CN112771458A - 用于机电接合系统的状态分析的方法和执行该方法的机电接合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对机电接合系统(100)进行状态分析的方法以及一种被设计用于执行该方法的机电接合系统(100)；其中，通过电驱动器(10)借助螺纹传动机构(20)产生用于机电接合系统(100)所执行的接合过程的输出力或输出转矩；其中，将电驱动器(10)的实际值(IW，IW’)作为输入参量输送给监控装置(14)；其中，通过传感器(24)确定附加测量值(ZMW)，传感器(24)用于测量在接合过程期间随时间变化的力或转矩进程；将附加测量值(ZMW)作为输入参量输送给监控装置(14)；并且其中，监控装置(14)基于所输送的实际值(IW，IW’)与所输送的附加测量值(ZMW)的关联来检测机电接合系统(100)的易磨损组件(21)的即将发生的磨损。

Description

用于机电接合系统的状态分析的方法和执行该方法的机电接 合系统

技术领域

本发明涉及一种用于对机电接合系统进行状态分析的方法，特别是用于采集能够导致机电接合系统故障的偏差的方法。此外，本发明还涉及一种设计用于执行根据本发明方法的机电接合系统。

背景技术

由专利文献WO2005124488A1已知一种用于在技术进程中对操控轴的电驱动器进行状态分析的方法。该已知的方法例如使用在电气自动化系统中并用于监视易磨损的组件，例如制动器、传动机构、皮带传动器、轴承、螺纹传动机构(Gewindetrieb)、导向件等。该已知的方法特别是用于提早识别在上述组件上要出现的磨损。由此，例如能够在电气自动化系统发生故障成本最小的时间点上更换相关的组件，例如在正常维护间隔期间或者在电气自动化系统的运行间歇期间。为此，其提出了一种由所引用的文献中得知的方法，该方法是借助于监视装置来处理电驱动器的实际值，并在必要时处理其他的通过传感器采集到的测量值。该测量值是借助于算法进行处理并且例如显示在合适的显示单元上。

申请人是机电接合系统的制造商，如数据表2160A_000-764d-02.17中所述。机电接合系统用于自动接合过程。机电接合系统具有电驱动器和螺纹传动机构，电驱动器具有电子换向伺服电机。螺纹传动机构将伺服电机的驱动轴的转动运动转换为线性运动。为此，螺纹传动机构具有丝杠和丝杠螺母(Spindelmutter)。在丝杠螺母的一端部上安装有用于工具接收的挺杆。机电接合系统具有易磨损的组件，例如制动器、传动机构、皮带传动器、螺纹传动机构、轴承、丝杠螺母的导向件、挺杆的扭转保护件(Verdrehsicherung)等。驱动轴的转动运动通过绝对值传感器来检测，这使得挺杆能够被高精度地定位。在接合过程中起作用的力和转矩的时间曲线通过力传感器来采集。

发明内容

本发明的目的在于提早识别机电接合系统的组件的磨损，以便尽可能地避免机电接合系统的故障。

本发明涉及一种用于对机电接合系统进行状态分析的方法；其中，通过电驱动器借助螺纹传动机构产生用于由机电接合系统执行的接合过程的输出力或输出转矩；并且其中，将电驱动器的实际值作为输入参量输送给监控装置；其中，由传感器来确定附加的测量值，该传感器用于在接合过程中测量随时间变化的力或转矩进程；其中，附加的测量值作为输入参量被输送给监控装置；其中，监控装置通过算法将实际值与附加的测量值相关联；并且其中，监控装置基于该关联来检测机电接合系统的易磨损组件的即将发生的磨损。

根据本发明的具有权利要求1所述特征的、用于对机电接合系统进行状态分析的方法的优点在于，其能够以特别简单的方式检测机电接合系统的组件的即将发生的磨损。为此，根据本发明的教导是借助于传感器确定状态分析所需的附加的测量值，该传感器用于测量接合过程中随时间变化的力或转矩进程，并且监控装置的算法将实际值与该附加的测量值相关联。

换句话说，这意味着监控装置的算法将电驱动器的实际值(例如，电流强度、驱动轴的转动角速度等)与由传感器在机电接合系统中所测得的附加的测量参量(力或转矩)关联起来。这种关联或者说这种商也被理解为机电接合系统的效率。

通常，机电接合系统的组件即将出现磨损的特征是，相对于新状态或者说正常运转的状态，需要增大的电流强度才能(使力或转矩)达到一定的值。只要现在电驱动器的实际值与机电接合系统中的附加测量值之间的上述关联或者说比率低于或超过某个比率，就可以警告意义下地将该比率解释和用于机电接合系统的即将发生的磨损或机电接合系统的已磨损组件的更换需要。

