DE10245991A1

DE10245991A1 - Aktive Schwingungskompensation für eine Getreide-Reinigungsmaschine

Info

Publication number: DE10245991A1
Application number: DE2002145991
Authority: DE
Inventors: Andreas Kuhn; Rolf Stämpfli
Original assignee: Buehler AG
Current assignee: Buehler AG
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-15
Also published as: AU2003250712A1; WO2004030834A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine, insbesondere Getreide-Reinigungsmaschine, zum Bearbeiten eines Produktes, insbesondere zur Reinigung von Getreidekörnern, mittels eines vibrierbaren Maschinenteils, der mit dem Maschinenrahmen gekoppelt ist, wobei die Maschine (KR) derart ausgelegt ist, dass sie die Durchführung des Verfahrens zum Bearbeiten des Produktes derart ermöglicht, dass die Aktoreinheit mit derselben Frequenz wie die vibrierbaren Teile der Maschine vibriert wird und dass zwischen der Vibration der vibrierbaren Teile und der Vibration der Aktoreinheit eine Phasendifferenz von 180 DEG aufrechterhalten wird. Die Aktor-Schwingungsamplitude wird dabei derart eingestellt, dass die durch den mindestens einen Sensor erfassten dynamischen Bodenkräfte zwischen dem Maschinenrahmen und dem die Maschine tragenden Boden während des Betriebs der Maschine ein Minimum beibehalten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine, insbesondere Getreide-Reinigungsmaschine, zum Bearbeiten eines Produktes, insbesondere zur Reinigung von Getreidekörnern, mittels eines vibrierbaren Maschinenteils, der mit dem Maschinenrahmen gekoppelt ist, sowie auf ein Verfahren zum Betreiben der Maschine.
Beim Betrieb derartiger Maschinen, die oftmals eine Masse von mehreren Tonnen haben, treten durch die Vibration dynamische Bodenkräfte auf, die Schäden am Maschinengebäude hervorrufen können. Insbesondere in mehrstockigen Getreidemühlen ist dies ein Problem, wenn derartige Maschinen auf den oberen Stockwerkböden aufgestellt sind.
Die bisherigen Ansätze zur Lösung dieses Problems verwendeten u.a. zwischen dem Boden und diesen Maschinen angeordnete Gummihohlfedern. Mit dieser passiven Schwingungsisolation ist zwar eine starke Reduzierung der Bodenkraft möglich, doch müssen hier stets Kompromisse bei der Standsicherheit und beim Anschliessen von Leitungen an die Maschine eingegangen werden. Darüberhinaus können beim Ein- und Ausschalten der Maschine starke Resonanzüberhöhungen auftreten, die zu gefährlichen Situationen führen können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Schwingungskompensation bereitzustellen, mit der die Bodenkräfte am Standort der Maschine auf ein Minimum reduziert werden.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmässig mit der eingangs genannten Maschine gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie die folgenden Elemente aufweist:

a) mindestens einen Sensor zur Erfassung von Bodenkräften;
b) eine mit dem Maschinenrahmen starr verbundene Aktoreinheit zur Erzeugung von Vibrationen;
c) eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der durch den mindestens einen Sensor erfassten dynamischen Bodenkräfte zur Bestimmung der Amplitude und der Phasenlage der Basisfrequenz des vibrierbaren Maschinenteils;
d) eine Steuerungseinheit zum Ansteuern der Aktoreinheit mit derselben Frequenz wie die Basisfrequenz und mit einer bestimmten Amplitude und Phasenlage.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Aktoreinheit zwei gegenläufige Unwuchtmotoren auf, wobei insbesondere jeder der beiden Unwuchtmotoren der Aktoreinheit jeweils einen Initiator zur unmittelbaren Erfassung der Position der Exzenter-Schwungmassen jedes Unwuchtmotors aufweist.
Vorzugsweise ist die Aktoreinheit so ausgelegt, dass die von der Aktoreinheit auf die Maschine übertragene Aktor-Schwingungsamplitude durch die relative Phasenlage der beiden Unwuchtmotoren steuerbar ist. Dies hat zum einen den Vorteil, dass kein manuelles Eingreifen, wie z.B. Verstellung von Exzentermassen bei ruhender Maschine notwendig ist und bietet andererseits den Vorteil, dass je nach Betriebszustand und Schwingungsamplitude durch gezieltes Ansteuern der einzelnen Unwuchtmotoren der Aktoreinheit eine aktive Schwingungskompensation ohne Betriebsunterbrechung möglich ist. Dies ist z.B. wichtig, um die eingangs erwähnten Resonanzüberhöhungen beim Hochfahren und Herunterfahren der Maschine zu vermeiden.
Zweckmässigerweise bilden die Verarbeitungseinheit und die Steuerungseinheit zusammen eine Regelungseinheit, mit der einerseits die relative Phasenlage zwischen der Vibration der vibrierbaren Teile und der Vibration der Aktoreinheit sowie andererseits die Aktor-Schwingungsamplitude der Aktoreinheit einstellbar ist.
