DE102015120263A1

DE102015120263A1 - Verfahren zur Verschleißbestimmung, Messgerät, Steuervorrichtung dazu sowie Antriebsvorrichtung umfassend die Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102015120263A1
Application number: DE102015120263.8A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Karl; Georg Sztefka
Original assignee: Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Current assignee: Georg Simon Ohm Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Nurnberg
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: DE102015120263B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißes in einer Anordnung, in der ein Motor über eine Übertragungseinrichtung eine Last bewegt, vorzugsweise mittels Zustandsüberwachung. Dabei ist dem Motor ein erster Inkrementalgeber und der Last ein zweiter Inkrementalgeber zugeordnet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messgerät zur Durchführung des Verfahrens, eine Steuervorrichtung zum Versorgen eines Elektromotors mit elektrischer Energie, welche das Verfahren als ablauffähiges Programm abarbeitet, sowie eine Antriebsvorrichtung umfassend den Motor, die Übertragungseinrichtung, die Last und die Steuervorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißes in einer Anordnung, in der ein Motor über eine Übertragungseinrichtung eine Last bewegt. Das Verfahren erfolgt vorzugsweise mittels Zustandsüberwachung. Die Erfindung betrifft auch ein Messgerät zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung eines Verschleißes in einer solchen Anordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Steuervorrichtung zum Versorgen eines Elektromotors mit elektrischer Energie, wobei die Steuervorrichtung das Verfahren als ablauffähiges Programm abarbeitet. Die Erfindung betrifft auch eine Antriebsvorrichtung umfassend einen Motor, eine Übertragungseinrichtung, eine Last und eine solche Steuervorrichtung.
Nach dem Stand der Technik sind Verfahren zur Verschleißbestimmung an Maschinen bekannt. Aus der DE 10 2006 022 595 B3 ist ein Verfahren zur Verschleißbestimmung an einer Produktionsmaschine bekannt. Bei dem bekannten Verfahren ist zunächst in einem Grundzustand vor einer Inbetriebnahme der Maschine, z.B. nach einer Justierung des Getriebes, die Amplitude einer Messgröße bei einer bestimmten Anregungsfrequenz zu bestimmen. Nach dem Betreiben der Maschine ist erneut die Amplitude der Messgröße bei der bestimmten Anregungsfrequenz zu bestimmen. Durch Vergleichen der Amplitude vor der Inbetriebnahme und nach dem Betreiben der Maschine lässt sich eine Aussage über eine Vergrößerung der Getriebelosen treffen.
Das bekannte Verfahren kann also nur durchgeführt werden, wenn bereits entsprechende Messgrößen zum Grundzustand aufgenommen worden sind. Das ist umständlich und unflexibel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein flexibel einsetzbares Verfahren zur Verschleißbestimmung bereitzustellen. Weiterhin sind ein Messgerät, eine Steuervorrichtung dazu und eine Antriebsvorrichtung umfassend eine solche Steuervorrichtung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensmäßig mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist dem Motor ein erster Inkrementalgeber und der Last ein zweiter Inkrementalgeber zugeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Betreiben der Übertragungseinrichtung mit einem ersten Lastfall und mit zumindest einem zweiten Lastfall,
b) Bestimmen einer Messdifferenz aus einem ersten Signal des ersten Inkrementalgebers und einem zweiten Signal des zweiten Inkrementalgebers,
c) Bestimmen einer einem Lastfall zugeordneten Amplitude einer von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung,
d) Bestimmen einer Amplitudenfunktion in Abhängigkeit der bestimmten Amplituden und/oder Bestimmen von kennzeichnenden Werten in Abhängigkeit der bestimmten Amplituden,
e) Vergleichen der Amplitudenfunktion mit gespeicherten charakteristischen Funktionen, und/oder Vergleichen der kennzeichnenden Werte mit kennzeichnenden Werten der charakteristischen Funktionen, und
f) Auswahl zumindest einer nächstliegenden charakteristischen Funktion aus den gespeicherten charakteristischen Funktionen.

