WO2004030834A1 - Aktive schwingungskompensation für eine getreide-reinigungsmaschine - Google Patents

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WO2004030834A1
WO2004030834A1 PCT/CH2003/000553 CH0300553W WO2004030834A1 WO 2004030834 A1 WO2004030834 A1 WO 2004030834A1 CH 0300553 W CH0300553 W CH 0300553W WO 2004030834 A1 WO2004030834 A1 WO 2004030834A1
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machine
actuator
unit
unbalance
vibration
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PCT/CH2003/000553
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Andreas Kuhn
Rolf Stämpfli
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Bühler AG
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D19/00—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase
    • G05D19/02—Control of mechanical oscillations, e.g. of amplitude, of frequency, of phase characterised by the use of electric means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/10—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy
    • B06B1/16—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy operating with systems involving rotary unbalanced masses
    • B06B1/161—Adjustable systems, i.e. where amplitude or direction of frequency of vibration can be varied
    • B06B1/166—Where the phase-angle of masses mounted on counter-rotating shafts can be varied, e.g. variation of the vibration phase
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07B—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS BY SIEVING, SCREENING, SIFTING OR BY USING GAS CURRENTS; SEPARATING BY OTHER DRY METHODS APPLICABLE TO BULK MATERIAL, e.g. LOOSE ARTICLES FIT TO BE HANDLED LIKE BULK MATERIAL
    • B07B1/00—Sieving, screening, sifting, or sorting solid materials using networks, gratings, grids, or the like
    • B07B1/42—Drive mechanisms, regulating or controlling devices, or balancing devices, specially adapted for screens
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    • B07B1/44—Balancing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/22—Compensation of inertia forces

Definitions

  • the invention relates to a machine, in particular grain cleaning machine, for processing a product, in particular for cleaning grain grains, by means of a vibratable machine part which is coupled to the machine frame, and to a method for operating the machine.
  • the invention is therefore based on the object of providing cost-effective vibration compensation with which the ground forces at the location of the machine are reduced to a minimum.
  • the actuator unit has two counterbalance unbalance motors, in particular each of the two unbalance motors of the actuator unit each having an initiator for the direct detection of the position of the eccentric centrifugal masses of each unbalance motor.
  • the actuator unit is preferably designed in such a way that the actuator vibration amplitude transmitted from the actuator unit to the machine can be controlled by the relative phase position of the two unbalance motors.
  • this has the advantage that no manual intervention, e.g. Adjustment of eccentric masses when the machine is at rest is necessary and offers the advantage that, depending on the operating state and vibration amplitude, active vibration compensation is possible without interrupting operation by specifically controlling the individual unbalance motors of the actuator unit. This is e.g. important to avoid the resonance peaks mentioned above when starting up and shutting down the machine.
  • the processing unit and the control unit expediently form a control unit with which, on the one hand, the relative phase position between the vibration of the vibratable parts and the vibration of the actuator unit and, on the other hand, the actuator oscillation amplitude of the actuator unit can be set.
  • the vibratable machine part has a main drive, which also consists of two opposing unbalance motors rigidly connected to one another, it is particularly advantageous if the two opposing unbalance motors of the actuator unit are identical to the two opposite unbalance motors of the main drive, because of in this way the number of different parts of the machine and thus the production and maintenance costs can be reduced.
  • This machine enables the method according to the invention to be carried out, in which the actuator unit is vibrated at the same frequency as the vibratable parts of the machine, a phase difference of 180 ° being maintained between the vibration of the parts and the vibration of the actuator unit, the actuator oscillation amplitude being such is set so that the dynamic ground forces detected by the at least one sensor between the machine frame and the floor supporting the machine maintain a minimum during operation of the machine with vibrating parts.
  • Fig. 1 shows a combi cleaning machine of the prior art in a partially sectioned side view
  • Fig. 2 shows the combination cleaning machine of Fig. 1 in a more schematic manner
  • FIG 3 shows an actuator system according to the invention with unbalance motors
  • Figure 4 shows a block diagram of the frequency and phase control
  • FIG. 5 to 7 show different phase detector circuits
  • 10 shows a block diagram of the amplitude magnitude control for the actuators; 11 schematically shows the system according to the invention for active vibration compensation for a combination cleaning machine;
  • the combination cleaning machine KR shown in Fig. 1 is used for grain cleaning.
  • the machine combines four processes in one unit: sieving, sorting, separating and aerial views.
  • the machine is driven by two synchronous unbalance motors W1 and W2, which set the entire portafilter in vibration.
  • the first cleaning step is the sieving of all larger and smaller components.
  • the roller sieve K, L removes straw, cords, larger stones, i.e. all impurities that are larger than the grain.
  • the next step is sorting in heavy and mixed products, whereby parts of the same size are sorted out according to different specific weights.
  • This separation process is based on the difference in sinking speed, with heavy parts in contact with the oscillating sieve bottom come and flow to stone picking U, while clean grain floats on the air cushion to the product outlet.
  • Another classification process is the aerial view or the selection of light particles such as dust, shells, husks, grains and seeds from the grain flow.
  • this combination cleaning machine KR Due to the technologically important oscillating movement of the body, this combination cleaning machine KR generates considerable ground forces at its location.
  • the combined cleaning machine KR must therefore be installed on a solid floor that has no natural frequencies between 10 and 22 Hz. When converting, the floor must be reinforced with appropriate steel girders.
  • FIG. 2 schematically illustrates the force relationships that exist during operation of the conventional combination cleaning machine KR.
  • the unbalance motor unit W main drive
  • vibrates the moving parts B a horizontal force component FH and a vertical force component FV occurring.
  • the combined cleaning machine KR therefore generates considerable ground forces, whereby the vertical dynamic ground forces FV-i and FV are particularly critical for the building in which the combined cleaning machine KR is built.
  • FIG. 3 shows an actuator system according to the invention with a first unbalance motor 3 and a second unbalance motor 4, as well as a first initiator 1 and a second initiator 2.
  • the actuator system is denoted overall by A.
  • the combined cleaning machine KR has as its main drive an unbalance motor unit W which has a first unbalance motor W1 and a second unbalance motor W2, which run synchronously with one another. Since they are firmly coupled to one another, but are freely suspended in the direction of force, these two unbalance motors W1 and W2 of the main drive of the combined cleaning machine KR synchronize themselves, since they automatically assume the state with the lowest energy potential of the unbalance motor unit W.
  • each unbalance motor 3, 4 is preferably equipped with its own initiator 1 or 2, which detects the position of the centrifugal masses of the unbalance motors 3, 4 directly.
  • Such initiators 1, 2 are particularly distinguished from incremental encoders by the fact that they are also robust against vibrations at a comparatively low price. In addition, such initiators 1, 2 can be installed on site without great effort.
  • a third initiator (not shown) is attached to one of the two unbalance motors W1 and W2 of the unbalance motor unit W serving as the main drive in order to detect the speed and phase position of the main drive.
  • FIG. 4 shows the block diagram of the frequency and phase control according to the invention.
