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WO2001001100A1 - Method and device for reducing wobbling of a rotating rotor body which is mounted in a freely suspended manner - Google Patents

Method and device for reducing wobbling of a rotating rotor body which is mounted in a freely suspended manner Download PDF

Info

Publication number
WO2001001100A1
WO2001001100A1 PCT/EP2000/004440 EP0004440W WO0101100A1 WO 2001001100 A1 WO2001001100 A1 WO 2001001100A1 EP 0004440 W EP0004440 W EP 0004440W WO 0101100 A1 WO0101100 A1 WO 0101100A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor body
position detector
rotation
rotating
mass distribution
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/004440
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christhard Deter
Original Assignee
Schneider Laser Technologies Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schneider Laser Technologies Aktiengesellschaft filed Critical Schneider Laser Technologies Aktiengesellschaft
Priority to JP2001506467A priority Critical patent/JP2003503697A/en
Priority to AU47575/00A priority patent/AU4757500A/en
Priority to EP00929534A priority patent/EP1110069A1/en
Publication of WO2001001100A1 publication Critical patent/WO2001001100A1/en

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/0408Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406Magnetic bearings
    • F16C32/044Active magnetic bearings
    • F16C32/0444Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/14Determining imbalance
    • G01M1/16Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested
    • G01M1/22Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested and converting vibrations due to imbalance into electric variables
    • G01M1/225Determining imbalance by oscillating or rotating the body to be tested and converting vibrations due to imbalance into electric variables for vehicle wheels
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/30Compensating imbalance
    • G01M1/32Compensating imbalance by adding material to the body to be tested, e.g. by correcting-weights
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M1/00Testing static or dynamic balance of machines or structures
    • G01M1/30Compensating imbalance
    • G01M1/34Compensating imbalance by removing material from the body to be tested, e.g. from the tread of tyres

Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the wobble movement in a freely suspended, rotating rotor body, and an apparatus for carrying out such a method.
  • a rotating, freely suspended rotor body has a spatially stable axis of rotation, which is determined by its main axis of inertia when the angular momentum of the angular momentum acting on it coincides with the main axis of inertia and no other disturbances act on it. If the rotor body is a rotationally symmetrical body, the main axis of inertia and thus the axis of rotation with its axis of symmetry coincide under the prerequisite that the symmetry is perfect and the body exhibits a completely homogeneous structure.
  • Real rotor bodies correspond to this ideal case due to unavoidable material inhomogeneities, manufacturing inaccuracies and the given situation
  • Skill tolerances are not. In contrast, they show more or less strong deviations, which lead to the fact that the main axis of inertia (as an axis of rotation in the case of free, floating suspension) no longer coincides with the axis of symmetry of the rotor body. If a disturbing torque acts on the overall system from the outside, this leads to an influence on the position of the angular momentum axis, which migrates from the main axis of inertia, due to the preservation of the angular momentum of the overall system. As long as no further external forces act on the rotor body, the angular momentum axis is then fixed in its orientation in space. The main axis of inertia moves on the surface of a cone, the so-called “nutation cone", around the axis of angular momentum.
  • the axis of rotation is impressed on it. As a rule, this axis of rotation does not match either the main axis of inertia or the axis of symmetry.
  • the rotor body then receives an "unbalance" due to the difference in position to the main axis of inertia and a “blow” due to the difference in position to the axis of symmetry. It is now possible to almost completely eliminate the unbalance by a suitable change in the mass distribution (material shift) on the rotor body. Forces that act on the rotor body as a result of an imbalance can be absorbed by the bearing, wherein the effects of an imbalance can be compensated for with sufficiently load-bearing bearings and high bearing damping.
  • Measuring device is carried out by means of a laser device.
  • the balancing takes place in a separate measuring device in which the rotor body is assigned a fixed bearing axis, which, however, no longer corresponds exactly to the bearing conditions later given in practical use of the balanced body.
  • the object of the invention is to propose a method with which an undesired wobble movement can be effectively reduced in the case of a freely suspended, rotating rotor body.
  • this is achieved by a method for reducing the wobble movement in the case of a freely suspended, rotating rotor body which is attached to its
  • Values belonging to the rotary positions of the rotor body are determined and control signals are calculated therefrom, with which a correction device is actuated which, during the or a subsequent rotation of the rotor body, causes a change in the mass distribution on the rotor body without contact and without influencing the reflection surfaces in such a way that the following rotation of the Rotor body determined difference between the smallest and largest value of the signals emitted by the position detector smaller than that at the previous revolution is certain difference until the determined difference is below a predetermined minimum value.
  • the measures for reducing the wobble movement are carried out directly on the freely suspended and rotating rotor body, without its axis of rotation being predetermined by a rigid bearing axis.
  • the fluid bearings such as gas bearings or liquid bearings, which can preferably be used for free-floating storage, and in particular also magnetic bearings, can be dimensioned such that the bearing axis effective for the rotor body is not rigidly fixed in terms of geometry and material.
  • magnetic bearings can be used, in particular, in which the axis of rotation of the rotor body can be freely set within certain limits and the mechanical guidance of the axis of rotation in a bearing axis, which is known from mechanical bearings and is determined by the bearing points, is eliminated.
  • the air gap in such magnetic bearings is, similarly as in suitable fluid bearings, relatively large compared to the usual deviations from the axis of rotation and
  • the method according to the invention creates a significant improvement in quality by acting in such a way that the position of the axis of rotation of the rotor body and its (positionally identical) main axis of inertia is brought into the best possible agreement with the position of the axis of symmetry, d. H. the axis of rotation is determined by the method steps of the invention in the direction of the best possible agreement with the position of the
  • the axis of symmetry is "traced” towards it until an optimal run is achieved.
  • the position of the main axis of inertia which does not coincide with the axis of rotation, is completely different in conventional balancing methods in which the position of the axis of rotation is unchanged by the mechanical bearing , "pulled” towards the axis of rotation until the occurring bearing forces generated by the unbalance are minimized.
  • this does not result in the axis of rotation being brought into better agreement with the axis of symmetry.
  • the method according to the invention leads to the great advantage that the position of the axis of rotation can be brought into good agreement with the position of the axis of symmetry, so that optimal running can be achieved. Since it is in the inventive Ultimately, the process is an iterative process, in principle the question of what can be achieved
  • the runout quality can be influenced and determined by the number of iteration steps carried out.
  • Rotor body takes place in a state (free floating) of the same, which is completely identical to the state that this rotor body assumes in its subsequent use.
  • the method according to the invention can even be carried out with a rotating, freely floating rotor body while it is even in the arrangement in which it is to be used.
  • the method according to the invention can be designed in quite different ways with regard to how strong a difference in the difference between the smallest and largest value of the signals emitted by the position detector is to be achieved in two revolutions of the rotor body.
  • z. B the possibility of designing the computer in such a way that it controls the correction device in such a way that the occurring difference between the maximum and minimum values of the signals emitted by the position detector is compensated for as completely as possible, so that this difference is as small as possible at the next reference revolution is.
  • the change in the mass distribution on the rotor body by the correction device can be carried out in any desired manner in terms of time, intensity and / or location.
  • the change in the mass distribution on the rotor body is particularly preferably carried out within locally limited areas, specifically by local mass removal or mass application.
  • the change in the mass distribution on the rotor body can be carried out in any suitable manner. However, it is particularly preferably carried out by laser radiation, electron radiation and / or ion radiation, with, again preferred, the radiation used being pulsed.
  • the radiation is advantageously pulsed synchronously with the speed of the rotor body.
  • the pulse time and / or the pulse length and / or the pulse frequency and / or the pulse power are set by the computer as a function of the signals supplied by the position detector.
  • the computer is given a system that is particularly suitable for the application.
  • the pulse regime of the radiation used is very particularly preferably triggered with the signal of the position detector, as a result of which a simple synchronization between the rotational speed of the rotor body and the pulsing of the radiation can be achieved.
  • a further advantageous embodiment of the method according to the invention also consists in the fact that the orientation of the radiation used relative to the rotor body is set via the control signals of the computer, so that the correction device, from the same starting point, the radiation used at different points of impact on the rotor body or at different positions of the Can align reflective surfaces.
  • the correction device is preferably deactivated if and as long as the ascertained difference between the smallest and the largest value of the signals emitted by the position detector fall below a predetermined lower limit value, ie when a predetermined axial run-out is achieved.
  • the method according to the invention can basically be carried out on the rotating rotor body at any speed which is not exactly one of its resonance frequencies. However, it is particularly preferred if the rotor body rotates at its nominal speed during the measurement and the change in the mass distribution.
  • the free-floating storage of the rotor body used can be carried out in any suitable manner.
  • the rotor body is advantageously in a passively superconducting
  • the rotor body could equally well be actively magnetically supported.
  • the method according to the invention is particularly preferably carried out with a rotor body which is designed as a mirror polygon or as a polygon scanner; in principle, however, it can be carried out with any type of rotor body.
  • any suitable measuring beam can be used as the measuring beam in the method according to the invention, but a laser beam is particularly preferably used as the measuring beam.
  • the invention also relates to an arrangement with which the method according to the invention can be carried out in a particularly advantageous manner.
  • this is an arrangement with a rotor body which can be set in rotation by a drive and has reflection surfaces on its outer circumference, furthermore with a bearing device for the freely suspended mounting of the rotor body when rotating, a light source for generating a rotating reflection surface of the rotating body Rotorkö ⁇ ers alignable measuring beam, a position detector for detecting the measuring beam reflected from the reflection surfaces, a device for continuously detecting the rotational angle positions of the rotor body, a correction device by means of which the mass distribution on the rotor body can be changed without contact, and with a computer, at the input of which the position detector and the Device for the continuous detection of the rotational angle position of the rotor body are connected and supplies the control signals to the correction device in such a way that the mass distribution on the Ro door body changed without contact.
  • a preferably pulsed laser generator is preferably provided as the correction device
  • YAG laser generator or is designed as an Eximer laser generator.
  • a CCD array is very particularly preferably selected as the position detector.
  • a laser generator is preferably also used as the device for generating the measuring beam.
  • The is preferred
  • Device for generating the measuring beam is arranged so that the orientation of the radiation position on the reflection surfaces is adjustable.
  • a mirror polygon or a polygon scanner is advantageously used as the rotor body and a passive superconducting device as the bearing device
  • Magnetic bearings or an active magnetic bearing provided.
  • another suitable storage device for free-floating storage e.g. B. a fluid bearing (such as a gas bearing).
  • Figure 1 is a (schematic) sectional view through an arrangement according to the invention with an actively magnet-mounted, disc-shaped mirror polygon as a rotor body.
  • FIG. 2 shows a top view of the mirror polygon in FIG. 1, showing the beam path of the reflected measuring beam
  • FIG. 3 shows a (basic) sectional view through an arrangement according to the invention with a passive and axially magnet-mounted mirror polygon as a rotor body;
  • Figure 4 is a graphical representation of the components of the pyramidal error of a rotating mirror polygon.
  • Fig. 5 shows the graphical representation corresponding to Fig. 4, but after compensation of the
  • Wobble, and 6 shows the pulse sequence of a pulsed laser source of the correction device and the pulse sequence of the laser radiation for laser ablation in a method according to the invention.
