DE102004021645A1 - Machine component test unit has contactless actuators with contactless sensors including actuator air gap magnetic flux sensors - Google Patents

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Abstract

A machine component (7) test unit has contactless sensors (11, 12, 13) measuring vibrations induced by electromagnetic or electrodynamic force or motion in magnetic bearing actuators (4, 5, 6) and contactless sensors (8, 9, 10) measuring the magnetic flux in the actuator air gap.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen von Maschinenbauteilen beziehungsweise Maschinen mit einer Tragkonstruktion, mit einer in der Tragkonstruktion in mindestens einem Lager gelagerten rotierenden Welle, die antriebsmäßig mit einem Motor verbunden ist und auf der die zu prüfenden Maschinenbauteile angeordnet sind, mit mindestens einem Aktuator zur Übertragung von Kräften auf die zu prüfenden Maschinenbauteile sowie mit Messelementen zum Ermitteln der auf die Welle wirkenden Kräfte und der resultierenden Schwingungen bzw. Bewegungen.The The present invention relates to a device for testing Machine components or machines with a supporting structure, with one stored in the support structure in at least one bearing rotating shaft, which is driving with connected to a motor and on which the machine components to be tested are arranged, with at least one actuator for transmitting forces the ones to be tested Mechanical components and with measuring elements for determining the on the shaft-acting forces and the resulting vibrations or movements.

Eine derartige Vorrichtung ist z. B. aus der DE 44 10 639 A1 bekannt. Die vorbekannte Vorrichtung, die vorzugsweise als Lagerprüfstand Verwendung findet, weist mehrere Aktuatoren auf, die über eine Traverse auf die zu prüfenden Lager Kräfte oder Belastungen übertragen. Mit der erwähnten Vorrichtung können auf die zu prüfenden Lager hinsichtlich der Größe und Richtung genau definierte radiale Kräfte, axiale Kräfte und Kippmomente aufgebracht werden. Mit Hilfe eine Computers können die radialen und axialen Kräfte sowie die Kippmomente bezüglich Zeit der Erzeugung, Zeitdauer ihrer Wirkung und Wirkungspausen und Häufigkeit ihrer Erzeugung automatisch erzeugt und geregelt werden. Der bekannten Vorrichtung sind jedoch keine Hinweise auf die Bestimmung von dynamischen Koeffizienten bzw. des dynamischen Verhaltens der zu prüfenden Bauteile zu entnehmen. Ferner lassen sich die erzeugten Kräfte auch nicht berührungslos in die Welle einleiten, wodurch die zu prüfende Struktur beeinflusst wird.Such a device is z. B. from the DE 44 10 639 A1 known. The previously known device, which is preferably used as a bearing test rig, has a plurality of actuators, which transmit forces or loads via a crossbar to the bearing to be tested. With the mentioned device exactly defined radial forces, axial forces and tilting moments can be applied to the bearings to be tested in terms of size and direction. With the help of a computer, the radial and axial forces and the tilting moments with respect to time of generation, duration of their effect and breaks and frequency of their generation can be automatically generated and controlled. The known device, however, are no references to the determination of dynamic coefficients or the dynamic behavior of the components to be tested. Furthermore, the generated forces can not be introduced without contact into the shaft, whereby the structure to be tested is influenced.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Prüfen von Maschinenbauteilen der eingangs genannten Gattung vorzuschlagen, mit der das dynamische Verhalten (Kraft-Weg-Beziehung, Resonanzen, Dämpfungsmaß) und die dynamischen Koeffizienten (Masse-, Dämpfungs- bzw. Steifigkeitskoeffizienten) der zu prüfenden Bauteile zuverlässig ermittelt werden kann.It Therefore, an object of the present invention is a device for Check proposed by machine components of the type mentioned, with the dynamic behavior (force-distance relationship, resonances, Damping measure) and the dynamic coefficients (mass, damping or stiffness coefficients) the one to be tested Components reliable can be determined.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Aktuator als ein Schwingungen bzw. Bewegungen erzeugender, elektromagnetischer oder elektrodynamischer Kraft- und/oder Weganreger ausgeführt ist, wobei zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens der zu prüfenden Maschinenbauteile Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen und Kräfte ausgewertet werden.These Task is inventively characterized solved, that the actuator is generated as a vibration or movement, electromagnetic or electrodynamic force and / or path exciter accomplished is where to determine the dynamic behavior of the machine components to be tested Evaluated parameters of the vibrations or movements and forces become.

Zum Ermitteln der Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen sind vorzugsweise Messelemente, vorzugsweise berührungslose Schwingungsaufnehmer, in mindestens einer Achse vorgesehen.To the Determining the parameters of the oscillations or movements are preferred Measuring elements, preferably non-contact Vibration sensor, provided in at least one axis.

Zur Ermittlung der Parameter der auf die Welle wirkenden Kräfte sind berührungslose Sensoreinrichtungen vorgesehen.to Determining the parameters of the forces acting on the shaft contactless Sensor devices provided.