  • a follow-up synchronization used here is shown schematically in the block diagram of FIG. 4.
  • a phase detector 11, a low-pass filter 12, a controller 13 and a frequency converter motor unit 14 are connected in series.
  • the signals ⁇ O, ⁇ 1 of the two initiators 1, 2 are compared with the phase detector 11, which outputs a signal corresponding to the phase shift.
  • This signal is added to the controller 13 via the low-pass filter 12.
  • the controller 13 controls the frequency converter unbalance motor unit 14 to be controlled so that the signals from the two initiators 1, 2 arrive synchronously at the phase detector.
  • the task of the phase detector is to synchronize the frequency and phase.
  • Fig. 5 shows a first example of a phase detector used in the present invention.
  • the phase detector of FIG. 5 delivers a sign-correct signal with different frequency shifts. It essentially consists of two edge-triggered D-FIips flops FF1 and FF2.
  • the voltage ln2 rushes the voltage of the In2 before, the first positive edge arrives at In2, whereby the flip-flop 1 is set. This is only reset via the NAND gate if there is a positive edge at In1.
  • the mean value is formed from the rectangular pulses.
  • FIG. 6 shows a second example of a phase detector which can be used for the invention. It essentially consists of two edge-triggered counters CLR1 and CLR2, a subtractor SUB, an AD converter ADW and a low-pass filter TP. In the vicinity of the zero point, the detector behaves exactly like the previous circuit (Fig. 5).
  • X2 is ahead of X1
  • positive pulses are generated with an amplitude whose duration is the time difference between the zero crossings.
  • Negative impulses arise in the event of phase lag.
  • the output voltage does not change (as in the previous circuit in FIG. 5), but retains its value.
  • the low-pass filter TP the mean value is formed from these pulses. Only when there is a very large phase shift (in the present case between -8 ⁇ and + 7 ⁇ ) is the maximum counter reading exceeded, so that a counter overflow occurs, which is noticeable in a change in the sign of the output voltage.
  • phase detector with an extended sign can also be used as the phase detector. It has an arbitrarily expanded capture range between -n2 ⁇ and + n2 ⁇ .
  • FIG. 7 shows a controller according to the invention, which is used for frequency and phase control of the block diagram of FIG. 4.
  • FIG. 7 shows a PID controller with a limited output (0 to 10 volts), in which a measure to prevent the integrator from winding up was installed.
  • the controller contains a first gain element P1, a second gain element P2 and a third gain element P3 as well as a differentiation element D and an integrator It also contains a first subtraction element SUB1 and a second subtraction element SUB 2 as well as an adder element ADD and a saturation element SAT.
  • FIG. 8 is a schematic illustration of the amplitude control for the active vibration compensation of the combination cleaning machine KR according to the invention.
  • the actuator A consisting of the two unbalance motors 3, 4 is operated in such a way that the two unbalance motors 3, 4 run in opposite directions of rotation. If the two unbalance motors 3, 4 rotate synchronously, a force component F y (t) is only generated in the vertical direction, while the forces F * (t) cancel each other out in the horizontal direction.
  • a phase shift ⁇ is set between the two rotating force vectors combination cleaning machine K1 and K2, as shown in FIG. 8.
  • the two force vectors K1, K2 rotate with opposite angular velocity ⁇ and generate the centrifugal force:
  • the force component of interest for force compensation of the combination cleaning machine KR is the vertical force component in the Y direction F y ( ⁇ ).
  • the phase shift ⁇ can be implemented using an amplitude control as shown in the block diagram of FIG. 9.
  • a phase detector 21, a low-pass filter 22, a controller 23 and a frequency converter unbalance motor unit 24, on the one hand, and a phase detector 31, a low-pass filter 32, a controller 33, and a frequency converter unbalance motor unit 34, on the other hand, are connected in series.
  • a delay element 41 is connected upstream of the phase detector 21, while the output of the frequency converter unbalance motor unit 31 is fed back to a phase detector via a delay element 42.
  • the reference signal ⁇ O can simply be delayed. This is done with the delay element 21, in which the phase shift can be set in degrees.
  • the phase detector 21 thereby receives the reference signal with a delay, as a result of which ⁇ 1 is also set accordingly.
  • a negative phase shift is achieved by inserting the delay element 42 into the feedback path. In this case, the phase detector 31 receives a delay ⁇ 2.
  • the controller compensates for this deviation so that both input signals hit the phase detector again in phase. This is the case if ⁇ 2 leads ⁇ 1 by ⁇ .
  • the block diagram shows a controller 51, an actuator 52 for the force amplitude normal to the ground, a low-pass filter 53, a sample and hold element 54, a force measurement unit 55 and a delay element 56.
  • the frequency and the phase of the force curve are carried out by a subordinate frequency and phase control loop. This ensures that the actuator 52 always runs 180 ° out of phase with the same frequency as the stimulating combination cleaning machine KR.
  • This function is summarized in block 52 "actuator force amplitude" and corresponds to the transfer function according to equation (4).
  • the machine generates the FBM ground force, which appears as a disturbance in the control loop.
  • the ground force FB is compensated for by the closed control circuit FBA at zero.
  • the ground force In order to regulate the magnitude of the amplitude in the vertical direction, the ground force can be used, which should go as close to zero as possible.
  • the ground force is a signal that is symmetrical to zero, and it cannot therefore be recognized directly from the maximum or effective value whether the ground force is undercompensated or is already overcompensated. To do this, the force signal must be read in correctly.
  • the force signal can be sampled at the point in time at which the ground force F B M generates a positive maximum. This can be achieved, for example, with a sample / hold component which is carried with the initiator signal from the two unbalance motors W1 and W2 of the main drive W of the combination cleaning machine KR.
  • the initiator signal undergoes a phase shift, so that the force signal is measured exactly 90 ° after its positive zero crossing.
  • a signal is thus available at the output of the sample / hold module, which has positive voltages if the force has been undercompensated or negative voltages if the force has been overcompensated.
  • FIG. 11 shows the combination cleaning machine KR according to the invention, which is equipped with a system according to the invention for active vibration compensation.
  • the combined cleaning machine KR is screwed to a mounting frame and can therefore be placed directly on four load cells 5, 6, 7, 8 (see also Fig. 12) to determine the ground force.
  • the force signals of the load cells 5, 6, 7, 8 are processed with a four-channel carrier frequency amplifier 64 and fed to a measurement data acquisition unit 62 via a measurement system 63.
  • the data acquisition system can be implemented on a lap top for data storage and visualization.
  • the measuring system 63 has an integrated signal processor and makes it possible to determine the sum from the four individual forces which are detected at the load cells 5, 6, 7 and 8 and to pass them on directly to the controller via an analog output.
  • the controller can also be implemented on a computer or on a plug-in card in the latter and forwards the manipulated variables to the two frequency converters of the frequency converter unit 65, which in turn control the two unbalance motors 3, 4 of the actuator A.
  • the controller also detects signals 11 and 12 from the two initiators 1, 2 of actuator A. and the signal 10 of the initiator (not shown) attached to the unbalance motor unit W.
