DE4240787A1

DE4240787A1 - Verfahren und Vorrichtung zum dynamischen Auswuchten eines Rotors

Info

Publication number: DE4240787A1
Application number: DE4240787A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Ing Himmler
Original assignee: Hofmann Maschinenbau GmbH
Current assignee: Hofmann Maschinenbau GmbH
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2012-12-05
Also published as: ITMI932569A1; ITMI932569A0; IT1265383B1; US5481912A; DE4240787C2; JPH06281527A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor richtung zum dynamischen Auswuchten eines Rotors durch Massenausgleich in zwei Ausgleichsebenen am Rotor, bei dem in Abhängigkeit von einem durch Test läufe ermittelten und gespeicherten Transformations verhalten einer Meßeinrichtung, in welcher Meßwerte vektoren als Auswirkungen einer Rotorunwucht in Meß ebenen der Meßeinrichtung ermittelt werden für den in den beiden Ausgleichsebenen durchzuführenden Massen ausgleich aus den Meßwertevektoren in einem Ebenen rechner Ausgleichsvektoren bestimmt werden.

Das aus dem auszuwuchtenden Rotor und seiner Lagerung in der Meßeinrichtung bestehende System ist ein Fe der-Masse-Dämpfersystem, welches durch die Unwucht fliehkraft mit der Rotorfrequenz (Meßdrehzahl) erregt wird. Auf die Meßergebnisse wirken sich ferner Lager anisotropien und andere mechanische und elektrische Eigenschaften der Meßeinrichtung aus. Hieraus resul tieren Phasenverschiebungen zwischen gemessenen und tatsächlichen Rotorunwuchten. Deutlich wird dies bei der Ebenentrennung, die den Einfluß einer in der ei nen Ausgleichsebene vorhandenen Unwucht auf eine Un wuchtanzeige der Meßeinrichtung in der anderen Aus gleichsebene angibt. Ideal wäre eine Anzeige 0 in der anderen Ebene.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dynamischen Auswuchten eines Rotors der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen eine verbesserte Ebenentrennung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß während eines Meßlaufs Meßwertevektoren als Aus wirkungen einer Rotorunwucht in Meßebenen einer Meß einrichtung ermittelt werden, daß die Meßwertevekto ren um rotorspezifische, von Rotorparametern abhän gige Korrekturphasenwinkel gedreht werden, die in Testläufen an der Meßeinrichtung ermittelt und in Kennlinien gespeichert worden sind, daß aus den so gedrehten Meßwertevektoren in einem Ebenenrechner Ausgleichsvektoren in den Ausgleichsebenen am Rotor bestimmt werden, und daß der Unwuchtausgleich nach Masse und Winkellage in Abhängigkeit von den so be stimmten Ausgleichsvektoren am Rotor in den Aus gleichsebenen durchgeführt wird.

Die Unwuchtmessung kann wegmessend (weiche Lagerung der Meßspindel) oder kraftmessend (starre Lagerung der Meßspindel) sein, wobei in letzterem Falle die Transferbedingungen des Ebenenrechners auf statischen Gleichgewichtsbedingungen beruhen. Aufgrund der Dre hung der Meßwertevektoren um die Korrekturphasenwin kel gewinnt man korrigierte Meßwertevektoren, die frei sind von Phasenverschiebungen, welche abhängen von der Rotormasse, dem Massenträgheitsmoment, der Lageranisotropie, einer durch das Lager verursachten Dämpfung, der Rotordrehzahl, insbesondere, wenn diese in die Nähe des Resonanzbereiches kommt, und anderen Einflüssen. Die rotorspezifischen Korrekturphasenwin kel können in Testläufen auf der Meßeinrichtung er mittelt werden und in Kurvenscharen bzw. Kennlinien scharen in einem Speicher gespeichert werden.

