DE19817281A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege-Prüfmaschine sowie Umlaufbiege-Prüfmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege-Prüfmaschine, wobei ein Prüfteil einem oder mehreren um eine Umlaufachse umlaufenden Biegemoment(en) ausgesetzt wird, sowie eine Umlaufbiege- Prüfmaschine, in der ein Prüfteil einem oder mehreren um eine Umlaufachse umlaufenden Biegemoment(en) ausgesetzt wird.

Es ist bekannt, daß für die Lebensdauer von Bauteilen die im Betrieb auftretenden dynamischen Belastungen eine wesentliche Einflußgröße darstellen. Häufig tritt bei rotationssymmetrischen Teilen (Räder, Felgen, Zahnräder, Schwungscheiben, Keilriemenscheiben, Bremstrommeln) eine Schädigung durch ein zeitlich umlaufendes Biegemoment auf. In diesen Fällen werden zur Bestimmung der Lebensdauer sicherheitskritischer Komponenten Umlaufbiege-Prüfmaschinen in der Automobilindustrie, bei Räderherstellern, in der Flugzeugindustrie, bei Zertifizierungsstellen usw. eingesetzt. Dabei besteht Bedarf an Prüfungen von Neuentwicklungen bis zur Qualitätskontrolle in der laufenden Fertigung.

Zur Durchführung von Prüfversuchen unter um laufender Biegung werden in der Industrie heute überwiegend hydraulische Prüfmaschinen und Unwuchterreger als Umlaufbiege- Prüfmaschinen eingesetzt. Bei hydraulischen Anlagen lassen sich nahezu beliebige Biegemomente generieren, jedoch ist dies mit einem sehr hohen gerätetechnischen Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden. Oftmals kann eine Aussage über die Festigkeit des Bauteils anhand eines Prüfbetriebs mit sinusförmigen Belastungen (Wöhlerversuch) erfolgen. In diesem Fall werden für den Prüfbetrieb in der Regel Unwuchterreger eingesetzt, die mit einem drehzahlgeregelten, elektrischen Antrieb zur Schwingungserregung ausgestattet sind. Kennzeichnend für die eingesetzten Verfahren ist, daß die sinusförmige Prüfbelastung am Prüfteil durch einen Betrieb in erzwungener Schwingung erreicht wird.

In der Patentschrift DE 22 44 630 C3 wird eine Umlaufbiege-Prüfvorrichtung beschrieben, die Schwingungen in der Resonanzfrequenz ausführt. Hierbei wird eine Achse über eine Phasenrückkopplung in Eigenschwingung betrieben, während die Anregung der dazu senkrechten Achse aus der Eigenschwingung über einen 90°-Phasenschieber abgeleitet wird.

Der Verbreitung dieser Methode steht ein geringer Automatisierungsgrad im Weg. Für den Betrieb der Anlage sind Experten mit regelungstechnischem Spezialwissen erforderlich, die die Anlage auf jedes Prüfteil abstimmen müssen. Die im Verlauf der Prüfung auftretenden Schädigungen des Prüfteils verändern Resonanzfrequenz sowie Dämpfung und können ein Nachführen von Reglerparametern erfordern. Sofern keine Anpassung der Regelung an die Veränderungen des Prüflings erfolgt, wird der Verlauf der Prüfung durch mögliche Instabilität der geschlossenen Regelkreise gefährdet. Auch ist der kontinuierliche Betrieb in Resonanz nicht gewährleistet, was dazu führen kann, daß die geforderten Biegemomente nicht mehr erzeugt werden können. Die Schwingfrequenz entspricht nicht mehr der Resonanzfrequenz und kann zur Beurteilung des Schädigungsverlaufs nur bedingt herangezogen werden.

Bisher ist es nicht gelungen, den vorteilhaften Betrieb eines Prüfstands bei seiner Resonanzfrequenz zumindest weitgehend zu automatisieren. Der zumindest weitgehend automatisierte Betrieb mit einer selbstoptimierenden Regelung würde eine Durchführung von Prüfungen ohne regelungstechnisch geschultes Personal ermöglichen. Eine laufende Prüfung würde zumindest im wesentlichen keine Bedienereingriffe mehr erfordern.

Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege-Prüfmaschine vorzuschlagen, die eine zumindest weitgehende Automatisierung des Betriebs erlauben.