  • the actuator system A consisting of the two unbalance motors 3, 4 is integrated in the machine frame of the combined cleaning machine KR.
  • FIG. 12 shows in a schematic plan view of the combination cleaning machine KR how the actuator system A consisting of the two unbalance motors 3, 4 and the two actuators A1 and A2 is integrated into the combination cleaning machine KR according to the invention.
  • the actuator system A according to the invention is integrated in the machine frame to compensate for the ground forces of the combination cleaning machine KR.
  • the actuator system A according to the invention can be used to control or reduce the amplitude, whereby also a horizontal force component is created. For this reason, special attention must be paid to the positioning and orientation of the two unbalance motors 3 (actuator A) and 4 (actuator A1).
  • FIG. 12 shows the position and orientation in which the actuator system A is integrated into the machine frame of the combination cleaning machine KR.
  • the forces F1, F2, F3 and F4 which are recorded at the four support points by the load cells 7, 6, 3 and 5, can be compensated for by a central force F at point P.
  • the central perpendicular can be used as the second coordinate of point T.
  • the axis of rotation of the unbalance motors 3, 4 are oriented so that they are perpendicular to the perpendicular MS. This makes it possible to counteract the horizontal force caused by the main drive W (unbalance motor W1 and W2).
  • the actuator A1 formed by the unbalance motor 3 and the actuator A2 formed by the unbalance motor 4 are fastened to U-profiles which are connected to the frame of the machine on the combination cleaning machine KR according to the invention.
  • 13 shows the block diagram of the circuit used for frequency and phase control, which are used for the synchronization of the drive of the combination cleaning machine KR according to the invention.
  • the control in FIG. 13 is used.
  • the delay elements 91, 92 and 93 contains the delay elements 91, 92 and 93. It therefore corresponds except for the delay element 91 at the input of the circuit of the amplitude control from Fig. 9.
  • the additional delay element 91 serves for the symmetrical delay of both actuators A1 and A2 by an exact Obtain phase shift of 180 °. In order to determine the exact value of the necessary phase shift, however, an initialization must first be carried out, as described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • an initialization is carried out, in which only the combination cleaning machine KR according to the invention without actuator A (FIG. 14) and once only actuator A are active. If the combination cleaning machine KR is operated without compensating actuator A, the signal S1 of the ground force of the combination cleaning machine KR and the initiator signal S2 of the combination cleaning machine KR can be recorded.
  • the phase shift can be determined by evaluating the positive zero crossings on the rising edge.
  • the upstream delay element 91 in FIG. 13 must therefore produce a phase shift of 180 ° + ⁇ r ⁇ o .
  • 16 shows the result of the active vibration compensation according to the invention on the combination cleaning machine KR.
  • 16 shows the time profile of the ground force generated by the combination cleaning machine KR according to the invention without active vibration compensation during the time interval from 10 seconds to 14 seconds.
  • the active vibration compensation according to the invention was switched on.
  • the force becomes temporarily strengthened.
  • increasing damping can then be detected. In the time interval between 21 seconds and 30 seconds you can see the greatly reduced ground force with active vibration compensation.
  • the attenuation achieved is in the range between 27 and 33 dB, the average being around 31 dB. This corresponds to a reduction in the dynamic ground force by a factor of 35. From the initial dynamic load of approximately +/- 2000 N, only a minimal dynamic load of approximately +/- 57N remains.
  • This arrangement also eliminates the disturbing beats often observed in the prior art, which can occur when two combination cleaning machines KR are operated at the same time.
  • system for active vibration compensation according to the invention can not only be used for a combination cleaning machine KR, but can also be used for other machines that give disturbing and sometimes dangerous ground forces to the machine building.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine, insbesondere Getreide- Reinigungsmaschine, zum Bearbeiten eines Produktes, insbesondere zur Reinigung von Getreide-körnern, mittels eines vibrierbaren Maschinenteils, der mit dem Maschinenrahmen gekoppelt ist, wobei die Maschine (KR) derart ausgelegt ist, dass sie die Durchführung des Verfahrens zum Bearbeiten des Produktes derart ermöglicht, dass die Aktoreinheit (A) mit derselben Frequenz wie die vibrierbaren Teile (B) der Maschine (KR) vibriert wird und dass zwischen der Vibration der vibrierbaren Teile (B) und der Vibration der Aktoreinheit (A) eine Phasendifferenz von 180° aufrechterhalten wird. Die Aktor-Schwingungsamplitude wird dabei derart eingestellt, dass die durch den mindestens einen Sensor erfassten dyna-mischen Bodenkräfte zwischen dem Maschinenrahmen und dem die Maschine (KR) tragenden Boden während des Betriebs der Maschine (KR) ein Minimum beibehalten.

Description

Aktive Schwingungskompensation für eine Getreide-Reinigungsmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine, insbesondere Getreide- Reinigungsmaschine, zum Bearbeiten eines Produktes, insbesondere zur Reinigung von Getreidekömem, mittels eines vibrierbaren Maschinenteils, der mit dem Maschinenrahmen gekoppelt ist, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben der Maschine.
Beim Betrieb derartiger Maschinen, die oftmals eine Masse von mehreren Tonnen haben, treten durch die Vibration dynamische Bodenkräfte auf, die Schäden am Maschinengebäude hervorrufen können. Insbesondere in mehrstockigen Getreidemühlen ist dies ein Problem, wenn derartige Maschinen auf den oberen Stockwerkböden aufgestellt sind.
Die bisherigen Ansätze zur Lösung dieses Problems verwendeten u.a. zwischen dem Boden und diesen Maschinen angeordnete Gummihohlfedern. Mit dieser passiven Schwingungsisolation ist zwar eine starke Reduzierung der Bodenkraft möglich, doch müssen hier stets Kompromisse bei der Standsicherheit und beim Anschliessen von Leitungen an die Maschine eingegangen werden. Darüberhinaus können beim Ein- und Ausschalten der Maschine starke Resonanzüberhöhungen auftreten, die zu gefährlichen Situationen führen können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Schwingungskompensation bereitzustellen, mit der die Bodenkräfte am Standort der Maschine auf ein Minimum reduziert werden.
Diese Aufgabe wird vom'chtungsmässig mit der eingangs genannten Maschine gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie die folgenden Elemente aufweist:
a) mindestens einen Sensor zur Erfassung von Bodenkräften; b) eine mit dem Maschinenrahmen starr verbundene Aktoreinheit zur Erzeugung von Vibrationen; c) eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der durch den mindestens einen Sensor erfassten dynamischen Bodenkräfte zur Bestimmung der Amplitude und der Phasenlage der Basisfrequenz des vibrierbaren Maschinenteils; d) eine Steuerungseinheit zum Ansteuern der Aktoreinheit mit derselben Frequenz wie die Basisfrequenz und mit einer bestimmten Amplitude und Phasenlage.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Aktoreinheit zwei gegenläufige Unwuchtmotoren auf, wobei insbesondere jeder der beiden Unwuchtmotoren der Aktoreinheit jeweils einen Initiator zur unmittelbaren Erfassung der Position der Exzenter- Schwungmassen jedes Unwuchtmotors aufweist.