Die korrigierten Meßwertevektoren werden dem Ebenen rechner zugeführt, der in herkömmlicher Weise ausge bildet ist und welcher nach einem linearen Glei chungssystem, das unter Berücksichtigung des Hebelge setzes aufgebaut ist, die korrigierten Meßwertevekto ren auf die Ausgleichsebenen am Rotor, in denen der Unwuchtausgleich durchgeführt wird, überträgt. Dieses lineare Gleichungssystem ist bekannt und z. B. im ein zelnen erläutert in dem Buch von Klaus Federn, "Aus wuchttechnik", Band 1, Allgemeine Grundlagen, Meßver fahren und Richtlinien, Ausgabe 1977, Seiten 41 bis 43 oder der Hofmann Info 2, (Impressum 05. 88).

Bei der Ermittlung der Kennlinienschar können für mehrere jeweils eine Testunwucht aufweisende Testro tore mit unterschiedlichen Rotorparametern z. B. Mas sen, Abmessungen, Massenträgheitsmomenten, unter schiedlichen Abständen der Testunwuchten zu den Meß ebenen und Rotordrehzahlen in zwei oder mehr Testläu fen die Phasenverschiebungen in den beiden Meßebenen gegenüber den Winkellagen der Testunwuchten in Abhän gigkeit von den Rotorparametern gemessen und gespei chert werden. Die Phasenverschiebungen zwischen den Meßvektoren und den Testunwuchtvektoren werden ins besondere in Abhängigkeit von mindestens zwei der Pa rameter, beispielsweise der Meßdrehzahl und dem Mas senträgheitsmoment sowohl bei der Ermittlung der Kennlinienschar als auch beim Auswerten der Meßvekto ren für den dynamischen Unwuchtausgleich ermittelt. Ferner können die Phasenverschiebungen noch zusätz lich von einer mittleren Momentenunwucht des Rotors abhängig gemacht werden.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe ist die Vor richtung erfindungsgemäß dahingehend ausgestaltet, daß zwischen den beiden Meßwertgebern, welche die Meßvektoren liefern, und dem elektrischen Rahmen, der die Transformation der Meßvektoren in die Ausgleichs vektoren durchführt, ein Drehmatrixrechner angeordnet ist, welcher mit Speichern verbunden ist, in denen die rotorspezifischen Phasenunterschiede zwischen den Meßwertevektoren und den Ausgleichsvektoren in Abhän gigkeit zumindest zweier Rotorparameter gespeichert sind. Der jeweilige Drehmatrixrechner zwischen den Meßwertgebern und dem elektrischen Rahmen dreht die Meßvektoren um jeweils die Korrekturphasenwinkel, die z. B. in Abhängigkeit vom Massenträgheitsmoment, dem Abstand der jeweiligen Ausgleichsebenen des auszu wuchtenden Rotors von den Meßebenen, oder der Rotor drehzahl der im Speicher enthaltenen Kennlinienschar entnommen sind.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Unwuchtmeßeinrichtung mit angeschlossener Auswerteeinrichtung der Meßsignale in einem Blockschaltbild;

Fig. 2 schematisch eine Kennlinienschar, welche in verschiedenen Feldern von beim dargestell ten Ausführungsbeispiel zur Anwendung kom menden Speichern gespeichert sind; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Funktion der Drehmatrixrechner.

Bei der in der Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung ist an einer Meßspindel 9 mit Hilfe einer nicht näher dargestellten bekannten Aufspanneinrichtung ein zu messender Rotor 8, beispielsweise ein Kraftfahrzeug rad, für den Meßvorgang aufgespannt. In Lagerstellen der Meßspindel 9 sind Meßwertgeber 1 und 2 vorgese hen. Bei der dargestellten Unwuchtmeßeinrichtung han delt es sich um eine sogenannte Hartlagerauswuchtma schine, die im unterkritischen Drehzahlbereich die für den Unwuchtausgleich erforderlichen Meßsignale mit Hilfe der Meßgeber (Kraftmeßgeber) 1 und 2 ermit telt. Bei der dargestellten Meßanordnung handelt es sich um eine fliegende Lagerung des Rotors 9, bei der beide Ausgleichsebenen E1 und E2 außerhalb der La ger- bzw. Meßebenen liegen und die beim Auswuchten von Kraftfahrzeugrädern in aller Regel zur Anwendung kommt. Die Vorrichtung und das Verfahren sind jedoch auch für überkritisch arbeitende Auswuchtmaschinen anwendbar.