Bei den Verfahren, die auf einer Anregung mit einem rechnergesteuerten Funktionsgenerator basieren und nach dem Prinzip der erzwungenen Schwingung arbeiten, können selbst bei Prüfung in einer Schwingungsebene (Wechselbiegung) große Schwierigkeiten auftreten. Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Frequenzabhängigkeit der Amplitude eines nichtlinearen Schwingers mit kubisch degressiver Systemkennlinie und konstanter Dämpfung bei Anregung mit einem Sinussignal konstanter Amplitude. Die Bezifferung der Abszisse ist auf die Resonanzfrequenz des linearen, ungedämpften Schwingers f₀ bezogen. Das "Überhängen" der Resonanzspitze ist kennzeichnend für die Nichtlinearität von schwingungsfähigen Prüfmaschinen. Die Regelbarkeit einer derartigen Strecke ist stark eingeschränkt, da zu einer vorgegebenen Frequenz bis zu drei unterschiedliche Schnittpunkte mit der Resonanzkurve möglich sind. Vergleiche dazu die Fig. 6, die die Verstärkungs- und Phasen-Frequenz-Kennlinie eines Schwingers mit degressivem Systemverhalten bei unterschiedlichen Anregungsamplituden u_AMP zeigt.

Beim langsamen Hochfahren der Frequenz springt die Amplitude vom Punkt C in den Punkt D in Fig. 3. Verringert man daraufhin die Frequenz, so springt die Amplitude vom Punkt A (Resonanzspitze) in den Punkt B der Resonanzkurve. Dieser Sachverhalt ist aus der Literatur unter dem Begriff Sprungphänomen bekannt. Jedes Springen hat kurzzeitig einen nichtstationären Einschwingvorgang mit der sogenannten Sprungfrequenz zur Folge. Mit geringerer Dämpfung des Schwingers verstärken sich diese Eigenschaften, da die Resonanzkurve insgesamt schmaler und steiler wird. Die Kippunkte B, C und A, D liegen dann sehr dicht beieinander, so daß sich nach erstmaligem Kippen der Amplitude ein stationärer Grenzzyklus C-D-A-B einstellen kann. Fig. 3 stellt diesen aus der Praxis als "Pumpen" bekannten Sachverhalt dar.

Industrielle Prüfmaschinen werden deshalb in den Bereichen 1 oder 2 in Fig. 2 betrieben, wobei der Verlauf der Resonanzkurve zu Beginn der Prüfung nicht bekannt ist. Da zum Erreichen einer Festigkeitsaussage eines Bauteils oder einer Probe eine Vielzahl von Lastwechseln erforderlich ist, ist man bestrebt, die Prüffrequenz und damit die Zahl der in einer Sekunde stattfindenden Lastwechsel so hoch zu wählen, daß die Prüfdauer in einem wirtschaftlich vertretbaren Zeitraum liegt. Wenn die Prüfanlage in erzwungener Schwingung betrieben wird, besteht durch Erhöhung der Prüffrequenz in den Bereich der Resonanz hinein die Gefahr, das Prüfteil durch eine hohe, undefinierte Lastamplitude zu schädigen. Damit ist keine gesicherte Prüfaussage mehr möglich. Bei Schwingern mit progressivem Systemverhalten treten prinzipiell die gleichen Schwierigkeiten auf.

Es besteht daher ferner die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege-Prüfmaschine vorzuschlagen, die eine Schädigung des Prüfteils durch hohe, undefinierte Lastamplituden sicher vermeiden.

Die Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege- Prüfmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 sowie durch eine Umlaufbiege- Prüfmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 sowie durch eine Umlaufbiege- Prüfmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 25 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens, der Vorrichtung und der Umlaufbiege- Prüfmaschine sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung soll anhand folgender Zeichnungen verdeutlicht werden:

Fig. 1 Struktur des Verfahrens;

Fig. 2, Fig. 3 Resonanzkurve eines Schwingers mit degressivem Systemverhalten;

Fig. 4 Verstärkungs- und zugehöriger Phasenverlauf für eine Schwingungsrichtung (degressives Systemverhalten);

Fig. 5 Abhängigkeit der Verstärkung vom Phasenwinkel (progressives oder degressives Systemverhalten);

Fig. 6 Verstärkungs- und Phasenverlauf bei unterschiedlichen Anregungsamplituden u_Amp (degressives Systemverhalten);