Vorzugsweise ist die Aktoreinheit so ausgelegt, dass die von der Aktoreinheit auf die Maschine übertragene Aktor-Schwingungsamplitude durch die relative Phasenlage der beiden Unwuchtmotoren steuerbar ist. Dies hat zum einen den Vorteil, dass kein manuelles Eingreifen, wie z.B. Verstellung von Exzentermassen bei ruhender Maschine notwendig ist und bietet andererseits den Vorteil, dass je nach Betriebszustand und Schwingungsamplitude durch gezieltes Ansteuern der einzelnen Unwuchtmotoren der Aktoreinheit eine aktive Schwingungskompensation ohne Betriebsunterbrechung möglich ist. Dies ist z.B. wichtig, um die eingangs erwähnten Resonanzüberhöhungen beim Hochfahren und Herunterfahren der Maschine zu vermeiden.
Zweckmässigerweise bilden die Verarbeitungseinheit und die Steuerungseinheit zusammen eine Regelungseinheit, mit der einerseits die relative Phasenlage zwischen der Vibration der vibrierbaren Teile und der Vibration der Aktoreinheit sowie andererseits die Aktor-Schwingungsamplitude der Aktoreinheit einstellbar ist.
Wenn der vibrierbare Maschinenteil einen Hauptantrieb aufweist, der ebenfalls aus zwei miteinander starr verbundenen gegenläufigen Unwuchtmotoren besteht, ist es besonders vorteilhaft, wenn die beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren der Aktoreinheit mit den beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren des Hauptantriebs identisch sind, da auf diese Weise die Anzahl der unterschiedlichen Teile der Maschine und somit die Herstel- lungs- und Wartungskosten verringert werden.
Diese Maschine ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem die Aktoreinheit mit derselben Frequenz wie die vibrierbaren Teile der Maschine vibriert wird, wobei zwischen der Vibration der Teile und der Vibration der Aktoreinheit eine Phasendifferenz von 180° aufrechterhalten wird, wobei die Aktor- Schwingungsamplitude derart eingestellt wird, dass die durch den mindestens einen Sensor erfassten dynamischen Bodenkräfte zwischen dem Maschinenrahmen und dem die Maschine tragenden Boden während des Betriebs der Maschine mit vibrierenden Teilen ein Minimum beibehalten.
Weitere Vorteile Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich nun aus der nun folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei
Fig. 1 eine Kombi-Reinigungsmaschine des Stands der Technik in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht zeigt;
Fig. 2 die Kombi-Reinigungsmaschine von Fig. 1 stärker schematisch zeigt;
Fig. 3 ein erfindungsgemässes Aktorsystem mit Unwuchtmotoren zeigt;
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Frequenz- und Phasenregelung zeigt;
Fig. 5 bis 7 verschiedene Phasendetektor-Schaltungen zeigen;
Fig. 8 die Funktionsweise des erfindungsgemässen Aktors veranschaulicht;
Fig. 9 ein Blockdiagramm der erfindungsgemässen Amplitudensteuerung für den
Aktor zeigt;
Fig. 10 ein Blockschaltbild der Amplituden-Betragsregelung für die Aktoren zeigt; Fig. 11 das erfindungsgemässe System zur aktiven Schwingungskompensation für eine Kombi-Reinigungsmaschine schematisch zeigt;
Fig. 12 eine schematische Draufsicht der erfindungsgemässen Kombi-
Reinigungsmaschine mit eingebautem Aktorsystem zur aktiven Schwingungskompensation zeigt;
Fig. 13 ein Blockschaltbild der Frequenz- und Phasenregelung für die Aktoren zeigt;
Fig.14 den Signalverlauf für die Bestimmung der Phasenverschiebung der Kombi-Reinigungsmaschine zeigt;
Fig. 15 den Signalverlauf für die Bestimmung für der Phasenverschiebung des
Aktors zeigt; und
Fig. 16 den Verlauf der Bodenkraft der erfindungsgemässen. Kombi-Reiπigungs- maschine ohne aktive Schwingungskompensation (Aktor ausgeschaltet) und mit aktiver Schwingungskompensation (Aktor eingeschaltet) zeigt.
Die in Fig.1 gezeigte Kombi-Reinigungsmaschine KR dient zur Getreidereinigung.. Die Maschine kombiniert vier Prozesse in einer Einheit: Absieben, Sortieren, Trennen und Luftsichten. Angetrieben wird die Maschine durch zwei synchronlaufende Unwuchtmotoren W1 und W2, die den gesamten Siebträger in Schwingung versetzen. Der erste Reinigungsschritt ist das Absieben aller grösseren und kleineren Bestandteile. Das Schrollensieb K, L entfernt Stroh, Schnüre, grössere Steine, das heisst alle Verunreinigungen, welche grösser sind als das Getreidekorn. Auf dem Sandsieb M, N, O, P werden alle Beimengungen ausgelesen, welche kleiner sind als das Getreidekorn, wie Sand, Bruchkorn und Sämereien. Der nächste Schritt ist das Sortieren in Schwer- und Mischprodukt, wobei gleich grosse Teile nach unterschiedlichem spezifischem Gewicht aussortiert werden. Dieser Trennvorgang beruht auf dem Unterschied der Sinkgeschwindigkeit, wobei schwere Teile mit dem oszillierenden Siebboden in Berührung kommen und zur Steinnachlese U fliessen, während sauberes Getreide auf dem Luftpolster zum Produktauslauf schwimmt. Ein weiterer Klassiervorgang ist das Luftsichten oder die Auslese von Leichtteilchen wie Staub, Schalen, Spelzen, Schmachtkörnern und Sämereien aus dem Getreidestrom.
Bedingt durch die technologisch wichtige Schwingbewegung des Aufbaus erzeugt diese Kombi-Reinigungsmaschine KR an ihrem Standort beträchtliche Bodenkräfte. Die Kombi-Reinigungsmaschine KR muss deshalb auf einem soliden Boden montiert werden, welcher zwischen 10 und 22 Hz keine Eigenfrequenzen hat. Bei Umbauten muss der Boden mit entsprechenden Stahlträgern verstärkt werden.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch die Kraftverhältnisse, die beim Betrieb der herkömmlichen Kombi-Reinigungsmaschine KR vorliegen. Durch die Unwuchtmotoreinheit W (Hauptantrieb) werden die beweglichen Teile B vibriert, wobei eine horizontale Kraftkomponente FH und eine vertikale Kraftkomponente FV auftreten. Im Betrieb erzeugt die Kombi-Reinigungsmaschine KR daher beachtliche Bodenkräfte, wobei die vertikalen dynamischen Bodenkräfte FV-i und FV , für das Gebäude, in dem die Kombi-Reinigungsmaschine KR aufgebaut ist, besonders kritisch sind.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemässes Aktorsystem mit einem ersten Unwuchtmotor 3 und einem zweiten Unwuchtmotor 4, sowie einem ersten Initiator 1 und einem zweiten Initiator 2. Das Aktorsysterri wird insgesamt mit A bezeichnet.