Die berührungslosen Sensoreinrichtungen sind als Sensoreinrichtungen zur Messung des magnetischen Flusses, der magnetischen Flussdichte oder der magnetischen Feldstärke ausgebildet, und vorzugsweise im Luftspalt des Aktuators vorgesehen.The contactless Sensor devices are used as sensor devices for measuring the magnetic flux, magnetic flux density or magnetic field strength formed, and preferably provided in the air gap of the actuator.

Eine andere vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Sensoreinrichtungen als Hallsensoren, magnetoresistive Messelemente, Feldplatten oder induktiv gekoppelte Umspulen ausgebildet sind.A other advantageous embodiment the device according to the invention provides that the sensor devices as Hall sensors, magnetoresistive Measuring elements, field plates or inductively coupled rewinding formed are.

Eine andere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen und Kräfte zur Ermittlung der Kraft/Weg-Beziehung, beispielsweise der Übertragungsfunktion, und/oder der dynamischen Koeffizienten, beispielsweise der Massekoeffizienten, der zu prüfenden Maschinenbauteile ausgewertet werden.A other advantageous embodiment the invention provides that the parameters of the oscillations or Movements and forces for determining the force / displacement relationship, for example the transfer function, and / or the dynamic coefficients, for example the mass coefficients, the one to be tested Machine components are evaluated.

Bei anderen Ausführungen der Erfindung werden die Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen und Kräfte zur Ermittlung der Eigenfrequenz und/oder des Dämpfungsmaßes der zu prüfenden Maschinenbauteile ausgewertet.at other versions The invention relates to the parameters of the oscillations or movements and forces for determining the natural frequency and / or the damping measure of the machine components to be tested evaluated.

Eine besonders kompakt bauende Ausführungsvariante der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktuator im Motor integriert ist.A particularly compact design variant The invention is characterized in that the actuator in the engine is integrated.

Der Aktuator ist vorzugsweise durch das Lager gebildet, das als ein Magnetlager ausgeführt ist.Of the Actuator is preferably formed by the bearing, as a Magnetic bearing executed is.

Zur Lagerung der Welle sind bei einer anderen vorteilhaften Ausführung mindestens ein radiales oder ein axiales Magnetlager vorgesehen.to Storage of the shaft are at least in another advantageous embodiment a radial or an axial magnetic bearing provided.

Sehr genaue Ermittlungsergebnisse werden bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung dadurch erreicht, dass der Aktuator in einer Regelschaltung geschaltet ist, in der dem Aktuator ein Positionsregler mit einem nachgeschalteten Verstärker vorgeschaltet und das zu prüfende Maschinenbauteil nachgeschaltet ist, wobei ein Adaptionsmodul zum exakten Einstellen der gewünschten, auf die zu prüfenden Maschinenbauteile einwirkenden Kräfte oder der Wellenschwingungen bei verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen der Schwingungen vorgesehen ist, dem als Eingangsgröße Signale zugeführt werden, die entweder die auf die zu prüfenden Maschinenbauteile einwirkenden Kräfte oder die Schwingungen bzw. Bewegungen repräsentieren und dessen Ausgangsgröße entweder zu der Sollposition der Welle hinzu addiert wird und die adaptierte Sollposition mit der Istposition der Welle verglichen und die so entstehende Regelabweichung dem Regler zugeführt wird, oder auf die Ausgangsgröße des Reglers in Form einer Störgrößenaufschaltung addiert dem Verstärker zugeführt wird, und wobei die im Aktuator ermittelten Kräfte sowie die Schwingungen bzw. Bewegungen in einem Auswertemodul ausgewertet werden.Very accurate determination results are achieved in a further advantageous embodiment of the invention in that the actuator is connected in a control circuit in which the actuator upstream of a position controller with a downstream amplifier and downstream of the machine component to be tested, with an adaptation module for the exact setting of the desired , is provided on the machine components to be tested forces or the shaft vibrations at different amplitudes and / or frequencies of the vibrations, which are supplied as input signals that represent either the force acting on the machine components to be tested forces or the oscillations or movements and its output either to the Sollpo tion of the wave is added and the adapted nominal position compared with the actual position of the shaft and the resulting control error is supplied to the controller, or added to the output of the controller in the form of a feedforward control added to the amplifier, and wherein the forces detected in the actuator and the vibrations or movements are evaluated in an evaluation module.

Bei einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist der Aktuator in einer Steuerschaltung geschaltet, in der dem Aktuator ein Verstärker vorgeschaltet und das zu prüfende Maschinenbauteil nachgeschaltet ist, wobei ein Adaptionsmodul zum exakten Einstellen der gewünschten, auf die zu prüfenden Maschinenbauteile einwirkenden Kräfte oder Schwingungen bzw. Bewegungen bei verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen der Schwingungen vorgesehen ist, dem als Eingangsgröße Signale zugeführt werden, die entweder die auf die zu prüfenden Maschinenbauteile einwirkenden Kräfte oder die Schwingungen bzw. Bewegungen repräsentieren und dessen Ausgangsgröße zu der auf die Welle einwirkenden Sollkraft hinzuaddiert und die adaptierte Sollkraft dem Verstärker zugeführt wird, und wobei die im Aktuator ermittelten Kräfte sowie die Schwingungen bzw. Bewegungen in einem Auswertemodul ausgewertet werden.at another embodiment invention, the actuator is connected in a control circuit, in the actuator an amplifier upstream and to be tested Machine component downstream, with an adaptation module for exact Setting the desired, to be tested Machine components acting forces or vibrations or Movements at different amplitudes and / or frequencies of the Vibrations is provided to which signals are supplied as input, either the one to be tested Machine components acting forces or the vibrations or Represent movements and its output to the added to the shaft acting on the desired force and the adapted nominal force the amplifier supplied is, and wherein the forces determined in the actuator and the vibrations or movements in an evaluation module are evaluated.