Fig. 7 Übersicht der Prüfmaschinen-Regelung am Beispiel einer Prüfung von Radfelgen für Kraftfahrzeuge;

Fig. 8 Blockschaltbild zur Regelung der Eigenschwingung;

Fig. 9 Blockschaltbild zur Regelung der erzwungenen Schwingung;

Fig. 10 Blockschaltbild zur Synchronisations-Regelung;

Fig. 11 Struktogramm zum Ablauf einer Prüfung;

Fig. 12 typischer Verlauf der Resonanzfrequenz über der Anzahl von Lastwechseln;

Fig. 13 Ausführungsbeispiel einer zu regelnden Umlaufbiege-Prüfmaschine für Kraftfahrzeug-Radfelgen;

Fig. 14 Verlauf des Biegemoments M über dem Spulenstrom i und dem Schwingankerwinkel α.

Im vorliegenden Fall eines nichtlinearen Schwingers ist der Begriff Resonanz nicht eindeutig und muß auf die Amplitude der Anregung oder der Biegeschwingung bezogen werden. Unter Resonanz im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird der Zustand minimaler Anregungsamplitude bei einer bestimmten Amplitude des Biegemoments verstanden. Diese Definition der Resonanz ist hier sinnvoll, da die Regelung die Amplitude des Biegemoments konstant hält. Die zu diesem Zustand gehörige Frequenz wird als Resonanzfrequenz bezeichnet.

Vereinfacht läßt sich die Struktur des Verfahrens anhand von Fig. 1 verdeutlichen. Die Regelung des Prüfstands (1) besteht aus der Regelung der Eigenschwingung (2), der Regelung der erzwungenen Schwingung (3) und der Synchronisations-Regelung (4). Der Sollwert ist die gewünschte Amplitude des umlaufenden Biegemomentes. Werden die Biegemomente a und b in senkrecht aufeinander stehenden Achsen gemessen, so müssen bei kreisförmig umlaufendem Biegemoment die Meßwerte sinusförmigen Verlauf annehmen. Die Phasenverschiebung zwischen den Meßwerten beträgt dann 90°. Die Regelung der Eigenschwingung (2) gewährleistet die konstante Amplitude des Biegemoments a; mit (3) wird die Amplitude des Biegemoments b geregelt. Aufgabe der Synchronisations-Regelung (4) ist die präzise Einhaltung der 90°-Phasenbeziehung.

In Fig. 7 ist die gesamte Regelung am Beispiel einer Felgenprüfung dargestellt. Die Radfelge besitzt anstelle der Fahrzeugachse einen Schwinganker mit zusätzlicher Masse im unteren Teil (vgl. Fig. 13). Die Krafteinleitung erfolgt durch einen elektrischen Antrieb. Die Regelgrößen sind zwei Biegemomente, die über Dehnungsmeßstreifen in aufeinander senkrecht stehenden Achsen am Schwinganker gemessen und Dehnungsmeßstreifen- Meßverstärkern (5), (6) zugeführt werden. Vor den Analog-Digital-Umsetzern (9) befinden sich für eine digitale Regelung erforderliche Abtastfilter (7), (8) (Anti-Aliasing-Filter). Nachgeschaltete, digitale Bandpaßfilter (10), (11) dienen zur Beseitigung von Gleichanteilen und höherfrequenten Störanteilen auf beiden physikalischen Biegemomentsignalen M₁ und M₂. Die Zuordnung der logischen Signale M_a und M_b zu den physikalischen Signalen M₁ und M₂ erfolgt mit Hilfe der Schalter I und II.

Die Regelung der Eigenschwingung (12) verwendet stets das logische Biegemomentsignal M_a und die Regelung der erzwungenen Schwingung (13) stets das logische Biegemomentsignal M_b als Istwert.

Die Stellgrößen u_a und u_b bilden die Eingangsgrößen für den Optimierungsprozeß zur Minimierung der Leistungsaufnahme im Betrieb. Die Kenntnis der Stellgrößen u_a und u_b allein reicht für eine Absolutwert-Messung der Wirkleistung nicht aus. Da hier jedoch nur das Minimum der Leistungsaufnahme von Interesse ist, genügt es, den Term U_a ² + u_b ² zu minimieren. Minimale Leistung ist mit minimalen Stellgrößen identisch. Das Ergebnis der Optimierung ist der Winkel ϕ_a.

