CN103608685A - 使用三轴加速度计的扫描器诊断 - Google Patents

Abstract

扫描系统上的许多故障模式、原因和不利操作条件表现出机械标志，该机械标志被位于上传感头和下传感头中的三轴加速度计所检测。一种用于监测在片材沿双向从动移动式检测器装置的平移轴线进行线性平移期间检测所述片材的特性的扫描系统的诊断系统包括振动传感器，该振动传感器构造成测量由扫描系统的各种部件产生的振动并生成指示所述部件的操作条件的振动信号。通过使振动信号与部件的操作模式相关联而识别扫描器中的潜在问题的根源、位置和严重性。在双扫描系统中，上扫描头中的加速度计监测与上载架的运动相关的活动，而下扫描头中的加速度计监测与下载架的运动相关的活动。

Description

使用三轴加速度计的扫描器诊断

技术领域

本发明一般地涉及用于在生产期间确定连续片材的参数的扫描器测量系统，更具体地涉及用于在诊断扫描器操作条件时对机械标志进行分析的技术。

背景技术

现已开发出用于“在线”（即，在工作时的制片机上）检测片材性质的各种传感器系统。用于连续平板生产过程的传感器通常使用具有在线传感器的单侧或双侧封装，其在生产期间横越或扫描行进中的片材卷幅。在双扫描器的情况中，扫描头或组件被固定到跨越片材两侧的扫描器框架系统的梁，扫描器框架系统的两侧具有线性导轨以允许传感器一致地在横向方向（即在垂直于片材行进方向的方向）上移动。取决于制片操作，横向距离可以在高达大约12米或更长的范围内。例如，在造纸领域，在线传感器在生产期间检测诸如基本重量、含水量和片材厚度之类的变量。希望提供一种方法，该方法监测扫描器框架系统的操作条件从而提供对部件故障、污染物积累或者其它不利操作条件的早期预警。扫描头装备有对准或者扫描头位移传感器，这些传感器提供差动的扫描头位移读数。然而，这种读数并不能揭示不对准的根源。主要的障碍在于存在许多潜在故障模式并且导致这些故障模式的原因更多，因此针对每个单独原因为扫描框架装备仪器对资源的要求过高。

发明内容

本发明是部分地基于以下事实：扫描系统上的许多故障模式、原因和不利操作条件具有机械标志，可以用定位成远离被监测的机器部件的加速度计来检测所述机械标志。具体地，分别添加在上传感头和下传感头中的三轴加速度计有助于对扫描器操作条件的诊断。不利操作条件和相关机械振动的根源包括例如：碎屑的积累和/或扫描系统中存在异物。轨道（载架在其上面行进）上的污染物积累干扰载架滚轮的移动。异物的存在干扰扫描头和扫描系统其它部件的定向移动。利用本发明，能够检测具有异物的传感头的影响并采取措施将其作为需要立即关闭驱动系统的异常情况。类似地，例如能够对导致突然加速的马达故障进行监测并且能够执行适当的马达驱动调谐。

可以对扫描系统的梁结构中的共振进行监测。共振可以位于扫描系统的上梁或下梁以及其它结构中，一旦检测到共振的开始并且确定了共振频率，则可以采取适当的去谐措施。类似地，可以对传动机构的部件进行监测。例如，与传动带轮偏心以及与传动轴承和皮带相关的问题产生可以被检测出的机械标志。

也可以在制造期间使用本发明来确认扫描系统已经被正确地组装。例如，马达和编码器布线和系统参数必须被正确地构造成由主控制计算机产生正确的运动。因此，作为方向设置过程的一部分，可以利用加速度计读数来独立地观察扫描器移动方向。

在一个方面，本发明涉及一种用于监测扫描系统的诊断系统，所述扫描系统在片材沿双向从动移动式检测器装置的平移轴线进行线性平移期间检测所述片材的特性，所述诊断系统包括：