Die Übertragungseinrichtung kann eine Kugelrollenspindel im Vorspann, insbesondere ein Getriebe, sein. Die Übertragungseinrichtung kann weiterhin eine Kupplung oder ein Getriebe mit einer Kupplung sein. Das Getriebe kann im Sinne der vorliegenden Erfindung Drehbewegungen und/oder Linearbewegungen übertragen bzw. wandeln. Die Übertragungseinrichtung kann Nichtlinearitäten aufweisen. Solche Nichtlinearitäten können ein Hinweis auf einen an der Übertragungseinrichtung auftretenden Verschleiß sein.
Ein Lastfall ist im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl von der Last als auch vom Antrieb abhängig. Die Last kann beispielsweise durch einen Sollwertsprung geändert werden. Der Antrieb kann durch einen motorseitigen Momentensprung geändert werden. Der erste und der zweite Lastfall unterscheiden sich durch die jeweilige Last und/oder durch den jeweiligen Antrieb.
Die Inkrementalgeber sind vorzugsweise zur Messung einer Winkelstellung und/oder linearen Position eines Antriebselements des Motors bzw. der Last vorgesehen. Die Inkrementalgeber sind vorzugsweise kupplungslos vorgesehen. Die Inkrementalgeber können z. B. Hohlwellengeber sein. Durch eine kupplungslose Messung kann ein Einbringen weiterer Nichtlinearitäten vermieden werden.
Die Messdifferenz kann eine Winkeldifferenz oder eine Wegdifferenz sein. Die Messdifferenz vollführt gegen die Zeit aufgetragen eine Schwingung. Vorzugsweise stellt sich innerhalb von 0,2 bis 2 Sekunden eine Grenzschwingung gleichbleibender Amplitude ein.
Bei den Schritten b) und c) wird jeweils zu einem bestimmten Lastfall zunächst die Messdifferenz bestimmt. Daraufhin wird die Amplitude der von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung, vorzugsweise der Grenzschwingung, bestimmt. Die Schritte b) und c) werden für jeden zu untersuchenden Lastfall wiederholt.
Beim Schritt d) wird die Amplitudenfunktion vorzugsweise aus einer Vielzahl von Lastfällen mit ihren jeweils zugehörigen Amplitudenwerten bestimmt. D.h. es wird für eine Vielzahl von Amplitudenwerten jeweils der Wert der Amplitudenfunktion bestimmt. Je mehr Lastfälle untersucht werden, desto mehr Werte der Amplitudenfunktion können also bestimmt werden und desto genauer kann die Amplitudenfunktion gemessen werden.
Vorzugsweise wird zu einem bestimmten Lastfall zunächst die Messdifferenz bestimmt (Schritt b)). Daraufhin wird die Amplitude der von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung bestimmt (Schritt c)) und der zugehörige Wert der Amplitudenfunktion bestimmt (Schritt d)). Diese Abfolge wird vorzugsweise für jeden Lastfall wiederholt.
Die charakteristischen Funktionen können mathematisch ermittelt oder vorzugsweise der Literatur entnommen werden, z. B. dem Buch „Nichtlineare Regelungen I, Grundlagen und Harmonische Balance" von O. Föllinger, erschienen im R. Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, Seite 266f. Vorzugsweise beschreiben die charakteristischen Funktionen jeweils eine Nichtlinearität.
Die charakteristischen Funktionen können auch in einem vorgelagerten Schritt ermittelt werden und stehen so während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verfügung. Beispielsweise kann eine Referenzanordnung präpariert werden, z. B. mit einer bestimmten Getriebelosen. Zu der so präparierten Referenzanordnung kann die Amplitudenfunktion gemessen werden. Diese Amplitudenfunktion kann als charakteristische Funktion gespeichert werden und steht sodann für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an anderen Anordnungen zur Verfügung.
Weiterhin kann ein Hersteller von Übertragungselementen, insbesondere von Getrieben oder Kupplungen, in einem Laboraufbau die Amplitudenfunktion zu den jeweiligen Übertragungselementen aufnehmen. Der Hersteller kann somit einem Käufer eines Übertragungselements die Amplitudenfunktion in elektronischer Form oder in Form eines Datenblatts bereitstellen. Der Käufer kann die Amplitudenfunktion daraufhin als charakteristische Funktion für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwenden.
Die nächstliegende charakteristische Funktion gibt eine Aussage über den Zustand der Anordnung. Vorzugsweise ist die nächstliegende charakteristische Funktion einer bestimmten Nichtlinearität zugeordnet. Die nächstliegende charakteristische Funktion gibt also insbesondere eine Aussage über den entsprechend der zugeordneten Nichtlinearität an der Anordnung entstandenen Verschleiß.
Vorzugsweise genügt es, das erfindungsgemäße Verfahren an einer gegebenen Anordnung zu einem gegebenen Zeitpunkt einmal durchzuführen. Nach einer hinreichenden Zeitspanne oder nach einer Änderung an der Anordnung ist das erfindungsgemäße Verfahren zu wiederholen. Die Zeitspanne kann vorzugsweise von einem Tag bis zu einem Jahr reichen. Besonders bevorzugt wird eine Zeitspanne von einer Woche. Weiterhin ist eine Durchführung des Verfahrens als Echtzeitmessung möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht also eine Aussage über den Zustand der Anordnung, ohne einen Vergleich zwischen einer Messung bei Inbetriebnahme und einer Messung während/nach dem Betrieb der Anordnung durchführen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein besonders flexibel einsetzbares Verfahren zur Verschleißbestimmung.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt:

g) Ausgeben einer Information über die beim Schritt f) ausgewählte zumindest eine nächstliegende charakteristische Funktion.

Vorzugsweise kann eine Information über die der nächstliegenden charakteristischen Funktion zugeordnete Nichtlinearität ausgegeben werden. Es kann beispielsweise eine Mitteilung auf einem Monitor eines Steuercomputers generiert werden. Die Information über die der nächstliegenden charakteristischen Funktion zugeordnete Nichtlinearität kann auch zur späteren Verwendung gespeichert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:

h) Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts und/oder Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen den kennzeichnenden Werten und den kennzeichnenden Werten der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts.

Der die Ähnlichkeit bemessende Wert gibt vorzugsweise Auskunft über die Stärke der auftretenden Nichtlinearität und damit indirekt über einen Verschleiß der Antriebsanordnung, insbesondere des Getriebes und/oder der Kupplung.
Weiterhin kann der die Ähnlichkeit bemessende Wert bei nach einer gewissen Zeitspanne wiederholten Messungen jeweils verglichen werden und dadurch eine Verstärkung oder Abschwächung der auftretenden Nichtlinearität und damit des Verschleißes festgestellt werden.
Der die Ähnlichkeit bemessende Wert bemisst vorzugsweise eine Abweichung von einem Schlechtfall. Dabei beziehen sich die nächstliegende charakteristische Funktion bzw. die kennzeichnenden Werten der nächstliegenden charakteristischen Funktion auf eine ausgeprägten Verschleiß aufweisende Antriebsanordnung. Der die Ähnlichkeit bemessende Wert kann aber auch eine Abweichung von einem Gutfall, d. h. von einer einwandfreien Antriebsanordnung, bemessen.
Die Abweichung kann beispielsweise eine Verschiebung der Amplitudenfunktion bezüglich der nächstliegenden charakteristischen Funktion sein. Weiterhin kann die Abweichung eine unterschiedliche Steigung und/oder Krümmung in der Amplitudenfunktion bezüglich der nächstliegenden charakteristischen Funktion sein.
Vorzugsweise gibt die nächstliegende charakteristische Funktion eine Aussage über die Art der vorliegenden Nichtlinearität und erlaubt damit Rückschlüsse auf die Art eines Verschleißes, z. B. das Auftreten eines Getriebespiels. Der die Ähnlichkeit bemessende Wert gibt vorzugsweise eine Aussage über die Parameter der Nichtlinearität und erlaubt damit Rückschlüsse auf die Stärke (bzw. bei wiederholter Messung: die Zunahme) eines Verschleißes, z. B. die Stärke (bzw. bei wiederholter Messung: die Zunahme) eines Getriebespiels.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:

i) Ausgeben eines Warnsignals, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine vordefinierte Schwelle unter- oder überschreitet.

Das Unter- oder Überschreiten der vordefinierten Schwelle entspricht einem ein bestimmtes Niveau erreichenden Verschleißzustand. Das Warnsignal kann ein elektronisches Signal sein, das beispielsweise an eine externe Vorrichtung ausgegeben wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann unter dem Begriff Warnsignal auch ein akustisches und/oder optisches Signal verstanden werden. Das Warnsignal kann insbesondere eine auf einem Monitor erscheinende Mitteilung umfassen. Vorzugsweise wird ein Benutzer durch das Warnsignal veranlasst, den Zustand der Anordnung genau zu überprüfen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:

j) Ausgeben eines weiteren Warnsignals, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine weitere vordefinierte Schwelle unter- oder überschreitet.

