EP3960309A1 - Resonance method for a vibration system, a converter, an excitation unit and vibration system - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a resonance method for an oscillating system for resonantly oscillating an excitation unit with an oscillating mass. Furthermore, the invention relates to a converter, the excitation unit and the vibration system.
- the excitation unit usually includes electromagnets, which can be operated by means of electrical converters and cause the oscillating mass to oscillate based on inductive energy transmission.
- Such an oscillating system is used, for example, as a friction welding machine or oscillating conveyor.
- the vibration mass which has a first workpiece carrier and the first workpiece connected to it, is set into forced vibrations by means of an excitation unit.
- the oscillating mass is usually mounted so that it can swing by means of a spring device.
- the first workpiece is rubbed against the second workpiece, which is connected to a generally stationary second workpiece carrier, until it welds.
- the desired vibration can be generated with a particularly low expenditure of energy.
- This resonant frequency of the vibration system is decisively determined by the vibration mass, which here includes the first workpiece, and the vibration-capable mounting of the vibration mass, ie the spring stiffness of the spring device used.
- the resonant frequency ie the resonant frequency
- Vibration state of the excitation unit and vibration mass is mandatory and required with considerable effort.
- the vibration system does not work optimally, in particular in terms of energy, as a result of which its efficiency is greatly reduced or the desired vibration amplitude cannot be achieved and the required welding quality is rather poor.
- Previous applications such as friction welding, mainly use pre-operative methods to determine/estimate the resonance frequency in order to then excite the vibration mass using the excitation unit and achieve the required resonant vibration state of the excitation unit and vibration mass.
- the desired resonant frequency is determined by means of an independent run-up test before the actual production process and then operated with it until a new run-up attempt becomes necessary due to the use of a new first workpiece or unwanted deviations in the production process that have occurred in the meantime make a correction necessary.
- the invention is therefore based on the object of proposing a resonance method, a converter, an excitation unit and an oscillating system which have a required resonant oscillation state for the resonant oscillation of the excitation unit with an oscillating mass of the oscillating system continuously determined during production and the vibration system is operated with it.
- the object is achieved by a resonance method with the features specified in claim 1, by a converter according to the features specified in claim 9, by an excitation unit with the converter according to the features specified in claim 12 and a vibration system with the excitation unit according to the features specified in claim 14 features resolved.
- a resonance method for an oscillating system for resonantly oscillating an excitation unit with an oscillating mass comprising the steps of deflection detection of a deflection of the oscillating mass, speed formation of a speed of the oscillating mass by differentiating the deflection, phase position generation of a mechanical phase position by means of the deflection and the speed, a phase position correction of the mechanical phase position by means of a correction value to a corrected phase position, a frequency formation of an electrical angular frequency by means of at least one P control based on the corrected phase position, a phase position formation of an electrical phase position by means of integration based on the electrical angular frequency, a factor formation of a Correction factor by means of a trigonometric function based on the electrical phase position and a setpoint application of an excitation ing setpoint with the correction factor to generate a corrected excitation setpoint.
- the method is advantageously based on the intellectual restriction of the freedom of movement (the degree of freedom) of the oscillating mass and on its resonant frequency (here the electrical circular frequency) compared to the excitation unit.
- a normalized speed for generating the mechanical phase positions is preferably selected as the speed.
- the corrected phase position results continuously in an advantageous manner by means of a correction value.
- P control (with gain component K p )
- PI control with gain component K p and integral component I
- PID control with gain component K p , integral component I and differentiation component D
- P control can also be used for frequency formation of the circular electrical frequency.
- the electric circular frequency that is formed is also to be understood as the current oscillation frequency (requested resonance frequency) or last current oscillation frequency (last requested resonance frequency). Targeted programming of the control is therefore not necessary.
- the electrical angular frequency is integrated in an advantageous manner for the phase position formation of the electrical phase position.
- the excitation setpoint as an electrical value for a vibration-generating force of the excitation unit for exciting the oscillating mass is advantageously corrected with the correction factor, such that a corrected electrical value for the vibration-generating force is generated as a corrected excitation setpoint for the resonant oscillation to be achieved by the excitation unit and oscillating mass will.
- an electromagnet is electrically excited by the excitation unit, which generates the corresponding resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass.
- the resonance method has the step of speed normalization of the speed using the electrical circular frequency to a normalized speed, the speed being divided by the electrical circular frequency.
- the correction value for the phase position correction is the returned electrical phase position, and the returned electrical phase position is preferably subtracted from the mechanical phase position.
- the electrical phase angle fed back as a correction value to the mechanical phase angle in a control loop can also be added to the mechanical phase angle, taking into account the sign of the mechanical phase angle and the electrical phase angle.
- an initial Specified angular frequency or last known electrical angular frequency used.
- the initial circular frequency can preferably be specified as a parameter, for example, which can already correspond to the desired resonance frequency.
- the mechanical phase position is determined in particular between a deflection amplitude of the deflection and the speed or between a deflection amplitude of the deflection and the deflection.
- the normalized speed for determining the deflection amplitude is preferably selected as the speed.
- a deflection signal is detected by a deflection measuring device for deflection detection and the deflection signal is corrected by a direct component depending on the installation location of the deflection measuring device with respect to the vibration mass DC component parameters are specified or determined by a DC component high-pass filter.
- the deflection measuring device measures the deflection of the oscillating mass compared to a rest position of the oscillating mass and provides the deflection in the deflection signal for further processing by the resonance method.
- the measured deflection value of the deflection associated with the deflection signal can be corrected by means of the direct component parameter or the direct component high-pass filter with regard to the installation location of the deflection measuring device.
- the desired excitation value is a desired current and the corrected desired excitation value is a corrected desired current.
- the excitation target value as an electrical value for the vibration-generating force and the corrected excitation target value as a corrected electrical value for the vibration-generating force for controlling the electromagnets, e.g. by means of an electrical converter, are each advantageously designed as a target current for generating a force-generating vibration excitation.
- a corresponding setpoint voltage is also suitable in each case.
- the electrical circular frequency is monitored for disturbances during the resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass for disturbance monitoring.
- the electrical circular frequency can advantageously be monitored by means of a lower frequency limit for falling below the electrical circular frequency and/or an upper frequency limit for falling below the electrical circular frequency.
