DE3123199A1

DE3123199A1 - Device and process for the rapid axial to-and-fro movement of a spindle

Info

Publication number: DE3123199A1
Application number: DE19813123199
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. 8024 Deisenhofen Mohrenstein-Ertel
Original assignee: MOHRENSTEIN ERTEL MICHAEL DIPL
Current assignee: MOHRENSTEIN ERTEL MICHAEL DIPL
Priority date: 1981-06-11
Filing date: 1981-06-11
Publication date: 1982-12-30

Abstract

An axial to-and-fro movement superposes the rotational movement of a spindle, e.g. of a grinding spindle. For this purpose, the spindle forms, along with the spring, a system which is capable of oscillation and is made to resonate by a force acting periodically in the most favourable phase position.

Description

Einrichtung und Verfahren zum schnellen axialen Hin- und Her-Device and method for rapid axial back and forth

bewegen einer Spindel Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum schnellen axialen Hin- und Herbewegen einer Spindel, insbesondere einer Schlei fspindel, in ihrer Lagerung mit einer axial auf die Spindel wirkenden Feder, welche mit der Spindel ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System bildet, wobei das Feder-Masse-System durch eine über die Position der Spindel steuerbare, periodisch wirkende Kraftquelle in Resonanz versetzbar ist.moving a spindle The invention relates to a device for rapid axial back and forth movement of a spindle, especially a grinding spindle, in their storage with a spring acting axially on the spindle, which with the Spindle forms an oscillating spring-mass system, the spring-mass system by a periodically acting power source that can be controlled via the position of the spindle can be set in resonance.

Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der DE-PS 1.28kl.305 bekannt, bei welcher die Schleifspindel konzentrisch mit einer die Frequenz der Axialschwingung bestimmenden runden Scheibenfeder starr verbunden ist, die mit ihrem Umfang an einem Antriebsrad befestigt ist, das einen koaxial zur Spindel liegenden Elektromagneten trägt, dessen Unterbrecherkontakt von dem als Anker ausgeführten Spindelende geschaltet wird. Versuche mit einer derartigen Spindel haben gezeigt, daß das Erregen des Federmassesystems in der Resonanzfrequenz nicht immer sicher gelingt und der Wirkungsgrad des elektromagnetischen Antriebssystems weit unter den zu erwartenden Werten lag.Such a device is for example from DE-PS 1.28kl.305 known, in which the grinding spindle is concentric with a frequency of the Axial vibration determinant round woodruff is rigidly connected with her Perimeter is attached to a drive wheel, which is a coaxial with the spindle Electromagnet carries, the breaker contact of which is designed as an armature Spindle end is switched. Tests with such a spindle have shown that the excitation of the spring mass system in the resonance frequency is not always certain succeeds and the efficiency of the electromagnetic drive system is far below the expected values.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale..It is therefore the object of the invention to overcome the aforementioned disadvantages to enhance. This problem is solved by what is stated in the claims listed features ..

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß sich die Kraft des elektromagnetischen Antriebes vor allem durch die bei jedem Schaltvorgang hervorgerufene Selbstinduktion in der Magnet-:spule nicht in der erwarteten Phasenlage zur jeweiligen Position der Spindel befand und so das periodische Anstoßen des Feder-Masse-Systems in der für eine Resonanzfrequenz günstigen Phasenverschiebung von 900 nicht gelang. Die Resonanzfrequenz verschiebt sich zudem bei Belastung der Spindel, da dies eine Dämpfung des Feder-Masse-Systems darstellt. Da erfindungsgemäß die Phasenlage zwischen den Schwingungen der Spindel und den Perioden der Kraftquelle veränderbar ist, können auftretende Phas-enverschiebungen leicht kompensiert werden. Dies kann in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung durch eine Regelung dadurch automatisiertgwerden, daß die Schwingungsamplitude der Spindel gemessen und die Phasenlage der Kraftquelle über einen Regler auf maximale Schwingungsamplitude eingestellt wird.The invention makes use of the knowledge that the force of the electromagnetic drive, especially due to the effect caused by each switching process Self-induction in the solenoid: coil not in the expected phase relation to the respective Position of the spindle and so the periodic impact of the spring-mass system in the phase shift of 900, which is favorable for a resonance frequency, did not succeed. The resonance frequency shifts in addition, when the spindle is loaded, as this represents a damping of the spring-mass system. Since according to the invention the Phase position between the vibrations of the spindle and the periods of the power source is changeable, any phase shifts that occur can be easily compensated for. In an advantageous further development of the invention, this can be achieved by regulating automated that the vibration amplitude of the spindle is measured and the The phase position of the power source is set to the maximum oscillation amplitude via a controller will.