Das Adaptionsmodul kann dabei vorzugsweise als ein Kraftregler ausgebildet sein. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die berührungslose Anregung des Systems und die Möglichkeit des berührungslosen Messens der Kräfte und Bewegungen, wodurch insbesondere Lager, Dämpfer (beispeilsweise Quetsch filmdämpfer) und Dichtungen (beispeilsweise Gleitringdichtungen) unter Drehzahl geprüft und deren dynamisches Verhalten bestimmt werden kann.The Adaptation module can preferably be designed as a force regulator be. An essential advantage of the invention results from the non-contact Stimulation of the system and the possibility the non-contact Measuring the forces and movements, whereby in particular bearings, dampers (for example, squeeze film dampers) and Seals (for example, mechanical seals) are tested under speed and their dynamic behavior can be determined.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung komplette Maschinen (beispeilsweise Pumpen, Werkzeugmaschinen) geprüft und das dynamische Verhalten unter Drehzahl bestimt werden kann.One Another advantage of the invention is that with the device according to the invention complete machines (eg pumps, machine tools) are tested and the dynamic behavior under speed can be determined.

Die Erfindung wird im nachfolgenden Text mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen ein Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen:The The invention will be described in the following text with reference to the drawings explained in more detail in an example of a preferred embodiment of the device according to the invention is shown schematically. In the drawings show:

1 den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vereinfachten schematischen Darstellung, 1 the structure of the device according to the invention in a simplified schematic representation,

2 eine Regelschaltung, die bei der in 1 dargestellten Vorrichtung Verwendung finden kann, 2 a control circuit, which at the in 1 can be used,

3 eine alternative Regelschaltung, die bei der in 1 dargestellten Vorrichtung Verwendung finden kann, 3 an alternative control circuit, which in the in 1 can be used,

4 eine Steuerschaltung, die bei einer Vorrichtung Verwendung finden kann, deren Aufbau der in 1 dargestellten Vorrichtung entspricht, und 4 a control circuit which can be used in a device whose structure is in 1 corresponds represented device, and

5 eine alternative Steuerschaltung, die bei einer Vorrichtung Verwendung finden kann, deren Aufbau der in 1 dargestellten Vorrichtung entspricht. 5 an alternative control circuit that can be used in a device whose structure of the in 1 represented device corresponds.

Die in 1 vereinfacht dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Prüfen von Maschinenbauteilen besteht im wesentlichen aus einer Tragkonstruktion 1, einer mittels eines Elektromotors 2 angetriebenen Welle 3, die in der Tragkonstruktion 1 in zwei radialen Magnetlagern 4, 5 und einem axialen Magnetlager 6 gelagert ist. Die Magnetlager 4, 5, 6 bilden gleichzeitig die elektromagnetischen Aktuatoren, die Kräfte erzeugen, die auf die Welle 3 übertragen werden und diese sowie das zu prüfende Bauteil 7 in Schwingungen versetzen. Ferner besteht die Vorrichtung aus Kraftmesselementen 8, 9, 10 sowie Messelementen 11 – 13. Zwischen dem Elektromotor 2 und der Welle 3 ist eine elastische Kupplung 14 geschaltet. Denkbar ist selbstverständlich auch eine Anordnung, bei der die Welle direkt in dem zu prüfenden Maschinenbauteil 7 gelagert ist und die Bauteile 4, 5 oder 6 reine elektromagnetische Aktuatoren darstellen. Dabei ist weiterhin denkbar, dass le diglich einer der Aktuatoren 4, 5 oder 6 eingesetzt wird und dieser zusätzlich im Elektromotor integriert ist.In the 1 simplified device according to the invention for testing of machine components consists essentially of a support structure 1 , one by means of an electric motor 2 driven shaft 3 which are in the supporting structure 1 in two radial magnetic bearings 4 . 5 and an axial magnetic bearing 6 is stored. The magnetic bearings 4 . 5 . 6 at the same time form the electromagnetic actuators that generate forces acting on the shaft 3 be transferred and this and the component to be tested 7 vibrate. Furthermore, the device consists of force measuring elements 8th . 9 . 10 as well as measuring elements 11 - 13 , Between the electric motor 2 and the wave 3 is a flexible coupling 14 connected. It is also conceivable, of course, an arrangement in which the shaft directly in the machine component to be tested 7 is stored and the components 4 . 5 or 6 represent pure electromagnetic actuators. It is also conceivable that le diglich one of the actuators 4 . 5 or 6 is used and this is also integrated in the electric motor.