- a converter which has a detection means, designed to detect a deflection of a deflection of the oscillating mass, a first generating means, designed to generate a speed of the oscillating mass by differentiating the deflection, a generating means, designed to generate a phase position of a mechanical phase position using the deflection and the speed, a correction means, designed to correct the phase position of the mechanical phase position by means of a correction value to a corrected phase position, a second means of formation, designed to form an electrical angular frequency by means of at least one P controller on the basis of the corrected phase position, a third means of formation, designed to Phase position formation of an electrical phase position by means of integration on the basis of the electrical angular frequency, a fourth formation means, designed for factor formation of a correction factor by means of a trigonometric function on the basis of the electrical phase position and an application means, designed to apply the correction factor to a target value of an excitation target value in order to generate a corrected excitation
- the converter has a normalization means designed for speed normalization of the speed using the electrical circular frequency to a normalized speed, the speed being divisible by the electrical circular frequency.
- the returned electrical phase position is provided as a correction value for the phase position correction and the returned electrical phase position can preferably be subtracted from the mechanical phase position.
- the converter is designed to carry out the resonance method according to the invention as described above.
- an excitation unit which has at least one electromagnet for exciting the oscillating mass, the converter according to the invention for operating the at least one electromagnet, and a deflection measuring device for measuring the deflection of the oscillating mass compared to a rest position of the oscillating mass.
- the deflection measured by the deflection measuring device is transmitted by a deflection signal to the detection means of the converter for deflection detection.
- the excitation unit has at least one spring element, with the at least one spring element being connected to the vibration mass.
- an oscillating system which has the excitation unit according to the invention and the oscillating mass.
- the vibration system is designed as a friction welding device or as a transport device.
- Transport devices are, for example, conveyor devices for material transport (so-called vibrators or oscillating conveyors), which transport their goods on conveyor belts that are set in motion.
- FIG 1 shows a structogram of the resonance method 1 according to the invention with method steps for resonant oscillation of an excitation unit with an oscillating mass.
- a deflection signal detected by a deflection measuring device for this purpose can be corrected by a DC component depending on the installation location of the deflection measuring device relative to the vibration mass, with the DC component being specified by a DC component parameter 34 or determined by a DC component high-pass filter 19.
- a speed of the oscillating mass is formed during speed formation 6, the speed being converted into a normalized speed on the basis of the electrical circular frequency by dividing the speed by the electrical circular frequency.
- phase position generation 7 a mechanical phase position is generated on the basis of the deflection and the speed.
- the phase position correction 8 converts the mechanical phase position into a corrected phase position by means of a correction value.
- the correction value is the electrical phase angle fed back in a control loop, the electrical phase angle fed back preferably being subtracted from the mechanical phase angle.
- a frequency formation 9 of an electrical circular frequency takes place by means of at least one P control based on the corrected phase position.
- the P control can also be in the form of a PI control or a PID control.
- an initial circular frequency can be specified or the last known electrical circular frequency can be used.
- the electrical circular frequency can be monitored for disturbances in the resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass for a disturbance monitoring 33 .
- Typical faults can be caused, for example, by mechanical defects when the vibration mass vibrates, so that the required circular electrical frequency can be too low or too high and the resonance process may have to be stopped.
- phase position formation 10 of an electrical phase position an integration takes place on the basis of the electrical angular frequency.
- a trigonometric function based on the electrical phase angle is used and the correction factor corrects an excitation setpoint to a corrected excitation setpoint during setpoint application 12 .
- FIG 2 a schematic control representation of the resonance method 1 according to the invention is shown.
- the resonance method 1 can be carried out by a converter, in particular by a control unit of the converter.
- a detection means 21 is designed to detect a deflection 5 of a deflection x of the oscillating mass.
- a deflection signal detected as deflection x by a deflection measuring device is corrected by a direct component by a direct component high-pass filter 19 by a high-pass filter 37 depending on the installation location of the deflection measuring device relative to the vibration mass.
- a first formation means 22 differentiates the deflection x by means of the speed formation 6 to a speed v of the oscillating mass.
- the speed v is further converted into a normalized speed v n by a normalization means 35 in a speed normalization 15 on the basis of a returned angular electrical frequency ⁇ el by dividing the speed v by the angular electrical frequency ⁇ el .
- a generating means 23 is designed for phase position generation 7 of a mechanical phase position ⁇ m , which takes place on the basis of the deflection x and the speed v.
- a correction means 24 is designed for the phase position correction 8 of the mechanical phase position ⁇ m , the mechanical phase position ⁇ m being converted into a corrected phase position ⁇ k by means of a correction value k ⁇ .
- a returned electrical phase position ⁇ el is used as the correction value k ⁇ , the returned electrical phase position ⁇ el being subtracted from the mechanical phase position ⁇ m .
- a second formation means 25 is designed for frequency formation 9 of the angular electrical frequency ⁇ el by means of a P control, which can also be a PI control or a PID control, on the basis of the corrected phase angle ⁇ k .
- the electrical angular frequency ⁇ el is returned to the normalization means 35 for the speed normalization 15 at this point.
- An initial circular frequency ⁇ in can be specified by an initialization means 36 for method initialization 16 .
- a phase position 10 of the electrical phase position ⁇ el is formed by a third formation means 26 by means of integration on the basis of the electrical angular frequency ⁇ el .
- the electrical phase angle ⁇ el is fed back to the correction means 24 for the phase angle correction 8 .
- a factor formation 11 of a correction factor k F is carried out by a fourth formation means 27 by means of a trigonometric function on the basis of the electrical phase angle ⁇ el .
- An application means 28 designed to apply a setpoint value 12 to an excitation setpoint 13 in the form of a setpoint current I s with the correction factor k F , generates a corrected excitation setpoint 14 in the form of a corrected setpoint current I sk .
- an electromagnet which is included in the excitation unit and excites the oscillating mass to resonant oscillation, is operated with this corrected setpoint current I sk .
- means 3 a schematic representation of a friction welding device 32 with the converter 20 according to the invention, the excitation unit 4 according to the invention and the vibration system 2 according to the invention is shown.
- the vibration system 2 is designed here, for example, as a friction welding device 32 with the excitation unit 4 and an oscillating mass 3 .
- a first fastening means 41 for a first workpiece 43 is arranged on the vibration mass 3 .
- the oscillating mass 3 with the first fastening means 41 and the first workpiece 43 is mounted so as to be able to oscillate.
- a second workpiece 44 is connected to a second fastening means 42 directly opposite the first workpiece 43 .
- the second workpiece 44 on the second fastening means 42 is firmly fixed in relation to the first workpiece 43 and is not mounted so that it can swing.
- the excitation unit 4 for exciting vibrations in the oscillating mass 3 comprises the converter 20, an electromagnet 29, another electromagnet 30, a first and second spring element 38, 39 for the oscillating mounting of the oscillating mass 3, a deflection measuring device 18 and a deflection measuring device 18 connected to the converter 20 transmitted deflection signal, which has a measured actual value of the deflection.
