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Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung der Größe und Phasenlage
einer Unwucht beim Auswuchten von Rotationskörpern
Nach einem älteren Vorschlag,
der nicht zum Stande der Technik gehört, werden Größe und phasenlage der Unwucht
eines Rotationskörpers mit Hilfe eineshochemp findli chen dynamometrischen Meßinstrumentes
(Wattmenter) dadurch bestimmt daß die Wuchtkörperschwingungen in elektrische Wechsel
spannungen umgewandelt und letztere der einen Spule des Wattmeters zugeführt wer
den, wohingegen die zweite, vorzugsweise die Feldspule dieses Instrumentes, einen
in seiner Stärke von der Drehzahl des Wuchtkörpers unabhängigen, abgehackten Gleichstrom
erhält, dessen zeitlichen Verlauf der Wuchtkörper steuert. Zur Erzeugung des abgehackten
Gleichstromes wird bei diesem älteren Verfahren eine fotoelektrische Abtasteinrichtung
oder ein gewöhnliche Kommuntator verweindet, dessen, umlaufende Kollektor mit dem
Wuchtkörper mechanisch gekuppelt ist. Die feststehenden Bürsten des aus zwei Hälften
bestehenden Kollektors sollen einen Erregerstrom liefern, der nach jeder halben
Wuchtkörperumdrehung einen Sprung vollführt, also eine Stromkurve von Rechteckform
erzeugt. Für eine einwandfreie Unwunchtanzeige des Wattmeters genügt diese Rechteckform
des Erregerstroms für die zweite Spule des Wattmeters nicht. Die Unwucht kann nur
dann aus allen übrigen Störschwingungen einwandfrei herausgesiebt werden, wenn auch
der Erregerstrom in der Feldspule des Wattmeters sinusförmigen Verliauf besitzt.
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Die Erfindung schreibt deshalb vor, die Größe und Phsenlage einer
Unwucht beim Auswuchten von Rotationskörpern mit Hilfe eines hochempfindlichen dynamometrischen
Meßinstrumentes zu bestimmen, dessen zweite Spule einen in seiner Stärke von der
Wuchtkörperdrehzahl unabhängigen und
in seinem Verlauf sinusförmigen
oder angenähert sinusförmigen Erregerstrom erhält, der durch eine vom Wuchtkörper
gesteuerte sinusförmige Modulierung eines Gleichstroms gewonnen wird.
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Der sinusförmige Stromverlauf wird erfindungsgemäß mit Hilfe eines
besonderen Kommutators erzielt, der durch entsprechende Wahl der Widerstände zwischen
den mehr als zwei Lamellen des Kollektors einen treppenförmig abgehackten und einer
Sinuskurve angepaßten Verlauf besitzt.
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Dieser besondere Kommutator wird nachstehend als Widerstandskommutator
bezeichnet.
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In der Wuchttechnik ist es an sich bekannt, einen Kommutator zur
Anzeige der Unwucht zu verwenden, jeldoch wunde dieser bisher an die Tauchspulenspannung
geschaltet, um diese selektiv gleichzurichten und damit für die Messung in einem
Millivoltmeter geeignet zu machen. Da in diesem Kreis jedoch, wie erwähnt, nur Mikroampere
fleißen und nur EMK von eingen Millivolt auftreten, haben die Kontaktschwierigkeiten
am Kommutator diesen Gedanken praktisch scheitern lassen. Demgegenüber werden bei
der Schaltung des Widevrstandskommutators nach der Erfindung in die Erregerstromleitung
der Feldspule eines Watt meters Ströme von etwa I Amp. und 6o V geschaltet, so daß
Kontaktschwierigkeiten am Kommutator nicht mehr auftreten. Die so erhaltenen sinusförmig
modulierten Ströme gewährleisten infolge ihrer Drehzahlunabhängigkeit eine Anzeige
des Wattmeters, die nur noch in Abhängigkeit von den sehr geringen Strömen steht,
die von den in den Tauchspulen erzeugten EMK herrühren. Wie bei deim älteren, nicht
zum Stande der Technik gehörigen Verfahren, wird für das Wattmeter eine besonders
hochempfindliche Drehspule verwendet, die auf Mikroampere anspricht, so daß die
sonst üblichen Verstärkereindrichtungen werfallen.
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Entsprechend dem älteren Vorschlag sollen auch nach der vorliegenden
Erfindung zwei um 900 phasenverschobene modulierte Ströme. von angenähert sinusförmigem
Verlauf dem Kommutator entnommen werden können, wobei diese beiden Ströme den am
Wuchtkörper vorgegebenen Richtungen (zweckmäßig senkrecht und waagerecht) entsprechen,
um ein geortetes Wuchten durchführen zu können (vgl. Zeitschrift VDI 1944, S. 357
ff).
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsmöglichkeiten dieses
Erfindungsgedankens wiedergegeben.
