DE102008030227A1

DE102008030227A1 - Bearing prestress monitoring device for cylinder of printing machine, has evaluation unit providing bearing stress signal by processing position signal and current signal, where stress signal represents current delivered to motor

Info

Publication number: DE102008030227A1
Application number: DE200810030227
Authority: DE
Inventors: Christian Albrecht; Günter Schmid; Ralf SCHÜLER
Original assignee: INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG; Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-12-31

Abstract

The device has a speed sensor (19) including a rotor (21) rotational fixedly fastened at a rotary body (1), and a stator (23) rotational fixedly connected with a machine frame (9). The sensor delivers a rotation angle dependent position signal, which is supplied to an evaluation unit. The evaluation unit provides a bearing stress signal by processing the position signal and a current signal, where the stress signal is a measurement of the bearing stress and depends on torque lying at a synchronous motor (11) e.g. torque motor. The current signal represents current delivered to the motor. An independent claim is also included for a method for monitoring bearing prestress at a rotary body.

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung, mit welcher die Lagervorspannung an einem angetriebenen Drehkörper überwacht werden kann. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine direkt angetriebene, drehende Achse, die mittels Wälzlager geführt ist.The The invention generally relates to a device with which monitors the bearing preload on a driven rotary body can be. In particular, the invention relates to a directly driven, rotating axis, which guided by rolling bearings is.

Einsatzgebiete für eine solche Vorrichtung finden sich beispielsweise in Druckmaschinen für Gravur-, Flexo- und Offsetdruck, in Werkzeugmaschinen, Textilmaschinen und Getränkeabfüllanlagen. Der angetriebene Drehkörper kann z. B. ein Zylinder in einer Druckmaschine sein, in welcher Materialbahnen bedruckt werden. Angetrieben wird der Drehkörper vorzugsweise durch einen Direktantrieb, so dass keine Getriebeelemente zwischengeschaltet sind.applications for such a device can be found, for example in printing machines for gravure, flexo and offset printing, in machine tools, textile machines and beverage filling plants. The driven rotary body can, for. B. a cylinder in a printing press, be printed in which webs. The rotary body is preferably driven by a Direct drive, so that no gear elements are interposed.

Bei Zylinderrollenlagern mit kegeligem Innenring wird die vorgeschriebene Lagervorspannung über den sogenannten „Aufpressweg” erzielt. Bei Kegelrollenlagern wird die Lagervorspannung durch eine vorher ausgemessene und maßgenau geschliffene Abstimmscheibe eingestellt. In beiden Fällen hat die eingestellte Lagervorspannung einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer der eingebauten Lager. Sowohl eine zu hohe Lagervorspannung als auch ein Lagerspiel, führen zu einer deutlichen Reduzierung der Lagerlebensdauer. Die Art und Weise der Einstellung der Lagervorspannung ist sehr aufwendig und ist behaftet mit vielen Fehlermöglichkeiten. Da man das Maß der Lagervorspannung nicht oder nur unzureichend kontrollieren kann, führt eine Falscheinstel lung schnell zum Lagerausfall.at Cylindrical roller bearings with tapered inner ring is the prescribed Bearing preload achieved via the so-called "Aufpressweg". For tapered roller bearings, the bearing preload will be replaced by a pre-load measured and accurately ground tuning wheel adjusted. In both cases, the set bearing preload a decisive influence on the life of the built-in Camp. Both too high bearing preload and a bearing clearance, lead to a significant reduction in bearing life. The way of adjusting the bearing preload is very consuming and is fraught with many possibilities for error. Since the measure of bearing preload is not or only insufficient can control, a Falscheinstel ment leads quickly to the bearing failure.

Es ist prinzipiell bekannt, den Laststrom an Motoren zu messen und zu überwachen, beispielsweise um bei elektromechanisch angetriebenen Schraubern oder bei Spindelpressen das Lastmoment zu überwachen. Hierfür wird die direkte Proportionalität zwischen Motorstrom und Lastmoment genutzt. So lässt sich bei einer Überschreitung einer Lastmoment- bzw. Stromschwelle der Motor abschalten, um Beschädigungen zu vermeiden. Nachteilig bei diesen vorbekannten Lösungen ist, dass aufgrund der begrenzten Steifigkeit und des Spiels der verwendeten Getriebe größere Messfehler in der motorstrombasierten Momentmessung auftreten, die eine genaue Bestimmung des tatsächlich aufgebrachten Moments nicht gestatten.It is in principle known to measure the load current to motors and to monitor, for example, at electromechanical driven screwdrivers or with screw presses the load torque to monitor. This is the direct proportionality used between motor current and load torque. That's how it works when exceeding a load torque or current threshold Turn off the engine to avoid damage. A disadvantage of These known solutions is that because of the limited Stiffness and the play of the gear used larger Measurement errors occur in the motor current-based torque measurement, the one accurate determination of the actual torque applied do not allow.

