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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung zur Ansteuerung eines elektrischen Servomotors sowie eine entsprechende Einrichtung mit deren Verwendung.
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Die Forderung von Kunden nach mehr Leistungsfähigkeit und Automatisierung von Maschinen und Anlagen stellt den Maschinenhersteller unter anderem vor die Aufgabe, die Verfügbarkeit seiner Produkte stetig zu verbessern. In dieser Entwicklung gewinnen Condition-Monitoring-Systeme im Instandhaltungskonzept einer Maschine immer mehr an Bedeutung.
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Ungeplante Stillstände in der Produktion sind ebenso unerwünscht, wie unnötige und vorbeugende Serviceleistungen. Eine zustandsorientierte Instandhaltung bietet dem Endkunden gleichermaßen eine hohe Ausnutzung der Lebensdauer und eine gezielte Wartung der kritischen Bauteile. Um eine solche Strategie effektiv umsetzen zu können, muss der Maschinenhersteller mit den Komponenten- und Steuerungsherstellern eng zusammenarbeiten. Bei der Anmelderin handelt es sich um einen solchen Komponenten- und Steuerungshersteller, insbesondere um einen Herstellers für Einrichtungen zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen, insbesondere Antriebsregler.
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Das Prinzip einer Einrichtung, wie sie die Anmelderin herstellt, ist beispielsweise in der
Japanischen Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2006230039 A gezeigt. Hier wird mittels eines Geschwindigkeitssensors die Geschwindigkeit eines Motors von einem Antriebsregler erfasst und mittels eines Steuerparameters unter Berücksichtigung der erfassten Geschwindigkeit mittels eines Ist-/Sollwertvergleiches adaptiert.
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Je nach Auslastung und Betriebsdauer können Lagerschäden am Motor auftreten, welche Schwingungen verursachen. Diese Schwingungen können sich auf die mittels des Motors anzutreibende Peripherie oder auf sonstige an den Motor angekoppelte Mechanik ausbreiten. Bei Motoren, welche beispielsweise zum Betrieb von Werkzeugmaschinen verwendet werden, können diese Schwingungen zur Verminderung der Verarbeitungsqualität und Schäden am Werkstück führen.
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In der
US 2002/0138217 A1 wird ein Verfahren zur Erkennung einer Störung in einer elektrischen Maschine mittels einer Diagnosevorrichtung offenbart. Zu diesem Zweck werden Daten, die von einer Vielzahl von Sensoren erfasst werden, von der Diagnosevorrichtung ausgewertet. Diese Vielzahl von Sensoren wird zunächst mit einer Messwerterfassungseinrichtung verbunden. Von dieser Messwerterfassungseinrichtung werden Messwerte der Sensoren an eine Datenverarbeitungseinheit übermittelt. In dieser Datenverarbeitungseinheit wird eine Software ausgeführt, um Störungen der Maschine zu erkennen.
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Bisher bekannte Lösungen zur Überwachung derartiger Schwingungen bedienen sich einer von der Einrichtung separaten Überwachungseinrichtung. Diese zusätzliche Überwachungseinrichtung muss aufwändig mit dem zu überwachenden System verdratet werden, damit charakteristische Motordaten abgegriffen werden können. Dies bedeutet Zusatzkosten und erhöhten Aufwand für den Maschinenbetreiber.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin eine Einrichtung zur Verfügung zu stellen, welche ohne nennenswerten Zusatzaufwand Schädigungen bei Antriebskomponenten für Maschinen frühzeitig lokalisiert und damit die Produktivität der Maschinen steigert.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung mit Antriebsreglerfunktion und einer erfindungsgemäß betriebenen Einrichtung selbst sowie die Verwendung einer solchen Einrichtung. Die Einrichtung umfasst eine Steuer- und/oder Regeleinheit sowie erfindungsgemäß eine integrierte Diagnoseeinheit zur Erkennung von mechanischen Störungen, insbesondere zur Lagerdiagnose. Folgende Verfahrensschritte sind von dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens umfasst:
- a)selbsttätige Regelung und/oder Steuerung einer an die Einrichtung anschließbaren Maschine;
- b) selbsttätige Erfassung einer Maschinenschwingung;
- c) selbsttätige Durchführung einer Maschinenzustandsanalyse unter Berücksichtigung der erfassten Maschinenschwingung mittels der Diagnoseeinheit.