Die Phasenlage der Spindel kann vorteilhafterweise durch einen Weg- oder Positionsgeber gegenüber einem stationären Bezugspunkt gemessen werden, wobei der Bezugspunkt lediglich hinsichtlich der Axialbewegung stationär zu sein braucht. Von dem Weg-oder Positionsgeber wird eine Phasenschiebereinrichtung gesteuert, welche ihrerseits die Kraftquelle steuert. Der Weg-oder Positionsgeber sowie der Phasenschieber können sowohl reih mechanische Bauteile sein, vorteilhafterweise jedoch auf elektrische Weise funktionieren. Auch für die Kraftquelle bietet sich ein elektromagnetischer Antrieb an, z.B. nach Art eines Lautsprechers, wenngleich andere Antriebe nicht prinzipiell ausgeschlossen sind.The phase position of the spindle can advantageously be determined by a path or position transducers are measured with respect to a stationary reference point, with the reference point only needs to be stationary with respect to the axial movement. A phase shifter device is controlled by the displacement or position encoder, which in turn controls the source of power. The position or position encoder and the phase shifter can be mechanical components in series, but advantageously electrical Way work. An electromagnetic one is also available for the power source Drive on, e.g. like a loudspeaker, although other drives are not are excluded in principle.

Zum Starten der Schwingbewegung ist es vorteilhaft, wenn die Kraftquelle mit einem vorgegebenen periodischen Signal kurzzeitig ansteuerbar ist, wobei die Frequenz des periodischen Signals vorteilhafterweise im Bereich der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems liegt.To start the oscillating movement, it is advantageous if the power source can be controlled briefly with a predetermined periodic signal, the Frequency of the periodic signal advantageously in the range of the resonance frequency of the spring-mass system.

Wenn nach einer Weiterbildung der Erfindung die Kraftquelle als Gegenmasse ausgebildet ist und mit dem freien Federende des Feder-Masse-Systems verbunden ist, so können durch eine entsprechend groß ausgebildete Gegenmasse die Schwingungen der Spindel nahezu vollständig kompensiert werden, so daß keinerlei Axialschwingungen auf die Lager oder das Gehäuse der Spindel übertragen werden.If, according to a development of the invention, the power source is used as a counter mass is designed and connected to the free spring end of the spring-mass system, so the vibrations can be prevented by a correspondingly large countermass the spindle can be almost completely compensated, so that no axial vibrations whatsoever be transferred to the bearings or the housing of the spindle.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines teilweise schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.In the following, the invention is intended to be based on a partially schematic illustrated embodiment are explained in more detail.

Es zeigen: Fig. 1 den Aufbau einer in Resonanz schwingenden Spindel mit elektromagnetischem Antrieb; Fig. 2 ein Blockschaltbild für eine Regelung der Phasenlage zwischen den Schwingungen der Spindel und den Perioden der Kraftquelle.They show: FIG. 1 the structure of a spindle oscillating in resonance with electromagnetic drive; Fig. 2 is a block diagram for a regulation of the Phase position between the vibrations of the spindle and the periods of the power source.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung ist eine relativ dünnwandige Spindel 1 in Gleitlagern 2 und 3 geführt, welche sowohl eine Rotation als auch eine axiale Bewegung der Spindel 1 ermöglichen. Das aus dem Gehäuse 4 herausragende Ende der Spindel 1- trägt ein Werkzeug, beispielsweise einen Schleifstein 5.In the device shown in Fig. 1 is a relatively thin-walled Spindle 1 guided in plain bearings 2 and 3, which both a rotation and a allow axial movement of the spindle 1. The end protruding from the housing 4 the spindle 1- carries a tool, for example a grindstone 5.

