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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Verschleißes eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils in einer Produktionsanlage sowie eine Kontrollwaage mit einer Verschleißerkennung eines bewegenden Bauteils gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
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Eine Produktionsanlage enthält viele sich bewegende Bauteile, beispielsweise Transportbänder, Fördergurte, Zahnriemen, Zahnritzel, Motoren, Lager und/oder Getriebe. Fällt eines dieser Bauteile unerwartet aus, hat das meist den Stillstand der Produktionsanlage zur Folge.
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Aus dem Stand der Technik sind Verschleißerkennungseinrichtungen bekannt, welche einen möglichen Ausfall eines Bauteils ermitteln können. Die Verschleißerkennungseinrichtungen bestehen im Allgemeinen aus speziellen Schwingungssensoren, welche eine Auswerteeinheit aufweisen. Diese Sensoren sind teuer und müssen extra beschafft und an dem jeweiligen Bauteil angebracht, verkabelt und eingerichtet werden. Dies erfordert zusätzlich einen hohen Kostenaufwand für die Installation dieser Sensoren. Außerdem erfordert es zusätzlichen Aufwand, die Auswertung dieser Sensoren in eine Produktionsanlagensteuerung zu integrieren. Weiterhin sind diese Sensoren meist an nur schwer zugänglichen Stellen angebracht, so dass bei einem Defekt eines Sensors dieser nur mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand ausgetauscht werden kann.
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Eine entsprechende Verschleißerkennungseinrichtung ist in der
WO 03/098366 A2 offenbart.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verschleißerkennung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsanlagen integriert werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verschleiß eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils in einer Produktionsanlage detektiert wird, wobei die Produktionsanlage mindestens ein Transportband und mindestens eine Gewichtserfassungseinrichtung aufweist, wobei die Gewichtserfassungseinrichtung aus einer Auswerteeinheit und einer Wägezelle besteht, wobei die Wägezelle ein Gewicht eines Produktes ermittelt und eine Frequenz und/oder ein Frequenzspektrum der sich bewegenden und/oder rotierenden Bauteile erfasst und die erfasste Frequenz und/oder das erfasste Frequenzspektrum an die Auswerteeinheit weiterleitet, wobei die Auswerteeinheit die erfasste Frequenz und/oder das erfasste Frequenzspektrums mit einem Referenzfrequenzspektrum vergleicht und aufgrund einer Abweichung der erfassten Frequenz und/oder des erfassten Frequenzspektrums von dem Referenzfrequenzspektrums auf einen Verschleiß mindestens eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils schließt.
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Unter dem Begriff Frequenz bzw. Frequenzspektrum ist sowohl die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit als auch deren Amplitude gemeint. So kann beispielsweise bei einer Abweichung der erfassten Frequenz bzw. des erfassten Frequenzspektrums von einem Referenzfrequenzspektrum sowohl eine Abweichung in der Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit als auch eine Änderung der Amplituden der Schwingungen vorliegen.
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Aufgrund der Verwendung der Wägezelle sowohl für die Gewichtserfassung als auch für die Detektion einer Frequenz bzw. eines Frequenzspektrums von mindestens einem bewegenden und/oder rotierenden Bauteil sind keine weiteren Sensoren für die Verschleißerkennung notwendig. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass schon vor einem Defekt eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils der Produktionsanlage gewarnt werden kann, bevor es zu einem Ausfall des Bauteils kommt. So kann dieses Bauteil frühzeitig ausgetauscht werden oder zumindest das nötige Ersatzteil bereits beschafft werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass Schäden an den mechanisch bewegenden und/oder rotierenden Bauteilen nicht plötzlich auftreten, sondern sich nach und nach entwickeln, wie beispielsweise bei einem Zahnriemen, der sich im Laufe der Zeit abnutzt, oder einem Lagerschaden, welcher sich durch einen unrunden Lauf ankündigt. Weiterhin kann auch ein plötzlich auftretender Defekt detektiert werden.
