DE102009021557A1

DE102009021557A1 - Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße einer rotierenden Welle, Wellenuntersuchungs und/oder -überwachungsvorrichtung zu dessen Durchführung sowie Verwendung derselben

Info

Publication number: DE102009021557A1
Application number: DE200910021557
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. Dipl.-Phys. Schertler; Peter Dr. PhD Dipl.-Phys. Deimel; Andreas Dr.-Ing. Doleschel; Georg Wurzel; Wolfgang Dipl.-Ing. Wagner
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2010-11-25
Anticipated expiration: 2029-05-16
Also published as: DE102009021557B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße einer rotierenden Welle (102). Zum Vermeiden einer Signalübertragung zwischen einem rotierenden und einem ruhenden System und zum Vermeiden von mechanischen Belastungen von Sensoren werden folgende Schritte vorgeschlagen: Verwenden eines kamerabasierten optischen Messsystems (200) und Ermitteln der wenigstens einen Bewegungsgröße durch Bildverarbeitung und/oder Auswertung von durch das kamerabasierte optische Messsystem aufgenommenen Bildern (601, 602). Das Verfahren ist besonders geeignet zur Überwachung von Rotorwellen von Drehflüglern. Weiter werden Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße einer rotierenden Welle. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße einer Welle eines Fahrzeuges, wie Wasser-, Land- oder insbesondere Luftfahrzeuges, und mehr insbesondere zur Bestimmung von Bewegungsgrößen von Rotorwellen in Drehflüglern. Außerdem betrifft die Erfindung eine Wellenuntersuchungs- oder -überwachungsvorrichtung zur Untersuchung und/oder Überwachung der Bewegung einer rotierenden Welle und/oder zur Bestimmung von Bewegungsgrößen der rotierenden Welle, welche Wellenuntersuchungs- und/oder Überwachungsvorrichtung insbesondere zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens ausgebildet ist.
Bei vielen Wellen in Maschinen, Vorrichtungen oder Fahrzeugen besteht das Bedürfnis, auch im Betrieb d. h. bei rotierender Welle Bewegungsgrößen der Welle erfassen zu können. Insbesondere soll der Betrieb der Welle und die Welle selbst bei sicherheitsrelevanten Vorrichtungen untersucht und überwacht werden. Als Beispiel für eine zu untersuchende oder zu überwachende Welle kann eine Rotorwelle eines Drehflüglers, beispielsweise eine Welle des Hauptrotors oder des Heckrotors eines Hubschraubers genannt werden. Solche Wellen sind nicht unerheblichen Belastungen ausgesetzt. Bei extremen Überlastungen könnte es gar zu Materialbrüchen kommen, was gerade bei Rotorwellen von Drehflüglern katastrophale Folgen haben könnte. Daher besteht das Bedürfnis, solche Belastungen bereits im Betrieb zu überwachen, um gegebenenfalls gegenzusteuern. Bisher werden zur Charakterisierung der Verformung von Rotorwellen in Hubschraubern, beispielsweise bei Hubschraubern des Herstellers EUROCOPTER, Dehnungsmessstreifen eingesetzt, welche innerhalb des Hauptrotormasts angebracht werden. Aus diesen Messungen werden auf den Rotormast wirkende Momente abgeleitet, die dem Piloten zur Anzeige gebracht werden. Der Pilot kann so die Mastmomente erkennen und kann erkennen, ob ein Flugmanöver oder sonstige Bedingungen zu einem kritischen Mastzustand führen könnten, so dass entsprechend gegengesteuert werden könnte.
Nachteile einer solchen Wellenüberwachung bzw. Wellenuntersuchung ist die Notwendigkeit der Übertragung der Messsignale vom rotierenden Motormast auf das nichtrotierende System. Auch sind die mitrotierenden Dehnungsmessstreifen sowie deren Elektronik entsprechenden Belastungen ausgesetzt. Eventuell auftretende Ausfälle der Dehnungsmessstreifen erfordern aufwendige Reparaturmaßnahmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bewegungsgrößen rotierender Wellen, beispielsweise von Rotorwellen in Drehflüglern, ohne die zuvor erwähnten Nachteile zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Verwendung einer solchen Vorrichtung ist Gegenstand der Nebenansprüche.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße einer rotierenden Welle mit den Schritten:
Verwenden eines kamerabasierten optischen Messsystems und
Ermitteln der wenigstens einen Bewegungsgröße durch Bildverarbeitung und/oder Auswertung von durch das kamerabasierte optische Messsystem aufgenommenen Bildern.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Bildverarbeitungsverfahren und eine Bildverarbeitungseinrichtung zur kontaktfreien Bestimmung von Bewegungsgrößen rotierender Wellen, wie insbesondere von Rotorwellen in Drehflüglern.
Ein Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung des Problems der Erfassung von Bewegungsgrößen rotierender Wellen besteht in der Verwendung eines kamerabasierten optischen Systems.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Wahl eines besonders geeigneten Referenzmusters, das an der Welle anbringbar ist und von dem mittels des kamerabasierten optischen Messsystems ein Abbild aufgenommen wird, aus dem durch entsprechende Bildverarbeitung die erwünschten Bewegungsgrößen ableitbar sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen betreffen eine besondere Anbringung des Referenzmusters an der Welle sowie eine vorteilhaft gewählte Auswertung der durch eine Kamera erzeugten Bilder des Referenzmusters zur Bestimmung der gesuchten Größen.
Vorteilhafterweise kann man durch Aufnahme eines auf der Welle aufgebrachten Referenzmusters und durch Bildverarbeitung des aufgenommenen Bildes aus der Lage und/oder der Form des aufgenommenen Referenzmusters die wenigstens eine Bewegungsgröße der Welle bestimmen.
Dies lässt sich besonders vorteilhaft dadurch lösen, dass man das Referenzmuster derart an der Welle anbringt, das es von einer axialen Richtung aus auf die Welle gesehen sichtbar ist. Man kann dann in axialer Richtung dieses Referenzmuster aufnehmen.