Das gegenüberliegende Spindelende ist mit einer Scheibe 6 versehen, auf welche zwei axial zur Spindel angeordnete Spiralfedern 7 und 8 gegeneinander wirken. Die Spiralfeder 7 stützt sich direkt gegen einen Elektromagneten 9 ab, während die Spiralfeder 8 sich gegen einen Gewindering 10 abstützt, welcher in eine mit dem Magneten 9 befestigten Hülse, die das Ende der Spindel 1 und die Spiralfedern 7 und 8 konzentrisch umgibt, einschraubbar ist.The opposite end of the spindle is provided with a washer 6, on which two spiral springs 7 and 8 arranged axially to the spindle against one another works. The spiral spring 7 is supported directly against an electromagnet 9 while the spiral spring 8 is supported against a threaded ring 10, which is in a with the magnet 9 attached sleeve, which the end of the spindle 1 and the coil springs 7 and 8 concentrically surrounds, can be screwed in.

Da die Federn 7 und 8 auch ein Drehmoment übertragen, sollten die Federenden rutschfest mit den entsprechenden Auflageflächen verbunden sein. Durch die Einschraubtiefe des Ringes 10 kann sowohl die Federspannung als auch die Ruhelage der Spindel 1 gegenüber dem Magneten 9 eingestellt werden.Since the springs 7 and 8 also transmit torque, the Spring ends be connected to the corresponding contact surfaces in a non-slip manner. By the screw-in depth of the ring 10 can be both the spring tension and the rest position the spindle 1 relative to the magnet 9 can be adjusted.

Die Hülse 11 ist ihrerseits in Gleitlagern 12 und 13 gelagert, welche ebenfalls sowohl eine Rotation als auch eine zumindest geringe axiale Bewegung zulassen. Der die Lager 2 und 3 sowie 12 und 13 beinhaltende Innenraum des Gehäuses lt ist gegenüber der Spindel 1 und der Hülse 11 durch Dichtungen 14, 15 und 16 hermetisch abgeschlossen, so daß hierin befindliches Schmieröl nicht ausfließen kann.The sleeve 11 is in turn mounted in plain bearings 12 and 13, which also allow both a rotation and at least a slight axial movement. The interior of the housing containing the bearings 2 and 3 as well as 12 and 13 is lt hermetically with respect to the spindle 1 and the sleeve 11 by means of seals 14, 15 and 16 closed so that lubricating oil contained therein cannot flow out.

An der der Spindel 1 gegenüberliegenden Seite der Scheibe 6 ist über ein Distanzstück 17 eine dünnwandige zylindrische Spule 18 mit geringer Induktivität angeordnet, welche in einen Ringspalt 19 des Magneten 9 hineinragt. Der konzentrische Mittelzapfen 9.1 des Magneten 9 trägt auf seiner Stirnfläche einen elektrischen Weg- oder Positionsgeber 20, z.B. eine Kondensatorplatte, einen Hallgenerator oder eine optoelektronische Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen der Stirnfläche und der gegenüberliegenden Fläche des Distanzstückes 17. Jeweils eine Leitung der Spule 18, des Elektromagneten 9 und der Meßeinrichtung 20 wird auf getrennte Schleifringe 21.1, 21.2 und 21.3 eines Schleifringträgers 21 gelegt. Die jeweils anderen Leitungsenden der vorgenannten Einrichtungen sind mit Masse verbunden. Der Drehantrieb der Spi#ndel 1 erfolgt auf der Seite des Schleifringträgers 21 über eine nicht näher dargestellte Kupplung, welche lediglich geringe Axialbewegungen zulassen muß. Die genannte Kupplung kann direkt mit der Antriebswelle eines Motors oder mit einer Riemenscheibe verbunden sein.On the side of the disk 6 opposite the spindle 1 is over a spacer 17 a thin-walled cylindrical coil 18 with less Arranged inductance which protrudes into an annular gap 19 of the magnet 9. The concentric center pin 9.1 of the magnet 9 has a on its end face electrical displacement or position sensor 20, e.g. a capacitor plate, a Hall generator or an optoelectronic device for measuring the distance between the end face and the opposite surface of the spacer 17. One line each of the Coil 18, the electromagnet 9 and the measuring device 20 is on separate slip rings 21.1, 21.2 and 21.3 of a slip ring carrier 21 are placed. The other ends of the line the aforementioned devices are connected to ground. The rotary drive of the spindle 1 takes place on the side of the slip ring carrier 21 via a not shown in detail Coupling, which only has to allow slight axial movements. The said clutch can be connected directly to the drive shaft of a motor or to a pulley be.

