 zeigt eine durchgezogene Linie L ₁ den Ort eines Lagerzentrums 2 c mit dem Lageraufnahmekörper 3 in freier Auflage. Eine strichpunktierte Linie L ₂ bezieht sich auf einen Fall, wo die freie Bewegung des Lageraufnahmekörpers 3 unterdrückt wird, während eine gestrichelte Linie L ₃ den Fall einer exzessiven Unrundheit zeigt. Wenn ein die Unrundheit korrigierender Strom auf jeden elektromagnetischen Pol aufgeschlagen wird, liefert der Fall der durchgezogenen Linie ein Minimum an gelieferter, elektromagnetischer Energie, verglichen mit den Fällen der gepunkteten und gestrichelten Linien.

Der Regelkreis der Fig. 22 ist so ausgestattet, daß die Bewegung des Lagerzentrums den Ort der durchgezogenen Linie von Fig. 24 durch Anlegen eines die Unrundheit korrigierenden Stroms des Lageraufnahmekörpers auf jeden elektromagnetischen Pol trifft, nachdem eine Zielpositions-Bezugsspannung mit dem Computer 24 berechnet wurde.

Der Regelkreis von Fig. 23 modifiziert den Korrektionsstrom zur vollständigeren Übereinstimmung, wenn die Bewegung des Lagerzentrums nicht vollständig mit der durchgezogenen Linie der Fig. 24 des Regelkreises von Fig. 22 wegen Phasenverzögerung usw. übereinstimmt.

Anstelle der Stromabgleichung von Fig. 23, wie oben beschrieben, kann man auch die Schwingungsbeschleunigung des Lageraufnahmekörpers 3 regeln.

Die Ausführungsformen der Regelkreise wurden anhand einer Anordnung der ersten Ausführungsform erklärt. Dies diente jedoch nur dem leichteren Verständnis. Jede Ausführungsform des Regelkreises kann ebenso anhand der Anordnung der zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform erläutert werden.

Bei der Beschreibung der Ausführungsformen der Regelkreise werden die elektromagnetischen Pole zweipaarig vorausgesetzt. Es ist aber auch möglich und muß nicht extra betont werden, daß eine Anzahl elektromagnetischer Polsätze, welche die Paare in der ersten und zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellen, ebenso gesteuert werden.

Wie oben beschrieben, sieht die vorliegende Erfindung ein Schwingungssystem vor, das für Anwendungs- und Betriebsbedingungen usw. durch freies Einrichten einer Dämpfungskraft und einer Federkonstante in dem Schwingungssystem, das aus einer Rotationswelle, einem Wälzlager und einem Gehäuse besteht, bestens geeignet ist.

Darüber hinaus hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß für die Steuerung weniger Strom erforderlich ist, da nur eine Schwankungskomponente des Stroms über die Auflagbeanspruchung eines Federsystems hinaus, gesteuert werden muß, da eine Feder oder ähnliches Material verwendet wird.

Außerdem kann das Zentrum einer Rotationswelle oder die Oberfläche eines Rotationskörpers entsprechend einem Drehwinkel variiert werden. Daher ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform beispielsweise für Schneidearbeiten eines Produktes in geformten Abschnitten geeignet.

Darüber hinaus ist nach der vorliegenden Erfindung eine Rotationswelle oder eine Walze um die Haupt-Trägheitsachse drehbar. Folglich wird eine Schwingungskraft infolge der Unwucht in einem Rotationskörper, die von der Rotationswelle oder der Walze erzeugt werden nicht mehr auf das Gehäuse, einen Lagerbock usw. übertragen.

Claims

1. Magnetisch gesteuerte Lagerung, bestehend aus einer Rotationswelle, einem Lager zur Halterung der Rotationswelle, einem Lageraufnahmekörper zur Aufnahme des Lagers, einem Außengehäuse, das den Lageraufnahmekörper durch Abstützung mit einem elastischen Körper trägt, einer Anzahl elektromagnetischer Pole, die einander gegenüber an der Außenwandung des Lageraufnahmekörpers in Abständen angeordnet und an dem Außengehäuse befestigt sind, einer Anzahl Sensoren, die an dem Außengehäuse oder dem Lager aufnahmekörper montiert sind und die Bewegung des Lageraufnahmekörpers erfassen, und aus einem Regelkreis, der die Stärke einer Anziehungskraft der elektromagnetischen Pole entsprechend einem Detektor-Ausgang der Sensoren regelt.

2. Magnetisch gesteuerte Lagerung, bestehend aus einer Walze, einem Lager zur Halterung der Walze, einem Lageraufnahmekörper, der in dem Innenring des Lagers sitzt und das Lager trägt, einem Innengehäuse, das den Lageraufnahmekörper durch Abstützung mit einem elastischen Körper trägt, einer Anzahl elektromagnetischer Pole, die einander gegenüber an einer Innenwandung des Lageraufnahmekörpers in Abständen angeordnet und an dem Innengehäuse befestigt sind, eine Anzahl Sensoren, die an dem Innengehäuse oder dem Lageraufnahmekörper montiert sind und die Bewegung des Lageraufnahmekörpers erfassen, und aus einem Regelkreis, der die Stärke einer Anziehungskraft der elektromagnetischen Pole entsprechend einem Detektor-Ausgang der Sensoren regelt.

3. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis eine variable Kreisgröße aufweist und eine variable Dämpfungskraft und Federkonstante an den Lageraufnahmekörper abgeben kann.

4. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mit Mitteln zur Änderung einer Kreisgröße entsprechend einem bestimmten Bereich der Drehfrequenz für die Rotationswelle oder die Walze ausgestattet ist.

5. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mit Mitteln zur Änderung der Zielpositions-Bezugsspannung jedes elektromagnetischen Pols entsprechend einem Drehwinkel der Rotationswelle oder der Walze versehen ist.

6. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mit einem variablen Mittenfrequenz-Bandsperrfilter versehen ist, der eine Rückkopplung einer Frequenzkomponente entsprechend einer Drehfrequenz der Rotationswelle oder der Walze abstellt.

7. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis mit einem ersten Mittel zur Berechnung der Abweichung von einer ersten Hauptträgheitsachse, basierend auf der Information über den Drehwinkel der Rotationswelle oder der Walze und einer Verschiebungsinformation des Sensors, sowie einem zweiten Mittel zur periodischen Änderung der Zielpositions-Bezugsspannung, entsprechend einem Drehwinkel des Rotationskörpers, so daß der Rotationskörper um die Hauptträgheitsachse rotieren kann, versehen ist.

8. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein drittes Mittel zur weiteren Modifizierung der Zielpositions-Bezugsspannung jedes elektromagnetischen Pols durch Erfassung eines an jeden elektromagnetischen Pol gelieferten Stroms besitzt, wodurch ein Strom zur Korrektur einer Rotationsablenkung des Lageraufnahmekörpers minimiert wird.

9. Magnetisch gesteuerte Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein viertes Mittel zur Erfassung einer Schwingungsbeschleunigung des Außen- oder Innengehäuses, und ein fünftes Mittel zur Modifizierung der Zielpositions-Bezugsspannung jedes elektromagnetischen Pols zur Minimierung dieser Beschleunigung besitzt.