（a）被监测的所述扫描系统，所述扫描系统包括：

       （i）沿第一方向延伸的第一伸长构件，其中，所述第一伸长构件支撑安装在其上的第一载架；和

       （ii）用于沿主扫描方向驱动第一安装的载架的装置，所述第一安装的载架支撑第一传感头；

（b）振动传感器，所述振动传感器构造成测量由所述扫描系统的一个或多个部件产生的振动并且生成指示所述一个或多个部件的操作条件的振动信号；以及

（c）用于使所述振动信号与所述扫描系统的所述一个或多个部件的操作模式相关联的装置。

在另一方面，本发明涉及一种诊断扫描系统的机械条件的方法，所述扫描系统在片材沿双向从动移动式检测器装置的平移轴线进行线性平移期间检测所述片材的特性，其中，被监测的所述扫描系统包括：（i）沿第一方向延伸的第一伸长构件，其中，所述第一伸长构件支撑安装在其上的第一载架；和（ii）用于沿主扫描方向驱动第一安装的载架的装置，所述第一安装的载架支撑第一传感头；所述方法包括以下步骤：

（a）利用振动传感器获得振动标志，所述振动标志是所述扫描系统的一个或多个部件的特性；以及

（b）使所述振动标志与所述扫描系统的所述一个或多个部件的操作模式相关联。

优选的振动传感器是位于扫描头中的三轴加速度计，其将机械振动转换成加速度读数。

附图说明

图1示出了具有平行的上支撑梁和下支撑梁以及传动机构的扫描系统。

图2是扫描系统的侧视图，示出了传动机构的马达。

图3是上支撑梁和下支撑梁的剖视图。

图4示出了位于一组轨道上的滚轮载架，传感头从滚轮载架悬挂。

图5是扫描系统的上结构性梁和下结构性梁的侧视图，每个梁支撑一滚轮载架，该滚轮载架支撑双传感头中的一个。

图6是三轴加速度计的操作的示意图。

具体实施方式

图1和图2示出了扫描器框架系统2，扫描器框架系统2具有安装在一对直立端部构件8、10上的上支撑梁4和下支撑梁6。相关的上悬挂轨道38和下悬挂轨道44分别被固定到上支撑梁4和下支撑梁6的下表面。具体地，一系列单独的竖直上支撑结构120支撑上轨道38，并且一系列单独的竖直下支撑结构144支撑下轨道44。如本文中进一步的描述，每个轨道限定路径，安装有传感器的滚轮载架沿该路径行进。轨道可以沿竖直支撑结构之间的间隔而下垂。

上支撑梁4装备有用销固定到该梁的多个上固定转动带轮20、22和24。每个上固定转动带轮优选地具有围绕其外周边的凹槽，该凹槽的尺寸被设计成容纳柔索32，该柔索32在上固定转动带轮和传动轴110的近端112附近是弯曲的。柔索32连接到联接装置36，该联接装置36附接到上滚轮载架（未图示）。柔索32被以充分的张力固定以避免过度的松弛并且当它沿端部构件8、10之间的主扫描方向来回移动时保持紧绷。

类似地，下支撑梁6装备有用销固定到该梁的多个下固定转动带轮26、28和30。每个下固定转动带轮具有围绕其外周边的凹槽，该凹槽的尺寸被设计成容纳柔索42，该柔索42在下固定转动带轮和传动轴110的远端114附近是弯曲的。柔索42连接到联接装置46，该联接装置46附接到下滚轮载架（未图示）。

如图1和图2中进一步示出的，滚轮载架（未图示）的公共传动机构116包括可逆电马达12，该电马达12被安装在端部构件8上并且具有从其延伸的驱动轴118，该驱动轴118使从动带轮14旋转。齿轮带18环绕从动带轮14以及传动带轮或惰轮16，惰轮16的中心连接到传动轴110。柔索42环绕下固定转动带轮28和传动轴110的远端114，而柔索32环绕上固定带轮22和传动轴110的近端112。传动轴110的近端112和远端114的直径是相同的，从而柔索32、42与端部112、114的接合使马达12能够产生施加给每个柔索的等量的转矩。以这种方式，利用上固定转动带轮和下固定转动带轮的双重布置以及它们的相关柔索，马达12的启动同时接合两个联接装置36和46。旋转编码器122被安装成邻近于马达12，用于在跟踪马达轴118的位置时进行运动反馈。此外，编码器还用于使马达部件的操作同步。上固定转动带轮和下固定转动带轮的构造和尺寸优选地是相同的，使得联接装置36和46以相同速度在相同方向上沿平行路径来回移动。

可以容易地对公共传动机构的恒定和循环的运动进行监测。例如，驱动带轮偏心可以导致周期性加速，该周期性加速的频率与带轮直径和扫描速度有关。此外，传动轴承或传动带的故障产生高频振动，该高频振动经由传动带被传递给扫描头，在扫描头中，该高频振动被加速度计所检测。这些振动的振幅通常太低，以至于相关的扫描头位移传感器难以检测到。

