DE3927314C2 - Verfahren zum Messen der statischen Unwucht eines Rotors und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der statischen Unwucht eines Rotors durch Be­ stimmung des axialen Massenträgheitsmoments des in horizon­ taler Lage gelenkig gelagerten Rotors, d. h. mit vertikaler Rotorachse, bei dem in Abhängigkeit von einer Abweichung des Rotors aus der horizontalen Lage in einem Regelkreis zur Regelung als Stellgröße eine den Rotor in die horizontale Lage zurückbringende Rückstellkraft erzeugt wird, und aus der gemessenen Rückstellkraft der Wert der statischen Unwucht gebildet wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus Hofmann news 8, Impr. 9480 103 05.85D oder Hofmann news 11 Impr. 96 214 410 000 229 10.88 bekannt. Hierbei wird der zu messende Rotor mit vertikaler Anordnung seiner Laufachse auf einem horizontalen Waageteller aufgelegt, der schwenkbar, bevorzugt kardanisch, gelagert ist. Wenn der Rotor eine Unwucht aufweist, bedeutet dies eine Schwerpunktsverlagerung des Körpers, und um die Schwenkachse des Waagetellers wirkt ein der statischen Unwucht entsprechendes Moment. Wenn man in konstantem Abstand von der Schwenkachse des Waagetellers eine Kraft einwirken läßt, die den Waageteller in die horizontale Lage zurückbringt, läßt sich aus der aufgewendeten Kraft, die der statischen Unwucht proportional ist, die statische Un­ wucht des Rotors bestimmen.

Hierbei wird die Auslenkung des Waagetellers ermittelt, und eine Meß- und Regelelektronik liefert in Abhängigkeit von dem Auslenkungssignal einen elektrischen Strom an eine einen Elektromagneten aufweisende Rückstelleinrichtung, mit der der Waageteller in die horizontale Lage zurückgebracht wird. Der die Stellgröße des Regelkreises bildende Strom ist propor­ tional der von der Rückstelleinrichtung aufgewendeten Kraft und damit proportional der statischen Unwucht des zu prüfen­ den Rotors.

Der Vorteil dieses bekannten Verfahrens und dieser bekannten Vorrichtung liegt darin, daß durch die Verwendung des be­ schriebenen Kompensationsprinzips keine Auslenkungen des Waagetellers zurückbleiben und somit das Meßergebnis für die Unwucht nicht verfälscht ist. Beim Messen von Rotoren mit un­ terschiedlichen Rotorgewichten ist es nicht möglich, eine be­ stimmte Taktzeit für den Unwuchtmeßvorgang einzuhalten, da der Regler mit konstanten Reglerparametern behaftet ist und je nach Optimierung des Reglers die Positionierung des Waa­ getellers in der Horizontalen bei unterschiedlichen Rotor­ typen mit verschiedenem Rotorgewicht unterschiedliche Posi­ tionierzeiten erfordert. Man hat bisher die Optimierung im Hinblick auf ein niedriges Rotorgewicht durchgeführt, um zu hohe Stellgrößensignale zu vermeiden, die zu Instabilitäten des Regelkreises führen könnten. Bei der Messung von Rotor­ typen mit relativ hohem Rotorgewicht nimmt man dabei jedoch in Kauf, daß die Zeit für die Horizontalpositionierung des Waagetellers und damit die Taktzeit sich verlängert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der man über den gesamten Rotorgewichtsbereich eine optimierte Regelung und damit kurze Taktzeiten erreicht.

Diese Aufgabe wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Regelung der Rückstellkraft zusätzlich in Abhängigkeit vom Gewicht des Rotors aufgrund von vom Gewicht des Rotors abhängigen Regelparametern RP durchgeführt wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Aufgabe da­ durch gelöst, daß Mittel (Festwertspeicher) vorgesehen sind, in die die jeweiligen, vom Gewicht des Rotors abhängigen Regelparameter RP für den Regler eingebbar und speicherbar und daraus zur Beeinflussung des Reglers entnehmbar sind.