Wenn der vibrierbare Maschinenteil einen Hauptantrieb aufweist, der ebenfalls aus zwei miteinander starr verbundenen gegenläufigen Unwuchtmotoren besteht, ist es besonders vorteilhaft, wenn die beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren der Aktoreinheit mit den beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren des Hauptantriebs identisch sind, da auf diese Weise die Anzahl der unterschiedlichen Teile der Maschine und somit die Herstellungs- und Wartungskosten verringert werden.
Diese Maschine ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem die Aktoreinheit mit derselben Frequenz wie die vibrierbaren Teile der Maschine vibriert wird, wobei zwischen der Vibration der Teile und der Vibration der Aktoreinheit eine Phasendifferenz von 180° aufrechterhalten wird, wobei die Aktor-Schwingungsamplitude derart eingestellt wird, dass die durch den mindestens einen Sensor erfassten dynamischen Bodenkräfte zwischen dem Maschinenrahmen und dem die Maschine tragenden Boden während des Betriebs der Maschine mit vibrierenden Teilen ein Minimum beibehalten.
Weitere Vorteile Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich nun aus der nun folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung, wobei
1 eine Kombi-Reinigungsmaschine des Stands der Technik in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht zeigt;
2 die Kombi-Reinigungsmaschine von 1 stärker schematisch zeigt;
3 ein erfindungsgemässes Aktorsystem mit Unwuchtmotoren zeigt;
4 ein Blockschaltbild der Frequenz- und Phasenregelung zeigt;
5 bis 7 verschiedene Phasendetektor-Schaltungen zeigen;
8 die Funktionsweise des erfindungsgemässen Aktors veranschaulicht;
9 ein Blockdiagramm der erfindungsgemässen Amplitudensteuerung für den Aktor zeigt;
10 ein Blockschaltbild der Amplituden-Betragsregelung für die Aktoren zeigt;
11 das erfindungsgemässe System zur aktiven Schwingungskompensation für eine Kombi-Reinigungsmaschine schematisch zeigt;
12 eine schematische Draufsicht der erfindungsgemässen Kombi-Reinigungsmaschine mit eingebautem Aktorsystem zur aktiven Schwingungskompensation zeigt;
13 ein Blockschaltbild der Frequenz- und Phasenregelung für die Aktoren zeigt;
14 den Signalverlauf für die Bestimmung der Phasenverschiebung der Kombi-Reinigungsmaschine zeigt;
15 den Signalverlauf für die Bestimmung für der Phasenverschiebung des Aktors zeigt; und
16 den Verlauf der Bodenkraft der erfindungsgemässen. Kombi-Reinigungsmaschine ohne aktive Schwingungskompensation (Aktor ausgeschaltet) und mit aktiver Schwingungskompensation (Aktor eingeschaltet) zeigt.
Die in 1 gezeigte Kombi-Reinigungsmaschine KR dient zur Getreidereinigung. Die Maschine kombiniert vier Prozesse in einer Einheit: Absieben, Sortieren, Trennen und Luftsichten. Angetrieben wird die Maschine durch zwei synchronlaufende Unwuchtmotoren W1 und W2, die den gesamten Siebträger in Schwingung versetzen. Der erste Reinigungsschritt ist das Absieben aller grösseren und kleineren Bestandteile. Das Schrollensieb K, L entfernt Stroh, Schnüre, grössere Steine, das heisst alle Verunreinigungen, welche grösser sind als das Getreidekorn. Auf dem Sandsieb M, N, O, P werden alle Beimengungen ausgelesen, welche kleiner sind als das Getreidekorn, wie Sand, Bruchkorn und Sämereien. Der nächste Schritt ist das Sortieren in Schwer- und Mischprodukt, wobei gleich grosse Teile nach unterschiedlichem spezifischem Gewicht aussortiert werden. Dieser Trennvorgang beruht auf dem Unterschied der Sinkgeschwindigkeit, wobei schwere Teile mit dem oszillierenden Siebboden in Berührung kommen und zur Steinnachlese U fliessen, während sauberes Getreide auf dem Luftpolster zum Produktauslauf schwimmt. Ein weiterer Klassiervorgang ist das Luftsichten oder die Auslese von Leichtteilchen wie Staub, Schalen, Spelzen, Schmachtkörnern und Sämereien aus dem Getreidestrom.
Bedingt durch die technologisch wichtige Schwingbewegung des Aufbaus erzeugt diese Kombi-Reinigungsmaschine KR an ihrem Standort beträchtliche Bodenkräfte. Die Kombi-Reinigungsmaschine KR muss deshalb auf einem soliden Boden montiert werden, welcher zwischen 10 und 22 Hz keine Eigenfrequenzen hat. Bei Umbauten muss der Boden mit entsprechenden Stahlträgern verstärkt werden.