  • a polygon scanner is used as the rotor body 1, which is arranged in a housing 2.
  • This consists of an annular central part 3 (Fig. 2), in which a plane-parallel plate 4 is arranged as a transparent window for a measuring light beam 5 to be deflected from a (in Fig. 1 only indicated in principle) light source 6, such as a laser generator (Fig. 2).
  • a light source 6 such as a laser generator (Fig. 2).
  • the permanently magnetic mirror polygon 7 inserted in the polygon scanner 1 is inserted into the cavity of the central part 3, after which the central part 3 is closed in a vacuum-tight manner by a base plate 8 and a cover plate 9.
  • the base plate 8 and the cover plate 9 are made of glass and carry the magnet coils 10 for a magnetic bearing, the magnet coils 11 for a drive and permanent magnets 12.
  • the mirror polygon 7 rests on the base plate 8 or on the cover plate 9, which prevents damage to the reflection surfaces 13 in the form of mirror surfaces attached to the circumference of the mirror polygon 7.
  • the axial position of the device is first set precisely and then the electromagnetic rotating field is excited, which sets the mirror polygon 7 in rotation.
  • an axis of rotation A-A is always set such that it corresponds to the main axis of inertia of the mirror polygon 7, the position of the axis of rotation A-A relative to the housing 2 always being reproducible in the same way with a stable generated magnetic field.
  • the desired high-precision 90 ° orientation of the surface normals N (FIG. 2) of the mirror surfaces 13 to the main axis of inertia, which is the axis of rotation A-A, of the mirror polygon 7 is generally not sufficiently ensured, as a result of which
  • the distribution of the magnetic coils 10, 11 and the permanent magnets 12 on the base plate 8 and the cover plate 9 is advantageously carried out completely symmetrically.
  • the arrangement is also such that there are free areas 15 through which the end face 27 of the mirror polygon 7 for the purpose of position measurement or to influence the Mass distribution of the mirror polygon 7 can be suitably achieved for an ablation radiation.
  • a free area 15 can be created which is permeable to the laser light from a correction device 16, which consists of a pulsed laser generator.
  • This free area 15 is used for the passage of the laser radiation from the laser generator 16 (as a processing laser), with which laser ablation can be carried out on surface areas 23 of the mirror polygon 7 during its operating state (preferably rotation at nominal speed).
  • Laser radiation causes a partial removal of material on the upper side of the mirror polygon 7, the control being carried out in such a way that the position of the main axis of inertia of the mirror polygon 7 is influenced such that the periodic deviation of the position of the perpendicular N on the mirror surfaces 13 to the main axis of inertia AA , ie the "wobble error", is minimized.
  • removal rates of 1x10 ⁇ 7 mm 3 are also achieved with a pulse duration of 100 ns and a repetition rate of 10 kHz for metals and silicon.
  • the method of laser ablation has the great advantage over the other conceivable and possible methods for material displacement, such as evaporation, vapor deposition, sputtering, sputtering, chemical conversion (oxidation, nitration), ion implantation etc. that there is practically no influence on the
  • Material properties and material composition of the mirror polygon 7 takes place, which is essential because a thermal treatment or thin layers in the extreme Loads to which a rapidly rotating mirror polygon 7 is always exposed
  • Tumbling error occurs or in a slight deviation from the same (+/- 10 °). Due to the large number of necessary laser impulses, averaging occurs anyway and the measurements carried out continuously during the material removal immediately provide proof of the process success.
  • the measuring laser used as the light source 6 is fixed in its position relative to the polygon scanner 1.
  • the measuring radiation 5 is reflected by each moving mirror surface 13 of the mirror polygon 7 onto a receiver line of a position detector 17 in the form of a CCD array.
  • a resolution is achieved that is better than an angular second.
  • a measured value is supplied for each mirror surface 13.
  • a sensor 18 is also provided at a suitable point for determining the facet timing of the circumferential, reflecting facets (mirror 13), which provides information on the current rotation angle division of the
  • the X axis represents the angle of rotation position ⁇ of the mirror polygon 7 and the Y axis represents the associated amplitude W of the detection signal measured by the position detector 17 (CCD array).
  • the wobble error 20 represents the sinusoidal part of the total signal.
  • a computer 22 is also shown in FIG. 1, into which the output signal of the position detector 17 and the sensor 18 for angle detection is input. Because of the detected
  • the computer 22 first determines the difference D occurring between the largest measured value W and the smallest measured value Wmj ⁇ (see FIG. 4) during a complete revolution of the polygon mirror 7, and also the rotational positions X ⁇ and X 2 of the two measured values Rotor body 1 and uses this to determine control signals for forwarding to the correction device 16.
  • the laser beam 24 directed by the latter onto the processing point 23 on the upper side 27 of the mirror polygon 7, material is removed at the processing point 23 such that during the (or a) subsequent rotation of the mirror polygon 7, the difference D then measured is smaller than the previously measured difference D.
  • the computer 22 if the newly determined difference Dj is greater than a predetermined minimum value, in turn controls the correction device 16, which performs a new laser ablation before the or a further complete revolution in such a way that the subsequently measured difference between the maximum and minimum measured value becomes smaller again. These steps are repeated until this difference ultimately becomes smaller than the specified minimum value.
  • FIG. 5 shows the diagram from FIG. 4, the wobble error 20 having virtually disappeared completely through a large number of steps carried out in this way (in the case of successive measurements) and material removal (mostly the process becomes when the wobble error 20 is reached at a predetermined minimum residual level canceled), in which case only the fixed angular error 19 from mirror surface 13 to mirror surface 13 is present (FIG. 5).
  • 6 shows the control of the pulse train of the processing laser of the correction device 16 (in the picture above) and the laser pulse train acting on the surface 27 of the mirror polygon 7 (in the picture below) in principle.
  • the procedure is such that the deflection of the measuring beam 5 in accordance with the beam path, as shown in FIG. 2, is further measured with the rotating mirror polygon 7 during the material removal and the process of
  • Measuring and ablation is stopped as soon as the measured difference Di has dropped below a predetermined limit value.
  • Fig. 3 shows the basic structure of a mirror polygon 7 in a passive superconducting magnetic bearing (this in a basic sectional view), which is the
  • the rotor body 1 consists of layered permanent magnets 12 and a mirror polygon 7.
  • a stator part 25 surrounding it consists of a superconducting material which is cooled below its critical temperature by a cooler 26.
  • Magnetic coils 11 for the drive generate a magnetic field which acts on the rotating body 1 and sets it in rotation.
  • Such a passive magnetic bearing has the advantage that the position of the rotor body 1 does not have to be stabilized by regulation.
  • the “frozen” state of the currents induced in the superconducting material of the stator part 25 by the permanent magnets 12 guides the rotor body 1 in a stable, interference-resistant and exactly reproducible manner.
  • the arrangement shown in principle in FIG. 3 also has the advantage that here on the end face 27 of the mirror polygon 7 the free area 15 practically does not have any

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Abstract

The invention relates to a method for reducing wobbling of a rotating rotor body (1) which is mounted in a freely suspended manner and which comprises reflecting surfaces (13) on the outer periphery thereof. According to the inventive method, a measuring beam (5) having a predetermined point of incidence is reflected by the rotating reflecting surfaces (13) of the rotating rotor (1) and are directed onto a position detector (17) after having been reflected. The signals of said detector are fed to a computer (22). The computer determines the difference between the largest and smallest value of the signals output by the position detector (17) during a complete rotation of the rotor body (1), as well as the angular positions of the rotor body (1) corresponding to said values, and calculates control signals therefrom for the correcting device (16). This causes a change in the distribution of mass on the rotor body (1) during the rotation or a subsequent rotation of the same. This change in the distribution of mass is effected in a manner which contactless and which does not have an affect on the reflecting surfaces (13) such that the subsequently determined difference between the smallest and largest value of the signals output by the position detector (17) is less than the difference determined during the previous rotation. The invention also relates to a device for carrying out such a method.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERRINGERN DER TAUMELBEWEGUNG BEI EINEM FREI SCHWEBEND GELAGERTEN, SICH DREHENDEN ROTORKORPER METHOD AND DEVICE FOR REDUCING THE SWASHING MOTION IN A FREE-HOVERING, ROTATING ROTOR BODY
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verringern der Taumelbewegung bei einem frei schwebend gelagerten, sich drehenden Rotorkörper, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for reducing the wobble movement in a freely suspended, rotating rotor body, and an apparatus for carrying out such a method.
Ein sich drehender, frei schwebend gelagerter Rotorkörper weist eine raumstabile Drehachse auf, die durch seine Hauptträgheitsachse bestimmt wird, wenn die Drehimpulsachse des auf ihn wirkenden Drehimpulses mit der Hauptträgheitsachse zusammenfällt und keine sonstigen Störungen auf ihn einwirken. Wenn es sich bei dem Rotorkörper um einen rotationssymmetrischen Körper handelt, fällt die Hauptträgheitsachse und damit die Drehachse mit dessen Symmetrieachse zusammen unter der Vorraussetzung, daß es sich um eine perfekte Symmetrie handelt und der Körper einen vollständig homogenen Aufbau aulweist.A rotating, freely suspended rotor body has a spatially stable axis of rotation, which is determined by its main axis of inertia when the angular momentum of the angular momentum acting on it coincides with the main axis of inertia and no other disturbances act on it. If the rotor body is a rotationally symmetrical body, the main axis of inertia and thus the axis of rotation with its axis of symmetry coincide under the prerequisite that the symmetry is perfect and the body exhibits a completely homogeneous structure.
Reale Rotorkörper entsprechen diesem Idealfall infolge unvermeidbarer Materialinhomogenitäten, Herstellungsungenauigkeiten und der nun einmal gegebenenReal rotor bodies correspond to this ideal case due to unavoidable material inhomogeneities, manufacturing inaccuracies and the given situation
Fertigkeitstoleranzen nicht. Sie weisen demgegenüber mehr oder weniger starke Abweichungen auf, die dazu führen, daß die Hauptträgheitsachse (als Drehachse bei zwangsfreier, frei schwebender Lagerung) nicht mehr mit der Symmetrieachse des Rotorkörpers übereinstimmt. Wirkt von außen noch ein Störmoment auf das Gesamtsystem ein, führt dies wegen der Erhaltung des Drehimpulses des Gesamtsystems zu einer Beeinflussung der Lage der Drehimpulsachse, die von der Hauptträgheitsachse auswandert. Solange keine weiteren äußeren Kräfte auf den Rotorkörper einwirken, liegt dann die Drehimpulsachse in ihrer Ausrichtung im Raum fest. Dabei bewegt sich die Hauptträgheitsachse auf dem Mantel eines Kegels, dem sogenannten „Nutationskegel", um die Drehimpulsachse.Skill tolerances are not. In contrast, they show more or less strong deviations, which lead to the fact that the main axis of inertia (as an axis of rotation in the case of free, floating suspension) no longer coincides with the axis of symmetry of the rotor body. If a disturbing torque acts on the overall system from the outside, this leads to an influence on the position of the angular momentum axis, which migrates from the main axis of inertia, due to the preservation of the angular momentum of the overall system. As long as no further external forces act on the rotor body, the angular momentum axis is then fixed in its orientation in space. The main axis of inertia moves on the surface of a cone, the so-called "nutation cone", around the axis of angular momentum.