作为在组装过程中或者在机器启动期间的方向设置的一部分，可以利用加速度读数独立地观察扫描器移动方向，以确认马达和编码器布线和系统参数被正确地构造成由主控制计算机产生正确的移动。

如图3中所示，上结构性支撑梁4和下结构性支撑6被安装到竖直端部构件10，竖直端部构件10通常用螺栓固定到车间地板。具有其空心截面的每一个单块的梁优选地由挤制铝制成。在上支撑梁4中，腹板构件50、52增加结构完整性并且在挤制加工期间通过防止梁的侧部发生变形而提供侧向支撑。类似地，下梁结构6包括内部腹板构件54、56。支撑梁4、6的长度通常是在6至14米的范围内或者更长。支撑梁4、6经历环境条件的波动以及随之产生的温度变化。所造成的梁的热变形等等导致双扫描头系统中的辐射源和检测器发生错位，本文中将进一步描述。在上支撑梁或者下支撑梁中可能发生共振。振动传感器可以检测共振的开始，并且一旦确定了共振频率则可以启动适当的去谐操作。

扫描系统中所使用的滚轮载架尤其适合于沿悬挂轨道系统（亦即在地面上方的轨道系统）输送物品。以这种方式，滚轮载架可以输送在被监测片材或其它材料上方行进的检测装置。如图3中所示，上轨道38、58和下轨道44、62限定用于双载架（未图示）的固定路径。图4示出了一组悬挂轨道38、58，其尺寸被设计成容纳滚轮载架70的轮子，滚轮载架70输送传感头98，传感头98经由支撑组件60附接到载架的底侧。轨道38、58限定在主扫描方向上的固定路径，载架70通过该路径输送悬挂的传感头98。滚轮载架70的移动会受到轨道表面上的不连续性的影响，该轨道表面否则应当是平直的且低摩擦的。在对轨道（载架滚轮在其上面行进）的条件进行监测时，污染物积累将表现为竖直轴加速中的振动特性。在如图5所示的具有双扫描头98和102的扫描系统中，分别利用位于传感头98和102中的加速度计128和138对上轨道38和下轨道44进行监测。

图5示出了具有扫描器传感头98和102的扫描系统。当传感器以透射模式操作时，通常采用此双传感器构造。例如，上传感头98可容纳红外辐射源，而下传感头102容纳红外检测器，该红外检测器测量穿过被监测材料而透射的辐射。上扫描头98被上支撑梁4支撑，上支撑梁4具有下表面，一系列侧向间隔的刚性支撑结构120被安装到所述下表面。这些竖直结构支撑轨道38。当滚轮载架70沿横向方向行进到移动的片材106时，滚轮载架70的轮子与轨道38接合。类似地，下扫描头102被下支撑梁6支撑，下支撑梁6具有下表面，多个侧向间隔的刚性支撑结构144被安装到所述下表面。这些竖直结构支撑轨道44，滚轮载架94的轮子接合在轨道44上。利用类似于上扫描头的传动机构的传动机构来促进滚轮载架的移动。动力链92将电流和电信号提供至下扫描头102。

下传感头102被固定到支撑组件66，该支撑组件66被安装到构件96，构件96从滚轮载架94延伸从而将下传感头102定位成邻近于上扫描头98。下扫描头102和上扫描头98的操作面限定具有入口108和出口110的间隙，在机器方向上移动的一片材料106穿过该间隙。双扫描头102、98的移动在速度和方向上被同步以便使它们彼此对准。例如，授予Shead的美国专利5,773,714和授予Dahlquist的美国专利5,166,748中描述了在被分析片材的相对侧上具有传感器部件的扫描系统，这些专利的内容以参考的方式并入本文中。

扫描头98、102起平台的作用，用于携带传感器以检测片材性质，例如在纸的情况下检测基本重量。例如，下扫描头102可携带辐射源（例如核β辐射源），并且上扫描头98可携带检测器。在这种情况下，可以通过用传感器测量当存在片材时入射到检测器上的辐射强度并且与当不存在片材时入射到检测器上的β辐射进行比较而进行重量的测量；亦即，利用被片材减弱的β辐射来测量基本重量。