2 veranschaulicht schematisch die Kraftverhältnisse, die beim Betrieb der herkömmlichen Kombi-Reinigungsmaschine KR vorliegen. Durch die Unwuchtmotoreinheit W (Hauptantrieb) werden die beweglichen Teile B vibriert, wobei eine horizontale Kraftkomponente FH und eine vertikale Kraftkomponente FV auftreten. Im Betrieb erzeugt die Kombi-Reinigungsmaschine KR daher beachtliche Bodenkräfte, wobei die vertikalen dynamischen Bodenkräfte FV₁ und FV₂, für das Gebäude, in dem die Kombi-Reinigungsmaschine KR aufgebaut ist, besonders kritisch sind.
3 zeigt ein erfindungsgemässes Aktorsystem mit einem ersten Unwuchtmotor 3 und einem zweiten Unwuchtmotor 4, sowie einem ersten Initiator 1 und einem zweiten Initiator 2. Das Aktorsystem wird insgesamt mit A bezeichnet.
Die Kombi-Reinigungsmaschine KR hat als Haupantrieb eine Unwuchtmotor-Einheit W, die einen ersten Unwuchtmotor W1 und einen zweiten Unwuchtmotor W2 aufweist, die synchron zueinander laufen. Da sie zueinander fest gekoppelt sind, aber in der Kraftrichtung freischwingend montiert sind, synchronisieren sich diese beiden Unwuchtmotoren W1 und W2 des Hauptantriebs der Kombi-Reinigungs-Maschine KR selbst, da sie automatisch den Zustand mit dem geringsten Energiepotenzial der Unwuchtmotor-Einheit W einnehmen.
Um mit dem erfindungsgemässen Aktor A einen gradlinigen Kraftsektor F zu erzeugen werden zwei in entgegengesetzter Drehrichtung und synchron laufende Unwuchtmoto ren 3 und 4 eingesetzt, die jeweils mittels eines Frequenzumrichters 65 (siehe 11) angesteuert werden. Für die Synchronisation der beiden Unwuchtmotoren 3 und 4 muss die exakte Phasenlage der Rotorposition bekannt sein. Hierfür kann an jeder Motorwelle ein Inkrementalgeber angebaut sein. Vorzugsweise wird jedoch anstelle der Inkrementalgeberfeder Unwuchtmotor 3, 4 mit einem eigenen Initiator 1 bzw. 2 ausgestattet, der direkt die Position der Schwungmassen der Unwuchtmotoren 3, 4 erfasst. Solche Initiatoren 1, 2 zeichnen sich gegenüber Inkrementalgebern insbesondere dadurch aus, dass sie bei einem vergleichsweise günstigen Preis auch noch robust gegen Erschütterungen sind. Ausserdem lassen sich derartige Initiatoren 1, 2 vor Ort ohne grossen Aufwand einbauen.
Ein dritter Initiator (nicht gezeigt) ist an einem der beiden Unwuchtmotoren W1 und W2 der als Hauptantrieb dienenden Unwuchtmotor-Einheit W angebracht, um die Drehzahl und Phasenlage des Hauptantriebs zu erfassen.
4 zeigt das Blockschaltbild der erfindungsgemässen Frequenz- und Phasenregelung. Um mit dem erfindungsgemässen Aktor A eine zu der dynamischen Kraft der beweglichen Teile B gegenphasige Kraft zu erzeugen, muss nicht nur die Frequenz, sondern auch die Phasenverschiebung genau eingehalten werden. Eine hier verwendete Nachlaufsynchronisation ist in dem Blockdiagramm der 4 schematisch dargestellt. Ein Phasendetektor 11, ein Tiefpassfilter 12, ein Regler 13 und eine Frequenzumwandler-Motoreinheit 14 sind in Serie geschaltet. Die Signale ω0, ω1 der beiden Initiatoren 1, 2 werden mit dem Phasendetektor 11 verglichen, welcher entsprechend der Phasenverschiebung ein Signal ausgibt. Dieses Signal wird über das Tiefpassfilter 12 dem Regler 13 zugefügt. Der Regler 13 steuert die zu regelnde Frequenzumwandler-Unwuchtmotoreinheit 14 so an, dass die Signale der beiden Initiatoren 1, 2 synchron beim Phasendetektor eintreffen. Die Aufgabe des Phasendetektors besteht darin, die Frequenz und Phase zu synchronisieren.
