CN1507556A - 监测系统的改进 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于监测机器(10)的系统，该系统包括多个有策略地放置的感测装置(11、12、13、14)，这些感测装置被安排用来检测特定的物理特性，例如振动、热能等。来自感测装置的输出信号被传送到处理器(15)，该处理器组合这些信号以产生表示机器的一个或多个特定部件的状态的控制信号。通过这种方法，可以连续地监测机器的状况。
Description
技术领域
本发明涉及用于监测具有相对运动部件的机器(例如邮件分拣机)的系统。
背景技术
诸如邮件分拣装置的机器具有相对高的处理能力，并且需要长时间地重复工作。这种机器的维护或修理所需的任何非工作时间都必须被适当地控制并保持最小。本发明就是为此目的而开发的。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于监测具有相对运动部件的机器的系统，该系统包括：至少两个感测装置，每个感测装置都被安排用来检测一个或多个特定物理特性，例如振动和/或热；以及控制装置，用于接收来自所述感测装置的信号，并且合并地处理所述信号以产生表示机器的一个或多个特定部件的状态的控制信号。
本发明还提供了一种监测机器的方法，该方法包括以下步骤：使用至少两个感测装置来检测特定物理特性，例如振动和/或热，以及合并地处理来自所述感测装置的信号以产生表示机器的一个或多个特定部件状态的控制信号。
感测装置最好被安排用来检测两个或更多的不同物理特性以提供互补的传感信号数据并导致更可靠的机器状况指示。
本发明还提供了一种用于监测皮带滑轮装置中的皮带的系统，该系统包括：用于检测至少两个滑轮(皮带绕该滑轮被拖动)的转动运动的装置；用于检测皮带绕该滑轮的运动的装置；以及用于接收来自所述检测装置的信号并且合并处理地所述信号以确定任何皮带滑移的程度的装置。
本发明还提供了一种用于监测皮带滑轮装置中的皮带的系统，该系统包括第一装置和第二装置，用于检测与皮带相关的物理特性，例如声振动，其中，所述第一装置和第二检测装置通常被安排在皮带带幅的两侧，由此可以把由所使用的所述检测装置产生的信号中的一个信号从另一个信号中减去，以便抵消外部背景信号。
本发明还提供了一种用于监测皮带滑轮装置中的皮带的系统，该系统包括信号(例如红外光)发射装置和信号检测装置，其中，信号发射和检测装置被安装在相对于皮带的固定位置，检测装置检测由皮带表面反射后的来自发射装置的信号，并且其中来自发射装置的信号交替地对准和不对准皮带，由此可以把通过检测装置在那些交替时期所检测的信号中的一个信号从另一个信号中减去，以便抵消外部背景信号。
这里使用的“皮带滑轮装置”一词意指不仅包括使用皮带将转动驱动从一根轴传递到另一根轴的机械装置，而且包括其中皮带在许多具有轴颈的心轴上方被拖动的传送带装置。
附图说明
现将参照附图以实例的方式描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的机器监测系统的示意图，
图2是根据本发明的皮带监测系统的示意图，
图3是图2系统的各个感测装置的输出信号的示意图，
图4是皮带张力监测系统的示意图，以及
图5a和5b是显示皮带张力监测系统的另外一种形式的示意图。
具体实施方式
在图1中，数字10表示机器，例如邮件分拣机。该机器具有大量相对运动的部件，例如皮带和滑轮、轴和轴承等。它还具有相互之间通过许多接线连接在一起的大量电气和电子组件，例如马达、印刷电路板等。该机器通常需要每天分拣通过它的好几万封信件。
一种用于监测机器的各种部件和组件的系统包括多个感测装置11、12、13和14。这些感测装置被安排在机器内和/或机器周围的控制关键点来检测特定的物理特性。
感测装置11是用来检测振动的加速度计。例如，它可以放置在皮带和滑轮附近，并且被安排用来检测低频信号(小于25kHz)，该低频信号表示出由滑轮的失调、皮带的松动、或磨损的常规后期阶段所导致的问题。