Mit den zuvor beschriebenen Schaltern I und II werden den physikalischen Stellgrößen i₁ und i₂ die logischen Stellgrößen-Werte i_a und i_b zugewiesen. Die zweiphasigen, physikalischen Stellgrößen i₁ und i₂ werden mit einer Koordinatentransformation (Schalter I, II und Phasenspaltung (15)) auf ein dreiphasiges System abgebildet und über einen Digital- Analog-Umsetzer (16) als Stromsollwerte i_s1, i_s2 und i_s3 an einen Frequenzumrichter (17) gegeben. Bei dem Frequenzumrichter handelt es sich um einen handelsüblichen Umrichter für Drehstrommotoren, der das dreiphasige Wicklungssystem zur Anregung des Schwingankers speist.

Zunächst wird die Regelung für den laufenden Prüfbetrieb beschrieben. Die Schalter sind in diesem Fall in folgenden Stellungen: III = offen / IV = geschlossen, V = offen / VI = geschlossen, VII = offen / VIII = geschlossen.

Fig. 8 zeigt das detaillierte Blockschaltbild für die Regelung der Eigenschwingung, die einen Betrieb in der Resonanz mit einer konstanten Amplitude gewährleistet. Die Eingangsgrößen für diese Regelung sind das logische Momentensignal M_a, der vorgegebene Sollwert der Lastamplitude und der durch die Optimierung berechnete Phasenwinkel ϕ_a. Zunächst erfolgt die Messung der Frequenz f_a (18) und der Amplitude M_Amp,a (19) des Eingangssignals M_a. Die Amplitude des Signals i_a wird mit der Stellgröße u_a des Amplitudenreglers A (23) moduliert. Der Amplitudenregler erhält als Istwert die Amplitude M_Amp,a.

Zur Einstellung der Phasenbeziehung zwischen Meßwert M_a und Stellgröße i_a dient der Phasenschieber (21). Mit Hilfe dieser Phasenrückkopplung wird die Achse a in Eigenschwingung betrieben, wodurch die vorstehend beschriebenen Probleme bei erzwungenen Schwingungen nicht auftreten. Die Darstellung von Verstärkungs- und zugehörigem Phasenverlauf in Fig. 4 läßt erkennen, daß jedem Punkt im Verstärkungs- Frequenzdiagramm (rechtes Diagramm) genau ein Wert der Phase eindeutig zugeordnet werden kann.

Der funktionale Zusammenhang von Verstärkung und Phase ist in Fig. 5 graphisch dargestellt. Man erkennt, daß bei nichtlinearen Schwingern über eine Variation der Phase stets das Maximum der Verstärkung bzw. die Resonanz gefunden werden kann.

Mit der Regelung der erzwungenen Schwingung in Fig. 9 wird die Amplitude M_Amp,b konstant gehalten. Eingangsgrößen sind das Momentensignal M_b, das vom Synchronisations-Regler erzeugte Signal M_Sync sowie der Sollwert. Die Ausgangsgrößen sind der Strom i_b und die für die Optimierung verwendeten Größen u_b des Amplituden- Reglers B (26) sowie ϕ_b der Phasenmessung (25). Zunächst erfolgt auch hier die Amplitudenmessung (24) des Eingangssignals M_b. Die Phasenmessung (25) zwischen M_b und M_Sync liefert den Winkel ϕ_b, aus dem sich der Arbeitspunkt der erzwungenen Schwingung auf der Resonanzkurve bestimmen läßt.

Anhand von Fig. 6 wird am Beispiel eines degressiven Systems ersichtlich, daß bei einer erzwungenen Schwingung, d. h. eingeprägter Frequenz, der Zusammenhang zwischen Frequenz und Verstärkung nicht eindeutig ist. Einer Frequenz können bis zu drei Verstärkungen zugeordnet werden (Schnittpunkte 1-3). Für die Regelung kommt nur der obere Teil der Verstärkungskennlinie in Betracht, da nur in diesem Bereich die Verstärkung groß genug ist, die gewünschten Biegemomente zu erzeugen. Der Schnittpunkt mit der Geraden konstanter Frequenz bildet hier einen stabilen Arbeitspunkt (Schnittpunkt 3). Ein stabiler Betrieb, bei dem die vorgeschriebenen Biegemomente eingehalten werden, ist nur gewährleistet, wenn ein Grenzzyklus sicher vermieden wird. Die Frequenz des anregenden Signals darf in diesem Fall die Resonanzfrequenz ("Spitze" der Kennlinie) nicht unterschreiten. Die Resonanzfrequenz der Achse, die in erzwungener Schwingung betrieben wird, muß deshalb kleiner als die Frequenz der Eigenschwingung sein.