替代地，为了测量纸的含水量，可以将红外辐射源置于下扫描头102中并且用位于上扫描头98中的检测器来捕获穿过纸而透射的辐射。对透射的辐射的分析得出含水量。例如，授予Chase等人的美国专利第5,654,799号、授予Gordon等人的美国专利5,793,486和授予Haran的美国专利7,494,567描述了使用辐射源和检测器的示例性扫描双头传感器，这些专利的内容以参考的方式并入本文中。虽然在对纸特性的测量中说明了传感器，但应当理解的是传感器也可以用于检测多种不同材料（包括例如塑料、涂覆材料、织物等）中的各种成分。

可以检测外来物体对扫描头98、102移动的干扰并采取措施。在异常现象严重的情况下，例如在受到物体撞击的情况下，驱动系统能够立即关闭。较不严重的情况（例如导致扫描头急动的突然加速变化）将导致能够被检测到的头零件和驱动系统中的振动。可以在定期维护过程中对马达驱动调谐进行调节。

优选地位于上扫描头98的中心的是振动传感器128，例如安装有印刷电路板（PCB）的三轴加速度计。优选的加速度计是从Freescale Semiconductor公司（Tempe AZ）获得的MMA7361L型加速度计。替代地，可以使用被定向成提供三轴传感的若干个单轴加速度计。类似地，下扫描头102包括安装有PCB的三轴加速度计138。本发明的一个特征是：通过将加速度计定位在扫描头98和102中，在被加速度计感测之前，振动分别经过刚性支撑组件60和66传播。每个支撑组件（其优选地是载架与扫描头之间仅有连接）起导管的作用，其将振动能量有效地传送至每个传感器。每个三轴加速度计把位于传感头外部的扫描系统的部件所传出的机械振动转变成机械标志模拟信号。在双扫描头的每一个中包括加速度计的此布置提供独立的上扫描头和下扫描头测量，这些测量将精确地定位并识别例如在上组件或者下组件中的潜在机械问题的根源，比单纯的差动头位移读数更快速。例如，关于对共振进行监测，本发明将优于上传感头与下传感头之间的相对位移测量。这是由于可能存在这样的振动频率，该振动频率影响上支撑梁和下支撑梁并且导致将测量到的频率差和随之而来的使读数复杂化的频率跳变。

图5所示的具有双扫描头的扫描系统尤其适合于系统以透射模式操作的情况，其中，来自位于一个扫描头中的辐射源的辐射被位于另一扫描头中的传感器所检测。在本发明的情况中，任何扫描头均不需要对准或头位移传感器。在系统以反射模式操作的应用中，仅需要单个扫描头及其相关的加速度计。在这些单侧扫描系统中，单个传感头容纳辐射源和辐射接收器，从而从片材发射的辐射被接收器检测。现有技术的位移xyz型传感器不能与单侧传感器一起使用。在单个传感头的情况中，不存在可以从其获得可比较的读数的相对的传感头表面。在这方面，将加速度计应用于本发明尤其适合于诊断运动信息来推断与支撑梁有关的问题。

实施本发明的诊断过程的技术是：最初在从正常或无缺陷状态到异常状态的范围内的已知状态下，操作扫描系统并监测扫描器的振动特性。利用加速度计感测由扫描系统的不同部件所产生的振动特性。在瞬态或稳态条件期间，当扫描系统在正常条件下操作时，加速度计测量振动特性，然后该振动特性被转变成正常参考标志，亦即在无缺陷操作条件下的扫描系统部件的标志。类似地，当扫描系统在已知的异常条件下操作时，建立一组相应的异常参考标志。正常和异常参考标志识别所述条件的根源、位置和严重性。一旦形成参考标志库，则可以通过测量在系统的实际操作期间所产生的振动特性并且生成与参考标志进行比较的操作标志而容易地对扫描系统进行连续评估。对这些标志的比较将表明扫描系统中的各种部件的操作是正常还是异常以及异常的程度。在检测到出现机械问题的情况下可以执行校正措施，并且在所检测到的问题严重的情况下可以关闭扫描系统。

图6示出了在对扫描系统进行诊断时分别位于扫描头98和102中的加速度计128和138的操作（图5）。诊断模块150包括处理器152，该处理器152被编程以控制和操作诊断模块150中的各种部件。存储器154存储了振动分析数据，该振动分析数据包括与扫描系统相关的参考标志库和历史振动数据。数据通信系统158使处理器152与接口装置160和主计算机156联接。

