RESONANZVERFAHREN FÜR EIN SCHWINGUNGSSYSTEM, EINEN UMRICHTER, EINE ANREGUNGSEINHEIT UND DAS SCHWINGUNGSSYSTEM

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Resonanzverfahren (1) für ein Schwingungssystem (2) zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit (4) mit einer Schwingungsmasse (3), aufweisend die Schritte einer Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3), einer Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x), einer Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θ_m) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v), einer Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θ_m) mittels eines Korrekturwerts (k_θ) zu einer korrigierten Phasenlage (θ_k), einer Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ω_el) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θ_k), einer Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θ_el) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ω_el), einer Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (k_F) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θ_el) und einer Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (k_F) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14). Ferner betrifft die Erfindung einen Umrichter (20), eine Anregungseinheit (4) mit dem Umrichter (20) und das Schwingungssystem (2) mit der Anregungseinheit (4) und der Schwingungsmasse (3).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Resonanzverfahren für ein Schwingungssystem zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Umrichter, die Anregungseinheit und das Schwingungssystem.

[0002] Industrielle Anwendungen mit einer elektromechanischen Anregungseinheit zum Erzeugen von Schwingungen einer Schwingungsmasse, bei denen ein schwingfähiges System, im Weiteren Schwingungssystem genannt, mit der Schwingungsmasse im Bereich einer Resonanzfrequenz angeregt werden soll, bedürfen grundsätzlich einer Ermittlung bzw. Abschätzung dieser Resonanzfrequenz bzw. der Herstellung des Zustands des resonanten Schwingens von Anregungseinheit und der in Schwingungen zu versetzenden Schwingungsmasse, um das Betriebsverhalten des Schwingungssystems energieeffizient, zuverlässig und aufwandsarm steuern bzw. regeln zu können.

[0003] Dabei umfasst die Anregungseinheit üblicherweise Elektromagneten, welche mittels elektrischer Umrichter betreibbar sind, und die Schwingungsmasse basierend auf einer induktiven Energieübertragung in Schwingungen versetzen.

[0004] Selbst geringe Abweichungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse können zu erheblichen Einbußen bei der Energieeffizienz/ dem Wirkungsgrad bzw. der Güte des angestrebten Betriebsverhaltens/ der Zuverlässigkeit der jeweiligen Anwendung führen.

[0005] So bedingt die bisher separat zum eigentlichen Betrieb auszuführende Ermittlung der Resonanzfrequenz bzw. des eingeschwungenen, resonanten Schwingungszustands von Anregungseinheit und Schwingungsmasse bei entsprechenden Maschinen und Geräten im Produktionseinsatz oftmals erhebliche Stillstandszeiten, die grundsätzlich einen zusätzlichen Aufwand zum jeweiligen Produktionsprozess erfordern und somit auch nicht zu vernachlässigende Kosten verursachen.

[0006] Ein solches Schwingungssystem wird beispielsweise als Reibschweißmaschine oder Schwingförderer eingesetzt.

[0007] Am Beispiel der Reibschweißmaschine kann der prinzipielle Prozess eines derartigen Schwingungssysteme kurz umrissen werden. Zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück wird die Schwingungsmasse, welche einen ersten Werkstückträger und das damit verbundenen ersten Werkstück aufweist, mittels einer Anregungseinheit in erzwungene Schwingungen versetzt. Die Schwingungsmasse ist in der Regel mittels einer Federvorrichtung schwingbar gelagert.

[0008] Zur Erzeugung der Reibungswärme für diesen Produktionsprozess wird das erste Werkstück an dem zweiten Werkstück, welches mit einem im Allgemeinen feststehenden zweiten Werkstückträger verbunden ist, bis zum Verschweißen gerieben.

[0009] Erfolgt diese Anregung mit der Resonanzfrequenz, also in Schwingungsresonanz zwischen Anregungseinheit und Schwingungsmasse, lässt sich die gewünschte Schwingung mit einem besonders niedrigem Energieaufwand erzeugen.

[0010] Diese Resonanzfrequenz des Schwingungssystems wird maßgeblich durch die Schwingungsmasse, welche hier das erste Werkstück umfasst, und der schwingungsfähigen Lagerung der Schwingungsmasse, also der Federsteifigkeit der verwendeten Federvorrichtung bestimmt.