振动监测的基本原理是把能量提供给机器，该能量的一部分作为振动被耗散。这些振动的频谱内容取决于输入的能量和机器不同部件的共振频率。如果由于任何原因使机器的状态发生改变，机器的共振频率也会发生改变，从而振动将会变化。另一方面，如果输入的能量发生改变，例如如果皮带变松，振动也会变化。可以通过将加速度传感器附着在机器的不同部件上来测量振动，并且可以在正交方向上测量振动。振动监测会产生连续信号，因此，检测与故障有关的现象需要进行频域分析。
已经发现，尽管振动监测在破坏已经很严重的情况下有用，但是它在故障起始的预测中效果较小。故障状态以及特别是故障状态的预兆，会导致能量损失。在轴承、心轴和其他运动部件中，已经发现通过声学方法(例如，声发射)和红外线传感器能够更有效地检测能量损失。
感测装置12是用于检测声发射的声波探测器。它可以被设置用来检测较高频的声发射(高于50kHz)，该高频声发射表示轴承的滚动接触磨损。
监测声发射的效果等同于检测高频(在50kHz和1MHz之间)结构振动作用(structure borne activity)。这种频带宽度对应于通常由破坏和磨损导致的能量损失机制发射的信号。理论上，将检测范围限定在这样的高频带能够使外部不相关的噪声源所导致的干扰最小。然而，声发射的一个缺点是随着频率的增加信号电平会降低：传感器必须非常灵敏。
声发射的监测产生非静态信号。然而，这些信号目前是在时域中处理的(适合使用统计动差)，结果产生诸如以下的参数：耗损(distress)，对许多故障敏感的能量损失信号总和；或者分贝(dB)，高频信号的平均电平的量度。对于故障分析，由于数值取决于机器的速度、类型等，所以这是一种相对测量。
感测装置13是用于检测红外光的热像仪。物体发射的红外光的量是其温度的指示并且随着物体温度的升高红外线的发射增加。因此，热像仪可以用来了解热量的分布并由此帮助查明例如由轴承的后期磨损或者电路板或电气连接中的故障所导致的过热点。
感测装置14是用于检测共鸣的声学麦克风。共鸣是与振动固有频率相关的现象。皮带带幅的振动固有频率与皮带的张力有直接关系。这样，声学麦克风可以用来监测皮带张力。
皮带张力(T)和振动频率(f)之间的关系可以根据已知的单位长度皮带的质量(m)和皮带幅长(1)，使用以下表达式计算得到：
T＝4ml2f2
其中，T的单位为牛顿，f的单位为赫兹，l的单位为米，m的单位为千克/米。然而，由于皮带具有一定的挠曲刚度，对于给定频率的预测张力将会稍大于实际张力。这在短皮带幅长上最为明显，在这种情况下，皮带的弯曲刚度最大。
监测系统具有一种将两个感测装置设置在皮带两侧的硬件构造，监测系统通过该硬件构造进行工作。这些感测装置通常为声学麦克风。把来自一个声学麦克风的信号从另一个声学麦克风的信号中减去，这样就利用了重叠效应。通过这种方法，读数非常可靠。然而，在过多的环境噪声被认为是潜在问题的情况下，要使用光学传感器。
不同的皮带由不同的材料构成并由不同的方法制造。因此，每一种类型的皮带都有它自己特有的一组损坏特性。此外，损坏速度和故障机制可以通过暴露在紫外光、臭氧以及更为平常的环境条件(例如温度和湿度)下而受到影响。理想地，在传送和驱动皮带的故障机制的特性中考虑这些因素以产生可靠的预测结果。
图4和5中显示了用于监测皮带张力的另选装置。图4显示了一种基于声学的系统。这种系统适合于能够接近皮带两侧且预期为高频(来自较短、较紧的皮带)的情况。大致为音叉形状的传感器头40被设置为使其两叉41、42分别在皮带43的两侧。在每一叉中都安装了高性能的驻极体传声器膜片44。该传声器膜片44检测由皮带43的振动所产生的声学信号。与吉他弦的张力决定其音调的原理一样，这种振动的频率是皮带张力的量度。在图中的参考数字45处，来自两个膜片44的信号被合并以在参考数字46处产生皮带张力的指示。
由膜片44检测的声学信号中不仅包含来自皮带43本身的振动信号，当然还包含背景“噪声”。然而，通过将一个信号从另一个信号中减去，可以有效地消除这种背景“噪声”以得到皮带的振动量度并进而得到皮带的张力。用代数的语言来说，来自一个膜片的信号可以表示为n+p，其中，n为背景“噪声”并且p为皮带振动，来自另一个膜片的信号为n-p。从前者中减去后者可得2p，也就是n被抵消了。