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Die Wägezelle in einer Gewichtserfassungseinrichtung, wie beispielsweise einer stationären Waage oder einer dynamischen Waage, insbesondere einer Kontrollwaage, stellt einen hochempfindlichen Sensor für mechanische Schwingungen dar. Mittels Fouriertransformation können die von der Wägezelle aufgenommenen Schwingungen als Schwingungsspektrum bzw. Frequenzspektrum dargestellt werden. In diesem Frequenzspektrum sind sich bewegende Bauteile wie beispielsweise ein Motor, ein Getriebe und/oder ein Zahnriemen als Amplituden in dem Frequenzspektrum erkennbar und über die Frequenz, die sich aus den Drehzahlen der jeweiligen Bauteile ergibt, diesen zuordenbar.
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Besonders bevorzugt ist die Wägezelle über einen Rahmen mit einem Boden und/oder einem Transportband verbunden. Die Schwingungen der Bauteile übertragen sich über den Boden und/oder das Transportband auf den Rahmen und somit auf die Wägezelle, welche die Frequenz der Bauteile anschließend detektiert.
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Im Stand der Technik wird immer versucht diese Schwingungen auszublenden um eine höhere Auflösung der Waage zu erreichen.
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Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dieser negative Einfluss auf das Gewichtssignal genutzt um eine Verschleißerkennung der bewegenden und/oder rotierenden Bauteile der Produktionsanlage zu erreichen ohne zusätzliche Sensoren dafür zu benötigen.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Gewichtserfassungseinrichtung einen Gewichtserfassungsmodus und einen Verschleißerkennungsmodus auf. Zwischen diesen beiden Modi kann die Gewichtserfassungseinrichtung selbsttätig oder durch eine Eingabe eines Bedieners wechseln. In dem Gewichtserfassungsmodus wird das Gewicht eines Produktes bestimmt und in dem Verschleißerkennungsmodus eine Frequenz bzw. ein Frequenzspektrum von mindestens einem bewegenden und/oder rotierenden Bauteil einer Produktionsanlage detektiert.
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In einer weiteren Ausgestaltung wechselt die Gewichtserfassungseinrichtung periodisch zwischen dem Gewichtserfassungsmodus und dem Verschleißerkennungsmodus. Hierbei kann ein festes Intervall vorgegeben sein oder die Gewichtserfassungseinrichtung erkennt selbstständig wann ein Produkt die Gewichtserfassungseinrichtung überquert. Dies kann beispielsweise durch eine Lichtschranke vor der Gewichtserfassungseinrichtung erreicht werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Umschaltung auf den Verschleißerkennungsmodus zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verwiegungen. Des Weiteren kann der Verschleißerkennungsmodus vor der Inbetriebnahme der Produktionsanlage, während den Zeiten in denen die Produktionsanlage keine Produkte fördert sowie vor dem Herunterfahren der Produktionsanlage durchgeführt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden die Rohsignale der Wägezelle an verschiedene Auswerteeinheiten weitergeleitet, wobei in einer Auswerteeinheit die Gewichtsauswertung und in einer anderen Auswerteeinheit parallel dazu die Verschleißerkennung stattfindet. Somit können der Gewichtserfassungsmodus und der Verschleißerkennungsmodus parallel arbeiten.