Die Kombi-Reinigungsmaschine KR hat als Haupantrieb eine Unwuchtmotor-Einheit W, die einen ersten Unwuchtmotor W1 und einen zweiten Unwuchtmotor W2 aufweist, die synchron zueinander laufen. Da sie zueinander fest gekoppelt sind, aber in der Kraftrichtung freischwingend montiert sind, synchronisieren sich diese beiden Unwuchtmotoren W1 und W2 des Hauptantriebs der Kombi-Reinigungs-Maschine KR selbst, da sie automatisch den Zustand mit dem geringsten Energiepotenzial der Unwuchtmotor- Einheit W einnehmen.
Um mit dem erfindungsgemässen Aktor A einen gradlinigen Kraftsektor F zu erzeugen werden zwei in entgegengesetzter Drehrichtung und synchron laufende Unwuchtmoto- ren 3 und 4 eingesetzt, die jeweils mittels eines Frequenzumrichters 65 (siehe Fig. 1) angesteuert werden. Für die Synchronisation der beiden Unwuchtmotoren 3 und 4 muss die exakte Phasenlage der Rotorposition bekannt sein. Hierfür kann an jeder Motorwelle ein Inkrementalgeber angebaut sein. Vorzugsweise wird jedoch anstelle der Inkrementalgeber jeder Unwuchtmotor 3, 4 mit einem eigenen Initiator 1 bzw. 2 ausgestattet, der direkt die Position der Schwungmassen der Unwuchtmotoren 3, 4 erfasst. Solche Initiatoren 1 , 2 zeichnen sich gegenüber Inkrementalgebem insbesondere dadurch aus, dass sie bei einem vergleichsweise günstigen Preis auch noch robust gegen Erschütterungen sind. Ausserdem lassen sich derartige Initiatoren 1 , 2 vor Ort ohne grossen Aufwand einbauen.
Ein dritter Initiator (nicht gezeigt) ist an einem der beiden Unwuchtmotoren W1 und W2 der als Hauptantrieb dienenden Unwuchtmotor-Einheit W angebracht, um die Drehzahl und Phasenlage des Hauptantriebs zu erfassen.
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemässen Frequenz- und Phasenregelung. Um mit dem erfindungsgemässen Aktor A eine zu der dynamischen Kraft der beweglichen Teile B gegenphasige Kraft zu erzeugen, muss nicht nur die Frequenz, sondern auch die Phasenverschiebung genau eingehalten werden. Eine hier verwendete Nachlaufsynchronisation ist in dem Blockdiagramm der Fig. 4 schematisch dargestellt. Ein Phasendetektor 11 , ein Tiefpassfilter 12, ein Regler 13 und eine Frequenzumwand- ler-Motoreinheit 14 sind in Serie geschaltet. Die Signale ωO, ω1 der beiden Initiatoren 1 , 2 werden mit dem Phasendetektor 11 verglichen, welcher entsprechend der Phasenverschiebung ein Signal ausgibt. Dieses Signal wird über das Tiefpassfilter 12 dem Regler 13 zugefügt. Der Regler 13 steuert die zu regelnde Frequenzumwandler- Unwuchtmotoreinheit 14 so an, dass die Signale der beiden Initiatoren 1 , 2 synchron beim Phasendetektor eintreffen. Die Aufgabe des Phasendetektors besteht darin, die Frequenz und Phase zu synchronisieren.
Fig. 5 zeigt ein erstes Beispiel eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasendetektors. Der Phasendetektor der Fig. 5 liefert bei verschiedener Frequenzverschiebung ein vorzeichenrichtiges Signal. Er besteht im wesentlichen aus zwei flanken- getriggerten D-FIips-Flops FF1 und FF2. Eilt die Spannung ln2 der Spannung der In2 vor, so trifft die erste positive Flanke bei In2 ein, wodurch das Flip-Flop 1 gesetzt wird. Dieses wird erst über das NAND-Gatter rückgesetzt, wenn bei In1 eine positive Flanke ansteht. Dadurch entstehen am Ausgang des Subtrahierers SUB positive Rechteckimpulse, deren Dauer gleich der Zeitdifferenz zwischen den positiven Durchgängen von In1 (t) und In2 (t) ist. Trifft jedoch die positive Flanke von In1 zuerst ein, so werden entsprechend negative Impulse generiert. Durch die Nachschaltung eines Tiefpassfilters TP wird aus den Rechteckimpulsen der Mittelwert gebildet.
Fig. 6 zeigt ein zweites Beispiel eines für die Erfindung verwendbaren Phasendetektors. Er besteht im wesentlichen aus zwei flankengetriggerten Zählern CLR1 und CLR2, einem Subtrahierer SUB, einem A D-Wandler ADW und einem Tiefpassfilter TP. In Nullpunktnähe verhält sich der Detektor genau so wie die vorhergehende Schaltung (Fig.5). Bei Phasenvoreilung von X2 gegenüber von X1 entstehen positive Impulse mit einer Amplitude, deren Dauer der Zeitdifferenz zwischen den Nulldurchgängen ist. Bei Pha- sennacheilung entstehen negative Impulse. Wird eine Phasenverschiebung von 2π überschritten, so wechselt die Ausgangsspannung nicht (wie in der vorhergehenden Schaltung der Fig. 5), sondern behält ihren Wert. Durch die Nachschaltung des Tiefpassfilters TP wird aus diesen Impulsen der Mittelwert gebildet. Erst bei einer sehr grossen Phasenverschiebung (im vorliegenden Fall zwischen -8π und +7π) wird der maximale Zählerstand überschritten, so dass ein Zählerüberlauf erfolgt, was sich in einem Vorzeichenwechsel der Ausgangsspannung bemerkbar macht.
Selbstverständlich kann als Phasendetektor auch ein vorzeichenrichtiger Phasendetektor mit erweitertem Fangbereich verwendet werden. Er weist einen beliebig erweiterten Fangbereich zwischen -n2π und +n2π auf.
Fig. 7 zeigt einen erfindungsgemässen Regler, der für die Frequenz- und Phasenregelung des Blockschaltbilds von Fig. 4 verwendet wird.