在扫描系统的操作期间，加速度计128、138检测振动并生成振动信号，振动信号被处理器152接收，处理器152生成与振动信号相对应的振动标志。处理器152访问存储器154以确定该振动在扫描系统中的根源并确定机器部件的条件。经由数据通信系统158传送命令和参数信息。取决于所检测到的问题的性质，所述命令可以指示主计算机156关闭系统或者仅在接口装置160中显示诊断信息。

前面已描述了本发明的原理、优选实施例和操作模式。然而，本发明不应被理解成局限于所讨论的具体实施例。因此，上述实施例应被看作是说明性的而不是限制性的，并且应该认识到在不背离如所附权利要求限定的本发明范围的情况下，本领域技术人员可在这些实施例中作出变更。

Claims (10)

1.一种用于监测扫描系统（2）的诊断系统，所述扫描系统（2）在片材（106）沿双向从动移动式检测器装置的平移轴线进行线性平移期间检测所述片材（106）的特性，所述诊断系统包括：

（a）被监测的所述扫描系统（2），所述扫描系统（2）包括：

       （i）沿第一方向延伸的第一伸长构件（4），其中，所述第一伸长构件（4）支撑安装在其上的第一载架（70）；和

       （ii）用于沿主扫描方向驱动第一安装的载架（70）的装置（116），所述第一安装的载架（70）支撑第一传感头（98）；

（b）振动传感器（128），所述振动传感器（128）构造成测量由所述扫描系统（2）的一个或多个部件产生的振动并且生成指示所述一个或多个部件的操作条件的振动信号；以及

（c）用于使所述振动信号与所述扫描系统（2）的所述一个或多个部件的操作模式相关联的装置（150）。

2.如权利要求1所述的诊断系统，其中，所述振动传感器（128）包括位于所述第一传感头（98）中的三轴加速度计。

3.如权利要求2所述的诊断系统，其中，所述加速度计构造成测量由容纳在所述第一传感头（98）之外的所述扫描系统（2）的一个或多个部件产生的振动。

4.如权利要求2所述的诊断系统，其中，所述第一传感头（98）被支撑组件（60）固定到所述第一载架（70），由所述一个或多个部件产生的振动经过所述支撑组件（60）被传送至所述振动传感器（128）。

5.如权利要求1所述的诊断系统，其中，所述用于使振动信号相关联的装置（150）将所述振动信号与参考信号进行比较以确定所述一个或多个部件的状态。

6.一种诊断扫描系统（2）的机械条件的方法，所述扫描系统（2）在片材（106）沿双向从动移动式检测器装置的平移轴线进行线性平移期间检测所述片材（106）的特性，其中，被监测的所述扫描系统（2）包括：（i）沿第一方向延伸的第一伸长构件（4），其中，所述第一伸长构件（4）支撑安装在其上的第一载架（70）；和（ii）用于沿主扫描方向驱动第一安装的载架（70）的装置（116），所述第一安装的载架（70）支撑第一传感头（98）；所述方法包括以下步骤：

（a）利用振动传感器（128）获得振动标志，所述振动标志是所述扫描系统（2）的一个或多个部件的特性；以及

（b）使所述振动标志与所述扫描系统（2）的所述一个或多个部件的操作模式相关联。

7.如权利要求6所述的方法，还包括步骤（c）：启动校正措施以改善所检测到的故障。

8.如权利要求6所述的方法，其中，步骤（b）包括：确定所述第一载架（70）的方向响应并且确定所述第一载架是否根据来自主计算机（156）的命令而移动。

9.如权利要求6所述的方法，其中，所述扫描系统包括：（iii）沿平行于所述第一方向的第二方向延伸的第二伸长构件（6），其中，所述第二伸长构件（6）支撑安装在其上的第二载架（94）；以及（iv）用于驱动所述第二载架（94）的装置（116），所述第二载架（94）支撑第二传感头（102）。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述振动传感器（128、138）包括：

（i）位于所述第一传感头（98）中的第一加速度计（128），所述第一加速度计（128）构造成测量由未被容纳在所述第一传感头（98）中的所述扫描系统（2）的部件产生的振动；以及

位于所述第二传感头（102）中的第二加速度计（138），所述第二加速度计（138）构造成测量由未被容纳在所述第二传感头（102）中的所述扫描系统（2）的部件产生的振动。

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