Dies kann insbesondere bei einer geschlossenen Welle auf eine axiale Endfläche der Welle geschehen. Bei Hohlwellen kann man auch eine Aufnahme durch die Welle hindurch vornehmen, wobei das Referenzmuster an den Innenwänden der zu untersuchenden Hohlwelle und/oder an einer Innenwandung eines axialen Endes vorgesehen werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Wahl des Referenzmusters sieht ein Referenzmuster vor, das einen radialsymmetrischen Bereich und/oder einen nichtradialsymmetrischen Bereich aufweist. Aus einer Aufnahme des radialsymmetrischen Bereichs lassen sich z. B. durch Bestimmung der Lage des aufgenommenen Bildes und/oder durch Untersuchung einer Intensitätsverteilung bezogen auf ein Zentrum des aufgenommenen Bildes, Bewegungsgrößen wie eine Auslenkung oder Verformung der Welle sowie ein Maß für eine Vibration der Welle ableiten. Aus einem nichtradialsymmetrischen Bereich lassen sich z. B. Aussagen über den Drehwinkel der Welle treffen.
Um insbesondere eine Verformung der Welle durch Bildaufnahme und Bildbearbeitung eines Referenzmusters erkennen zu können, ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bevorzugt, dass das Referenzmuster derart wellenzentriert vorgesehen wird, dass ein Zentrum des realen Referenzmusters, insbesondere das Zentrum des oben genannten radialsymmetrischen Bereichs, auf der Rotationsachse der Welle liegt. Durch Ermitteln der Lage eines Zentrums eines Abbildes des Referenzmusters lässt sich damit die Auslenkung der Rotationsachse und somit eine Verformung der Welle feststellen.
Vibrationen oder dergleichen dynamischen Bewegungen der Welle lassen sich besonders vorteilhaft durch ein Referenzmuster ermitteln, welches mit Ringmustern aus kontinuierlich wechselnden, durch das kamerabasierte optische Messsystem jeweils von einander unterscheidbaren Ringen gebildet ist. Insbesondere kann vom Zentrum aus ausgehend nach außen eine Abfolge von hellen und dunklen Ringen vorgesehen sein.
Insbesondere um Vibrationen und/oder deren radiale Lage besser erkennen zu können, ist weiter bevorzugt, dass die Intensitätsverteilung des Referenzmusters sich vom Zentrum nach außen hin gesehen monoton verändert. Bei einem Vorsehen einer periodischen Abfolge von durch das Messsystem erkennbaren Strukturen oder Zeichen, wie beispielsweise den vorher erwähnten Ringen, ist insbesondere bevorzugt, dass sich die Abstände benachbarter abwechselnder Strukturen oder Zeichen mit zunehmender Entfernung von der Rotationsachse vergrößern oder mehr bevorzugt verringern.
Besonders bevorzugt ist eine quadratische Abnahme der radialen Abstände der Strukturen zueinander.
Das Vorsehen periodischer Strukturen hat den Vorteil, dass eine Bildverarbeitung mittels Fourier-Transformation mit Standardmethoden und geringen technischen Aufwand ermöglicht ist. Dadurch erhält man klare, leicht elektronisch oder datentechnisch verarbeitbare Aussagen über Spektralverteilungen, woraus man die entsprechend gesuchten Bewegungsgrößen ermitteln kann.
In konkreter technischer Ausgestaltung des radialsymmetrischen Bereichs ist ein Ringmuster mit einer radialen Intensitätsfunktion, insbesondere einer radialen Grauwertfunktion der Formel:
wobei

f(r): ein Grauwert ist, bei dem der Wert f = 1 einer ersten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und der Wert f = 0 der zweiten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und die Zwischenwerte entsprechende Grautöne sind;
r: der Abstand vom Zentrum des Ringmusters ist und
a: eine Zahlenkonstante ist.

Für den nichtradialsymmetrischen Bereich ist zur eindeutigen Zuordnung einer Winkelstellung bevorzugt, dass der Bereich um die Rotationsachse der Welle umläuft und dabei einen winkelabhängigen Intensitätswert oder Grauwert hat. Der Intensitätswert oder Grauwert sollte derart sein, dass das kamerabasierte optische Messsystem diesen Wert qualitativ aufnehmen kann. Um eindeutige Aussagen zu treffen sollte die Winkelabhängigkeit derart sein, dass sich der Intensitäts- oder Grauwert als Funktion der Polarwinkelposition an der Welle monoton ändert.
Insbesondere ist eine tangentiale Grauwertverteilung bevorzugt, die in tangentieller Richtung mit dem Polarwinkel stetig ansteigt. Besonders bevorzugt ist eine Grauwertverteilung der Formel: f(φ)= φ2π (0 < φ ≤ 2π),wobei

f(φ): ein Grauwert ist, bei dem der Wert f = 1 einer ersten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und der Wert f = 0 der zweiten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und die Zwischenwerte entsprechende Grautöne sind, und
φ: der Polarwinkel an der Welle bezogen auf ihre Rotationsachse ist.

Der nichtradialsymmetrische Bereich kann insbesondere als Kreisring um den radialsymmetrischen Bereich herum vorgesehen sein. Damit nur die Winkelabhängigkeit und nicht fälschlicher Weise auch radiale Abweichungen durch die Bildverarbeitung erkannt werden, ist weiter bevorzugt, dass dieser Kreisring einen in radialer Richtung konstanten Intensitätswert insbesondere Grauwert, hat.
Es wird bevorzugt ein kamerabasiertes optisches Messsystem verwendet, welches eine nichtdrehend zu der Welle stationär vorhandene Kamera aufweist, welche das Referenzmuster insbesondere mit vorbestimmter Belichtungszeit aufnimmt. Weiter wird eine Bildverarbeitungseinrichtung verwendet, um an dem Abbild des Referenzmusters die Bildverarbeitung derart durchzuführen, dass die gesuchte Bewegungsgröße ermöglicht wird.
Insbesondere mit einer Ringstruktur als Referenzmuster lassen sich durch zuvor bereits beschriebene Methoden das Zentrum dieser ringartigen Struktur durch einfach verarbeitbare Fourier-Transformationen ermitteln. Demnach ist als Bildverarbeitungsverfahren bevorzugt, dass ein Referenzmuster mit einer ringartigen Struktur aufgenommen wird und dieses Abbild hinsichtlich seiner Lage, der Formabweichung und/oder des Radius der ringartigen Struktur untersucht wird, um so die jeweils gesuchten Bewegungsgrößen zu ermitteln.
So kann man durch Ermitteln der Lage des Zentrums der ringartigen Struktur in dem Abbild und beispielsweise durch Vergleichen der ermittelten Lage mit einem vorbestimmten Referenzzentrum ein Maß für die Verformung der Welle ermitteln.