Das Unter- oder Überschreiten der weiteren vordefinierten Schwelle entspricht einem ein bestimmtes weiteres Niveau erreichenden Verschleißzustand. Die weitere vordefinierte Schwelle kann vorzugsweise nur unter- oder überschritten werden, falls die vordefinierte Schwelle bereits unter- oder überschritten ist. Die weitere vordefinierte Schwelle entspricht also einem besonders ausgeprägteren Verschleiß der Anordnung.
Das weitere Warnsignal kann wiederum ein elektronisches Signal sein, das beispielsweise an eine externe Vorrichtung ausgegeben wird. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann unter dem Begriff „weiteres Warnsignal“ auch ein akustisches und/oder optisches Signal verstanden werden. Das weitere Warnsignal kann insbesondere eine auf einem Monitor erscheinende Mitteilung umfassen. Vorzugsweise wird ein Benutzer durch das Warnsignal veranlasst, den Motor zu stoppen, oder vor einem unmittelbar bevorstehenden Motorstopp gewarnt. Dabei kann die bis zum Motorstopp verbleibende Zeit beispielsweise auf einem Monitor angezeigt werden, durch eine Computerstimme angesagt werden oder akustisch aufbereitet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:

k) Ausgeben des beim Schritt h) bestimmten die Ähnlichkeit bemessenden Werts.

Vorzugsweise kann eine Mitteilung auf einem Monitor eines Steuercomputers generiert werden, die den die Ähnlichkeit bemessenden Wert angibt. Somit kann ein Benutzer genauer über die Stärke bzw. die Parameter der auftretenden Nichtlinearität informiert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:

l) Ausgeben einer Restlaufzeit in Abhängigkeit des beim Schritt h) bestimmten die Ähnlichkeit bemessenden Werts.

Vorzugsweise kann eine Mitteilung auf einem Monitor eines Steuercomputers generiert werden, die die Restlaufzeit angibt. Dadurch kann ein Benutzer die Wartung der Anordnung besonders präzise planen und insbesondere rechtzeitig durchführen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren den folgenden Schritt:

m) Stoppen des Motors, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert die weitere vordefinierte Schwelle unter- oder überschreitet.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Amplitudenfunktion beim Schritt d) mittels orthogonaler Projektion bestimmt.
Vorzugsweise wird dabei nach der Methode der Harmonischen Balance vorgegangen. Dazu wird angenommen, dass sich der zeitliche Verlauf der Messdifferenz näherungsweise durch eine sinusförmige Schwingung annähern lässt.
Dazu wird vorzugsweise solange abgewartet, bis die von der Messdifferenz beschriebene Schwingung erfahrungsgemäß in eine Grenzschwingung mit gleichbleibender Amplitude übergeht. Die Wartezeit kann vorzugsweise zwischen 5 und 100 Schwingungsperioden betragen. Besonders bevorzugt wird eine Wartezeit zwischen 10 und 30 Schwingungsperioden. Dadurch wird erreicht, dass eventuell vorhandene Einschwingvorgänge an der Anordnung abgeklungen sind.
Sodann wird vorzugsweise ein (zusätzliches) Sinussignal und ein Kosinussignal erzeugt. Beide Signale besitzen jeweils die gleiche Frequenz wie die von der Messdifferenz beschriebene Schwingung. Beide Signale werden für genau eine Periodendauer der von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung aufgeschaltet.
Dabei werden die folgenden Integrale gebildet:
Dabei entspricht der Nullphasenwinkel α der oben genannten Wartezeit und beträgt 2π mal die Anzahl der abgewarteten Schwingungsperioden. T₀ bezeichnet eine Periodendauer.
y(t) ist die über die Übertragungseinrichtung übertragene Kraft bzw. das über die Übertragungseinrichtung übertragene Drehmoment und wird im Folgenden mit dem Begriff „Ausgangssignal“ bezeichnet. In der Literatur ist auch der Begriff „Ausgangsgröße“ verbreitet. Bei einem sich einstellenden Gleichgewicht einer auf ein Antriebselement des Motors wirkenden Kraft (Antriebskraft) bzw. eines auf ein Antriebselement des Motors wirkenden Drehmoments (Antriebsmoment) und einer auf die Last wirkenden Kraft (Lastkraft) bzw. eines auf die Last wirkenden Drehmoments (Lastmoment) ist das Ausgangssignal y(t) betragsmäßig gleich diesen beiden Kräften bzw. Drehmomenten.
Das Ausgangssignal y(t) kann durch eine Messung der Kraft bzw. des Drehmoments am Antriebsstrang (z. B. an der Welle) vor und/oder nach der Übertragungseinrichtung bestimmt werden. Die Drehmomentmessung erfolgt vorzugsweise kupplungslos, z. B. mittels am Antriebsstrang vor und/oder nach der Übertragungseinrichtung angebrachter Dehnungsmessstreifen zusammen mit einer Telemetrie. Durch die kupplungslose Messung kann ein Einbringen weiterer Nichtlinearitäten in das System verhindert werden.
Vorzugsweise wird das an der Welle anliegende Drehmoment bei konstanter Drehzahl (insbesondere konstant geregelter Drehzahl) oder im Stillstand (Drehzahl gleich Null mit kleinen Momentenschwankungen) gemessen. In beiden Fällen ist das gemessene Drehmoment eigentlich gleich Null. Durch ein antriebsseitig aufgespieltes moduliertes Drehmoment können Torsionsschwingungen am Übertragungselement verursacht werden. In diesen Torsionsschwingungen drücken sich am Übertragungselement vorhandene Nichtlinearitäten aus. Vorzugsweise ist dabei sicherzustellen, dass das antriebsseitig aufgespielte modulierte Drehmoment nicht die Drehzahl ändert. Eine analoge Vorgehensweise kann zur Messung einer am Antriebsstrang anliegenden Kraft verfolgt werden.
Weiterhin können die Kraft bzw. das Drehmoment aufgrund ihrer bzw. seiner Proportionalität zu einem den Motor antreibenden Strom durch eine Auswertung dieses Stroms bestimmt werden. Vorteilhafterweise ist der den Motor antreibende Strom bei einem geregelten Aufbau ohnehin bekannt. Es sind somit keine zusätzlichen Mittel zur Strommessung erforderlich.
Die Amplitude der Grundschwingung des Ausgangssignals y(t) kann mittels orthogonaler Projektion bestimmt werden. Die orthogonale Projektion entspricht einer Fouriertransformation für nur eine Frequenz, kommt also einer eindimensionalen FFT („schnelle Fourier-Transformation“) gleich.
Dabei kann die Amplitude der Grundschwingung des Ausgangssignal y(t) für einen ersten Lastfall durch die Beziehung
berechnet werden. Wegen Y₁ = N(A₁)·A₁ ergibt sich daraus der Wert der Beschreibungsfunktion an einer Stelle A₁. Dabei ist A₁ die sich für den ersten Lastfall einstellende Amplitude der Messdifferenz. Vorzugsweise wird der Wert A der Amplitude der Messdifferenz beginnend mit A = A₁ durch Vorsehen weiterer Lastfälle schrittweise erhöht, um die Beschreibungsfunktion N(A) zu bestimmen. Es können lediglich einzelne Punkte der Beschreibungsfunktion N(A) bestimmt werden. Die Beschreibungsfunktion N(A) kann auch vollständig (oder zumindest im Wesentlichen vollständig) bestimmt werden.
Durch Bilden des negativen Inversen der Beschreibungsfunktion N(A) kann die nichtlineare Ortskurve N_J(A) bestimmt werden. Es gilt also N_J(A) = – 1 / N(A).
Sowohl die Beschreibungsfunktion N(A) als auch die nichtlineare Ortskurve N_J(A) werden im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Amplitudenfunktion“ subsummiert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die beim Schritt d) bestimmten kennzeichnenden Werte Fourierkoeffizienten zur von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenz der Schwingung der Messdifferenz nicht zur Bestimmung der Amplitudenfunktion und/oder der kennzeichnenden Werte herangezogen.
Die Amplitudenfunktion bzw. die kennzeichnenden Werte hängen vorzugsweise nur von der Amplitude, nicht aber von der Frequenz der von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung ab.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte e), f) und/oder h) unter Verwendung eines Expertensystems, unter Verwendung von vergleichenden Methoden der Bildverarbeitung und/oder unter Verwendung von Methoden der Korrelationsanalyse durchgeführt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine absolute oder eine prozentuale Abweichung zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Amplitudenfunktion eine Beschreibungsfunktion N(A), und die gespeicherten charakteristischen Funktionen sind charakteristische Beschreibungsfunktionen N_char(A).
Die Beschreibungsfunktion N(A) ist dabei abhängig von der Amplitude A. Vorzugsweise ist die Beschreibungsfunktion N(A) nicht von der Frequenz abhängig. Es handelt sich vorzugsweise um die Beschreibungsfunktion N(A) für statische nichtlineare Systeme.
Jede statische Nichtlinearität besitzt ihre zugehörige Beschreibungsfunktion. Die Beschreibungsfunktionen sind in Tafelwerken gesammelt. Hierzu kann als Beispiel die Zusammenstellung in „Nichtlineare Regelungen I, Grundlagen und Harmonische Balance" von O. Föllinger, erschienen im R. Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, Seite 266f genannt werden.
Die Beschreibungsfunktion zu einer Getriebelosen lautet beispielsweise:
Dabei ist –1 < α < 1 mit α = 1 – 2a / A, wobei a den Schwellwert der von der Getriebelosen beschriebenen Hysteresekennlinie bezeichnet. Bei j handelt es sich um die imaginäre Zahl mit j² = –1.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Amplitudenfunktion eine nichtlineare Ortskurve N_J(A), und die gespeicherten charakteristischen Funktionen sind charakteristische nichtlineare Ortskurven N_J,char(A).
Wie bereits oben beschrieben ergibt sich die nichtlineare Ortskurve N_J(A) als negativer Kehrwert aus der Beschreibungsfunktion N(A). Es gilt N_J(A) = – 1 / N(A). Ebenso ergeben sich die charakteristischen nichtlinearen Ortskurven N_J,char(A) als negativer Kehrwert aus den charakteristischen Beschreibungsfunktionen N_char(A).
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird ein Messgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Verschleißes in einer Anordnung, in der ein Motor über eine Übertragungseinrichtung eine Last bewegt, vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Messgerät umfasst einen ersten Eingang zur Aufnahme eines ersten Signals eines ersten Inkrementalgebers, einen zweiten Eingang zur Aufnahme eines zweiten Signals eines zweiten Inkrementalgebers, ein Subtraktionsglied zur Bestimmung einer Messdifferenz aus dem ersten und zweiten Signal, einen ersten Speicher zum Speichern des ersten Signals, des zweiten Signals und/oder der Messdifferenz, eine Amplitudenbestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitude einer von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung, eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitudenfunktion in Abhängigkeit der durch die Amplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplituden und/oder zum Bestimmen von kennzeichnenden Werten in Abhängigkeit der durch die Amplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplituden, einen zweiten Speicher zum Speichern der Amplitudenfunktion und/oder der kennzeichnenden Werte, und einen dritten Speicher zum Vorhalten gespeicherter charakteristischer Funktionen und/oder gespeicherter kennzeichnender Werte der charakteristischen Funktionen. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Messgerät eine Auswertungseinheit zum Vergleichen der im zweiten Speicher gespeicherten Amplitudenfunktion mit den im dritten Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen, zum Vergleichen der im zweiten Speicher gespeicherten kennzeichnenden Werte mit den im dritten Speicher gespeicherten kennzeichnenden Werten der charakteristischen Funktionen, zum Auswählen zumindest einer nächstliegenden charakteristischen Funktion aus den im dritten Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen, zum Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts, und/oder zum Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen den kennzeichnenden Werten und den kennzeichnenden Werten der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts.
Der erste und der zweite Eingang können Schnittstellen und/oder A/D-Wandler sein. Das Subtraktionsglied, die Amplitudenbestimmungseinheit, die Bestimmungseinheit und/oder die Auswertungseinheit können durch einen Mikroprozessor und/oder einen Signalprozessor bereitgestellt werden.
Die Bestimmungseinheit kann einen dritten Eingang zur Aufnahme eines dritten Signals aufweisen. Das dritte Signal kann ein Messsignal sein, welches eine am Antriebsstrang anliegende Kraft oder ein am Antriebsstrang anliegendes Drehmoment wiedergibt. Das dritte Signal kann insbesondere ein Signal sein, welches die Stärke eines den Motor antreibenden Stroms angibt.
Das Messgerät kann ein Gehäuse mit einer Anzeige und mit Anschlüssen sowie eine elektrische Schaltung umfassen.
Das Messgerät kann beispielsweise ein portables Gerät sein, welches an die Anordnung aus Motor, Übertragungseinrichtung und Last angeschlossen werden kann. Vorteilhafterweise kann somit mit nur einem Messgerät bei einer Vielzahl von derartigen Anordnungen jeweils ein Verschleißzustand überwacht werden. In der Praxis wird das Messgerät beispielsweise bei einer Wartung oder Reparatur von einem Techniker verwendet, um einen Antriebsstrang zu prüfen oder zu reparieren.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Messgerät eine Ausgabeeinheit zum Ausgeben einer Information über die ausgewählte zumindest eine nächstliegende charakteristische Funktion, zum Ausgeben eines Warnsignals und/oder eines weiteren Warnsignals, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine vordefinierte Schwelle und/oder eine vordefinierte weitere Schwelle unter- oder überschreitet, zum Ausgeben des die Ähnlichkeit bemessenden Werts, zum Ausgeben einer Restlaufzeit in Abhängigkeit des die Ähnlichkeit bemessenden Werts, und/oder zum Ausgeben eines Steuersignals zum Stoppen des Motors.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden der dritte Speicher und die Auswertungseinheit ein Expertensystem.
Beim Expertensystem („XPS“ oder „ES“) handelt es sich um ein elektronisches System, welches mittels eines Computerprogramms und einer Wissensbasis komplexe Probleme lösen kann. Beim erfindungsgemäßen Messgerät bildet der dritte Speicher mit den darin gespeicherten charakteristischen Funktionen die Wissensbasis. Die Auswertungseinheit, welche durch einen Mikroprozessor und/oder einen Signalprozessor bereitgestellt sein kann, bildet das elektronische System. Das Expertensystem kann die im zweiten Speicher gespeicherte Amplitudenfunktion mit den im dritten Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen vergleichen und die nächstliegende charakteristische Funktion bestimmen.
Die Bestimmung der nächstliegenden charakteristischen Funktion kann weiterhin durch Korrelationsanalyse bzw. durch vergleichende Methoden der Bildverarbeitung erfolgen.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Steuervorrichtung zum Versorgen eines Elektromotors mit elektrischer Energie vorgeschlagen, welche einen Mikroprozessor und/oder einen Signalprozessor und einen Programmspeicher aufweist, wobei ein erfindungsgemäßes Verfahren als ablauffähiges Programm in dem Programmspeicher abgespeichert ist, und wobei der Mikroprozessor und/oder Signalprozessor das ablauffähige Programm abarbeitet.
Vorzugsweise bildet die Steuervorrichtung zusammen mit einem dem Motor zugeordneten Umrichter bzw. Wechselrichter eine Einheit. Das heißt, dass die Steuervorrichtung zusammen mit dem Umrichter bzw. Wechselrichter als Komponente des Antriebsstrangs ausgebildet ist. Dazu sind verschiedene Ausgestaltungen möglich: Die Steuervorrichtung kann beispielsweise in den Umrichter bzw. Wechselrichter integriert sein. Insbesondere kann die Steuervorrichtung als Software in die Hardware eines Umrichters bzw. Wechselrichters integriert werden. Weiterhin kann die Steuervorrichtung selbst einen Umrichter bzw. Wechselrichter bereitstellen. In dieser Ausgestaltung kann die Steuervorrichtung einen herkömmlichen Umrichter bzw. Wechselrichter ersetzen. Außerdem kann die Steuervorrichtung als separates Hardwaremodul ausgestaltet sein, welches mit einem bestehenden Umrichter bzw. Wechselrichter verbindbar ist.