[0011] Da das erste Werkstück zur Schwingungsmasse beiträgt, ist nach einem Werkstückwechsel des ersten Werkzeugs, sofern sich insbesondere die Masse des ersten Werkstücks ändert, ein erneutes Bestimmen der Resonanzfrequenz, also des resonanten Schwingungszustands von Anregungseinheit und Schwingungsmasse zwingend und mit erheblichem Aufwand erforderlich.

[0012] Andernfalls arbeitet das Schwingungssystem insbesondere energetisch nicht optimal, wodurch sich dessen Wirkungsgrad stark verringert bzw. ggf. auch die gewünschte Schwingamplitude nicht erreicht werden kann und die geforderte Schweißqualität eher mangelhaft wird.

[0013] Bisherige Anwendungen, wie die des Reibschweißens, verwenden überwiegend präoperative Methoden zur Ermittlung/Abschätzung der Resonanzfrequenz, um anschließend damit die Schwingungsmasse mittels der Anregungseinheit anzuregen und den geforderten resonanten Schwingungszustand von Anregungseinheit und Schwingungsmasse zu erreichen.

[0014] So wird die gesuchte Resonanzfrequenz mittels eines eigenständigen Hochlaufversuchs vor dem eigentlichen Produktionsprozess ermittelt und danach damit betreibt, bis eine erneuter Hochlaufversuch aufgrund des Einsatzes eines neuen ersten Werkstücks notwendig wird oder zwischenzeitlich auftretende unerwünschte Abweichungen beim Produktionsprozess eine Korrektur notwendig machen.

[0015] Das bedeutet, dass hier die Anregung der Schwingung nur auf Basis der durch den Hochlaufversuch ermittelten Frequenz erfolgt, welche die im tatsächlichen Produktionsprozess geforderte Resonanzfrequenz für den resonanten Schwingungszustand von Anregungseinheit und Schwingungsmasse, welche sich aufgrund von Verschleiß, Temperaturunterschieden, Materialabtrag etc. auch während des Betriebs im Produktionsprozess ändern kann, oftmals nur unzureichend trifft.

[0016] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Resonanzverfahren, einen Umrichter, eine Anregungseinheit und ein Schwingungssystem vorzuschlagen, welche einen erforderlichen resonanten Schwingungszustand zur resonanten Schwingung von der Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse des Schwingungssystems während des Produktionsbetriebs kontinuierlich ermitteln und das Schwingungssystem damit betrieben wird.

[0017] Die Aufgabe wird durch ein Resonanzverfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen, durch einen Umrichter nach den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen, durch eine Anregungseinheit mit dem Umrichter nach den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen und ein Schwingungssystem mit der Anregungseinheit nach den in Anspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst.

[0018] Für die Lösung der Aufgabe wird ein Resonanzverfahren für ein Schwingungssystem zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse vorgeschlagen, aufweisend die Schritte einer Auslenkungserfassung einer Auslenkung der Schwingungsmasse, einer Geschwindigkeitsbildung einer Geschwindigkeit der Schwingmasse mittels Differenzierung der Auslenkung, einer Phasenlageerzeugung einer mechanischen Phasenlage mittels der Auslenkung und der Geschwindigkeit, einer Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage mittels eines Korrekturwerts zu einer korrigierten Phasenlage, einer Frequenzbildung einer elektrischen Kreisfrequenz mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage, einer Phasenlagebildung einer elektrischen Phasenlage mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz, einer Faktorbildung eines Korrekturfaktors mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage und einer Sollwertbeaufschlagung eines Anregungssollwerts mit dem Korrekturfaktor zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts.

[0019] Das Verfahren basiert in vorteilhafter Weise auf der gedanklichen Einschränkung der Bewegungsfreiheit (dem Freiheitsgrad) der Schwingungsmasse und auf deren Resonanzfrequenz (hier der elektrischen Kreisfrequenz) gegenüber der Anregungseinheit.

[0020] Die Istposition der mittels der Auslenkungserfassung erfassten Auslenkung der Schwingungsmasse wird dazu in einen Vektor überführt, die Abszisse ist die erfasste Auslenkung und die Ordinate ist die mittels der Geschwindigkeitsbildung gebildete Geschwindigkeit der Schwingmasse als Differenzierung der Auslenkung gemäß der Formel

wobei v die Geschwindigkeit, x die erfasste Auslenkung und t die Zeit ist.