Die Einhaltung dieser Bedingung wird durch die Zuordnung der logischen A_a/A_b-Achsen zu den physikalischen A₁/A₂-Achsen in der Startphase gewährleistet. Im weiteren Verlauf der Prüfung stellt die Optimierung durch Auswertung des gemessenen Phasenwinkels ϕ_b sicher, daß die Stabilität der erzwungenen Schwingung nicht gefährdet wird. Für progressives Systemverhalten gelten entsprechende Überlegungen. Die Art der Nichtlinearität wird ebenfalls in der Startphase ermittelt.

Das Stellgrößensignal u_b wird in der Optimierung zur Minimierung der Leistungsaufnahme des Prüfstands benutzt.

Die Synchronisations-Regelung (Fig. 10) erzeugt das Signal M_Sync, so daß M_a und M_b eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Die Messung der Phasendifferenz zwischen M_a und M_b erfolgt mit der Phasenmessung (27). Der Phasenschieber (29) dient dem Synchronisations-Regler (28) als Stellglied.

Anhand des Struktogramms in Fig. 11 läßt sich das selbsttätige Anfahren des Prüfstands aufzeigen. Ein Prüfversuch beginnt mit der Identifikation eines parametrischen Modells für beide Achsen nach der "prediction-error"-Methode. Das Leistungsspektrum des zur Anregung verwendeten Signals ist breitbandig und ermöglicht auf diese Weise die Identifikation aller vorkommenden Prüfteile. Aus der Identifikation werden die Größen Resonanzfrequenz, Dämpfung und Verstärkung für beiden Achsen ermittelt.

Die identifizierten Prozeßmodelle werden zur Auslegung der Amplitudenregler beider Achsen (23), (26) sowie des Synchronisations-Reglers (28) und zum Entwurf der Parameter der Bandpaßfilter (10), (11) verwendet. Die Amplitudenregler werden nicht nur für den Prüfbetrieb, sondern auch für die Identifikation der Verstärkungs-Frequenz-Kennlinien (Identifikation 2) benötigt.

Eine lückenlose Vermessung der Kennlinien nichtlinearer Schwinger kann nur in geregelter Eigenschwingung mit Hilfe einer indirekten Messung erfolgen. So wäre beispielsweise der Bereich von C bis A in Fig. 3 im ungeregelten Betrieb nicht erreichbar und damit nicht meßbar. Durch Auswertung der gemessenen Kennlinien für beide Achsen bei unterschiedlichen Lastniveaus läßt sich diejenige Koordinatentransformation (Zuordnung der physikalischen A₁/A₂-Achsen zu den logischen A_a/A_b-Achsen) ermitteln, die einen stabilen Betrieb ermöglicht.

Auch in anderen technischen Bereichen ist die Messung von Verstärkungs- und Phasen- Frequenzkennlinien von großer Bedeutung. Mit dem im folgenden beschriebenen Verfahren ist es erstmals möglich, diese Kennlinien vollständig auch für nichtlineare Schwinger aufzunehmen, die mit einem konventionellen Frequenzgang-Meßsystem nicht analysiert werden können.

Zur Aufnahme der Kennlinie einer Achse muß eine Amplitudenregelung gemäß Fig. 8 in Betrieb sein. Die Schalter befinden sich in den eingezeichneten Stellungen. Im Gegensatz zu konventionellen Verfahren ist nicht die Frequenz die unabhängige Variable, sondern der Winkel ϕ_a, der bei konstanter Amplitude M_Amp,a variiert wird. Nachdem alle Ausgleichsvorgänge abgeklungen sind, ergibt sich aus der Stellgröße u_a des Amplitudenreglers (23) die Verstärkung zu V_a = M_Amp,a/u_a ∼ 1/u_a. Aus der Frequenzmessung (18) folgt die zugehörige Frequenz f_a. Die Größen f_a, V_a und ϕ_a bilden einen zusammenhängenden Datensatz. Aus hinreichend vielen Einzelmessungen dieser Datensätze können Kennlinien wie beispielsweise Bode-Diagramme oder Ortskurven (Nyquist-Diagramme) konstruiert werden. Bei nichtlinearen Schwingern entstehen Kurvenscharen, deren Parameter die Amplitude der Schwingung ist. Im Gegensatz zu dem Diagramm der Fig. 6 ist nicht die Amplitude der Anregung konstant, sondern die Amplitude der Schwingung. Eine Schädigung des Meßobjektes ist damit ausgeschlossen.