Die Spindel 1, die Federn 7 und 8 und der Magnet 9 bilden ein Feder-Masse-System, bei dem die Massen der Spindel 1 und des Magneten 9 gegeneinander schwingen können. Um die Amplitude der Axialbewegung der Spindel 1 möglichst groß zu gestalten, sollte die Masse des Magneten 9 ein Vielfaches der Masse der Spindel betragen. Durch den aus der Spule 18 und dem Magneten 9, welcher prinzipiell auch ein Permanentmagnet sein kann, gebildeten elektromagnetischen Antrieb nach Art eines Lautsprechers wird die Spindel 1 je nach Stromrichtung in der Spule 18 entweder an den Magneten 9 herangezogen oder von diesem abgestoßen. Durch ständige Messung des Abstandes d zwischen dem Magneten 9 und dem durch das Distanzstück 17 verlängerten Ende der Spindel 1 kann die Phasenlage der Schwingung ständig gemessen und zur phasengerechte Ansteuerung des elektromagnetischen Antriebes verwendet werden. The spindle 1, the springs 7 and 8 and the magnet 9 form a spring-mass system, in which the masses of the spindle 1 and the magnet 9 can oscillate against each other. In order to make the amplitude of the axial movement of the spindle 1 as large as possible, should the mass of the magnet 9 is a multiple of the mass of the spindle. Through the from the coil 18 and the magnet 9, which in principle is also a permanent magnet can be formed electromagnetic drive in the manner of a loudspeaker the spindle 1 is either drawn to the magnet 9 depending on the direction of the current in the coil 18 or repelled by it. By constantly measuring the distance d between the Magnet 9 and the extended by the spacer 17 end of the spindle 1 can the phase position of the oscillation is constantly measured and for the correct phase control of the electromagnetic drive.

Ein Ausführungsbeispiel für eine automatische Anpassung der Phasenlage zwischen den Schwingungen der Spindel und den Perioden der Kraftquelle soll im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten Blockschaltbildes beschrieben werden. Der Weg- oder Positionsgeber 20 liefert ein dem Abstand d entsprechendes periodisches Signal, welches über den Schleifring 21.3 sowohl einem Phasenschieber 22, z.B. einem Weitwinkelphasenschieber nach Art eines Allpaßfilters erster Ordnung, als auch einer Einrichtung 23 zur Ermittlung der Amplitude des Gebersignals, z.B. einem Maximalwertdetektor, zugeführt wird. Das Amplitudensignal aus der Einrichtung 23 wird einem Maximålwertregler 24 zugeführt, welcher den Phasenschieber 22 steuert. Das derart phasenverschobene Gebersignal wird verstärkt (Verstärker 25) und über den Schleifring 21.2 der Spule 18 zugeführt. Durch die Spule 18 fließt so ein periodischer Strom, durch welchen die Spule und damit die Spindel 1 je nach Stromrichtung zum Magneten 9 hingezogen bzw. An embodiment for an automatic adjustment of the phase position between the vibrations of the spindle and the periods of the power source is discussed below will be described with reference to the block diagram shown in FIG. The way- or position transmitter 20 supplies a periodic signal corresponding to the distance d, which via the slip ring 21.3 both to a phase shifter 22, e.g. a wide-angle phase shifter in the manner of an all-pass filter of the first order, as well as a device 23 for determining the amplitude of the encoder signal, e.g. a maximum value detector. The amplitude signal from device 23 is fed to a maximum value controller 24, which controls the phase shifter 22. The encoder signal shifted in phase in this way is amplified (amplifier 25) and fed to the coil 18 via the slip ring 21.2. A periodic current flows through the coil 18, through which the coil and so that, depending on the direction of the current, the spindle 1 is drawn towards the magnet 9 or

von diesem abgestoßen wird. Die Stärke dieser Kraft ist bei konstanter effektiver Stromstärke von der Feldstärke in dem Ringspalt 19 abhängig. Diese kann bei einem, Elektromagneten durch eine veränderbare Gleichstromquelle 26 eingestellt werden. is repelled by this. The strength of this force is at constant effective current strength of the field strength in the annular gap 19 dependent. This can in the case of one, electromagnet set by a variable direct current source 26 will.