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Abb. I zeigt ein Schaltschema des Wattmeters, das mit seinen beiden
Spulen an die Tauchspulen der Wuchtmaschine bzw. an den Kommutator angeschlossen
ist; Abb. 2 zeigt die prinzipielle Ausfiihrung des Widerstandskommutators; Abb.
3 zeigt eine der möglichen Ausführungsformen, und zwar eine anmwendung eines an
sich als Ferndrehzahlgeber bekannten Kommutators mit Abgabe eines Dreiphasen, stromes.
; Abb. 4 und 5 zeigen die Schaltung des Wattmeters bei Anwendung eines nach Abb.
2 gewonnenen Dreiphasenstromes (Erzeugung zweier um 90° versetzter Phasenströme
durch Verkeftung); Abb. ó zeigt die Anordnung der Widerstände zwischen den Lamellen
des Kollektors zur Erzeugung der in Abb. 7 wiedergegebenen fein abgestuuften stromkurve
mit wenigen Widerständen.
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Die Abb. I zeigt das an sich bekannte Schalt.ungsschema bei Wuchtmaschinen
mit elektrischer Anzeigel unter Verwendung eines hochempfindlichen Wattmeters. Die
Tauchspulenspannung der in Reihe geschalteten Tauchspulen (7L und 7R) wird der Drehspule
D des Wattmeters 11 ohne Zwischenschaltung eines Verstärkers unmittelbar über die
Schalter L1 und R1 mit den Kontaktstellen a und und die Leitungen 12 zugeführt.
In dem zwischen den Leitungen I2 in der Zeichnung frei gelassenen Raum ist die bekannte
Potentiometerschaltung zu denken, die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört.
Der mit IC bezeichnete auszuwuchtende Körper ist in den Lagern 2L uns 2R schwindgbar
gelagert. Der Wuchtkörper wird vom Elektromotor M über eine Riemenscheibe und eine
Kardangelenkkupplung angetrieben. Seine Antriebswelle ist unmittelbar mit einem
Phasengeber G als Winkellagengeber verbunden, der in bekannter Weise einen bzw.
zwei sinusförmige und mit der Wuchtkörperumdrehung genau synchrone Ströme bzw. um
90° gegeneinander phasenverschobene Ströme über die Leitungen 13 an die Feldspule
14 des Wattmeters 11 abgibt. Diese Ströme charakterisieren in ihrem Verlauf die
jeweilige Winkelstellung der Unwucht des Körpers während seiner Umdrehung. Bisher
wurden als Winkellagengeber Generatoren verwendet, die einen in seiner Stärke von
der Drehzahl des Wuchtkörpers abhängigen Wechselstrom liefern. Diese Drehzahlabhängigkeit
ist aber unerweünscht, da dadurch das Auswuchten nur bei konstanter Drehzahl durchgeführt
werden kann. Bei veränderlicher Drehzahl würde die veränderte Stromstärke eines
Generators nicht nur die Anzeigeempfindlichkeit beeinflussen, sondern könnte bei
Drehzahlerhähung das Instrument gefährden.
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Die Erregenstromstärkd in der Feldspule muß nämlich an sich schon
so hoch getrieben werden, wie es die Wärmeentwicklung im Gerät gerade noch zuläßt,
weil sonst die Empfindlichkeit nicht so gesteigert werden kann, daß das Gerät auf
Mikroampere in der Drehspuie anspricht.
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Nach der Erfindung wird deshalb ein in seiner Stärke und. auch in
seiner Phasenlage von der Drehzahl unabhängiger Strom durch Verwendung eines sogenannten
Widerstandskommutators erzeugt. ein solcher Widerstandskommutator besteht aus einem
feststehenden Lamellenkollektor und mindestens einem Bürstenpaar, das phasentreu
zum Wuchtkörper umläuft. An den Lamellenkollektor wird and zwei gegenüberliegenden
Stellen der Plus-und Minuspol enier Gleischspannung gelegt, die von Lamelle zu Lamelle
durch angepaßte Widerstände sinusförmig abgestuft wird (Abb. 2). Auf diese Wise
wird von den rotierenden Bürsten ein Strom abgegriffen, der im Takt der Umdrehung
sinusförmig moduliert ist und daher die Winkelstellung
des auszuwuchtenden
Körpers wiederzugeben vermag. Für die Durchführung, der Wucht aufgabe ist es entweder
nötig, ein Bürstenpaar in einem Bereich von I800 schwesbar anzuordnen oder zwei
feststchende Bürstenpaare anzuwenden, die rechtwinklig zueinander stehen (in Abb.
2 mit s für ein Bürstenpaar und. w fiir das andere Bürstenpaar bezeichnet).
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Wie in Abb. I gezeigt, kann der Widerstandskommutator durch einen
parallel mit dem Antriebsmotor M geschalteten D rehstrom-Gleichstrom-Umformer A
gespeist werden. Es ist jedoch auch mögloch, durch Gleichrichter den an dem Antlriebsmotor
gelegten Wechselstrom oder Drehstrom in Gleichstrom umzuwandeln.