5 zeigt ein erstes Beispiel eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Phasendetektors. Der Phasendetektor der 5 liefert bei verschiedener Frequenzverschiebung ein vorzeichenrichtiges Signal. Er besteht im wesentlichen aus zwei flankengetriggerten D-Flips-Flops FF1 und FF2. Eilt die Spannung In2 der Spannung der In2 vor, so trifft die erste positive Flanke bei In2 ein, wodurch das Flip-Flop 1 gesetzt wird. Dieses wird erst über das NAND-Gatter rückgesetzt, wenn bei In1 eine positive Flanke ansteht. Dadurch entstehen am Ausgang des Subtrahierers SUB positive Rechteckimpulse, deren Dauer gleich der Zeitdifferenz zwischen den positiven Durchgängen von In1 (t) und In2 (t) ist. Trifft jedoch die positive Flanke von In1 zuerst ein, so werden entsprechend negative Impulse generiert. Durch die Nachschaltung eines Tiefpassfilters TP wird aus den Rechteckimpulsen der Mittelwert gebildet.
6 zeigt ein zweites Beispiel eines für die Erfindung verwendbaren Phasendetektors. Er besteht im wesentlichen aus zwei flankengetriggerten Zählern CLR1 und CLR2, einem Subtrahierer SUB, einem A/D-Wandler ADW und einem Tiefpassfilter TP. In Nullpunktnähe verhält sich der Detektor genau so wie die vorhergehende Schaltung (5). Bei Phasenvoreilung von X2 gegenüber von X1 entstehen positive Impulse mit einer Amplitude, deren Dauer der Zeitdifferenz zwischen den Nulldurchgängen ist. Bei Phasennacheilung entstehen negative Impulse. Wird eine Phasenverschiebung von 2π überschritten, so wechselt die Ausgangsspannung nicht (wie in der vorhergehenden Schaltung der 5), sondern behält ihren Wert. Durch die Nachschaltung des Tiefpassfilters TP wird aus diesen Impulsen der Mittelwert gebildet. Erst bei einer sehr grossen Phasenverschiebung (im vorliegenden Fall zwischen -8π und +7π) wird der maximale Zählerstand überschritten, so dass ein Zählerüberlauf erfolgt, was sich in einem Vorzeichenwechsel der Ausgangsspannung bemerkbar macht.
Selbstverständlich kann als Phasendetektor auch ein vorzeichenrichtiger Phasendetektor mit erweitertem Fangbereich verwendet werden. Er weist einen beliebig erweiterten Fangbereich zwischen -n2π und +n2π auf.
7 zeigt einen erfindungsgemässen Regler, der für die Frequenz- und Phasenregelung des Blockschaltbilds von 4 verwendet wird.
In 7 ist ein PID-Regler mit limitiertem Ausgang (0 bis 10 Volt ) abgebildet, in den eine Massnahme zur Verhinderung einer Aufwindung des Integrators eingebaut wurde. Der Regler enthält ein erstes Verstärkungsglied P1, ein zweites Verstärkungsglied P2 und ein drittes Verstärkungsglied P3 sowie ein Differentiationsglied D und ein Integrati onsglied I. Ausserdem enthält er ein erstes Subtraktionsglied SUB1 und ein zweites Subtraktionsglied SUB2 sowie ein Additionsglied ADD und ein Sättigungsglied SAT.
8 ist eine schematische Darstellung der Amplitudenregelung für die erfindungsgemässe aktive Schwingungskompensation der Kombi-Reinigungsmaschine KR. Der aus den beiden Unwuchtmotoren 3, 4 bestehende Aktor A wird so betrieben, dass die beiden Unwuchtmotoren 3, 4 mit entgegengesetzten Drehrichtungen laufen. Wenn sich die beiden Unwuchtmotoren 3, 4 synchron drehen, so wird nur in vertikaler Richtung eine Kraftkomponente F_y(t) erzeugt, während die Kräfte F_x(t) in horizontaler Richtung sich aufheben. Um die Kraftamplitude F_Y(t) steuerbar zu machen, wird eine Phasenverschiebung Δφ zwischen den beiden rotierenden Kraftvektoren Kombi -Reinigungsmaschine K1 und K2 eingestellt, wie dies in 8 gezeigt ist. Die beiden Kraftvektoren K1, K2 rotieren mit entgegengesetzter gleicher Winkelgeschwindigkeit ω und erzeugen die Fliehkraft: FL = m r ω2 (1) Für die Phasenverschiebung Δφ ergibt sich die folgende Kraft F(t) in der Y- und der X-Richtung.