Hierzu wird besonders bevorzugt ein Verfahren durchgeführt, wie es in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 030 399 B3 und insbesondere in der am 12.11.2008 angemeldeten nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 056 869.4-52 beschrieben, gezeigt und beansprucht wird. Besonders bevorzugt wird zur Ermittlung der Lage des Zentrums der ringartigen Struktur in dem Abbild ein Bildbearbeitungsverfahren gemäß einem der ursprünglichen Ansprüche dieser nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2008 056 869.4-52 durchgeführt. Es wird für weitere Einzelheiten ausdrücklich auf diese vorerwähnte deutsche Patentanmeldung 10 2008 056 869.4-52 sowie die DE 10 2006 030 399 B3 verwiesen. Damit lassen sich durch standarisierte Fourier-Transformationen, die auf einfachen tragbaren Standardgeräten durchführbar sind, die Lage des Zentrums sowie andere Intensitätsverteilungsfunktionen in dem Abbild des Referenzmusters ermitteln.
So lässt sich beispielsweise aus dem Abbild des an der Welle angebrachten realen Referenzmusters, welches vom Zentrum aus nach außen gesehen eine sich periodisch mit sich monoton ändernder Frequenz ändernde Intensitätsverteilung hat, ein Maß für die Vibration der Welle durch Bildverarbeitung des Abbildes ermitteln. Besonders bevorzugt sind Abstände zwischen den periodischen Strukturen außen geringer als weiter innen. Damit tritt eine Überlagerung der Strukturen bei auftretenden Schwingungen zunächst außen auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Dämpfung der gemessenen radialen Grauwertfunktion des Abbildes als Maß für die Vibration herangezogen. Bei einem zusätzlich oder alternativ hierzu durchgeführten Bildverarbeitungsverfahren wird in der gemessenen radialen Grauwertfunktion eines derartigen realen Referenzmusters eine dominante Frequenz ermittelt, wobei die spektrale Leistungsdichte der dominanten Frequenz ein Maß für die Stärke der Vibration sein kann.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass die Bestimmung von Bewegungsgrößen einer rotierenden Welle kontaktfrei erfolgen kann. Es muss zudem keine Übertragung von Messdaten vom rotierenden auf das nichtrotierende System vorgenommen werden. Lediglich die Photonen des von der Welle kommenden Lichts werden aufgenommen.
Bei den gewählten vorteilhaften Ausgestaltungen des Referenzmusters lassen sich bei der Bildbearbeitung Berechungen zur Bestimmung von Verformung, Vibration und/oder Drehwinkel der Welle durch eine Ausführung von Fourier-Transformationen durchführen. Fourier-Transformationen können sehr schnell auf kostengünstiger Berechnungshardware durchgeführt werden. Der Vorteil liegt hier also in der Rückführung verschiedener Messaufgaben – wie insbesondere Verformung, Vibration und Drehwinkel – auf ein einheitliches algorithmisches Berechungsverfahren mit wenigen dazu benötigten spezifischen Hardwarekomponenten.
Insbesondere wenn man das Zentrum einer sich vom Zentrum aus nach außen periodisch wiederkehrenden Struktur entsprechend ermittelt, erfordert die Bestimmung des Vibrationszustandes der Welle bei dem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des Messverfahrens nur einen minimalen berechnungstechnischen Mehraufwand, bei dem die Bestimmung des Vibrationszustandes aus Informationen gewonnen wird, die bereits zur Ermittlung der Lage des Zentrums herangezogen werden.
Insbesondere lassen sich bei besonderen Ausgestaltungen der Erfindung auch kostengünstigere Kamerasystem verwenden, auch um Vibrationen, die mit hohen Frequenzen und niedrigen Amplituden auftreten, zu messen. Z. B. können bestimmte kostengünstige Kamerasysteme nur eine relativ geringe Bildwiederholrate und eine geringe Pixel-Auflösung liefern. Beispielsweise sind maximal 25 Bilder pro Sekunde bei relativ geringer Pixel-Auflösung erhältlich. Mit der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Aufnahme eines Referenzmusters mit sich von innen nach außen mit sich monoton änderndem Abstand periodisch wiederkehrenden Strukturen lassen sich aber auch solche kostengünstige Kamerasysteme nutzen. Das beschriebene Verfahren nutzt den vermeintlichen Nachteil dieser Kamerasysteme nutzbringend aus. Zwar kann die Vibration durch die kostengünstige Kamera nicht direkt aufgelöst werden. Die durch die Vibration entstehende Bewegungsunschärfe und ihr Einfluss auf das erfasste Kameraabbild des Referenzmusters kann jedoch ohne weiteres ermittelt werden und zur Ermittlung der Vibration herangezogen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer rotierenden Welle;
2 eine schematische Darstellung einer rotierenden Welle mit einer Wellen-untersuchungs- und/oder überwachungsvorrichtung, mittels der sich Bewegungsgrößen der Welle ermitteln lassen;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer zu untersuchenden Welle mit einer Wellenuntersuchungs- und überwachungsvorrichtung am Beispiel einer Hohlwellenkonstruktion;
4 ein Ausführungsbeispiel für ein Referenzmuster zum Anbringen auf die zu untersuchende Welle mit einem radialsymmetrischen Bereich A und einem nichtradialsymmetrischen Bereich B;
5 ein Ausführungsbeispiel für eine radiale Grauwertfunktion f(r) für den radialsymmetrischen Bereich A von 4;
6 eine symbolische schematische Darstellung der Verschiebung des Referenzmusters im Kamerabild aus dessen Ruhelage zur Bestimmung der Verformung der Welle.
7 Darstellungen des Abbildes des Bereiches A des im Kamerabild abgebildeten Referenzmusters bei verschiedenen Vibrationszuständen, wobei
7a einen Zustand ohne Vibration und
7b einen Zustand starker Vibration zeigt;
8 verschiedene Darstellungen des Einfluss von Vibrationen auf eine aus dem Kamerabild bestimmte radiale Grauwertfunktion, wobei
8a die radiale Grauwertfunktion (Abhängigkeit des Grauwerts von dem radialen Abstand) im Zustand ohne Vibration zeigt,
8b die Grauwertfunktion im Zustand mittlerer Vibration zeigt und
8c die Grauwertfunktion im Zustand starker Vibration zeigt;
9 verschiedene Darstellungen zur Illustration des Einflusses von Vibrationen auf die aus dem Kamerabild bestimmte und über den quadratischen Abstand aufgetragene Grauwertfunktion mit konstanter dominanter Frequenz zeigt, wobei
9a die Grauwertfunktion über dem quadratischen radialen Abstand im Zustand ohne Vibration zeigt;
9b die Grauwertfunktion über dem quadratischen radialen Abstand im Zustand mittlerer Vibration zeigt und
9c die Grauwertfunktion über dem radialen Abstand im Zustand starker Vibration zeigt.