图5a和5b显示了一种基于光学的系统。这种系统适合于接近皮带43受限或涉及低频(来自较长、较松弛的皮带)的情况。该装置包括红外发光二极管47，用于将未聚焦的红外光束48对准到皮带43的外表面。红外光敏光电二极管49被安排用来检测从皮带表面反射的红外光。如图5b中用图解法所示，当皮带43振动并且其曲率发生变化时，从其表面反射的红外光会改变方向，导致更少的光落到光电二极管49上。由光电二极管49接收的光强的变化可以给出皮带43的挠曲量的量度，该挠曲量进而又可以给出皮带张力的指示。
当使用图4的系统时，会有一定程度的背景“噪声”，也就是由光电二极管49拾取的来自其他光源的光。由于实际上在红外光谱周围的外部光通常比可见光谱周围的外部光要少，所以通过使用红外光作为测量媒介可以把这种背景“噪声”的问题最小化。在正常情况下，这种系统中唯一的背景“噪声”源可能来自漏光(discharge lighting)。为了对付该背景“噪声”，使用了一种被称为“同步解调”的消除技术。根据这种技术，发射器47通常以20kHz的频率快速地接通和断开。在断开期间，检测器49只检测背景“噪声”，而在接通期间，它将检测背景“噪声”和由皮带43反射的来自发射器47的信号48。通过以与图4系统相同的方式将一个信号从另一个信号中减去，该背景“噪声”被有效地消除，仅留下来自反射光束的信号。
其他可以使用的感测装置包括：用于检测气体或液体的泄漏或者由化学反应产生的气体的气体取样器；用于检测来自磨损部件的碎片的粒子取样器；用于进行可视检查的照相机；用于热量检测的恒温传感器(不同于红外线)；以及用于识别表面质地(texture)变化的质地传感器。
各种感测装置被设置在机器周围的控制关键点。这些感测装置可以安装在机器本身上或相对于机器的固定位置或者采用两者的结合。或者/另外，感测装置可以自动或根据需要可移动地使用，例如机器人化。一些感测装置甚至可以密封在能够穿过机器本身的包裹中。
这些感测装置都被安排用来将它们的输出数据传送到处理器15。这可以通过多个可供选择的方法来实现，包括遥测、与CAN BUS连接、与现场总线(field BUS)或中心连接装置连接。理想地，来自感测装置的输出数据能够在连续的基础上自动由处理器得到，而不需要人工干预。
不同的感测装置最好安排为两种或多种结合在一起工作，以提供与两种或多种不同物理特性相关的用于分析的数据信号。这样可以提供互补的信息，从互补的信息可以做出比使用来自单个检测器源的信息更精确的测定。例如，声发射传感器可能表明在特定滑轮部件中有高度摩擦，并提示了多个可能的根源。针对该部件的红外热成像传感器可能表明热量正在滑轮的与皮带接触的位置上产生。然而，被设置用来监测皮带张力的声学共振传感器可能表明皮带没有被过度拉紧。从来自这三个感测装置的信息的组合，可以得出在这个特定滑轮部件中的问题是由失调导致的结论是可能的。
来自处理器15的输出是由故障诊断产生的控制信号，并且该控制信号通常表明一个或多个特定部件何时需要调整或预期需要更换。
图2和3中显示了一种皮带监测系统。图2中显示了一种典型的皮带滑轮装置，其中，皮带20绕滑轮21和22被拖动，滑轮21和22与轴23和24相连接，以便以传统的方式将转动驱动从一根轴传送到另一根轴。相应的感测装置25、26、27被安排在皮带和每个滑轮附近。这些感测装置被设计用来监测皮带和滑轮的运动，并且它们通过检测这些组件上的指示标记28、29、30来监测皮带和滑轮的运动。这些指示标记可以采用任何合适的形式以明显区别于部件本身，例如光或磁标记。这些感测装置能够检测何时它们相应的指示标记经过，并且由此产生信号。
图3显示了通常从图2的皮带滑轮装置中的每个感测装置25、26、27接收的信号，其中，滑轮22为驱动滑轮，滑轮21为从动滑轮。来自每个感测装置的输出信号中的脉冲表示其相应指示标记的通过。因此，来自皮带感测装置25的每个脉冲都表示皮带20的全长何时完成绕其路径一周，而来自每个滑轮感测装置26、27的每个脉冲表示其相应的滑轮21、22完成了一次完整的转动。
这些输出信号也被提供给处理器15，在这里，它们被相互关联地并与来自其他感测装置的信号相关联地进行分析，并且经过处理以产生控制信号，这些控制信号给出了皮带滑移的指示。皮带滑移的信息通常可以从不同感测装置输出信号的脉冲之间的相位关系的分析中得到。