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Die Schwingungen werden im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen unmittelbar mittels der Einrichtung selbst erfasst und analysiert. Es ist kein externes Schwingungsüberwachungsmittel erforderlich, das auwändig verdratet und erst parametriert werden müsste. Sämtliche Parametrierung erfolgt einrichtungsintern vollautomatisch. Die Einrichtung selbst hat praktisch somit neben der Funktion eines Antriebsreglers auch die Funktion eines Schwingungserfassungsmittels bzw. eines Schwingungsüberwachungsmittels. Dies reduziert den Kostenaufwand und bietet einen systematischen Vorteil gegenüber Lösungen, welche mit externen Analysemitteln arbeiten. Mittels der Einrichtung können somit unmittelbar angetriebene Motoren aber auch eine an diese Motoren angekoppelte Mechanik oder an diese Motoren angekoppelte Maschinen ohne nennenswerten Mehraufwand überwacht werden. Externe Sensorik ist nicht zwingend erforderlich.
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Alle auch bei der Analyse verwendeten Messgrößen, wie beispielsweise die Istdrehzahl einer von der Einrichtung angetriebenen elektrischen Maschine, stehen der Einrichtung ohnehin schon für Ansteuerzwecke zur Verfügung. Für die Analys fällt daher kein zusätzlicher Verdratungsaufwand an und es kann eine Schwingungsanalyse auch unter Berücksichtigung von Drehzahländerungen erfolgen. Dies wiederum erhöht die Flexibilität und den Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Einrichtung und eröffnet die Möglichkeit einer Lagerdiagnose für die Lager der mittels der Einrichtung, betriebenen Motoren. Insbesondere bei Verwendung der erfindungsgemäßen antriebsintegrierten Einrichtung in Verbindung mit Bearbeitungsmaschinen, vorzugsweise in Verbindung mit Werkzeugmaschinen, trägt die Erfindung zur Kostensenkung bei der Herstellung der Maschine und zur Qualitzätsverbesserung bei. Außerdem lässt sich die Produktivität dieser Maschinen mittels der Erfindung steigern.
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Vorzugsweise wird die Maschinenschwingung erfasst unter Berücksichtigung zumindest eines in der Einrichtung abgelegten Parameters, welcher sich abhängig vom Maschinenzustand ändert. Bei dem Parameter kann es sich um einen oder mehrere Parameter zur Parametrierung der Regeleinheit oder Steuereinheit handeln, aus denen ein nicht gewolltes Maschinenverhalten ableitbar ist (z.B. Istwerte, gemessene charakteristische Werte zur Zustandbeschreibung der Maschine). Vorzugsweise auch unter Berücksichtigung zumindest eines Sensorsignals von zumindest einem an der Maschine angeordneten Sensor (Beschleunigungssensor und/oder Körperschallsensor) kann die Maschinenzustandsanalyse durchgeführt werden. Diese zusätzlichen Sensorsignale können zur Optimierung und/oder Verifikation der Analyseergebnisse herangezogen werden, ohne dass der dafür nötige Verdrahtungsaufwand über die Maßen steigt und immer noch geringer ist als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden unter Verwendung externer Analysemittel. Im Rahmen der Implementierung der oben genannten Vorgehensweise wird zumindest ein Parameters der Regeleinheit und/oder der Steuereinheit mit zumindest einem in der Einrichtung abgespeicherten Referenzparameter verglichen und aus dem Vergleichsergebnis erfolgen direkt oder indirekt Rückschlüsse bzgl. des Maschinenzustandes. Besonders bevorzugt wird dabei eine nach Maßgabe eines vorgebbaren Toleranzbereiches vorhandene Abweichung des Parameters gegenüber dem Referenzparameter selbsttätig erkannt.
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Üblicherweise ist eine Regeleinheit mit kaskadierter Reglerstruktur zur Regelung einer Position und/oder einer Geschwindigkeit und/oder eines Stromes von der Einrichtung umfasst, wobei zumindest ein Parameter des Positionsreglers und/oder des Geschwindigkeitsreglers und/oder des Stromreglers bei der Analyse berücksichtigt wird. Durch entsprechende interne Verarbeitungsschritte (Ableitungen, Frequenzanalysen, etc.) können somit ggf. mit vorhandenen Lagerschäden in Zusammenhang stehende Signalmuster erkannt und für Analysezwecke verwertet werden.
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Die Maschinenzustandsanalyse erfolgt stetig während des Maschinebetriebs vorzugsweise in Echtzeit oder zeitverzögert, insbesondere zu einem vorbestimmbaren Zeitpunkt getaktet. Somit ist gewährleistet, dass je nach Maschinentyp oder Verschleißverhalten permanent oder zyklisch eine Analyse erfolgen kann. Vorzugsweise sind im Rahmen der Analyse folgende Verfahrensschritte zusätzlich umfasst: Filtern des Signals des externen Sensors und/oder Abtastung des gefilterten Sensorsignals und/oder Digitalwandlung des abgetasteten Sensorsignals und/oder Signalanalyse des gewandelten Signals, wobei die Signalanalyse ebenfalls vorzugsweise eine Hüllkurvenanalyse umfasst.