In Fig. 7 ist ein PID-Regler mit limitiertem Ausgang (0 bis 10 Volt ) abgebildet, in den eine Massnahme zur Verhinderung einer Aufwindung des Integrators eingebaut wurde. Der Regler enthält ein erstes Verstärkungsglied P1 , ein zweites Verstärkungsglied P2 und ein drittes Verstärkungsglied P3 sowie ein Differentiationsglied D und ein Integrati- onsglied I. Ausserdem enthält er ein erstes Subtraktionsglied SUB1 und ein zweites Subtraktionsglied SUB 2 sowie ein Additionsglied ADD und ein Sättigungsglied SAT.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Amplitudenregelung für die erfindungsge- mässe aktive Schwingungskompensation der Kombi-Reinigungsmaschine KR. Der aus den beiden Unwuchtmotoren 3, 4 bestehende Aktor A wird so betrieben, dass die beiden Unwuchtmotoren 3, 4 mit entgegengesetzten Drehrichtungen laufen. Wenn sich die beiden Unwuchtmotoren 3, 4 synchron drehen, so wird nur in vertikaler Richtung eine Kraftkomponente Fy (t) erzeugt, während die Kräfte F* (t) in horizontaler Richtung sich aufheben. Um die Kraftamplitude Fy (t) steuerbar zu machen, wird eine Phasenverschiebung Δφ zwischen den beiden rotierenden Kraftvektoren Kombi -Reinigungsmaschine K1 und K2 eingestellt, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Die beiden Kraftvektoren K1, K2 rotieren mit entgegengesetzter gleicher Winkelgeschwindigkeit ω und erzeugen die Fliehkraft:
FL = m r ω2 (1)
Für die Phasenverschiebung Δφ ergibt sich die folgende Kraft F(t) in der Y- und der X- Richtung.
Figure imgf000010_0001
Fχ(t) = 0 (3)
Für eine definierte Phasenverschiebung Δφ des einen Kraftvektors in Drehrichtung und des anderen gegen die Drehrichtung ergibt sich folgender Zusammenhang für die X- und Y-Kraftkomponenten:
Fγ(Δφ) = m r ω2 [sin(α+Δφ) + sin(α-Δφ)] = 2 m r ω2 cos(Δφ) sin(ωt) (4)
Fχ(Δφ) = m r ω2 [cos(α-Δφ) - cos(α+Δφ)] = 2 m r ω2 sin(Δφ) sin(ωt) (5)
Aus den obigen Gleichungen (4) und (5) ist ersichtlich, dass ein Verstellen um den Phasenwinkel +-Δφ keinen Einfluss auf die Phase des Kraftverlaufes hat. Es ergibt sich lediglich die gewünschte Veränderung der Kraftamplitude ( sowohl in der X-Richtung als diglich die gewünschte Veränderung der Kraftamplitude ( sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung):
Die interessierende Kraftkomponente zur Kraftkompensation der Kombi - Reinigungsmaschine KR ist die vertikale Kraftkomponente in Y-Richtung Fy (Δφ). Die Phasenverschiebung Δφ kann in der Praxis unter Verwendung einer Amplitudensteuerung realisiert werden, wie sie in dem Blockdiagramm von Fig. 9 dargestellt ist. In diesem Blockdiagramm sind ein Phasendetektor 21 ein Tiefpassfilter 22, ein Regler 23 und eine Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 24 einerseits sowie ein Phasendetektor 31 , ein Tiefpassfilter 32, ein Regler 33 und eine Frequenzumwandler-Unwuchtmotor- Einheit 34 andererseits in Serie geschaltet . Dem Phasendetektor 21 ist ein Verzögerungsglied 41 vorgeschaltet, während der Ausgang der Frequenzumwandler- Unwuchtmotor-Einheit 31 über ein Verzögerungsglieg 42 zu einem Phasendetektor rückgekoppelt ist. Um eine positive Phasenverschiebung zu erreichen, kann einfach das Referenzsignal ωO verzögert werden. Dies geschieht mit dem Verzögerungsglied 21 , in dem die Phasenverschiebung in Grad eingestellt werden kann. Der Phasendetektor 21 erhält dadurch das Referenzsignal verzögert, wodurch sich dann auch ω1 entsprechend einstellt. Eine negative Phasenverschiebung wird erreicht, indem das Verzögerungsglied 42 in den Rückführungspfad eingesetzt wird. Der Phasendetektor 31 erhält in diesem Fall ω2 verzögert. Der Regler gleicht diese Abweichung so aus, dass beide Eingangssignale wieder gleichphasig auf den Phasendetektor treffen. Dies ist der Fall, wenn ω2 gegenüber ω1 um Δφ vorauseilt.
Fig. 10 zeigt ein Blockschaltbild für die Amplitudenbetragsregelung. Das Blockschaltbild zeigt einen Regler 51 , einen Aktor 52 für die Kraftamplitude normal zum Boden, ein Tiefpassfilter 53, ein Abtasthalteglied 54, eine Kraftmessungseinheit 55 sowie ein Verzögerungsglied 56. Die Frequenz und die Phase des Kraftverlaufs werden durch einen unterlagerten Frequenz- und Phasenregelkreis erledigt. Dieser sorgt dafür, dass der Aktor 52 immer um 180° phasenverschoben mit der gleichen Frequenz wie die anregende Kombi-Reinigungsmaschine KR läuft. Diese Funktion ist im Block 52 "Aktor Kraftamplitude" zusammengefasst und enspricht dabei der Übertragungsfunktion ge- mäss Gleichung (4). Die Maschine erzeugt die Bodenkraft FBM , die als Störgrösse im Regelkreis auftaucht. Die Bodenkraft FB wird durch den geschlosssenen Regelkreis FBA ZU Null kompensiert. Um den Betrag der Amplitude in der vertikalen Richtung zu regeln, kann die Bodenkraft herangezogen werden, die möglichst gegen Null gehen soll. Die Bodenkraft ist aber ein zu Null symmetrisches Signal, und es kann somit nicht direkt aus dem Maximal- oder Effektivwert erkannt werden, ob die Bodenkraft zu wenig oder bereits überkompensiert wird. Dazu muss das Kraftsignal vorzeichnenrichtig eingelesen werden. Um das zu erreichen, kann das Kraftsignal zu dem Zeitpunkt abgetastet weren, an dem die Bodenkraft FBM ein positives Maximum erzeugt. Dies kann z.B. mit einem Abtast/Halte-Bau- stein realisiert werden, der mit dem Initiatorsignal aus den beiden Unwuchtmotoren W1 und W2 des Hauptantriebs W der Kombi-Reinigungsmaschine KR getrggert wird. Das Initiatorsignal erfährt eine Phasenverschiebung, so dass das Kraftsignal exakt 90° nach seinem positiven Nulldurchgang gemesssen wird. Am Ausgang des Abtast/Halte-Bau- steins steht somit ein Siganl zur Verfügung, das positive Spannungen aufweist, wenn die Kraft zu wenig kompensiert wurde, bzw. negative Spannungen aufweist, wenn die Kraft überkompensiert wurde.