Für den Unwuchtausgleich wird in Ausgleichsebenen E1 und E2 am Rotor 8 ein Massenausgleich, beispielsweise durch Hinzufügen von Ausgleichsgewichten im Falle von Kraftfahrzeugrädern durchgeführt. Die obere Aus gleichsebene E1 besitzt gegenüber der oberen Meßebe ne, in welcher der Meßwertgeber 1 angeordnet ist, einen Abstand b. Die untere Ausgleichsebene E2 be sitzt gegenüber der oberen Meßebene einen Abstand a.

Die beiden Meßebenen, in welchen die Meßwertgeber 1 und 2 angeordnet sind, besitzen voneinander einen Abstand c. Diese Abstände sind in der Fig. 2 mit l bezeichnet.

Die beiden Meßwertgeber sind an eine Auswerteschal tung 11 angeschlossen, in welcher die elektrischen Ausgangssignale der Meßwertgeber 1 und 2 mit dem Aus gangssignal eines Winkelbezugsgebers 10 kombiniert werden zur Bildung von Meßwertvektoren. Derartige Schaltungen, welche nach dem Prinzip einer phasenemp findlichen Gleichrichtung oder einem Wattmeterverfah ren oder einem Auto-Tracking-Verfahren (Hofmann-Info 2, "Meßverfahren in der Auswuchttechnik", Impressum 05. 88) arbeiten, sind bekannt.

Aufgrund des schwingungstechnischen Verhaltens des aus Rotor und Rotorlagerung bestehenden Systems, wel ches ein Feder-Masse-Dämpfer-System ist, ergeben sich bei der Erfassung einer Rotorunwucht in den Meßebe nen, in denen die beiden Meßwertgeber 1 und 2 liegen, Phasenverschiebungen, die auch noch von der Lagerani sotropie und mechanisch-elektrischen Eigenschaften der Meßeinrichtung, insbesondere auch der Meßwertge ber 1 und 2 und ihrer Ankopplung an die Meßspindel 9 abhängig sind.

Um diese Phasenverschiebung, welche eine Verfälschung der Meßwerte und damit der in der Auswerteeinrichtung 11 bestimmten Meßwertvektoren (Größe und Winkellage der Unwucht) verursachen, zu kompensieren, sind an die Auswerteeinrichtung 11 Drehmatrixrechner 3 und 4 angeschlossen, welche die beiden von der Auswerteein richtung 11 gelieferten Meßwertevektoren M1 und M2 in ihrer Phase so verdrehen, daß die meßwertverfälschen de Phasenverschiebungen kompensiert sind. Entspre chende Verdrehwinkel sind in Form von Kennlinienscha ren in Speichern 5 und 6, welche an die Drehmatrix rechner 3 und 4 angeschlossen sind, gespeichert. Die in den beiden Speichern 5 und 6 enthaltenen Kurven scharen werden im Verlauf von Testläufen gewonnen, die an mit Testunwuchten versehenen Rotoren durchge führt werden. In diesen Testrotoren werden in den Ausgleichsebenen E1 und E2 entsprechenden Ebenen Te stunwuchten vorgesehen, deren Größe und Winkellage bekannt ist. Diese Testunwuchten werden an verschie denen Rotoren mit unterschiedlichen Massen und Mas senträgheitsmomenten um die Rotorachse und in unter schiedlichen Ausgleichsebenen, d. h. in unter schiedlichen Abständen zu den Meßebenen, in denen die Meßwertgeber 1 und 2 liegen, angebracht. Die Testun wuchten entsprechen für einen bestimmten Rotortyp einer mittleren zu erwartenden Unwucht U_m. Es werden zunächst für den Meßwertgeber 1 in Abhängigkeit der Ausgleichsebenenabstände l (a, b, c in Fig. 1) vom Meßwertgeber 1 die Phasenverschiebungen α1 in Form einer Kurve aufgenommen. Ferner werden derartige Kur ven für Rotore mit unterschiedlichen Massen m aufge nommen. Man gewinnt auf diese Weise eine Kurvenschar für die Phasenverschiebungen α1 . . . αi . . . αn für n verschiedene Rotortypen. In den Kennlinien können ferner die Massenträgheitsmomente J_i und unterschied liche Meßdrehzahlen _i enthalten sein. Man erhält somit Kennlinien α_i = f (l, m, J, . . . ) für i = 1 . . . n, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Kennlinien werden im Speicher 5 in verschiedenen Feldern abge legt. Bei den Massenträgheitsmomenten handelt es sich um die Momente um jeweilige zur Rotationsachse des Rotors 8 senkrecht verlaufende Momentenachsen.