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In einer weiteren Ausgestaltung weisen die sich bewegenden und/oder rotierenden Bauteile unterschiedliche Frequenzen sowie Amplituden auf und die Auswerteeinheit bzw. die Gewichtserfassungseinrichtung erkennt die Bauteile anhand ihrer Frequenz und/oder Amplitude. Hierdurch kann eine bauteilspezifische Erkennung des Verschleißes erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung nimmt die Gewichtserfassungseinrichtung im initialen Zustand mindestens ein Referenzfrequenzspektrum auf und speichert dieses Referenzfrequenzspektrum in einem Speicher der Auswerteeinheit ab. Unter initialen Zustand ist hierbei sowohl die erste Inbetriebnahme der Produktionsanlage zu verstehen als auch der Zeitpunkt nach einem Austausch mindestens eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils. Wird ein Referenzfrequenzspektrum nach dem Austausch eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils aufgenommen so wird dieses Referenzfrequenzspektrum in der Auswerteeinheit mit dem zuvor aufgenommen Referenzfrequenzspektrum verglichen und nur die neue Frequenz des ausgetauschten Bauteils gegen die vorherige Frequenz des ausgetauschten Bauteils ersetzt. So wird verhindert, dass das neue Referenzfrequenzspektrum auch die aktuelle Frequenzen der restlichen Bauteile übernimmt und so einen eventuellen Defekt eines weiteren Bauteiles zu spät detektiert.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft wenn die Gewichtserfassungseinrichtung im initialen Zustand für jede Fördergeschwindigkeit der Produktionsanlage mindestens ein Referenzfrequenzspektrum aufnimmt und in der Auswerteeinheit speichert. Dazu kann die Auswerteeinheit mit der Steuerung der Produktionsanlage verbunden sein und/oder ein Teil der Steuerung der Produktionsanlage sein. So kann die Auswerteeinheit ein Geschwindigkeitssignal von der Steuerung erhalten und in Abhängigkeit des Geschwindigkeitssignals das entsprechende Referenzfrequenzspektrum auswählen um dieses mit dem aktuell gemessenen Frequenzspektrums zu vergleichen. So kann es nicht zu einer Fehldetektion aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten der Produktionsanlage kommen. Weiterhin können zur Aufnahme von Referenzfrequenzspektren gezielt verschiedene Geschwindigkeiten angefahren werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird in dem Gewichtserfassungsmodus das im Verschleißerkennungsmodus aktuell gemessene Frequenzspektrum als Gewichtskorrektursignal verwendet und ein Gewichtssignal mit dem Gewichtskorrektursignal korrigiert. Dadurch können die aktuellen Störsignale von den sich bewegenden und/oder rotierenden Bauteile aus dem Gewichtssignal herausgerechnet werden und dadurch eine hohe Messgenauigkeit der Wägezelle bzw. der Gewichtserfassungseinrichtung erreicht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung erfolgt eine Warnung, sobald das aktuell gemessene Frequenzspektrum von dem Referenzfrequenzspektrum abweicht, insbesondere um mehr als 10 %, bevorzugt um mehr als 5%, besonders bevorzugt um mehr als 2%. Dadurch wird eine frühzeitige Erkennung eines Verschleißes eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils erreicht. Zusätzlich kann eine Anzeigevorrichtung einem Bediener durch eine mehrstufige Signalisierung anzeigen, dass ein Verschleiß eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils fortschreitet. So kann beispielsweise mittels einer Ampel der unterschiedliche Verschleiß visualisiert werden, indem ein grünes Licht leuchtet, wenn kein oder ein geringer Verschleiß an den bewegenden und/oder rotierenden Bauteilen der Produktionsanlage vorhanden ist, ein gelbes Licht leuchten, wenn ein Verschleiß mindestens eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils vorliegt und dieses Bauteil zu überprüfen ist und ein rotes Licht leuchten, wenn ein bewegendes und/oder rotierendes Bauteil einen hohen Verschleiß aufweist oder defekt ist und ausgetauscht werden muss. Zusätzlich kann auf einer Anzeigevorrichtung, wie beispielsweise einem Display, dem Bediener angezeigt werden, welches Bauteil ausgewechselt werden muss.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Produktionsanlage eine Kontrollwaage mit einer Verschleißerkennung eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils auf, wobei die Kontrollwaage eine Wägezelle und ein umlaufendes Transportband zum Transportieren von Produkten aufweist und das Transportband über mindestens zwei Umlenkrollen an der Transporteinrichtung gelagert ist sowie eine Antriebseinheit aufweist, wobei die Wägezelle mit der Transporteinrichtung über einen Krafteinleitungsbereich verbunden ist und die Wägezelle ein Gewicht eines Produktes ermittelt und die Frequenz und/oder Amplitude eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils erfasst. Insbesondere überwacht die Kontrollwaage nur die sich bewegenden und/oder rotierenden Bauteile der Kontrollwaage, wie beispielsweise den Motor sowie die Lager des Motors und der Umlenkrollen. Alternativ kann die Kontrollwage alle bewegenden und/oder rotierenden Bauteile einer mit der Kontrollwaage verbundenen Produktionsanlage, auf einen Verschleiß überwachen. Dabei ist die Kontrollwaage mindestens über ein Transportband mit der Produktionsanlage verbunden.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren dargestellt.
