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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Waschmaschinen, insbesondere
auf einen Typ, welcher eine perforierte Trommel hat, die um eine
horizontale Achse rotiert. Mit dem Ausdruck „horizontale Achse" meinen wir alle
Waschmaschinen, welche eine Trommelachse haben, die im wesentlichen
horizontal ist, wobei Waschanlagen einbezogen sind, welche eine
geneigte Achse haben. Mit dem Ausdruck „Waschmaschine" meinen wir alle
Arten an Anwendungen zum Waschen von Kleidungsstücken und dergleichen, wobei
Wäschetrockner
einbezogen sind. Mit Bezug auf 1 und 2 hat
eine Waschmaschine ein Außengehäuse (Gehäuse) 10,
welches auf dem Boden steht. Eine Wanne 12 ist im Gehäuse mittels
eines Aufhängesystems
aufgehängt,
welches Federn 14 und Dämpfer 16 enthält. Die
Wanne 12 ist eine nicht rotierende Vorrichtung, welche
eine perforierte Trommel 18 enthält, die durch ein oder zwei
Lager gehalten wird. Die Trommel 18 wird durch einen Elektromotor 26 rotiert.
Das Übertragungssystem
enthält
einen Riemen 20, welcher eine Riemenscheibe 22,
welche auf der Trommelwelle befestigt ist, und die Motorwelle 24 direkt
verbindet. Der Motor 26 ist mit einem Antriebssystem und
oft mit einem Tachometer-Generator
ausgestattet, welcher die Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle
messen kann. Bei elektronisch gesteuerten Maschinen wird der Befehl
an das Motorantriebssystem auf Basis der Differenz zwischen der
Befehls-(Wunsch)Geschwindigkeit und der tatsächlichen Geschwindigkeit entschieden,
wie durch den Tachometer gelesen.
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Es
ist bekannt, dass Vibrationen bei Waschmaschinen eine ernste Angelegenheit
sind. Sie können
bei der Schleuderphase sehr hoch werden, wenn die Trommel von einer niedrigen
Geschwindigkeit (um 100 rpm), bei welcher das Waschgut durch Zentrifugalkraft
gegen die Trommelwand beibehalten wird, auf eine hohe Geschwindigkeit
beschleunigt wird, welche gemäß unterschiedlicher
Waschmaschinen von 600 bis 1600 rpm variieren kann. Um einen ungewünschten übermäßigen Vibrationspegel
zu vermeiden, wird oft eine Verteilungsphase durchgeführt. Bei
dieser Phase wird die Trommelgeschwindigkeit gemäß eines bestimmten Gesetzes erhöht, und
zwar bis zu der Geschwindigkeit, bei welcher das Waschgut durch
Zentrifugalkraft bei einer festgelegten Position relativ zur Trommel
beibehalten wird. Der Grund dieser Phase ist der, das Waschgut gleichmäßig auf
eine solche Weise zu verteilen, so dass kein Ungleichgewicht verbleibt,
welches auf die Trommel wirkt.
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Aufgrund
des Vorhandenseins eines großen
einzelnen Artikels (wie z.B. ein Badehandtuch) oder von konzentrierten
Lasten (beispielsweise ein Paar Tennisschuhe), kann es vorkommen,
dass eine bestimmte Größe an Ungleichgewichtsladung
innerhalb der Trommel verbleibt.
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In 3 und 4 ist
eine schematische Ansicht der vorderen und seitlichen Seite der
Rotationstrommel gezeigt. Ein orthogonales dreidimensionales Bezugssystem,
welches zu dem in 1 kohärent ist, ist ebenfalls zwischen
den zwei 3 und 4 gezeigt.
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Bei
der folgenden Beschreibung nennen wir statisches Ungleichgewicht
jenes Ungleichgewicht, welches durch eine Wäschelast L erzeugt wird, und
zwar derart, dass der Schwerpunkt des Schwingungssystems G nicht
mit dem geometrischen Zentrum D der Trommel übereinstimmt. Dieser Aufbau
erzeugt eine Exzentrität in
der Bewegung der Trommel. In der Mechanik wird diese Art von Ungleichgewicht „statisch" genannt, weil ein statisches
Auswuchten der auf die Trommel wirkenden Kräfte ausreicht, um das Ungleichgewicht
auszugleichen.
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Es
ist im Stand der Technik bekannt, dass, wenn eine rotierende Maschine,
die dieser Art an Ungleichgewicht unterworfen ist, bei einer konstanten
Geschwindigkeit in einer vertikalen Ebene rotiert wird, sie ein Schwingungsverhalten
sowohl in Winkelgeschwindigkeit als auch Motordrehmoment, welches
auf die Welle angelegt wird, aufzeigt. Dies kann auf sehr einfache
Weise verstanden werden, indem angenommen wird, dass das durch die
Ungleichgewichtsladung erzeugte Drehmoment gemäß der Winkelposition des Waschgutes
L schwankt.