Bei praktisch ausgeführten Systemen, z. B. bei Polygonscannern, wirken durch das System der Lagerung, des Antriebs sowie durch Umgebungseinflüsse ständig Kräfte auf den Rotorkörper ein, welche zu den vorbeschriebenen Auswirkungen führen können, wenn dem nicht durch eine entsprechende Ausführung und Dimensionierung der Lager entgegengewirkt wird.In practical systems, e.g. B. in polygon scanners, constantly act on the rotor body by the system of storage, the drive and environmental influences a, which can lead to the effects described above, if this is not counteracted by an appropriate design and dimensioning of the bearings.
Ist der Rotorkörper auf einer starren Lagerachse gelagert, wird ihm durch diese die Drehachse aufgeprägt. In der Regel stimmt diese Drehachse weder mit der Hauptträgheitsachse, noch mit der Symmetrieachse überein. Der Rotorköφer erhält dann infolge der Lagedifferenz zur Hauptträgheitsachse eine „Unwucht" und infolge der Lagedifferenz zur Symmetrieachse einen „Schlag". Es ist nun möglich, durch eine geeignete Veränderung der Masseverteilung (Materialverlagerung) am Rotorköφer die Unwucht nahezu vollständig zu beseitigen. Kräfte, die infolge einer Unwucht auf den Rotorköφer einwirken, können von der Lagerung aufgenommen werden, wobei mit hinreichend tragfähigen Lagern und einer hohen Lagerdämpfung die Auswirkungen einer Unwucht kompensiert werden können.If the rotor body is mounted on a rigid bearing axis, the axis of rotation is impressed on it. As a rule, this axis of rotation does not match either the main axis of inertia or the axis of symmetry. The rotor body then receives an "unbalance" due to the difference in position to the main axis of inertia and a "blow" due to the difference in position to the axis of symmetry. It is now possible to almost completely eliminate the unbalance by a suitable change in the mass distribution (material shift) on the rotor body. Forces that act on the rotor body as a result of an imbalance can be absorbed by the bearing, wherein the effects of an imbalance can be compensated for with sufficiently load-bearing bearings and high bearing damping.
Treten zwischen der Symmetrieachse und der Drehachse Abweichungen auf, führen diese zu einem Taumelfehler und damit z.B. zu einer unerwünschten sinusförmigen Strahlablenkung bei einem Spiegelpolygonscanner. Es muß daher bei der Herstellung des Rotorköφers durch Einhaltung möglichst strenger Fertigungstoleranzen und durch die Herstellungsmaßnahmen selbst sichergestellt werden, daß eine hinreichend gute Übereinstimmung der Symmetrieachse mit der Drehachse des Rotorkörpers erreicht wird. Dies ist z. B. beim Einsatz von Spiegelpolygonen hinsichtlich der optisch wirksamen Spiegelflächen besonders wichtig.If deviations occur between the axis of symmetry and the axis of rotation, these lead to a wobble error and thus e.g. to an undesirable sinusoidal beam deflection in a mirror polygon scanner. It must therefore be ensured in the manufacture of the rotor body by observing the strictest possible manufacturing tolerances and by the manufacturing measures themselves that a sufficiently good agreement of the axis of symmetry with the axis of rotation of the rotor body is achieved. This is e.g. B. when using mirror polygons with respect to the optically effective mirror surfaces particularly important.
Allerdings zeigte sich, daß trotz erheblicher Aufwendungen bei der Herstellung von Spiegelpolygonen die Polygonscanner-Baugruppen die Anforderungen nur unzureichend erfüllen, die für den Anwendungsfall bei einer Bilderzeugung und bei der Anwendung in der Drucktechnik gestellt werden.However, it was found that, despite considerable expenditure in the production of mirror polygons, the polygon scanner assemblies only insufficiently meet the requirements that are made for the application in the case of image generation and for use in printing technology.
Es ist bekannt, die bei einem Rotor vorhandene Unwucht durch Drehen des Rotors auf einer festen Welle in einer Meßeinrichtung nach Winkellage und Größe festzustellen und sodann an dem die Unwucht aufweisenden oder dem der Unwucht gegenüberliegenden Bereich des Rotorköφers durch Materialabtragung (Bohren, Schleifen o. ä.) bzw. durch MaterialauftragungIt is known to determine the unbalance present in a rotor by rotating the rotor on a fixed shaft in a measuring device according to the angular position and size and then on the area of the rotor body which has the unbalance or is opposite the unbalance by material removal (drilling, grinding or the like .) or by material application
(z. B. Anbringen von Wuchtgewichten) die Wucht möglichst weitgehend zu beseitigen. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird ermittelt, ob genügend Material aufgebracht bzw. abgetragen worden ist oder ob die Prozedur noch einmal fortgesetzt werden muß. Das ganze Verfahren wird solange wiederholt, bis die letztlich noch verbleibende Unwucht unterhalb einer vorgegebenen Größe verbleibt. Ein solches Verfahren wird z. B. beim Auswuchten von Kraftfahrzeugrädern ausgeführt, wobei hier durch das Anbringen von Wuchtgewichten die Unwucht verringert bzw. beseitigt wird.(e.g. attaching balancing weights) eliminate the balance as much as possible. In a subsequent process step, it is determined whether sufficient material has been applied or removed or whether the procedure has to be continued again. The entire process is repeated until the unbalance that remains is below a predetermined size. Such a method is e.g. B. executed when balancing motor vehicle wheels, the imbalance is reduced or eliminated by attaching balancing weights.
Aus der DE 43 39 064 A1 ist ein Verfahren zum Beseitigen der Unwucht an einem Rotorköφer bekannt, bei dem zum Wuchten eine Materialabtragung am Rotorkörper in einer Unwucht-From DE 43 39 064 A1 a method for eliminating the unbalance on a rotor body is known, in which material removal on the rotor body in an unbalance
Meßeinrichtung mittels einer Laservorrichtung vorgenommen wird.Measuring device is carried out by means of a laser device.
Bei diesen bekannten Verfahren findet das Wuchten in einer eigenen Meßeinrichtung statt, in der dem Rotorköφer eine feste Lagerachse zugeordnet wird, was jedoch den später beim praktischen Einsatz des gewuchteten Körpers gegebenen Lagerungsverhältnissen nicht mehr genau entspricht.In these known methods, the balancing takes place in a separate measuring device in which the rotor body is assigned a fixed bearing axis, which, however, no longer corresponds exactly to the bearing conditions later given in practical use of the balanced body.
Soll nun aber ein solcher Rotorkörper, etwa in Form eines Spiegelpolygons, mit einer frei schwebenden Lagerung eingesetzt werden, etwa als ein aktiv magnetgelagerter Polygonscanner, kann die vorherige Durchführung eines solchen Auswuchtverfahrens in einer eigenen Einrichtung mit festgelegter Lagerachse nicht verhindern, daß dann im praktischen Einsatzfall bei der frei schwebenden Lagerung noch immer ein Planlauffehler eintritt, der zum Entstehen einer Taumelbewegung führt.However, if such a rotor body, for example in the form of a mirror polygon, is to be used with a free-floating bearing, for example as an actively magnet-mounted polygon scanner, the prior implementation of such a balancing method in its own facility with a fixed bearing axis cannot prevent it from occurring in practical use In the case of free-floating bearings, a run-out error still occurs, which leads to a wobble.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem sich eine unerwünschte Taumelbewegung bei einem frei schwebend gelagerten, sich drehenden Rotorkörper wirkungsvoll verringern läßt.Proceeding from this, the object of the invention is to propose a method with which an undesired wobble movement can be effectively reduced in the case of a freely suspended, rotating rotor body.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch ein Verfahren zum Verringern der Taumelbewegung bei einem frei schwebend gelagerten, sich drehenden Rotorkörper, der an seinemAccording to the invention, this is achieved by a method for reducing the wobble movement in the case of a freely suspended, rotating rotor body which is attached to its
Außenumfang Reflexionsflächen aufweist, wobei ein Meßstrahl vorgegebener Einstrahllage an den vorbeilaufenden Reflexionsflächen des sich mit einer Drehzahl, die nicht einer seinerHas outer circumference reflecting surfaces, with a measuring beam of predetermined irradiation on the passing reflecting surfaces of the at a speed that is not one of his
Resonanzfrequenzen entspricht, drehenden Rotorköφers reflektiert und nach der Reflexion auf einen Positionsdetektor gerichtet wird, dessen Signale einem Rechner zugeführt werden, der die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Wert der während dieser vollständigenCorresponding resonance frequencies, rotating Rotorköφers reflected and after reflection is directed to a position detector, the signals of which are fed to a computer, the difference between the largest and the smallest value of the during this complete
Umdrehung des Rotorkörpers vom Positionsdetektor abgegebenen Signale sowie die zu beidenRotation of the rotor body from the position detector and signals to both
Werten gehörenden Drehstellungen des Rotorköφers bestimmt und hieraus Steuersignale berechnet, mit denen eine Korrektureinrichtung angesteuert wird, die bei der bzw. einer folgenden Umdrehung des Rotorkörpers eine Änderung der Masseverteilung am Rotorkörper berührungslos und ohne Beeinflussung der Reflexionsflächen derart bewirkt, daß die bei dieser folgenden Umdrehung des Rotorkörpers festgestellte Differenz zwischen kleinstem und größtem Wert der vom Positionsdetektor abgegebenen Signale kleiner als die bei der vorausgegangen Umdrehung bestimmte Differenz ist, bis die festgestellte Differenz unterhalb eines vorgegebenen Minimalwertes liegt.Values belonging to the rotary positions of the rotor body are determined and control signals are calculated therefrom, with which a correction device is actuated which, during the or a subsequent rotation of the rotor body, causes a change in the mass distribution on the rotor body without contact and without influencing the reflection surfaces in such a way that the following rotation of the Rotor body determined difference between the smallest and largest value of the signals emitted by the position detector smaller than that at the previous revolution is certain difference until the determined difference is below a predetermined minimum value.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Maßnahmen zur Verringerung der Taumelbewegung direkt am frei schwebend gelagerten und sich drehenden Rotorkörper durchgeführt, ohne daß dessen Drehachse durch eine starre Lagerachse vorgegeben wird.In the method according to the invention, the measures for reducing the wobble movement are carried out directly on the freely suspended and rotating rotor body, without its axis of rotation being predetermined by a rigid bearing axis.
Die für die frei schwebende Lagerung bevorzugt einsetzbaren Fluidlager, wie Gaslager oder Flüssigkeitslager, und insbesondere aber auch Magnetlager können so dimensioniert werden, daß die für den Rotorköφer wirksame Lagerachse geometrisch-stofflich nicht starr fixiert ist.The fluid bearings, such as gas bearings or liquid bearings, which can preferably be used for free-floating storage, and in particular also magnetic bearings, can be dimensioned such that the bearing axis effective for the rotor body is not rigidly fixed in terms of geometry and material.