Der gleiche Vorgang wird zur Ermittlung von Kennli nien β_i = f (l, m, J, . . . ) für i = 1 . . . n für den Meßwertgeber 2 durchgeführt, und die entsprechende Kennlinienschar wird in verschiedenen Feldern des Speichers 6 abgelegt. In der Fig. 2 sind die Kenn linienscharen graphisch dargestellt. Durch Interpola tion der verschiedenen gewonnenen Kennlinien ergibt sich eine Kennlinienfläche, so daß man für auszuwuch tende Rotortypen aufgrund der für den jeweiligen Ro tor bekannten Masse und den vorgegebenen Ausgleichs ebenenabständen von den Meßebenen, in denen die Meß wertgeber 1 und 2 angeordnet sind, die entsprechenden Winkelwerte α_i und β_i aus den Speichern 5 und 6 er hält. In der Fig. 2 sind schematisch drei Kennlinien stellvertretend für die Kennlinienschar dargestellt. Die beiden Drehmatrixrechner 3 und 4 beinhalten eine Drehmatrix T_α und T_b.

Die Werte für die Drehwinkel α bzw. β ergeben sich, wie oben erläutert, in Abhängigkeit von der jeweili gen Masse bzw. dem jeweiligen Massenträgheitsmoment und den Ausgleichsebenenabständen am auszuwuchtenden Rotor, in die die Ausgleichsgewichte eingesetzt wer den, bzw. in denen der Massenausgleich durchgeführt wird.

In den Drehmatrixrechnern 3 und 4 werden die von der Auswerteeinrichtung (Vektorbildner) 11 gelieferten Meßwertevektoren M1 und M2 um die entsprechenden Win kel α_i und β_i gedreht, so daß kompensierte Meßvektoren M1′ und M2′ nach folgenden Formeln sich ergeben:

M1′= M1 × T_α
M2′= M2 × T_β.

Die Meßvektoren M1 und M2 und die kompensierten Meß vektoren M1′ und M2′ liegen in x-, y-Komponenten vor. D. h.

x′1 = x₁ · cos α_i - y₁ · sin α_i
y′1 = x₁ · sin α_i + y₁ · cos α_i

und ferner

x′₂ = x₂ · cos β_i - y₂ · sin β_i
y′₂ = x₂ · sin β_i + y₂ · cos β_i

Für die Ermittlung der Ausgleichsvektoren U1 und U2 werden die beiden Meßwertevektoren M1 und M2 um Mit telwerte α_m und β_m von Drehwinkeln, die aus den Speichern 3 und 4 entnommenen Korrekturphasenwinkel von Mittelwertbildnern 12 und 13 gebildet werden, gedreht, so daß die von den Drehwinkelfehlern kompen sierten Meßwertevektoren M′1 und M′2 für die Ermitt lung der Ausgleichsvektoren U1 und U2 erhalten wer den.