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Daher
ist es relativ einfach, das statische Ungleichgewicht, beispielsweise
durch Messen der Geschwindigkeitsschwankungen während einer konstanten Geschwindigkeitsphase,
zu erfassen. Dieses Verfahren ist in der
EP 0 071 308 offenbart, welches sich
auf ein Verfahren zum Bestimmen der Größe des (statischen) Ungleichgewichts
bezieht. Ein solches Verfahren enthält das Bereitstellen einer
konstanten Befehlsgeschwindigkeit zum Motor-Steuerungsalgorithmus, Überwachen
der tatsächlichen
Motorgeschwindigkeit wie durch einen Tachometer-Generator gemessen
und Ausschau halten nach Änderungen
der Geschwindigkeit. Schwankungen um mehr als eine bestimmte Größe zeigen
das Vorliegen einer schwerwiegenden Ungleichgewichtsladung an. Auf
demselben Prinzip basieren ebenfalls die
EP 0 969 133 A1 , GB 2 326
947 A und
EP 0 763 618
A .
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Die
EP-A-763 618 offenbart eine Waschmaschine mit einem Vibrationssensor
zum Erfassen einer horizontalen Komponente oder vertikalen Komponente
von Vibrationen der Trommel.
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Ein
weiteres bekanntes Verfahren zum Erfassen der Größe an statischem Ungleichgewicht
liegt im Überprüfen des Translations-Versatzes
oder der Translations-Beschleunigung der Wanne, entweder entlang der
y- oder der z-Achse. In der
EP
0 879 913 A1 wird beispielsweise die relative Verschiebung
zwischen dem Gehäuse
und der Wanne durch Messen der Druckschwankung innerhalb eines zylindrischen
Hohlkörpers
erfasst, welcher das Gehäuse
mit der Wanne verbindet.
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Bezugnehmend
nun auf 4, ist die Disposition des Waschguts
innerhalb der Trommel derart, dass der Schwerpunkt des Rotationssystems
G mit dem geometrischen Zentrum der Trommel übereinstimmt. Wenn jedoch die
Trommel rotiert wird, wirkt eine Zentrifugalkraft auf das Waschgut.
Genauer gesagt, erzeugen die Komponenten F1,
F2 entlang der z-Achse ein Drehmoment, welches
auf Punkt G wirkt. Ein solches Drehmoment wirkt auf die y-Achse.
Aus Symmetriegründen
geschieht dasselbe entlang der z-Achse (dies kann beobachtet werden,
wenn man von der Oberseite aus schaut, anstelle von der seitlichen
Seite). Zusammengefasst, erzeugt die dynamische Ungleichgewichtsladung
ein sofortiges Drehmoment, dessen Vektor in der y-z-Ebene liegt,
und auf die x-Achse wirkt kein resultierendes Drehmoment.
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Das
bedeutet, dass, wenn die Trommel bei konstanter Geschwindigkeit
rotiert, keine Schwankungen hinsichtlich der Geschwindigkeit noch
des Motordrehmoments gesehen werden können. Somit versagen die standardisierten
bekannten Verfahren der Ungleichgewicht-Erfassung.
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Wenn
jedoch eine konstante Trommelgeschwindigkeit angenommen wird, gibt
es aufgrund des Vorliegens eines dynamischen Ungleichgewicht eine
Kraftwirkung, welche die zwei Rotationsmodi entlang der y- und z-Achse
anregt.
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Daher
kann das Vorliegen des dynamischen Ungleichgewichts aufgrund von
zwei Gründen
gefährlich sein.
Erstens, wenn sich die Eigenfrequenzen bezüglich der Rotationsmodi der
Schwingungsmasse kreuzen, kann ein übermäßiges Ungleichgewicht dafür sorgen,
dass die Maschine läuft
und/oder schlägt,
und zwar gemäß der Dämpfungs-Koeffizienten des
Aufhängesystems
in jene Richtungen. Zweitens kann eine dynamische Ungleichgewichtsladung
starke Vibrationen während
der konstanten Hochgeschwindigkeits-Schleuderphase erzeugen.
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Wenn
auf die Eigenschaften des Aufhängesystems
eingewirkt wird, kann der Entwickler die Verteilung der Wirkungen
zwischen der Wanne und dem Gehäuse ändern, jedoch
kann die Gesamtenergie, welche durch die rotierende dynamische Last
beim System bereitgestellt wird, nicht modifiziert werden.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
eine andere Annäherung
vor. Die Größe des dynamischen
Ungleichgewichts wird erfasst, und die Entscheidung des Durchkreuzens
der kritischen Rotationsfrequenzen wird gemäß dieser Information getroffen.
Ferner kann die Schleudergeschwindigkeit auf Basis des abgetasteten Ungleichgewichts
gewählt
werden.
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Es
sollte erkannt werden, dass eine reine dynamische Ungleichgewichts-Konfiguration
sehr speziell ist, und dass ihr Auftreten sehr beschränkt ist.
Tatsächlich
ist es wahr, dass eine bestimmte Größe an statischem Ungleichgewicht
oft vorliegt, es ist jedoch ebenfalls wahr, dass der eher wahrscheinliche
Fall durch die Kombination von sowohl statischem als auch dynamischem
Ungleichgewicht gegeben ist.
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Daher
kann ein Verfahren, welches eine statische Erfassung mit einer dynamischen
zusammenstellt, die besten Ergebnisse erlangen.