Hierfür lassen sich insbesondere Magnetlager einsetzen, bei denen sich die Drehachse des Rotorköφers in gewissen Grenzen frei einstellen kann und dabei die von mechanischen Lagern her bekannte Zwangsführung der Drehachse in einer Lagerachse, die durch die Lagerstellen bestimmt wird, entfällt. Der Luftspalt in solchen Magnetlagern ist, ähnlich wie auch in geeigneten Fluidlagern, relativ groß gegenüber üblichen Abweichungen von Drehachse undFor this purpose, magnetic bearings can be used, in particular, in which the axis of rotation of the rotor body can be freely set within certain limits and the mechanical guidance of the axis of rotation in a bearing axis, which is known from mechanical bearings and is determined by the bearing points, is eliminated. The air gap in such magnetic bearings is, similarly as in suitable fluid bearings, relatively large compared to the usual deviations from the axis of rotation and
Symmetrieachse, so daß daher auch relativ große Abweichungen aufgenommen werden können. Dies führt letztlich dazu, daß die Herstellung von Spiegelpolygonen und ihr Einsatz in Polygonscannern, insbesondere für Anwendungen zur Bildprojektion mittels eines schreibenden Laserstrahls, mit erheblichen Qualitätsproblemen verbunden ist.Axis of symmetry, so that relatively large deviations can therefore also be accommodated. Ultimately, this means that the production of mirror polygons and their use in polygon scanners, in particular for applications for image projection by means of a writing laser beam, is associated with considerable quality problems.
Hier schafft nun das erfindungsgemäße Verfahren eine deutliche Qualitätsverbesserung, indem es dahingehend wirkt, daß die Lage der Drehachse des Rotorköφers und dessen damit (lageidentische) Hauptträgheitsachse mit der Lage der Symmetrieachse in möglichst gute Übereinstimmung gebracht wird, d. h. die Drehachse wird durch die verfahrensgemäßen Schritte der Erfindung in Richtung auf eine möglichst gute Übereinstimmung mit der Lage derHere, the method according to the invention creates a significant improvement in quality by acting in such a way that the position of the axis of rotation of the rotor body and its (positionally identical) main axis of inertia is brought into the best possible agreement with the position of the axis of symmetry, d. H. the axis of rotation is determined by the method steps of the invention in the direction of the best possible agreement with the position of the
Symmetrieachse zu dieser hin „nachgezogen", bis ein optimaler Lauf erreicht ist. Völlig im Gegensatz hierzu wird bei herkömmlichen Wuchtverfahren, bei denen die Lage der Drehachse durch die mechanische Lagerung unverändert festgelegt ist, die Lage der Hauptträgheitsachse, die dort nicht mit der Drehachse zusammenfällt, solange zur Drehachse hin „nachgezogen", bis die auftretenden, durch die Unwucht erzeugten Lagerkräfte minimiert sind. Hierdurch wird aber, anders als bei der Erfindung, nicht erreicht, daß die Drehachse mit der Symmetrieachse in bessere Übereinstimmung gebracht wird.The axis of symmetry is "traced" towards it until an optimal run is achieved. In contrast to this, the position of the main axis of inertia, which does not coincide with the axis of rotation, is completely different in conventional balancing methods in which the position of the axis of rotation is unchanged by the mechanical bearing , "pulled" towards the axis of rotation until the occurring bearing forces generated by the unbalance are minimized. In contrast to the invention, however, this does not result in the axis of rotation being brought into better agreement with the axis of symmetry.
Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu dem großen Vorteil, daß hier die Lage der Drehachse in eine gute Übereinstimmung mit der Lage der Symmetrieachse gebracht werden kann, so daß ein optimaler Lauf erreichbar ist. Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein iteratives Verfahren handelt, ist letztlich im Prinzip die Frage der erreichbarenThe method according to the invention leads to the great advantage that the position of the axis of rotation can be brought into good agreement with the position of the axis of symmetry, so that optimal running can be achieved. Since it is in the inventive Ultimately, the process is an iterative process, in principle the question of what can be achieved
Planlaufquälität durch die Zahl der ausgeführten Iterationsschritte beeinfluß- und bestimmbar.The runout quality can be influenced and determined by the number of iteration steps carried out.
Hinzu kommt als weiterer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, daß dort die Verringerungerung der Taumelbewegung an dem frei schwebenden, sich drehendenIn addition, there is a further advantage in the method according to the invention that there the reduction in the wobble movement on the freely floating, rotating
Rotorkörper in einem Zustand (frei schwebend) desselben erfolgt, der völlig identisch ist mit dem Zustand, den dieser Rotorköφer bei seinem nachfolgenden Einsatz einnimmt. Dabei kann unter bestimmten Bedingungen das erfindungsgemäße Verfahren bei einem sich drehenden, frei schwebenden Rotorkörper sogar vorgenommen werden, während sich dieser sogar in der Anordnung, in der er eingesetzt werden soll, befindet.Rotor body takes place in a state (free floating) of the same, which is completely identical to the state that this rotor body assumes in its subsequent use. Under certain conditions, the method according to the invention can even be carried out with a rotating, freely floating rotor body while it is even in the arrangement in which it is to be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Hinblick darauf, ein wie starker Unterschied bei der Differenz zwischen kleinstem und größtem Wert der vom Positionsdetektor abgegebenen Signale bei zwei Umdrehungen des Rotorkörpers erreicht werden soll, in durchaus unterschiedlicher Weise ausgelegt werden. So besteht z. B. die Möglichkeit, den Rechner derart auszulegen, daß er die Korrektureinrichtung so ansteuert, daß die auftretende Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten der vom Positionsdetektor abgegebenen Signale möglichst vollständig kompensiert wird, so daß bei der nächsten Referenz-Umdrehung diese Differenz bereits möglichst klein ist. Dies wird insbesondere in den Fällen sinnvoll sein, wenn Rotorkörper verhältnismäßig großer Masse und/oder langsamer Drehung vorliegen, da in diesem Fall die von der Korrektureinrichtung zu bewirkende Änderung der Massenverteilung am Rotorkörper örtlich und quantitativ umfangreicher sein wird als in den Fällen, bei denen kleine und sehr schnell rotierende Rotorkörper eingesetzt werden, wie z. B. bei außerordentlich schnell drehenden Polygonscannern. Im letzteren Fall ist es vorzuziehen, wenn der Rechner so ausgelegt wird, daß die Korrektureinrichtung bei jeder Umdrehung des Rotorkörpers nur ganz kurzzeitig wirkt, wodurch die Möglichkeit zu einem die auftretende Differenz der vom Positionsdetektor abgegebenen Minimal- und Maximal-Signale gleich bei (einer) der folgenden Umdrehung(en) möglichst vollständig schon auszugleichen, kaum gegeben ist. In Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen, insbesondere auch von der Drehgeschwindigkeit des Rotorköφers, kann es in solchen Fällen vorteilhaft sein, die Korrektur der Masseverteilung bei folgenden Umdrehungen so vorzunehmen, daß die Differenz der gemessenen Signale nur um etwa 10%, 15% oder 20% (oder einem anderen geeigneten Prozentsatz) verkleinert wird. Dabei wird zwar mit relativ kleinen Iterationsschritten gearbeitet, wodurch jedoch letztlich eine besonders gute Laufgenauigkeit erreichbar ist. Da der Einsatz kleiner Iterationsschritte sich besonders bei hohen Drehzahlen des Rotorkörpers eignet, führt trotzdem das iterativeThe method according to the invention can be designed in quite different ways with regard to how strong a difference in the difference between the smallest and largest value of the signals emitted by the position detector is to be achieved in two revolutions of the rotor body. So there is z. B. the possibility of designing the computer in such a way that it controls the correction device in such a way that the occurring difference between the maximum and minimum values of the signals emitted by the position detector is compensated for as completely as possible, so that this difference is as small as possible at the next reference revolution is. This will be particularly useful in cases where rotor bodies of relatively large mass and / or slow rotation are present, since in this case the change in the mass distribution on the rotor body to be caused by the correction device will be more extensive locally and quantitatively than in the cases where small ones and rotating rotor bodies are used very quickly, such as. B. with extremely fast rotating polygon scanners. In the latter case, it is preferable if the computer is designed in such a way that the correction device only acts for a very short time with each revolution of the rotor body, as a result of which the difference in the minimum and maximum signals emitted by the position detector can be obtained immediately at (one) the following revolution (s) as completely as possible, is hardly given. Depending on the operating conditions, in particular also on the speed of rotation of the rotor body, it may be advantageous in such cases to correct the mass distribution for the following revolutions so that the difference in the measured signals is only about 10%, 15% or 20% ( or another suitable percentage) is reduced. Relatively small iteration steps are used, but ultimately a particularly good running accuracy can be achieved. Since the use of small iteration steps is particularly suitable at high speeds of the rotor body, the iterative does
Verfahren in relativ kurzer Zeit bis zum Erreichen einer minimalen dann noch verbleibenden Restdifferenz der Signale des Positionsdetektors. ln vielen Fällen dürfte es jedoch von Vorteil sein, wenn der Rechner so eingestellt wird, daß die nacheinander erfaßten Differenzen der Signalwerte des Positionsdetektors jeweils um etwa die Hälfte verkleinert werden, wodurch sich bei einer hinreichend kleinen Wahl der Iterationsschritte ein sehr guter Lauf relativ schnell erreichen läßt.Method in a relatively short time until a minimal remaining difference of the signals of the position detector is reached. In many cases, however, it should be advantageous if the computer is set so that the successively recorded differences in the signal values of the position detector are each reduced by about half, so that a very good run can be achieved relatively quickly with a sufficiently small choice of the iteration steps leaves.
Dabei können in der Abfolge der nacheinander ausgewerteten Umdrehungen des Rotorköφers alle direkt aufeinanderfolgenden Umdrehungen oder nur jede zweite, dritte o.a. Umdrehung zur Messung und Korrektur eingesetzt werden.In the sequence of the rotations of the rotor body evaluated one after the other, all directly successive rotations or only every second, third or the like. Revolution for measurement and correction.
Die Änderung der Masseverteilung am Rotorköφer durch die Korrektureinrichtung kann zeitlich, intensitätsmäßig und/oder örtlich in jeder gewünschten Weise vorgenommen werden. Besonders bevorzugt erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Änderung der Masseverteilung am Rotorköφer jedoch innerhalb jeweils örtlich begrenzter Bereiche, und zwar durch örtlichen Masseabtrag oder Masseauftrag.The change in the mass distribution on the rotor body by the correction device can be carried out in any desired manner in terms of time, intensity and / or location. In the method according to the invention, the change in the mass distribution on the rotor body is particularly preferably carried out within locally limited areas, specifically by local mass removal or mass application.
Die Durchführung der Änderung der Masseverteilung am Rotorkörper kann in jeder geeigneten Art und Weise erfolgen. Besonders bevorzugt wird sie jedoch durch Laserbestrahlung, Elektronenbestrahlung und/oder lonenbestrahlung vorgenommen, wobei, erneut bevorzugt, die eingesetzte Strahlung gepulst wird. Vorteilhafterweise wird wird die Strahlung synchron zur Drehzahl des Rotorkörpers gepulst.The change in the mass distribution on the rotor body can be carried out in any suitable manner. However, it is particularly preferably carried out by laser radiation, electron radiation and / or ion radiation, with, again preferred, the radiation used being pulsed. The radiation is advantageously pulsed synchronously with the speed of the rotor body.
