DD289102A5 - Verfahren und anordnung zum hochgenauen auswuchten sich in rotation befindlicher koerper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum hochgenauen Auswuchten sich in Rotation befindlicher Koerper, bei der eine Hilfsmasse am Rotationskoerper derart angebracht ist, dasz sie radial verschiebbar ist, ihre radiale Lage sich jedoch nicht durch Zentrifugalkraefte allein aendern kann. An einem Gehaeuse des Rotationskoerpers sind ein geeigneter Sensor zur Bestimmung der vorhandenen Unwucht und ein Schlagwerk so angebracht, dasz dessen Schlagstift in Funktionsrichtung radial auf die Hilfsmasse weist. Die die Unwucht charakterisierenden Signale des Sensors werden so verarbeitet, dasz der Schlagstift des Schlagwerkes derart auf die Hilfsmasse trifft, dasz der Schwerpunkt des Rotationskoerpers so verlagert wird, dasz die Unwucht verringert wird. Die Erfindung erlaubt ein beliebig oft wiederholbares Auswuchten waehrend der Rotation bis zu kleinsten Restunwuchten, insbesondere fuer die Ultrapraezisionsfertigung. Fig. 1{Auswuchten; Schlagwerk; Hilfsmasse; Rotationskoerper; Ultrapraezisionsfertigung; Band; Schlagstift; Sensor; Elektronik}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum hochgenauen Auswuchten sich in Rotation befindlicher Körper, insbesondere für Ultrapräzisionsfertigungsmaschlnen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Einrichtungen zum Feststellen der Unwucht rotierender Körper sind in vielfältiger Weise bekannt. So kann eine wattmetrische oder phasengesteuerte Gleichrichtung für starre Rotoren erfolgen (Firmenprospekte A1104-20.488; A1120/1-40189 Fa. Schenk, Darmstadt/BRD), als Voraussetzung für das eigentliche Beseitigen der Unwucht. Diese Einrichtungen zeigen die zu verändernde Massegröße und deren Winkellage an.

Nach DD-PS 245934 und DE-PS 2543203 ist bekannt, auftretende Unwuchten in Rotationskörpern durch Anbringen von Ausgleichsgewichten, z. B. durch Anklemmen oder Anschrauben, zu kompensieren. Es ist weiterhin bekannt, einen Masseausgleich durch Materialabtrag oder durch Hinzufügen zu realisieren, nach DE-PS 2638876 durch Ausbohren oder Ausfräsen, nach DE-PS 2317613 beispielsweise durch Aufschweißen oder Löten.

Für das Auswuchten rotierender Körper während des Betriebs ist bekannt, diese durch erwärmungsbedingte Verformung nach DE-PS 2 606564, durch magnetische Steuerung nach DE-PS 3246085 oder durch masseausgleichende Körper nach DD-PS 47075 und DE-PS 2225120 und nach der OS 3742149 mit Hilfe von Ergebniswerten von Meßfühlern über Stellelemente den Rotationskörper gegenüber der Drehachse so zu verschieben, daß die Unwucht einen wählbaren Grenzwert unterschreitet. Nachteilig bei den ersteren Lösungen ist, daß das Auswuchten nicht während des Betriebs erfolgen kann. Weiterhin bedingt ein Auswuchten z.B. über Masseabtrag, daß sich dieser Vorgang nicht beliebig oft wiederholen läßt. Das Auswuchten gemäß OS 3742149 hat den Nachteil, daß durch diese Verfahrensweise eine Dezentrierung des Rotationskörpers bewußt herbeigeführt wird, wohingegen z. B. bei Präzisionsbearbeitungsmaschinen in der Regel die Zentrierung der Werkstücke bzw. Werkzeuge eine unabdingbare Forderung ist. Aus diesem Grunde läßt sich diese Lösung bei ultrapräzisen Dreh- und Fräsmaschinen durch die eintretende Dezentrierung der Werkstück- bzw. Werkzeugaufnahme nicht einsetzen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Auswuchten während der Rotation mit einfachsten technischen Mitteln, beliebig oft wiederholbar und bis zu kleinsten wählbaren Restunwuchten zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auswuchten durch einzelne, dosierbare Schlagimpulse mit einer dadurch

verursachten Verlagerung der Schwerpunkte von Hilfsmassen herbeizuführen.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren erreicht, bei dem zumindest eine Hilfsmasse am auszuwuchtenden Rotationskörper angebracht wird, das Vorhandensein und die Lage der Unwucht am in Rotation versetzten Gesamtkörper

meßtechnisch ermittelt, mit gespeicherten Toleranzwerten verglichen, die Meßsignale so verarbeitet werden, daß bei einer

Überschreitung dieser Werte dosierbare Schlagimpulse, aber vorzugsweise konstanter Stärke ausgelöst und damit die Hilfsmassen so lange impulsartig verschoben werden, bis die vorgegebenen Toleranzwerte unterschritten sind. Hierbei werden

die einzelnen Schlagimpulse getaktet und synchronisiert zur Rotation des auszuwuchtenden Körpers erzeugt.