Um eine geregelte Eigenschwingung durch die Phasenrückkopplung (21) in Betrieb zu nehmen, muß die Schwingung zunächst mit dem Sinusgenerator (22) angeregt werden (Schalter III geschlossen / IV offen). Die Frequenz ist die Resonanzfrequenz des identifizierten Modells dieser Achse. Dabei wird eine niedrige, den Prüfling nicht schädigende Belastung gewählt. Mit dem aus der Phasenmessung (20) bekannten Winkel ϕ_a kann die Achse nun in Phasenrückkopplung betrieben werden (Schalter III offen / IV geschlossen). Der Phasenwinkel ϕ_a wird anschließend über den interessierenden Bereich der Resonanzkurve verschoben.

Die Messung der Verstärkungs-Frequenz-Kennlinie wird für zwei verschiedene Lastniveaus und für beide Achsen durchgeführt. Ein degressives oder progressives Systemverhalten kann anhand der den Verstärkungsmaxima zugehörigen Frequenzen erkannt werden, da die Nichtlinearitäten Abweichungen zwischen diesen Frequenzen bewirken. Man erkennt ein progressives Verhalten daran, daß die bei größerer Anregung gemessene Frequenz höher als die bei kleiner Anregung bestimmte Frequenz ist. Im umgekehrten Fall liegt eine degressive Kennlinie vor. Wenn die Art der Nichtlinearität und die Resonanzfrequenzen beider Achsen identifiziert werden, läßt sich ein stabiler Betrieb der Umlaufbiege- Prüfmaschine gewährleisten. Der Grund liegt in dem Sprungeffekt der Amplitude bei nichtlinearen erzwungenen Schwingungen (siehe Fig. 3).

Falls der Schwinger ein degressives Verhalten besitzt, wird der physikalischen Achse mit der größeren Frequenz die logische Achse a zugeordnet, wohingegen der Achse mit der kleineren Frequenz die logische Achse b zugeordnet wird (Schalter I geschlossen für Zuordnung 1↔a, 2↔b, Schalter II geschlossen für Zuordnung 1↔b, 2↔a). Die Zuordnungen kehren sich für ein progressives Systemverhalten um.

Danach erfolgt das Anfahren des Prüfstands. Dieser Vorgang gliedert sich in drei Abschnitte:

Anfahren <1<, Schalter III geschlossen / IV offen

Wie bei der Identifikation der Verstärkungs-Frequenzkennlinie wird die Achse A_a zunächst mit dem Sinusgenerator (22) angeregt. Wie bei der Identifikation der Resonanzkurven ist der Sollwert zunächst gering. Danach wird auf geregelte Eigenschwingung durch Phasenrückkopplung umgeschaltet (Schalter III offen / Schalter IV geschlossen). Startwert für den Winkel ϕ_a ist die ermittelte Phase für das Verstärkungsmaximum der betreffenden Achse.

Anfahren <2<, Schalter V offen / VI geschlossen

Nachdem die Achse A_a in Eigenschwingung betrieben wird, erfolgt die Freigabe der Amplitudenregelung der Achse A_b (Fig. 9). Die Achse A_b wird dabei in erzwungener Schwingung betrieben, angeregt durch das Signal M_Sync der Synchronisation. Da der Synchronisations-Regler (28) noch nicht in Betrieb ist, wird der Phasenschieber (29) für das Signal M_Sync mit einem beliebigen Startwert betrieben.

Anfahren <3<, Schalter VII offen / VIII geschlossen

Wenn in Achse A_b (und damit in beiden Achsen) der Sollwert erreicht wird, erfolgt die Freigabe des Synchronisations-Regelkreises (Fig. 10). Es baut sich ein exakt kreisförmig umlaufendes Biegemoment auf. Abschließend wird das endgültige Lastniveau unter Beibehaltung der Kreisform aperiodisch angefahren und die Zählung der Lastwechsel beginnt. Aufgrund der Amplitudenabhängigkeit der Resonanzfrequenz (Fig. 6) kann erst zu diesem Zeitpunkt die sogenannte "Startfrequenz" ermittelt werden, die für die Abbruchbedingungen benötigt wird (Fig. 8, Fig. 12).