FY(t) = 2 m r ω2 sin(wt) (2) FX(t) = 0 (3)
Für eine definierte Phasenverschiebung Δφ des einen Kraftvektors in Drehrichtung und des anderen gegen die Drehrichtung ergibt sich folgender Zusammenhang für die X- und Y-Kraftkomponenten: FY(Δφ) = m r ω2[sin(α+Δφ) + sin(α-Δφ)] = 2 m r ω2 cos(Δφ)sin(ωt) (4) FX(Δφ) = m r ω2[cos(α-Δφ) = cos(α+Δφ)] = 2 m r ω2 sin(Δφ) sin(ωt) (5) Aus den obigen Gleichungen (4) und (5) ist ersichtlich, dass ein Verstellen um den Phasenwinkel +-Δφ keinen Einfluss auf die Phase des Kraftverlaufes hat. Es ergibt sich diglich die gewünschte Veränderung der Kraftamplitude ( sowohl in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung):
Die interessierende Kraftkomponente zur Kraftkompensation der Kombi-Reinigungsmaschine KR ist die vertikale Kraftkomponente in Y-Richtung F_y (Δφ). Die Phasenverschiebung Δφ kann in der Praxis unter Verwendung einer Amplitudensteuerung realisiert werden, wie sie in dem Blockdiagramm von 9 dargestellt ist. In diesem Blockdiagramm sind ein Phasendetektor 21 ein Tiefpassfilter 22, ein Regler 23 und eine Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 24 einerseits sowie ein Phasendetektor 31, ein Tiefpassfilter 32, ein Regler 33 und eine Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 34 andererseits in Serie geschaltet . Dem Phasendetektor 21 ist ein Verzögerungsglied 41 vorgeschaltet, während der Ausgang der Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 31 über ein Verzögerungsglieg 42 zu einem Phasendetektor rückgekoppelt ist. Um eine positive Phasenverschiebung zu erreichen, kann einfach das Referenzsignal ω0 verzögert werden. Dies geschieht mit dem Verzögerungsglied 21, in dem die Phasenverschiebung in Grad eingestellt werden kann. Der Phasendetektor 21 erhält dadurch das Referenzsignal verzögert, wodurch sich dann auch ω1 entsprechend einstellt. Eine negative Phasenverschiebung wird erreicht, indem das Verzögerungsglied 42 in den Rückführungspfad eingesetzt wird. Der Phasendetektor 31 erhält in diesem Fall ω2 verzögert. Der Regler gleicht diese Abweichung so aus, dass beide Eingangssignale wieder gleichphasig auf den Phasendetektor treffen. Dies ist der Fall, wenn ω2 gegenüber ω1 um Δφ vorauseilt.
10 zeigt ein Blockschaltbild für die Amplitudenbetragsregelung. Das Blockschaltbild zeigt einen Regler 51, einen Aktor 52 für die Kraftamplitude normal zum Boden, ein Tiefpassfilter 53, ein Abtasthalteglied 54, eine Kraftmessungseinheit 55 sowie ein Verzögerungsglied 56. Die Frequenz und die Phase des Kraftverlaufs werden durch einen unterlagerten Frequenz- und Phasenregelkreis erledigt. Dieser sorgt dafür, dass der Aktor 52 immer um 180° phasenverschoben mit der gleichen Frequenz wie die anregende Kombi-Reinigungsmaschine KR läuft. Diese Funktion ist im Block 52 "Aktor Kraftamplitude" zusammengefasst und enspricht dabei der Übertragungsfunktion gemäss Gleichung (4).
Die Maschine erzeugt die Bodenkraft F_BM , die als Störgrösse im Regelkreis auftaucht. Die Bodenkraft FB wird durch den geschlosssenen Regelkreis F_BA zu Null kompensiert. Um den Betrag der Amplitude in der vertikalen Richtung zu regeln, kann die Bodenkraft herangezogen werden, die möglichst gegen Null gehen soll. Die Bodenkraft ist aber ein zu Null symmetrisches Signal, und es kann somit nicht direkt aus dem Maximal- oder Effektivwert erkannt werden, ob die Bodenkraft zu wenig oder bereits überkompensiert wird. Dazu muss das Kraftsignal vorzeichnenrichtig eingelesen werden. Um das zu erreichen, kann das Kraftsignal zu dem Zeitpunkt abgetastet weren, an dem die Bodenkraft F_BM ein positives Maximum erzeugt. Dies kann z.B. mit einem Abtast/Halte-Baustein realisiert werden, der mit dem Initiatorsignal aus den beiden Unwuchtmotoren W1 und W2 des Hauptantriebs W der Kombi-Reinigungsmaschine KR getrggert wird. Das Initiatorsignal erfährt eine Phasenverschiebung, so dass das Kraftsignal exakt 90° nach seinem positiven Nulldurchgang gemesssen wird. Am Ausgang des Abtast/Halte-Bausteins steht somit ein Siganl zur Verfügung, das positive Spannungen aufweist, wenn die Kraft zu wenig kompensiert wurde, bzw. negative Spannungen aufweist, wenn die Kraft überkompensiert wurde.