根据本发明的用于对机电接合系统进行状态分析的方法的优选的扩展方案在从属权利要求中给出。

本发明意义下的机电接合系统原则上是指被构造用于实现接合过程的任何装置。特别地，其还包括用于部件的接合的机电接合系统，例如压接，拧接，改型，例如铆接、咬合、滚压、冲压、卷边、挤压或压力接合。

在目前所述根据本发明的方法的一种优选的变型中，规定：算法仅在接合过程的部分时间段内才会考量实际值和附加测量值，其中，实际值在该考量时间段内优选是至少几乎恒定的。这种优选的变型的背景在于，特别是在接合过程开始和结束时，例如电驱动器的电流消耗或者是电驱动器的驱动轴的转动角速度会出现不均匀性。与此相对的是，电驱动器的实际值通常在接合过程的中间阶段中是至少几乎恒定的或者没有峰值。特别地，算法还应该能够在所要考量的时间段内滤除可能存在的不规则或者说使其平滑，从而可以不考量所述的不规则。也可以设想：例如对在所要考量的时间段内线性变化的测量值求平均或者说建立平均值。

虽然最后描述的方法允许在接合过程或机电接合系统运行期间采集所需的状态参量，但是其提供了该方法的一种可选的实现方式，即，在接合过程之外的附加操作期间，特别是在机电接合系统操作期间，此时机电接合系统没有力或转矩加载，通过算法来考量实际值和附加测量值。换句话说，这意味着在机电接合系统的“空转”期间，在机电接合系统的输出侧没有加载的情况下采集实际值和附加的测量值。还可以设想，在机电接合系统的输出元件的返回运动阶段也执行“空转”，直至接合下一个部件为止，从而不需要额外的时间。

此外，为了确定机电接合系统中所发生的趋势或所发生的磨损，在同一时间点(即，同时)相应地确定实际值和附加测量值也是很重要的，由此算法相应地将在同一时间点传输到监控装置的实际值和附加测量值相互关联。

正如上面已经阐明的那样，特别有利的是在电驱动器的恒定转动角速度期间考量实际值和附加的测量值。

可以规定，电驱动器的作用于螺纹传动机构的驱动轴的转动运动的实际值和/或电驱动器的实际值是以电驱动器的电流消耗的形式表示。驱动轴的转动运动和电驱动器的电流消耗通常可以使用相对简单构造的传感器来监视或确定。

对于提早识别机电接合系统的易磨损组件的新出现的趋势或新出现的磨损来说重要的是监控装置建立或分析实际值与附加测量值的关联的时间曲线。换句话说，这意味着允许通过相应的显示方式，例如屏幕上的图形的形式或者以数字形式，来显示在机电接合系统运行期间所发生的关于相互关联的测量值的趋势。

在最后提到的变型中，特别有利的是通过监控装置附加地外推、也就是推算实际值与未来的附加测量值的关联的时间曲线。这种方法特别是能够确定机电接合系统的直至需要更换磨损组件的(安全)剩余运行时间，或者说能够推断出相应组件的可能使用寿命。

原则上可以将监控装置布置在电驱动器中，或者将监控装置布置在电驱动器的外部，例如外部计算机中。优选地，监控装置(Kontrolleinrichtung)是电驱动器的控制装置(Steuereinrichtung)的集成化(integrativer)构件。外部计算机可以布置在地球上的任何位置。电驱动器的实际值和传感器的更多测量值可以作为数字数据通过网络(例如互联网)提供给外部计算机。

本发明还包括一种具有电驱动器的机电接合系统，该电驱动器借助于螺纹传动机构作用在被构造为可转动或可线性运动的输出元件下用于接合过程。该机电接合系统的特征还在于用于采集电驱动器的实际值的第一装置和用于采集传感器的另外的测量值的第二装置，传感器用于测量接合过程中随时间变化的力或转矩进程。该机电接合系统具有监控装置，可以将所述实际值和所述另外的测量值输送给该监控装置。此外，该监控装置还具有算法，该算法被设计为，根据在此所述的根据本发明的方法将实际值和另外的测量值相互关联。

在机电接合系统的一种具体结构设计方案中，电驱动器被设计为伺服驱动器，该伺服驱动器具有用于控制电驱动器的监控装置。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节从以下对优选实施例的描述中并且基于附图得出。其中：