Die Kraftmesselemente 8 – 10, die als berührungslose Sensoreinrichtungen ausgebildet sind, dienen der Ermittlung der auf die Welle 3 und damit auch auf das zu prüfende Maschinenbauteil 7 wirkenden Kräfte, beispielsweise durch Messen des magnetischen Flusses, der magnetischen Flussdichte oder der magnetischen Feldstärke, ggf. im Luftspalt der Aktuatoren 4 – 6. Zu diesem Zweck können beispielsweise Hallsensoren, magnetoresistive Messelemente oder Feldplatten verwendet werden, während zur Ermittlung des magnetischen Flusses induktiv gekoppelte Umspulen eingesetzt werden können. Die Messelemente 11 – 13 sind als berührungslose Schwingungsaufnehmer ausgebildet, die im gezeigten Beispiel zur Ermittlung der Bewegung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung in fünf Achsen vorgesehen sind.The force measuring elements 8th - 10 , Which are designed as non-contact sensor devices, serve to determine the on the shaft 3 and thus also on the machine component to be tested 7 acting forces, for example by measuring the magnetic flux, the magnetic flux density or the magnetic field strength, possibly in the air gap of the actuators 4 - 6 , For example, Hall sensors, magnetoresistive measuring elements or field plates can be used for this purpose, while inductively coupled coils can be used to determine the magnetic flux. The measuring elements 11 - 13 are designed as non-contact vibration sensor, which are provided in the example shown to determine the movement, speed or acceleration in five axes.

Die in 2 gezeigte Regelschaltung dient der Ermittlung des dynamischen Verhaltens des zu prüfenden Maschinenbauteils 7, die durch die Auswertung der die Schwingungen bzw. die Bewegungen der Welle 3 sowie die Kräfte charakterisierenden Parameter erfolgt. Dabei weist die Regelschaltung einen Positionsregler 14 sowie einen dem Positionsregler 14 nachgeschalteten Verstärker 15 auf, dessen Ausgangssignale IAkt der Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators 4 (5, 6) dienen. Die die Kräfte repräsentierenden Signale der Sensoreinrichtungen 8 – 10 werden zusammen mit den Ausgangssignalen der Schwingungsaufnehmer 11 – 13 einem Auswertemodul 16 zugeführt, in dem aus den gemessenen Signalen mittels der bekannten Methoden der Systemidentifikation (mit parametrischen und/oder nicht parametrischen Verfahren) charakteristische Parameter (z. B. Eigenfrequenz, dynamische Koeffizienten usw.) des zu prüfenden Maschinenbauteiles 7 ermittelt werden. Um die gewünschten, auf das zu prüfende Maschinenbauteil 7 einwirkenden Kräfte oder die Schwingungen bzw. Bewegungen bei verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen der Schwingungen möglichst exakt einzustellen ist ein Adaptionsmodul 17 vorgesehen, dem die die Kräfte repräsentierenden Signale der Sensoreinrichtungen 8 – 10 zugeführt werden und dessen Ausgangsgröße Sad in einer Additionsstelle 18 zu einem vorgegebenen Sollwert Ssoll der Position der Welle 3 hinzuaddiert wird. Das Ergebnis der Addition, die adaptierte Sollposition Ssoll,ad,kraft wird in einer Subtraktionsstelle 19 mit dem Ausgangssignal der Schwingungsaufnehmer 11 – 13 verglichen, wonach das Vergleichsergebnis als Eingangsgröße ΔS dem Positionsregler 14 zugeführt wird. Eine andere Alternative sieht vor, dass die Ausgangsgröße Sad des Adaptionsmoduls 17, wie gestrichelt angedeutet ist, als eine Störgrößenaufschaltung zu der Ausgangsgröße des Positionsreglers 14 hinzuaddiert und dem Verstärker 15 zugeführt wird.In the 2 shown control circuit is used to determine the dynamic behavior of the machine component to be tested 7 By evaluating the vibrations or the movements of the shaft 3 as well as the forces characterizing parameters takes place. In this case, the control circuit has a position controller 14 as well as the position regulator 14 downstream amplifier 15 on, whose output signals I act of driving the electromagnetic actuator 4 ( 5 . 6 ) serve. The signals representing the forces of the sensor devices 8th - 10 are combined with the output signals of the vibration sensor 11 - 13 an evaluation module 16 supplied in the from the measured signals by means of the known methods of system identification (with parametric and / or non-parametric method) characteristic parameters (eg natural frequency, dynamic coefficients, etc.) of the machine component to be tested 7 be determined. To the desired, on the machine component to be tested 7 acting forces or to adjust the oscillations or movements at different amplitudes and / or frequencies of the vibrations as accurately as possible is an adaptation module 17 provided, the signals representing the forces of the sensor devices 8th - 10 be fed and its output S ad in an addition point 18 to a predetermined setpoint S is the position of the shaft 3 is added. The result of the addition, the adapted target position S soll, ad, force is in a subtraction point 19 with the output signal of the vibration sensor 11 - 13 compared, after which the comparison result as input ΔS the position controller 14 is supplied. Another alternative provides that the output variable S ad of the adaptation module 17 , as indicated by dashed lines, as a feedforward control to the output of the position controller 14 added and the amplifier 15 is supplied.