Dabei werden die Impulszeit und/oder die Impulslänge und/oder die Impulsfrequenz und/oder die Impulsleistung, in Abhängigkeit von den vom Positionsdetektor gelieferten Signalen durch den Rechner eingestellt. Dem Rechner wird bei seiner Auslegung eine für den Einsatzfall besonders geeignete Systematik vorgegeben. Ganz besonders bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Pulsregime der eingesetzten Strahlung mit dem Signal des Positionsdetektors getriggert, wodurch sich eine einfache Synchronisierung zwischen der Drehzahl des Rotorköφers und dem Pulsen der Strahlung erreichen läßt.The pulse time and / or the pulse length and / or the pulse frequency and / or the pulse power are set by the computer as a function of the signals supplied by the position detector. When designing, the computer is given a system that is particularly suitable for the application. In the method according to the invention, the pulse regime of the radiation used is very particularly preferably triggered with the signal of the position detector, as a result of which a simple synchronization between the rotational speed of the rotor body and the pulsing of the radiation can be achieved.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß die Ausrichtung der eingesetzten Strahlung relativ zum Rotorköφer über die Steuersignale des Rechners eingestellt wird, so daß die Korrektureinrichtung vom selben Ausgangspunkt aus die eingesetzte Strahlung auf unterschiedliche Auftreffstellen am Rotorkörper bzw. auf unterschiedliche Lagen der Reflexionsflächen ausrichten kann.A further advantageous embodiment of the method according to the invention also consists in the fact that the orientation of the radiation used relative to the rotor body is set via the control signals of the computer, so that the correction device, from the same starting point, the radiation used at different points of impact on the rotor body or at different positions of the Can align reflective surfaces.
Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Korrektureinrichtung deaktiviert, wenn und solange die festgestellte Differenz zwischen dem kleinsten und dem größten Wert der vom Positionsdetektor abgegebenen Signale einen vorgegebenen unteren Grenzwert unterschreitet, d. h. wenn eine vorgegebene Planlaufgenauigkeit erreicht ist.In the method according to the invention, the correction device is preferably deactivated if and as long as the ascertained difference between the smallest and the largest value of the signals emitted by the position detector fall below a predetermined lower limit value, ie when a predetermined axial run-out is achieved.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich an dem sich drehenden Rotorköφer grundsätzlich bei jeder Drehzahl ausführen, die nicht gerade eine seiner Resonanzfrequenzen ist. Besonders bevorzugt wird es jedoch ausgeführt, wenn sich der Rotorköφer während der Messung und der Veränderung der Masseverteilung mit seiner Nenndrehzahl dreht.The method according to the invention can basically be carried out on the rotating rotor body at any speed which is not exactly one of its resonance frequencies. However, it is particularly preferred if the rotor body rotates at its nominal speed during the measurement and the change in the mass distribution.
Die frei schwebende Lagerung des eingesetzten Rotorköφers kann in jeder geeigneten Art und Weise ausgeführt werden. Vorteilhafterweise ist der Rotorkörper in einem passiv supraleitendenThe free-floating storage of the rotor body used can be carried out in any suitable manner. The rotor body is advantageously in a passively superconducting
Magnetlager gelagert. Der Rotorköφer könnte gleichermaßen aber auch aktiv magnetgelagert sein.Magnetic bearings stored. The rotor body could equally well be actively magnetically supported.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einem Rotorkörper ausgeführt, der als Spiegelpolygon oder als Polygonscanner ausgebildet ist; grundsätzlich ist es jedoch bei jeder Art von Rotorkörper ausführbar.The method according to the invention is particularly preferably carried out with a rotor body which is designed as a mirror polygon or as a polygon scanner; in principle, however, it can be carried out with any type of rotor body.
Als Meßstrahl kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jeder geeignete Meßstrahl eingesetzt werden, wobei jedoch besonders bevorzugt als Meßstrahl ein Laserstrahl verwendet wird.Any suitable measuring beam can be used as the measuring beam in the method according to the invention, but a laser beam is particularly preferably used as the measuring beam.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren in besonders vorteilhafter Weise ausführbar ist. Erfindungsgemäß handelt es sich dabei um eine Anordnung mit einem von einem Antrieb in Drehung versetzbaren Rotorkörper, der an seinem Außenumfang Reflexionsflächen aufweist, ferner mit einer Lagereinrichtung zur frei schwebenden Lagerung des Rotorköφers bei Drehung, einer Lichtquelle zum Erzeugen eines auf die vorbeilaufenden Reflexionsflächen des sich drehenden Rotorköφers ausrichtbaren Meßstrahls, einem Positionsdetektor zum Detektieren des von den Reflexionsflächen reflektierten Meßstrahls, einer Einrichtung zum laufenden Detektieren der Drehwinkelstellungen des Rotorkörpers, einer Korrektureinrichtung, mittels derer die Masseverteilung am Rotorkörper berührungslos veränderbar ist, und mit einem Rechner, an dessen Eingang der Positionsdetektor und die Einrichtung zur laufenden Detektion der Drehwinkelstellung des Rotorköφer angeschlossen sind und der Steuersignale an die Korrektureinrichtung derart liefert, daß diese in geeigneter Weise die Masseverteilung am Rotorkörper berührungslos verändert. Bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung als Korrektureinrichtung ein vorzugsweise gepulster Lasergenerator vorgesehen, der, erneut vorzugsweise, als ein Ne-The invention also relates to an arrangement with which the method according to the invention can be carried out in a particularly advantageous manner. According to the invention, this is an arrangement with a rotor body which can be set in rotation by a drive and has reflection surfaces on its outer circumference, furthermore with a bearing device for the freely suspended mounting of the rotor body when rotating, a light source for generating a rotating reflection surface of the rotating body Rotorköφers alignable measuring beam, a position detector for detecting the measuring beam reflected from the reflection surfaces, a device for continuously detecting the rotational angle positions of the rotor body, a correction device by means of which the mass distribution on the rotor body can be changed without contact, and with a computer, at the input of which the position detector and the Device for the continuous detection of the rotational angle position of the rotor body are connected and supplies the control signals to the correction device in such a way that the mass distribution on the Ro door body changed without contact. In the arrangement according to the invention, a preferably pulsed laser generator is preferably provided as the correction device, which, again preferably, as a ne
YAG-Lasergenerator oder als ein Eximer-Lasergenerator ausgebildet ist.YAG laser generator or is designed as an Eximer laser generator.
Als Positionsdetektor kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung jede hierfür geeigneteAny suitable for this purpose can be used as a position detector in the arrangement according to the invention
Einrichtung eingesetzt werden. Ganz besonders bevorzugt wird als Positionsdetektor jedoch ein CCD-Array gewählt.Device can be used. However, a CCD array is very particularly preferably selected as the position detector.
Vorzugsweise wird weiterhin bei der erfindungsgemäßen Anordnung als Einrichtung zur Erzeugung des Meßstrahles ebenfalls ein Lasergenerator verwendet. Bevorzugt ist dieIn the arrangement according to the invention, a laser generator is preferably also used as the device for generating the measuring beam. The is preferred
Einrichtung zur Erzeugung des Meßstrahles so angeordnet, daß die Ausrichtung der Einstrahllage auf die Reflexionsflächen lageverstellbar ist.Device for generating the measuring beam is arranged so that the orientation of the radiation position on the reflection surfaces is adjustable.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird vorteilhafterweise als Rotorkörper eine Spiegelpolygon oder ein Polygonscanner und als Lagereinrichtung ein passiv supraleitendesIn the arrangement according to the invention, a mirror polygon or a polygon scanner is advantageously used as the rotor body and a passive superconducting device as the bearing device
Magnetlager oder auch eine aktive Magnetlagerung vorgesehen. In bestimmten Einsatzfällen kann es jedoch auch wünschenswert sein, eine andere geeignete Lagereinrichtung für eine frei schwebende Lagerung einzusetzen, z. B. ein Fluidlager (etwa ein Gaslager).Magnetic bearings or an active magnetic bearing provided. In certain applications, however, it may also be desirable to use another suitable storage device for free-floating storage, e.g. B. a fluid bearing (such as a gas bearing).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the figures. Show it:
Fig. 1 eine (schematische) Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem aktiv magnetgelagerten, scheibenförmigen Spiegelpolygon als Rotorkörper;Figure 1 is a (schematic) sectional view through an arrangement according to the invention with an actively magnet-mounted, disc-shaped mirror polygon as a rotor body.
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Spiegelpolygon in Fig. 1 mit Darstellung des Strahlengangs des reflektierten Meßstrahles;FIG. 2 shows a top view of the mirror polygon in FIG. 1, showing the beam path of the reflected measuring beam;
Fig. 3 eine (prinzipielle) Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem passiv und axial magnetgelagerten Spiegelpolygon als Rotorköφer;3 shows a (basic) sectional view through an arrangement according to the invention with a passive and axially magnet-mounted mirror polygon as a rotor body;
Fig. 4 die graphische Darstellung der Komponenten des Pyramidalfehlers eines sich drehenden Spiegelpolygons;Figure 4 is a graphical representation of the components of the pyramidal error of a rotating mirror polygon.
Fig. 5 die graphische Darstellung entsprechend Fig. 4, jedoch nach Kompensation desFig. 5 shows the graphical representation corresponding to Fig. 4, but after compensation of the
Taumelfehlers, und Fig. 6 die Darstellung der Impulsfolge einer gepulsten Laserquelle der Korrektureinrichtung und die Impulsfolge der Laserstrahlung zur Laserablation bei einem erfindungsgemäßen Verfahren.Wobble, and 6 shows the pulse sequence of a pulsed laser source of the correction device and the pulse sequence of the laser radiation for laser ablation in a method according to the invention.
In Fig. 1 ist in prinzipieller Darstellung eine erfindungsgemäße Anordnung gezeigt, bei der als Rotorkörper 1 ein Polygonscanner eingesetzt wird, der in einem Gehäuse 2 angeordnet ist. Dieses besteht aus einem kreisringförmigen Mittenteil 3 (Fig. 2), in dem eine planparallele Platte 4 als transparentes Fenster für einen abzulenkenden Meßlichtstrahl 5 aus einer (in Fig. 1 nur ganz prinzipiell angedeuteten) Lichtquelle 6, etwa einem Laser-Generator, angeordnet ist (Fig. 2).In Fig. 1, an arrangement according to the invention is shown in principle, in which a polygon scanner is used as the rotor body 1, which is arranged in a housing 2. This consists of an annular central part 3 (Fig. 2), in which a plane-parallel plate 4 is arranged as a transparent window for a measuring light beam 5 to be deflected from a (in Fig. 1 only indicated in principle) light source 6, such as a laser generator (Fig. 2).
Das in den Polygonscanner 1 eingesetzte, permanentmagnetische Spiegelpolygon 7 ist in den Hohlraum des Mittenteils 3 eingelegt, wonach das Mittenteil 3 durch eine Grundplatte 8 und eine Deckplatte 9 vakuumdicht verschlossen wird.The permanently magnetic mirror polygon 7 inserted in the polygon scanner 1 is inserted into the cavity of the central part 3, after which the central part 3 is closed in a vacuum-tight manner by a base plate 8 and a cover plate 9.