图1为用于接合两个部件的机电接合系统的电驱动器的一种实施方式的一部分的透视图；

图2为用于接合两个部件的机电接合系统的第一种实施方式，其具有根据图1的电驱动器，该电驱动器被示意性地构造为具有集成在电驱动器中的监控装置以执行根据本发明的方法；

图3为用于接合两个部件的机电接合系统的第二种实施方式，其具有根据图1的电驱动器，该电驱动器被示意性地构造为具有用于执行根据本发明方法的外部监控装置；和

图4和图5分别示出了根据图2和图3的机电接合系统的效率或使用寿命曲线作为状态分析结果，这是由监控装置借助于算法来执行。

具体实施方式

在附图中，相同的元件或具有相同功能的元件具有相同的附图标记。

图1以透视图示出了用于接合两个部件的机电接合系统100的电驱动器10的一种实施方式的一部分。优选地，电驱动器10具有伺服电机12和制动器4。制动器4的主要任务是在伺服电机12不通电时将螺纹传动机构20的挺杆高精度地保持在一个位置上。制动器4的另一任务是制动伺服电机12。伺服电机12通过传动机构5和皮带传动器6驱动驱动轴18。驱动轴18由至少一个轴承7来支承。伺服电机12使驱动轴18以转速n顺时针地或逆时针地转动。绝对值传感器11采集驱动轴18的转速n。优选地，绝对值传感器11在空间上靠近制动器4或伺服电机12地布置。在图1中，绝对值传感器11未被图示。根据本发明，伺服电机也可以在无传动机构地和无皮带地驱动驱动轴。

电驱动器10具有螺纹传动机构20。螺纹传动机构20包括带有丝杠螺母的丝杠、导向件8和扭转保护件9。丝杠螺母位于丝杠上。丝杠具有外螺纹，丝杠螺母具有内螺纹，外螺纹和内螺纹被相互匹配地切割。驱动轴18的一端部与丝杠抗扭地连接并转动丝杠。丝杠的转动运动引起螺纹螺母的线性运动。导向件9在线性运动时引导螺纹螺母。螺纹螺母的背对驱动轴18的端部具有挺杆。挺杆用于工具收纳部，在图1中未图示这样的工具。扭转保护件8防止挺杆扭转。

在图2和图3中极简地示意性示出了用于接合两个部件1、2的机电接合系统100的两种实施方式。例如，通过机电接合系统100将第一部件1沿箭头3的方向压入到第二部件2的开口中直至一定位置。

机电接合系统100具有根据图1的电驱动器10。电驱动器10由控制装置13来操控。优选地，电驱动器10是具有伺服电机12的伺服驱动器，并且控制装置13是伺服放大器。控制装置13是计算机。在图2和图3中，以双箭头示出了通过控制装置13对伺服电机12的操控。电驱动器10的壳体在图2和图3中以虚线示出。伺服电机12、控制装置13、驱动轴18和绝对值传感器11布置在该壳体中。

在本发明意义下，受到磨损意味着例如由于在机电接合系统100的使用寿命期间机电接合系统100的组件之间的磨损或公差增大，使得机电接合系统100的效率降低。也就是说，为了在输出元件22上获得相同的结果，该输出元件与螺纹传动机构20处于有效连接中并且执行实际的接合过程，需要提高电驱动器10上的电能。所述的输出元件22与待压入到部件2中的第一部件1处于有效连接中。

机电接合系统100具有各种易磨损的组件21，例如制动器4、传动机构5、皮带传动器6、轴承7、导向件8、扭转保护件9等。

-因此，制动器4可能未如同使用说明书中所规定的那样安装在壳体中，并且在运行中被磨削，这会导致制动衬片的磨损增大。或者，制动器4可能会未按照使用说明书中的规定而与控制装置13电接触，这会表现出过高的制动力并进而导致制动衬片的磨损增大。

-传动机构5具有油，而油会因为较高的工作温度而不允许地过早老化。

-皮带传动器6也容易磨损。皮带传动器6具有皮带和皮带轮，皮带轮通过轴承来支承。皮带可能会未按照规定安放在皮带轮上，这会导致皮带材料的磨损增大。皮带轮可能会非圆形地转动，这会导致轴承的过早地磨损。

-驱动轴18的轴承7也有类似的情况。轴承7也可能由于过载或损坏而过早磨损。

-导向件8可能会在运行过程中受到污染，这会导致导向件8的导向面上的摩擦阻力增大，从而导致导向面的过早磨损。

-最后，扭转保护件9在运行中也承受了较高的力，并且可能会由于过载或损坏而过早磨损。

此外，输出元件22被布置为与传感器24处于有效连接中。传感器24用于确定在部件1的接合过程中由输出元件22施加的力或转矩(根据接合过程的类型)。传感器24可以是应变计或压电传感器。传感器24可以集成在挺杆中或安装在挺杆上。由传感器24确定的力或扭矩的值代表附加的测量值ZMW，并且作为输入参量由传感器24输送给监视装置30。在了解本发明的情况下，本领域技术人员也可以使用传感器来确定由输出元件22施加的压力。