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Bei höheren Wuchtgeschwindigkeiten. ist es vorteilhaft, die Bürsten
stillstehen und den Kollektor umlaufen zu lassen. Hierbei ist es entweder notwendig,
die vielen Widerstände, die zur Abstimmung der Spannungen. der einzelnen. Lamellen
notwendig sind, ebenfalls rotieren zu lassen oder dementsprechend viele Schleifringe
anzubringen, die über feststehende Widerstände mit einzelnen Lamellen verbunden
werden.
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Bei der Anordnung gemäß Abb. 3 kann auch für das Verfahren der Erfindung
ein. an sich bekannter Widerstandskommutator verwendet werden, der drei um 120°
versetzte rotierende Bürsten (U, V. W) besitzt. Demgegenüber ist der Lamellen0 kollektor
feststehend; die rotierenden Bürsten führen über Schleifringe mit den Kohlebürsten
U', V', W' drei sinusförmige Ströme nach außen. Von je zwei Bürsten läuft eine immer
über den lamellierten Teil des Kollektors, der zwei über einen Winkelbereich von
ungefähr I20° unterbrechungslos durchlaufende Lamellen besitzt. Um nun die von Lamelle
zu Lamelle abgestuften Ströme der drei Kohlebürsten, die praktisch einem Dreiphasenstrom
entsprechen, zu zwei um 90° versetzt zueinander liegenden Phasen strömen zu verketten,
wird nach der Erfindung die in Abb. 4 und 5 symbolisich wiedergegebene Schaltung
für den Erregerstrom des Wattmeters verwendet.
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Durch eine ungleiche Widerstandsanordnung wfrd der Sternpunkt des
Dreh ! stromes aus der Mitte heraus so weit verschoben, bis zwischen zwei Phasenspannungen
der Zwischenwinkel zu 90° wird, wie in Abb. 4 und 5 symbolisch dargestellt.
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Durch einfaches Vertauschen des Wattmeters J und des konstanten Widerstandes
P, die in je einer Phase liegen, wirlit die um 900 verschobene Phase auf das Instrument.
Durch Einregeln eines einzigen Widerstandes kann also bei dieser Schaltung der 90°-Zwischenwinkel
justiert werden, und zum Umschalten von einer Phase auf die andere sind nur zwei
Schaltfinger notwendig.
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Mit S und W sind zwei Signallampen bezeichnet, die an das Wattmeter
so angeschlossen sind, daß der Wattmeterstrom zur Kontrolle und leichten Erkennbarkeit
des Jeweils wirdksamen Erregerstroms über je eine der Signallampen geieitet wird.
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Bei der prinzipiellen, Anordnung nach Abb. 2 sind eine große Zahl
von Widerständen nötig, um den sinusförmigen Verlauf der Stromkurve mit genügend
feinen Treppenstufen annähern zu können.
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Abb. 6 zeigt eine Möglichkeit, wid die Anzahl der Stufenwiderstände
auf beispielsweise vier bei zweiundzwanzig Lamellen verringert werden kann, wenn
eine hinsichtlich der Plus- und Minuspole unsymmetrische Verbindung der Lamellen
mit den Widerständen angewandt wird. Dile beiden Bürsten eines Paares liegen. dabei
gegenüber, und es iiberschreitet jeweils immer nur eine Bürste einen Spannungssprung.
In der Abb. 6 würde bei Drehung im Gegenzeigersinn beispielsweise die untere Bürste
von Null nach Eins den durch den Widerstand A-C hervorgerufenen Spannungssprung
überstreichen, während die andere Bürste von o' nach I' geht und dabei auf zwei
untereinander kurzgeschlossenen Lamellen mit Gleichspannungspotential bleibt. Dieselbe
Wirkung kann auch bei symmetrischer Verbindung zwischen Lamellen und. Widerständen
erreicht werden, wenn die Bürsten aus ihrer 180°-Gegen, überstellung um wenige Grade
verschoben sind.
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Abb. 6 bezieht sich auf eine Ausführung mit feststehendem Kollektor
und umlaufenden Schleifbürsten, von denen der Übersichtlichkeit wegen nur ein Bürsten.
paar gezeichnet ist. Der Vorteil der widerstandssparenden schaltung kommt noch mehr
zur Geltung, wenn der Kollektor umläuft und die Bürsten dagegen. feststehen. Man
kommt dann mit nur wenigen umlaufenden Widerständen aus oder braucht, falls die
Widerstände ebenfalls fesltstehen sollen, nur wenige Schleifringe (in diesem Beispiel
5), um die umlaufenden Lamellen mit diesen Widerständen zu verbinen.
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Abb. 7 gibt den verlauf der Stromkurve in der Erregerspule des Wattmeters,
falls die Widerstände in. der in, Abb. ó gezeigten Weise und Größe gewählt werden.
und der innere Widerstand der Erregerspule des Wattmeters beispielsweise 120 Ohm
beträgt. Die Anzahl der Stufen in der dargestellten Treppenkurve ist durch den.
Grad der gewünschten Annäherung an die Sinusform bedingt.