[0021] Die durch die Phasenlageerzeugung erzeugte mechanische Phasenlage ergibt sich beispielsweise vorteilhaft mittels einer arctan2-Funktion auf Basis der Auslenkung und der Geschwindigkeit gemäß der Formel

wobei θ_m die mechanische Phasenlage, v die Geschwindigkeit und x die Auslenkung ist.

[0022] In bevorzugter Weise wird als Geschwindigkeit eine normierte Geschwindigkeit zur Erzeugung der mechanischen Phasenlagen gewählt.

[0023] Mittels der Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage ergibt sich kontinuierlich in vorteilhafter Weise durch einen eines Korrekturwert die korrigierte Phasenlage.

[0024] Für die Frequenzbildung der elektrischen Kreisfrequenz kann anstatt der P-Reglung (mit Verstärkungsanteil K_p) auch eine PI-Reglung (mit Verstärkungsanteil K_p und Integralanteil I) oder auch eine PID-Reglung (mit Verstärkungsanteil K_p, Integralanteil I und Differenzieranteil D) auf Basis der korrigierten Phasenlage eingesetzt werden, was die P-Reglung qualitativ im Sinne mehr Reglungsqualität erhöhen kann.

[0025] Die sich bildende elektrische Kreisfrequenz ist dabei auch als aktuelle Schwingfrequenz (angeforderte Resonanzfrequenz) bzw. letzte aktuelle Schwingfrequenz (letzte angeforderte Resonanzfrequenz) zu verstehen. Ein gezieltes Einlernen der Reglung ist somit nicht notwendig.

[0026] Für die Phasenlagebildung der elektrischen Phasenlage wird in vorteilhafter Weise die elektrische Kreisfrequenz integriert.

[0027] Die Faktorbildung des Korrekturfaktors erfolgt mittels der trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage, beispielsweise durch eine Sinus-Funktion gemäß der Formel

wobei k_F der Korrekturfaktur und θ_el die elektrische Phasenlage ist.

[0028] Mittels der Sollwertbeaufschlagung wird der Anregungssollwerts als elektrischer Wert für eine schwingungserzeugende Kraft der Anregungseinheit zur Anregung der Schwingungsmasse mit dem Korrekturfaktor vorteilhaft korrigiert, derart, dass für die zu erzielende resonante Schwingung von Anregungseinheit und Schwingungsmasse ein korrigierter elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft als korrigierter Anregungssollwert erzeugt wird.

[0029] Mit diesem korrigierter Anregungssollwert wird beispielsweise ein Elektromagnet von der Anregungseinheit elektrisch angeregt, was die entsprechende resonante Schwingung von Anregungseinheit und Schwingungsmasse erzeugt.

[0030] Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Resonanzverfahren sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0031] Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens weist das Resonanzverfahren den Schritt Geschwindigkeitsnormierung der Geschwindigkeit mittels der elektrischen Kreisfrequenz zu einer normierten Geschwindigkeit auf, wobei die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividiert wird.

[0032] Um die Geschwindigkeit in vorteilhafter Weise auf die elektrische Kreisfrequenz abzubilden, wird die Geschwindigkeit auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz in die normierte Geschwindigkeit überführt gemäß der Formel

wobei v_n die normierte Geschwindigkeit, ω_el die elektrische Kreisfrequenz, x die Auslenkung und t die Zeit ist.

[0033] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist zur Phasenlagekorrektur der Korrekturwert die rückgeführte elektrische Phasenlage und wird vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahiert.

[0034] Somit stellt sich aus Sicht der Reglung eine ausgeregelte Phasenlage ein, wobei die mechanische Phasenlage solang korrigiert wird, bis die korrigierten Phasenlage einen Wert von annähernd 0 annimmt.

[0035] Die in einer Reglungsschleife zur mechanischen Phasenlage als Korrekturwert zurückgeführte elektrische Phasenlage kann auch unter Berücksichtigung der Vorzeichen der mechanischen Phasenlage und der elektrischer Phasenlage auf die mechanische Phasenlage addiert werden.

[0036] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Verfahrensinitialisierung eine initiale Kreisfrequenz vorgegeben oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz verwendet.

[0037] Um das Resonanzverfahren z.B. bei dessen Start zu initialisieren, kann bei der Verfahrensinitialisierung bevorzugt die initiale Kreisfrequenz als z.B. ein Parameter vorgegeben werden, welcher auch schon der gewünschten Resonanzfrequenz entsprechen kann.

