DE19710965C1

DE19710965C1 - Vorrichtung zur Reduzierung von Schwingungen in Zugmittelantrieben, vorzugsweise für die Handhabungstechnik

Info

Publication number: DE19710965C1
Application number: DE1997110965
Authority: DE
Inventors: Roland Prof Dr Ing Kasper; Juergen Dr Ing Baetge; Andreas Dipl Ing Kayser
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2017-03-18

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schwingungseinflüssen in Zugmittelantrieben. Das Einsatzgebiet der Erfindung sind vorzugsweise Zugmittelantriebe für die Handhabungstechnik, bei denen der maximale Abtriebswinkel der Abtriebsrolle < 360° ist.

In Zugmittelgetrieben werden als Zugmittel biegeschlaffe Elemente eingesetzt, die dadurch charakterisiert sind, daß deren Masse als gleichmäßig über die Länge verteilt angesehen werden kann, unabhängig davon, ob es sich um eine Kette, Seil oder Zahnriemen handelt. Antriebe dieser Art bieten in der Handhabungstechnik folgende Vorteile:

1. Es können bei relativ geringen Massen des Systems größere Achsabstände überbrückt werden als dies bei Verwendung von Gelenkwellen u. a. Baulementen möglich wäre. Damit ist die Möglichkeit gegeben, einzelne Achsen eines Handhabungssystems extrem leicht zu bauen.
2. Der Antriebsmotor kann an für die Massenverteilung besonders günstigen Stellen vorgesehen werden (z. B. als statische Ausgleichsmasse).
3. Werden Zugmittel mit kreisförmigem Querschnitt eingesetzt, so müssen die Wellen der Antriebs- bzw. Abtriebsscheibe nicht in einer Ebene angeordnet, sondern können auch räumlich angeordnet sein.

Es ist bekannt, daß die Antriebsscheibe und die Abtriebsscheibe von Zugmittelantrieben Schwingungen ausführen, die auch durch Torsionsschwingungen der Antriebwelle erzeugt werden (z. B. DE 31 48 602 A1). In derartigen Anordnungen neigen auch die Zugmittel selbst zu Schwingungen, wobei sowohl Transversal- als auch Longitudinalschwingungen möglich sind. Untersuchungen bestätigten, daß bei Zugmittelgetrieben Torsionsschwingungen auftreten, die von Oberschwingungen überlagert sind (Terholsen, St. u. a.: Untersuchung von Drehschwingungen in Riementrieben - Konsequenzen für die Auslegung, Antriebstechnik 32 (1993) Nr. 5, S. 59-62).

Während Longitudinalschwingungen infolge ihrer sehr hohen Frequenz das Betriebsverhalten nur unwesentlich beeinträchtigen, ist dies bei den Transversalschwingungen nicht mehr der Fall. Je größer der Achsabstand in einem Zugmittelgetriebe und damit die freie Länge des Zugmittels ist, desto niedriger wird die erste Eigenfrequenz der Transversalschwingung. Sie erreicht dann die Größenordnung der Eigenfrequenz der Torsionsschwingungen. Es wurde weiterhin nachgewiesen, daß vorhandene Transversalschwingungen die Torsionsschwingungen beeinflussen (Fischer, F. W.: Auswirkungen der Fertigungsabweichungen von Riementrieben auf das dynamische Betriebsverhalten, Fortschrittsberichte VDI, Reihe 1, Nr. 186). Es entstehen Drehmomentstöße, die für viele Anwendungen nicht zu vertreten sind.

Es ist deshalb notwendig, den nachteiligen Einfluß dieser Schwingungen auf das Betriebsverhalten des Zugmittelantriebes möglichst weitgehend zu reduzieren und dabei insbesondere die Auswirkung von Koppeleffekten zwischen Torsionsschwingungen und Transversalschwingungen zu begrenzen. Als zusätzlicher Aspekt ist bei Zugmittelantrieben für die Handhabungstechnik zu beachten, daß am Abtrieb seiten umlaufende Wellen gefordert werden, so daß der maximale Abtriebswinkel der Seilrolle < 360° ist. Wenn als Zugmittel Seile oder Stahlbänder verwendet werden, sind diese somit nicht umlaufend, sondern sie werden in der Abtriebs- bzw. Antriebsrolle eingespannt. Da derartige Antriebe als 4- Quadrantenantriebe ausgeführt werden müssen, verwendet man 2 gegenläufige Zugmittel.