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Die Einrichtung erfasst im Rahmen der Maschinenzustandsanalyse Zustandsgrößen der Maschine als Messwertreihe vorzugsweise synchron und ordnet der Messwertreihe, insbesondere im Falle einer aufgrund des Bewegungsprofils der Maschine verursachten Drehzahländerung der Maschine, diese Messwertreihe dem Bewegungsprofil der Maschine zu. Zusätzlich bevorzugt werden von der Einrichtung erfasste Messwertreihen bezüglich einer vorgebbaren Drehzahl normiert, wobei die Einrichtung auch den Grad der Änderung der Periodendauer eines erfassten Sensorsignals unter Berücksichtigung einer Drehzahländerung der Maschine ermittelt. Die Einrichtung kompensiert dann bei einem von der Einrichtung erkannten Drehzahlanstieg der Maschine die Änderung der Periodendauer der erfassten Sensorsignale. Es ist auch möglich, dass die Periodendauer im Rahmen der erfindungsgemäßen Normierung bei einem Drehzahlanstieg gestreckt und bei einem Drehzahlabfall gestaucht wird, wobei die Zeitabstände zweier aufeinander folgender Messwerte der Messwertreihe vorzugsweise derart verändert werden, dass Schwingungen mit unterschiedlicher Periode bezüglich Ihrer Periode wieder konstant werden. Die drehzahlnormierten Messwertreihenabstände können anschließend mittels Interpolation äquidistant angeordnet werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht den Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung auch bei Drehzahländerungen der zu überwachenden Maschine.
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Besonders bevorzugt ist von der Einrichtung eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS, PLC) umfasst, mittels welcher zumindest auch ein externer Sensor (z.B. Beschleunigungssensor, Drehzahlmesser) angesteuert werden kann. Diese Steuerung ermöglicht die vollständige Automatisierung des Maschinenzustandsanalysevorgangs und ist für andere Automatisierungsvorgänge ebenfalls verwendbar.
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Es wird empfohlen, dass das Analyseergebnis von der Einrichtung zur Visualisierung an eine übergeordnete Einrichtung (z.B. Leitstand o.ä.) übermittelt wird oder dass die Einrichtung das Analyseergebnis selbsttätig mittels eines von der Einrichtung umfassten Bedienpanels für den Benutzer visualisiert.
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Zur Realisierung der zuvor genannten Verfahrensschritte umfasst die Einrichtung ein Steuerteil, mittels dessen ein von einem Körperschallsensor oder von einem Beschleunigungssensor erzeugtes Signal derart verarbeitbar ist, dass dieses Signal gefiltert werden kann und nach Maßgabe einer Abtastfrequenz digitalisierbar ist. Die Diagnoseeinheit der Einrichtung ist dabei derart realisiert, dass das Signal anhand seines Frequenzspektrums analysierbar ist.
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Das Steuerteil umfasst weiter vorzugsweise eine Sample&Hold Schaltung und einen Analog/Digitalwandler, wobei zusätzlich vorzugsweise ein Mittel zur Gleichrichtung des digitalisierten Signals sowie ein Mittel zur Signalfilterung und ein Mittel zur Durchführung einer Transformation des Signals in den Frequenzbereich umfasst ist.
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Die erfindungsgemäß betriebene Einrichtung dient vorzugsweise zum Betrieb einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, weil hierdurch die Ausfallraten solcher Maschinen reduziert werden kann.
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Auch kann die erfindungsgemäß betriebene Einrichtung zur Realisierung eines Condition-Monitoring-Vorgangs verwendet werden, um möglichen Maschinenschäden mittels Ferndiagnose (z.B. Lagerdiagnose) und Fernwartung frühzeitig vorzubeugen.
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Die im folgenden beschriebenen Figuren dienen lediglich dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, sie schränken die Erfindung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Figuren sind teilweise grob schematisch gehalten. Grundsätzlich kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Figuren oder im Text gezeigt ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Figuren, anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen dem Offenbarungsumfang der Erfindung hinzuzurechnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, d.h. in jedem Abschnitt des Beschreibungstexts, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Ausführungsbeispielen im Text, in den Ansprüchen und in den Figuren umfasst.