Fig. 11 zeigt die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR, die mit einem erfindungsgemässen System zur aktiven Schwingungskompensation ausgestattet ist. Die Kombi-Reinigungsmaschine KR ist mit einem Montagerahmen verschraubt, und kann dadurch zur Bestimmung der Bodenkraft direkt auf vier Kraftmessdosen 5, 6, 7, 8 (siehe auch Fig.12) gestellt werden. Die Kraftsignale der Kraftmessdosen 5, 6, 7, 8 werden mit einem Vierkanal-Trägerfrequenzverstärker 64 aufbereitet und über ein Mess-System 63 einer Messdaten-Erfassungseinheit 62 zugeführt. Das Datenerfassungssystem kann auf einem Lap-Top zur Datenspeicherung und Visualisierung realisiert werden. Das Mess-System 63 hat einen integrierten Signalprozessor und ermöglicht es, aus den vier Einzelkräften die an den Kraftmessdosen 5, 6, 7, und 8 erfasst werden, die Summe zu bestimmenn und direkt über einen analogen Ausgang an den Regler weiter zugeben. Auch der Regler kann auf einem Rechner bzw. auf einer Ein- steckkarte in diesem realisieret werden und gibt die Stellgrössen an die beiden Frequenzumformer der Frequenzumrichter-Einheit 65 weiter, die ihrerseits die beiden Unwuchtmotoren 3, 4 des Aktors A ansteueren. Der Regler erfasst neben dem Summensignal der Kraft auch noch die Signale 11 und 12 der beiden Initiatoren 1 , 2 des Aktors A sowie das Signal 10 des Initiators (nicht gezeigt), der an der Unwucht-Motoreinheit W angebracht ist. Das aus den beiden Unwuchtmotoren 3, 4 bestehende Aktorsystem A ist in das Maschinengestell der Kombi-Reinigungsmaschine KR integriert.
Fig. 12 zeigt in einer schematischen Draufsicht der Kombi-Reinigungsmaschine KR, wie das aus den beiden Unwuchtmotoren 3, 4 bzw. den beiden Aktoren A1 ubnd A2 bestehende Aktorsystem A in die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR integriert ist. Das erfindungsgemässe Aktorsystem A ist zur Kompensation der Bodenkräfte der Kombi-Reinigungsmaschine KR in deren Maschinengestell integriert. Wie anhand on Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 10 sowie anhand der Gleichungen (1 bis 5) insbesondere aber anhand von Gleichung (4) erläutert wurde, kann mit dem erfindungsgemässen Aktorsystem A die Amplitude gesteuert bzw. reduziert werden, wobei auch eine horizontale Kraftkomponente entsteht. Darum muss der Positionierung und Orientierung der beiden Unwuchtmotoren 3 (Aktor A) und 4 (Aktor A1 ) besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Fig. 12 zeigt, in welcher Position und Orientierung das Aktorsystem A ins Maschinengestell der Kombi-Reinigungsmaschine KR integriert wird.
Die Kräfte F1 , F2, F3 und F4, die an den vier Auflagepunktendurch die Kraftmessdosen 7, 6, 3 bzw. 5 erfasst werden, lassen sich durch eine zentrale Kraft F in Punkt P kompensieren.
Da die Kombi-Reinigungsmaschine KR spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, kann als die zweite Koordinate des Punktes T die Mittelsenkrechte benutzt werden.
Die Drehachse der Unwuchtmotoren 3, 4 (Aktor 1 und Aktor 2) werden so orientiert, dass sie rechtwinklig zur Mittelsenkrechten MS stehen. Dadurch ist es möglich, der Horizontalkraft, die durch den Hauptantrieb W (Unwuchtmotor W1 und W2 ) verursacht wird, entgegen zu wirken.
Der durch den Unwuchtmotor 3 gebildete Aktor A1 sowie durch den Unwuchtmotor 4 gebildete Aktor A2 sind an der erfindungsgemässen Kombi-Reinigungsmaschine KR an U-Profilen befestigt, die mit dem Rahmen der Maschine verbunden sind. Fig. 13 zeigt das Blockschaltbild der zur Frequenz-und Phasenregelung herangezogenen Schaltung, die für die Synchronisation des Antriebs der erfindungsgemässen Kombi -Reinigungsmaschine KR verwendet werden. Um mit dem Aktorsystem A eine Frequenz zu erzeugen, die genau der des Hauptantriebs W entspricht und deren Phase exakt um 180° phasenverschoben ist, wird die Regelung der Fig. 13 verwendet. Sie en- hält einerseits eine Serienschaltung eines Phasendetektors 71 , eines Tiefpasssfilters 72, eines Reglers 73 und einer Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 74 sowie andererseits eine Serienschaltung aus einem Phasendetektor 81 , einem Tiefpassfilter 82, einem Regler 83 und einer Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 84. Desweiteren enthält sie die Verzögerungsglieder 91 , 92 und 93. Sie entspricht daher bis auf das Verzögerungsglied 91 am Eingang der Schaltung der Amplitudensteuerung aus Fig. 9. Das zusätzliche Verzögerungsglied 91 am Eingang dient der symmetrischen Verzögerung beider Aktoren A1 und A2, um eine exakte Phasenverschiebung von 180° zu erhalten. Um den exakten Wert der notwendigen Phasenverschiebung zu ermitteln, muss jedoch zuvor eine Initialisierung durchgeführt werden, wie dies anhand von Fig. 13 und Fig. 14 beschrieben ist.
Zur Bestimmung der notwendigen Phasenverschiebung wird eine Initialisierung durchgeführt, in der einmal nur die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR ohne Aktor A (Fig.14) und einmal nur der Aktor A aktiv sind. Wird die Kombi-Reinigungsmaschine KR ohne kompensierenden Aktor A betrieben, so können das Signal S1 der Bodenkraft der Kombi-Reinigungsmaschine KR sowie das Initiatorsignal S2 der Kombi- Reinigungsmaschine KR aufgezeichnet werden. Durch Auswerten der positiven Nulldurchgänge an der steigenden Flanke, kann die Phasenverschiebubg bestimmt werden.
Diese Vorgehensweise wird für den Aktor A wiederholt. Dabei bleibt die Kombi-Reinigungsmaschine KR ausgeschaltet, und nur die beiden Aktoren A1 und A2 des Aktorsystems A werden synchron miteinander betrieben.
Fig. 15 zeigt das Signal S3 der Bodenkraft, wenn nur das Aktorsystem eingeschaltet ist, sowie das Signal S4 des Initiators des Aktorsystems A. Auch hier wird die positive Flanke und der Nulldurchgang zur Bestimmung der Phasenverschiebung verwendet. Um eine exakte Phasenverschiebung von 180° der beiden Kraftsignale zu erhalten, muss somit das vorgeschaltete Verzögerungsglied 91 in Fig. 13 eine Phasenverschiebung von 180°+φrφo erzeugen.
Fig. 16 zeigt das Ergebnis der erfindungsgemässen aktiven Schwingungskompensation an der Kombi-Reinigungsmaschine KR. Fig. 16 zeigt den zeitlichen Verlauf der durch die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR erzeugten Bodenkraft ohne aktive Schwingungskompensation während des Zeitintervalls von 10 Sek. bis 14 Sekunden. Nach etwa 14 Sekunden wurde die erfindungsgemässe aktive Schwingungskompensation eingeschaltet. Bis die beiden Unwuchtmotoren 3 und 4 (siehe Fig. 3) bzw. die beiden Aktoren A1 und A2 (Siehe Fig.12) die Drehzahl des Haupantriebes W (siehe Fig. 12) angenommen und sich mit der Phasenlage synchronisiert haben, wird die Kraft kurzzeitig verstärkt. Rund 5 Sek. nach dem Hinzuschalten der aktiven Schwingungskompensation kann aber dann eine zunehmende Dämpfung erkannt werden. Im Zeitintervall zwischen 21 Sek. und 30 Sek. erkennt man die stark verringerte Bodenkraft mit aktiver Schwingungskompensation.