Aufgrund des geregelten Betriebs ist es möglich, den Phasenwinkel ϕ_a in kleinen Schritten zu variieren, ohne daß die Biegemomente im Rahmen der Meßgenauigkeit von ihrem Sollwert abweichen. Durch Auswertung einer großen Zahl von Meßwerten der Stellgrößen u_a und u_b kann mit einem statistischen Regressionsansatz ein funktionaler Zusammenhang zwischen u_a, u_b und ϕ_a identifiziert werden. Somit kann über den Winkel ϕ_a der Prüfstand in den Zustand minimaler Leistungsaufnahme gebracht werden. Da bei der Resonanzfrequenz die Leistungsaufnahme minimal ist, adaptiert sich der Prüfstand auf diese Weise an sich ändernde Resonanzfrequenzen. Die Frequenz, mit der der Prüfstand betrieben wird, stellt sich somit frei ein und hängt nur von den Eigenschaften des Prüfteils ab.

Die Minimierung der Leistungsaufnahme erfolgt in einem ständigen Optimierungsprozeß ("Optimierung" in Fig. 7). Bei einem nichtlinearen Schwinger kann nur die Phase eindeutigen Aufschluß über den Betriebspunkt im Verstärkungs-Frequenz-Diagramm geben (vgl. Fig. 4). Um die Stabilität der amplitudengeregelten erzwungenen Schwingung zu gewährleisten, muß die Optimierung unter der Nebenbedingung erfolgen, daß die Phase ϕ_b einen Sicherheitsabstand zur Phase ϕ_a nicht unterschreitet. Dieser Sicherheitsabstand ϕ_b-ϕ_a ist bei degressiven Systemen negativ und bei progressiven Systemen positiv.

Der Prüfling ist der variable Teil eines elektromechanischen Feder-Masse-Schwingers, der durch die Regelung permanent in seiner Resonanz betrieben wird. Jede Veränderung des Prüfteils macht sich in den Kenngrößen Resonanzfrequenz f₀ und Verstärkungen V_a und V_b (Amplitudenverhältnisse von Biegemomenten und Stellgrößen) bemerkbar. Durch den geregelten Betrieb und die Adaption an sich ändernde Resonanzfrequenzen stehen diese Kenngrößen ständig zur Verfügung. Aus den Verstärkungen läßt sich ein Asymmetrie-Wert

bestimmen. C_ab kann Werte im Bereich von -1 bis +1 annehmen und gibt an, in welcher Schwingungsrichtung die größte Stellgröße benötigt wird. Unbeschädigte Prüfteile haben einen Wert von C_ab ≈ 0.

Die Materialeigenschaften des Prüflings ändern sich im Verlauf einer Prüfung aufgrund von plastischen Verformungen, denen Rißbildungen folgen. Im Fall einer Schädigung ändert sich die Federsteifigkeit des Prüfteils und damit auch die Resonanzfrequenz f₀ des gesamten Prüfstands. Umgekehrt kann bei einer beobachteten Änderung der Resonanzfrequenz auf einen Schadenfortschritt geschlossen werden. Große Beträge des Asymmetrie-Wertes C_ab geben einen Hinweis auf die Lage der Schädigung. Mit Hilfe der Kenngrößen ist es möglich, Abbruchbedingungen zu spezifizieren, die eine automatische Beendigung der Prüfung auch bei geringem Schädigungsgrad gestatten (Schadenfrüherkennung). Ein typischer Verlauf der adaptierten Resonanzfrequenz während einer Prüfung ist in Fig. 12 dargestellt. Als Abbruchbedingung wurde ein Abfall der Resonanzfrequenz um 1,5 Hz verwendet. Die Form der Kurve läßt Rückschlüsse auf den Schädigungsverlauf zu.

Unabhängig von der praktischen Ausführung erfolgt die Regelung immer in den zweiphasigen logischen a/b-Koordinaten (linker Teil des Blockschaltbildes Fig. 7). Bei der Anpassung der Regelung an unterschiedliche Prüfstände bleiben die in den Bildern Fig. 8-10 dargestellten Teile - und damit die komplexen Komponenten der Regelung - unverändert erhalten.