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Zum
besseren Verständnis
der Erfindung werden wir uns auf die folgenden Zeichnung beziehen,
in welcher:
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1 und 2 eine
schematische Zeichnung einer herkömmlichen Waschmaschine mit
einer Trommel zeigen, welche sich entlang einer horizontalen Achse
umdreht;
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3 und 4 beide
die vordere und seitliche Projektionsansicht der Trommel beim Vorliegen
eines statischen (3) oder dynamischen (4)
Ungleichgewichtes zeigen;
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5 das
Geschwindigkeitsprofil ist, welches in einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
verwendet wird;
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6 das
Geschwindigkeitsprofil ist, welches in einer zweiten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
verwendet wird;
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7 und 8 ein
Beispiel zeigen, wie ein Beschleunigungssensor an der Wanne der
Maschine angebracht wird, um Wannenvibrationen zu erfassen;
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9 und 10 die
Beschleunigungen wiedergeben, welches durch einen Beschleunigungsmesser gemessen
werden, welcher, wie in 7 und 8 gezeigt,
angebracht ist, wobei sich 9 auf ein
nicht im Gleichgewicht stehendes Waschgut bei niedriger Dynamik
bezieht, wohingegen 10 sich auf eine hohe bezieht;
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11 und 12 ein
Beispiel zeigen, wie ein optischer Verschiebungssensor zum Abtasten
der Wannenbewegungen angebracht wird;
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13 und 14 die
Verschiebungen wiedergeben, welche durch einen optischen Sensor
gemessen werden, welcher, wie in 11 und 12 gezeigt,
angebracht ist, wobei sich 13 auf
ein nicht im Gleichgewicht stehendes Waschgut bei niedriger Dynamik
bezieht, wohingegen sich 14 auf
eine hohe bezieht;
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15 und 16 ein
Verfahren zum Anbringen eines optischen Verschiebungssensors auf
eine solche Weise darstellen, dass es möglich ist, einen selbsteichenden
Ablauf durchzuführen,
wobei derselbe Sensor ebenfalls zum Erfassen von der Position der
Tür bei
einer Toplader-Maschine verwendet werden kann;
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17 das
Ablaufdiagramm zeigt, welches mit einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung in Zusammenhang steht; und
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18 das
Ablaufdiagramm darstellt, welches mit einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung in Zusammenhang steht.
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Bei
der Waschmaschine gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
der Schleuderzyklus unterschiedliche Schritte. Mit Bezug auf 5 wird
in Phase A die Trommel von Null auf eine niedrige Geschwindigkeit beschleunigt
(um 50 rpm), bei welcher die Umfangsbeschleunigung des Waschguts
unterhalb von 1 g ist, so dass die Ladung in der Trommel kontinuierlich
herunterfällt.
Danach wird eine sogenannte Verteilungsphase B durchgeführt. Die
Trommel wird bis hin zu der Geschwindigkeit angetrieben, bei welcher
die Last durch die Zentrifugalkraft im wesentlichen in einer festgelegten
Position beibehalten wird, so dass die Ladung nicht mehr herunterfällt. In
vielen Fällen
wird eine weitere konstante Geschwindigkeitsphase C durchgeführt. Für gewöhnlich,
wenn ein Ungleichgewichts-Erfassungsalgorithmus vorliegt, arbeitet
er während
dieser Phase. Die Größe des statischen
Ungleichgewichts wird überprüft, indem
entweder nach der Trommel/Motorgeschwindigkeit oder dem Motordrehmoment
Ausschau gehalten wird. Die gewählte
konstante Geschwindigkeit s0 liegt im wesentlichen
um 100 rpm.
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Am
Ende dieser Phase kann die Steuerung entscheiden, ob die Trommel
bis hin zu einer Hochgeschwindigkeit beschleunigt wird, bei welcher
das Wasser im Waschgut extrahiert werden kann, oder ob die Schleuderphase
gestoppt und neu gestartet wird. Diese Entscheidung wird auf Basis
des gemessenen statischen Ungleichgewichts getroffen. Wenn die Schleuderphase
verlassen wird, fällt
die Ladung herunter und die Waschmaschine nimmt einen neuen Anlauf
zur besseren Verteilung der Waschgüter.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden, um die Größe des dynamischen
Ungleichgewichts im Waschgut zu steuern, einige weitere Schritte
nach der statischen Ungleichgewichts-Überprüfung hinzugefügt. Im folgenden
wird der Weg zum Erfassen des dynamischen Ungleichgewichts erläutert, ohne
dass auf Details bezüglich
der Sensoren eingegangen wird, sondern allgemein gesprochen über die
gemessene Größe (bezüglich Beschleunigung,
Geschwindigkeit oder Verschiebung). Diese Annäherung wird verwendet, um die
Tatsache hervorzuheben, dass der Algorithmus unabhängig vom
bestimmten Sensor ist. Am Ende der Algorithmusbeschreibung wird
eine detailliertere Analyse der Sensoren bereitgestellt.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens gemäß der Erfindung
wird, wenn die Größe an statischem
Ungleichgewicht im Waschgut nicht zu hoch ist, eine Beschleunigungsphase
E bei konstanter Steigung eingenommen (Beschleunigung a1).