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1a und 1b zeigen den Vergleich zweier unterschiedlicher Lösungsansätze. Der erste aus dem Stand der Technik bekannte Lösungsansatz mit externer Lagerschadenanalyse ist in 1a gezeigt. Der zweite erfindungsgemäße Lösungsansatz mit erfindungsgemäßer antriebsintegrierter Maschinenzustandsanalyse ist in 1b gezeigt.
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Bei der Variante gemäß 1a ist der Antriebsregler 100 leistungsmäßig mit einem zu regelnden Servomotor 101 verbunden. Am Motor 101 ist ein Körperschallsensor 103 und eine Motordrehzahlerfassung 104 vorgesehen. Der Ausgang des Körperschallsensors 103 und der Motordrehzahlerfassung 104 werden einem vom Antriebsregler 100 separaten Diagnosewerkzeug 102 zugeführt, welches mit einem mobilen Datenerfassungsgerät 106, beispielsweise einem Laptop 106, verbunden ist. Die Erfordernis diverser externer Peripherie 102 und der damit verbundene Verdrahtungsaufwand 107, 108 ist sehr hoch. Damit zwangsläufig verbunden sind ebenfalls die Kosten für die Durchführung einer beständigen Diagnose sehr hoch.
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Bei der erfindungsgemäßen antriebsinternen Variante gemäß 1b ist der Antriebsregler 100 leistungsmäßig ebenfalls mit einem zu regelnden Servomotor 101 verbunden. Der mittels beispielsweise eines Körperschallsensors 103 am Motor 101 erfasste Körperschall muss nun nicht mehr mittels eines mobilen Datenerfassungsgerätes 102 und eines Diagnose PCs 106, wie aus 1a, bekannt ausgewertet werden. Das Körperschallsensorsignal wird statt dessen direkt an den Antriebsregler 100 weitergeleitet, welcher erfindungsgemäß ein Diagnosemittel 102 als integrales Bestandteil umfasst. Hierdurch ist es möglich eine Schwingungsanalyse intern im Antriebsregler 100 und damit antriebsbasiert durchzuführen.
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Der Antriebsregler 100 kennt im Rahmen seiner Funktion als Steuer- und Regeleinheit stets die aktuelle Drehzahl des Motors 101. Es stehen somit alle Daten antriebsintern zur Verfügung, die auch für eine Schwingungsanalyse benötigt werden. Der Antriebsregler 100 erfüllt damit zusammen mit dem Motor 101 dieselbe Funktion wie die in 1a gezeigt Anordnung. Ein separates und externes Diagnosewerkzeug 102, welches mit einem mobilen Datenerfassungsgerät 106, beispielsweise einem Laptop 106, verbunden ist, ist nicht mehr erforderlich. Die Funktionalität des Diagnosewerkzeuges und/oder des Datenerfassungsgerätes ist vom Antriebsregler quasi umfasst. Der Verdrahtungsaufwand 107, 108 entfällt. Zusätzlich werden antriebsintern sowohl bei konstanter als auch bei nicht konstanter Drehzahl Analysen durchgeführt. Die Kosten für die Durchführung einer Diagnose sind im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen niedriger, zumal eine Schwingungsdiagnose und/oder Schwingungsüberwachung nun jederzeit auch während des normalen Betriebes und vorzugsweise in Echtzeit ohne externen Eingriff durchgeführt werden kann. Die Diagnosegüte wird außerdem gegenüber herkömmlichen Methoden aufgrund der Verarbeitung antriebsinterner Parameter verbessert. Auch ein über Internet oder ein ähnliches Kommunikationsmittel ferngesteuerter Diagnosebetrieb ist möglich.
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Neben der hardwaremäßigen Architektur des Systems spielt auch die Signaltheorie eine Rolle, welche in der Antriebsreglerfrimware umgesetzt wurde. Bei der Softwareumsetzung spielen speziell die Behandlung der Abtastung oder der Diskretisierung von hochfrequenten Signalen (Unterabtastung, Aliasing), eine spezielle Frequenztransformation (Hüllkurvenspektrum) und eine spezielle Frequenzanalyse eine Rolle.
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Im Rahmen einer von der Anmelderin durchgeführten Schwingungsmessung an einem zu Testzwecken geschädigten Servomotor konnte die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Prinzips nachgewiesen werden. Bevor das Lager des Servomotors definiert geschädigt wurde, wurde der Referenzzustand der Schwingungsmessung in ausgiebigen Messreihen festgehalten.