Einfachheitshalber wird der Toleranzwert als Triggerschwelle festgelegt, wobei, wenn das Meßsignal diese Triggerschwelle

überschreitet, ein elektrischer Impuls gebildet wird, mit dem die Schlagimpulse ausgelöst werden.

Dieses Verfahren ermöglicht ein Auswuchten während der Rotation des zu bearbeitenden Körpers. Es kann beliebig oft und zu

beliebigen Zeitpunkten wiederholt werden.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Hilfsmasse, einen Sensor und eine Elektronik

auf, wobei die Hilfsmasse aus einem ringförmigen Körper besteht und durch an sich bekannte technische Mittel durch

Kraftschluß am Rotationskörper radial verschiebbar befestigt ist. An einem Gehäuse des Rotationskörpers ist ein Schlagwerk so

angebracht, daß dessen Schlagstift in Funktionsrichtung radial auf den ringförmigen Körper weist, wobei das Schlagwerk mitdem Sensor über die Elektronik verbunden ist.

Vorzugsweise besteht der Sensor aus einem Beschleunigungsaufnehmer, der am Gehäuse des Rotationskörpers angebracht ist. Dies hat den Vorteil, daß noch kleinste Unwuchten feststellbar und damit erfindungsgemäß korrigierbar sind. Zur Erzeugung des Kraftschlusses sind vorzugsweise zwischen Hilfsmasse und Rotationskörper Druckfedern angebracht. Hierdurch ist ein besonders einfacher technischer Aufbau gegeben. Zweckmäßigerweise ist das Schlagwerk elektromagnetisch ansteuerbar. Das hat den Vorteil, daß das Signal nur elektrisch

verarbeitet wird.

Der ringförmige Körper irt in der Nähe der Stelle des Rotationskörpers angebracht, bei dem z. B. bei einer Drehbearbeitung

sowoh¹ durch einen Werkstückwechsel als auch durch den Bearbeitungsvorgang fortlaufend eine neue Unwucht erzeugt wird.

Die Symmetrieachse des ringförmigen Körpers verläuft hierbei parallel zu der Drehachse des Rotationskörpers. Die Befestigung

des ringförmigen Körpers als Hilfsmasse durch Kraftschluß erfolgt dabei in der Weise, daß er radial verschiebbar ist, jedoch nichtdurch Zentrifugalkräfte seine Lage ändern kann.

In Funktion wird die Unwucht des sich drehenden Rotationskörpers durch das im Sensor erzeugte Meßsignal nach Lage und Größe bestimmt. Das Meßsignal des Sensors wird in der Elektronik mit einem gespeicherten Toleranzwert verglichen. Bei Überschreiten des Toleranzwertes wird das Schlagwerk betätigt, durch welches Schläge auf den ringförmigen Körper einwirken,

die diesen in seiner radialen Lage verschieben. Der Schlagstift des Schlagwerkes wird dabei so angesteuert, daß er die

Teilphasen Beschleunigung, freier Flug, Aufprall, Rückholung und Verharren in Ruhestellung während einer Umdrehung des

auszuwuchtenden Körpers durchläuft. Durch den Sensor wird fortlaufend die noch vorhandene Unwucht gemessen und das

Schlagwerk solange aktiviert, bis die noch bestehende Unwucht den vorgegebenen Toleranzwert unterschreitet. Erfindungsgemäß kann dabei zwischen dem Auftreffpunkt des Schlagstiftes auf die Hilfsmasse und dem Azimut der Unwucht

eineToleranz von ±15° zugelassen werden, was einem Fehlerder Schwerpunktlage der Hilfsmasse von ca. 3%entspricht. Durchdas iterative, quasi digitale Verfahrensprinzip ist der absolute Fehler der Schwerpunktlage und damit die Größe der Restunwuchtnur abhängig von der Auflösung des Sensors und der minimal wählbaren Größe der Impulse des Schlagwerkes.