[0038] Es ist ebenso vorteilhaft möglich, z.B. bei Störungen oder einem Neuaufsetzen der Reglung nach einem Ausfall des Resonanzverfahrens, auf die letzte bekannt elektrische Kreisfrequenz zurückzugreifen.

[0039] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist die mechanische Phasenlage insbesondere zwischen einer Auslenkungsamplitude der Auslenkung und der Geschwindigkeit oder zwischen einer Auslenkungsamplitude der Auslenkung und der Auslenkung bestimmt.

[0040] Die Auslenkungsamplitude kann ermittelt werden gemäß der Formel

wobei x_a die Auslenkungsamplitude, x die Auslenkung und v die Geschwindigkeit ist.

[0041] In bevorzugter Weise wird als Geschwindigkeit die normierte Geschwindigkeit zur Ermittlung der Auslenkungsamplitude gewählt.

[0042] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Auslenkungserfassung ein Auslenkungssignal von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasst und das Auslenkungssignal in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse um einen Gleichanteil korrigiert, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass ermittelt wird.

[0043] Die Auslenkungsmessvorrichtung misst dabei die Auslenkung der Schwingungsmasse gegenüber einer Ruheposition der Schwingungsmasse und stellt die Auslenkung in dem Auslenkungssignal für eine Weiterverarbeitung dem Resonanzverfahren bereit.

[0044] Mittels des Gleichanteilparameter oder des Gleichanteilhochpasses kann eine Korrektur des mit dem Auslenkungssignal behafteten Auslenkungsmesswerts der Auslenkung bzgl. des Einbauortes der Auslenkungsmessvorrichtung vorgenommen werden.

[0045] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens ist der Anregungssollwert ein Sollstrom und der korrigierte Anregungssollwert ein korrigierter Sollstrom.

[0046] Der Anregungssollwert als elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft und der korrigierte Anregungssollwert als korrigierter elektrischer Wert für die schwingungserzeugende Kraft zur Ansteuerung der Elektromagneten, z.B. mittels eines elektrischen Umrichters, ist jeweils in vorteilhafter Weise als Sollstrom zur Erzeugung einer kraftbildenten Schwingungsanregung ausgebildet. Grundsätzlich ist dazu jeweils auch eine entsprechende Sollspannung geeignet.

[0047] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Resonanzverfahrens wird zur Störungsüberwachung die elektrische Kreisfrequenz auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse überwacht.

[0048] Die elektrische Kreisfrequenz kann dazu in vorteilhafter Weise durch eine Frequenzuntergrenze auf eine Unterschreitung der elektrischen Kreisfrequenz und oder eine Frequenzobergrenze auf eine Unterschreitung der elektrischen Kreisfrequenz überwacht werden.

[0049] Für die Lösung der Aufgabe wird weiterhin ein Umrichter vorgeschlagen, welcher ein Erfassungsmittel, ausgebildet zur Auslenkungserfassung einer Auslenkung der Schwingungsmasse, ein erstes Bildungsmittel, ausgebildet zur Geschwindigkeitsbildung einer Geschwindigkeit der Schwingmasse mittels Differenzierung der Auslenkung, ein Erzeugungsmittel, ausgebildet zur Phasenlageerzeugung einer mechanischen Phasenlage mittels der Auslenkung und der Geschwindigkeit, ein Korrekturmittel, ausgebildet zur Phasenlagekorrektur der mechanischen Phasenlage mittels eines Korrekturwerts zu einer korrigierten Phasenlage, ein zweites Bildungsmittel, ausgebildet zur Frequenzbildung einer elektrischen Kreisfrequenz mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage, ein drittes Bildungsmittel, ausgebildet zur Phasenlagebildung einer elektrischen Phasenlage mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz, ein viertes Bildungsmittel, ausgebildet zur Faktorbildung eines Korrekturfaktors mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage und ein Beaufschlagungsmittel, ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung eines Anregungssollwerts mit dem Korrekturfaktor zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts aufweist.

[0050] Bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform des Umrichters weist der Umrichter ein Normierungsmittel auf, ausgebildet zur Geschwindigkeitsnormierung der Geschwindigkeit mittels der elektrischen Kreisfrequenz zu einer normierten Geschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividierbar ist.