Ein anderer Lösungsansatz, welcher für die Zustandsüberwachung von Wälzlagern Verwendung findet, wird mittels Beschleunigungssensoren realisiert. Der Körperschall der durch das Abwälzen der Wälzkörper in Wälzlagern entsteht, wird von Sensoren erfasst. Dadurch kann z. B. eine rechtzeitige Maschinenwartung veranlasst werden, wenn infolge eines entstehenden und fortschreitenden Oberflächenschadens auf der Laufbahn ein applikationsabhängiger Schallpegel überschritten wird. Der Einsatz von Beschleunigungssensoren und weiterer benötigter Bauteile zur Erfassung des Schallpegels ist kostspielig. Außerdem können solche Überwachungseinheiten nicht vorbeugend einen drohenden Lagerschaden feststellen, sondern liefern erst auswertbare Informationen wenn ein Schaden oder Verschleiß an der Laufbahn entstanden ist.One another approach, which is for condition monitoring of rolling bearings is used by means of acceleration sensors realized. The structure-borne noise of rolling through the rolling elements are produced in rolling bearings, is detected by sensors. As a result, z. B. a timely Machine maintenance can be caused if due to an emerging and progressive surface damage on the track exceeded an application-dependent sound level becomes. The use of acceleration sensors and other required components to record the sound level is costly. Furthermore Such monitoring units can not be preventive detect an imminent bearing damage, but deliver only evaluable Information if damage or wear on the track originated.

Aus der DE 20 2006 001 458 U1 ist eine Vorrichtung zur Messung der internen Reibung von Wälzlagern bekannt, welcher durch einen Messwertaufnehmer den dynamischen Verlauf der lagerinternen Reibung erfasst. Dieser Messwertaufnehmer wird über einen Aktuator angesprochen, welcher sich zwischen zwei Lagerringen der benachbarten Axiallager befindet, die zu vermessen sind. Die Messung erfolgt mittels einer definierten Prüflast, welche durch einen Prüflastgeber aufgebracht wird, bei gleichzeitiger Rotation der Lagerringe relativ zueinander. Bei der Prüfung von Radiallagern, ist darauf zu achten, dass das Moment, mit dem der betreffende Lagerring durch die lagerinterne Reibung mitgenommen wird, in einer Position gemessen wird, in der die Wirkungslinie der Prüflast die Drehachse des zu prüfenden Lagers schneidet. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist der komplexe Aufbau und das Einbeziehen zusätzlicher Elemente zur Messung der internen Reibung der Wälzlager. Des Weiteren ist eine Prüflast erforderlich, wodurch diese Vorrichtung für die laufende Überwachung des Lagerzustands an einer drehenden Achse nicht geeignet ist.From the DE 20 2006 001 458 U1 a device for measuring the internal friction of rolling bearings is known, which detects the dynamic course of the internal bearing friction by a transducer. This transducer is addressed via an actuator, which is located between two bearing rings of the adjacent thrust bearing, which are to be measured. The measurement is carried out by means of a defined test load, which is applied by a Prüflastgeber, with simultaneous rotation of the bearing rings relative to each other. When testing radial bearings, it is important to note that the moment at which the bearing race in question is driven by the internal bearing friction is measured in a position where the line of action of the test load intersects the axis of rotation of the bearing to be tested. A disadvantage of this device is the complex structure and the inclusion of additional elements for measuring the internal friction of the bearings. Furthermore, a test load is required, whereby this device is not suitable for the continuous monitoring of the bearing state on a rotating axis.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zu schaffen, welche an direkt angetriebenen Drehkörpern eine genaue Messung bzw. Überwachung der Lagerspannungen in einem den Drehkörper führenden Lager gestattet, ohne dass dafür spezielle Prüflasten eingeprägt werden müssen. Die o. g. Nachteile bekannter Ansätze sollen dabei vermieden werden.The The object of the present invention is therefore a device to create which on directly driven rotary bodies an accurate measurement or monitoring of the bearing voltages allowed in a bearing leading the rotating body, without impressing special test loads Need to become. The o. G. Disadvantages of known approaches should be avoided.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Vorrichtung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.to Solution to this problem is a device according to the appended claim 1.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Überwachung der Lagervorspannung eines in einem Maschinengestell befestigten Lagers. Das Lager lagert einen Drehkörper, der durch einen Direktantrieb ohne Zwischenschaltung von Getriebeelementen direkt angetrieben wird. Erfindungsgemäß ist ein Drehgeber vorgesehen, dessen Rotor drehfest, direkt und mechanisch steif am Drehkörper befestigt ist. Der Stator des Drehgebers ist drehfest mit dem Maschinengestell verbunden, also mechanisch steif in Bezug auf den im Maschinengestell feststehenden Teil des Lagers. Der Drehgeber liefert ein drehwinkelabhängiges Positionssignal, welches einer Auswerteeinheit zugeführt wird. Diese Auswerteeinheit verarbeitet das Positionssignal und mindestens ein Stromsignal, das den an den Direktantrieb gelieferten Strom repräsentiert, und generiert ein Lagerspannungssignal, welches von dem am Direktantrieb anliegenden Drehmoment abhängig, insbesondere direkt proportional zum Drehmoment ist.A device according to the invention serves to monitor the bearing preload of a bearing mounted in a machine frame. The bearing supports a rotating body, which is directly driven by a direct drive without the interposition of gear elements. According to the invention, a rotary encoder is provided, the rotor of which is rotationally fixed, directly and mechanically rigidly attached to the rotary body. The stator of the rotary encoder is rotatably connected to the machine frame, so mechanically stiff with respect to the fixed part of the bearing in the machine frame. The rotary encoder supplies a rotation angle dependent position signal which is fed to an evaluation unit. This evaluation unit processes the position signal and at least one current signal representing the current supplied to the direct drive, and generates a bearing voltage signal which depends on the torque applied to the direct drive, in particular directly proportional to the torque.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lager ein Wälzlager, welches einen Innenring und einen Außenring umfasst. Der Innenring weist auf seiner Innenseite eine kegelige Form auf, welche sich auf einen kegeligen Mantelabschnitt des Drehkörpers aufpresst, sodass über den Aufpressweg die Lagervorspannung eingestellt werden kann. Der Außenring weist eine zylindrische Form auf und ist in einer zylindrischen Bohrung im Maschinengestell eingepresst. Der Einfluss des Außenrings auf die Lagervorspannung ist abhängig von der Passungswahl des Außendurchmessers des Wälzlagers und der Bohrung im Maschinengestell.In In a preferred embodiment, the bearing is a roller bearing, which includes an inner ring and an outer ring. Of the Inner ring has on its inside a conical shape, which is pressed on a conical shell portion of the rotary body, so adjusted over the Aufpressweg the bearing preload can be. The outer ring has a cylindrical shape on and is pressed into a cylindrical bore in the machine frame. The influence of the outer ring on the bearing preload is depending on the choice of the outside diameter the rolling bearing and the bore in the machine frame.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Wälzlagerung als ein- oder mehrreihiges Zylinderrollenlager ausgebildet. Solche Lager können hohe Radialkräfte aufnehmen. Die Wälzlagerung kann auch mit anderen Wälz- und Gleitlagerbauformen ausgeführt sein.According to one advantageous embodiment is the rolling bearing designed as a single or multi-row cylindrical roller bearing. Such Bearings can absorb high radial forces. The Rolling bearings can also be used with other types of rolling and sliding bearings be executed.