11 zeigt die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR, die mit einem erfindungsgemässen System zur aktiven Schwingungskompensation ausgestattet ist. Die Kombi-Reinigungsmaschine KR ist mit einem Montagerahmen verschraubt, und kann dadurch zur Bestimmung der Bodenkraft direkt auf vier Kraftmessdosen 5, 6, 7, 8 (siehe auch 12) gestellt werden. Die Kraftsignale der Kraftmessdosen 5, 6, 7, 8 werden mit einem Vierkanal-Trägerfrequenzverstärker 64 aufbereitet und über ein Mess-System 63 einer Messdaten-Erfassungseinheit 62 zugeführt. Das Datenerfassungssystem kann auf einem Lap-Top zur Datenspeicherung und Visualisierung realisiert werden. Das Mess-System 63 hat einen integrierten Signalprozessor und ermöglicht es, aus den vier Einzelkräften die an den Kraftmessdosen 5, 6, 7, und 8 erfasst werden, die Summe zu bestimmenn und direkt über einen analogen Ausgang an den Regler weiter zugeben. Auch der Regler kann auf einem Rechner bzw. auf einer Einsteckkarte in diesem realisieret werden und gibt die Stellgrössen an die beiden Frequenzumformer der Frequenzumrichter-Einheit 65 weiter, die ihrerseits die beiden Unwuchtmotoren 3, 4 des Aktors A ansteueren. Der Regler erfasst neben dem Summensignal der Kraft auch noch die Signale I1 und I2 der beiden Initiatoren 1, 2 des Aktors A sowie das Signal I0 des Initiators (nicht gezeigt), der an der Unwucht-Motoreinheit W angebracht ist. Das aus den beiden Unwuchtmotoren 3, 4 bestehende Aktorsystem A ist in das Maschinengestell der Kombi-Reinigungsmaschine KR integriert.
12 zeigt in einer schematischen Draufsicht der Kombi-Reinigungsmaschine KR, wie das aus den beiden Unwuchtmotoren 3, 4 bzw. den beiden Aktoren A1 ubnd A2 bestehende Aktorsystem A in die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR integriert ist. Das erfindungsgemässe Aktorsystem A ist zur Kompensation der Bodenkräfte der Kombi-Reinigungsmaschine KR in deren Maschinengestell integriert. Wie anhand von 8, 9 und 10 sowie anhand der Gleichungen (1 bis 5) insbesondere aber anhand von Gleichung (4) erläutert wurde, kann mit dem erfindungsgemässen Aktorsystem A die Amplitude gesteuert bzw. reduziert werden, wobei auch eine horizontale Kraftkomponente entsteht. Darum muss der Positionierung und Orientierung der beiden Unwuchtmotoren 3 (Aktor A) und 4 (Aktor A1) besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. 12 zeigt, in welcher Position und Orientierung das Aktorsystem A ins Maschinengestell der Kombi-Reinigungsmaschine KR integriert wird.
Die Kräfte F1, F2, F3 und F4, die an den vier Auflagepunkten durch die Kraftmessdosen 7, 6, 3 bzw. 5 erfasst werden, lassen sich durch eine zentrale Kraft F in Punkt P kompensieren.
Da die Kombi-Reinigungsmaschine KR spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, kann als die zweite Koordinate des Punktes T die Mittelsenkrechte benutzt werden.
Die Drehachse der Unwuchtmotoren 3, 4 (Aktor 1 und Aktor 2) werden so orientiert, dass sie rechtwinklig zur Mittelsenkrechten MS stehen. Dadurch ist es möglich, der Horizontalkraft, die durch den Hauptantrieb W (Unwuchtmotor W1 und W2 ) verursacht wird, entgegen zu wirken.
Der durch den Unwuchtmotor 3 gebildete Aktor A1 sowie durch den Unwuchtmotor 4 gebildete Aktor A2 sind an der erfindungsgemässen Kombi-Reinigungsmaschine KR an U-Profilen befestigt, die mit dem Rahmen der Maschine verbunden sind.
13 zeigt das Blockschaltbild der zur Frequenz- und Phasenregelung herangezogenen Schaltung, die für die Synchronisation des Antriebs der erfindungsgemässen Kombi -Reinigungsmaschine KR verwendet werden. Um mit dem Aktorsystem A eine Frequenz zu erzeugen, die genau der des Hauptantriebs W entspricht und deren Phase exakt um 180° phasenverschoben ist, wird die Regelung der 13 verwendet. Sie enhält einerseits eine Serienschaltung eines Phasendetektors 71, eines Tiefpasssfilters 72, eines Reglers 73 und einer Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 74 sowie andererseits eine Serienschaltung aus einem Phasendetektor 81, einem Tiefpassfilter 82, einem Regler 83 und einer Frequenzumwandler-Unwuchtmotor-Einheit 84. Desweiteren enthält sie die Verzögerungsglieder 91, 92 und 93. Sie entspricht daher bis auf das Verzögerungsglied 91 am Eingang der Schaltung der Amplitudensteuerung aus 9. Das zusätzliche Verzögerungsglied 91 am Eingang dient der symmetrischen Verzögerung beider Aktoren A1 und A2, um eine exakte Phasenverschiebung von 180° zu erhalten. Um den exakten Wert der notwendigen Phasenverschiebung zu ermitteln, muss jedoch zuvor eine Initialisierung durchgeführt werden, wie dies anhand von 13 und 14 beschrieben ist.