Während
dieser Phase wird die Ausgabe des Sensors überprüft und der minimale und maximale
gelesene Wert werden in geeigneten Variablen im Mikro-Controller gespeichert. Bei
jeder Abtastung wird sofort die Differenz zwischen dem maximalen
Wert Smax und minimalen Wert Smin berechnet
und mit einem bestimmten Schwellwert T verglichen, wie im Ablaufdiagramm
von 17 gezeigt. Bei der in 12 gezeigten
Ausführungsform
kann der Schwellwert T eine Funktion der berechneten Trägheit I (und
daher die Ladungsmenge in der Trommel) und/oder des statischen Ungleichgewichts
(U) sein. Wenn der Schwellwert überstiegen
wird, wird das Schleudern beendet und die Verteilungsphase wird
neu gestartet (F); andererseits fährt die Trommel mit der Beschleunigung
fort (I). Da der maximale und minimale Wert bei jeder Abtastungsperiode
aktualisiert werden, kann es vorkommen, dass ihre Differenz an jeglichen
Zeitmomenten über
den Schwellwert hinwegkommt. Dies wird in 5 durch
eine bestimmte Anzahl an eingezeichneten absteigenden Linien (F)
angezeigt.
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Wenn
eine bestimmte vorgegebene Geschwindigkeit (s1)
erreicht wird, ohne dass über
die vorgegebenen Schwellwerte G hinweg gekommen wird, wird angenommen,
dass das dynamische Ungleichgewicht niedrig genug ist, um ein Schleudern
bei einer hohen Geschwindigkeit zu erlauben. In diesem Fall wird
die Trommel mit einer unterschiedlichen Beschleunigung hochbeschleunigt
(H) (a2, welche im allgemeinen höher als
a1 ist), bis hin zu einer vorbestimmten
Zentrifugalgeschwindigkeit (M). Es ist zu erwähnen, dass s1 unterhalb der
kritischen Resonanz der Rotationsmodi sein sollte, welche die Geschwindigkeit
ist, bei der die Wirkung der dynamischen Ungleichgewichtsladung
hinsichtlich der Verschiebungen maximal ist. Andererseits sollte
der Wert von s1 auf eine solche Weise gewählt werden,
dass die Wirkung des dynamischen Ungleichgewichts erfassbar ist,
er sollte nämlich
nicht zu weit von der Resonanzfrequenz entfernt sein. Wenn beispielsweise
eine solche Resonanz bei 300 rpm vorliegt, kann ein guter Wert für s1 bei 250 rpm sein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann die Schleudergeschwindigkeit M auf Basis der berechneten dynamischen
Ungleichgewichtsmessung gewählt
werden. Genauer gesagt gilt, dass, je höher das dynamische Ungleichgewicht
ist, desto niedriger wird die ausgewählte Geschwindigkeit sein,
und zwar auf eine solche Weise, dass der tatsächliche Vibrationspegel bei
allen Bedingungen ungefähr
derselbe verbleibt.
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Der
Schwellwert für
die Überprüfung des
dynamischen Ungleichgewichts kann gemäß dem erfassten statischen
Ungleichgewicht auf unterschiedliche Werte eingestellt werden. Darüber hinaus
kann die Geschwindigkeit s
1 ebenfalls auf
Basis des Trägheitsgewichts/Gewichts
des Waschguts innerhalb der Trommel gewählt werden, welches berechnet
werden kann, indem eines der Verfahren verwendet wird, welches im
Stand der Technik bekannt ist (das heißt,
US 5,507,054 ). Diese Annäherung hat
den Vorteil, dass der Entwickler die Differenz zwischen s
1 und der Resonanzfrequenz konstant halten
kann, und zwar unabhängig
von der Trägheit des
Waschguts.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung (mit Bezug auf 6), können die
Geschwindigkeit s1 für eine bestimmte Zeitdauer
K (Phase P), und die Differenz zwischen dem Maximum und dem Minimum
der gemessenen Variable, welche während dieses Intervalls überprüft werden,
konstant gehalten werden. Wenn die Differenz unterhalb eines bestimmten
Schwellwertes verbleibt, wird die Trommel auf die Schleudergeschwindigkeit
(M) beschleunigt; andererseits wird der Motor ausgeschaltet, und
die Verteilungsphase (A-B)
wird wiederholt. Wieder einmal kann der Wert von s1 auf
Basis der Trägheit/des
Gewichts der Ladung gewählt
werden. Diese Ausführungsform
ist ebenfalls im Ablaufdiagramm von 18 gezeigt.
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Die
vorliegende Erfindung kann ebenfalls im Falle von Wasch-/Trockenmaschinen
angewendet werden, welche eine Trommel haben, die sich um eine horizontale
Achse oder eine vertikale Achse umdreht, und welche mit einem Mittel
zum automatischen Ausgleichen des nicht im Gleichgewicht stehenden
Waschgutes bereitgestellt sind, welches in der Trommel vorliegt.
Tatsächlich
ist es bekannt, dass solche Vorrichtungen korrekt arbeiten, wenn
sich die Trommel bei einer Geschwindigkeit oberhalb der kritischen
Geschwindigkeit umdreht. Darüber
hinaus ist bei Geschwindigkeiten unterhalb der kritischen Resonanzfrequenz
das Verhalten dieser Auswuchtsysteme nicht ganz bekannt, und die
Gesamtgröße des Ungleichgewichts
(sowohl symmetrisch als auch dynamisch) ist nicht konstant.