- the deflection is measured by means of the deflection measuring device 18 in relation to a rest position 31 of the oscillating mass 3.
- control method according to the invention can be carried out by means of the converter 20, in particular by means of the control unit 40 of the converter 20.
- the first workpiece 43 fastened to the first fastening means 41 of the vibration mass 3 is set in resonant vibrations with the excitation unit 4 .
- the first workpiece 43 which is set in motion, rubs against the firmly fixed and non-vibrating second workpiece 44, with frictional heat being generated and the two workpieces 43, 44 being welded to one another in an energy-efficient manner and with high manufacturing quality.
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Resonanzverfahren (1) für ein Schwingungssystem (2) zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit (4) mit einer Schwingungsmasse (3), aufweisend die Schritte einer Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3), einer Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x), einer Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θ<sub>m</sub>) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v), einer Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θ<sub>m</sub>) mittels eines Korrekturwerts (k<sub>θ</sub>) zu einer korrigierten Phasenlage (θ<sub>k</sub>), einer Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ω<sub>el</sub>) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θ<sub>k</sub>), einer Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θ<sub>el</sub>) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ω<sub>el</sub>), einer Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (k<sub>F</sub>) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θ<sub>el</sub>) und einer Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (k<sub>F</sub>) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14). Ferner betrifft die Erfindung einen Umrichter (20), eine Anregungseinheit (4) mit dem Umrichter (20) und das Schwingungssystem (2) mit der Anregungseinheit (4) und der Schwingungsmasse (3).The invention relates to a resonance method (1) for an oscillating system (2) for resonantly oscillating an excitation unit (4) with an oscillating mass (3), comprising the steps of deflection detection (5), a deflection (x) of the oscillating mass (3), and speed generation (6) a speed (v) of the oscillating mass (3) by differentiating the deflection (x), a phase position generation (7) a mechanical phase position (θ<sub>m</sub>) by means of the deflection (x) and the speed ( v), a phase position correction (8) of the mechanical phase position (θ<sub>m</sub>) by means of a correction value (k<sub>θ</sub>) to a corrected phase position (θ<sub>k</sub> ), a frequency formation (9) of an electrical angular frequency (ω<sub>el</sub>) by means of at least one P control based on the corrected phase position (θ<sub>k</sub>), a phase position formation (10) of a electrical phase position (θ<sub>el</sub>) by means of integration based on the electrical angular frequency (ω<sub> el</sub>), a factor formation (11) of a correction factor (k<sub>F</sub>) by means of a trigonometric function based on the electrical phase position (θ<sub>el</sub>) and a setpoint application (12 ) a target excitation value (13) with the correction factor (k<sub>F</sub>) to generate a corrected target excitation value (14). The invention also relates to a converter (20), an excitation unit (4) with the converter (20) and the oscillating system (2) with the excitation unit (4) and the oscillating mass (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Resonanzverfahren für ein Schwingungssystem zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Umrichter, die Anregungseinheit und das Schwingungssystem.The invention relates to a resonance method for an oscillating system for resonantly oscillating an excitation unit with an oscillating mass. Furthermore, the invention relates to a converter, the excitation unit and the vibration system.
Industrielle Anwendungen mit einer elektromechanischen Anregungseinheit zum Erzeugen von Schwingungen einer Schwingungsmasse, bei denen ein schwingfähiges System, im Weiteren Schwingungssystem genannt, mit der Schwingungsmasse im Bereich einer Resonanzfrequenz angeregt werden soll, bedürfen grundsätzlich einer Ermittlung bzw. Abschätzung dieser Resonanzfrequenz bzw. der Herstellung des Zustands des resonanten Schwingens von Anregungseinheit und der in Schwingungen zu versetzenden Schwingungsmasse, um das Betriebsverhalten des Schwingungssystems energieeffizient, zuverlässig und aufwandsarm steuern bzw. regeln zu können.Industrial applications with an electromechanical excitation unit for generating vibrations of an oscillating mass, in which an oscillatable system, hereinafter referred to as an oscillating system, is to be excited with the oscillating mass in the range of a resonant frequency, generally require a determination or estimation of this resonant frequency or the production of the state of the resonant oscillation of the excitation unit and the oscillation mass to be set in oscillation in order to be able to control or regulate the operating behavior of the oscillation system in an energy-efficient, reliable and effortless manner.
Dabei umfasst die Anregungseinheit üblicherweise Elektromagneten, welche mittels elektrischer Umrichter betreibbar sind, und die Schwingungsmasse basierend auf einer induktiven Energieübertragung in Schwingungen versetzen.In this case, the excitation unit usually includes electromagnets, which can be operated by means of electrical converters and cause the oscillating mass to oscillate based on inductive energy transmission.
Selbst geringe Abweichungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse können zu erheblichen Einbußen bei der Energieeffizienz/ dem Wirkungsgrad bzw. der Güte des angestrebten Betriebsverhaltens/ der Zuverlässigkeit der jeweiligen Anwendung führen.Even small deviations in the resonant vibration of the excitation unit and vibration mass can lead to significant losses in energy efficiency/efficiency or the quality of the desired operating behavior/the reliability of the respective application.
So bedingt die bisher separat zum eigentlichen Betrieb auszuführende Ermittlung der Resonanzfrequenz bzw. des eingeschwungenen, resonanten Schwingungszustands von Anregungseinheit und Schwingungsmasse bei entsprechenden Maschinen und Geräten im Produktionseinsatz oftmals erhebliche Stillstandszeiten, die grundsätzlich einen zusätzlichen Aufwand zum jeweiligen Produktionsprozess erfordern und somit auch nicht zu vernachlässigende Kosten verursachen.Thus, the determination of the resonant frequency or the settled, resonant vibration state of the excitation unit and vibration mass, which was previously carried out separately from the actual operation, in corresponding machines and Devices used in production often have significant downtimes, which generally require additional effort for the respective production process and thus cause costs that are not negligible.
Ein solches Schwingungssystem wird beispielsweise als Reibschweißmaschine oder Schwingförderer eingesetzt.Such an oscillating system is used, for example, as a friction welding machine or oscillating conveyor.
Am Beispiel der Reibschweißmaschine kann der prinzipielle Prozess eines derartigen Schwingungssysteme kurz umrissen werden. Zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück wird die Schwingungsmasse, welche einen ersten Werkstückträger und das damit verbundenen ersten Werkstück aufweist, mittels einer Anregungseinheit in erzwungene Schwingungen versetzt. Die Schwingungsmasse ist in der Regel mittels einer Federvorrichtung schwingbar gelagert.The basic process of such a vibration system can be briefly outlined using the example of the friction welding machine. In order to weld a first workpiece to a second workpiece, the vibration mass, which has a first workpiece carrier and the first workpiece connected to it, is set into forced vibrations by means of an excitation unit. The oscillating mass is usually mounted so that it can swing by means of a spring device.