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Die Messergebnisse des Referenzzustandes dienten zur späteren Gegenüberstellung bezüglich der Messreihen, welche den geschädigten Zustand repräsentieren. Nach Demontage der Deckscheibe des Lagers wurde mit Hilfe eines elektrischen Handfräsers eine tiefe Kerbe in den Außenring des Wälzlagers eingebracht. Dies geschah im eingebauten Zustand des Lagers, nachdem das Lagerschild des Servomotors abgenommen wurde. Somit ergab sich ein Schadensbild eines typischen Außenringschadens. Im Sensorsignal eines während des Versuchs verwendeten Beschleunigungsaufnehmers konnte das absichtlich erzeugte Schadensbild anhand einer Frequenzanalyse nachgewiesen werden. Im höheren Drehzahlbereich (> 1000 rpm) ließ sich das erzeugte Schadensbild eindeutig und unmissverständlich auch im Hüllkurvenfrequenzspektrum des Sensorsignals erkennen. Es konnten außerdem die elektrische Frequenz, die Rotordrehfrequenz und die Geberfrequenzen identifiziert werden.
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Zur Abschätzung der Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung 100 bezüglich eines verwendeten und am Motor 101 befestigten Beschleunigungssensors 103 zur Messung der Rotorbeschleunigung wurden die Sensorsignale mittels des Analogeingangs der Einrichtung 100 eingelesen.
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Mit der Abtastung durch die erfindungsgemäße Einrichtung 100 ergeben sich die in den 2 und 3 dargestellten Frequenzspektren. Der Versuchsaufbau hierzu ist in 4 gezeigt.
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2 zeigt das Frequenzspektrum in Hz (Abszisse) eines intakten Lagers in Abhängigkeit der mittels eines am Servomotor 101 angebrachten und von der Einheit 100 zu Analysezwecken ausgewerteten Körperschallsensors 103. Die mit A gekennzeichneten Spektrallinien stellen elektrisch bedingte Signale dar (z.B. elektrische Frequenz): Die mit B gekennzeichneten Spektrallinien stellen mechanisch bedingte Signale dar (z.B. Rotordrehfrequenz).
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3 zeigt dieselbe Darstellung, allerdings bei Vorhandensein eines defekten Wälzlagers im Servomotor 101. Bei Vergleich der beiden abgebildeten Spektren der 2 und 3 sind deutliche Unterschiede zu erkennen, die sich durch den oben bereits erwähnten und absichtlich herbeigeführten Wälzlagerschaden im Außenring des Wälzlagers erklären lassen. Neben den aus 2 bekannten Frequenzanteilen sind nun vor allem die Außenring-Überrollfrequenz C und deren Harmonische zu erkennen (siehe 3), welche durch den Wälzlagerschaden bedingt sind.
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4 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung zur Überwachung von Lagerschäden umfassend einen Antriebsregler 400, einen Servomotor 401, einen Beschleunigungssensor 403 bzw. Körperschallsensor 403. Am Anschluß 405 kann ein übergeordneter Leitstand angeschlossen werden. Die Anordnung kann unter anderem zur Verwendung im Rahmen eines Condition-Monitoring-Vorgangs verwendet werden. Die in 4 gezeigte Einrichtung 400 kompensiert bzw. erkennt mittels der von der Einrichtung 400 umfassten Diagnose- und Überwachungseinheit (nicht gezeigt) am Motor 401 auftretende Schwingungen zumindest teilweise selbsttätig.
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5 zeigt Details der erfindungsgemäßen und einrichtungsinternen Sensorsignalverarbeitung. Es ist gezeigt, dass die Einrichtung 500 ein Steuerteil 501 mit Tiefepass 502, eine Sample & Hold Schaltung 503 mit Taktung 505 und einen Analog/Digitalwandler 504 umfasst. Ebenso von der Einrichtung 500 umfasst ist eine Diagnose- und/oder Überwachungseinheit 506 mit einem Mittel 507 zur Gleichrichtung des vom Steuerteil 501 digitalisierten Signals sowie einem Mittel 508 zur Signalfilterung (Tiefpass, Bandpass, Down-Sampling) und einem Mittel 509 zur Durchführung einer Transformation des von den vorherigen Modulen 502, 503, 504, 505, 507 und 508 soweit bearbeiteten Sensorsignals in den Frequenzbereich.