Durch die Erfindung wird eine Optimierung der Reglerpara­ meter (Reglerbeiwerte), welche im Falle eines PID-Reglers der Proportionalbeiwert, der Integrierbeiwert und der Diffe­ renzierbeiwert sind, über den gesamten Gewichtsbereich der vorkommenden Rotore erreicht. Hierdurch läßt sich für jeden Rotortyp bzw. für jedes Rotorgewicht beim statischen Unwucht­ meßvorgang die kürzest mögliche Taktzeit insbesondere zur Positionierung des Waagetellers in die horizontale Lage erreichen. Bevorzugt kommt ein digitaler PID-Regler bei der Erfindung zum Einsatz. Es gibt verschiedene Möglich­ keiten, die PID-Reglerparameter vor oder während des Ein­ regel- und Meßvorgangs zu ermitteln. Z. B. kann eine Ein­ stellung der Reglerparameter bzw. -kennwerte, wie es aus Dr. L. Merz und Dr. H. Jaschek: Grundkurs der Regelungstechnik, 8. Auflage, R. Oldenbourg Verlag, München, Wien 1985, S. 186 bis 191, insbesondere anhand des Verhaltens des Regelkreises an der Stabilitäts­ grenze, bekannt ist, durchgeführt werden. In aller Regel sind die zu messenden Rotore, bei denen es sich beispielsweise um Schleifscheiben, Kraftfahrzeugräder usw. handeln kann, in Rotortypen unterteilt. Den einzelnen Rotortypen kommen bestimmte spezifische Rotordaten zu, unter anderem ein spe­ zifisches Rotorgewicht. Dieses Rotorgewicht wird bei der Erfindung zur optimalen Einstellung der Reglerparameter bzw. der Beiwerte des PID-Reglers berücksichtigt. Falls das Rotorgewicht nicht bekannt ist, kann es vorher durch Wiegen ermittelt werden.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Er­ findung noch näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung zur Messung der statischen Unwucht eines Rotors. Diese Meßanordnung besitzt einen Waage­ teller 1, der um eine Achse 2 drehbar gelagert ist. Bevor­ zugt kommt, wie es aus der DE-29 45 819 A1 bekannt ist, eine kardanische Lagerung des Waagetellers 1 zum Einsatz mit zwei um 90° versetzten Achsen. Auf dem Waageteller 1 wird der zu messende Rotor 3 mit vertikaler Laufachse angeordnet. Ein Meßwertaufnehmer 4 erfaßt eine Auslenkung X des Waagetellers 1, die einem Schwenkwinkel ϕ um die Achse 2 entspricht. An­ stelle eines Meßwertaufnehmers 4 können auch zwei Meßwert­ aufnehmer, die bevorzugt als Wegmeßgeber ausgebildet sind, vorgesehen sein, wie es beispielsweise in Hofmann News 11 gezeigt ist. Das Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers 4 wird als Regelgröße zusammen mit einer in einem Speicher 11 ab­ gelegten Führungsgröße, welche eine vorgegebene Auslenkung x (Amplitude) angibt, über einen Analog/Digitalumsetzer 8 einem Regler 6, im folgenden Ausführungsbeispiel einem digitalen PID-Regler 6 zugeleitet. Der PID-Regler 6 bildet ein Stellgrößensignal, das über einen Digital/Analog­ umsetzer 9 einem Leistungsteil 12 zugeleitet wird. Der Lei­ stungsteil 12 bildet in Abhängigkeit von dem Stellgrößen­ signal, welches der digitale PID-Regler erzeugt hat, einen Antriebsstrom, der einer Rückstelleinrichtung 7 zugeleitet wird. Die Rückstelleinrichtung 7 besitzt einen Elektro­ magneten, der durch den Antriebsstrom des Leistungsteils 12 gespeist wird. Dieser Elektromagnet übt auf den Waageteller 1 eine Kraft aus, durch die der Waageteller in die horizon­ tale Lage zurückgeführt wird. Diese Kraft ist proportional der statischen Unwucht des Rotors 3, durch welche der Waage­ teller 1 aus seiner horizontalen Lage um die Auslenkung x bzw. den Winkel ϕ um die Achse 2 geschwenkt worden ist.

Der vom Leistungsteil 12 gelieferte Antriebsstrom ist hier­ bei proportional der Kraft, welche von der Rückstelleinrich­ tung 7 aufzuwenden ist. Man kann daher für die statische Unwuchtbestimmung diesen Strom messen.

Dadurch, daß der Antriebsstrom proportional zum digitalen bzw. analogen Stellgrößensignal ist, läßt sich die statische Unwucht des Rotors 3 auch direkt durch Anzeige des entspre­ chend skalierten Stellgrößensignals an einer Anzeigeeinrich­ tung 5, welche analog oder digital ausgebildet sein kann, angeben. Bei analoger Bestimmung ist die Anzeigeeinrichtung 5 bevorzugt zwischen dem Digital/Analogumsetzer 9 und dem Leistungsteil 12 angeschlossen, wie es die Fig. 1 zeigt. Bei digitaler Erfassung ist die Anzeigeeinrichtung bevorzugt zwischen dem PID-Regler 6 und dem Digital/Analogumsetzer 9 angeschlossen.