Zur Bestimmung der notwendigen Phasenverschiebung wird eine Initialisierung durchgeführt, in der einmal nur die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR ohne Aktor A (14) und einmal nur der Aktor A aktiv sind. Wird die Kombi-Reinigungsmaschine KR ohne kompensierenden Aktor A betrieben, so können das Signal S1 der Bodenkraft der Kombi-Reinigungsmaschine KR sowie das Initiatorsignal S2 der Kombi-Reinigungsmaschine KR aufgezeichnet werden. Durch Auswerten der positiven Nulldurchgänge an der steigenden Flanke, kann die Phasenverschiebubg bestimmt werden.
Diese Vorgehensweise wird für den Aktor A wiederholt. Dabei bleibt die Kombi-Reinigungsmaschine KR ausgeschaltet, und nur die beiden Aktoren A1 und A2 des Aktorsystems A werden synchron miteinander betrieben.
15 zeigt das Signal S3 der Bodenkraft, wenn nur das Aktorsystem eingeschaltet ist, sowie das Signal S4 des Initiators des Aktorsystems A. Auch hier wird die positive Flanke und der Nulldurchgang zur Bestimmung der Phasenverschiebung verwendet.
Um eine exakte Phasenverschiebung von 180° der beiden Kraftsignale zu erhalten, muss somit das vorgeschaltete Verzögerungsglied 91 in 13 eine Phasenverschiebung von 180°+φ₁-φ₀ erzeugen.
16 zeigt das Ergebnis der erfindungsgemässen aktiven Schwingungskompensation an der Kombi-Reinigungsmaschine KR. 16 zeigt den zeitlichen Verlauf der durch die erfindungsgemässe Kombi-Reinigungsmaschine KR erzeugten Bodenkraft ohne aktive Schwingungskompensation während des Zeitintervalls von 10 Sek. bis 14 Sekunden. Nach etwa 14 Sekunden wurde die erfindungsgemässe aktive Schwingungskompensation eingeschaltet. Bis die beiden Unwuchtmotoren 3 und 4 (siehe 3) bzw. die beiden Aktoren A1 und A2 (Siehe 12) die Drehzahl des Haupantriebes W (siehe 12) angenommen und sich mit der Phasenlage synchronisiert haben, wird die Kraft kurzzeitig verstärkt. Rund 5 Sek. nach dem Hinzuschalten der aktiven Schwingungskompensation kann aber dann eine zunehmende Dämpfung erkannt werden. Im Zeitintervall zwischen 21 Sek. und 30 Sek. erkennt man die stark verringerte Bodenkraft mit aktiver Schwingungskompensation.
Die erreichte Dämpfung liegt im Bereich zwischen 27 und 33 dB, wobei das Mittel bei rund 31 dB liegt. Dies entspricht einer Verringerung der dynamischen Bodenkraft um einen Faktor 35. Von der anfänglichen dynamischen Belastung etwa +/- 2000 N bleibt nur noch eine minimale dynamische Belastung von etwa +/- 57N übrig.
Mit dem erfindungsgemässen System zur aktiven Schwingungskompensation ist es auch möglich, zwei identische Kombi-Reinigungsmaschinen KR zu betreiben, die zueinander exakt gegenphasig laufen, um die Summe der Bodenkräfte zu reduzieren.
Mit dieser Anordnung werden auch die im Stand der Technik oftmals beobachteten störenden Schwebungen eliminiert, die bei gleichzeitigem Betrieb zweier Kombi-Reinigungsmaschinen KR auftreten können.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemässe System zur aktiven Schwingungskompensation nicht nur für eine Kombi-Reinigungsmaschine KR anwendbar, sondern kann ebenso für andere Maschinen verwendet werden, die störende und zum Teil gefährliche Bodenkräfte an das Maschinengebäude abgeben.