Vorzugsweise umfasst die Steuervorrichtung Mittel zur Realisierung eines Umrichters oder Wechselrichters zur Ansteuerung eines Elektromotors sowie einen ersten Eingang zur Aufnahme eines ersten Signals eines ersten Inkrementalgebers und einen zweiten Eingang zur Aufnahme eines zweiten Signals eines zweiten Inkrementalgebers. Der erste und der zweite Eingang können Schnittstellen und/oder A/D-Wandler sein. Der Mikroprozessor und/oder Signalprozessor der Steuervorrichtung kann vorzugsweise ein Subtraktionsglied zur Bestimmung einer Messdifferenz aus dem ersten und zweiten Signal, eine Amplitudenbestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitude einer von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung, eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitudenfunktion in Abhängigkeit der durch die Amplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplituden und/oder zum Bestimmen von kennzeichnenden Werten in Abhängigkeit der durch die Amplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplituden bereitstellen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuervorrichtung einen Arbeitsspeicher.
Der Arbeitsspeicher kann einen ersten Speicher zum Speichern des ersten Signals, des zweiten Signals und/oder der Messdifferenz umfassen. Weiterhin kann der Arbeitsspeicher einen zweiten Speicher zum Speichern der Amplitudenfunktion und/oder der kennzeichnenden Werte umfassen.
Weiterhin kann die Steuervorrichtung einen dritten Speicher zum Vorhalten gespeicherter charakteristischer Funktionen und/oder gespeicherter kennzeichnender Werte der charakteristischen Funktionen umfassen. Gespeicherte charakteristische Funktionen und/oder gespeicherte kennzeichnende Werte der charakteristischen Funktionen können alternativ oder ergänzend dazu auf einem externen Speicher gespeichert sein. Die Steuervorrichtung kann eine Schnittstelle zum Aufbau einer Datenverbindung mit dem externen Speicher aufweisen.
Weiterhin kann der Mikroprozessor und/oder Signalprozessor der Steuervorrichtung eine Auswertungseinheit zum Vergleichen der im zweiten Speicher gespeicherten Amplitudenfunktion mit den im dritten und/oder externen Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen, zum Vergleichen der im zweiten Speicher gespeicherten kennzeichnenden Werte mit den im dritten und/oder externen Speicher gespeicherten kennzeichnenden Werten der charakteristischen Funktionen, zum Auswählen zumindest einer nächstliegenden charakteristischen Funktion aus den im dritten und/oder externen Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen, zum Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts, und/oder zum Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen den kennzeichnenden Werten und den kennzeichnenden Werten der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts bereitstellen.
Der dritte und/oder externe Speicher und die vom Mikroprozessor und/oder Signalprozessor bereitgestellte Auswertungseinheit bilden vorzugsweise ein Expertensystem. Beim Expertensystem („XPS“ oder „ES“) handelt es sich um ein elektronisches System, welches mittels eines Computerprogramms und einer Wissensbasis komplexe Probleme lösen kann. Bei der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bildet der dritte und/oder externe Speicher mit den darin gespeicherten charakteristischen Funktionen die Wissensbasis. Das Expertensystem kann die im zweiten Speicher gespeicherte Amplitudenfunktion mit den im dritten und/oder externen Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen vergleichen und die nächstliegende charakteristische Funktion bestimmen. Die Bestimmung der nächstliegenden charakteristischen Funktion kann weiterhin durch Korrelationsanalyse bzw. durch vergleichende Methoden der Bildverarbeitung erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuervorrichtung mit einer Anzeigevorrichtung verbunden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Steuervorrichtung eine Schnittstelle zum Ausgeben von Werten an eine externe Vorrichtung auf.
Die externe Vorrichtung kann beispielsweise ein Diagnosegerät oder ein Anzeigegerät sein. Weiterhin kann es sich bei der externen Vorrichtung um einen Computer, ein Computersystem bzw. ein Netzwerk handeln.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung können die von der Schnittstelle an die externe Vorrichtung ausgegebenen Werte eine Information über die ausgewählte zumindest eine nächstliegende charakteristische Funktion, ein Warnsignal und/oder ein weiteres Warnsignal, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine vordefinierte Schwelle und/oder eine vordefinierte weitere Schwelle unter- oder überschreitet, einen die Ähnlichkeit bemessenden Wert, eine Restlaufzeit in Abhängigkeit des die Ähnlichkeit bemessenden Wert, und/oder ein Steuersignal zum Stoppen des Motors umfassen.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, welche einen Motor, eine Übertragungseinrichtung, eine Last und eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung umfasst, wobei der Motor über die Übertragungseinrichtung mit der Last verbunden ist, und wobei dem Motor ein erster Inkrementalgeber und der Last ein zweiter Inkrementalgeber zugeordnet ist.
Eine Anwendung der Erfindung kann beispielsweise bei der Überwachung von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge oder Fördereinrichtungen erfolgen. Auch zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Antriebssträngen kann die Erfindung verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Anordnung, in der ein Motor über ein Getriebe eine Last bewegt,
2 ein physikalisches Modell der Anordnung,
3a ein Strukturbild entsprechend einem mathematischen Modell der Anordnung,
3b das Strukturbild aus 3a mit einer zusätzlichen Nichtlinearität,
4 ein Strukturbild zur Bestimmung der Beschreibungsfunktion mittels harmonischer Balance,
5 eine graphische Darstellung der Beschreibungsfunktion einer Getriebelosen, sowie
6 eine graphische Darstellung der Beschreibungsfunktion einer Totzone.
1 zeigt eine schematische Anordnung, in der ein Motor 1 über ein Getriebe 2 eine Last 3 bewegt. Der Motor ist ein Elektromotor und umfasst ein Antriebselement, z. B. eine Motorwelle. Ein erster Inkrementalgeber 4 misst die Stellung des Antriebselements des Motors 1. Der erste Inkrementalgeber 4 kann ein Dreh- oder Linearbewegungssensor sein. Das Antriebselement des Motors 1 übt über das Getriebe 2 eine Kraft auf die Last 3 aus. Das Getriebe 2 kann Zahnriemen und/oder Zahnräder umfassen. Der Last 3 ist ein zweiter Inkrementalgeber 5 zugeordnet, welcher die Stellung der Last 3 misst. Der zweite Inkrementalgeber 5 kann ein Dreh- oder Linearbewegungssensor sein. Im dargestellten Beispiel sind der erste 4 und zweite Inkrementalgeber 5 jeweils Drehbewegungssensoren, welche eine Winkelstellung des Antriebselements des Motors 1 bzw. der Last 3 messen. Der erste 4 und zweite Inkrementalgeber 5 sind weiterhin jeweils über eine Leitung mit einer Steuervorrichtung 6 verbunden. Die Steuervorrichtung 6 umfasst einen Mikroprozessor und/oder Signalprozessor und einen Programmspeicher. Im Programmspeicher ist das erfindungsgemäße Verfahren als ablauffähiges Programm abgespeichert. Der Mikroprozessor und/oder Signalprozessor arbeitet das ablauffähige Programm ab. Die Steuervorrichtung kann beispielsweise in den Umrichter bzw. Wechselrichter des Motors 1 integriert sein.