Es ist ferner ein Festwertspeicher 10 vor­ gesehen, der mit dem digitalen PID-Regler 6 verbunden ist. In diesem Festwertspeicher 10 sind für verschiedene Rotor­ typen 1...n die jeweiligen optimalen Reglerparameter (Proportionalbeiwert P, Integrierbeiwert I und Differenzier­ beiwert D) in Abhängigkeit von den verschiedenen Rotor­ gewichten, die die Rotortypen 1...n haben, für die jeweili­ gen Rotortypen abgelegt. Jeder der Reglerparameter ist dabei gewichtsbezogen auf einen Optimalwert eingestellt, der sich nach folgender Beziehung ergibt:

wobei RP den optimalen Reglerparameter, RP_max einen für ein maximales Rotorgewicht optimalen Reglerparameter, G_max ein maximales Rotorgewicht, Gr das Gewicht des zu messenden Rotors und m den Quotienten aus der Differenz zwischen maximalem und minimalem Rotorgewicht (G_max-G_min) und der Differenz aus den beiden optimalen Reglerparametern (RP_max-RP_min) für das maximale und das minimale Rotor­ gewicht, d. h.

bedeuten.

Nach diesen beiden Beziehungen wird jeder der drei Regler­ parameter gewichtsabhängig für jeden Rotortyp 1...n be­ rechnet und im Festwertspeicher 10 an den entsprechenden, den Rotortypen zugeordneten Stellen abgelegt.

Beim Unwuchtmeßvorgang ist dann von der Bedienungsperson lediglich der entsprechende Rotortyp oder das Rotorgewicht in eine mit dem Festwertspeicher 10 verbundene Eingabe­ einrichtung 13 einzugeben, und die entsprechenden Regler­ parameter stehen dann für den Regelvorgang und Meßvorgang dem PID-Regler 6 zur Verfügung.

Eine weitere Möglichkeit zur gewichtsabhängigen Optimierung der einzelnen Reglerparameter für die verschiedenen Rotor­ typen 1...n läßt sich wie folgt erreichen, wobei eine Rotortypjustage in einem Meßdurchgang, in welchem näherungs­ weise das Rotorgewicht ermittelt wird, durchgeführt wird.

Mit fest definierten Reglerparametern wird zunächst der Waa­ geteller 1 ohne Rotorbelastung (durchgezogene Linie in Fig. 2) innerhalb des Zeitraums to in der Horizontalen positioniert. Die Regelabweichung ist dann 0 V (Fig. 2). Es wird dann zur Erzielung eines Stellgrößensprungs die Führungsgröße (im Speicher 11) mit einem Führungsgrößensprung beaufschlagt, und es wird die Zeit t_min gemessen, die erforderlich ist, damit der Waage­ teller 50% der neuen Sollwertlage, welche z.B. einem Führungsgrößensprung 1 V (Fig. 2) entspricht, einnimmt. Der gleiche Vorgang wird bei maximaler Belastung des Waagetellers 1 mit einem Rotor 3 mit maximalem Rotorgewicht durchgeführt. Die strichlierte Linie in der Fig. 2 gibt den Regelverlauf an. Die gemessene Zeit t_max ist erforderlich, damit der mit dem maximalen Rotorgewicht belastete Waageteller 50% der neu eingestellten Sollwertlage hat. Die Zeitmessung kann auch bei einem anderen Prozentanteil der neuen Sollwertlage erfolgen, z.B. bei 70%.

In der Fig. 2 ist noch der Regelverlauf (strichpunktierte Linie) für einen zu messenden Rotortyp dargestellt. Für die­ sen ergibt sich bei Anwendung des Sollwertspannungssprungs eine Zeit tr, bis er 50% der neuen Sollposition eingenommen hat.

Die Optimierung der jeweiligen Reglerparameter RP in Abhän­ gigkeit von den unterschiedlichen Rotorgewichten der Rotor­ typen 1...n erfolgt nach folgenden Beziehungen:

wobei

ist.

Hierbei bedeutet tr die für den jeweils zu messenden Rotor erforderliche Zeit, um diesen Rotor nach dem in der Fig. 2 erläuterten Vorgang (50%) in die durch den Führungsgrößen­ sprung eingestellte Sollposition zu bringen.

Hierbei ist in bevorzugter Weise vorher schon der Steigungs­ wert m für die Geradengleichung in einem Speicher abgelegt worden, so daß dieser Wert m nach Durchführung des Meßvor­ gangs zur Ermittlung der Zeit tr sofort zur Bestimmung der optimalen Reglerparameter zur Verfügung steht.

Die für die jeweiligen Rotortypen auf diese Weise bestimmten optimalen Reglerparameter (P-, I- und D-Anteile) werden im Festwertspeicher 10 gespeichert und in Abhängigkeit vom zu messenden Rotortyp für die Eingabe in den PID-Regler 6 ab­ gerufen. Wie die Fig. 1 zeigt, können der PID-Regler 6, der Speicher 11 für die Führungsgröße, der Festwertspeicher 10 und die Eingabeeinrichtung 13 zu einem Digital-Teil bzw. einer Digitaleinheit 14 zusammengefaßt sein.