10 verschiedene Graphen zur Illustration des Einflusses von Vibrationen auf die spektrale Leistungsdichte der in 9 gezeigten Grauwertfunktionen zeigt, wobei die spektrale Leistungsdichte auf die spektrale Leistungsdichte ohne Vibration normiert worden ist;
11 einen Graph mit einer exemplarischen Darstellung einer aus dem Kamerabild extrahierten tangentialen Grauwertfunktion, die durch Bildbearbeitung des Abbildes des Bereiches B gewonnen worden ist; und
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Welle am Beispiel einer Hohlwelle mit einer Wellenuntersuchungs- und überwachungsvorrichtung und mit einem zusätzlich angebrachten Bereich B des Referenzmusters in axialem Abstand zu einem weiteren Referenzmuster zwecks Bestimmung von Verdrillungen.
Im folgenden werden anhand der Figuren unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Bewegungsgrößen rotierender Wellen, beispielsweise von Rotorwellen in Drehflüglern beschrieben. Insbesondere werden Bildverarbeitungsverfahren und Bildverarbeitungseinrichtungen zur kontaktfreien Bestimmung von Bewegungsgrößen von Rotorwellen in Drehflüglern beschrieben.
1 zeigt eine in einem Lager 101 gelagerte Welle 102, welche eine Rotation 103 durchführt. Durch Einwirkung von Kräften kann die Welle 102 durch Verformung ihre Ruhelage 105 verlassen. Die Welle 102 rotiert nun um eine quasistatische Drehachse 107 der verformten Welle 102. Die quasistatische Drehachse 107 ist deswegen als quasistatisch zu bezeichnen, da die Welle 102 zusätzlich Vibrationsbewegungen 104 um diese quasistatische Drehachse 107 ausführen kann.
In dem hier beschriebenen Verfahren geht es um die Bestimmung von Bewegungsgrößen der rotierenden Welle 102. Insbesondere soll ein Maß für die Verformung der Welle 102, ein Maß für die Stärke der Vibrationsbewegung 104 sowie eine Drehwinkellage bestimmbar sein.
Ein zu bestimmendes Maß für die Verformung der Welle 102 ist die Richtung und der Betrag 106 der Verschiebung eines als wellenzentriert angenommenen Referenzpunktes 108 aus seiner Ruhelage. Weiter zu bestimmende Bewegungsgrößen sind der Rotationswinkel oder Drehwinkel 103 sowie ein Maß für die Stärke der Vibrationsbewegung 104. In dem hier vorliegendem Beispiel wird die Amplitude der Vibrationsbewegung 104 als klein im Vergleich zur maximalen Verschiebung des Referenzpunktes 108 aus der Ruhelage angenommen.
Besondere Verwendung findet das hier beschriebene Verfahren bei der Untersuchung und Überwachung von rotierenden Wellen von Fahrzeugen, insbesondere von Luftfahrzeugen. Oft sind bei Fahrzeugen, wie Luftfahrzeugen aber auch bei Wasserfahrzeugen wie Schiffen, Wellen und deren Funktion sicherheitsrelevant. Dies gilt insbesondere bei Rotorwellen in Hubschraubern. Bei derzeit auf dem Markt befindlichen Hubschraubern der Marke EUROCOPTER werden Dehnungsmessstreifen eingesetzt, welche innerhalb des Hauptrotormasts angebracht werden. Um entsprechende Messergebnisse dem Piloten zur Anzeige zu bringen, müssen die Signale jedoch aus dem drehenden System des Rotors in das ruhen de System des Cockpits überführt werden. Dies ist übertragungstechnisch aufwendig.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren wird bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren ein kamerabasiertes optisches Messsystem 200 eingesetzt. Hierzu wird ein bestimmtes Referenzmuster ausgewählt und an die Welle angebracht. Durch vorteilhaft gewählte Auswertung der durch eine Kamera erzeugten Bilder des Referenzmusters werden die gesuchten Größen bestimmt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines solchen kamerabasierten optischen Messsystems 200 ist in 2 gezeigt. Dabei wird das zu vermessende Wellensystem 201, welches vergleichbar wie das in 1 dargestellte Wellensystem ausgebildet ist, durch Anbringung eines Referenzmusters 202 am zu vermessenden Referenzpunkt erweitert. Eine im nichtrotierenden System angebrachte Kamera 203 erfasst das Referenzmuster 202 und führt die gewonnenen Kamerabilder im folgenden auch Abbild genannt – einer Bildverarbeitungseinheit 204 zu.
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein solche kamerabasiertes optisches Messsystem 200 dargestellt. Handelt es sich bei der Welle 102 um eine Hohlwelle, wie bei dem in 3 dargestellten Wellensystem 301 gezeigt, so kann die in 3 gezeigte Konfigurationsvariante Verwendung finden. Als Beispiel wäre für das in 3 gezeigte Wellensystem 301 ein Hauptrotormast in einem Hubschrauber zu nennen. Hierbei ist eine Kamera 203 des Messsystems 200 in das Innere der Hohlwelle und zwar auf ein von innen angebrachtes Referenzmuster 302 ausgerichtet.
Im folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Auslegung und Anbringung des Referenzmusters 202 und 302 beschrieben.
4 zeigt hierzu das Ausführungsbeispiel für das Referenzmuster 202, 302, welches einen radialsymmetrischen Bereich A mit dem Bezugszeichen 401 und einen nichtradialsymmetrischen Bereich B mit dem Bezugszeichen 402 aufweist.
Die Anbringung des Referenzmusters 202, 302 an dem jeweiligen Wellensystem 201, 301 erfolgt in dem hier dargestellten Beispiel wellenzentriert. Das Zentrum des radialsymmetrischen Bereichs 401 liegt somit in der Rotationsachse 105 bzw. 107 (siehe hierzu 1 der Welle 102 des Wellensystems 201, 301). Das Zentrum des radialsymmetrischen Bereichs 401 ist somit zugleich der zu vermessende Referenzpunkt 108 zur Bestimmung der Wellenverformung.