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Das Abtasten des Sensorsignals im Steuerteil 501 wird mittels Multiplikation des Sensorsignals mit einer Folge von Impulsen im Abstand der Abtastperiode des Taktes 505 realisiert. Man erhält damit ein zeitkontinuierliches Signal, welches jedoch nur für zeitdiskrete Werte t = k * T ungleich Null definiert ist bzw. zu den Zeitpunkten t = k * T identisch zu dem ursprünglichen nicht abgetasteten Sensorsignals x(t) ist. t stellt dabei die Zeit dar, T die Abtastperiode und k eine Laufvariable. Die Quantisierung oder Wertediskretisierung dieses Signals wird mittels des Analog-Digital-Wandlers 504 realisiert. Der Analog-Digital-Wandler 504 weist jedem analogen Wert des Abtast-Halte-Gliedes 503 einen digitalen Wert zu. Diese Zuweisung erfolgt stets nach einer festgesetzten Anzahl von Quantisierungsstufen (was die Signalauflösung bestimmt). Je höher die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers 504 ist, desto mehr Quantisierungsstufen stehen zur Verfügung.
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Da in der Realität keine beliebig hohen Abtastfrequenzen realisiert werden können, um Aliasing zu vermeiden, müssen die kontinuierlichen Signale in ihrer Bandbreite begrenzt werden. Dies geschieht durch das Voranschalten des analogen Tiefpasses 502, welcher ebenfalls von der erfindungsgemäßen Einrichtung umfasst ist. Mittels der Tiefpass-Filterung 502 können die hohen Frequenzanteile herausgefiltert werden. Für die digitale Rekonstruktion und Betrachtung der Frequenzanteile eines kontinuierlichen Zeitsignals, wird die Digitalisierung erfindungsgemäß mittels der Einrichtung 500 in folgenden Schritten realisiert:
- 1. Filterung des Sensorsignals des Sensors 501 mittels einer Filtereinrichtung 502;
- 2. Weiterleitung des derart gefilterten Signals an die Sample & Hold - Einrichtung 503 zur Abtastung.
- 3. Weiterleitung des abgetasteten Signals von der Sample & Hold - Einrichtung 503 an den Analog-Digitalwandler 504 zur Erzielung eines digitalen Signals.
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Neben einem wie hier gewählten Tiefpass-Filter 502 bietet auch ein Bandpass-Filter, mit dessen Hilfe man auch Frequenzen außerhalb des Nyquistbereiches „sicher“ erfassen kann, die Möglichkeit als Anti-Aliasing-Filter eingesetzt zu werden. Dies ist allerdings nur dann möglich, wenn die Bandbreite des Bandpass-Filters, also der Durchlassbereich, exakt zwischen zwei Spiegelungsachsen gelegt wird. Die Frequenzanteile in diesem Bereich werden gemäß dem oben beschriebenem Gesetz in den Nyquistbereich heruntergespiegelt. Diese Aliasfrequenzen können dann aufgrund der Kenntnis der Bandbreite des Bandpass-Filters exakt dem entsprechenden Frequenzbereich zugeordnet werden (Sub-Nyquist Sampling). Durch diese Technik kann ein bestehendes System nur durch Realisierung des analogen Anti-Aliasing-Filter mittels eines Bandpass-Filters für hohe Frequenzanteile sensibel gemacht werden. Denkbar ist ebenfalls eine Parallelität von zwei oder mehreren Anti-Aliasing-Filtern, deren Ausgänge bzw. Durchlassbereiche separat abgetastet werden. Die digitalen Wertereihen können entsprechend bearbeitet werden, so dass nach anschließender Superposition ein Signal mit weitaus höherer Frequenz entsteht, als auf konventioneller Weise der Abtastung möglich gewesen wäre.
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Bei der Abtastung mittels des Abtast-Halte-Gliedes 503 wird das Abtasttheorem im Rahmen des erfindungsgemäßen Prinzips bewußt nicht eingehalten (Unterabtastung), und es ist stets mit dem Auftreten von Aliasfrequenzen zu rechnen. Für die Regelung der Maschine stellt dies aber meist kein gravierendes Problem dar, da die erwarteten Amplituden der Aliasfrequenzen vernachlässigbar klein sind. In Abhängigkeit der eingestellten Performance (Konfiguration des Regelkreises) stellt sich eine feste Abtastfrequenz ein, die im kHz-Bereich liegt (um 4kHz).
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Bei den im Rahmen einer erfindungsgemäßen Anordnung vorkommenden Schadensfrequenzen der Wälzlager handelt es sich um stoßimpulsförmige Erregungen, die bei konstanter Drehzahl des Rotors periodisch wiederkehren.
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Ein Servomotor 101, 401 schwingt oder vibriert auch bei intaktem Zustand seiner Lager, so dass aus dem Beschleunigungssignal nicht unmittelbar Lagerschäden ableitbar sind. Die erfindungsgemäße Frequenztransformation, welche im Antriebsregler 100, 400 stattfindet, bringt hier Abhilfe. Die Stoßanregung eines Servomotors 101, 401, stellt ein stets schwingfähiges System dar und reagiert auf die stoßimpulsförmige Erregung mit einer gedämpften Schwingung, was dann das tatsächliches Übertragungsverhalten zwischen Krafterregung und Beschleunigungssignal beeinflusst. Das Beschleunigungssignal lässt sich mit Hilfe des FFT (Fast Fourier) - Algorithmus in seine harmonischen Bestandteile zerlegen.