2 zeigt ein physikalisches Modell der Anordnung für das Beispiel einer Drehbewegung. Das Antriebselement des Motors 1 besitzt das Trägheitsmoment J_M. Darauf wirkt ein Drehmoment M_M (Antriebsmoment) ein. Das Antriebselement des Motors 1 dreht sich dadurch mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_M. Die Last 3 besitzt das Trägheitsmoment J_L. Darauf wirkt ein Drehmoment M_L (Lastmoment) ein. Die Last 3 dreht sich dadurch mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_L.
Das Antriebselement des Motors 1 und die Last 3 sind über das Getriebe 2 miteinander verbunden. Das Getriebe 2 weist eine Federkonstante c und eine Dämpfungskonstante D auf. Das Antriebsmoment M_M wird also nicht direkt auf die Last übertragen. Entsprechend der Federkonstanten c kommt es zu Schwingungen, die entsprechend der Dämpfungskonstante D gedämpft werden.
Das in 2 gezeigte physikalische Modell lässt sich mathematisch durch Bewegungsgleichungen beschreiben.
Das in 3a gezeigte Strukturbild ist eine graphische Darstellung der Bewegungsgleichungen. Das Strukturbild basiert auf einer vom Computerprogramm Simulink generierten Darstellung. Als Eingangsgrößen gehen das Antriebsmoment M_M und das Lastmoment M_L ein. Ausgangsgrößen sind die Motordrehzahl und die Lastdrehzahl. Die mit Integrator, Integrator 1 und Integrator 2 bezeichneten Strukturelemente bewirken jeweils eine Integration der in sie jeweils eingehenden Größe. Entsprechend ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ω_M des Motors 1 durch ein Integral über 1/J_M mal die Summe aus dem Antriebsmoment M_M, Dω_L und den negativen Summanden Dω_M sowie cΔφ. Dabei wird die Winkeldifferenz Δφ = φ_M – φ_L als Integral aus der Winkelgeschwindigkeitendifferenz Δω = ω_M – ω_L gebildet. Analog lässt sich für die Winkelgeschwindigkeit ω_L der Last 3 eine zweite Bewegungsgleichung aus dem Strukturbild ablesen.
Ein an der Anordnung auftretender Verschleiß äußert sich durch weitere Elemente im Strukturbild. 3b zeigt als Beispiel eine Nichtlinearität 7, die den Zweig der Winkeldifferenz Δφ beeinflusst. Bei der Nichtlinearität 7 kann es sich beispielsweise um eine Getriebelose handeln.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Winkelgeschwindigkeit ω_M des Motors 1 mit Hilfe des ersten Inkrementalgebers 4 und die Winkelgeschwindigkeit ω_L der Last 3 mit Hilfe des zweiten Inkrementalgebers 5 gemessen.
4 zeigt ein Strukturbild zur Bestimmung der Beschreibungsfunktion N(A) mittels harmonischer Balance als Simulink-Darstellung. Die eine sinusförmige Schwingung vollziehende Winkeldifferenz Δφ(t) wird dazu als Eingangssignal (oder Eingangsgröße) e(t) eingespeist.
Einerseits werden (rechter Zweig) während des Einschwingvorgangs die Nulldurchgänge des Eingangssignals e(t) abgezählt. Es wird solange abgewartet, bis die von der Winkeldifferenz Δφ(t) beschriebene Schwingung erfahrungsgemäß in eine Grenzschwingung mit gleichbleibender Amplitude übergeht. Die Wartezeit beträgt beispielsweise 17 Schwingungsperioden. Nach Ablauf der Wartezeit werden jeweils ein Sinussignal und ein Kosinussignal für genau eine Periodendauer dem sinusförmigen Eingangssignal e(t) aufgeschaltet. Das Sinussignal und das Kosinussignal besitzen jeweils die gleiche Frequenz wie die vom Eingangssignal e(t), d. h. von der Winkeldifferenz Δφ(t), beschriebene sinusförmige Schwingung.
Das Eingangssignal e(t) wird in einem zweiten Zweig durch die Wirkung des Getriebes 2 zu einem Ausgangssignal (oder Ausgangsgröße) y(t). Das Ausgangssignal y(t) ist das drehzahlbildende Moment der Anordnung. Bei einem sich einstellenden Gleichgewicht des Antriebsmoments M_M und des Lastmoments M_L ist das Ausgangssignal y(t) betragsmäßig gleich diesen beiden Drehmomenten.
Das Ausgangssignal y(t) wird aufgrund der Proportionalität des den Motor antreibenden Stroms mit diesen Drehmomenten aus diesem Strom berechnet. Der den Motor antreibende Strom ist bei einer geregelten Antriebsanordnung ohnehin bekannt.
Das Ausgangssignal y(t) kann auch durch eine Messung des Drehmoments am Antriebsstrang vor und/oder nach dem Getriebe 2 bestimmt werden.
Die Amplitude der Grundschwingung von y(t) wird mittels orthogonaler Projektion bestimmt. Die orthogonale Projektion entspricht einer Fouriertransformation für nur eine Frequenz, kommt also einer eindimensionalen FFT („schnelle Fourier-Transformation“) gleich.
Aus dem Strukturbild lassen sich dabei die Integrale
zur Bestimmung der Fourierkoeffizienten a₁ und b₁ ablesen. Dabei entspricht der Nullphasenwinkel α der oben genannten Wartezeit und beträgt 2π mal die Anzahl der abgewarteten Schwingungsperioden. T₀ bezeichnet eine Periodendauer.
Durch die Bildung von
kann die Amplitude der Grundschwingung von y(t) berechnet werden. Wegen Y₁ = N(A₁)·A₁ ergibt sich daraus der Wert der Beschreibungsfunktion an der Stelle A₁. Vorzugsweise wird der Wert von A beginnend mit A = A₁ schrittweise erhöht, um die Beschreibungsfunktion N(A) zu bestimmen.
Die Beschreibungsfunktion zu einer Getriebelosen lautet beispielsweise:
Dabei ist –1 < α < 1 mit α = 1 – 2a / A, wobei a den Schwellwert der von der Getriebelosen beschriebenen Hysteresekennlinie bezeichnet. Bei j handelt es sich um die imaginäre Zahl mit j² = –1.
5 zeigt eine graphische Darstellung der Beschreibungsfunktion N(A) zu einer Getriebelosen.
Die Beschreibungsfunktion zu einer Totzone lautet beispielsweise:
Dabei bezeichnen ε die (halbe) Breite der Totzone und m die Steigung der Kennlinie der Totzone. Es gilt A ≥ ε.
6 zeigt eine graphische Darstellung der Beschreibungsfunktion N(A) zu einer Totzone.
α, a, m und ε sind Beispiele für Parameter von Nichtlinearitäten. Durch eine Bestimmung dieser Parameter bzw. die Bestimmung einer Abweichung in diesen Parametern zwischen einer gemessenen Beschreibungsfunktion und einer charakteristischen Beschreibungsfunktion (d.h. einer gespeicherten Beschreibungsfunktion) können Rückschlüsse auf die Stärke einer Nichtlinearität bzw. eines mit dieser in Zusammenhang stehenden Verschleißes der Anordnung gezogen werden.
Die Beschreibungsfunktionen zu verschiedenen Nichtlinearitäten sind in Tafelwerken gesammelt. Hierzu kann als Beispiel die Zusammenstellung in „Nichtlineare Regelungen I, Grundlagen und Harmonische Balance" von O. Föllinger, erschienen im R. Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, Seite 266f genannt werden.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2: Getriebe
3: Last
4: erster Inkrementalgeber
5: zweiter Inkrementalgeber
6: Steuervorrichtung
7: Nichtlinearität