Es ist bekannt, den Einfluß von Torsionsschwingungen der Antriebsscheibe mittels einer als hydraulische Kupplung ausgebildeten Antriebsscheibe zu reduzieren (z. B. DE 31 48 602 A1). Eine derartige Lösung ist jedoch nicht universell verwendbar, weil sie z. B. dem angestrebten Leichtbau in der Handhabungstechnik widerspricht.

Es ist auch bekannt, die Eigenfrequenz der transversalen Grundschwingung und damit bei gegebener Erregerfrequenz die Amplitude der transversalen Grundschwingung durch Änderung der Vorspannkraft und/oder der freien Länge des Zugmittels zu beeinflussen. Beide Maßnahmen erfordern jedoch zusätzliche konstruktive Maßnahmen wie Spann- oder Stützrollen u. a.. So werden gemäß DE 39 04 017 C2 Transversalschwingungen eines Antriebsriemens mittels einer Schwingungsabtasteinrichtung erfaßt. Die hierfür erforderlichen Meßwertgeber sind in der Nähe des Riemens in einem Bereich angeordnet, in dem der Riemen transversale Schwingungen ausführen kann; also jeweils im Bereich zwischen benachbarten Führungs-, Antriebs- oder Abtriebsrollen. Über eine Auswerteeinrichtung wird eine Riemenspannvorrichtung angesteuert, um die Zugspannung im Band so zu beeinflussen, daß eine Reduktion der Transversalschwingungen auftritt. Dagegen werden Torsionsschwingungen der Antriebsrolle weder erfaßt noch beeinflußt. Bezogen auf die Handhabungstechnik ist diese Lösung auch deshalb unvorteilhaft, weil die vorgeschlagenen Riemenspannvorrichtungen die Masse und die geometrischen Abmessungen der einzelnen Achsen unzulässig vergrößern.

Obgleich Details zur Riemenspannvorrichtung in der DE 39 04 017 C2 nicht näher beschrieben sind, bietet sich für die Schwingungsdämpfung und für Stelleinrichtungen u. a. auch der Einsatz piezoelektrischer Baugruppen an, die inzwischen in der Schwingungstechnik als Aktoren und Sensoren weit verbreitet sind. So ist bekannt (z. B. DE 39 01 737 A1), durch Piezoaktoren Schwingungen zu erzeugen, die gegenüber den abgestrahlten Schwingungen um 180° phasenverschoben sind, so daß ein Metall- Gummi-Lager für Motor- und Maschinenlagerungen schwingungsdämpfend wirkt. Bekannt ist auch (z. B. EP 0470064 A2), daß Piezoaktoren in einer Verbrennungskraftmaschine gegenphasige Körperschallschwingungen erzeugen, so daß die Schallabstrahlung der Maschine insgesamt reduziert wird.

Aus diesen Veröffentlichungen geht jedoch nicht hervor, wie auf der Basis piezoelektrischer Baugruppen eine kompakte und massesparende Meß- und Stelleinrichtung in einen für die Handhabungstechnik geeigneten Zugmittelantrieb integriert wird, mit der die kombinierten Einflüsse von Torsions- und Transversalschwingungen reduziert und insbesondere die nachteilige Wirkung von Koppelefekten zwischen Torsionsschwingungen und Transversalschwingungen begrenzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für Zugmittelantriebe, bei denen am Abtrieb keine umlaufenden Wellen gefordert sind, eine Lösung zu schaffen, welche diesen Erfordernissen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gerecht wird, ohne daß der Einsatz konventioneller Spanrollen zwischen den Antriebs- und Abtriebsrollen erforderlich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

1. Am Abtrieb des Zugmittelgetriebes werden Drehwinkelschwankungen, die eine Folge von Schwingungen im Antriebssystem sind, reduziert. Auf diese Weise können Positionieraufgaben mit wesentlich größerer Präzision gelöst werden
2. Am Abtrieb werden Drehmomentsschwankungen soweit reduziert, daß insbesondere beim Anfahren und Bremsen ein gleichmäßiger Lauf gewährleistet ist und die Geräuschbildung eingeschränkt wird. Dies trifft besonders zu, wenn als Zugmittel Stahlbänder oder -seile verwendet werden.
3. Dadurch, daß Stützstellen zur Reduzierung der freien Zugmittellänge nicht mehr erforderlich sind, kann ein konsequenter Leichtbau durchgesetzt werden und mit der Reduzierung der Gesamtmasse des Systems werden die dynamischen Eigenschaften insgesamt verbessert.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Die dazugehörigen Zeichnung zeigt in Fig. 1 die Abtriebsrolle mit Sensor/Aktor für nicht umlaufende Abtriebsbewegungen (ohne elektrische Anschlüsse).