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Die Verbindung der positiven Spitzen oder Umkehrpunkte des Beschleunigungssignals bildet außerdem einen Linienverlauf, der dem einer Sägezahnschwingung sehr nahe kommt. Eine Sägezahnschwingung ist aus der Fourierreihenentwicklung oder der Fouriersynthese bestens bekannt. Sie lässt sich im Frequenzspektrum einer herkömmlichen Fourier-Transformation eindeutig identifizieren. Eine Sägezahnschwingung setzt sich aus einer Grundschwingung und mehreren geradzahligen Vielfachen dieser Grundschwingung zusammen. Die Vielfachen werden auch Harmonische genannt, und deren Amplituden nehmen mit 1/n bei steigender Ordnung n der Harmonischen ab. Im Frequenzbereich zeigt sich somit ein klares Merkmal der Sägezahnschwingung. Das beschriebene Verfahren wird in der Signalverarbeitung auch Hüllkurvendemodulation oder Hüllkurvenanalyse genannt. Im Rahmen der Erfindung wird die Hüllkurvenanalyse mittels folgender Schritte realisiert:
- (1) Digitale Gleichrichtung 507 des Zeitsignals durch Quadrieren, Umkehrung oder Abschneidung der negativen Werte und
- (2) Digitale Tiefpass-Filterung 508 mittels Down-Sampling und
- (3) DFT (Diskrete Fourier Transformation) 509.
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Dieses Prinzip der Hüllkurvenanalyse ist von der erfindungsgemäßen Einrichtung 100 in Hard und/oder Software umfasst. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens ist die Unterdrückung von harmonischen und die Zugänglichkeit von nicht harmonischen Schwingungen. Bei einer reinen Fourier-Transformation dagegen werden ausschließlich harmonische Bestandteile einer Schwingung errechnet, und alle weiteren Regelmäßigkeiten oder Periodizitäten, die nicht harmonisch sind, bleiben verdeckt. Die Hüllkurvenanalyse eignet sich somit bestens für die Visualisierung der Stoßimpuls-Wiederholfrequenzen eines Lagerschadens im Frequenzbereich.
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Die zuvor genannten Funktionsblöcke 502, 503, 504, 505, 507, 508, 509 arbeiten eng mit einer von der erfindungsgemäßen Einrichtung 100 umfassten digitale Recheneinheit (nicht gezeigt) zusammen. Die Blöcke 507, 508 und 509 können zur Realisierung einer Hüllkurvenanalyse zusammengefasst werden. Das eigentliche zu analysierende Sensorsignal stammt von einem an dem Steuerteil 501 angeschlossenen externen Sensor 510 (Körperschallsensor, Beschleunigungssensor, oder dergleichen).
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Um eine wie in 2 und 3 gezeigt Schwingungsmessung auch bei nicht konstanter Drehzahl durchführen zu können, wird eine Drehzahlnormierung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Einrichtung 100 durchgeführt. In einem bei der Anmelderin durchgeführten Versuchsbetrieb (siehe ebenfalls 4) erfolgte beispielsweise eine Normierung auf eine Drehzahl von 2500 rpm. Während der Abtastung der Signale des Beschleunigungssensors 103 befand sich der Servomotor 101 in einem konstanten Drehzahlanstieg, welches zum Abfahren eines Bewegungsprofils dient.
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Aufgrund dieses Drehzahlanstieges entwickelt sich bei dieser Messung keine gleich bleibende Regelmäßigkeit im Beschleunigungs-Sensorsignal, welche mittels einer Hüllkurvenanalyse zugänglich gemacht werden könnte. Der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dieses Bewegungsprofil (welches im Antriebsregler abgespeichert ist) jedoch bekannt und das Sensorsignal kann einer Drehzahlnormierung unterzogen werden. Diese Normierung hat den Vorteil, dass die tatsächliche aktuelle Drehzahl der Maschine auf jede beliebige Drehzahl normiert werden kann. Wodurch Messungen und Analysen auch bei nicht konstanter Drehzahl ebenso wie eine anschließende Hüllkurvenanalyse möglich werden. Die Normierung wird realisiert mittels der Streckung der Zeitabstände unter Berücksichtigung der Enddrehzahl und/oder der Anfangsdrehzahl. Hierdurch ergibt sich ein beispielsweise auf die Anfangsdrehzahl von 2500 rpm normiertes Zeitsignal.