Bei abgewandelten Bauformen können anderer Lager zur Lagerung des Drehkörpers zum Einsatz kommen. Wesentlich ist dabei jedoch auch die mechanisch steife Verbindung zwischen dem Rotor des Drehgebers und dem Drehkörper (bzw. dem darauf befestigten bewegten Lagerteil) einerseits sowie zwischen dem Stator des Drehgebers und dem Maschinengestell (bzw. dem darin angebrachten festen Lagerteil) andererseits.at modified designs may be other bearings for storage of the rotary body are used. It is essential but also the mechanically rigid connection between the rotor of the Encoder and the rotary body (or attached thereto moving bearing part) on the one hand and between the stator of the rotary encoder and the machine frame (or fixed bearing part mounted therein) on the other hand.

Aufgrund des verwendeten Direktantriebs sind keine Getriebeverluste vorhanden, da eine direkte und mechanisch steife Verbindung zwischen dem Drehkörper und dem Rotor des Motors besteht. Als besonders vorteilhaft hat sich ein permanenterregter Synchronmotor erwiesen, welcher ein Torquemotor sein kann. Das permanenterregte Primärteil des Torquemotors ist mit dem Maschinengestell direkt und mechanisch steif verbunden, beispielsweise an diesem angeflanscht.by virtue of of the direct drive used there are no gear losses, as a direct and mechanically rigid connection between the rotating body and the rotor of the motor. As a particularly advantageous proved to be a permanent magnet synchronous motor, which is a torque motor can be. The permanently excited primary part of the torque motor is connected to the machine frame directly and mechanically stiff, for example, flanged to this.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindung des Sekundärteils des Torquemotors mit dem Drehkörper über einen Spannsatz erfolgt. Der Vorteil liegt darin, dass der Drehkörper von dem Rotor des Motors leichter ab- und/oder anbringbar ist, was das Austauschen der einzelnen Komponenten erleichtert.A further advantageous embodiment is characterized from that the connection of the secondary part of the torque motor with the rotary body via a clamping set. The advantage is that the rotary body of the rotor the engine is easier to remove and / or attach, what the replacement facilitates the individual components.