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006022595 B3 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Nichtlineare Regelungen I, Grundlagen und Harmonische Balance“ von O. Föllinger, erschienen im R. Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, Seite 266f [0014]
„Nichtlineare Regelungen I, Grundlagen und Harmonische Balance“ von O. Föllinger, erschienen im R. Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, Seite 266f [0059]
„Nichtlineare Regelungen I, Grundlagen und Harmonische Balance“ von O. Föllinger, erschienen im R. Oldenbourg Verlag, 2. Auflage, Seite 266f [0117]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Verschleißes in einer Anordnung, in der ein Motor über eine Übertragungseinrichtung eine Last bewegt, vorzugsweise mittels Zustandsüberwachung, wobei dem Motor ein erster Inkrementalgeber und der Last ein zweiter Inkrementalgeber zugeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Betreiben der Übertragungseinrichtung mit einem ersten Lastfall und mit zumindest einem zweiten Lastfall, b) Bestimmen einer Messdifferenz aus einem ersten Signal des ersten Inkrementalgebers und einem zweiten Signal des zweiten Inkrementalgebers, c) Bestimmen einer einem Lastfall zugeordneten Amplitude einer von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung, d) Bestimmen einer Amplitudenfunktion in Abhängigkeit der bestimmten Amplituden und/oder Bestimmen von kennzeichnenden Werten in Abhängigkeit der bestimmten Amplituden, e) Vergleichen der Amplitudenfunktion mit gespeicherten charakteristischen Funktionen, und/oder Vergleichen der kennzeichnenden Werte mit kennzeichnenden Werten der charakteristischen Funktionen, und f) Auswahl zumindest einer nächstliegenden charakteristischen Funktion aus den gespeicherten charakteristischen Funktionen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: g) Ausgeben einer Information über die beim Schritt f) ausgewählte zumindest eine nächstliegende charakteristische Funktion.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: h) Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts und/oder Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen den kennzeichnenden Werten und den kennzeichnenden Werten der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts.
Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: i) Ausgeben eines Warnsignals, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine vordefinierte Schwelle unter- oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: j) Ausgeben eines weiteren Warnsignals, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine weitere vordefinierte Schwelle unter- oder überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: k) Ausgeben des beim Schritt h) bestimmten die Ähnlichkeit bemessenden Werts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: l) Ausgeben einer Restlaufzeit in Abhängigkeit des beim Schritt h) bestimmten die Ähnlichkeit bemessenden Werts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, weiterhin umfassend den folgenden Schritt: m) Stoppen des Motors, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert die weitere vordefinierte Schwelle unter- oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplitudenfunktion beim Schritt d) mittels orthogonaler Projektion bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beim Schritt d) bestimmten kennzeichnenden Werte Fourierkoeffizienten zur von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenz der Schwingung der Messdifferenz nicht zur Bestimmung der Amplitudenfunktion und/oder der kennzeichnenden Werte herangezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schritte e), f) und/oder h) unter Verwendung eines Expertensystems, unter Verwendung von vergleichenden Methoden der Bildverarbeitung und/oder unter Verwendung von Methoden der Korrelationsanalyse durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine absolute oder eine prozentuale Abweichung zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplitudenfunktion eine Beschreibungsfunktion N(A) ist, und wobei die gespeicherten charakteristischen Funktionen charakteristische Beschreibungsfunktionen N_char(A) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Amplitudenfunktion eine nichtlineare Ortskurve N_J(A) ist, und wobei die gespeicherten charakteristischen Funktionen charakteristische nichtlineare Ortskurven N_J,char(A) sind.
Messgerät zur Durchführung eines Verfahrens zur Bestimmung eines Verschleißes in einer Anordnung, in der ein Motor über eine Übertragungseinrichtung eine Last bewegt, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Eingang zur Aufnahme eines ersten Signals eines ersten Inkrementalgebers, einen zweiten Eingang zur Aufnahme eines zweiten Signals eines zweiten Inkrementalgebers, ein Subtraktionsglied zur Bestimmung einer Messdifferenz aus dem ersten und zweiten Signal, einen ersten Speicher zum Speichern des ersten Signals, des zweiten Signals und/oder der Messdifferenz, eine Amplitudenbestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitude einer von der Messdifferenz beschriebenen Schwingung, eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen einer Amplitudenfunktion in Abhängigkeit der durch die Amplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplituden und/oder zum Bestimmen von kennzeichnenden Werten in Abhängigkeit der durch die Amplitudenbestimmungseinheit bestimmten Amplituden, einen zweiten Speicher zum Speichern der Amplitudenfunktion und/oder der kennzeichnenden Werte, einen dritten Speicher zum Vorhalten gespeicherter charakteristischer Funktionen und/oder gespeicherter kennzeichnender Werte der charakteristischen Funktionen, und eine Auswertungseinheit zum Vergleichen der im zweiten Speicher gespeicherten Amplitudenfunktion mit den im dritten Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen, zum Vergleichen der im zweiten Speicher gespeicherten kennzeichnenden Werte mit den im dritten Speicher gespeicherten kennzeichnenden Werten der charakteristischen Funktionen, zum Auswählen zumindest einer nächstliegenden charakteristischen Funktion aus den im dritten Speicher gespeicherten charakteristischen Funktionen, zum Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen der Amplitudenfunktion und der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts, und/oder zum Bestimmen eines die Ähnlichkeit zwischen den kennzeichnenden Werten und den kennzeichnenden Werten der zumindest einen nächstliegenden charakteristischen Funktion bemessenden Werts.
Messgerät nach Anspruch 16, weiterhin umfassend eine Ausgabeeinheit zum Ausgeben einer Information über die ausgewählte zumindest eine nächstliegende charakteristische Funktion, zum Ausgeben eines Warnsignals und/oder eines weiteren Warnsignals, falls der die Ähnlichkeit bemessende Wert eine vordefinierte Schwelle und/oder eine vordefinierte weitere Schwelle unter- oder überschreitet, zum Ausgeben des die Ähnlichkeit bemessenden Werts, zum Ausgeben einer Restlaufzeit in Abhängigkeit des die Ähnlichkeit bemessenden Werts, und/oder zum Ausgeben eines Steuersignals zum Stoppen des Motors.
Messgerät nach Anspruch 16 oder 17, wobei der dritte Speicher und die Auswertungseinheit ein Expertensystem bilden.
Steuervorrichtung zum Versorgen eines Elektromotors mit elektrischer Energie, mit einem Mikroprozessor und/oder einem Signalprozessor und einem Programmspeicher, wobei ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 als ablauffähiges Programm in dem Programmspeicher abgespeichert ist, und wobei der Mikroprozessor und/oder Signalprozessor das ablauffähige Programm abarbeitet.
Steuervorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Steuervorrichtung einen Arbeitsspeicher umfasst.
Steuervorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Steuervorrichtung mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 19 bis 21, wobei die Steuervorrichtung eine Schnittstelle zum Ausgeben von Werten an eine externe Vorrichtung aufweist.
Antriebsvorrichtung umfassend einen Motor, eine Übertragungseinrichtung, eine Last und eine Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der Motor über die Übertragungseinrichtung mit der Last verbunden ist, und wobei dem Motor ein erster Inkrementalgeber und der Last ein zweiter Inkrementalgeber zugeordnet ist.