Zur Erzeugung der Reibungswärme für diesen Produktionsprozess wird das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück, welches mit einem im Allgemeinen feststehenden zweiten Werkstückträger verbunden ist, bis zum Verschweißen gerieben.To generate the frictional heat for this production process, the first workpiece is rubbed against the second workpiece, which is connected to a generally stationary second workpiece carrier, until it welds.
Erfolgt diese Anregung mit der Resonanzfrequenz, also in Schwingungsresonanz zwischen Anregungseinheit und Schwingungsmasse, lässt sich die gewünschte Schwingung mit einem besonders niedrigem Energieaufwand erzeugen.If this excitation takes place at the resonant frequency, ie in vibrational resonance between the excitation unit and the vibration mass, the desired vibration can be generated with a particularly low expenditure of energy.
Diese Resonanzfrequenz des Schwingungssystems wird maßgeblich durch die Schwingungsmasse, welche hier das erste Werkstück umfasst, und der schwingungsfähigen Lagerung der Schwingungsmasse, also der Federsteifigkeit der verwendeten Federvorrichtung bestimmt.This resonant frequency of the vibration system is decisively determined by the vibration mass, which here includes the first workpiece, and the vibration-capable mounting of the vibration mass, ie the spring stiffness of the spring device used.
Da das erste Werkstück zur Schwingungsmasse beiträgt, ist nach einem Werkstückwechsel des ersten Werkzeugs, sofern sich insbesondere die Masse des ersten Werkstücks ändert, ein erneutes Bestimmen der Resonanzfrequenz, also des resonanten Schwingungszustands von Anregungseinheit und Schwingungsmasse zwingend und mit erheblichem Aufwand erforderlich.Since the first workpiece contributes to the vibration mass, after a workpiece change of the first tool, if the mass of the first workpiece in particular changes, the resonant frequency, ie the resonant frequency, has to be determined again Vibration state of the excitation unit and vibration mass is mandatory and required with considerable effort.
Andernfalls arbeitet das Schwingungssystem insbesondere energetisch nicht optimal, wodurch sich dessen Wirkungsgrad stark verringert bzw. ggf. auch die gewünschte Schwingamplitude nicht erreicht werden kann und die geforderte Schweißqualität eher mangelhaft wird.Otherwise, the vibration system does not work optimally, in particular in terms of energy, as a result of which its efficiency is greatly reduced or the desired vibration amplitude cannot be achieved and the required welding quality is rather poor.
Bisherige Anwendungen, wie die des Reibschweißens, verwenden überwiegend präoperative Methoden zur Ermittlung/Abschätzung der Resonanzfrequenz, um anschließend damit die Schwingungsmasse mittels der Anregungseinheit anzuregen und den geforderten resonanten Schwingungszustand von Anregungseinheit und Schwingungsmasse zu erreichen.Previous applications, such as friction welding, mainly use pre-operative methods to determine/estimate the resonance frequency in order to then excite the vibration mass using the excitation unit and achieve the required resonant vibration state of the excitation unit and vibration mass.
So wird die gesuchte Resonanzfrequenz mittels eines eigenständigen Hochlaufversuchs vor dem eigentlichen Produktionsprozess ermittelt und danach damit betreibt, bis eine erneuter Hochlaufversuch aufgrund des Einsatzes eines neuen ersten Werkstücks notwendig wird oder zwischenzeitlich auftretende unerwünschte Abweichungen beim Produktionsprozess eine Korrektur notwendig machen.The desired resonant frequency is determined by means of an independent run-up test before the actual production process and then operated with it until a new run-up attempt becomes necessary due to the use of a new first workpiece or unwanted deviations in the production process that have occurred in the meantime make a correction necessary.
Das bedeutet, dass hier die Anregung der Schwingung nur auf Basis der durch den Hochlaufversuch ermittelten Frequenz erfolgt, welche die im tatsächlichen Produktionsprozess geforderte Resonanzfrequenz für den resonanten Schwingungszustand von Anregungseinheit und Schwingungsmasse, welche sich aufgrund von Verschleiß, Temperaturunterschieden, Materialabtrag etc. auch während des Betriebs im Produktionsprozess ändern kann, oftmals nur unzureichend trifft.This means that the vibration is only excited here on the basis of the frequency determined by the run-up test, which corresponds to the resonance frequency required in the actual production process for the resonant vibration state of the excitation unit and vibration mass, which also changes during the Operation in the production process can change, often only insufficiently.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Resonanzverfahren, einen Umrichter, eine Anregungseinheit und ein Schwingungssystem vorzuschlagen, welche einen erforderlichen resonanten Schwingungszustand zur resonanten Schwingung von der Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse des Schwingungssystems während des Produktionsbetriebs kontinuierlich ermitteln und das Schwingungssystem damit betrieben wird.The invention is therefore based on the object of proposing a resonance method, a converter, an excitation unit and an oscillating system which have a required resonant oscillation state for the resonant oscillation of the excitation unit with an oscillating mass of the oscillating system continuously determined during production and the vibration system is operated with it.
Die Aufgabe wird durch ein Resonanzverfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, durch einen Umrichter nach den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen, durch eine Anregungseinheit mit dem Umrichter nach den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen und ein Schwingungssystem mit der Anregungseinheit nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.The object is achieved by a resonance method with the features specified in
Für die Lösung der Aufgabe wird ein Resonanzverfahren für ein Schwingungssystem zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse vorgeschlagen, aufweisend die Schritte einer Auslenkungserfassung einer Auslenkung der Schwingungsmasse, einer Geschwindigkeitsbildung einer Geschwindigkeit der Schwingmasse mittels Differenzierung der Auslenkung, einer Phasenlageerzeugung einer mechanischen Phasenlage mittels der Auslenkung und der Geschwindigkeit, einer Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage mittels eines Korrekturwerts zu einer korrigierten Phasenlage, einer Frequenzbildung einer elektrischen Kreisfrequenz mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage, einer Phasenlagebildung einer elektrischen Phasenlage mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz, einer Faktorbildung eines Korrekturfaktors mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage und einer Sollwertbeaufschlagung eines Anregungssollwerts mit dem Korrekturfaktor zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts.A resonance method for an oscillating system for resonantly oscillating an excitation unit with an oscillating mass is proposed for solving the task, comprising the steps of deflection detection of a deflection of the oscillating mass, speed formation of a speed of the oscillating mass by differentiating the deflection, phase position generation of a mechanical phase position by means of the deflection and the speed, a phase position correction of the mechanical phase position by means of a correction value to a corrected phase position, a frequency formation of an electrical angular frequency by means of at least one P control based on the corrected phase position, a phase position formation of an electrical phase position by means of integration based on the electrical angular frequency, a factor formation of a Correction factor by means of a trigonometric function based on the electrical phase position and a setpoint application of an excitation ing setpoint with the correction factor to generate a corrected excitation setpoint.