Durch die Einbindung des Direktantriebes und des Drehgebers in ein Regelungssystem entsteht ein kaskadiertes Strom-, Geschwindigkeits- und Lagerregelungssystem. In diesem Regelkreis wird das Stromistwertsignal abgegriffen und an eine Auswerteinheit zur Auswertung weitergeleitet, vorzugsweise an einem Messeinschub einer Steuerung, der in einem Regler vorhanden sein kann. Der Regelkreis folgt einer Geschwindigkeits- oder eine Winkelsollvorgabe. Dabei ist der zeitliche Motorstromverlauf des permanenterregten Synchronmotors direkt proportional zum zeitlichen Lastmomentverlauf. Wird der Drehkörper von den angrenzenden Bauteilen abgekoppelt, was bei Druckmaschinen durch Verschiebung des Zylinders in eine Druck-Ab-Stellung erreichbar ist, so wirkt nur das Reibungsmoment des Lagers bremsend auf den Motor. Das Lagerreibungsmoment hängt direkt von der eingestellten Lagervorspannung ab. Je höher die Lagervorspannung ist, umso höher ist das Lagerreibmoment, was zur Folge hat, dass der Motorstrom ansteigt. Durch den Einsatz eines Direktantriebs werden keine weiteren Verluste, wie Getriebeverluste, verzeichnet. Auf diese Weise kann die Lagervorspannung sowohl während eines Einstellvorgangs gemessen als auch während des normalen Betriebs der Anlage, in welcher der Drehkörper funktional integriert ist, überwacht werden. Die Auswerteeinheit liefert dazu ein dem anliegenden Drehmoment proportionales Lagerspannungssignal.By The integration of the direct drive and the encoder into a control system creates a cascaded power, speed and storage control system. In this control loop the Stromistwertsignal is tapped and forwarded to an evaluation unit for evaluation, preferably at a measuring module of a control, which is present in a controller can be. The control loop follows a speed or a Angle target specification. Here is the temporal motor current course of the permanent-magnet synchronous motor directly proportional to the temporal Load torque curve. Will the rotating body of the adjacent Decoupled components, resulting in printing machines by shifting the cylinder is reachable in a pressure-off position, so acts only the frictional torque of the bearing braking on the engine. The bearing friction torque depends directly on the set bearing preload. The higher the bearing preload, the higher is the Lagerreibmoment, with the result that the motor current increases. By using a direct drive will be no further Losses, such as transmission losses, are listed. This way you can the bearing preload both during a setting process measured as well as during normal operation of the system, in which the rotary body is functionally integrated monitors become. The evaluation unit supplies an applied torque proportional bearing voltage signal.

Zur Lösung der o. g. Aufgabe dient ebenfalls ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 9.to Solution of o. G. Task is also a procedure according to the appended claim 9.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zustandsüberwachung eines Drehkörpers wird der Motorstrom ermittelt, der in den Direktantrieb eingespeist wird, und daraus ein Stromsignal generiert. Mithilfe des Drehgebers wird die Drehwinkelposition des Drehkörpers bezogen auf das Maschinengestell erfasst und ein Positionssignal generiert. Aus dem Stromsignal und dem Positionssignal lässt sich nunmehr ein am Direktantrieb anliegendes Gesamtdrehmoment bestimmen, aus welchem nach Abzug anderer externer Drehmomente die Lagervorspannung ermittelt werden kann.at the condition monitoring method according to the invention of a rotary body, the motor current is determined, which in the direct drive is fed, and generates a current signal. aid of the rotary encoder becomes the rotational angle position of the rotary body detected relative to the machine frame and a position signal generated. From the current signal and the position signal leaves now determine a total applied to the direct drive total torque, from which, after deduction of other external torques, the bearing preload can be determined.