Der Aufbau der in 3 dargestellten alternativen Regelschaltung entspricht weitgehend dem Aufbau der Regelschaltung gemäß 2, die im vorhergehenden Textabsatz erläutert wurde. Dem Adaptionsmodul 17' werden jedoch anstelle der die Kräfte repräsentierenden Signale der Sensoreinrichtungen 8 – 10 die Ausgangssignale der Schwingungsaufnehmer 11 – 13 zugeführt, wobei der Subtraktionsstelle 19' anstelle der adaptierten Sollposition Ssoll,ad,kraft, die positionsadaptierte Sollposition Ssoll,ad,position zugeführt wird, die sich aufgrund der Addition von Ssoll und Sad,position an der Additionsstelle 18' ergibt.The construction of in 3 illustrated alternative control circuit largely corresponds to the structure of the control circuit according to 2 as explained in the previous paragraph. The adaptation module 17 ' However, instead of the forces representing signals of the sensor devices 8th - 10 the output signals of the vibration sensor 11 - 13 supplied, the subtraction point 19 ' instead of the adapted setpoint position S soll, ad, force , the position-adapted setpoint position S soll, ad, position is supplied, which is due to the addition of S soll and S ad, position at the addition point 18 ' results.

Die in 4 gezeigte Steuerschaltung dient der Ermittlung des dynamischen Verhaltens des Maschinenbauteils 71, das in einer nicht dargestellten Vorrichtung geprüft wird, deren Aktuator(en) 41 Schwingungen erzeugende, elektromagnetische oder elektrodynamische Kraft- und/oder Weganreger ausgeführt sind, die jedoch nicht durch Magnetlager gebildet sind. Die Ermittlung des dynamischen Verhaltens erfolgt wie bei der Vorrichtung gemäß 1 durch die Auswertung der die Schwingungen bzw. die Bewegungen der Welle sowie die Kräfte charakterisierenden Parameter. Dabei weist die Steuerschaltung einen Verstärker 151 auf, dessen Ausgangssignale IAkt der Ansteuerung des elektromagnetischen Aktuators 41 dienen. Die Signale der Sensoreinrichtungen 81, die die auf das zu prüfende Maschinenbauteil 71 einwirkenden Kräfte repräsentieren, werden zusammen mit den Ausgangssignalen der Schwingungsaufnehmer 111 einem Auswertemodul 161 zugeführt, in dem aus den gemessenen Signalen mittels der vorhin erwähnten bekannten Methoden der Systemidentifikation charakteristische Parameter (z. B. Eigenfrequenz, dynamische Koeffizienten usw.) des zu prüfenden Maschinenbauteiles 71 ermittelt werden. Um die gewünschten, auf das zu prüfende Maschinenbauteil 7 einwirkenden Kräfte oder die Schwingungen bzw. Bewegungen bei verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen der Schwingungen möglichst exakt einzustellen ist ein Adaptionsmodul 171 vorgesehen, dem die die Kräfte repräsentierenden Signale Fmess der Sensoreinrichtungen 81 zugeführt werden und dessen Ausgangsgröße Fad in einer Additionsstelle 181 zu einem vorgegebenen Sollwert FSoll der auf das zu prüfende Maschinenbauteil 71 einwirkenden Kraft hinzuaddiert wird. Das Ergebnis der Addition, die adaptierte Sollkraft FSoll,ad,kraft wird als Eingangsgröße dem Verstärker 151 zugeführt.In the 4 shown control circuit is used to determine the dynamic behavior of the machine component 71 , which is tested in a device, not shown, the actuator (s) 41 Vibrating, electromagnetic or electrodynamic force and / or Weganreger are executed, which are not formed by magnetic bearings. The determination of the dynamic behavior is carried out as in the device according to 1 by the evaluation of the oscillations or the movements of the shaft and the forces characterizing parameters. In this case, the control circuit has an amplifier 151 on, whose output signals I act of driving the electromagnetic actuator 41 serve. The signals of the sensor devices 81 that affect the machine component to be tested 71 acting forces are combined with the output signals of the vibration sensor 111 an evaluation module 161 in which characteristic parameters (eg natural frequency, dynamic coefficients etc.) of the machine component to be tested are determined from the measured signals by means of the previously mentioned known methods of system identification 71 be determined. To the desired, on the machine component to be tested 7 acting forces or to adjust the oscillations or movements at different amplitudes and / or frequencies of the vibrations as accurately as possible is an adaptation module 171 provided, the signals representing the forces F mess of the sensor devices 81 be fed and its output F ad in an addition point 181 to a given setpoint F setpoint to the machine component to be tested 71 acting force is added. The result of the addition, the adapted nominal force F Soll, ad, force , is the input to the amplifier 151 fed.