Das Verfahren basiert in vorteilhafter Weise auf der gedanklichen Einschränkung der Bewegungsfreiheit (dem Freiheitsgrad) der Schwingungsmasse und auf deren Resonanzfrequenz (hier der elektrischen Kreisfrequenz) gegenüber der Anregungseinheit.The method is advantageously based on the intellectual restriction of the freedom of movement (the degree of freedom) of the oscillating mass and on its resonant frequency (here the electrical circular frequency) compared to the excitation unit.
Die Istposition der mittels der Auslenkungserfassung erfassten Auslenkung der Schwingungsmasse wird dazu in einen Vektor überführt, die Abszisse ist die erfasste Auslenkung und die Ordinate ist die mittels der Geschwindigkeitsbildung gebildete Geschwindigkeit der Schwingmasse als Differenzierung der Auslenkung gemäß der Formel
Die durch die Phasenlageerzeugung erzeugte mechanische Phasenlage ergibt sich beispielsweise vorteilhaft mittels einer arctan2-Funktion auf Basis der Auslenkung und der Geschwindigkeit gemäß der Formel
In bevorzugter Weise wird als Geschwindigkeit eine normierte Geschwindigkeit zur Erzeugung der mechanischen Phasenlagen gewählt.A normalized speed for generating the mechanical phase positions is preferably selected as the speed.
Mittels der Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage ergibt sich kontinuierlich in vorteilhafter Weise durch einen eines Korrekturwert die korrigierte Phasenlage.By means of the phase position correction of the mechanical phase position, the corrected phase position results continuously in an advantageous manner by means of a correction value.
Für die Frequenzbildung der elektrischen Kreisfrequenz kann anstatt der P-Reglung (mit Verstärkungsanteil Kp) auch eine PI-Reglung (mit Verstärkungsanteil Kp und Integralanteil I) oder auch eine PID-Reglung (mit Verstärkungsanteil Kp, Integralanteil I und Differenzieranteil D) auf Basis der korrigierten Phasenlage eingesetzt werden, was die P-Reglung qualitativ im Sinne mehr Reglungsqualität erhöhen kann.Instead of P control (with gain component K p ), PI control (with gain component K p and integral component I) or PID control (with gain component K p , integral component I and differentiation component D) can also be used for frequency formation of the circular electrical frequency. can be used on the basis of the corrected phase angle, which can increase the P control qualitatively in the sense of more control quality.
Die sich bildende elektrische Kreisfrequenz ist dabei auch als aktuelle Schwingfrequenz (angeforderte Resonanzfrequenz) bzw. letzte aktuelle Schwingfrequenz (letzte angeforderte Resonanzfrequenz) zu verstehen. Ein gezieltes Einlernen der Reglung ist somit nicht notwendig.The electric circular frequency that is formed is also to be understood as the current oscillation frequency (requested resonance frequency) or last current oscillation frequency (last requested resonance frequency). Targeted programming of the control is therefore not necessary.
Für die Phasenlagebildung der elektrischen Phasenlage wird in vorteilhafter Weise die elektrische Kreisfrequenz integriert.The electrical angular frequency is integrated in an advantageous manner for the phase position formation of the electrical phase position.
Die Faktorbildung des Korrekturfaktors erfolgt mittels der trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage, beispielsweise durch eine Sinus-Funktion gemäß der Formel
Mittels der Sollwertbeaufschlagung wird der Anregungssollwerts als elektrischer Wert für eine schwingungserzeugende Kraft der Anregungseinheit zur Anregung der Schwingungsmasse mit dem Korrekturfaktor vorteilhaft korrigiert, derart, dass für die zu erzielende resonante Schwingung von Anregungseinheit und Schwingungsmasse ein korrigierter elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft als korrigierter Anregungssollwert erzeugt wird.By applying the setpoint value, the excitation setpoint as an electrical value for a vibration-generating force of the excitation unit for exciting the oscillating mass is advantageously corrected with the correction factor, such that a corrected electrical value for the vibration-generating force is generated as a corrected excitation setpoint for the resonant oscillation to be achieved by the excitation unit and oscillating mass will.
Mit diesem korrigierter Anregungssollwert wird beispielsweise ein Elektromagnet von der Anregungseinheit elektrisch angeregt, was die entsprechende resonante Schwingung von Anregungseinheit und Schwingungsmasse erzeugt.With this corrected setpoint excitation value, for example, an electromagnet is electrically excited by the excitation unit, which generates the corresponding resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Resonanzverfahren sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the resonance method are specified in the dependent claims.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens weist das Resonanzverfahren den Schritt Geschwindigkeitsnormierung der Geschwindigkeit mittels der elektrischen Kreisfrequenz zu einer normierten Geschwindigkeit auf, wobei die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividiert wird.In a first advantageous embodiment of the resonance method, the resonance method has the step of speed normalization of the speed using the electrical circular frequency to a normalized speed, the speed being divided by the electrical circular frequency.
Um die Geschwindigkeit in vorteilhafter Weise auf die elektrische Kreisfrequenz abzubilden, wird die Geschwindigkeit auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz in die normierte Geschwindigkeit überführt gemäß der Formel
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist zur Phasenlagekorrektur der Korrekturwert die rückgeführte elektrische Phasenlage und wird vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahiert.In a further advantageous embodiment of the resonance method, the correction value for the phase position correction is the returned electrical phase position, and the returned electrical phase position is preferably subtracted from the mechanical phase position.
Somit stellt sich aus Sicht der Reglung eine ausgeregelte Phasenlage ein, wobei die mechanische Phasenlage solang korrigiert wird, bis die korrigierten Phasenlage einen Wert von annähernd 0 annimmt.From the point of view of regulation, a corrected phase position is thus established, with the mechanical phase position being corrected until the corrected phase position assumes a value of approximately 0.