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Um
eine übermäßige Größe an Vibrationen/Laufen/Schlagen
beim Durchlaufen der Hauptresonanz des Schwingungssystems zu vermeiden,
kann das in der vorliegenden Erfindung erläuterte Verfahren verwendet
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ist ein Beschleunigungssensor 27 (7 und 8)
an der Maschine angebracht, so dass Vibrationen entlang einer bestimmten
Achse überwacht
werden. Die empfindliche Achse des Beschleunigungsmessers muss entlang
einer Richtung ausgerichtet werden, welche auf die Wirkung einer
dynamischen Ungleichgewichtsladung empfindlich ist. Beispielsweise
ist in 7 und 8 der Beschleunigungssensor
oberhalb der Wanne angebracht, wobei die empfindliche Achse 29 wie
die x-Achse gerichtet ist. Wie bereits beschrieben, erzeugt eine
dynamische Ungleichgewichtsladung ein augenblickliches Drehmoment,
welches in der y-z-Ebene liegt. Dieses Drehmoment regt die zwei
Rotationsmodi an Vibration entlang der y- und der z-Achse an. Diese beiden
Modi erzeugen eine Beschleunigung entlang der x-Richtung, welche
die Richtung ist, entlang derer die maximale Beschleunigung erfasst
werden kann.
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Ein
weiterer wichtiger Parameter ist der Abstand zwischen dem Beschleunigungsmesser 27 und
der Momentan-Umdrehungsachse
der Schwingungsmasse (Wanne 12 und Trommel 18).
Natürlich
sind die gemessenen Beschleunigungen umso größer, je größer der Abstand ist. Es folgt,
dass, wenn wir annehmen, dass die Momentan-Umdrehungsachse zur y-z-Ebene
gehört,
die in 7 und 8 gezeigte Position die erfasste Beschleunigung
maximiert.
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In 9 und 10 sind
die Messungen gezeigt, welche durch einen kommerziellen Beschleunigungsmesser
bei Vorliegen von zwei unterschiedlichen Pegeln an dynamischer Ungleichgewichtsladung
aufgezeichnet sind. Der Sensor, welcher in Tests verwendet wird,
welche durch den Anmelder durchgeführt wurden, ist von Analog
Device hergestellt und basiert auf MEMS-Technologie (Micro Electro
Mechanic System). Er ist speziell entworfen, um mit einem kostengünstigen
Mikro-Controller zu arbeiten, und ist sowohl als Zwei-Achsen- als
auch als Ein-Achsen-Sensor erhältlich.
Die Waschmaschine wurde unter Verwendung des Geschwindigkeitsprofils
gemäß 5 gelaufen.
Bei einem Blick auf die Diagramme ist klar, dass im zweiten Fall
(10) die Wannen-Beschleunigungen sehr hoch sind,
und sie können
sowohl bezüglich
von Lärm
als auch Vibrationen erkannt werden. Andererseits werden bei dem
in 9 dargestellten Fall sehr kleine Vibrationen erfasst.
Es ist erwähnenswert,
dass die Größe an statischem
Ungleichgewicht exakt dieselbe ist, und zwar sowohl für 9 als
auch für 10,
so dass kleine Differenzen hinsichtlich von Geschwindigkeits- oder Drehmomentschwankungen
gesehen werden können.
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Auf
Basis der vorliegenden Erfindung würde es nicht erlaubt werden,
dass die Ladung von 10 geschleudert wird, um so
die hohen Vibrationen und möglichen
Beschädigungen
der Waschmaschine zu vermeiden.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
der Erfindung wird ein optischer Verschiebungssensor verwendet,
um die Bewegung des Umfangs der Wanne zu erfassen, welche eine solche
Bewegung ist, welche mit der Umdrehungsverschiebung verbunden ist.
Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in 11 und 12 gezeigt,
in denen ein Ziel 30, welches durch eine spezielle Art
an Papier gebildet wird, am Umfang der Wanne 12 angebracht
ist, wobei die Sensorsonde 32, welche einen Lichtsender
und -empfänger
enthält,
am Gehäuse 10 befestigt
ist (11).
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13 und 14 zeigen
das Verschiebungsverhalten, wie durch einen Interferometer-Optiksensor gemessen.
Das Befehls-Geschwindigkeitsprofil ist das in 5 beschriebene.