Der radialsymmetrische Bereich, welcher im folgenden zur Vereinfachung lediglich Bereich A 401 bezeichnet wird, ist radialsymmetrisch in Ringmustern von kontinuierlich wechselnden hellen und dunklen Ringen ausgelegt. Zudem verringert sich bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Abstand der benachbarten Ringe kontinuierlich mit steigendem Abstand zum Ringzentrum. Dies bedeutet, dass helle und dunkle Ringe nach außen immer dichter zueinander liegen. Eine radiale Grauwertverteilung des Bereiches A 401 kann beispielsweise durch eine radiale Grauwertfunktion mit der Formel
erreicht werden. Hierin ist f(r) ein Grauwert. Der Grauwert f = 1 entspricht der Farbe Weiß, f = 0 entspricht der Farbe Schwarz, Zwischenwerte sind entsprechende Grautöne. Die Variable r ist der Abstand vom Zentrum des Bereiches A 401, und a ist eine Zahlenkonstante. 5 zeigt einen Graph der radialen Grauwertfunktion aufgetragen über dem Wert r für a = 10. 5 stellt somit ein Beispiel für eine radiale Grauwertfunktion f(r) für den radialsymmetrischen Bereich A 401 dar. Man erkennt die periodische Abfolge, wobei die Abstände nach außen hin gesehen immer kürzer werden.
Der im folgenden lediglich als Bereich B 402 bezeichnete nichtradiale Bereich des Referenzmusters 202 ist, wie in 4 gezeigt, als Kreisring mit in radialer Richtung konstantem Grauwert ausgelegt. In tangentialer Richtung ändert sich der Grauwert dieses Bereichs B 402 mit dem Polarwinkel φ mit einer monoton ansteigenden Grauwertfunktion. Ein Ausführungsbeispiel ist durch eine linear ansteigende tangentiale Grauwertfunktion mit der Formel f(φ) = φ2π (0 < φ ≤ 2π)gegeben. Der Grauwert f = 1 entspricht der Farbe Weiß, f = 0 entspricht der Farbe Schwarz, Zwischenwerte sind entsprechende Grautöne. 4 zeigt den linear ansteigenden Grauwertverlauf des Bereichs B 402 mit einem von der „Drei-Uhr-Stellung im Uhrzeigersinn ansteigendem φ.
Im folgenden wird ein Bildverarbeitungsverfahren zur Auswertung der Kamerabilder – Abbilder des Referenzmusters 202 – näher erläutert.
Das durch die Kamera 203, 303 gewonnene Abbild des oben beschriebenen Referenzmusters 202, 302 wird in der Bildverarbeitungseinheit 204, 304 in die gesuchten Bewegungsgrößen der rotierenden Welle 102 überführt.
Auswertung Schritt 1: Bestimmung der Verformung der rotierenden Welle 102:
6 zeigt eine symbolische Darstellung der Verschiebung des Referenzmusters im Kamerabild aus dessen Ruhelage zur Bestimmung der Verformung der Welle 102. Im realen Kamerabild ist jeweils nur ein Referenzmuster sichtbar. In dem Beispiel von 6 ist zwecks Vergleich ein Referenzmuster in seiner Ruhelage 601 und ein aufgrund der Verformung der rotierenden Welle verschobenes Referenzmuster 602 wiedergegeben. Ein Maß für die Verformung der rotierenden Welle 102 ist durch die Verschiebung des Zentrums des im Kamerabild abgebildeten Bereichs A 401 des verschobenen Referenzmusters 602 relativ zu seiner Ruhelage 601 gegeben. Bedingt durch die Radialsymmetrie und die wellenzentrierte Anbringung des Referenzmusters 202, 302 ist dieses bei Rotation um die quasistationäre Drehachse 107 für die Kamera 203, 303 statisch.
Zur Bestimmung des Zentrums des im Kamerabild abgebildeten Bereichs A 401 des verschobenen Referenzmusters 602 kann daher das in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2008 056 869.4-52 und in dem Patent DE 10 2006 030 399 B3 beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Lage von ringartigen Strukturen verwendet werden. Es wird für weitere Einzelheiten zu diesem Verfahren und der hierzu eingesetzten Bildverarbeitungseinrichtung ausdrücklich auf die vorerwähnten Druckschriften verwiesen. Diese bilden ein Teil der hiesigen Offenbarung und werden hiermit durch Bezugnahme inkorporiert.
Durch Bestimmung der Verschiebung des Zentrums in der Bildebene mittels der in diesen vorher eingereichten Anmeldungen beschriebenen Verfahren und Einrichtungen ist das gesuchte Maß für den Betrag der Verformung und deren Richtung gewonnen.
Auswertung Schritt 2: Bestimmung der Vibration der rotierenden Welle:
Nachdem im Schritt 1 der Auswertung die Lage des Zentrums des Bereichs A 401 des verschobenen Referenzmusters 601 im Kamerabild bestimmt wurde, kann im Schritt 2 ein Maß für die Vibration 104 der Welle 102 um den durch diese Lage bestimmten Referenzpunkt 108 abgeleitet werden. Dazu wird gemäß dem hier vorgestellten Verfahren relativ zum nun bekannten Zentrum die radiale Grauwertfunktion der im Kamerabild enthaltenen Grauwerte bestimmt. Diese wird im folgenden als die „gemessene radiale Grauwertfunktion bezeichnet. Allgemeiner wird die radiale Intensitätsverteilung ermittelt.
Die Bestimmung der gemessenen radialen Grauwertfunktion geschieht beispielsweise durch Mittelung der Grauwerte im Kamerabild zu einer gegebenen Distanz r zum Zentrum und anschließendes Auftragen der Mittelwerte als Funktion von r.
7 zeigt das Abbild des Bereichs A 401 des Referenzmusters 202, 302 im Zustand ohne Vibration (7a – keine Vibration) und im Zustand starker Vibrationen (7b – starke Vibration).
Führt man bei dem in 7a dargestellten Abbild die Mittelung der Grauwerte im Kamerabild zu gegebener Distanz r zum Zentrum auf und trägt anschließend diese Mittelwerte als Funktion von r auf, so erhält man in etwa eine Grauwertverteilung, wie sie für den Bereich A 401 des Referenzmusters 302, 202 in 5 gezeigt sind. Bei Verschwinden der Vibration reproduziert sich im Rahmen der Messgenauigkeit somit die radiale Grauwertfunktion f(r) wie sie beispielsweise in 5 gezeigt ist.
Tritt hingegen eine Vibration auf, so überlagern sich während der Belichtungszeit die durch die Vibration leicht versetzten Abbilder des Referenzmusters im Kamerabild. Es entsteht eine Bewegungsunschärfe. Mit ansteigender Vibrationsamplitude tritt dieser Effekt zuerst in den äußeren Bereichen des Bereichs A 401 des Referenzmusters 202, 302 auf, da dort die Ringstrukturen eng beieinander liegen. Die hellen und dunklen Bereich der Ringstrukturen überlagern sich dort zu einem mittleren Grauwert, wie dies in 7b dargestellt ist.