同样，伺服电机12的控制装置13也将电驱动器10的至少一个实际值IW、IW’作为输入参量来输送。实际值IW是驱动轴18的转速n，或者实际值IW’是伺服电机12所需要的电流强度I。

无论是电驱动器10的实际值IW、IW’，还是传感器24的附加测量值ZMW，均是在接合过程中的同一时间点被确定并输送给监控装置14。

根据本发明配置有监控装置14。如图2所示，监控装置14布置在电驱动器10中。优选地，监控装置14是控制装置13的集成化构件。根据图3，监控装置14是作为外部计算机而构造在电驱动器10之外。监控装置14具有算法16，该算法被设计为将电驱动器10的实际值IW、IW’与传感器24的附加测量值ZMW相关联。该关联的结果用于机电接合系统100的状态分析，该状态分析用于及时地采集易磨损组件21的将要发生的磨损，并因此采集将要发生的故障或必要的更换。优选地，电驱动器10的实际值IW、IW’与传感器24的附加测量值ZMW的关联实时地进行。为了本发明的目的，在此将实时定义为，在监控装置14中获得该关联的结果的时间要比提供电驱动器10的实际值IW、IW’和传感器24的附加测量值ZMW的持续时间更快。

图4示出了在机电接合系统100的较长运行时间内效率η随时间t变化的图表。在此，曲线34连接各个时间点，在这些时间点上分别将电驱动器10的相应实际值IW、IW’和传感器24的附加测量值ZMW输送给监控装置14。算法16已经将电驱动器10的实际值IW、IW’与传感器24的附加测量值ZMW之间的商确定为在各个时间点上的效率η。此外，根据曲线34的以虚线示出的时间进程能够获知对未来的推断。

特别是可以看出：效率η的大小是随着持续时间t的增加而减小。极限值GW表示这样的阈值：即，由于效率η的降低或者易磨损组件21新发生的磨损，在该磨损导致机电接合系统100的运行发生不期望的中断之前，例如从经济的角度出发，在达到该阈值时更换机电接合系统100的已磨损的组件。到达极限值GW的时间点t₁可以通过算法16来推算。该时间点t₁称为易磨损组件21的使用寿命。

相对地在图5中示出了曲线36，其示出了机电接合系统100的关于时间t的预期剩余使用寿命LD。在此是通过算法16，借助于使用寿命公式，使用电驱动器10的实际值IW、IW’以及传感器24的附加测量值ZMW，其中，使用寿命公式必要时还包括其它的因子或值，这些因子或值可能需要借助于其它的测量值或信息来确定。

例如，基于由绝对值传感器11测量的驱动轴18的转速n的实际值IW和由传感器24测量的力F的附加测量值ZMW，根据以下使用寿命公式来确定使用寿命LD：

据此，使用寿命LD与在m次投入运行期间的平均负荷B的立方成反比，其中，i是单次投入运行的指数。q_i表示运行时间的时间长度。n_i表示在运行时间内所测得的平均转速。F_i是在运行时间内所测得的平均力。

在了解本发明的情况下，本领域技术人员也可以使用不同的使用寿命公式。例如，可以使用90％的易磨损组件所达到的使用寿命LD₁₀，或者使用95％的易磨损组件所达到的寿命LD₅。在此有：

其中，K₁₀和K₅是实验确定的比例因子。

在此，也可以通过算法16预先计算出临界的(kritischer)极限值GW和在时间点t₂到达该极限值GW。时间点t₂称为机电接合系统100的使用寿命。

在图4和图5中示出的曲线34、36例如可以在与监控装置16连接的显示装置30上示出，特别是在屏幕上示出。此外，还可以通过存储介质32来存储曲线34、36或者基于曲线34、36得出的数值以及电驱动器10的基础性实际值或传感器24的附加测量值。优选地，存储介质32是根据IEEE 1451.4标准的传感器电子数据表(Transducer Electronic Data Sheet(TEDS))。