Das Vorliegen von nicht im Gleichgewicht stehendem Waschgut ist
durch die Graphen deutlich sichtbar. 13 und 14 wurden
bei denselben Bedingungen wie bei 9 und 10 erlangt,
welche die Beschleunigungen anstelle der Verschiebungen anzeigen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
dieser Erfindung können
zwei optische Verschiebungssensoren verwendet werden, um die Bewegungen
der Maschine entlang zweier unterschiedlicher Achsen, welche beide
parallel zur y-Achse sind, verwendet werden, wobei sie so nah wie
möglich
an den Enden der Maschine gesetzt werden. Es kann gesehen werden,
dass die Differenz zwischen den Verschiebungen, welche durch diese
Vorrichtung gelesen werden, sich auf die Größe des dynamischen Ungleichgewichts
bezieht. Wir haben zuvor gesagt, dass der gesamte Drehmoment-Vektor,
welcher durch die dynamische Ungleichgewichtsladung erzeugt wird,
in der y-z-Ebene liegt. Aus Gründen
der Vereinfachung nehmen wir an, dass ein solches Drehmoment exakt
entlang der z-Achsen gerichtet ist. Obwohl sich der Massenmittelpunkt
der Maschinen nicht bewegt, tendiert die linke Seite dazu, sich
in einer entgegengesetzten Richtung mit Bezug auf die rechte Seite
zu bewegen. Durch Messen der Differenz dieser Verschiebungen kann
die Größe an dynamischem
Ungleichgewicht gefunden werden. Es ist erwähnenswert, dass das reine „statische" Ungleichgewicht
eine symmetrische Bewegung der linken und rechten Seite erzeugt,
so dass die Differenz gleich Null ist, und diese Situation kann nicht
mit einer dynamischen Ungleichgewichtssituation verwechselt werden.
Natürlich
gilt, dass, je näher
die Verschiebungssensoren zu den Seiten der Maschine stehen, desto
genauer ist die Erfassung.
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Dieselbe
Begründung
wird angewendet, wenn zwei Verschiebungssensoren verwendet werden,
um die Bewegungen der Maschinenseiten entlang der z-Achse zu messen.
Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verschiebungssensor verwendet,
um die Bewegung von einer Seite der Maschine entweder entlang der
y-Achse oder der z-Achse zu erfassen. In diesem Fall müssen Mittel
zum Erfassen des statischen Ungleichgewichts bereitgestellt werden,
um die Wirkungen des statischen und dynamischen Ungleichgewichts
zu trennen (das heißt,
dass ein Geschwindigkeits-Schwankungsverfahren, wie in
EP 0 071 308 beschrieben, verwendet
werden kann).
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Zusammengefasst
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung von Beschleunigungs- und/oder
Verschiebungsmessungen zum Erhalten von Informationen bezüglich der
Masse von dynamischem Ungleichgewichts-Waschgut.
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Obwohl
einige Beispiele genannt werden, welche sich auf spezifische Sensoren
beziehen, können
jegliche der abtastenden Methodologien mit Erfolg verwendet werden,
welche im folgenden beschrieben werden.
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Ein
Positions-, Abstands- oder Verschiebungssensor kann gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Dies ist eine Vorrichtung, welche in
der Lage ist eine physikalische Erscheinung, wie zum Beispiel eine
Position, einen Abstand, eine Verschiebung, in ein elektrisches
Signal umzuwandeln, wie zum Beispiel eine Spannung, ein Strom, eine
Frequenz, ein Impuls, usw. Sie kann vom „Kontakt" oder „kontaktlosem" Typ sein. „Kontakt"-Sensor bedeutet,
dass es einen physikalischen Kontakt/Verbindung zwischen dem Sensor
und dem Ziel gibt. „Kontaktlos" bedeutet, dass es
keine physikalische Berührung
zwischen dem Sensor (Sonde) und dem Ziel (es ist der Referent) gibt.
Eine Liste einiger dieser Vorrichtungen ist in der folgenden Tabelle
1 angegeben, wohingegen Tabelle 2 eine Liste der hauptsächlichen „Kontakt"-Abtasttechnologien
zeigt.
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Einige
Technologien werden detaillierter analysiert, und ihre Verwendung
im spezifischen Kontext, welcher durch die vorliegende Erfindung
abgedeckt ist, wird beschrieben.
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Ein
induktiver Verschiebungssensor kann zum Erfassen einer dynamischen
Ungleichgewichtsladung verwendet werden.
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Ein
induktiver Verschiebungssensor (Sonde) enthält vier Basiselemente: eine
Sensor-Spule und Ferrit-Spule, eine Oszillator-Schaltung, eine Erfassungs-Schaltung,
eine Halbleiter-Ausgabeschaltung. Die Oszillator-Schaltung erzeugt
ein funkfrequenz-elektromagnetisches Feld, welches von der Ferritkern-
und Spulenanordnung ausstrahlt. Das Feld ist auf der Achse des Ferritkerns
zentriert, welcher das Feld formt und es an die Sensoroberfläche richtet.
Wenn ein Metallziel sich dem Feld annähert und darin eintritt, werden
Wirbelströme
in die Oberfläche
des Ziels induziert. Dies führt
zu einem Lade-Effekt oder zu einer „Dämpfung", welches eine Reduktion des Amplituden-Oszillatorsignals
bewirkt. Die Erfassungs-Schaltung erfasst die Schwankung in der
Oszillator-Amplitude, welche durch eine Halbleiter-Ausgabe in einer
analogen Ausgabe angezeigt wird, welche proportional zum Abstand
des Sensors und des Ziels ist. Bei der Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Sensor-Sonde an der Wanne angebracht sein, und als Metallziel
kann das Gehäuse
selber verwendet werden. Umgekehrt kann das Ziel am Gehäuse angebracht
werden, und die Wanne dient als ein Ziel. In dem Fall, bei welchem
die Wanne aus einem nichtmetallischen Material gemacht ist, ist
ein Metallziel an der Wanne anzubringen.