Auf Basis der ausgewählten Wälzlager und der Kennwerte des Synchronmotors kann die Lagervorspannung für eine Kalibrierung einmalig rechnerisch oder messtechnisch ermittelt werden. Die Lagervorspannung lässt sich nachfolgend durch Messung und eine Aufzeichnung des Motorstromes bestimmen, wenn auf den Drehkörper keine sonstigen Drehmomente einwirken, ein Druckzylinder also beispielsweise ohne Belastung und getrennt von angrenzenden Maschinenteilen bzw. weiteren Zylindern in Drehung versetzt wird. Die spätere Messung im Betrieb dient der Überwachung der Lagervorspannung und erfolgt bei konstanter Drehzahl, so dass keine Massenträgheitsmomente durch Beschleunigen oder Bremsen zum Tragen kommen. Die Lagervorspannung wird grundsätzlich aus dem Mittelwert des Motorstromes abgeleitet. Es lassen sich typische Werte speichern und für weitere Auswertungen sowie für Fehlerklassifizierungen heranziehen.On the basis of the selected rolling bearings and the characteristics of the synchronous motor, the bearing preload can be determined once for a calibration either mathematically or metrologically. The bearing preload can be subsequently determined by measurement and a recording of the motor current when the rotary body no other torques act, so a printing cylinder, for example, without load and separated from adjacent machine parts or other cylinders is rotated. The subsequent measurement during operation serves to monitor the bearing preload and takes place at a constant speed, so that no moments of inertia due to acceleration or braking come into play. Camps bias voltage is always derived from the mean value of the motor current. Typical values can be saved and used for further evaluations as well as for error classifications.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführung erfolgt eine Überwachung der Zustandsänderung der Laufbahn eines Wälzkörpers. Dabei werden die aufgezeichneten Daten des Motorstromes herangezogen und nach Stromspitzen durchsucht, welche auf Oberflächenschäden der Wälzkörper hinweisen. Die Auswertung der gewonnen Daten erfolgt über den zeitlichen Verlauf des Motorstromes, oder aber auch im Frequenzbereich mittels Fouriertransformation (FFT).at In a particularly preferred embodiment, monitoring takes place the state change of the raceway of a rolling element. The recorded data of the motor current are used and searched for current spikes, indicating surface damage indicate the rolling elements. The evaluation of won Data is taken over the time course of the motor current, or else in the frequency domain by means of Fourier transformation (FFT).

Als vorteilhaft erweist sich, die gewonnen Daten für weitere Auswertungen und zur Kontrolle in einer rechentechnischen Komponente zu speichern, welche mit in die Auswerteeinheit integriert ist, um so gegebenenfalls bei vorhandenen Schäden am Lager den Arbeitskreis sofort zu unterbrechen, oder durch Hinweisfunktionen eine Wartung zu veranlassen und damit die Lebensdauer der Wälzlager zu verlängern.When advantageous proves the data obtained for more Evaluations and control in a computational component to store, which is integrated with the evaluation unit, if necessary, in case of existing damage to the warehouse Interrupt working group immediately, or by to cause maintenance and thus the life of the bearings to extend.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.Further Advantages, details and developments of the present invention result from the following description of a preferred embodiment, with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine vereinfachte schematische Längsschnitt-Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung der Lagervorspannung an einem von einem Motor angetriebenen Drehkörper; 1 a simplified schematic longitudinal sectional view of a device according to the invention for monitoring the bearing preload on a driven by a motor rotary body;

2 ein Blockschaltbild eines Regelkreises, welcher bei Ansteuerung des Motors zum Einsatz kommt. 2 a block diagram of a control loop, which is used when controlling the motor.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 dient zur Zustandsüberwachung an einem Lager bei direkt angetriebenen und rotativen Achsen. Die Vorrichtung umfasst einen Drehkörper 01, der von einem Direktantrieb ohne Zwischenschaltung von Getriebeeinheiten angetrieben wird. Der Direktantrieb ist vorzugsweise ein Synchronmotor 11 mit einem als Stator wirkenden Primärteil 13 und einem als Rotor arbeitenden Sekundärteil 15. Als Synchronmotor 11 kommt vorzugsweise ein Torquemotor zum Einsatz. Der Sekundärteil 15 ist in der gezeigten Ausführungsform am Drehkörper 01 mechanisch steif mittels eines Spannsatzes 17 festgeklemmt. Dadurch ist eine schlupffreie Momentübertragung gewährleistet. Der Primärteil 13 ist vorzugsweise an ein ihn umgebenden Maschinengestell 09 angeflanscht.A device according to the invention 1 Used to monitor the condition of a bearing on directly driven and rotary axles. The device comprises a rotary body 01 , which is driven by a direct drive without the interposition of gear units. The direct drive is preferably a synchronous motor 11 with a primary part acting as a stator 13 and a working as a rotor secondary part 15 , As a synchronous motor 11 Preferably, a torque motor is used. The secondary part 15 is in the embodiment shown on the rotating body 01 mechanically stiff by means of a clamping set 17 clamped. As a result, a slip-free torque transmission is guaranteed. The primary part 13 is preferably to a surrounding machine frame 09 flanged.