Die erreichte Dämpfung liegt im Bereich zwischen 27 und 33 dB, wobei das Mittel bei rund 31 dB liegt. Dies entspricht einer Verringerung der dynamischen Bodenkraft um einen Faktor 35. Von der anfänglichen dynamischen Belastung etwa +/- 2000 N bleibt nur noch eine minimale dynamische Belastung von etwa +/- 57N übrig.
Mit dem erfindungsgemässen System zur aktiven Schwingungskompensation ist es auch möglich, zwei identische Kombi-Reinigungsmaschinen KR zu betreiben, die zueinander exakt gegenphasig laufen, um die Summe der Bodenkräfte zu reduzieren.
Mit dieser Anordnung werden auch die im Stand der Technik oftmals beobachteten störenden Schwebungen eliminiert, die bei gleichzeitigem Betrieb zweier Kombi-Reinigungsmaschinen KR auftreten können.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemässe System zur aktiven Schwingungskompensation nicht nur für eine Kombi-Reinigungsmaschine KR anwendbar, sondern kann ebenso für andere Maschinen verwendet werden, die störende und zum Teil gefährliche Bodenkräfte an das Maschinengebäude abgeben.
Bezugszeichenliste
KR Kombi-Reinigungsmaschine
B bewegliche Teile (schwingende Teile der Kombi-Reinigungsmaschine)
W Unwuchtmotor-Einheit (Hauptantrieb der schwingenden Teile)
W1 erster Unwuchtmotor des Hauptantriebs
W2 zweiter Unwuchtmotor des Hauptantriebs
1 Initiator des Aktors 1 (Unwuchtmotor 3)
2 Initiator des Aktors 2 (Unwuchtmotor 4)
3 erster Unwuchtmotor (für aktive Schwinungskompensation)
4 zweiter Unwuchtmotor (für aktive Schwinungskompensation)
5 Kraftmessdose
6 Kraftmessdose
7 ' Kraftmessdose
8 Kraftmessdose
11 Phasendetektor
12 Tiefpassfilter
13 Regler
14 Frequenz-Umrichter-Unwuchtmotor-Einheit
K1 Kraftvecktor des ersten Unwuchtmotors 3 (Aktor 1)
K2 Kraftvecktor des zweiten Unwuchtmotors 3 (Aktor 2)
21 Phasendetektor
22 Tiefpassfilter
23 Regler
24 Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit
31 Phasendetektor
32 Tiefpassfilter
33 Regler Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit Verzögerungsglied Verzögerungsglied Verzögerungsglied Regler Aktor für Kraftamplitude normal zum Boden Tiefpassfilter Abtast/Halte-Glied Kraftmessung-Einheit Verzögerungsglied Rechner Messdaten-Erfassungseinheit Messsystem Trägerfrequenz-Verstärker Frequenzumrichter-Einheit Initiatorsignal des Intitiators des Hauptantriebs W Initiatorsignal des Unwuchtmotors 3 (Aktor 1 ) Initiatorsignal des Unwuchtmotors 4 (Aktor 2) Phasendetektor Tiefpassfilter Regler Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit Phasendetektor Tiefpassfilter Regler Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit Verzögerungsglied Verzögerungsglied Verzögerungsglied Bodenkraft nur mit Kombi-Reinigungsmaschine KR Signal des Initiators der Kombi-Reinigungsmaschine KR Bodenkraft nur mit Aktor A S4 Signal des Initiators des Aktors A
P1 Verstärkungsgiied
P2 Verstärkungsglied
P3 Verstärkungsglied
D Differentiationsglied
I Integrationsglied
SUB1 ersters Subtraktionsglied
SUB2 zweites Subtraktionsglied
ADD Additionsglied
SAT Sättigungsglied

Claims

Patentansprüche
1. Maschine, insbesondere Getreide-Reinigungsmaschine, zum Bearbeiten eines Produktes, insbesondere zur Reinigung von Getreidekömem, mittels eines vibrierbaren Maschinenteils (B, W), der mit dem Maschinenrahmen gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (KR) die folgenden Elemente aufweist:
a) mindestens einen Sensor (5, 6, 7, 8) zur Erfassung von Bodenkräften; b) eine mit dem Maschinenrahmen starr verbundene Aktoreinheit (A) zur Erzeugung von Vibrationen; c) eine Verarbeitungseinheit (62, 63, 64) zum Verarbeiten der durch den mindestens einen Sensor (5, 6, 7, 8) erfassten dynamischen Bodenkräfte zur Bestimmung der Amplitude und der Phasenlage der Basisfrequenz des vibrierbaren Maschinenteils (B, W); d) eine Steuerungseinheit (61 , 65) zum Ansteuern der Aktoreinheit (A) mit derselben Frequenz wie die Basisfrequenz und mit einer bestimmten Amplitude und Phasenlage.
2. Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (A) zwei gegenläufige Unwuchtmotoren (3, 4) aufweist.
3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Unwuchtmotoren (3, 4) der Aktoreinheit (A) jeweils einen Initiator (1 , 2) zur unmittelbaren Erfassung der Position der Exzenter-Schwungmassen jedes Unwuchtmotors (3, 4) aufweist.
4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Aktoreinheit (A) auf die Maschine übertragene Aktor-Schwingungsamplitude durch die relative Phasenlage der beiden Unwuchtmotoren (3, 4) steuerbar ist.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (62, 63, 64) und die Steuerungseinheit (61 , 65) zusammen eine Regelungseinheit (61-65) bilden, mit der die relative Phasenlage zwischen der Vibration der vibrierbaren Teile (B, W) und der Vibration der Aktoreinheit (A) sowie die Aktor-Schwingungsamplitude der Aktoreinheit (A) einstellbar ist.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vibrierbare Maschinenteil (B, W) einen Hauptantrieb (W) aufweist, der aus zwei miteinander starr verbundenen gegenläufigen Unwuchtmotoren (W1 , W2) besteht.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren (3, 4) der Aktoreinheit (A) mit den beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren (W1 , W2) des Hauptantriebs (W) identisch sind.
8. Verfahren zur aktiven Schwingungskompensation bei einer Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (A) mit derselben Frequenz wie die vibrierbaren Teile (B, W) der Maschine vibriert wird, wobei zwischen der Vibration der Teile (B, W) und der Vibration der Aktoreinheit (A) eine Phasendifferenz von 180° aufrechterhalten wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktor- Schwingungsamplitude derart eingestellt wird, dass die durch den mindestens einen Sensor (5-8) erfassten dynamischen Bodenkräfte zwischen dem Maschinenrahmen und dem die Maschine tragenden Boden während des Betriebs der Maschine mit vibrierenden Teilen (B, W) ein Minimum beibehalten.
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