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Ein
kapazitiver Verschiebungssensor kann zum Erfassen einer dynamischen
Ungleichgewichtsladung verwendet werden.
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Eine
kapazitive Abtastung basiert auf einer dielektrischen Kapazität. Eine
Kapazität
ist die Eigenschaft eines Dielektrikums, eine elektrische Ladung
zu speichern. Im allgemeinen enthält der Kondensator zwei konduktive
Platten, welche durch einen Isolator getrennt sind (im allgemeinen
Dielektrikum genannt, und es kann ebenfalls Luft sein), um eine
elektrische Ladung zu speichern.
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Der
kapazitive Verschiebungssensor ist fast ähnlich dem induktiven Sensor.
Er enthält
vier Basiselemente: Sensor (leitende Platten), eine Oszillator-Schaltung,
eine Erfassungs-Schaltung und eine Halbleiter-Ausgabeschaltung.
Die Haupteigenschaft von kapazitiven Sensoren ist, dass sie, zusätzlich zum
Metallziel, ebenfalls ein nichtmetallisches Ziel (dielektrisches
Material) erfassen können.
Sowohl beim kapazitiven als auch induktiven Sensor bezieht sich
die Amplitudenschwankung auf den Abstand zwischen dem Sensor und dem
Ziel. Gemäß der Erfindung
kann die Sensor-Sonde auf der Wanne angebracht werden, und als Ziel
kann das Gehäuse
selber verwendet werden. Umgekehrt kann das Ziel am Gehäuse angebracht
werden, und die Wanne kann als Ziel verwendet werden.
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Ein
photoelektrischer Verschiebungssensor kann zum Erfassen einer dynamischen
Ungleichgewichtsladung verwendet werden.
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Optische
Sensoren werden verwendet, um eine Verschiebung, eine Position,
einen Abstand zu überwachen,
und sind in einer weiten Vielfalt an Bereichen und Typen kommerziell
erhältlich,
um unterschiedliche Anwendungserfordernisse zu treffen.
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Ein
photoelektrischer Sensor basiert auf dem Prinzip von Lichtemission
und -empfang, und wird zusammen mit einem reflektierenden Ziel verwendet.
Es gibt drei Basiskonfigurationen zur photoelektrischen Abtastung:
- Durchstrahl: das Ziel passiert zwischen einer emittierenden
Einheit und einer empfangenden Einheit hindurch, wobei der Strahl
unterbrochen wird.
- Rückwärts gerichtete
Spiegelung: das Ziel passiert zwischen Sensor und einem Spiegel.
Der Emitter und Empfänger
sind im selben Gehäuse.
- Annäherungs-Diffusion:
Die Einheit testet das Licht direkt vom Ziel ab. Der Emitter und
Empfänger
sind in derselben Einheit, und zwar auf dieselbe Weise wie bei einer
rückwärts gerichteten
Spiegelung, jedoch ist der Empfänger
empfindlicher auf schwächeres
Licht, welches durch die Oberfläche
des Ziels verbreitet wird.
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Optische
Vorrichtungen sind kontaktlose Sensoren, können von einem beträchtlichen
Abstand zum Ziel arbeiten und haben eine große Bandbreite. Ein Laser-Sensor
und ein optischer Sensor mit optischer Faser sind ebenfalls der
Liste hinzuzufügen.
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Die
Anwendung von photoelektrischen Sensoren bei der vorliegenden Erfindung
wurde bereits diskutiert.
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Ein
Beschleunigungssensor kann zum Erfassen einer dynamischen Ungleichgewichtsladung
verwendet werden.
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Eine
Beschleunigung ist ein wichtiger Parameter für Mehrzweck-Absolutbewegungsmessungen
und für
Vibrations- und Schockabtastung. Beschleunigungsmesser sind kommerziell
erhältlich
in einer weiten Vielfalt an Bereichen und Typen, um diverse Anwendungserfordernisse
zu treffen. Sie können
als aktive oder passive Sensoren aufgebaut sein. Ein aktiver Beschleunigungsmesser
(beispielsweise piezoelektrisch) gibt eine Ausgabe, ohne dass eine
externe Energieversorgung notwendig ist, wohingegen ein passiver
Beschleunigungsmesser seine elektrischen Eigenschaften (beispielsweise
Kapazität) ändert, so
dass er eine externe Energieversorgung benötigt. Der typische Beschleunigungsmesser
enthält
eine piezoelektrische Scheibe oder Scheibchen, welche mit seismischen
Massen beladen sind und durch einen Druckring in Position gehalten werden.