该系统可以包括三个以上的感测装置。例如，最好安排两个感测装置来监测皮带：一个感测装置31在其紧边侧，也就是在滑轮之间传递驱动的带幅的上方；另一个在其松边侧，也就是“返回”带幅。
当然最好也包括多个指示标记，而不是每个组件仅有一个。这将有助于提高皮带监测系统的灵敏度。在皮带上使用了多个标记时，这些标记可以用来获得有关皮带张力和性能的信息。确切地说，当皮带为静态(或者非常慢地运动)时皮带上的标记之间的距离可以和皮带在动态状态时它们之间的距离进行比较以给出皮带拉长的指示。皮带的拉长与其张力有关。这些数据可以在皮带带幅的紧边侧和松边侧之间进行比较。为方便起见，可以以将要贴加到皮带上(例如通过粘合剂)的单个弹性材料带的形式提供多个记号，在弹性带表面具有一系列分度记号(graduated markings)。该弹性带被设计成能够随皮带拉伸(或收缩)以使皮带长度(进而其张力)的任何变化都可以被感测装置获得。
处理器15的故障诊断功能中加入了附加的先进功能：它被编程为也考虑来自机器周围，尤其是在当时正被测评的特定部件的上游的各种其他感测装置的输出数据。从机器的周围获取信息并整体观察该机器能够针对在其他地方，尤其是上游发生的事情(例如破损)进行修正，这些发生的事情将会影响下游所检测的结果。通过纳入这种附加信息，可以做出更可靠的预测，因而产生更少的错误警告。
通过应用人工智能工具，例如模糊模型、神经网络或智能分组，进一步的先进功能被引入到该系统中。通过这些技术，利用机器工作时从各种感测装置采集到一起的信息来建立机器及其各种部件通常是如何工作的模型16。使用预测算法将从各种感测装置接收到的实际数据与模型数据相比较进行分析。理想地，这种预测分析实时地连续进行并且有数据被反馈到处理器15以不断地更新和改进该模型。最终，将建立该机器的更关键性的区域以及在这些区域中的各种机器部件的可能寿命的可靠图谱。
该监测系统可以方便地设置为能够自主工作，只需要周期性地进行人工干预。理想地，当需要进行调整或更换时它将会产生并维护各种机器部件的历史记录17以及自动信号18。理想地，它也将能够计算进行调整和更换的最佳时间，并产生合适的机器维护时间表19。
使用如上所述的机器监测系统有很多重要的优点。预测即将发生的机械部件故障的能力使当机器计划停止使用时更换有缺陷部件的时间安排更加方便。由于机器故障所导致的停机时间的消除提高了生产能力。由于邮件处理时间被减到最少，所以能够处理更多的邮件且邮件投递的成本降低。通过有效的监测，可以在机器的计划工作寿命期间保持最佳的机器性能。可以消除由于疲劳、磨损和腐蚀导致的性能恶化。
消除来源于另一个组件的低劣性能对组件的“撞击(knock-on)”有害影响也是重要的，这样也可以将成本和资源消耗减到最少。诸如磨损的皮带、轴承和辊子等部件的识别及适时更换将工作过程中的阻塞减到最少：这样使处理能力最大。此外，监测和保持适当的皮带张力使地址和四状态(four state)条形码的读取速度最大。
预测组件故障的能力便于将现场保存的备件减到最少。一些部件在储存时会随着时间的推移而损坏：环境湿度的影响、氧化以及紫外线都有有害的影响。可以消除与劣质组件的使用、更换和在有库存时维护这些组件相关的浪费。
Claims (31)
1.一种用于监测具有相对运动部件的机器的系统，其包括：
至少两个感测装置，每个感测装置都被安排用来检测一个或多个特定物理特性，例如振动和/或热；以及控制装置，用于接收来自所述感测装置的信号并合并地处理所述信号以产生表示机器的一个或多个特定部件的状态的控制信号。
2.根据权利要求1所述的机器监测系统，还包括
分析装置，用于接收来自控制装置的控制信号并将所述控制信号与参考信号进行比较以产生指令信号。
3.根据权利要求2所述的机器监测系统，其中
所述参考信号被预编程到分析装置中。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的机器监测系统，其中
所述参考信号来自于所述系统以前产生的控制信号。
5.根据任一前述权利要求所述的机器监测系统，其中
所述控制装置和所述分析装置实时地工作。