Vor dem Motor 11 entlang des Drehkörpers 01 befindet sich ein Wälzlager 03, welches den Drehkörper 01 drehbar lagert. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform kommt als Wälzlager ein einreihiges Zylinderrollenlager zum Einsatz, weiches einen Innenring 05 und einen Außenring 07 umfasst. Der Innenring 05 weist auf seiner Innenseite eine kegelige Form auf, welche sich auf einen kegeligen Mantelabschnitt des Drehkörpers 01 aufpresst. Der Außenring 07 des Wälzlagers 03 weist eine zylindrische Form auf und ist vorzugsweise in einer zylindrischen Bohrung bzw. Ausnehmung in das ihn umgebende Maschinengestell 09 eingepresst.In front of the engine 11 along the rotating body 01 there is a rolling bearing 03 which the rotating body 01 rotatably supports. In the illustrated preferred embodiment comes as a rolling bearing a single row cylindrical roller bearings used, soft an inner ring 05 and an outer ring 07 includes. The inner ring 05 has on its inside a conical shape, which is based on a conical shell portion of the rotating body 01 introduced under. The outer ring 07 of the rolling bearing 03 has a cylindrical shape and is preferably in a cylindrical bore or recess in the surrounding machine frame 09 pressed.

An einem Ende des Drehkörpers 01 ist ein Drehgeber 19 angebracht, dessen Rotor 21 mit dem Drehkörper 01 mechanisch steif und drehfest verbunden ist. Ein Aufnehmer oder Stator 23 des Drehgebers 19 ist mit dem Maschinengestell 09 direkt und mechanisch steif verbunden.At one end of the rotating body 01 is a rotary encoder 19 attached, its rotor 21 with the rotary body 01 mechanically stiff and rotatably connected. A transducer or stator 23 of the rotary encoder 19 is with the machine frame 09 connected directly and mechanically stiff.

2 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreises, welcher eine Kaskadenregelung einsetzt. Zur Auswertung des Motorstromsignals wird die Strommessstelle genutzt, die in jedem unterlagerten Stromregelkreis eines kaskadierten Strom-, Geschwindigkeits- und Lageregelkreises eines handelsüblichen Reglers implementiert ist. Dabei wird ein Stromistwertsignal I abgegriffen und an die Auswerteeinheit 25, vorzugsweise an einen Messeinschub 27 einer Steuerung, der in einem Regler vorliegen kann, zur Auswertung weitergeleitet. Über die Drehmomentenkonstante des Torquemotors 11, die einen konstanten und bekannten Wert aufweist (in dem besonderen Antriebsfall, in welchem kein zusätzliches Lastmoment oder Beschleunigungsmoment außer dem Lagerreibmoment auftreten), kann über den proportionalen Zusammenhang zwischen Motorstrom und Motormoment, auf das Lagerreibmoment geschlossen werden. Das Lagerreibmoment wird wiederum durch die Lagervorspannung beeinflusst. 2 shows a block diagram of a control loop, which uses a cascade control. To evaluate the motor current signal, the current measuring point is used, which is implemented in each subordinate current control loop of a cascaded current, speed and position control loop of a commercially available controller. In this case, a Stromistwertsignal I is tapped and to the evaluation 25 , preferably to a measuring module 27 a controller, which may be present in a controller, forwarded for evaluation. About the torque constant of the torque motor 11 , which has a constant and known value (in the particular case of drive, in which no additional load torque or acceleration torque except the Lagerreibmoment occur) can be concluded about the proportional relationship between motor current and motor torque, on the Lagerreibmoment. The bearing friction torque is in turn influenced by the bearing preload.