Der Aufbau der in 5 dargestellten alternativen Steuerschaltung entspricht schließlich weitgehend dem Aufbau der Steuerschaltung gemäß 4, die im vorhergehenden Textabsatz erläutert wurde. Dem Adaptionsmodul 171' werden jedoch anstelle der die Kräfte repräsentierenden Signale der Sensoreinrichtungen 81 die Ausgangssignale der Schwingungsaufnehmer 111 zugeführt, wobei der Additionsstelle 181' anstelle der kraftadaptierten Sollkraft Fad die Ausgangsgröße des Adaptionsmoduls 171', die positionsadaptierte Sollkraft Fad,position zugeführt wird. Das Ergebnis der Addition, die adaptierte Sollkraft FSoll,ad,position, wird als Eingangsgröße dem Verstärker 151 zugeführt.The construction of in 5 Finally, illustrated alternative control circuit largely corresponds to the structure of the control circuit according to 4 as explained in the previous paragraph. The adaptation module 171 ' However, instead of the forces representing signals of the sensor devices 81 the output signals of the vibration sensor 111 supplied, the addition point 181 ' instead of the force-adapted setpoint force F ad, the output variable of the adaptation module 171 ' , the position-adapted target force F ad, position is supplied. The result of the addition, the adapted nominal force F Soll, ad, position , is the input to the amplifier 151 fed.

Im nachfolgenden Text wird die Auswertung der ermittelten Parameter aus den gemessenen Schwingungen bzw. Bewegungen und Kräften am Beispiel eines Eingrößensystems erläutert:
Das oben beschriebene Problem der Bestimmung des dynamischen Verhaltens einer Struktur bzw. eines Maschinenbauteils gehört zu dem Aufgabengebiet der experimentellen Systemanalyse bzw. Systemidentifikation. Die Identifikation elastomechanischer Systeme zählt zu der großen Klasse der Strukturprobleme, die durch die Ein-/Ausgangsbeziehung gekennzeichnet ist. Üblicherweise stellen die auf eine Struktur eingeprägten Kräfte die Eingangsgrößen und die resultierenden Verschiebungen bzw. Schwingungen die Ausgangsgrößen dar.The following text explains the evaluation of the determined parameters from the measured oscillations or movements and forces using the example of an entry system:
The problem described above of determining the dynamic behavior of a structure or of a machine component belongs to the area of responsibility of the experimental system analysis or system identification. The identification of elastomechanical systems is one of the large class of structural problems characterized by the input / output relationship. Usually, the forces applied to a structure represent the input variables and the resulting displacements or oscillations are the output variables.

Mit Hilfe der beschriebenen Erfindung ist es möglich, berührungslos eine rotierende Struktur mit definierten Testsignalen (z.B. Impuls, Rauschen, harmonische Signale) anzuregen und sowohl die in das System eingeleiteten Kräfte als auch die resultierenden Bewegungen bzw. Schwingungen zu messen.With the aid of the described invention, it is possible to excite non-contact a rotating structure with defined test signals (eg pulse, noise, harmonic signals) and both in the System introduced forces as well as the resulting movements or vibrations to measure.

Betrachtet man die Wellenbewegung q (komplexe Größe) als Ausgang des Systems infolge der auf dieses wirkenden Kraft F (Eingang – komplexe Größe) und setzt li neares, stationäres Verhalten des Systems voraus, lässt sich das Systemverhalten durch q = H·F beschreiben. Dieses Eingangs-Ausgangs-Modell H (auch Übertragungsfunktion genannt) ist ein rein mathematisches Modell und lässt sich aus den gemessenen Größen q und F berechnen: H = q·F–1.Considering the wave motion q (complex size) as the output of the system due to the force F acting on it (input - complex size) and assuming li neares, stationary behavior of the system, the system behavior can be described by q = H · F. This input-output model H (also called transfer function) is a purely mathematical model and can be calculated from the measured quantities q and F: H = q · F -1 .

Zur Identifikation der komplexen Amplituden q, F werden beispielsweise harmonische Anregungen vorgegeben. Nachdem ein stationärer Zustand erreicht ist, wird die Aktuatorkraft bzw. Magnetlagerkraft und die Rotorbewegung zeitgleich gemessen. Zur Bestimmung der realen Kraft- und Wegamplitude aus den verrauschten, gemessenen Größen wird z.B. ein nichtrekursives Parameterschätzverfahren nach der Methode der kleinsten Quadrate verwendet. Durch Wiederholung des Verfahrens für alle in Betracht kommenden Frequenzen ergibt sich für den Fall der schrittweise harmonischen Anregung die diskrete Übertragungsfunktion H.to For example, the complex amplitudes q, F are identified given harmonic suggestions. After reaching a steady state is, the Aktuatorkraft or magnetic bearing force and the rotor movement measured at the same time. To determine the real force and path amplitude the noisy, measured quantities are e.g. a non-recursive parameter estimation method the method of least squares used. By repetition of the procedure for all eligible frequencies are given in case the stepwise harmonic excitation the discrete transfer function H.

Die Eigenfrequenzen, das zugehörige Dämpfungsmaß und die dynamischen Koeffizienten des Systems lassen sich aus der Berechnung der Nullstellen des Nenners der Übertragungsfunktion H und dem Zusammenfassen der konjugiert komplexen Lösungen berechnen.The Natural frequencies, the associated attenuation and the dynamic coefficients of the system can be deduced from the calculation the zeros of the denominator of the transfer function H and summarizing the complex conjugate solutions.