- 1: ein Ablaufdiagramm des Verfahrens
- 2: ein Referenzfrequenzspektrum und ein aktuell gemessenes Frequenzspektrum
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1 zeigt ein Verfahren, welches einen Verschleiß eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils in einer Produktionsanlage detektiert. Die Produktionsanlage besteht mindestens aus einem Transportband und mindestens einer Gewichtserfassungseinrichtung, wobei die Gewichtserfassungseinrichtung aus einer Auswerteeinheit und einer Wägezelle besteht und die Wägezelle ein Gewicht eines Produktes ermittelt sowie eine Frequenz und/oder ein Frequenzspektrum der sich bewegenden und/oder rotierenden Bauteile erfasst und die erfasste Frequenz und/oder das erfasste Frequenzspektrum an die Auswerteeinheit weiterleitet, wobei die Auswerteeinheit aufgrund einer Änderung der Frequenz und/oder des Frequenzspektrums auf einen Verschleiß mindestens eines bewegenden und/oder rotierenden Bauteils hinweist.
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Im Schritt 101 wird die Gewichtserfassungseinrichtung bzw. die Auswerteeinheit in einen Verschleißerkennungsmodus versetzt und es erfolgt die Aufnahme eines Referenzfrequenzspektrums. Dieses wird bei der ersten Inbetriebnahme der Produktionsanlage aufgenommen und in einem Speicher in der Auswerteeinheit gespeichert. Das Referenzfrequenzspektrum ist eine Frequenz und/oder ein Frequenzspektrum von mindestens einem, insbesondere von allen sich bewegenden und/oder rotierenden Bauteilen, wobei sich die Bauteile in einem neuwertigen Zustand befinden.
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Im Schritt 201 analysiert die Auswerteeinheit das Referenzfrequenzspektrum und ordnet die einzelnen Frequenzen einem Bauteil zu. Dazu kann die Auswerteeinheit beispielsweise auf eine Datenbank zugreifen, in der die jeweiligen Frequenzen für die Bauteile hinterlegt sind. Anhand dieser hinterlegten Frequenzen kann die Auswerteeinheit selbstständig die jeweilige Frequenz einem Bauteil zuordnen. Alternativ können anhand von hinterlegten Kenndaten der einzelnen Bauteile wie beispielsweise Wägetischlänge, Rollendurchmesser, Anzahl der Zähne der verwendeten Zahnritzel sowie Untersetzung des Motorgetriebes die Drehfrequenzen der Bauteile von der Auswerteeinheit berechnet und damit die jeweiligen Frequenzen selbstständig einem Bauteil zugeordnet werden.
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Bevorzugt ist die Auswerteeinheit mit der Steuerung der Produktionsanlage verbunden und erhält so Informationen über den aktuellen Betriebszustand der Produktionsanlage. So werden bei der ersten Inbetriebnahme der Produktionsanlage beispielsweise ein Motor der Produktionsanlage mit unterschiedlichen Drehzahlen sowie ein Transportband mit unterschiedlichen Fördergeschwindigkeiten getestet. Aufgrund der Informationen von der Steuerung der Produktionsanlage kann die Auswerteeinheit anhand der Änderung eines Betriebsparameters, insbesondere der Änderung der Fördergeschwindigkeit oder der Änderung der Drehzahl das entsprechende Bauteil identifizieren. Dies erfolgt indem die Auswerteeinheit das Referenzfrequenzspektrum mit dem aktuell gemessenen Frequenzspektrum vergleicht.