[0051] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform des Umrichters ist zur Phasenlagekorrektur als Korrekturwert die rückgeführte elektrische Phasenlage vorgesehen und ist vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahierbar.

[0052] Grundsätzlich ist der Umrichter dazu ausgebildet, das oben dargestellt erfindungsgemäße Resonanzverfahren auszuführen.

[0053] Für die Lösung der Aufgabe wird ebenfalls eine Anregungseinheit vorgeschlagen, welche mindestens einen Elektromagneten zur Anregung der Schwingungsmasse, den erfindungsgemäßen Umrichter zum Betrieb des mindestens einen Elektromagneten und eine Auslenkungsmessvorrichtung zur Messung der Auslenkung der Schwingungsmasse gegenüber einer Ruheposition der Schwingungsmasse aufweist.

[0054] Die mittels der Auslenkungsmessvorrichtung gemessene Auslenkung wird durch ein Auslenkungssignal an das Erfassungsmittel des Umrichters zur Auslenkungserfassung übertragen.

[0055] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Anregungseinheit weist die Anregungseinheit zumindest ein Federelement auf, wobei das zumindest eine Federelement mit der Schwingungsmasse verbunden ist.

[0056] Denkbar sind hier auch Lösungen mit zwei oder mehreren Federelementen, mittels derer die Schwingungsmasse schwingbar gelagert ist.

[0057] Für die Lösung der Aufgabe wird auch ein Schwingungssystem vorgeschlagen, welches die erfindungsgemäße Anregungseinheit und die Schwingungsmasse aufweist.

[0058] Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des Schwingungssystems ist das Schwingungssystem als Reibschweißvorrichtung oder als Transportvorrichtung hergerichtet.

[0059] Transportvorrichtung sind z.B. Fördervorrichtungen zum Materialtransport (sogenannte Rüttler oder Schwingförderer), welche ihr Transportgut durch in Schwingungen gesetzte Transportbänder befördern.

[0060] Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:

FIG 1

ein Struktogramm des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens,

FIG 2

eine schematische Regelungsdarstellung des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens und

FIG 3

eine schematische Darstellung einer Reibschweißvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Umrichter, der erfindungsgemäßen Anregungseinheit und dem erfindungsgemäßen Schwingungssystem.

[0061] Die FIG 1 zeigt ein Struktogramm des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens 1 mit Verfahrensschritten für ein resonantes Schwingen einer Anregungseinheit mit einer Schwingungsmasse.

[0062] Während der Auslenkungserfassung 5 wird eine Auslenkung der Schwingungsmasse erfasst. Ein dazu von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasstes Auslenkungssignal kann in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse um einen Gleichanteil korrigiert werden, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter 34 vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass 19 ermittelt werden kann.

[0063] Mittels Differenzierung der Auslenkung wird bei der Geschwindigkeitsbildung 6 eine Geschwindigkeit der Schwingmasse gebildet, wobei die Geschwindigkeit auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz in eine normierte Geschwindigkeit überführt wird, indem die Geschwindigkeit durch die elektrische Kreisfrequenz dividiert wird.

[0064] Bei der Phasenlageerzeugung 7 wird eine mechanischen Phasenlage auf Basis der Auslenkung und der Geschwindigkeit erzeugt.

[0065] Über die Phasenlagekorrektur 8 wird die mechanische Phasenlage durch einen Korrekturwert in eine korrigierte Phasenlage gewandelt. Der Korrekturwert ist dabei die in einer Reglungsschleife rückgeführte elektrische Phasenlage, wobei vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage von der mechanischen Phasenlage subtrahiert wird.

[0066] Eine Frequenzbildung 9 einer elektrischen Kreisfrequenz erfolgt mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage. Für die Frequenzbildung 9 kann die P-Reglung auch als PI-Reglung oder auch als PID-Reglung ausgebildet sein.

[0067] Für eine Verfahrensinitialisierung 16 kann eine initiale Kreisfrequenz vorgegeben werden oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz verwendet werden.

[0068] Weiterhin kann zu einer Störungsüberwachung 33 die elektrische Kreisfrequenz auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit und Schwingungsmasse überwacht werden. Typische Störungen können ihre Ursache z.B. in mechanischen Defekten beim Schwingen der Schwingungsmasse haben, so dass sich die geforderte elektrische Kreisfrequenz zu gering oder zu hoch werden kann und das Resonanzverfahren ggf. abgebrochen werden muss.