8 zeigt unterschiedliche gemessene radiale Grauwertfunktionen, um den Einfluss von Vibrationen auf die aus dem Kamerabild bestimmte radiale Grauwertfunktion darzustellen. Dabei ist in 8a die gemessene radiale Grauwertfunktion im Zustand ohne Vibration (8a – keine Vibration) gezeigt, während in 8b die gemessene radiale Grauwertfunktion im Zustand einer mittleren Vibration (8b- mittlere Vibration) dargestellt ist, während 8c die radiale gemessene Grauwertfunktion bei Auftreten starken Vibrationen zeigt.
Wie ersichtlich, entspricht 8a in etwa der radialen Grauwertfunktion für den realen radialsymmetrischen Bereich A 401, wie sie in 5 dargestellt ist. Bei zunehmender Vibration erhält die gemessene radiale Grauwertfunktion eine Dämpfung, wie sie in den 8b und 8c zu sehen ist. Diese Dämpfung ist umso stärker, je stärker die Amplitude der Vibration ist, da sich bei höherer Vibrationsamplitude auch die weiter innen liegenden Ringe größerer Distanz zu überlagern beginnen. Damit ist die Dämpfung der gemessenen radialen Grauwertfunktion ein Maß für die Vibration der Welle 102.
Eine solche Dämpfung lässt sich beispielsweise durch bekannte Verfahren der Ausgleichsrechung (Funktions-Fitting) direkt aus der Grauwertfunktion bestimmen oder durch die Bildung von Standardabweichungen der Grauwertfunktionen abschätzen. Die Standardabweichung sinkt mit der stärker werdenden Vibration.
Eine vorteilhaftere Ausführung des Verfahrens ergibt sich allerdings durch die direkte Verwendung von schon im Schritt 1 durch die Durchführung der Bildverarbeitungsverfahren wie sie aus der DE 10 2008 056 869.4-52 bekannt sind, verfügbar gemachten Informationen. In der in der DE 10 2008 056 869.4-52 in Verbindung mit der DE 10 2006 030 399 B3 beschriebenen Methodik wird die gemessene Grauwertfunktion als Funktion des quadratischen Abstands vom Zentrum (r²) be trachtet. Dadurch wird aus der Funktion ansteigender Frequenz, wie sie in 8 dargestellt ist, eine Funktion konstanter Frequenz, wie sie in 9 dargestellt ist. 9 zeigt verschiedene Graphen der gemessenen radialen Grauwertfunktion aufgetragen über dem quadratischen Abstand r², um den Einfluss von Vibrationen auf die aus dem Kamerabild bestimmte und über dem quadratischen Abstand aufgetragene Grauwertfunktion mit konstanter dominanter Frequenz darzustellen. 9a zeigt dabei die über dem quadratischen Abstand aufgetragene Grauwertfunktion im Zustand ohne Vibration, 9b zeigt diese Grauwertfunktion im Zustand mittlerer Vibration und 9c zeigt diese Grauwertfunktion im Zustand starker Vibration.
Wie dies in der DE 10 2008 056 869.4-52 in Verbindung mit der DE 10 2006 030 399 B3 beschrieben ist, wird die Funktion konstanter Frequenz einer diskreten Fourier-Transformation unterzogen. Ein Maß für die Stärke der Vibration kann daher direkt aus der spektralen Leistungsdichte der dominanten Frequenz abgelesen werden. Je geringer die spektrale Leistungsdichte der dominanten Frequenz ist, desto stärker ist die Vibration. Dies ist in 10 näher dargestellt. 10 zeigt unterschiedliche Graphen der spektralen Leistungsdichte aufgetragen über der Frequenz zur Darstellung des Einflusses von Vibrationen auf die spektrale Leistungsdichte der in 9 gezeigten Grauwertfunktionen. Dabei wurde die spektrale Leistungsdichte auf die spektrale Leistungsdichte ohne Vibration normiert. 10a zeigt dabei den Zustand ohne Vibration, 10b zeigt den Zustand mittlerer Vibration und 10c zeigt den Zustand starker Vibration.
Auswertung Schritt 3: Bestimmung des Drehwinkel der Welle 102:
In Schritt 3 der Auswertung wird der Bereich B 402 des Referenzmusters 202, 302 benutzt, um den Drehwinkel 103 der Welle 102 zum Zeitpunkt der Belichtung des Kamerabildes zu bestimmen. Dazu wird aus dem Kamerabild die tangentiale Grauwertfunktion extrahiert. Diese extrahierte tangentiale Grauwertfunktion des Kamerabilds wird im Folgenden als gemessene tangentiale Grauwertfunktion bezeichnet.
Die Extraktion geschieht durch, Erfassung der Grauwerte im Kamerabild entlang des Kreisringes des Bereichs B 402 und durch Auftragen dieser Grauwerte als Funktion des Polarwinkels relativ zum Zentrum des Referenzmusters. Eine exemplarische tangentiale Grauwertfunktion ist in 11 dargestellt. 11 zeigt somit eine exemplarische Darstellung einer aus dem Kamerabild extrahierten tangentialen Grauwertfunktion aufgetragen über den Polarwinkel φ.
Die gemessene tangentiale Grauwertfunktion wird nun diskreten Fourier-Transformation zugeführt. Der gesuchte Drehwinkel 103 der Welle ergibt sich nun direkt aus dem Phasenwinkel der Grundschwingung.
12 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des kamerabasiertes optischen Messsystems 200, mittels dem auch Verdrillungen der Welle 102 bestimmbar sind. Hierbei wird als zusätzliches Referenzmuster 1205 ein zusätzlicher Bereich B an einer anderen axialen Position innerhalb der Welle 102 des Wellensystems 201 im Sichtbereich der Kamera 1203 angebracht. Durch diese Anbringung des zusätzlichen Bereichs B des zusätzlichen Referenzmusters 1205 kann die Bestimmung von Verdrillungen der Welle 102 erreicht werden. In dem zusätzlich angebrachten Referenzmuster 1205 wird der Bereich A 401 ausgespart, so dass die Kamera 1203 in der Lage ist, alle Referenzmuster, nämlich das Referenzmuster 1202, sowie das zusätzliche Referenzmuster 1205, gleichzeitig zu erfassen. Die Verdrillung ergibt sich dann durch Differenzbildung der durch Schritt 3 bestimmten Drehwinkel beider Referenzmuster 1205 und 1202 in der Bildauswerteeinheit 1204.