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Anschließend wird mittels Interpolation des normierten Signals ein Signal mit äquidistanten Stützstellen erzeugt, welches einer Hüllkurvenanalyse unterzogen wird. Mittels des Ergebnisses der Hüllkurvenanalyse eines erfindungsgemäß drehzahlnormierten Zeitsignals der Schwingungsmessung kann die Außenring-Überrollfrequenz und deren Harmonische deutlich sichtbar, gemacht werden, ebenso wie dies bei der Schwingungsmessung einer konstanten Drehzahl von 2500 rpm zu erwarten gewesen wäre. Die nötigen Schritte einer Drehzahlnormierung können auf beliebig komplexe Bewegungsprofile übertragen werden.
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Die vorhergehenden Erläuterungen und die durchgeführten Messungen bestätigen, dass das Sensorsignal eindeutige Informationen bezüglich des definiert geschädigten Zustandes des Lagers umfasst. Auch die Abtastung durch die erfindungsgemäße Einrichtung liefert Informationen, die als Indizien für den Lagerschaden au der Hüllkurvenanalyse stammen.
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Die erfindungsgemäßen Erkenntnisse können als Basis für weitere Entwicklungen zum Thema Condition Monitoring (Maschinenüberwachung) verwendet werden. Insbesondere die Verwendung der Erfindung in Verbindung mit von durch Lagerschäden verursachten Stoßimpulsen und deren Betrachtung im Frequenzbereich mit oder ohne Hüllkurvenanalyse für Maschinenüberwachungszwecke wird ausdrücklich empfohlen.
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Insbesondere auch in Verbindung der erfindungsgemäßen Idee bei ausschließlicher Betrachtung interner Zustandsgrößen des Antriebsreglers ohne Verwendung jeglicher externer Körperschallsensoren/Beschleunigungssensoren wird ausdrücklich nahe gelegt. Je nach Ausmaß des Lagerschadens ist eine Lösung mit oder ohne externe Sensorik sinnvoll und realisierbar.
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Ein entscheidendes Kriterium für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit einer antriebsintegrierten Schwingungsmessung ist die Möglichkeit einer Messung bei nicht konstanter Drehzahl. Durch das Verfahren der Drehzahlnormierung wird dies auch für Messungen während eines Bewegungsprofils bei unterschiedlichen Drehzahlen möglich. Es gibt keine gravierenden Einschränkungen mehr hinsichtlich der sonst benötigten konstanten Testdrehzahl eines Servomotors. Diese Erkenntnis ist als entscheidender Vorteil der antriebsintegrierten Variante einer Schwingungsmessung gegenüber eines marktüblichen Diagnosesystems anzusehen.
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In der 6 wird das einrichtungsinterne Verfahren zur Drehzahlnormierung am Beispiel einer elementaren Schwingung gezeigt, deren Periodendauer sich stetig verringert (vgl. Bild oben v.l.n.r.).
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Die Periodendauer der realen Schwingung nimmt von T1 nach T9 hin ab und die Schwingung wird sichtlich „gestaucht“. Unter der Kenntnis der zeitlichen Veränderung der Periodendauer, bzw. des „Stauchungsgrades“, werden die einzelnen Perioden der Gesamtschwingung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder gestreckt bzw. „entstaucht“. Die erfindungsgemäße Normierung der Periodendauer bedeutet in diesem Zusammenhang nichts anderes als eine Veränderung der Zeitabstände für die Stützstellen des digital vorliegenden Signals unter Berücksichtigung der zeitlichen Veränderung der Periodendauer des Signals bei sich ändernden Drehzahlen. Bei dem Grundgedanken der erfindungsgemäßen Drehzahlnormierung lässt sich unter der Kenntnis des Bewegungsprofils die normierte Drehzahl beliebig festsetzen. Diese Idee entstand aus praktischer Hinsicht, so dass es möglich wird während einer Drehzahlrampe oder während eines Bewegungsprofils eine Schwingungsmessung durchzuführen. Die Voraussetzung einer konstanten Drehzahl würde für viele Anwendungen bedeuten, dass für Schwingungsmessungen und spätere Überwachungen der normale Betrieb unterbrochen werden müsste. Dies würde aber nicht dem Wunsch des Maschinenbetreibers, nach so genanntem „Online Condition-Monitoring“ (auch „on the fly“) entsprechen. Die Erfindung ermöglicht nun eine Überwachung ohne derartige Unterbrechungen.