[0069] Bei der Phasenlagebildung 10 einer elektrischen Phasenlage erfolgt eine Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz.

[0070] Während der Faktorbildung 11 eines Korrekturfaktors kommt eine trigonometrische Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage zum Einsatz und der Korrekturfaktor korrigiert während einer Sollwertbeaufschlagung 12 einen Anregungssollwerts auf einen korrigierten Anregungssollwerts.

[0071] In FIG 2 wird eine schematische Regelungsdarstellung des erfindungsgemäßen Resonanzverfahrens 1 gezeigt. Dabei kann das Resonanzverfahren 1 von einem Umrichter, insbesondere von einer Reglungseinheit des Umrichters, ausgeführt werden.

[0072] Ein Erfassungsmittel 21 ist zur Auslenkungserfassung 5 einer Auslenkung x der Schwingungsmasse ausgebildet. Ein als Auslenkung x von einer Auslenkungsmessvorrichtung erfasstes Auslenkungssignal wird, in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung gegenüber der Schwingungsmasse, durch ein Hochpassmittel 37 von einem Gleichanteilhochpass 19 um einen Gleichanteil korrigiert.

[0073] Ein erstes Bildungsmittel 22 differenziert die Auslenkung x mittels der Geschwindigkeitsbildung 6 zu einer Geschwindigkeit v der Schwingmasse. Die Geschwindigkeit v wird weiterhin durch ein Normierungsmittel 35 in einer Geschwindigkeitsnormierung 15 auf Basis einer zurückgeführten elektrischen Kreisfrequenz ω_el in eine normierte Geschwindigkeit v_n überführt, indem die Geschwindigkeit v durch die elektrische Kreisfrequenz ω_el dividiert wird.

[0074] Ein Erzeugungsmittel 23 ist zur Phasenlageerzeugung 7 einer mechanischen Phasenlage θ_m ausgebildet, was auf Basis der Auslenkung x und der Geschwindigkeit v erfolgt.

[0075] Ein Korrekturmittel 24 ist zur Phasenlagekorrektur 8 der mechanischen Phasenlage θ_m ausgebildet, wobei die mechanische Phasenlage θ_m mittels eines Korrekturwerts k_θ in eine korrigierte Phasenlage θ_k überführt wird. Als Korrekturwert k_θ wird eine rückgeführte elektrische Phasenlage θ_el eingesetzt, wobei die rückgeführte elektrische Phasenlage θ_el von der mechanischen Phasenlage θ_m subtrahiert wird.

[0076] Ein zweites Bildungsmittel 25 ist zur Frequenzbildung 9 der elektrischen Kreisfrequenz ω_el mittels hier einer P-Reglung, welche auch eine PI-Reglung oder eine PID-Reglung sein kann, auf Basis der korrigierten Phasenlage θ_k ausgebildet. Die elektrischen Kreisfrequenz ω_el wird an dieser Stelle zum Normierungsmittel 35 für die Geschwindigkeitsnormierung 15 zurückgegeben.

[0077] Von einem Initialisierungsmittel 36 kann zur Verfahrensinitialisierung 16 eine initiale Kreisfrequenz ω_in vorgegeben werden.

[0078] Durch ein drittes Bildungsmittel 26 erfolgt eine Phasenlagebildung 10 der elektrischen Phasenlage θ_el mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz ω_el. Die elektrischen Phasenlage θ_el wird an dieser Stelle zum Korrekturmittel 24 für die Phasenlagekorrektur 8 zurückgeführt.

[0079] Von einem vierten Bildungsmittel 27 wird eine Faktorbildung 11 eines Korrekturfaktors k_F mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage θ_el durchgeführt.

[0080] Ein Beaufschlagungsmittel 28, ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung 12 eines Anregungssollwerts 13 in Form eines Sollstroms I_s mit dem Korrekturfaktor k_F, erzeugt einen korrigierten Anregungssollwerts 14 in Form eines korrigierten Sollstroms I_sk. Mit diesem korrigierten Sollstroms I_sk wird insbesondere ein Elektromagnet betrieben, welcher von der Anregungseinheit umfasst ist und die Schwingungsmasse zum resonanten Schwingen anregt.