Die Grundplatte 8 und die Deckplatte 9 bestehen aus Glas und tragen die Magnetspulen 10 für eine Magnetlagerung, die Magnetspulen 11 für einen Antrieb und Permanentmagnete 12.The base plate 8 and the cover plate 9 are made of glass and carry the magnet coils 10 for a magnetic bearing, the magnet coils 11 for a drive and permanent magnets 12.
Durch das eingesetzte Permanentmagnetsystem liegt das Spiegelpolygon 7 an der Grundplatte 8 oder an der Deckplatte 9 an, wodurch eine Beschädigung der am Umfang des Spiegelpolygons 7 angebrachten Reflexionsflächen 13 in Form von Spiegelflächen ausgeschlossen ist.Due to the permanent magnet system used, the mirror polygon 7 rests on the base plate 8 or on the cover plate 9, which prevents damage to the reflection surfaces 13 in the form of mirror surfaces attached to the circumference of the mirror polygon 7.
Zur Inbetriebnahme wird zunächst die axiale Lage der Einrichtung genau eingestellt und anschließend das elektromagnetische Drehfeld erregt, welches das Spiegelpolygon 7 in Drehung versetzt. Beim drehenden Spiegelpolygon 7 stellt sich eine Drehachse A-A stets so ein, daß diese der Hauptträgheitsachse des Spiegelpolygons 7 entspricht, wobei die Lage der Drehachse A-A zum Gehäuse 2 sich bei einem stabil erzeugten Magnetfeld immer in gleicher Weise reproduzierbar einstellt. Allerdings ist die angestrebte hochgenaue 90°-Ausrichtung der Flächennormaien N (Fig. 2) der Spiegelflächen 13 zur Hauptträgheitsachse, die die Drehachse A-A ist, des Spiegelpolygons 7 in der Regel nicht ausreichend gewährleistet, wodurch eineFor commissioning, the axial position of the device is first set precisely and then the electromagnetic rotating field is excited, which sets the mirror polygon 7 in rotation. With the rotating mirror polygon 7, an axis of rotation A-A is always set such that it corresponds to the main axis of inertia of the mirror polygon 7, the position of the axis of rotation A-A relative to the housing 2 always being reproducible in the same way with a stable generated magnetic field. However, the desired high-precision 90 ° orientation of the surface normals N (FIG. 2) of the mirror surfaces 13 to the main axis of inertia, which is the axis of rotation A-A, of the mirror polygon 7 is generally not sufficiently ensured, as a result of which
Taumelbewegung der Spiegelflächen 13 des Spiegelpolygons 7 hervorgerufen wird.Wobble movement of the mirror surfaces 13 of the mirror polygon 7 is caused.
Die Verteilung der Magnetspulen 10, 11 und der Permanentmagneten 12 auf der Grundplatte 8 und der Deckplatte 9 ist zweckmäßigerweise völlig symmetrisch ausgeführt.The distribution of the magnetic coils 10, 11 and the permanent magnets 12 on the base plate 8 and the cover plate 9 is advantageously carried out completely symmetrically.
Die Anordnung ist ferner so getroffen, daß es freie Bereiche 15 gibt, durch welche die Stirnfläche 27 des Spiegelpolygons 7 zum Zweck der Lagemessung oder zur Beeinflussung der Masseverteilung des Spiegelpolygons 7 für eine Ablationsstrahlung geeignet erreichbar sind.The arrangement is also such that there are free areas 15 through which the end face 27 of the mirror polygon 7 for the purpose of position measurement or to influence the Mass distribution of the mirror polygon 7 can be suitably achieved for an ablation radiation.
Dies ist zunächst im Drehzentrum des Spiegelpolygons 7 der Fall, wo im gezeigten Beispiel eine Abstandsmeßeinrichtung 14 vorgesehen ist, die auf einem optischen Prinzip, z.B. nach derThis is initially the case in the center of rotation of the mirror polygon 7, where a distance measuring device 14 is provided in the example shown, which is based on an optical principle, e.g. after
US-PS 5,171 ,984, arbeitet und die Ausrichtung des Spiegelpolygons 7 detektiert, wobei aus den Meßergebnissen ein Signal für eine aktive Regelung der axialen Richtungskomponenten des Magnetlagers gewonnen wird.US Pat. No. 5,171,984 works and detects the alignment of the mirror polygon 7, a signal for active regulation of the axial direction components of the magnetic bearing being obtained from the measurement results.
Zudem läßt sich außerhalb der Magnetspulen 10 für die Magnetlagerung und der Magnetspulen 11 für den Antrieb ein freier Bereich 15 schaffen, der für das Laserlicht aus einer Korrektureinrichtung 16, die aus einem gepulsten Lasergenerator besteht, durchlässig ist.In addition, outside of the magnetic coils 10 for the magnetic bearing and the magnetic coils 11 for the drive, a free area 15 can be created which is permeable to the laser light from a correction device 16, which consists of a pulsed laser generator.
Dieser freie Bereich 15 wird für den Durchtritt der Laserstrahlung des Lasergenerators 16 (als Bearbeitungslaser) genutzt, mit dem eine Laserablation an Oberflächenbereichen 23 des Spiegelpoylgons 7 während dessen Betriebszustand (vorzugsweise Drehung mit Nenndrehzahl) durchgeführt werden kann. Durch eine geeignete Steuerung des Pulsregimes derThis free area 15 is used for the passage of the laser radiation from the laser generator 16 (as a processing laser), with which laser ablation can be carried out on surface areas 23 of the mirror polygon 7 during its operating state (preferably rotation at nominal speed). By suitable control of the pulse regime
Laserstrahlung wird dabei ein partieller Materialabtrag auf der Oberseite des Spiegelpolygons 7 erreicht, wobei die Steuerung so vorgenommen wird, daß eine Beeinflussung der Lage der Hauptträgheitsachse des Spiegelpoiygons 7 derart eintritt, daß die periodische Abweichung der Lage der Senkrechten N auf die Spiegelflächen 13 zur Hauptträgheitsachse A-A, also der „Taumelfehler", minimiert wird.Laser radiation causes a partial removal of material on the upper side of the mirror polygon 7, the control being carried out in such a way that the position of the main axis of inertia of the mirror polygon 7 is influenced such that the periodic deviation of the position of the perpendicular N on the mirror surfaces 13 to the main axis of inertia AA , ie the "wobble error", is minimized.
Mit dem bei dem Beispiel eingesetzten Verfahren der Laserablation werden z. B. bei Verwendung eines Eximer-Lasers bei 1 kHz Repetitionsrate an Quarzglas Abtragungsraten von 1 x10"7 mm3 pro Impuls erreicht, was einer Masseänderung von 2,2 x10"7 g/s entspricht.With the method of laser ablation used in the example, z. B. when using an Eximer laser at 1 kHz repetition rate on quartz glass removal rates of 1 x10 "7 mm 3 per pulse achieved, which corresponds to a mass change of 2.2 x10 " 7 g / s.
Bei Verwendung eines Nd-YAG-Lasers werden bei einer Impulsdauer von 100 ns und einer Repetitionsrate von 10 kHz bei Metallen und Silizium Abtragungsraten ebenfalls von 1x10~7 mm3 erreicht.If an Nd-YAG laser is used, removal rates of 1x10 ~ 7 mm 3 are also achieved with a pulse duration of 100 ns and a repetition rate of 10 kHz for metals and silicon.
Wichtig ist dabei, daß der Materialabtrag flächig erfolgt und keine Nuten entstehen, die sonst zuIt is important that the material is removed over a large area and that there are no grooves that would otherwise be closed
Kerbspannungen führen könnten, welche die Festigkeit des schnell rotierenden Spiegelpolygons 7 nachteilig beeinflussen. Das Verfahren der Laserablation hat gegenüber den anderen denkbaren und möglichen Verfahren zur Materialverlagerung, wie etwa einem Verdampfen, Bedampfen, Aufsputtern, Absputtern, chemische Umwandlung (Oxidation, Nitrierung), Ionenimplantation usw., den großen Vorteil, daß praktisch keine Beeinflussung derNotch stresses could result, which adversely affect the strength of the rapidly rotating mirror polygon 7. The method of laser ablation has the great advantage over the other conceivable and possible methods for material displacement, such as evaporation, vapor deposition, sputtering, sputtering, chemical conversion (oxidation, nitration), ion implantation etc. that there is practically no influence on the
Materialeigenschaften und Materialzusammensetzung des Spiegelpolygons 7 erfolgt, was wesentlich ist, da eine thermische Behandlung oder dünne Schichten bei den extremen Belastungen, denen ein schnell drehendes Spiegelpolygon 7 ausgesetzt ist, stetsMaterial properties and material composition of the mirror polygon 7 takes place, which is essential because a thermal treatment or thin layers in the extreme Loads to which a rapidly rotating mirror polygon 7 is always exposed
Festigkeitsprobleme bereiten. Grundsätzlich könnten solche anderen Verfahren zur Änderung der Materialverteilung am Rotorkörper 1 aber gleichfalls eingesetzt werden.Cause strength problems. In principle, however, such other methods for changing the material distribution on the rotor body 1 could also be used.
Es bereitet auch keine Schwierigkeiten, den Laserstrahl des Bearbeitungslasers 16 bei einerIt is also no problem to use the laser beam of the processing laser 16 at one
Nenndrehzahl des Spiegelpolygons 7 von z. B. 1,3 kHz so zu steuern, daß die Laserimpulse gezielt einen vorbestimmten Bereich 23 auf der Stirnseite 27 des Spiegelpolygons 7 treffen und dort einen Materialabtrag hervorrufen. Führt man das bei der Nenndrehzahl des Spiegelpolygons 7 aus, so hat dies den Vorteil, daß der Zustand des Spiegelpolygons 7 dabei absolut der gleiche ist wie beim späteren Betrieb. Allerdings muß der Materialabtrag nicht zwingend bei der Nenndrehzahl des Spiegelpolygons 7 erfolgen, dessen Drehgeschwindigkeit auch die Lage der Hauptträgheitsachse, welche die Drehachse A-A darstellt, nicht beeinflußt. So kann z. B. bei extrem schnell drehenden Spiegelpoiygonen 7 die Laserablation weit unterhalb deren Nenndrehzahl erfolgen, wobei allerdings darauf zu achten ist, daß die eingestellte Drehzahl keiner Resonanzdrehzahl des Spiegelpolygons 7 entspricht.Nominal speed of the mirror polygon 7 of z. B. 1.3 kHz to control so that the laser pulses selectively hit a predetermined area 23 on the end face 27 of the mirror polygon 7 and cause material removal there. If this is done at the nominal speed of the mirror polygon 7, this has the advantage that the state of the mirror polygon 7 is absolutely the same as in later operation. However, the material removal does not necessarily have to take place at the nominal speed of the mirror polygon 7, the rotational speed of which does not influence the position of the main axis of inertia, which represents the axis of rotation A-A. So z. B. with extremely fast rotating Spiegelpoiygonen 7, the laser ablation take place well below their nominal speed, but care must be taken that the set speed does not correspond to any resonance speed of the mirror polygon 7.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht auch die Möglichkeit, die Rotation des Spiegelpolygons 7 zum Pulsverhalten des Bearbeitungslasers 16 zu synchronisieren, wobei keine allzu großen Genauigkeitsanforderungen an die Synchronisation zu erfüllen sind, weil es praktisch gleichgültig ist, ob der Materialabtrag genau im Maximum der Amplitude desIn the embodiment shown, there is also the possibility of synchronizing the rotation of the mirror polygon 7 with the pulse behavior of the processing laser 16, with no overly high accuracy requirements for the synchronization having to be met, because it is practically indifferent whether the material removal is exactly at the maximum amplitude of the
Taumelfehlers erfolgt oder in einer geringen Abweichung von derselben (+/- 10°). Durch die Vielzahl der notwendigen Laserimpulse tritt ohnehin eine Mittelung ein und die während des Materialabtrages fortlaufend weiter durchgeführten Messungen liefern sofort einen Nachweis über den Prozeßerfolg.Tumbling error occurs or in a slight deviation from the same (+/- 10 °). Due to the large number of necessary laser impulses, averaging occurs anyway and the measurements carried out continuously during the material removal immediately provide proof of the process success.