Sobald bei ein' m stattfindenden Bearbeitungsvorgang eine neue Unwucht entsteht, kann durch den Sensor und die

nachgeschaltete Elektronik erneut das Schlagwerk aktiviert werden, bis der Toleranzwert erneut unterschritten ist. Dies kannbeliebig oft fortgesetzt und wiederholt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel in Form einer Präzisionsauswuchtvorrichtung näher erläutert werden. Die nachstehenden Figuren zeigen

Fig. 1: die erfindungsgemäße Anordnung, schematisch, im Schnitt Fig. 2: Diagramme von Verläufen von Signalen und kinematischen Größen.

Eine Arbeitsspindel 1 einer Ultraschallpräzisionsbearbeitungsmaschine trägt, in diesem Ausführungsbeispiel für eine Drehbearbeitung, ein Werkstück 2. Das Werkstück 2 wird mit einer vorgegebenen Toleranz der Vorfertigung in einer Werkstückaufnahme 3 der Arbeitsspindel 1 mit geeigneten und hier nicht näher dargestellten Spannmitteln befestigt. Durch die technisch bedingten Toleranzen der Werkstücke 2 hat die Arbeitsspindel 1 mit den Spannmitteln und Werkstücken 2 stets eine Unwucht, die sich nach jedem Werkstückwechsel nach Lage und Größe ändert. Zwischen einem Spindelkopf 4 und der Werkstückaufnahme 3 ist eine verschiebbare Hilfsmasse 5 mit einer Halterung 6 angeordnet.

Am Spindelgehäuse 7 ist ein Beschleunigungsaufnehmer 8 befestigt, der mit einer Elektronik 9 verbunden ist. In dieser Elektronik 9 wird das Signal des Beschleunigungsaufnehmers 8 so verarbeitet und aufbereitet, daß ein mit ihr verbundenes Schlagwerk 10 aktiviert werden kann. Das Schlagwerk 10 besteht im wesentlichen aus einem Elektromagneten 11, einem Schlagstift 12, einem zweiten Elektromagneten 13 und einem Schlagwerkgehäuse 14 mit einem Befestigungsflansch 15. Bevor die Bearbeitung der Werkstücke 2 beginnt, wird die bestückte Arbeitsspindel 1 auf die Bcarbeitungsdrehzahl gebracht und die Präzisionsauswuchtvorrichtung in Betrieb gesetzt. Der am Spindelgehäuse 7 befestigte Beschleunigungsaufnehmer 8 liefert ein sinusähnliches Signal, das die Lage und Größe der Unwucht charakterisiert. Dieses Signal wird in der nachgeschalteten Elektronik 9 ausgewertet und mit einem vorwählbaren und in der Elektronik 9 gespeicherten Toleranzwert für die Restunwucht verglichen. Liegt der Meßwert über dem Toleranzwert, wird das Schlagwerk 10, das ebenfalls am Spindelgehäuse 7 befestigt ist.

durch die Elektronik 9 aktiviert. Dabei wird durch die Elektronik 9 im elektromechanischen Schlagwerk 10 die Spule des Elektromagneten 11 so geschaltet und mit Spannung beaufschlagt, daß die erzeugte elektromagnetische Kraft den Schlagetift 12 vorwärts in Richtung Hilfsmasse 5 treibt, Der Schlagstift 12 trifft dann im richtigen Moment auf die Hilfsmaese 6 auf, wenn das Schlagwerk 10 und die Beschleunigungsaufnehmer 8 mit einem Winkelversatz am Spindelgehäuse 7 befestigt sind, der sich aus der Bearbeitungsdrehzahl der Spindel 1 und der elektromechanischen Zeitkonstanten des Schlagwerkes 10 ergibt. Durch die erfindungsgemäße Lösung kann dabei zwischen dem Auftreffpunkt des Schlagstiftes 12 auf die Hilfsmasse 5 und dem Azimut der Unwucht eine Toleranz von ±15° zugelassen werden, was einem Fehler der Schwerpunktlage der Hilfsmasse 5 von ca. 3% entspricht.

Durch den Aufprall des Schlagstiftes 12 auf die Hilfsmasse 5 wird diese um einen geringen Betrag, festgelegt durch die Größe des Impulses des Schlagstiftes 12 aus Masse und Aufprallgeschwindigkeit des Schlagstiftes 12 und Größe der Haftreibung der Hilfsmasse 5 an der Halterung 6, radial in bezug auf die Spindelachse verschoben. Dadurch wird die Lage des Schwerpunktes der Hilfsmasse 5 und damit die Unwucht der Spindel 1 verringert. Die Schläge werden durch das Schlagwerk 10 bei jeder Umdrehung der Spindel 1 so lange in kleinen Schritten, quasi digital ausgeführt, bis die Forderung