Die Abtriebsscheibe 2 eines Achsantriebes ist so ausgeführt, daß sie zwei nebeneinanderliegende gegenläufige Zugmittel 1 aufnimmt, so daß Bewegungen in beiden Richtungen übertragen werden können. Jedes Zugmittel 1 wird in der Scheibe 2 durch Stege 6 aufgenommen, die einen zweiseitigen Hebel darstellen. Eine Seite des des Steges 6 nimmt die Spannschraube 5 auf, über die das Zugmittel 1 mit einer definierten Vorspannung beaufschlagt werden kann. Die andere Seite dient als Widerlager 6 für eine Piezokeramik 4, die als Stapelaktor ausgeführt ist. Eine Buchse ist mit einer Nase versehen, die das zweite Widerlager 7 der Piezokeramik darstellt. Die Widerlager 6 und 7 sind somit relativ zueinander beweglich. Um die Reibung zu reduzieren, ist eine Gleitbuchse 9 vorgesehen. Eine Feder 8 bringt eine Vorspannung auf die Piezokeramik 4 auf und sichert so die Stabilität des Systems. Die Buchse ist auf der Welle 3 befestigt und stellt den Abtrieb dar.

Während des Betriebes auftretende Schwingungen des Zugmittels bewirken eine Druckbeaufschlagung der Piezokeramik. Es entstehen dort der Schwingungsfrequenz adäquate elektrische Ladungen. Daraus wird in einer Auswerteeinheit die Frequenz ermittelt und mit der Eigenfrequenz des Torsionsschwingungssystems verglichen. Sinkt die Differenz der Frequenz unter einen bestimmten Betrag, so wird die Piezokeramik durch einen Generator mit einer Spannung beaufschlagt, der Piezokeramikkörper dehnt sich aus und über den Steg 6 wird die Vorspannung des Zugmittels 1 erhöht. Die Piezokeramik behält ihren Zustand auch ohne zusätzliche Energiezufuhr aufrecht. Die Folge ist, daß die Grundfrequenz der Transversalschwingung angehoben wird, so daß eine hinreichende Distanz zur Eigenfrequenz der Torsionsschwingung wieder gewährleistet ist und eine gegenseitige Beeinflussung nicht mehr erfolgen kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Reduzierung von Schwingungen in Zugmittelantrieben mit einem Abtriebswinkel < 360°, vorzugsweise für die Handhabungstechnik, wobei der Zugmittelantrieb An- und Abtriebsscheiben aufweist, die über gegenläufige Zugmittel in Wirkverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß

1. - ein Drucksensor (4) und ein Längenaktuator (4) vorgesehen sind, die sich jeweils mit einem Ende an einem Widerlager (7) abstützen, das drehfest mit der An- bzw. Abtriebswelle (3) verbunden ist und radial von dieser Welle (3) fortführt, und sich mit dem anderen Ende an einem weiteren Widerlager (6) abstützen, das mit der auf der Welle (3) angeordneten Antriebs- bzw. Abtriebsscheibe (2) fest verbunden ist,
2. - die betreffende Scheibe (2) gegenüber der zugeordneten Welle (3) drehbar ausgebildet ist und Mittel zur Befestigung und Vorspannung des Zugmittels (1) aufweist und
3. - der Drucksensor (4) mit einer Schaltung verbunden ist, welche das von den Schwingungen erzeugte Sensorsignal auswertet und den Längenaktuator (4) zur Änderung der Vorspannung der Zugmittel (1) ansteuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Drucksensor (4) und/oder Längenaktuator (4) als piezoelektrische Keramik ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Keramik als Stapel-, Biege- oder Discaktor ausgebildet ist.