Es ist auch möglich, daß man für Rotortypen, welche im Festwertspeicher 10 nicht erfaßt sind, vor der Durch­ führung des Unwuchtmeßvorgangs die Zeit tr für den zu mes­ senden Rotor bestimmt und die Reglerparameter RP nach den obigen Beziehungen (3) und (4) in einem nicht näher darge­ stellten Rechner berechnet und für die Unwuchtmessung dann in den PID-Regler 6 eingibt.

Die Eingabe der neuen Sollwertlage kann beispielsweise durch Zuführen eines entsprechenden digitalen Wertes zum Digital/ Analogumsetzer 9 erfolgen. Vom Leistungsteil 12 wird dann ein entsprechender Strom geliefert, der der Rückstellein­ richtung 7 zugeführt wird, welche dann den Waageteller 1 aus der horizontalen Ausgangsstellung in die neue Sollwertlage bringt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Messen einer statischen Unwucht eines Rotors durch Bestimmung des axialen Massenträgheitsmoments des in horizontaler Lage gelenkig gelagerten Rotors, bei dem in Abhängigkeit von einer Abweichung des Rotors aus der horizontalen Lage in einem Regelkreis zur Regelung als Stellgröße eine den Rotor in die horizontale Lage zurückbringende Rückstellkraft erzeugt wird, und aus der gemessenen Rückstellkraft der Wert der statischen Unwucht gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Rückstellkraft zusätzlich in Abhängigkeit vom Gewicht des Rotors (3) aufgrund von vom Gewicht des Rotors (3) abhängigen Regelparametern RP (P-, I-, und D-Anteile) durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Regelparameter RP (P-, I-, und D-Anteile) nach folgender Gleichung bestimmt wird: wobei RP den optimalen Reglerparameter, RP_max einen für ein maximales Rotorgewicht optimalen Reglerparameter, G_max ein maximales Rotorgewicht, Gr das Gewicht des zu messenden Rotors und m den Quotienten aus der Differenz zwischen maximalem und minimalem Rotorgewicht (G_max- G_min) und der Differenz aus den beiden optimalen Reglerparametern (RP_max-RP_min) für das maximale und minimale Rotorgewicht bedeuten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Reglerparameter RP (P-, I-, und D-Anteile) nach folgender Gleichung bestimmt wird: mit wobei RP den Reglerparameter, RP_max einen für ein maximales Rotorgewicht optimalen Reglerparameter und RP_min einen für ein minimales Rotorgewicht optimalen Reglerparameter bedeuten, und ferner t_max die Zeit ist, die erforderlich ist, um einen auf dem Waageteller in horizontaler Lage positionierten Rotor mit maximalem Gewicht in eine durch Änderung der Stellgröße eingestellte neue Sollwertlage zu bringen, t_min die Zeit ist, welche erforderlich ist, um den in horizontaler Lage positionierten, mit einem minimalen Gewicht belasteten Waageteller in die durch die Änderung der Stellgröße neu eingestellte Sollwertposition zu bringen, und tr die Zeit ist, welche erforderlich ist, um den mit dem Gewicht des zu messenden Rotors belasteten Waageteller aus der horizontalen Position in die durch die geänderte Stellgröße neu eingestellte Sollwertposition zu bringen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der jeweils neuen Sollwertlage die Führungsgröße geändert wird.

5. Vorrichtung zur Messung einer statischen Unwucht eines Rotors zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit

• - einem horizontal und gelenkig gelagerten Waageteller zur Aufnahme des Rotors;
• - einem Meßwertaufnehmer zur Lieferung eines Abweichungssignals bei einer Abweichung des Waagetellers aus der Horizontalen ;
• - einem an den Meßwertaufnehmer angeschlossenen Regler, dem das Abweichungssignal als Regelgröße zugeführt ist;
• - einer an den Regler angeschlossenen Rückstelleinrichtung, welche zur Rückstellung des Waagetellers in die horizontale Lage vom Regler ein Stellgrößensignal erhält; und
• - einer Meßeinrichtung für das der statischen Unwucht proportionale Stellgrößensignal,

dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (Festwertspeicher 10) vorgesehen sind, in die die jeweiligen vom Gewicht des Rotors (3) abhängigen Reglerparameter RP (P-, I-, und D-Anteile) für den Regler (6) eingebbar und speicherbar und daraus zur Beeinflussung des Reglers (6) entnehmbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Speicherung der Reglerparameter RP (P-, I-, und D-Anteile) für verschiedene Typen von Rotoren (3) ein mit dem Regler (6) verbundener Festwertspeicher (10) ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (6) als digitaler Regler ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinrichtung (5) zur Anzeige der statischen Unwucht als skalierte Stellgröße vorgesehen ist.