6.根据任一前述权利要求所述的机器监测系统，其中
所述至少两个监测装置各自检测不同的物理特性。
7.根据任一前述权利要求所述的机器监测系统，其中
所述监测装置检测物理特性，例如振动、热、声音、共振、质地。
8.根据任一前述权利要求所述的机器监测系统，还包括
与所述机器相关的安装所述感测装置的安装装置。
9.根据权利要求8所述的机器监测系统，其中
所述安装装置可操作地改变所述感测装置相对于该机器的位置。
10.根据权利要求9所述的机器监测系统，其中
所述安装装置可操作地自动改变所述感测装置的位置。
11.一种用于监测皮带滑轮装置中的皮带的系统，其包括：
用于检测至少两个滑轮的转动运动的装置，皮带绕该滑轮被拖动；用于检测皮带绕滑轮的运动的装置；以及用于接收来自所述检测装置的信号并合并地处理所述信号以确定任何皮带滑移的程度的装置。
12.根据权利要求11所述的皮带监测系统，其中
所述检测装置包括感测装置，该感测装置被安排用来检测在皮带和滑轮中每一个上的指示标记装置。
13.根据权利要求12所述的皮带监测系统，其中
所述指示标记装置包括在皮带和滑轮中每一个上的可定位标记。
14.根据权利要求11到13中任何一个所述的皮带监测系统，其中检测装置使用光学技术。
15.根据权利要求11到13中任何一个所述的皮带监测系统，其中
检测装置使用磁技术。
16.根据权利要求11到15中任何一个所述的皮带监测系统，其中
所述皮带运动检测装置被安排用来在皮带的紧边和松边检测皮带的运动。
17.根据权利要求11到16中任何一个所述的皮带监测系统，还包括：
用于在所述确定任何皮带滑移的操作中将参考信号引入所述信号处理装置以便与来自所述检测装置的信号进行比较的装置。
18.根据权利要求17所述的皮带监测系统，其中
所述参考信号来自于从该系统所使用的所述检测装置接收的信号。
19.根据权利要求18所述的皮带监测系统，其中
所述参考信号在该系统工作过程中被实时产生和引入。
20.根据权利要求11到19中任何一个所述的皮带监测系统，其中
所述用于检测皮带运动的装置包括其上具有多个分度记号的指示标记装置，其形式是弹性体标记，该标记能够附着在皮带上以便随皮带拉伸或收缩。
21.根据权利要求20所述的皮带监测系统，其中
所述皮带和标记的拉伸或收缩的检测被用来确定皮带张力的变化。
22.根据权利要求1到10中任何一个所述的机器监测系统，包括根据权利要求11到21中任何一个所述的皮带监测系统。
23.一种监测机器的方法，包括以下步骤：
使用至少两个检测装置检测一个或多个特定物理特性，例如振动和/或热，并且合并地处理来自所述检测装置的信号以产生表示机器的一个或多个特定部件的状态的控制信号。
24.根据权利要求23所述的方法，其中
所述感测装置包括检测热能的热成像装置。
25.根据权利要求23或24所述的方法，还包括
将所述控制信号与参考信号进行比较以产生指令信号的步骤。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括
处理来自感测装置的所述信号以产生和/或改进所述参考信号的步骤。
27.一种用于监测皮带滑轮装置中的皮带的系统，包括：
第一装置和第二装置，用于检测与皮带相关的物理特性，例如声振动，其中所述第一检测装置和第二检测装置通常被安排在皮带带幅的两侧，由此可以把由所使用的所述检测装置产生的信号中的一个信号从另一个信号中减去，以便抵消外部背景信号。
28.一种用于监测皮带滑轮装置中的皮带的系统，包括：
信号发射装置和信号检测装置，信号例如是红外光，其中信号发射和检测装置被安装在相对于皮带的固定位置，检测装置检测由皮带表面反射后的来自发射装置的信号，并且其中来自发射装置的信号交替地对准和不对准皮带，由此可以把通过检测装置在那些交替时期所检测的信号中的一个信号从另一个信号中减去，以便抵消外部背景信号。
29.一种实质上如在这里参照附图所描述的机器监测系统。
30.一种实质上如在这里参照附图所描述的皮带监测系统。
31.一种实质上如在这里参照附图所描述的监测机器的方法。
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