Die in einer Reglungsschleife zur mechanischen Phasenlage als Korrekturwert zurückgeführte elektrische Phasenlage kann auch unter Berücksichtigung der Vorzeichen der mechanischen Phasenlage und der elektrischer Phasenlage auf die mechanische Phasenlage addiert werden.The electrical phase angle fed back as a correction value to the mechanical phase angle in a control loop can also be added to the mechanical phase angle, taking into account the sign of the mechanical phase angle and the electrical phase angle.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Verfahrensinitialisierung eine initiale Kreisfrequenz vorgegeben oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz verwendet.In a further advantageous embodiment of the resonance method, an initial Specified angular frequency or last known electrical angular frequency used.
Um das Resonanzverfahren z.B. bei dessen Start zu initialisieren, kann bei der Verfahrensinitialisierung bevorzugt die initiale Kreisfrequenz als z.B. ein Parameter vorgegeben werden, welcher auch schon der gewünschten Resonanzfrequenz entsprechen kann.In order to initialize the resonance method, e.g. at the start of it, the initial circular frequency can preferably be specified as a parameter, for example, which can already correspond to the desired resonance frequency.
Es ist ebenso vorteilhaft möglich, z.B. bei Störungen oder einem Neuaufsetzen der Reglung nach einem Ausfall des Resonanzverfahrens, auf die letzte bekannt elektrische Kreisfrequenz zurückzugreifen.It is also advantageously possible, e.g. in the event of faults or a restart of the control after a failure of the resonance process, to fall back on the last known electrical circular frequency.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist die mechanische Phasenlage insbesondere zwischen einer Auslenkungsamplitude der Auslenkung und der Geschwindigkeit oder zwischen einer Auslenkungsamplitude der Auslenkung und der Auslenkung bestimmt.In a further advantageous embodiment of the resonance method, the mechanical phase position is determined in particular between a deflection amplitude of the deflection and the speed or between a deflection amplitude of the deflection and the deflection.
Die Auslenkungsamplitude kann ermittelt werden gemäß der Formel
In bevorzugter Weise wird als Geschwindigkeit die normierte Geschwindigkeit zur Ermittlung der Auslenkungsamplitude gewählt.The normalized speed for determining the deflection amplitude is preferably selected as the speed.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Auslenkungserfassung ein Auslenkungssignal von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasst und das Auslenkungssignal in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse um einen Gleichanteil korrigiert, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass ermittelt wird.In a further advantageous embodiment of the resonance method, a deflection signal is detected by a deflection measuring device for deflection detection and the deflection signal is corrected by a direct component depending on the installation location of the deflection measuring device with respect to the vibration mass DC component parameters are specified or determined by a DC component high-pass filter.
Die Auslenkungsmessvorrichtung misst dabei die Auslenkung der Schwingungsmasse gegenüber einer Ruheposition der Schwingungsmasse und stellt die Auslenkung in dem Auslenkungssignal für eine Weiterverarbeitung dem Resonanzverfahren bereit.The deflection measuring device measures the deflection of the oscillating mass compared to a rest position of the oscillating mass and provides the deflection in the deflection signal for further processing by the resonance method.
Mittels des Gleichanteilparameter oder des Gleichanteilhochpasses kann eine Korrektur des mit dem Auslenkungssignal behafteten Auslenkungsmesswerts der Auslenkung bzgl. des Einbauortes der Auslenkungsmessvorrichtung vorgenommen werden.The measured deflection value of the deflection associated with the deflection signal can be corrected by means of the direct component parameter or the direct component high-pass filter with regard to the installation location of the deflection measuring device.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist der Anregungssollwert ein Sollstrom und der korrigierte Anregungssollwert ein korrigierter Sollstrom.In a further advantageous embodiment of the resonance method, the desired excitation value is a desired current and the corrected desired excitation value is a corrected desired current.
Der Anregungssollwert als elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft und der korrigierte Anregungssollwert als korrigierter elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft zur Ansteuerung der Elektromagneten, z.B. mittels eines elektrischen Umrichters, ist jeweils in vorteilhafter Weise als Sollstrom zur Erzeugung einer kraftbildenten Schwingungsanregung ausgebildet. Grundsätzlich ist dazu jeweils auch eine entsprechende Sollspannung geeignet.The excitation target value as an electrical value for the vibration-generating force and the corrected excitation target value as a corrected electrical value for the vibration-generating force for controlling the electromagnets, e.g. by means of an electrical converter, are each advantageously designed as a target current for generating a force-generating vibration excitation. In principle, a corresponding setpoint voltage is also suitable in each case.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Störungsüberwachung die elektrische Kreisfrequenz auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse überwacht.In a further advantageous embodiment of the resonance method, the electrical circular frequency is monitored for disturbances during the resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass for disturbance monitoring.
Die elektrische Kreisfrequenz kann dazu in vorteilhafter Weise durch eine Frequenzuntergrenze auf eine Unterschreitung der elektrischen Kreisfrequenz und oder eine Frequenzobergrenze auf eine Unterschreitung der elektrischen Kreisfrequenz überwacht werden.For this purpose, the electrical circular frequency can advantageously be monitored by means of a lower frequency limit for falling below the electrical circular frequency and/or an upper frequency limit for falling below the electrical circular frequency.
Für die Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Umrichter vorgeschlagen, welcher ein Erfassungsmittel, ausgebildet zur Auslenkungserfassung einer Auslenkung der Schwingungsmasse, ein erstes Bildungsmittel, ausgebildet zur Geschwindigkeitsbildung einer Geschwindigkeit der Schwingmasse mittels Differenzierung der Auslenkung, ein Erzeugungsmittel, ausgebildet zur Phasenlageerzeugung einer mechanischen Phasenlage mittels der Auslenkung und der Geschwindigkeit, ein Korrekturmittel, ausgebildet zur Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage mittels eines Korrekturwerts zu einer korrigierten Phasenlage, ein zweites Bildungsmittel, ausgebildet zur Frequenzbildung einer elektrischen Kreisfrequenz mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage, ein drittes Bildungsmittel, ausgebildet zur Phasenlagebildung einer elektrischen Phasenlage mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz, ein viertes Bildungsmittel, ausgebildet zur Faktorbildung eines Korrekturfaktors mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage und ein Beaufschlagungsmittel, ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung eines Anregungssollwerts mit dem Korrekturfaktor zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts aufweist.To solve the problem, a converter is also proposed, which has a detection means, designed to detect a deflection of a deflection of the oscillating mass, a first generating means, designed to generate a speed of the oscillating mass by differentiating the deflection, a generating means, designed to generate a phase position of a mechanical phase position using the deflection and the speed, a correction means, designed to correct the phase position of the mechanical phase position by means of a correction value to a corrected phase position, a second means of formation, designed to form an electrical angular frequency by means of at least one P controller on the basis of the corrected phase position, a third means of formation, designed to Phase position formation of an electrical phase position by means of integration on the basis of the electrical angular frequency, a fourth formation means, designed for factor formation of a correction factor by means of a trigonometric function on the basis of the electrical phase position and an application means, designed to apply the correction factor to a target value of an excitation target value in order to generate a corrected excitation target value.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform des Umrichters weist der Umrichter ein Normierungsmittel auf, ausgebildet zur Geschwindigkeitsnormierung der Geschwindigkeit mittels der elektrischen Kreisfrequenz zu einer normierten Geschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividierbar ist.In a first advantageous embodiment of the converter, the converter has a normalization means designed for speed normalization of the speed using the electrical circular frequency to a normalized speed, the speed being divisible by the electrical circular frequency.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Umrichters ist zur Phasenlagekorrektur als Korrekturwert die rückgeführte elektrische Phasenlage vorgesehen und ist vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahierbar.In a further advantageous embodiment of the converter, the returned electrical phase position is provided as a correction value for the phase position correction and the returned electrical phase position can preferably be subtracted from the mechanical phase position.