Claims (15)

Vorrichtung zum Prüfen von Maschinenbauteilen beziehungsweise Maschinen, mit einer Tragkonstruktion, mit einer in der Tragkonstruktion in mindestens einem Lager gelagerten rotierenden Welle, die antriebsmäßig mit einem Motor verbunden ist und auf der die zu prüfenden Maschinenbauteile angeordnet sind, mit mindestens einem Aktuator zur Übertragung von Kräften auf die zu prüfenden Maschinenbauteile sowie mit Messelementen zum Ermitteln der auf die Welle wirkenden Kräfte, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (4, 5, 6) als ein Schwingungen erzeugender, elektromagnetischer oder elektrodynamischer Kraft- und/oder Weganreger ausgeführt ist, wobei zur Ermittlung des dynamischen Verhaltens der zu prüfenden Maschinenbauteile (7) Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen sowie der Kräfte ausgewertet werden.Device for testing machine components or machines, comprising a supporting construction, with a rotating shaft mounted in at least one bearing in the supporting structure and drivingly connected to a motor and on which the machine components to be tested are arranged, with at least one actuator for transmitting forces on the machine components to be tested and with measuring elements for determining the forces acting on the shaft, characterized in that the actuator ( 4 . 5 . 6 ) is designed as a vibration-generating, electromagnetic or electro-dynamic force and / or path exciter, wherein for determining the dynamic behavior of the machine components to be tested ( 7 ) Parameters of the oscillations or movements as well as the forces are evaluated. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen Messelemente (11, 12, 13), vorzugsweise berührungslose Schwingungsaufnehmer, in mindestens einer Achse vorgesehen sind.Apparatus according to claim 1, characterized in that for determining the parameters of the oscillations or movements measuring elements ( 11 . 12 . 13 ), preferably non-contact vibration sensors, are provided in at least one axis. Vorrichtung nach Anspruche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Parameter der auf die Welle (3) wirkenden Kräfte berührungslose Sensoreinrichtungen (8, 9, 10) vorgesehen sind.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that for determining the parameters of the on the shaft ( 3 ) acting forces non-contact sensor devices ( 8th . 9 . 10 ) are provided. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslosen Sensoreinrichtungen als Sensoreinrichtungen zur Messung des magnetischen Flusses, der magnetischen Flussdichte oder der magnetischen Feldstärke ausgebildet sind und vorzugsweise im Luftspalt des Aktuators (4, 5, 6) vorgesehen sind.Apparatus according to claim 3, characterized in that the non-contact sensor devices are designed as sensor devices for measuring the magnetic flux, the magnetic flux density or the magnetic field strength and preferably in the air gap of the actuator ( 4 . 5 . 6 ) are provided. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtungen als Hallsensoren, magnetoresistive Messelemente, Feldplatten oder als induktiv gekoppelte Umspulen ausgebildet sind.Device according to claim 4, characterized that the sensor devices as Hall sensors, magnetoresistive Measuring elements, field plates or inductively coupled rewinding are formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen und Kräfte zur Ermittlung der Kraft/Weg-Beziehung, beispielsweise der Übertragungsfunktion, und/oder der dynamischen Koeffizienten, beispielsweise der Massenkoeffizienten, der zu prüfenden Maschinenbauteile ausgewertet werden.Device according to one of claims 2 to 5, characterized that the parameters of the oscillations or movements and forces to Determination of the force / displacement relationship, for example the transfer function, and / or the dynamic coefficients, for example the mass coefficient, the one to be tested Machine components are evaluated. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Schwingungen bzw. Bewegungen und Kräfte zur Ermittlung der Eigenfrequenz und/oder des Dämpfungsmaßes der zu prüfenden Maschinenbauteile ausgewertet werden.Device according to claim 6, characterized that the parameters of the oscillations or movements and forces to Determining the natural frequency and / or the damping measure of the machine components to be tested be evaluated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator im Motor integriert ist.Device according to one of the preceding claims characterized in that the actuator is integrated in the motor. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator durch das Lager gebildet ist, das als ein Magnetlager (4, 5, 6) ausgeführt ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the actuator is formed by the bearing, which serves as a magnetic bearing ( 4 . 5 . 6 ) is executed. Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass zur Lagerung der Welle (3) mindestens ein radiales (4, 5) oder ein axiales Magnetlager (6) vorgesehen sind.Apparatus according to claim 9, characterized in that for the storage of the shaft ( 3 ) at least one radial ( 4 . 5 ) or an axial magnetic bearing ( 6 ) are provided. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (4, 5, 6) in einer Regelschaltung geschaltet ist, in der dem Aktuator (4, 5, 6) ein Positionsregler (14) mit einem nachgeschalteten Verstärker (15) vorgeschaltet und das zu prüfende Maschinenbauteil (7) nachgeschaltet ist, wobei ein Adaptionsmodul (17, 17') zum exakten Einstellen der gewünschten, auf die zu prüfenden Maschinenbauteile (7) einwirkenden Kräfte oder der Schwingungen bzw. Bewegungen bei verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen der Schwingungen vorgesehen ist, dem als Eingangsgröße Signale zugeführt werden, die entweder die auf die zu prüfenden Maschinenbauteile (7) einwirkenden Kräfte (Fmess) oder die Schwingungen bzw. Bewegungen repräsentieren und dessen Ausgangsgröße (Sad,Sad,position) entweder zu der Sollposition (SSoll) der Welle (3) hinzu addiert wird und die adaptierte Sollposition (SSoll,ad,kraft, SSoll,ad,position) mit der Istposition (SIst) der Welle (3) verglichen und die so entstehende Regelabweichung (ΔS) dem Positionsregler (14) zugeführt wird, oder auf die Ausgangsgröße des Positionsreglers (14) in Form einer Störgrößenaufschaltung addiert dem Verstärker (15) zugeführt wird, und wobei die im Aktuator (4, 5, 6) ermittelten Kräfte (Fmess) sowie die Schwingungen bzw. Bewegungen in einem Auswertemodul (16) ausgewertet werden.Device according to claim 9 or 10, characterized in that the actuator ( 4 . 5 . 6 ) is connected in a control circuit, in which the actuator ( 4 . 5 . 6 ) a position controller ( 14 ) with a downstream amplifier ( 15 ) and the machine component to be tested ( 7 ), wherein an adaptation module ( 17 . 17 ' ) for the exact setting of the desired, on the machine components to be tested ( 7 ) acting forces or the oscillations or movements in different Amplitudes and / or frequencies of the vibrations is provided, which are supplied as input signals, either the on the machine components to be tested ( 7 ) acting forces (F mess ) or the oscillations or movements represent and its output variable (S ad , S ad, position ) either to the desired position (S setpoint ) of the shaft ( 3 ) and the adapted nominal position (S target, ad, force , S target, ad, position ) with the actual position (S actual ) of the shaft ( 3 ) and the resulting control deviation (ΔS) the position controller ( 14 ) or to the output of the position controller ( 14 ) in the form of a disturbance variable addition adds the amplifier ( 15 ), and wherein in the actuator ( 4 . 5 . 6 ) determined forces (F mess ) and the oscillations or movements in an evaluation module ( 16 ) be evaluated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (41) in einer Steuerschaltung geschaltet ist, in der dem Aktuator (41) ein Verstärker (151) vorgeschaltet und das zu prüfende Maschinenbauteil (71) nachgeschaltet ist, wobei ein Adaptionsmodul (171) zum exakten Einstellen der gewünschten, auf die zu prüfenden Maschinenbauteile (71) einwirkenden Kräfte oder Schwingungen bzw. Bewegungen bei verschiedenen Amplituden und/oder Frequenzen der Schwingungen vorgesehen ist, dem als Eingangsgröße Signale zugeführt werden, die entweder die auf die zu prüfenden Maschinenbauteile (7) einwirkenden Kräfte (Fmess) oder die Schwingungen bzw. Bewegungen repräsentieren und dessen Ausgangsgröße (Fad,Fad,position) zu der auf die Welle einwirkenden Sollkraft (FSoll) hinzuaddiert (181, 181') und die adaptierte Sollkraft (FSoll,ad,kraft,FSoll,ad,position) dem Verstärker (151) zugeführt wird, und wobei die im Aktuator (41) ermittelten Kräfte (Fmess) sowie die Schwingungen bzw. Bewegungen in einem Auswertemodul (161) ausgewertet werden.Device according to one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the actuator ( 41 ) is connected in a control circuit, in which the actuator ( 41 ) an amplifier ( 151 ) and the machine component to be tested ( 71 ), wherein an adaptation module ( 171 ) for the exact setting of the desired, on the machine components to be tested ( 71 ) acting forces or oscillations or movements at different amplitudes and / or frequencies of the vibrations is provided to which are supplied as input signals, which are either on the machine components to be tested ( 7 ) acting forces (F mess ) or represent the oscillations or movements and the output variable (F ad , F ad, position ) added to the force acting on the shaft (F target ) ( 181 . 181 ' ) and the adapted nominal force (F target, ad, force , F target, ad, position ) the amplifier ( 151 ), and wherein in the actuator ( 41 ) determined forces (F mess ) and the oscillations or movements in an evaluation module ( 161 ) be evaluated. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Adaptionsmodul als ein Kraftregler ausgebildet ist.Device according to claim 11 or 12, characterized that the adaptation module is designed as a force regulator. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zu prüfenden Maschinenbauteile als Lager, Dämpfer und/oder Dichtung ausgebildet sind.Device according to at least one of the preceding claims characterized in that the machine components to be tested as Bearing, damper and / or seal are formed. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das zu prüfende Maschinenbauteil als eine Maschine, insbesondere eine Pumpe oder Verdichter oder Werkzeugmaschine, ausgebildet ist.Device according to at least one of the preceding claims characterized in that the machine component to be tested as a machine, in particular a pump or compressor or machine tool, is trained.
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