[0081] Mittels FIG 3 wird eine schematische Darstellung einer Reibschweißvorrichtung 32 mit dem erfindungsgemäßen Umrichter 20, der erfindungsgemäßen Anregungseinheit 4 und dem erfindungsgemäßen Schwingungssystem 2 dargestellt.

[0082] Das Schwingungssystem 2 ist hier beispielhaft als Reibschweißvorrichtung 32 mit der Anregungseinheit 4 und einer Schwingmasse 3 ausgebildet.

[0083] An der Schwingungsmasse 3 ist ein erstes Befestigungsmittel 41 für ein erstes Werkstück 43 angeordnet. Die Schwingungsmasse 3 mit dem ersten Befestigungsmittel 41 und dem ersten Werkstück 43 ist schwingungsfähig gelagert.

[0084] Unmittelbar gegenüber dem ersten Werkstück 43 ist ein zweites Werkstück 44 mit einem zweiten Befestigungsmittel 42 verbunden. Das zweite Werkstück 44 am zweiten Befestigungsmittel 42 ist dabei gegenüber dem ersten Werkstück 43 fest fixiert und nicht schwingbar gelagert.

[0085] Die Anregungseinheit 4 zur Schwingungsanregung der Schwingmasse 3 umfasst den Umrichter 20, einen Elektromagnet 29, einen weiteren Elektromagneten 30, eine erstes und zweites Federelement 38,39 zur schwingungsfähigen Lagerung der Schwingungsmasse 3, eine Auslenkungsmessvorrichtung 18 sowie ein von der Auslenkungsmessvorrichtung 18 an den Umrichter 20 übermitteltes Auslenkungssignal, welches einen gemessenen Istwert der Auslenkung aufweist.

[0086] Die Messung der Auslenkung mittels der Auslenkungsmessvorrichtung 18 erfolgt gegenüber einer Ruheposition 31 der Schwingungsmasse 3.

[0087] Mittels des Umrichters 20, insbesondere mittels der Reglungseinheit 40 des Umrichters 20, ist das erfindungsgemäße Reglungsverfahren ausführbar.

[0088] Im Betrieb der Reibschweißvorrichtung 32 wird das am ersten Befestigungsmittel 41 der Schwingungsmasse 3 befestigte erste Werkstück 43 in resonante Schwingungen mit der Anregungseinheit 4 versetzt. Das in Schwingungen versetzte erste Werkstück 43 reibt sich an dem fest fixierten und nicht schwingbaren zweiten Werkstück 44, wobei Reibungswärme entsteht und beide Werkstücke 43,44 miteinander energieeffizient und in hoher Herstellungsqualität verschweißt werden.

Ansprüche

1. Resonanzverfahren (1) für ein Schwingungssystem (2) zum resonanten Schwingen einer Anregungseinheit (4) mit einer Schwingungsmasse (3), aufweisend die Schritte

- Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3),

- Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x),

- Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θ_m) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v),

- Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θ_m) mittels eines Korrekturwerts (k_θ) zu einer korrigierten Phasenlage (θ_k),

- Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ω_el) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θ_k),

- Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θ_el) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ω_el),

- Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (k_F) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θ_el) und

- Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (k_F) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14).

2. Resonanzverfahren (1) nach Anspruch 1, aufweisend den Schritt Geschwindigkeitsnormierung (15) der Geschwindigkeit (v) mittels der elektrischen Kreisfrequenz (ω_el) zu einer normierten Geschwindigkeit (v_n), wobei die Geschwindigkeit (v) durch die elektrische Kreisfrequenz (ω_el) dividiert wird.

3. Resonanzverfahren (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zur Phasenlagekorrektur (8) der Korrekturwert (k_θ) die rückgeführte elektrische Phasenlage (θ_el) ist und vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage (θ_el) von der mechanischen Phasenlage (θ_m) subtrahiert wird.

4. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verfahrensinitialisierung (16) eine initiale Kreisfrequenz (ω_in) vorgegeben oder die letzte bekannte elektrische Kreisfrequenz (ω_el) verwendet wird.

5. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mechanische Phasenlage (θ_m) zwischen einer Auslenkungsamplitude (x_a) der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v) oder als Phasenlage zwischen einer Auslenkungsamplitude (x_a) der Auslenkung (x) und der Auslenkung (x) bestimmt ist.

6. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Auslenkungserfassung (5) ein Auslenkungssignal (17) von einer Auslenkungsmessvorrichtung (18) erfasst und das Auslenkungssignal (17) in Abhängigkeit vom Einbauort der Auslenkungsmessvorrichtung (18) gegenüber der Schwingungsmasse (3) um einen Gleichanteil korrigiert wird, wobei der Gleichanteil durch einen Gleichanteilparameter (34) vorgegeben oder durch einen Gleichanteilhochpass (19) ermittelt wird.

7. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anregungssollwert (13) ein Sollstrom (I_s) und der korrigierte Anregungssollwert (14) ein korrigierter Sollstrom (I_sk) ist.

8. Resonanzverfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Störungsüberwachung (33) die elektrische Kreisfrequenz (ω_el) auf Störungen beim resonanten Schwingen von Anregungseinheit (4) und Schwingungsmasse (3) überwacht wird.

9. Umrichter (20), aufweisend

- ein Erfassungsmittel (21), ausgebildet zur Auslenkungserfassung (5) einer Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3),

- ein erstes Bildungsmittel (22), ausgebildet zur Geschwindigkeitsbildung (6) einer Geschwindigkeit (v) der Schwingmasse (3) mittels Differenzierung der Auslenkung (x),

- ein Erzeugungsmittel (23), ausgebildet zur Phasenlageerzeugung (7) einer mechanischen Phasenlage (θ_m) mittels der Auslenkung (x) und der Geschwindigkeit (v),

- ein Korrekturmittel (24), ausgebildet zur Phasenlagekorrektur (8) der mechanischen Phasenlage (θ_m) mittels eines Korrekturwerts (k_θ) zu einer korrigierten Phasenlage (θ_k),

- ein zweites Bildungsmittel (25), ausgebildet zur Frequenzbildung (9) einer elektrischen Kreisfrequenz (ω_el) mittels zumindest einer P-Reglung auf Basis der korrigierten Phasenlage (θk),

- ein drittes Bildungsmittel (26), ausgebildet zur Phasenlagebildung (10) einer elektrischen Phasenlage (θ_el) mittels Integration auf Basis der elektrischen Kreisfrequenz (ω_el),

- ein viertes Bildungsmittel (27), ausgebildet zur Faktorbildung (11) eines Korrekturfaktors (k_F) mittels einer trigonometrischen Funktion auf Basis der elektrischen Phasenlage (θ_el) und

- ein Beaufschlagungsmittel (28), ausgebildet zur Sollwertbeaufschlagung (12) eines Anregungssollwerts (13) mit dem Korrekturfaktor (k_F) zur Erzeugung eines korrigierten Anregungssollwerts (14).

10. Umrichter (20) nach Anspruch 9, aufweisend ein Normierungsmittel (35), ausgebildet zur Geschwindigkeitsnormierung (15) der Geschwindigkeit (v) mittels der elektrischen Kreisfrequenz (ω_el) zu einer normierten Geschwindigkeit (v_n), wobei die Geschwindigkeit (v) durch die elektrische Kreisfrequenz (ω_el) dividierbar ist.

11. Umrichter (20) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei zur Phasenlagekorrektur (8) als Korrekturwert (k_θ) die rückgeführte elektrische Phasenlage (θ_el) vorgesehen ist und vorzugsweise die rückgeführte elektrische Phasenlage (θ_el) von der mechanischen Phasenlage (θ_m) subtrahierbar ist.

12. Anregungseinheit (4), aufweisend

- mindestens einen Elektromagneten (29) zur Anregung der Schwingungsmasse (3),

- einen Umrichter (20) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 zum Betrieb des mindestens einen Elektromagneten (29) und

- eine Auslenkungsmessvorrichtung (18) zur Messung der Auslenkung (x) der Schwingungsmasse (3) gegenüber einer Ruheposition (31) der Schwingungsmasse (3).

13. Anregungseinheit (4) nach Anspruch 12, aufweisend zumindest ein Federelement (38), wobei das zumindest eine Federelement (38) mit der Schwingungsmasse (3) verbunden ist.

14. Schwingungssystem (2), aufweisend eine Anregungseinheit (4) nach einem der Ansprüche 12 oder 13 und die Schwingungsmasse (3).

15. Schwingungssystem (2) nach Anspruch 14, hergerichtet als Reibschweißvorrichtung (32) oder als Transportvorrichtung.

Zeichnung