Grundsätzlich ist der Umrichter dazu ausgebildet, das oben dargestellt erfindungsgemäße Resonanzverfahren auszuführen.In principle, the converter is designed to carry out the resonance method according to the invention as described above.
Für die Lösung der Aufgabe wird ebenfalls eine Anregungseinheit vorgeschlagen, welche mindestens einen Elektromagneten zur Anregung der Schwingungsmasse, den erfindungsgemäßen Umrichter zum Betrieb des mindestens einen Elektromagneten und eine Auslenkungsmessvorrichtung zur Messung der Auslenkung der Schwingungsmasse gegenüber einer Ruheposition der Schwingungsmasse aufweist.To solve the problem, an excitation unit is also proposed, which has at least one electromagnet for exciting the oscillating mass, the converter according to the invention for operating the at least one electromagnet, and a deflection measuring device for measuring the deflection of the oscillating mass compared to a rest position of the oscillating mass.
Die mittels der Auslenkungsmessvorrichtung gemessene Auslenkung wird durch ein Auslenkungssignal an das Erfassungsmittel des Umrichters zur Auslenkungserfassung übertragen.The deflection measured by the deflection measuring device is transmitted by a deflection signal to the detection means of the converter for deflection detection.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Anregungseinheit weist die Anregungseinheit zumindest ein Federelement auf, wobei das zumindest eine Federelement mit der Schwingungsmasse verbunden ist.In an advantageous embodiment of the excitation unit, the excitation unit has at least one spring element, with the at least one spring element being connected to the vibration mass.
Denkbar sind hier auch Lösungen mit zwei oder mehreren Federelementen, mittels derer die Schwingungsmasse schwingbar gelagert ist.Solutions with two or more spring elements are also conceivable here, by means of which the oscillating mass is oscillatingly mounted.
Für die Lösung der Aufgabe wird auch ein Schwingungssystem vorgeschlagen, welches die erfindungsgemäße Anregungseinheit und die Schwingungsmasse aufweist.To solve the problem, an oscillating system is also proposed which has the excitation unit according to the invention and the oscillating mass.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Schwingungssystems ist das Schwingungssystem als Reibschweißvorrichtung oder als Transportvorrichtung hergerichtet.In an advantageous embodiment of the vibration system, the vibration system is designed as a friction welding device or as a transport device.
Transportvorrichtung sind z.B. Fördervorrichtungen zum Materialtransport (sogenannte Rüttler oder Schwingförderer), welche ihr Transportgut durch in Schwingungen gesetzte Transportbänder befördern.Transport devices are, for example, conveyor devices for material transport (so-called vibrators or oscillating conveyors), which transport their goods on conveyor belts that are set in motion.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
- FIG 1
- ein Struktogramm des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens,
- FIG 2
- eine schematische Regelungsdarstellung des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens und
- FIG 3
- eine schematische Darstellung einer Reibschweißvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Umrichter, der erfindungsgemäßen Anregungseinheit und dem erfindungsgemäßen Schwingungssystem.
- FIG 1
- a structogram of the resonance method according to the invention,
- FIG 2
- a schematic control representation of the resonance method according to the invention and
- 3
- a schematic representation of a friction welding device with the converter according to the invention, the excitation unit according to the invention and the vibration system according to the invention.
Die
Während der Auslenkungserfassung 5 wird eine Auslenkung der Schwingungsmasse erfasst. Ein dazu von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasstes Auslenkungssignal kann in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse um einen Gleichanteil korrigiert werden, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter 34 vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass 19 ermittelt werden kann.During deflection detection 5, a deflection of the oscillating mass is detected. A deflection signal detected by a deflection measuring device for this purpose can be corrected by a DC component depending on the installation location of the deflection measuring device relative to the vibration mass, with the DC component being specified by a
Mittels Differenzierung der Auslenkung wird bei der Geschwindigkeitsbildung 6 eine Geschwindigkeit der Schwingmasse gebildet, wobei die Geschwindigkeit auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz in eine normierte Geschwindigkeit überführt wird, indem die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividiert wird.By differentiating the deflection, a speed of the oscillating mass is formed during
Bei der Phasenlageerzeugung 7 wird eine mechanischen Phasenlage auf Basis der Auslenkung und der Geschwindigkeit erzeugt.During
Über die Phasenlagekorrektur 8 wird die mechanische Phasenlage durch einen Korrekturwert in eine korrigierte Phasenlage gewandelt. Der Korrekturwert ist dabei die in einer Reglungsschleife rückgeführte elektrische Phasenlage, wobei vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahiert wird.The
Eine Frequenzbildung 9 einer elektrischen Kreisfrequenz erfolgt mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage. Für die Frequenzbildung 9 kann die P-Reglung auch als PI-Reglung oder auch als PID-Reglung ausgebildet sein.A
Für eine Verfahrensinitialisierung 16 kann eine initiale Kreisfrequenz vorgegeben werden oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz verwendet werden.For a
Weiterhin kann zu einer Störungsüberwachung 33 die elektrische Kreisfrequenz auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse überwacht werden. Typische Störungen können ihre Ursache z.B. in mechanischen Defekten beim Schwingen der Schwingungsmasse haben, so dass sich die geforderte elektrische Kreisfrequenz zu gering oder zu hoch werden kann und das Resonanzverfahren ggf. abgebrochen werden muss.Furthermore, the electrical circular frequency can be monitored for disturbances in the resonant oscillation of the excitation unit and oscillation mass for a