Für einen in der Fig. 1 gezeigten Rotortyp mit den Ausgleichsabständen a, b, a+c, b+c von den Meßebenen in denen die Meßwertgeber 1 und 2 liegen, werden die jeweiligen Drehwinkel als Drehwinkelmittelwerte α_m und β_m bestimmt nach den Gleichungen

wobei α_a der für den Abstand a der ersten Ausgleichs ebene E2 von der ersten Meßebene aus der Kurvenschar entnommene Winkelwert, α_b der für den Abstand b der zweiten Ausgleichsebene E1 von der ersten Meßebene aus der Kurvenschar entnommene Winkelwert, β_(a+c) der für den Abstand (a+c) der ersten Ausgleichsebene E2 von der zweiten Meßebene aus der Kurvenschar entnom mene Winkelwert und β_(b+c) der für den Abstand (b+c) der zweiten Ausgleichsebene E1 von der zweiten Meß ebene aus der Kurvenschar entnommene Winkelwert sind.

In der Fig. 3 ist die Ermittlung des Ausgleichsvek tors U1 in der Ausgleichsebene E1 veranschaulicht. Die beiden Mittelwertbildner 12 und 13 liefern die Mittelwerte der Korrekturwinkel α_m1 und β_m1. Um diese Korrekturwinkel werden die beiden Meßwertevektoren M1 und M2 gedreht. Die beiden von den Drehwinkelfehlern kompensierten Meßwertevektoren M′1 und M′2 befinden sich in einer gemeinsamen Ebene GE, in welcher auch der Ausgleichsvektor U1, der die Ausgleichsmasse und die Winkellage der Ausgleichsmasse angibt, liegt. Wie schon erläutert erfolgt die Bestimmung des Ausgleichsvektors U1 im Ebenenrechner 7, der nach herkömmlichen Transferbedingungen rechnet. Im Falle einer kraftmessenden Maschine beruhen diese Transfer bedingungen des Ebenenrechners auf statischen Gleich gewichtsbedingungen. Die Bestimmung des Ausgleichs vektors U2 in der Ausgleichsebene E2 des Rotors 8 erfolgt in der gleichen Weise, wobei von den beiden Speichern 5 und 6 über die Mittelwertbildner 12 und 13 die Korrekturphasenwinkel α_m2 und β_m2 geliefert werden. Auch hier erfolgt dann eine Drehung der Meß wertevektoren um die Korrekturphasenwinkel in eine gemeinsame Ebene, die sich in aller Regel von der in der Fig. 3 für den Ausgleichsvektor U1 bestimmten Ebene unterscheidet und in welcher der durch den Ebe nenrechner 7 endgültig bestimmte Ausgleichsvektor U2 liegt.

Die vom Drehwinkelfehler kompensierten Meßwertvekto ren M′₁ (x′₁, y′₁) und M′₂ (x′₂, y′₂) werden einem elek trischen Rahmenrechner bzw. Ebenenrechner 7 zuge führt, in welchem die Ausgleichsvektoren U1 und U2 berechnet werden. Die Ausgleichsvektoren beinhalten die in den Ausgleichsebenen E1 und E2 auszuführenden Massenausgleiche und die Winkellagen, in denen die Massenausgleiche, beispielsweise durch Einsetzen ent sprechender Ausgleichsgewichte, durchgeführt werden. Dadurch daß dem elektrischen Rahmenrechner 7 Meßwer tevektoren zugeführt werden, die von aus Phasendre hungen resultierenden Verfälschungen befreit sind, ergibt sich eine verbesserte Ebenentrennung bei der Ermittlung der Ausgleichsmassen, die in entsprechen den Winkellagen in den Ausgleichsebenen E1 und E2 am auszuwuchtenden Rotor 8 anzubringen sind. Der Ebenen rechner transformiert unter Berücksichtigung des He belgesetzes die beiden kompensierten Meßwertevektoren M1′ und M2′ von den Meßebenen, in denen die Meßwertge ber 1 und 2 angeordnet sind, in die Ausgleichsebenen E1 und E2 in herkömmlicher Weise (Hofmann Info 2, Impressum 05. 88). Aus dieser Transformation ergeben sich die Ausgleichsvektoren U1 und U2, welche die Ausgleichsmassen und die Winkellagen, in denen der Ausgleich am Rotor durchzuführen ist, angeben.