Würde es bei dem schwingenden System, beispielsweise durch plötzliche Belastung der Spindel, welche im physikalischen Sinne eine Dämpfung des Schwingungssystems darstellt, zu einer geringfügigen Frequenzänderung kommen, so wäre die durch den Phasenschieber 22 eingestellte Phasenverschiebung des Geber signals nicht mehr optimal, was sich in einem Rückgang des Gebersignals unter den maximal möglichen Wert äußern würde. Der Maximalwertregler 24 verschiebt daraufhin über den Phasenschieber 22 die Phasenlage des Gebersignals so, daß wieder die maximal -mögliche Amplitude erreicht wird. Would it be in the case of the vibrating system, for example through sudden Load on the spindle, which in the physical sense damps the vibration system represents a slight change in frequency, it would be caused by the Phase shifter 22 set phase shift of the encoder signal no longer optimal, which manifests itself in a decrease in the encoder signal below the maximum possible value would. The maximum value controller 24 then shifts via the phase shifter 22 the phase position of the encoder signal so that the maximum possible amplitude is reached again will.

Da bei dem ruhenden Feder-Masse-System der Geber 20 kein periodisches Signal liefern würde, welches für einen -geregelten Antrieb nutzbar wäre, kann die Spule 18 über einen Druckschalter 27 kurzzeitig mit einem regelbaren Sinusgenerator 29 verbundenwerden, welcher in etwa auf die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems eingestellt wird. Dadurch wird das System zwangsweise in Schwingungen versetzt, welche beim Geber 20 zu einem auswertbaren Signal führen, welches die weitere geregelte Stromzuführung zur Spule 18 ermöglicht. Since in the stationary spring-mass system, the encoder 20 is not a periodic Would provide a signal that could be used for a -controlled drive, the Coil 18 briefly via a pressure switch 27 with a controllable sine wave generator 29, which is approximately at the resonance frequency of the spring-mass system is set. This makes the system compulsory in vibrations offset, which lead to an evaluable signal at the encoder 20, which the further regulated power supply to the coil 18 allows.

Bei der Auslegung des Phasenschiebers 22 sowie der Polung des Gebers 20 ist zu beachten, daR die gesamte Phasenverschiebung, welche das Gebersignal bis zum Eingang in die Spule 18 erfährt, etwa +900 bzw. -270 beträgt. Die periodische Kraft hat dann die günstigste Phasenlage in bezug auf die Schwingungen des Feder-Masse-Systems.When designing the phase shifter 22 and the polarity of the encoder 20 it should be noted that the total phase shift, which the encoder signal up to to the input into the coil 18 learns, is approximately +900 or -270. The periodic Force then has the most favorable phase position in relation to the vibrations of the spring-mass system.

Claims

Device and method for rapid axial reciprocation a spindle PATENT CLAIMS Device for rapid axial reciprocation a spindle (1), in particular a grinding spindle, in its bearing (2, 3) a spring (7, 8) which acts axially on the spindle and which, together with the spindle, is an oscillatory Forms the spring-mass system, whereby the spring-mass system by means of an over the position the spindle controllable, periodically acting power source (9, 18) can be set in resonance is, thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the phase position between the oscillations the spindle (1) and the periods of the power source (9, 18) can be changed.

2. Device according to claim 1, g e k e n n z e i c h -n e t through a position or position encoder (20) for determining the current phase position the spindle (1) with respect to a stationary reference point, one with the path or Position sensor in operative connection phase shifter device (22) and thereby g e k e n n -z e i c h n e t that the power source (9,18) over the phase shifter device is controllable.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized g ek e n n z e i c h n e t that to start the oscillating movement the power source (9, 18) with a predetermined periodic signal (sine generator 29), especially at the resonance frequency, can be controlled for a short time.

Device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that it is not z e i c h n e t that the power source (9) is designed as a counter mass and with the free spring end of the spring-mass system is connected.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the power source (9, 18) is designed as an electromagnetic drive is.

6. Device according to claim 5, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the electromagnetic drive has a magnetic pot circle (9) with a to the spindle coaxial annular gap (19), in which one with the spindle frictionally connected coil (1-8) protrudes with a controllable electrical energy source (22.25) is connected.

7. Procedure for regulating the phase position between the oscillations the spindle and the periods of the power source of a device according to one of the claims 1 to 6 by the fact that the vibration amplitude of the spindle measured and the phase position of the power source via a feedforward controller to maximum Vibration amplitude is set.