Das Regelsystem gemäß 2 umfasst mehrere ineinandergeschachtelte Regelschleifen, welche für die einzelnen Prozessgrößen zuständig sind. Die innere Schleife regelt über ein Signalübertragungsglied mit einem Anstiegsverfahren den Motorstrom. Die Ausgangsgröße I wird zu einem Verzweigungsknoten 28 geführt, wobei die eine Richtung, für den Soll-Istwertvergleich zu einer Auswerteinheit 25 führt und die zweite Richtung einen Stromregelkreis 29 schließt, wobei das zurückgeführte Signal vom Eingangssignal subtrahiert wird. Eine zweite überlagerte Regelschleife bildet einen Geschwindigkeitsregelkreis 31 in welchen der Stromregelkreis 29 mit eingeschlossen ist. Da die Drehmomentkonstante M des Motors 11 einen bekannten und konstanten Wert aufweist, kann über den proportionalen Zusammenhang zwischen Motorstrom und Drehmoment des Motors 11 die Winkelbeschleunigung ermittelt werden. Diese ist wiederum eine Prozessgröße die zur Regelung der Winkelgeschwindigkeit genutzt wird. Der Geschwindigkeitsregelkreis 31 umfasst ein erstes Übertragungsglied mit einer Anstiegsfunktion, den Stromregelkreis 29, den Motor 11, ein zweites Übertragungsglied 32, welches das Massenträgheitsmoment J berücksichtigt und dazu ein proportionales Übertragungsverhalten zeigt, zur Bestimmung der Winkelbeschleunigung a, und ein drittes Übertragungsglied 34 mit einer Impulsfunktion für die Ausgangsgröße der Winkelgeschwindigkeit w. Das Ausgangssignal wird zurück geführt und vom Eingangssignal subtrahiert, womit der Geschwindigkeitsregelkreis 31 geschlossen ist. Der Außenring ist ein Lageregelkreis 33 und dient zur Kontrolle und Regelung der Winkellage. Die Regelschleife umfasst ein viertes Übertragungsglied 35 mit einem proportionalen Übertragungsverhalten, den Geschwindigkeitsregelkreis 31 und ein sechstes Übertragungsglied 36 mit einer Impulsfunktion, welches die Winkellage phi liefert. Das Ausgangssignal wird nach Rückführung vom Eingangssignal subtrahiert.The control system according to 2 includes several nested control loops, which are responsible for the individual process variables. The inner loop controls the motor current via a signal transfer element with a ramp-up method. The output I becomes a branch node 28 guided, wherein the one direction, for the setpoint-actual value comparison to an evaluation unit 25 leads and the second direction a current loop 29 closes, subtracting the returned signal from the input signal. A second superimposed control loop forms a speed control loop 31 in which the current loop 29 is included. Since the torque constant M of the engine 11 has a known and constant value can be about the proportional relationship between motor current and torque of the motor 11 the angular acceleration is determined become. This in turn is a process variable used to control the angular velocity. The speed loop 31 includes a first transfer element with a rise function, the current loop 29 , the engine 11 , a second transmission link 32 , which takes into account the moment of inertia J and to a proportional transmission behavior shows, for determining the angular acceleration a, and a third transmission element 34 with an impulse function for the output of the angular velocity w. The output signal is fed back and subtracted from the input signal, bringing the speed loop 31 closed is. The outer ring is a position control loop 33 and serves to control and regulate the angular position. The control loop comprises a fourth transmission element 35 with a proportional transfer behavior, the velocity loop 31 and a sixth transfer member 36 with an impulse function which supplies the angular position phi. The output signal is subtracted after feedback from the input signal.

Messgrößen

M: Drehmoment des Motors
I: Motorstrom, Stromistwertsignal
J: Massenträgheitsmoment
a: Winkelbeschleunigung
w: Winkelgeschwindigkeit
phi: Winkellage

metrics

M: Torque of the motor
I: Motor current, current actual value signal
J: Moment of inertia
a: angular acceleration
w: angular velocity
phi: angular position

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 202006001458 U1 [0006] - DE 202006001458 U1 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Überwachung der Lagervorspannung an einem Drehkörper (01), welcher mittels eines in einem Maschinengestell (09) befestigten Lagers (03) drehbar gelagert ist und durch einen Direktantrieb (11) ohne Zwischenschaltung von Getriebeelementen angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehgeber (19) vorgesehen ist, dessen Rotor (21) drehfest am Drehkörper (01) befestigt ist und dessen Stator (23) drehfest mit dem Maschinengestell (09) verbunden ist, wobei der Drehgeber (01) ein drehwinkelabhängiges Positionssignal liefert, welches einer Auswerteeinheit (25) zugeführt wird, die unter Verarbeitung des Positionssignals und eines Stromsignals, das den an den Direktantrieb gelieferten Strom repräsentiert, ein von dem am Direktantrieb anliegenden Drehmoment abhängiges Lagerspannungssignal bereitstellt, welches ein Maß der Lagervorspannung ist.Device for monitoring the bearing preload on a rotary body ( 01 ), which by means of a in a machine frame ( 09 ) fixed bearing ( 03 ) is rotatably mounted and by a direct drive ( 11 ) Is driven without the interposition of transmission elements, characterized in that a rotary encoder ( 19 ) is provided, the rotor ( 21 ) rotationally fixed to the rotary body ( 01 ) and its stator ( 23 ) rotatably with the machine frame ( 09 ), the rotary encoder ( 01 ) supplies a rotation angle-dependent position signal, which an evaluation unit ( 25 ) which, by processing the position signal and a current signal representing the current supplied to the direct drive, provides a bearing voltage signal dependent on the torque applied to the direct drive, which is a measure of the bearing preload.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lager eine Wälzlager (03) verwendet wird, welches einen kegeligen Innenring (05) aufweist, der auf einem kegeligen Mantelabschnitt des Drehkörpers (01) aufgepresst ist.Device according to claim 1, characterized in that a rolling bearing ( 03 ), which has a tapered inner ring ( 05 ), which on a conical jacket portion of the rotary body ( 01 ) is pressed.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantrieb (11) ein permanenterregter Synchronmotor ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the direct drive ( 11 ) is a permanent magnet synchronous motor.