在此所述的方法可以在不脱离本发明构思的情况下以各种方式改变或修改。

附图标记列表

1 部件

2 部件

3 箭头

4 制动器

5 传动机构

6 皮带传动器

7 轴承

8 扭转保护件

9 导向件

10 电驱动器

11 绝对值传感器

12 伺服电机

13 控制装置

14 监控装置

16 算法

18 驱动轴

20 螺纹传动机构

21 易磨损组件

22 输出元件

24 传感器

30 显示装置

32 存储介质

34 曲线

36 曲线

100 机电接合系统

LD 使用寿命

GW 极限值

t 时间

t₁ 计算得出的易磨损组件的使用寿命

t₂ 计算得出的机电接合系统或螺纹传动机构的使用寿命

IW 驱动轴的转速的实际值

IW’ 伺服电机的电流强度的实际值

ZMW 附加的测量值

η 效率。

Claims (15)

1.一种用于对机电接合系统(100)进行状态分析的方法；其中，通过电驱动器(10)借助螺纹传动机构(20)产生用于所述机电接合系统(100)所执行的接合过程的输出力或输出转矩；其特征在于，将所述电驱动器(10)的实际值(IW，IW’)作为输入参量输送给监控装置(14)；由传感器(24)确定附加的测量值(ZMW)，所述传感器(24)用于测量在接合过程期间随时间变化的力或转矩进程；将所述附加的测量值(ZMW)作为输入参量输送给所述监控装置(14)；所述监控装置(14)借助于算法(16)将所述实际值(IW，IW’)与所述附加的测量值(ZMW)相关联；并且所述监控装置(14)基于所述关联来检测所述机电接合系统(100)的易磨损组件(21)的即将发生的磨损。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述算法(16)仅在接合过程的部分时间段内考量所述实际值(IW，IW’)和所述附加的测量值(ZMW)，其中，在考量的时间段内，所述实际值(IW，IW’)优选地至少几乎是恒定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述接合过程之外的附加运行期间，特别是在所述机电接合系统(100)的未向所述机电接合系统(100)进行力或转矩加载的运行期间，所述算法(16)考量所述实际值(IW，IW’)和所述附加的测量值(ZMW)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述算法(16)分别将在同一时间点输送给所述监控装置(14)的实际值(IW，IW’)和附加的测量值(ZMW)相互关联。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述算法(16)基于实际值(IW，IW’)与附加的测量值(ZMW)的商得出效率(η)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述算法(16)在所述电驱动器(10)的恒定的转动角速度期间考量实际值(IW，IW’)和所述附加的测量值(ZMW)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述算法(16)将所述电驱动器(20)的作用于所述螺纹传动机构(20)的驱动轴(18)的转动运动的值用作实际值(IW)，或者所述算法(32)将所述电驱动器(10)的伺服电机(12)的电流消耗(I)的值用作实际值(IW’)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述监控装置(14)生成所述实际值(IW，IW’)与所述附加测量值(ZMW)的所述关联的时间曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述监控装置(14)外推出在未来所述实际值(IW，IW’)与所述附加的测量值(ZMW)的关联的时间曲线。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述监控装置(14)确定所述机电接合系统(10)的直至需要更换至少一个易磨损组件(21)的剩余运行时间或者所述机电接合系统(100)的使用寿命(LD)。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，将关联所述实际值(IW，IW’)与所述附加测量值(ZMW)的关联结果存储在所述机电接合系统(100)的存储介质(32)中。

12.一种机电接合系统(100)，具有：电驱动器(10)，所述电驱动器借助于螺纹传动机构(20)作用在用于接合过程的输出元件(22)上，该输出元件被构造为可转动的或可线性运动的；用于采集所述电驱动器(10)的实际值(IW，IW’)的第一装置和用于通过传感器(24)采集附加的测量值(ZMW)的第二装置，所述传感器用于在接合过程中测量随时间变化的力或转矩进程；监控装置(14)，所述实际值(IW，IW’)和所述附加的测量值(ZMW)能够被输送给该监控装置，其中，所述监控装置(14)包括算法(16)，该算法被设计为，根据权利要求1至11中任一项所述的方法将所述实际值(IW，IW’)和所述附加的测量值(ZMW)相互关联。

13.根据权利要求12所述的机电接合系统，其特征在于，所述电驱动器(10)具有伺服电机(12)；并且所述电驱动器(10)由一控制装置(13)来操控。

14.根据权利要求12或13所述的机电接合系统，其特征在于，设置有存储介质(32)，用于存储由所述监控装置(14)执行的所述实际值(IW，IW’)与所述附加测量值n(ZMW)的关联。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的机电接合系统，其特征在于，所述监控装置(14)布置在所述电驱动器(10)中，或者所述监控装置(14)布置在所述电驱动器(10)之外。

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