Bei der Phasenlagebildung 10 einer elektrischen Phasenlage erfolgt eine Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz.In the
Während der Faktorbildung 11 eines Korrekturfaktors kommt eine trigonometrische Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage zum Einsatz und der Korrekturfaktor korrigiert während einer Sollwertbeaufschlagung 12 einen Anregungssollwerts auf einen korrigierten Anregungssollwerts.During
In
Ein Erfassungsmittel 21 ist zur Auslenkungserfassung 5 einer Auslenkung x der Schwingungsmasse ausgebildet. Ein als Auslenkung x von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasstes Auslenkungssignal wird, in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse, durch ein Hochpassmittel 37 von einem Gleichanteilhochpass 19 um einen Gleichanteil korrigiert.A detection means 21 is designed to detect a deflection 5 of a deflection x of the oscillating mass. A deflection signal detected as deflection x by a deflection measuring device is corrected by a direct component by a direct component high-
Ein erstes Bildungsmittel 22 differenziert die Auslenkung x mittels der Geschwindigkeitsbildung 6 zu einer Geschwindigkeit v der Schwingmasse. Die Geschwindigkeit v wird weiterhin durch ein Normierungsmittel 35 in einer Geschwindigkeitsnormierung 15 auf Basis einer zurückgeführten elektrischen Kreisfrequenz ωel in eine normierte Geschwindigkeit vn überführt, indem die Geschwindigkeit v durch die elektrische Kreisfrequenz ωel dividiert wird.A first formation means 22 differentiates the deflection x by means of the
Ein Erzeugungsmittel 23 ist zur Phasenlageerzeugung 7 einer mechanischen Phasenlage θm ausgebildet, was auf Basis der Auslenkung x und der Geschwindigkeit v erfolgt.A generating means 23 is designed for
Ein Korrekturmittel 24 ist zur Phasenlagekorrektur 8 der mechanischen Phasenlage θm ausgebildet, wobei die mechanische Phasenlage θm mittels eines Korrekturwerts kθ in eine korrigierte Phasenlage θk überführt wird. Als Korrekturwert kθ wird eine rückgeführte elektrische Phasenlage θel eingesetzt, wobei die rückgeführte elektrische Phasenlage θel von der mechanischen Phasenlage θm subtrahiert wird.A correction means 24 is designed for the
Ein zweites Bildungsmittel 25 ist zur Frequenzbildung 9 der elektrischen Kreisfrequenz ωel mittels hier einer P-Reglung, welche auch eine PI-Reglung oder eine PID-Reglung sein kann, auf Basis der korrigierten Phasenlage θk ausgebildet. Die elektrischen Kreisfrequenz ωel wird an dieser Stelle zum Normierungsmittel 35 für die Geschwindigkeitsnormierung 15 zurückgegeben.A second formation means 25 is designed for
Von einem Initialisierungsmittel 36 kann zur Verfahrensinitialisierung 16 eine initiale Kreisfrequenz ωin vorgegeben werden.An initial circular frequency ω in can be specified by an initialization means 36 for
Durch ein drittes Bildungsmittel 26 erfolgt eine Phasenlagebildung 10 der elektrischen Phasenlage θel mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz ωel. Die elektrischen Phasenlage θel wird an dieser Stelle zum Korrekturmittel 24 für die Phasenlagekorrektur 8 zurückgeführt.A
Von einem vierten Bildungsmittel 27 wird eine Faktorbildung 11 eines Korrekturfaktors kF mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage θel durchgeführt.A
Ein Beaufschlagungsmittel 28, ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung 12 eines Anregungssollwerts 13 in Form eines Sollstroms Is mit dem Korrekturfaktor kF, erzeugt einen korrigierten Anregungssollwerts 14 in Form eines korrigierten Sollstroms Isk. Mit diesem korrigierten Sollstroms Isk wird insbesondere ein Elektromagnet betrieben, welcher von der Anregungseinheit umfasst ist und die Schwingungsmasse zum resonanten Schwingen anregt.An application means 28, designed to apply a
Mittels
Das Schwingungssystem 2 ist hier beispielhaft als Reibschweißvorrichtung 32 mit der Anregungseinheit 4 und einer Schwingmasse 3 ausgebildet.The vibration system 2 is designed here, for example, as a friction welding device 32 with the excitation unit 4 and an
An der Schwingungsmasse 3 ist ein erstes Befestigungsmittel 41 für ein erstes Werkstück 43 angeordnet. Die Schwingungsmasse 3 mit dem ersten Befestigungsmittel 41 und dem ersten Werkstück 43 ist schwingungsfähig gelagert.A first fastening means 41 for a
Unmittelbar gegenüber dem ersten Werkstück 43 ist ein zweites Werkstück 44 mit einem zweiten Befestigungsmittel 42 verbunden. Das zweite Werkstück 44 am zweiten Befestigungsmittel 42 ist dabei gegenüber dem ersten Werkstück 43 fest fixiert und nicht schwingbar gelagert.A
Die Anregungseinheit 4 zur Schwingungsanregung der Schwingmasse 3 umfasst den Umrichter 20, einen Elektromagnet 29, einen weiteren Elektromagneten 30, eine erstes und zweites Federelement 38,39 zur schwingungsfähigen Lagerung der Schwingungsmasse 3, eine Auslenkungsmessvorrichtung 18 sowie ein von der Auslenkungsmessvorrichtung 18 an den Umrichter 20 übermitteltes Auslenkungssignal, welches einen gemessenen Istwert der Auslenkung aufweist.The excitation unit 4 for exciting vibrations in the
Die Messung der Auslenkung mittels der Auslenkungsmessvorrichtung 18 erfolgt gegenüber einer Ruheposition 31 der Schwingungsmasse 3.The deflection is measured by means of the
Mittels des Umrichters 20, insbesondere mittels der Reglungseinheit 40 des Umrichters 20, ist das erfindungsgemäße Reglungsverfahren ausführbar.The control method according to the invention can be carried out by means of the
Im Betrieb der Reibschweißvorrichtung 32 wird das am ersten Befestigungsmittel 41 der Schwingungsmasse 3 befestigte erste Werkstück 43 in resonante Schwingungen mit der Anregungseinheit 4 versetzt. Das in Schwingungen versetzte erste Werkstück 43 reibt sich an dem fest fixierten und nicht schwingbaren zweiten Werkstück 44, wobei Reibungswärme entsteht und beide Werkstücke 43,44 miteinander energieeffizient und in hoher Herstellungsqualität verschweißt werden.During operation of the friction welding device 32 , the
Claims (15)
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