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (03) einen zylindrischen Außenring (07) umfasst, welcher in einer Ausnehmung im Maschinengestell (09) eingepresst ist.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the rolling bearing ( 03 ) a cylindrical outer ring ( 07 ), which in a recess in the machine frame ( 09 ) is pressed.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (03) ein ein- oder mehrreihiges Zylinderrollenlager ist.Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the rolling bearing ( 03 ) is a single or multi-row cylindrical roller bearing.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantrieb (11) ein mit dem Maschinengestell (09) drehfest verbundenes permanenterrgetes Primärteil (13) und ein mit dem Drehkörper (01) drehfest verbundenes der Sekundärteil (15) besitzt.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the direct drive ( 11 ) with the machine frame ( 09 ) non-rotatably connected permanently energized primary part ( 13 ) and one with the rotary body ( 01 ) rotatably connected the secondary part ( 15 ) owns.

Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (15) an den Drehkörper (01) mittels eines Spannsatzes (17) angeklemmt ist.Device according to claim 6, characterized in that the secondary part ( 15 ) to the rotary body ( 01 ) by means of a clamping set ( 17 ) is clamped.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelkreis vorhanden ist, welcher den Motor (11), den Drehgeber (19) und die Auswerteinheit (25) umfasst.Apparatus according to claim 1, characterized in that a control circuit is provided, which the engine ( 11 ), the rotary encoder ( 19 ) and the evaluation unit ( 25 ).

Verfahren zur Überwachung der Lagervorspannung an einem Drehkörper (01), welcher mittels eines in einem Maschinengestell (09) befestigten Lagers (03) drehbar gelagert ist und durch einen Direktantrieb (11) ohne Zwischenschaltung von Getriebeelementen angetrieben wird, wobei ein Drehgeber (19) vorgesehen ist, dessen Rotor () drehfest am Drehkörper (01) befestigt ist und dessen Stator () drehfest mit dem Maschinengestell (09) verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a. Ermittlung des Motorstromes, der in den Direktantrieb eingespeist wird und Generierung eines Stromsignals; b. Erfassung der Drehwinkelposition des Drehkörpers bezogen auf das Maschinengestell mithilfe des Drehgebers und Generierung eines Positionssignals; c. Bestimmung eines am Direktantrieb anliegenden Drehmoments aus dem Stromsignal und dem Positionssignal; d. Ermittlung der Lagervorspannung aus dem bestimmten Drehmoment.Method for monitoring the bearing preload on a rotary body ( 01 ), which by means of a in a machine frame ( 09 ) fixed bearing ( 03 ) is rotatably mounted and by a direct drive ( 11 ) is driven without the interposition of transmission elements, wherein a rotary encoder ( 19 ) is provided, the rotor () rotatably on the rotary body ( 01 ) and its stator () rotatably with the machine frame ( 09 ), characterized by the following steps: a. Determination of the motor current which is fed into the direct drive and generation of a current signal; b. Detecting the rotational angular position of the rotary body with respect to the machine frame by means of the rotary encoder and generating a position signal; c. Determining a torque applied to the direct drive from the current signal and the position signal; d. Determining the bearing preload from the specific torque.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom nach Stromspitzen durchsucht wird, welche auf Laufbahn- und/oder Wälzkörperschäden hinweisen, und dass ein Warnsignal generiert wird, wenn solche Stromspitzen auftreten.Method according to claim 9, characterized that the motor current is searched for current spikes, which on Raceway and / or rolling element damage point out, and that a warning signal is generated when such current spikes occur.

Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorstrom im Zeitbereich oder nach Anwenden einer Fouriertransformation im Frequenzbereich ausgewertet wird.Method according to claim 10, characterized in that that the motor current in the time domain or after applying a Fourier transformation is evaluated in the frequency domain.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorspannung in einem Kalibrierungsschritt ermittelt wird, während kein externes Drehmoment am Drehkörper (01) angreift.A method according to claim 9, characterized in that the bearing preload is determined in a calibration step, while no external torque on the rotary body ( 01 ) attacks.

Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Motorstromes bei konstanter Drehzahl des Drehkörpers (01) erfolgt.Method according to one of claims 9 to 12, characterized in that the determination of the motor current at a constant speed of the rotary body ( 01 ) he follows.