F₁ = m rw²-»Min.

durch die Veränderung von r erfüllt wird. In der Gleichung ist F₁ die unwuchterzeugende Zentrifugalkraft, in der Masseanteil, der im radialen Abstand r von der Drehachse des Rotationskörpers die Unwucht erzeugt, und w die Drehzahl des Rotationskörpers. Erfindungsgemäß wird der Sch'agstift 12 gerade im Zeitpunkt des Aufpralls auf die Hilfsmasse 5 mit Hilfe der im Schlagwerk 10 angeordneten Spule des Elekti omagneten 13 wieder zurückgezogen. Eine Prallerscheinung wird dadurch vermieden. Der Schlagstift 12 verbleibt dann in seiner Ausgangslage infolge einer geringen Haltekraft, die durch den Elektromagneten 13 erzeugt wird.

Die Kurven in Figur 2 zeigen den qualitativen Verlauf dor Signale, Spannungen, Wege, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen innerhalb eines Zyklus, wobei die Abzisse die Zeitachse ist und damit bei vorausgesetzt konstanter Drehzahl der Spindel 1 gleichzeitig den Drehwinkel der Spindol charakterisiert. In Kurve 2 a sind die auä dem Beschleunigungsaufnehmer 8 gewonnenen und in der Elektronik 9 geformten Impulse dargestellt. Kurve 2 b zeigt die Spannung Ui an der Spule des Elektromagneten 11 und Kurve 2c die Spannung Ui am Elektromagneten 13. Der Schlagstift 12 wird entsprechend Kurve 2d auf den Teilstrecken S₁ bis S3 bewegt. Diesen Teilstrecken entsprechen die Verläufe der steigenden Geschwindigkeit V₁, der konstanten Geschwindigkeit V₂ und der Geschwindigkeit V₃ beim Zurückziehen des Schlagstiftes 12 in der Kurve 2 e. Zur Vervollständigung sind in Kurve 2 f die Beschleunigungen des Schlagstiftes 12 aufgetragen.

Bei höheren Drehzahlen w der Spindel 1 ist es schwierig, den Schlagstift 12 mit der der Drehzahl entsprechenden Frequenz zu betreiben. In diesem Fall ist eine elektronische Frequenzteilung von beispielsweise 1:2 oder 1:4 notwendig, die mit einfachen, bekannten und hier nicht näher dargestellten Mitteln realisiert werden kann. Somit funktioniert das Auswuchtverfahren und die beschriebene Anordnung bei beliebigen Drehzahlen der Rotationskörper.

Claims (6)

1. Verfahren zum hochgenauen Auswuchten sich in Rotation befindlicher Körper, wobei eine oder mehrere Hilfsmassen auf einem auszuwuchtenden Körper aufgebracht werden und die Größe und Lage der Unwucht am in Rotation versetzten Gesamtkörper meßtechnisch ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelte Größe der Unwucht mit gespeicherten Toleranzwerten verglichen und die Meßsignale so verarbeitet werden, daß bei einer Überschreitung dieser Toleranzwerte dosierbare Schlagimpulse, vorzugsweise konstanter Stärke, ausgelöst und Jamit die Hilfsmasse bzw. -massen so lange impulsartig verschoben werden, bis die vorgegebenen Toleranzwerte unterschritten sind, wobei die einzelnen Schlagimpulse getaktet und synchronisiert zur Rotation des auszuwuchtenden Körpers erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Meßsignale elektronisch so verarbeitet werden, daß der Toleranzwert in Form einer Triggerschwelle eingestellt wird und wenn dau Meßsignal diese Triggerschwelle überschreitet, ein elektrischer Impuls gebildet wird, mit dem die Schlagimpulse ausgelöst werden.

3. Anordnung zum hochgenauen Auswuchten sich in Rotation befindlicher Körper, mit einer Hilfsmasse, einem Sensor und einer Elektronik, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmasse (5) aus einem ringförmigen Körper besteht und durch Kraftschluß am Rotationskörper radial verschiebbar befestigt ist und an einem Gehäuse des Rotationskörpers ein Schlagwerk (10) so angebracht ist, daß dessen Schlagstift (12) in Funktionsrichtung radial auf den ringförmigen Körper weist, wobei das Schlagwerk (10) mit dem Sensor elektrisch über die Elektronik (9) verbunden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem Beschleunigungsaufnehmer (8) besteht und am Gehäuse des Rotationskörpers angebracht ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Kraftschlusses zwischen Hilfsmasse (5) und Rotationskörper Druckfedern angebracht sind.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlagwerk (10) elektromagnetisch ansteuerbar ist.