Zur Messung der Lage der Normalen N auf die Spiegelflächen 13 ist der als Lichtquelle 6 eingesetzte Meßlaser relativ zum Polygonscanner 1 in seiner Lage fixiert. Die Meßstrahlung 5 wird von jeder bewegten Spiegelfläche 13 des Spiegelpolygons 7 auf eine Empfängerzeile eines Positionsdetektors 17 in Form eines CCD-Arrays reflektiert. Bei einem Pixelabstand der CCD-Empfängerzeile von 7 μm wird eine Auflösung erreicht, die besser als eine Winkelsekunde ist. Für jede Spiegelfläche 13 wird ein Meßwert geliefert.To measure the position of the normal N on the mirror surfaces 13, the measuring laser used as the light source 6 is fixed in its position relative to the polygon scanner 1. The measuring radiation 5 is reflected by each moving mirror surface 13 of the mirror polygon 7 onto a receiver line of a position detector 17 in the form of a CCD array. With a pixel spacing of the CCD receiver line of 7 μm, a resolution is achieved that is better than an angular second. A measured value is supplied for each mirror surface 13.
Am Mittenteil 3 des Gehäuses 2 des Polygonscanners 1 ist auch noch an geeigneter Stelle ein Sensor 18 zur Feststellung des Facettentaktes der umlaufenden, reflektierenden Facetten (Spiegel 13) vorgesehen, der eine Information zur momentanen Drehwinkelsteilung desOn the middle part 3 of the housing 2 of the polygon scanner 1, a sensor 18 is also provided at a suitable point for determining the facet timing of the circumferential, reflecting facets (mirror 13), which provides information on the current rotation angle division of the
Spiegelpolygons 7 liefert. Die graphische Darstellung in Figur 4 zeigt den Verlauf der Meßwerte W für den sogenanntenMirror polygons 7 delivers. The graphic representation in FIG. 4 shows the course of the measured values W for the so-called
„Pyramidalfehler" des eingesetzten Spiegelpolygons 7. Dabei besteht dieser Pyramidalfehler aus einem Anteil 19, der auf einen feststehenden Winkelfehler von Spiegelfläche 13 zu"Pyramidal error" of the mirror polygon 7 used. This pyramidal error consists of a portion 19 which points to a fixed angular error of mirror surface 13
Spiegelfläche 13 zurückgeht, und aus dem überlagerten sinusförmigen Taumelfehler 20 des drehenden Rotorkörpers 1 (gepunktet in Fig. 4 eingezeichnet). Beide Fehler werden zusammengefaßt als „Pyramidalfehler" bezeichnet.Mirror surface 13 goes back, and from the superimposed sinusoidal wobble 20 of the rotating rotor body 1 (dotted in Fig. 4). Both errors are collectively referred to as "pyramidal errors".
In der Darstellung der Fig. 4 gibt die X-Achse die Drehwinkelstellung φ des Spiegelpolygons 7 und die Y-Achse die vom Positionsdetektor 17 (CCD-Array) gemessene zugehörige Amplitude W des Detektionssignals wieder.4, the X axis represents the angle of rotation position φ of the mirror polygon 7 and the Y axis represents the associated amplitude W of the detection signal measured by the position detector 17 (CCD array).
Wie Fig. 4 zeigt, stellt der Taumelfehler 20 den sinusförigen Anteil des Gesamtsignals dar.As shown in FIG. 4, the wobble error 20 represents the sinusoidal part of the total signal.
In Fig. 1 ist weiterhin ein Rechner 22 gezeigt, in den das Ausgangssignal des Positonsdetektors 17 und des Sensors 18 zur Winkeldetektion eingegeben wird. Aufgrund der detektiertenA computer 22 is also shown in FIG. 1, into which the output signal of the position detector 17 and the sensor 18 for angle detection is input. Because of the detected
Meßwerte ermittelt der Rechner 22 zunächst die bei einer vollständigen Umdrehung des Polygonspiegels 7 auftretende Differenz D zwischen dem größten Meßwert W, und dem kleinsten Meßwert Wmjπ (vgl. Fig. 4), ferner die zu beiden Meßwerten gehörenden Drehstellungen X^ und X2 des Rotorkörpers 1 und ermittelt hieraus Steuersignale zur Weitergabe an die Korrektureinrichtung 16. Mittels des von dieser auf die Bearbeitungsstelle 23 auf der Oberseite 27 des Spiegelpolygons 7 gerichteten Laserstrahles 24 erfolgt dann an der Bearbeitungsstelle 23 ein Materialabtrag derart, daß bei der (oder einer) nachfolgenden Umdrehung des Spiegelpolygons 7 die dann gemessene Differenz D, kleiner als die zuvor gemessene Differenz D ist. Gleichzeitig wird vom Rechner 22, soferne die neu bestimmte Differenz Dj größer als ein vorgegebener Minimalwert ist, wiederum die Korrektureinrichtung 16 angesteuert, die vor der bzw. einer weiter folgenden vollständigen Umdrehung eine erneute Laserablation durchführt derart, daß die anschließend wieder gemessene Differenz zwischen maximalem und minimalem Meßwert erneut kleiner wird. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis letztlich diese Differenz kleiner als der vorgegebene Minimalwert wird.Measured values, the computer 22 first determines the difference D occurring between the largest measured value W and the smallest measured value Wmj π (see FIG. 4) during a complete revolution of the polygon mirror 7, and also the rotational positions X ^ and X 2 of the two measured values Rotor body 1 and uses this to determine control signals for forwarding to the correction device 16. By means of the laser beam 24 directed by the latter onto the processing point 23 on the upper side 27 of the mirror polygon 7, material is removed at the processing point 23 such that during the (or a) subsequent rotation of the mirror polygon 7, the difference D then measured is smaller than the previously measured difference D. At the same time, the computer 22, if the newly determined difference Dj is greater than a predetermined minimum value, in turn controls the correction device 16, which performs a new laser ablation before the or a further complete revolution in such a way that the subsequently measured difference between the maximum and minimum measured value becomes smaller again. These steps are repeated until this difference ultimately becomes smaller than the specified minimum value.
Fig. 5 zeigt schließlich das Diagramm aus Fig. 4, wobei der Taumelfehler 20 durch eine Vielzahl solchermaßen durchgeführter Schritte (bei aufeinanderfolgenden Messungen) und Materialabtragungen so gut wie völlig verschwunden ist (meist wird der Vorgang bei Erreichen eines vorgegebenen minimalen Restniveaus für den Taumelfehler 20 abgebrochen), wobei dann nur noch der feststehende Winkelfehler 19 von Spiegelfläche 13 zu Spiegelfläche 13 vorliegt (Fig. 5). Die Darstellung der Fig. 6 zeigt schließlich die Steuerung der Impulsfolge des Bearbeitungslasers der Korrektureinrichtung 16 (im Bild oben) und die auf die Oberfläche 27 des Spiegelpolygons 7 einwirkende Laserimpulsfolge (im Bild unten) im Prinzip.Finally, FIG. 5 shows the diagram from FIG. 4, the wobble error 20 having virtually disappeared completely through a large number of steps carried out in this way (in the case of successive measurements) and material removal (mostly the process becomes when the wobble error 20 is reached at a predetermined minimum residual level canceled), in which case only the fixed angular error 19 from mirror surface 13 to mirror surface 13 is present (FIG. 5). 6 shows the control of the pulse train of the processing laser of the correction device 16 (in the picture above) and the laser pulse train acting on the surface 27 of the mirror polygon 7 (in the picture below) in principle.
Entsprechend der Anordnung aus Fig. 2 ist die Aussendung der Impulsfolge desAccording to the arrangement of Fig. 2, the transmission of the pulse train
Bearbeitungslasers der Korrektureinrichtung 16 gegenüber der Lage des detektierten Maximums des Taumelfehlers um ein ganzzahliges Vielfaches von 1-Y* (mit T = Umlaufeeit für eine Umdrehung) zeitlich verschoben. Praktisch wird so verfahren, daß die Ablenkung des Meßstrahls 5 entsprechend den Strahlverlauf, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, beim drehenden Spiegelpolygon 7 während des Materialabtrages weitergemessen und der Vorgang desThe processing laser of the correction device 16 is shifted in time from the position of the detected maximum of the wobble error by an integer multiple of 1-Y * (with T = circumferential for one revolution). In practice, the procedure is such that the deflection of the measuring beam 5 in accordance with the beam path, as shown in FIG. 2, is further measured with the rotating mirror polygon 7 during the material removal and the process of
Messens und Abtragens abgebrochen wird, sobald die gemessene Differenz Di unter einen vorgegebenen Grenzwert abgesunken ist.Measuring and ablation is stopped as soon as the measured difference Di has dropped below a predetermined limit value.
Fig. 3 zeigt schließlich den prinzipiellen Aufbau eines Spiegelpolygons 7 in einem passiven supraleitenden Magnetlager (dieses in prinzipieller Schnittdarstellung), wobei das dasFig. 3 shows the basic structure of a mirror polygon 7 in a passive superconducting magnetic bearing (this in a basic sectional view), which is the
Spiegelpolygon 7 umgebende Gehäuse nicht dargestellt ist.Mirror polygon 7 surrounding housing is not shown.
Hier besteht der Rotorkörper 1 aus geschichteten Permanentmagneten 12 und einem Spiegelpolygon 7. Ein ihn umgebendes Statorteil 25 besteht aus einem supraleitenden Material, welches durch einen Kühler 26 unter seine kritische Temperatur abgekühlt wird. DieHere, the rotor body 1 consists of layered permanent magnets 12 and a mirror polygon 7. A stator part 25 surrounding it consists of a superconducting material which is cooled below its critical temperature by a cooler 26. The
Magnetspulen 11 für den Antrieb erzeugen ein Magnetfeld, welches auf den Rotationskörper 1 einwirkt und diesen in Drehung versetzt.Magnetic coils 11 for the drive generate a magnetic field which acts on the rotating body 1 and sets it in rotation.