Claims

1. Verfahren zum dynamischen Auswuchten eines Ro tors in zwei Ausgleichsebenen am Rotor mit fol genden Verfahrensschritten:

- während eines Meßlaufs werden Meßwertevektoren als Auswirkungen einer Rotorunwucht in Meßebenen einer Meßeinrichtung ermittelt;
- die Meßwertevektoren werden um rotorspezifi sche von bestimmten Rotorparametern abhängige Korrekturphasenwinkel gedreht, die in Testläufen an der Meßeinrichtung ermittelt und in einer Kennlinienschar gespeichert sind;
- aus den so gedrehten korrigierten Meßwertevek toren werden in einem Ebenenrechner Ausgleichs vektoren für die Ausgleichsebenen am Rotor bestimmt; und
- in Abhängigkeit von den Ausgleichsvektoren wird in den Ausgleichsebenen der so bestimmte Masseausgleich in den entsprechenden Winkel lagen durchgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Kennlinienschar in Abhängigkeit von wenigstens zwei der Rotorparameter, nämlich Rotormasse, geometrische Rotorabmessungen, Posi tionen der Ausgleichsebenen und Rotordrehzahl ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Ermittlung der Kennlinien schar für mehrere, jeweils eine Testunwucht auf weisende Testrotore mit unterschiedlichen Rotor parametern in zwei oder mehr Testläufen die Pha senverschiebungen in den beiden Meßebenen gegen über den Winkellagen der Testunwuchten in Abhän gigkeit von den Rotorparametern gemessen und gespeichert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeit der Phasenverschiebungen zwischen den Meßwertevekto ren und Ausgleichsvektoren ferner für eine mitt lere Momentenunwucht ermittelt und gespeichert wird.

5. Vorrichtung zum Auswerten von Meßvektoren dar stellende Meßsignalen, welche als Auswirkungen einer Rotorunwucht von zwei Meßgebern in ver schiedenen Meßebenen in einer Unwuchtmeßeinrich tung geliefert werden, mit einem Ebenenrechner, der eine Transformation der Meßvektoren in Aus gleichsvektoren für einen Unwuchtausgleich in zwei Ausgleichsebenen durchführt, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen den beiden Meßwertge bern (1, 2) und dem elektrischen Rahmen (7) je weils Drehmatrixrechner (3, 4) geschaltet sind, die jeweils an einen Speicher (5, 6) angeschlos sen sind, in denen rohrspezifische Phasenunter schiede zwischen den Meßwertevektoren und den Ausgleichsvektoren in Abhängigkeit von bestimm ten Rotorparametern als Kennlinienschar gespei chert sind, wobei die beiden Drehmatrixrechner (3, 4) die von den Meßgebern (1, 2) gelieferten Meßvektoren um jeweilige Phasenwinkel drehen, die in Abhängigkeit von wenigstens zwei Rotorpa rametern der in den Speichern (5, 6) enthaltenen Kennlinienschar entnommen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß für einen Rotortyp mit den Aus gleichsebenenabständen a, b und a+c, b+c von den Meßebenen die jeweiligen Drehwinkel als Drehwin kelmittelwerte α_m und β_m bestimmt sind nach den Gleichungen wobei α_a der für den Abstand a der ersten Aus gleichsebene von der ersten Meßebene aus der Kurvenschar entnommene Winkelwert, α_b der für den Abstand b der zweiten Ausgleichsebene von der ersten Meßebene aus der Kurvenschar entnom mene Winkelwert, β_(a+c) der für den Abstand (a+c) der ersten Ausgleichsebene von der zweiten Meß ebene aus der Kurvenschar entnommene Winkelwert und β_(b+c) der für den Abstand (b+c) der zweiten Ausgleichsebene von der zweiten Meßebene aus der Kurvenschar entnommene Winkelwert sind.