Wenn der Beschleunigungsmesser einer Vibration/Beschleunigung unterworfen
wird, übt
die seismische Masse auf dem piezoelektrischen Element eine variable
Kraft aus. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes erzeugt diese
Kraft eine entsprechende elektrische Ladung. Die üblichsten
Typen von Beschleunigungsmessern sind piezoelektrisch, piezoresistiv,
differential-kapazitiv, ein Dehnungsmessstreifen, ein Trägheitstyp und
ein Induktionstyp. Die Verwendung von Beschleunigungsmessern zum
Erfassen einer dynamischen Ungleichgewichtsladung wurde oben genau
beschrieben.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden Mittel zum Selbsteichen eines
Verschiebungssensors bereitgestellt. Wir beziehen uns auf die in 15 und 16 gezeigte
Situation, welche sich auf eine Toplader-Waschmaschine bezieht,
welche eine Tür 33 an
der Seitenwand der Wanne 12 hat. Die Sonde 34 des
Sensors ist am Gehäuse 10 eingebaut/fixiert,
und ein Stück
eines bekannten Materials ist als Ziel 36 an der Wanne
angebracht. Ein zusätzliches
Ziel 38 ist an einer Narbe fixiert, welche sich mit der Riemenscheibe
umdreht. Dadurch wird der Verschiebungssensor die Position der Wanne
auslesen, mit Ausnahme des Augenblicks, in welchem das Riemenscheiben-Ziel
vor der Sonde 34 passiert. In diesen Momenten wird eine
plötzliche Änderung
auf einen anderen Spannungspegel erfasst. Diese Technik kann verwendet
werden, um die Eich- oder Einstellphase des Sensors auszuschließen, wodurch
die Genauigkeit der Ausgabe verbessert wird. Tatsächlich kann
in allen Vorrichtungen, welche in den vorherigen Absätzen beschrieben
wurden, die Sensorausgabe empfindlich und linear stark von dem Punkt
abhängen,
bei welchem der Sensor innerhalb des Arbeitsbereichs arbeitet. Mittels
zweier Ziele 36 und 38 ist es möglich, den
Arbeitsbereich gut zu bestimmen. Tatsächlich wird das Wannenziel 36 verwendet,
um den Offset-Wert zu bestimmen, während das Riemenscheiben-Ziel 38 verwendet
wird, um den Betriebsbereich zu bestimmen.
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Es
wird nun angenommen, dass der Reflektionskoeffizient bei beiden
Zielen (Ziel 36 der Wanne und Ziel 38 der Riemenscheiben-Narbe)
derselbe ist, und dass der Abstand zwischen der Wanne 12 und
dem Riemenscheiben-Ziel 38 beinahe konstant ist, ebenfalls
bei einer hohen Produktion (die Montage-Toleranzen sind nämlich klein),
dann kann die Differenz in der Sensorausgabe, welche gemessen wird,
wenn das Riemenscheiben-Ziel 38 vor der Sensor-Sonde 34 passiert,
in einer 1-zu-1-Beziehung zum Abstand zwischen dem Wannenziel 36 und
dem Riemenscheiben-Ziel 38 gebracht werden. Da dieser Abstand
bekannt ist (abgesehen von den Toleranzen), kann jegliche weitere
Eichung vermieden werden.
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Darüber hinaus
kann die beschriebene Technik ebenfalls zum Erfassen der Position
eines bestimmten Punktes auf der Trommel verwendet werden. Dies
kann beispielsweise hilfreich sein, um die Position der Tür 33 bei
der Toplader-Maschine, wie jene, die schematisch in 15 und 16 offenbart
ist, zu lokalisieren. Eine Vorrichtung, welche ein an der Wanne
fixierter Näherungsschalter
ist, welcher durch ein Ziel (ein Permanent-Magnet) angeregt wird,
welcher an der Riemenscheibe fixiert ist, welcher der Türposition
entspricht, ist bereits bekannt. Der Zuständigkeitsbereich dieses Systems
liegt darin, die Trommel so zu betreiben, dass die Tür 33 am
Ende der Waschverarbeitung in einer Auf-Position gestoppt wird,
um die Herausnahme der Ladung zu vereinfachen. Am Ende der Verarbeitung
erfasst die Steuerung den Näherungsschalter
und schaltet den Motor aus, woraus folgend die Trommel bei der Tür 33 in
ihrer Auf-Position gestoppt wird. Durch Verwenden der selbsteichenden
Technik wie gerade beschrieben, und durch Einsetzen des Riemenscheiben-Ziels 38 auf eine
solche Weise, dass es vor der Sensor-Sonde 34 passiert,
wenn die Trommeltür 33 in
ihrer Auf-Position ist, ist es möglich,
ebenfalls dieses Merkmal zu erlangen, ohne zusätzliche Sensoren hinzuzufügen.
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Der
Anmelder hat Tests unter Verwendung eines kommerziellen optischen
Sensors VTG 2451 durchgeführt,
welcher von EG&G
Vagtec hergestellt wird.
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Auch
wenn die obige Beschreibung hauptsächlich auf Waschmaschinen fokussiert
ist, welche eine horizontale Achse der Trommel haben, ist die vorliegende
Erfindung nicht auf diese Art von Waschanlagen beschränkt, und
bezieht sich ebenfalls auf Waschanlagen mit vertikaler Achse. Der
Anwender hat herausgefunden, dass Waschanlagen mit vertikaler Achse,
welche eine kontinuierliche Zirkulation von Waschlauge verwenden,
besonders durch dynamisches Ungleichgewicht beeinträchtigt sind,
hauptsächlich
aufgrund von einer Ungleichmäßigkeit
des Wasserinhalts von unterschiedlichen Abschnitten der Ladung bei
unterschiedlichen Höhen
innerhalb der Trommel.