Ein solches passivisches Magnetlager hat den Vorteil, daß hier die Lage des Rotorkörpers 1 nicht durch eine Regelung stabilisiert werden muß. Der „eingefrorene" Zustand der in dem supraleitenden Material des Statorteiles 25 durch die Permanentmagneten 12 induzierten Ströme führt den Rotorkörper 1 stabil, störungsresistent und exakt reproduzierbar.Such a passive magnetic bearing has the advantage that the position of the rotor body 1 does not have to be stabilized by regulation. The “frozen” state of the currents induced in the superconducting material of the stator part 25 by the permanent magnets 12 guides the rotor body 1 in a stable, interference-resistant and exactly reproducible manner.
Die in Fig. 3 dem Prinzip nach gezeigte Anordnung hat auch noch den Vorteil, daß hier auf der Stirnfläche 27 des Spiegelpolygons 7 der freie Bereich 15 praktisch nicht durch irgendwelcheThe arrangement shown in principle in FIG. 3 also has the advantage that here on the end face 27 of the mirror polygon 7 the free area 15 practically does not have any
Aufbauten eingeschränkt wird. Structures is restricted.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Verringern der Taumelbewegung bei einem frei schwebend gelagerten, sich drehenden Rotorkörper (1), der an seinem Außenumfang Reflexionsflächen (13) aufweist, wobei ein Meßstrahl (15) vorgegebener Einstrahllage an den vorbeilaufenden Reflexionsflächen (13) des sich mit einer Drehzahl, die nicht einer seiner Resonanzfrequenzen entspricht, drehenden Rotorkörpers (1) reflektiert und nach der Reflexion auf einen Positionsdetektor (17) gerichtet wird, dessen Signale einem Rechner (22) zugeführt werden, der die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Wert der während jeder vollständigen Umdrehung des Rotorkörpers (1) vom Positionsdetektor (17) abgegebenen Signale sowie die zu beiden Werten gehörenden Drehstellungen des Rotorkörpers (1) bestimmt und hieraus Steuersignale berechnet, mit denen eine Korrektureinrichtung (16) angesteuert wird, die bei der oder einer folgenden Umdrehung des Rotorkörpers (1) eine Änderung der Masseverteilung am Rotorkörper (1 ) berührungslos und ohne Beeinflussung der Reflexionsflächen (13) derart bewirkt, daß die bei dieser Umdrehung des Rotorkörpers (1 ) festgestellte Differenz zwischen kleinstem und größtem Wert der vom Positionsdetektor (17) abgegebenen Signale kleiner als die bei der vorausgegangenen Umdrehung bestimmte Differenz ist.1. A method for reducing the wobble movement in a freely suspended, rotating rotor body (1) which has reflecting surfaces (13) on its outer circumference, a measuring beam (15) having a predetermined irradiation position on the passing reflecting surfaces (13) of the rotating surface , which does not correspond to one of its resonance frequencies, reflects the rotating rotor body (1) and, after reflection, is directed to a position detector (17), the signals of which are fed to a computer (22) which measures the difference between the largest and the smallest value of the during each complete rotation of the rotor body (1) from the position detector (17) signals as well as the rotational positions of the rotor body (1) belonging to both values are determined and control signals are calculated therefrom, with which a correction device (16) is actuated, which during one or a subsequent rotation of the Rotor body (1) a change in the mass distribution on the rotor body (1) without contact and without influencing the reflection surfaces (13) in such a way that the difference between the smallest and largest value of the signals emitted by the position detector (17) determined during this rotation of the rotor body (1) is smaller than the difference determined during the previous rotation ,
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Änderung der Masseverteilung am Rotorkörper (1) innerhalb jeweils örtlich begrenzter Bereiche (23) vorgenommen wird.2. The method according to claim 1, wherein the change in the mass distribution on the rotor body (1) is carried out within locally limited areas (23).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Masseverteilung am Rotorkörper (1 ) durch örtlichen Masseabtrag oder Masseauftrag verändert wird.3. The method according to claim 1 or claim 2, wherein the mass distribution on the rotor body (1) is changed by local mass removal or mass application.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Masseverteilung am Rotorkörper (1 ) durch Laserbestrahlung, Elektronenbestrahlung und/oder lonenbestrahlung verändert wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the mass distribution on the rotor body (1) is changed by laser radiation, electron radiation and / or ion radiation.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die zur Änderung der Masseverteilung am Rotorkörper5. The method according to claim 4, wherein the to change the mass distribution on the rotor body
(1 ) eingesetzte Strahlung (24) gepulst wird.(1) radiation used (24) is pulsed.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die zur Änderung der Masseverteilung am Rotorköφer (1 ) eingesetzte Strahlung (24) synchron zur Drehzahl des Rotorköφers (1 ) gepulst wird.6. The method according to claim 5, in which the radiation (24) used to change the mass distribution on the rotor body (1) is pulsed synchronously with the rotational speed of the rotor body (1).
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Impulszeit und/oder die Impulslänge und/oder die Impulsfrequenz und/oder die Impulsleistung in Abhängigkeit von den vom Positionsdetektor (17) gelieferten Signalen eingestellt wird/werden.7. The method according to claim 5 or 6, wherein the pulse time and / or the pulse length and / or the pulse frequency and / or the pulse power is / are set as a function of the signals supplied by the position detector (17).
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Puisregime der eingesetzten Strahlung (24) mit dem Signal des Positionsdetektors (17) getriggert wird.8. The method according to claim 7, wherein the pulse regime of the radiation used (24) with the signal of the position detector (17) is triggered.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem die Ausrichtung der eingesetzten Strahlung (24) relativ zum Rotorkörper (1) über die Steuersignale des Rechners (22) eingestellt wird.9. The method according to any one of claims 4 to 8, wherein the orientation of the radiation used (24) relative to the rotor body (1) is set via the control signals of the computer (22).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Korrektureinrichtung (16) deaktiviert wird, wenn und solange die festgestellte Differenz zwischen dem kleinsten und dem größten Wert der vom Positionsdetektor (17) abgegebenen Signale einen vorgegebenen10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the correction device (16) is deactivated if and as long as the determined difference between the smallest and the largest value of the signals emitted by the position detector (17) a predetermined
Grenzwert nicht mehr übersteigt.Limit no longer exceeds.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem sich der Rotorkörper (1) während der Messungen und der Veränderung der Masseverteilung an ihm mit seiner Nenndrehzahl dreht.11. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein the rotor body (1) rotates at its nominal speed during the measurements and the change in the mass distribution on it.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei dem der Rotorköφer (1) in einem passiven supraleitenden Magnetlager (12, 25) gelagert wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, wherein the rotor body (1) is mounted in a passive superconducting magnetic bearing (12, 25).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem als Rotorkörper (1 ) ein13. The method according to any one of claims 1 to 12, in which as a rotor body (1)
Spiegelpolygon (7) eingesetzt wird.Mirror polygon (7) is used.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem als Meßstrahl (5) ein Laserstrahl eingesetzt wird.14. The method according to any one of claims 1 to 13, in which a laser beam is used as the measuring beam (5).
15. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einem von einem Antrieb in Drehung versetzbaren Rotorkörper (1), der an seinem Außenumfang mindestens eine Reflexionsfläche (13) aufweist, einer Lagereinrichtung (10, 12; 12, 25) zur frei schwebenden15. Arrangement for performing a method according to claim 1, with a rotatable by a drive rotor body (1) which has at least one on its outer circumference Has reflection surface (13), a bearing device (10, 12; 12, 25) for floating
Lagerung des Rotorköpers (1) bei Drehung, einer Lichtquelle (6) zum Erzeugen eines auf die mindestens eine Reflexionsfläche (13) des sich drehenden Rotorkörpers (1) ausrichtbarenBearing of the rotor body (1) when rotating, a light source (6) for generating one that can be aligned with the at least one reflection surface (13) of the rotating rotor body (1)
Meßstrahles (5), einem Positionsdetektor (17) zum Detektieren des von den Reflexionsflächen (13) reflektierten Meßstrahles (5), einer Einrichtung (18) zum laufenden Detektieren derMeasuring beam (5), a position detector (17) for detecting the measuring beam (5) reflected by the reflecting surfaces (13), a device (18) for continuously detecting the
Drehwinkelstellungen des Rotorköφers (1), einer Korrektureinrichtung (16) mittels derer dieAngular positions of the rotor body (1), a correction device (16) by means of which
Masseverteilung am Rotorköφer (1) berührungslos veränderbar ist, und mit einem RechnerMass distribution on the rotor body (1) can be changed without contact, and with a computer
(22), an dessen Eingang der Positionsdetektor (17) und die Einrichtung (18) zur laufenden(22), at the input of the position detector (17) and the device (18) for running
Detektion der Drehwinkelstellung des Rotorkörpers (1) angeschlossen sind und der Steuersignale an die Koσektureinrichtung (16) liefert.Detection of the angular position of the rotor body (1) are connected and the control signals to the Koσektureinrichtung (16) delivers.
16. Anordnung nach Anspruch 15, bei der als Korrektureinrichtung (16) ein Lasergenerator vorgesehen ist.16. The arrangement as claimed in claim 15, in which a laser generator is provided as the correction device (16).
17. Anordnung nach Anspruch 16, bei der als Lasergenerator (16) ein Nd-YAG-Lasergenerator oder ein Eximer-Lasergenerator vorgesehen ist.17. The arrangement as claimed in claim 16, in which an Nd-YAG laser generator or an eximer laser generator is provided as the laser generator (16).
18. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, bei der ein gepulster Lasergenerator (16) vorgesehen ist.18. The arrangement according to claim 15 or 16, wherein a pulsed laser generator (16) is provided.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der als Positionsdetektor (17) ein CCD-Array vorgesehen ist.19. Arrangement according to one of claims 15 to 18, in which a CCD array is provided as position detector (17).
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, bei der die Einrichtung (5) zur Erzeugung des Meßstrahles ein Lasergenerator ist.20. Arrangement according to one of claims 15 to 19, in which the device (5) for generating the measuring beam is a laser generator.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei der die Einrichtung (5) zur Erzeugung des Meßstrahles zur Ausrichtung dessen Einstrahllage auf die mindestens eine Reflexionsfläche (13) lageverstellbar angeordnet ist.21. Arrangement according to one of claims 15 to 20, in which the device (5) for generating the measuring beam for aligning its irradiation position on the at least one reflection surface (13) is arranged such that it can be adjusted.
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , bei der der Rotorkörper (1) ein Spiegelpolygon (7) ist.22. Arrangement according to one of claims 15 to 21, wherein the rotor body (1) is a mirror polygon (7).
23. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei der als Lagereinrichtung ein passiv supraleitendes Magnetlager (12, 25) vorgesehen ist. 23. Arrangement according to one of claims 15 to 22, in which a passive superconducting magnetic bearing (12, 25) is provided as the bearing device.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei der ein aktiv magnetgelagerter24. Arrangement according to one of claims 15 to 22, in which an actively magnetic bearing
Polygonscanner (7) vorgesehen ist.Polygon scanner (7) is provided.
25. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei der als Lagereinrichtung ein Fluidlager vorgesehen ist. 25. Arrangement according to one of claims 15 to 22, in which a fluid bearing is provided as the bearing device.
PCT/EP2000/004440 1999-06-24 2000-05-16 Method and device for reducing wobbling of a rotating rotor body which is mounted in a freely suspended manner WO2001001100A1 (en)

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