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Weiterhin ist es möglich, dass im Schritt 301 die Auswerteeinheit in einen Prüfmodus versetzt wird, welcher die Auswerteeinheit dazu veranlasst ein Signal an die Steuerung der Produktionsanlage zu senden, dass ein bestimmtes oder alle bewegende und/oder rotierende Bauteile der Produktionsanlage nacheinander aktiviert werden und/oder deren Drehzahlen oder Geschwindigkeiten nacheinander verändert werden.
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Im Schritt 401 wird die Gewichtserfassungseinrichtung bzw. die Auswerteeinheit in einen Gewichtserfassungsmodus versetzt. Hierbei wird ein Gewicht eines Produktes ermittelt. Dabei wird das Referenzfrequenzspektrum dazu verwendet, dass die Frequenzen von den Bauteilen der Produktionsanlage aus dem Gewichtssignal herausgerechnet werden. Dadurch wird eine hohe Auflösung der Gewichtserfassungseinrichtung ermöglicht.
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Im Schritt 501 wird die Auswerteeinheit in einen Verschleißerkennungsmodus versetzt. Dieser ermittelt das aktuelle Frequenzspektrum der bewegenden und/oder rotierenden Bauteile der Produktionsanlage. Bevorzugt erfolgt die Erfassung dieses Frequenzspektrums nach einer Gewichtserfassung eines Produktes und/oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Gewichtserfassungen mehrerer auf einem Transportband hintereinander geförderten Produkten. Alternativ kann die Erfassung in fest eingestellten Intervallen erfolgen. Anschließend vergleicht die Auswerteeinheit das aktuell gemessene Frequenzspektrum mit dem Referenzfrequenzspektrum. Sind die Abweichung des Frequenzspektrums innerhalb einer vorgegeben Toleranz, wechselt die Auswerteeinheit wieder in den Gewichtserfassungsmodus und das aktuell gemessene Frequenzspektrum wird zum Korrigieren des Gewichtssignals verwendet.
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Ist das aktuell gemessene Frequenzspektrum außerhalb einer vorgegebenen Toleranz, wird im Schritt 601 eine Fehlermeldung ausgegeben, dass ein bestimmtes Bauteil der Produktionsanlage außerhalb einer vorgegeben Toleranz liegt und weitere Maßnahmen, wie beispielsweise ein Austausch eines Bauteils, notwendig sind. Nach dem Austausch eines Bauteils wird erneut ein Referenzfrequenzspektrum aufgenommen, wobei hierbei nicht das gesamte Referenzfrequenzspektrum mit dem neuen Referenzfrequenzspektrum überschrieben wird, sondern lediglich die Frequenz und/oder das Frequenzspektrum des ausgetauschten Bauteils in dem Referenzfrequenzspektrum geändert wird.
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2 zeigt ein Referenzfrequenzspektrum 1 und ein aktuell gemessenes Frequenzspektrum 2. Das Referenzfrequenzspektrum 1 zeigt hierbei die Frequenz und die Amplitude einer Motordrehfrequenz 3 eines Motors und einer Rollendrehfrequenz 4 eines Transportbands, wobei sich diese Bauteile in einem neuwertigen Zustand befinden. Im Gegensatz dazu zeigt das aktuell gemessene Frequenzspektrum 2 die Frequenz und die Amplitude der Motordrehfrequenz 3 und der Rollendrehfrequenz 4, wobei hier sowohl ein Defekt an dem Motor als auch an dem Transportband vorliegt. Somit würde die Auswerteeinheit nach dem Vergleich des Referenzfrequenzspektrums 1 und des aktuell gemessenen Frequenzspektrums 2 eine Fehlermeldung ausgeben.