KR: Kombi-Reinigungsmaschine
B: bewegliche Teile (schwingende Teile der Kombi-Reinigungsmaschine)
W: Unwuchtmotor-Einheit (Hauptantrieb der schwingenden Teile)
W1: erster Unwuchtmotor des Hauptantriebs
W2: zweiter Unwuchtmotor des Hauptantriebs
1: Initiator des Aktors 1 (Unwuchtmotor 3)
2: Initiator des Aktors 2 (Unwuchtmotor 4)
3: erster Unwuchtmotor (für aktive Schwinungskompensation)
4: zweiter Unwuchtmotor (für aktive Schwinungskompensation)
5: Kraftmessdose
6: Kraftmessdose
7: Kraftmessdose
8: Kraftmessdose
11: Phasendetektor
12: Tiefpassfilter
13: Regler
14: Frequenz-Umrichter-Unwuchtmotor-Einheit
K1: Kraftvecktor des ersten Unwuchtmotors 3 (Aktor 1)
K2: Kraftvecktor des zweiten Unwuchtmotors 3 (Aktor 2)
21: Phasendetektor
22: Tiefpassfilter
23: Regler
24: Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit
31: Phasendetektor
32: Tiefpassfilter
33: Regler
34: Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit
41: Verzögerungsglied
42: Verzögerungsglied
43: Verzögerungsglied
51: Regler
52: Aktor für Kraftamplitude normal zum Boden
53: Tiefpassfilter
54: Abtast/Halte-Glied
55: Kraftmessung-Einheit
56: Verzögerungsglied
61: Rechner
62: Messdaten-Erfassungseinheit
63: Messsystem
64: Trägerfrequenz-Verstärker
65: Frequenzumrichter-Einheit
IO: Initiatorsignal des Intitiators des Hauptantriebs W
I1: Initiatorsignal des Unwuchtmotors 3 (Aktor 1)
I2: Initiatorsignal des Unwuchtmotors 4 (Aktor 2)
71: Phasendetektor
72: Tiefpassfilter
73: Regler
74: Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit
81: Phasendetektor
82: Tiefpassfilter
83: Regler
84: Frequenzumrichter-Unwuchtmotor-Einheit
91: Verzögerungsglied
92: Verzögerungsglied
93: Verzögerungsglied
S1: Bodenkraft nur mit Kombi-Reinigungsmaschine KR
S2: Signal des Initiators der Kombi-Reinigungsmaschine KR
S3: Bodenkraft nur mit Aktor A
S4: Signal des Initiators des Aktors A
P1: Verstärkungsglied
P2: Verstärkungsglied
P3: Verstärkungsglied
D: Difterentiationsglied
1: Integrationsglied
SUB1: erstens Subtraktionsglied
SUB2: zweites Subtraktionsglied
ADD: Additionsglied
SAT: Sättigungsglied

Claims

Maschine, insbesondere Getreide-Reinigungsmaschine, zum Bearbeiten eines Produktes, insbesondere zur Reinigung von Getreidekörnern, mittels eines vibrierbaren Maschinenteils (B, W), der mit dem Maschinenrahmen gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (KR) die folgenden Elemente aufweist: a) mindestens einen Sensor (5, 6, 7, 8) zur Erfassung von Bodenkräften; b) eine mit dem Maschinenrahmen starr verbundene Aktoreinheit (A) zur Erzeugung von Vibrationen; c) eine Verarbeitungseinheit (62, 63, 64) zum Verarbeiten der durch den mindestens einen Sensor (5, 6, 7, 8) erfassten dynamischen Bodenkräfte zur Bestimmung der Amplitude und der Phasenlage der Basisfrequenz des vibrierbaren Maschinenteils (B, W); d) eine Steuerungseinheit (61, 65) zum Ansteuern der Aktoreinheit (A) mit derselben Frequenz wie die Basisfrequenz und mit einer bestimmten Amplitude und Phasenlage.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (A) zwei gegenläufige Unwuchtmotoren (3, 4) aufweist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Unwuchtmotoren (3, 4) der Aktoreinheit (A) jeweils einen Initiator (1, 2) zur unmittelbaren Erfassung der Position der Exzenter-Schwungmassen jedes Unwuchtmotors (3, 4) aufweist.
Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Aktoreinheit (A) auf die Maschine übertragene Aktor-Schwingungsamplitude durch die relative Phasenlage der beiden Unwuchtmotoren (3, 4) steuerbar ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (62, 63, 64) und die Steuerungseinheit (61, 65) zusammen eine Regelungseinheit (61-65) bilden, mit der die relative Phasenlage zwischen der Vibration der vibrierbaren Teile (B, W) und der Vibration der Aktoreinheit (A) sowie die Aktor-Schwingungsamplitude der Aktoreinheit (A) einstellbar ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vibrierbare Maschinenteil (B, W) einen Hauptantrieb (W) aufweist, der aus zwei miteinander starr verbundenen gegenläufigen Unwuchtmotoren (W1, W2) besteht.
Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren (3, 4) der Aktoreinheit (A) mit den beiden gegenläufigen Unwuchtmotoren (W1, W2) des Hauptantriebs (W) identisch sind.
Verfahren zur aktiven Schwingungskompensation bei einer Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoreinheit (A) mit derselben Frequenz wie die vibrierbaren Teile (B, W) der Maschine vibriert wird, wobei zwischen der Vibration der Teile (B, W) und der Vibration der Aktoreinheit (A) eine Phasendifferenz von 180° aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktor-Schwingungsamplitude derart eingestellt wird, dass die durch den mindestens einen Sensor (5-8) erfassten dynamischen Bodenkräfte zwischen dem Maschinenrahmen und dem die Maschine tragenden Boden während des Betriebs der Maschine mit vibrierenden Teilen (B, W) ein Minimum beibehalten.