Besondere Vorteile:
Vibrationen 104 treten mit hohen Frequenzen und niedrigen Amplituden auf. Diese können normalerweise nicht durch ein kostengünstiges kamerabasiertes Messsystem 200 aufgelöst werden. Dies ist durch die zu geringe Bildwiederholrate (z. B. 25 Bilder pro Sekunde) und die verfügbare Pixel-Auflösung günstiger kamerabasierter optischer Messsysteme 200 bedingt. Die beschriebene Methodik nutzt diesen vermeintlichen Nachteil allerdings nutzbringed aus. Die Vibration 104 kann zwar durch die Kamera 203, 303, 1203 nicht direkt aufgelöst werden – die durch Vibration entstehende Bewegungsunschärfe und ihr Einfluss auf das erfasste Kameraabbild des Referenzmusters jedoch schon.
Weitere möglich Ausführungsformen:
Die Auslegung der radialen und tangentialen Grauwertfunktionen des Referenzmusters 202, 302 kann auch durch andere als die genannten Ausführungsbeispiele erfolgen. Für die Auslegung der radialen Grauwertfunktionen ist ausschließlich vorteilhaft, dass sich der Abstand benachbarter Ringe oder dergleichen periodisch wiederholbarer Strukturen monoton mit dem radialen Abstand zum Ringzentrum verringert. Für die Auslegung der tangentialen Grauwertfunktion ist vorteilhaft, das der Grauwert eine monotone Funktion des Winkels ist.
In der Methodik, wie sie in der DE 10 2008 056 869.4-52 in Verbindung mit der DE 10 2006 030 399 B3 beschrieben ist, lassen sich zusätzlich Ellipsitäten des Bereichs A des Referenzmusters 202, 302 bestimmen. Diese können auftreten, falls die Vibration der Welle nicht isotrop ist, d. h. bestimmte Vibrationsrichtungen ausgezeichnet sind. Die Bestimmung der Ellipsitäten der Ringmuster durch die früher bereits beschriebenen Bildverarbeitungsverfahren liefert somit zusätzliche Informationen über die Isotropie der Vibrationsbewegung der Welle.
Wie bereits zuvor erläutert, wird zur weiteren Offenbarung ausdrücklich auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2008 056 869.4-52 und auf das deutsche Patent DE 10 2006 030 399 B3 verwiesen.

101: Lager der Welle
102: Welle
103: Rotationsbewegung der Welle um quasistatische Drehachse 107
104: Vibrationsbewegung der Welle um quasistatische Drehachse 107
105: Ruhelage der Drehachse
106: Maß der Verformung der Drehachse
107: Quasistatische Lage der Drehachse der verformten Welle
108: Wellenzentrierter Referenzpunkt der Positionsbestimmung
201: Wellensystem
200: kamerabasiertes optisches Messsystem
202: Referenzmuster
203: Kamera
204: Bildverarbeitungseinheit
301: Wellensystem
302: Referenzmuster
303: Kamera
304: Bildverarbeitungseinheit
401: Radialsymmetrischer Bereich des Referenzmusters
402: Nicht radialsymmetrischer Bereich des Referenzmusters
601: Ruhelage des Referenzmusters
602: Lage des Referenzmusters im Kamerabild bei Verformung der Welle
1201: Wellensystem
1202: Referenzmuster
1203: Kamera
1204: Bildverarbeitungseinheit
1205: Ringförmig angebrachter Bereich B des Referenzmusters mit ausgespartem Bereich A

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006030399 B3 [0028, 0028, 0072, 0082, 0083, 0090, 0091]
- DE 102008056869 [0028, 0028, 0028, 0072, 0082, 0082, 0083, 0090, 0091]

Claims

Verfahren zur Bestimmung wenigstens einer Bewegungsgröße einer rotierenden Welle (102), gekennzeichnet durch Verwenden eines kamerabasierten optischen Messsystems (200) und Ermitteln der wenigstens einen Bewegungsgröße durch Bildverarbeitung und/oder Auswertung von durch das kamerabasierte optische Messsytem aufgenommenen Bildern (601, 602).
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erfassen einer oder mehrere Bewegungsgrößen einer Rotorwelle eines Luftfahrzeugs, insbesondere einer Rotorwelle eines Drehflügler.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Aufnahme eines auf der Welle (102) aufgebrachten Referenzmusters (202, 302) und Bildverarbeitung des aufgenommenen Bildes, um aus der Lage und/oder Form des aufgenommenen Referenzmusters (601, 602) die wenigstens eine Bewegungsgröße der Welle zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Aufnahme eines an der Welle (102) angebrachten, von einer axialen Richtung aus auf die Welle (102) gesehen sichtbaren Referenzmusters (202, 302) von dieser axialen Richtung aus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekennzeichnet durch Verwenden eines Referenzmusters (202, 203), das einen radialsymmetrischen Bereich (401) und/oder einen nicht radialsymmetrischen Bereich (402) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5 und Anspruch 4, gekennzeichnet durch wellenzentriertes Vorsehen des Referenzmusters (202, 302) derart, dass ein Zentrum des Referenzmusters, insbesondere ein Zentrum des radialsymmetrischen Bereichs, auf der Drehachse (105, 107) der Welle (102) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch Vorsehen eines Referenzmusters (202, 302) mit Ringmustern aus kontinuierlich wechselnden, durch das kamerabasierte optische Messsystem (200) jeweils voneinander unterscheidbaren, insbesondere hellen und dunklen, Ringen.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Vorsehen der Ringmuster derart, dass sich der Abstand benachbarter Ringe zueinander abhängig von dem Abstand der Ringe von dem Ringzentrum kontinuierlich ändert, insbesondere derart, dass sich der Abstand der benachbarten Ringe kontinuierlich mit steigendem Abstand von dem Ringzentrum verringert, so dass die Ringe nach radial außen hin immer dichter zueinander liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, gekennzeichnet durch Vorsehen des Ringmusters mit einer radialen Grauwertfunktion in der Form:
wobei f(r) ein Grauwert ist, bei dem der Wert f = 1 einer ersten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und der Wert f = 0 der zweiten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und die Zwischenwerte entsprechende Grautöne sind; r der Abstand vom Zentrum des Ringmusters ist und a eine Zahlenkonstante ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9 und nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Vorsehen des Referenzmusters (202, 302) mit einem um die Drehsachse (105, 107) der Welle (102) umlaufenden nichtradialsymmetrischen Bereich (402), der einen durch das kamerabasierte optische Messsystem (200) qualitativ aufnehmbaren Intensitätswert hat, der sich als Funktion der Polarwinkelposition an der Welle (102) monoton ändert.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Vorsehen des nichtradialsymmetrischen Bereichs (402) mit einem Grauwert, der in tangentialer Richtung mit dem Polarwinkel stetig ansteigt, insbesondere gemäß der Formel: f(φ) = φ2π (0 < φ ≤ 2π),wobei f(φ) ein Grauwert ist, bei dem der Wert f = 1 einer ersten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und der Wert f = 0 der zwei ten der beiden Extremfarben Weiß oder Schwarz entspricht und die Zwischenwerte entsprechende Grautöne sind, und φ der Polarwinkel an der Welle (102) bezogen auf ihre Drehsachse (107) ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 und nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Vorsehen des nichtradialsymmetrischen Bereichs (402) als Kreisring mit in radialer Richtung konstantem Intensitätswert, insbesondere Grauwert, und sich in tangentialer Richtung monoton mit dem Polarwinkel änderndem Intensitätswert, insbesondere Grauwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, gekennzeichnet durch Durchführen einer Bildverarbeitung an einem mit einer relativ zu der Welle (102) nichtdrehenden oder stationären Kamera (203, 303) aufgenommenen Abbild des Referenzmusters (601, 602), um die wenigstens eine Bewegungsgröße zu ermitteln.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Durchführen einer Bildverarbeitung an einem durch das kamerabasierte optische Messsystem (200) aufgenommen Intensitätsbild, welches als Abbild der Welle (102) oder eines darauf vorhandenen Referenzmusters (202, 302) eine ringartige Struktur aufweist, zwecks Vermessung von Lage, Formabweichung und/oder Radius der ringartigen Struktur, um so die wenigstens eine Bewegungsgröße zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Ermitteln eines Maßes für die Verformung der Welle (102) durch Ermitteln des Zentrums der ringartigen Struktur und Vergleichen der ermittelten Lage mit der Lage eines Referenzzentrums.
Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Durchführung der Bildverarbeitung mit den Schritten: a) Definieren von N Sektoren des Intensitätsbildes mit jeweils an einem gemeinsamen Sektorursprungspunkt innerhalb der ringartigen Struktur liegenden Sektor-Spitzen, wobei N eine natürliche Zahl mit N > 1 ist; b) Erfassen einer Distanz eines Intensitätsextremums zu der jeweiligen Sektor-Spitze jedes Sektors wenigstens einer Gruppe der Sektoren, um einen Distanzvektor zu erhalten, der die Distanzen aus allen Sektoren wenigstens der Gruppe der Sektoren enthält; c) Durchführen einer Fourier-Transformation des Distanzvektors; und d) Ermitteln des Zentrums der ringartigen Struktur aus dem durch die Fourier-Transformation erhaltenen Fourier-Vektor.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln eines Maßes für eine Vibration der Welle (102) durch Bildverarbeitung eines mittels des kamerabasierten optischen Messsystems (200) aufgenommenen Abbildes eines auf der Welle (102) angebrachten realen Referenzmusters (202, 302), wobei das reale Referenzmuster (202, 302) eine sich als Funktion des Abstands zur Drehsachse (107) der Welle (102) periodisch mit monoton ändernder Frequenz ändernde Intensitätsverteilung hat.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch Ermitteln einer radialen Grauwertfunktion des Abbildes als gemessene Grauwertfunktion, um daraus das Maß für die Vibration abzuleiten.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Ermitteln einer Dämpfung der gemessenen radialen Grauwertfunktion als Maß für die Vibration.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Ermitteln einer dominanten Frequenz in der gemessenen radialen Grauwertfunktion und Ableiten eines Maßes für die Stärke der Vibration aus der spektralen Leistungsdichte der dominanten Frequenz.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Vorsehen eines realen Referenzmusters (202, 302), dessen radiale Intensitätsverteilung sich mit einer Frequenz ändert, die proportional zum Quadrat des Abstandes von der Rotationsachse ist, Aufnahme des Abbildes und Ermitteln einer radialen Intensitätsverteilung als Funktion des quadratischen Abstandes von dem Zentrum des Abbildes des Referenzmusters, Durchführen einer Fourier-Transformation der so erhaltenen radialen Intensitätsverteilung, um die dominante Frequenz und deren spektrale Leistungsdichte zu ermitteln.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln eines Drehwinkels der Welle (102) Abbilden eines realen nicht radialsymmetrischen Referenzmusterbereichs (402) an der Welle (102) und Bildverarbeitung des Abbildes.
Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch Vorsehen des nicht radialsymmetrischen Referenzmusterbereichs (402) an der Welle (102) mit einem sich monoton mit dem Polarwinkel ändernden Grau- oder Intensitätswert, Ermitteln einer gemessenen tangentialen Grauwertverteilung des Abbildes des nicht radialsymmetrischen Referenzmusterbereichs (402), Ermitteln des Drehwinkels aus dieser gemessenen tangentialen Grauwertverteilung.
Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch Durchführen einer Fourier-Transformation an der gemessenen tangentialen Grauwertverteilung, Ermitteln des Drehwinkels aus dem Phasenwinkel der durch Fourier-Transformation ermittelten Grundschwingung.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ermitteln einer Verdrillung der Welle (102) durch Ermitteln des Drehwinkels an zwei axial an der Welle (102) beabstandeten Orten.
Wellenuntersuchungs- und/oder -überwachungsvorrichtung zur Untersuchung und/oder Überwachung der Bewegung einer rotierenden Welle (102) und/oder zur Bestimmung von Bewegungsgrößen der rotierenden Welle, wobei die Wellenuntersuchungs- und/oder -überwachungsvorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildet ist, mit einem Referenzmuster (202, 302), das an der zu untersuchenden Welle angebracht oder anbringbar ist, einem kamerabasierten optischen Messsystem (200) zum Aufnehmen des sich mit der Welle (102) mitdrehenden Referenzmusters (202, 302) und einer Bildverarbeitungseinrichtung (204, 304, 1204) zur Bildbearbeitung des Abbildes des Referenzmusters (202, 302) und zur Bestimmung von Bewegungsgrößen der Welle (102) aus dem Abbild.
Vorrichtung, insbesondere Fahrzeug, mehr insbesondere Luftfahrzeug, wie insbesondere Drehflügler, mit einer Welle (102) und mit einer Wellenuntersuchungs- und/oder -überwachungsvorrichtung nach Anspruch 26.