Die Phasenspaltung (15) ist Bestandteil der Koordinatentransformation. Die Phasenspaltung (15) erlaubt eine Verwendung mehrphasiger Antriebssysteme. Mit steigender Phasenzahl erhöht sich die Präzision, mit der das anregende Biegemoment ortsabhängig aufgebracht werden kann. Bei Einsatz eines dreiphasigen Antriebssystems lassen sich handelsübliche Drehstromumrichter verwenden.

Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel 50 (teilweise im Schnitt) für eine Umlaufbiege- Prüfmaschine, an der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Umlaufbiege-Prüfmaschine 50 umfaßt ein Gestell, das im wesentlichen aus einer Grundplatte 61, senkrechten Pfosten 64 und einer Deckplatte 58 besteht. Das Gestell ist außen mit Blechen 65 verkleidet, die in der Fig. 13 nur teilweise dargestellt sind. An der Deckplatte 58 kann mittels eines Spannrings 56, der mittels Schrauben 66 an der Deckplatte 58 festgelegt werden kann, ein Prüfteil 51 angebracht werden. Das Prüfteil 51 ist im vorliegenden Fall eine Radfelge eines Kraftfahrzeuges. Die Nabe der zu prüfenden Radfelge 51 ist an einer Meßnabe 57 der Umlaufbiege-Prüfmaschine 50 angeschraubt, die mit vier Dehnungsmeßstreifen 54 in 90°-Aufteilung versehen ist. Die Dehnungsmeßstreifen 54 dienen als Sensoren, die die Eingangs-Regelgrößen für die erfindungsgemäße Regelvorrichtung liefern. An der Meßnabe 57 ist ferner ein Hebelarm 53 angebracht, der durch eine Öffnung 67 in das Innere des Gestells der Umlaufbiege-Prüfmaschine 50 eintaucht. Am prüfteilabgewandten Ende des Hebelarms 53 ist ein Schwinganker 52 befestigt, an dem wiederum drei mit Permanentmagneten 60 versehene Magnetschlitten 59 in 120°-Aufteilung angebracht sind. Jedem der drei Magnetschlitten 59 ist ein Elektromagnet zugeordnet, dessen Wicklungen 62 jeweils auf einem Eisenkern 63 auf der Grundplatte 61 angebracht sind. Die drei im Betrieb von den Spulenströmen i₁, i₂, i₃ durchflossenen Spulenwicklungen 62 der drei Elektromagneten bilden zusammen ein dreiphasiges Spulensystem für einen elektrischen Antrieb der Umlaufbiege-Prüfmaschine, der auf die drei mit Permagnentmagneten 60 versehenen Magnetschlitten 59 des Schwingankers 52 einwirkt und die umlaufenden Biegemomente M₁, M₂ erzeugt.

In dem Kennfeld in Fig. 14 ist der berechnete Biegemomentenverlauf als Funktion des Schwingankerwinkels α und des Spulenstroms i aufgetragen. Eine stationäre Schwingung ist in dem Diagramm hervorgehoben.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß das vorgestellte Verfahren unabhängig von der verwendeten Prüfkrafterzeugung sowohl für elektrische, pneumatische, hydraulische als auch für mechanische Prüfkrafterzeugung einsetzbar ist. Durch Weglassen von Anfahrphasen kann das Verfahren auch zur Durchführung von Prüfungen unter Wechselbiegung eingesetzt werden.

Bei dem hier vorgestellten Verfahren ergeben sich gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen.

Die direkte Regelung der Augenblickswerte der Biegemomente in den Schwingungsrichtungen gewährleistet die Einleitung eines am Prüfling exakt kreisförmig umlaufenden Biegemomentes mit präziser Einhaltung der Sollamplitude. Das Verfahren ermöglicht somit exakt reproduzierbare Prüfbedingungen. Der Resonanzbetrieb ermöglicht schnelle Prüfungen bei äußerst geringem Energiebedarf.

Während der zum Anfahren benötigten Identifikation wird das Prüfteil mit geringen Biegemomenten belastet, die eine Schädigung ausschließen. Im weiteren Verlauf des Anfahrvorgangs verhindert die Amplitudenregelung ein Überschreiten der durch den Sollwert vorgegebenen Belastung.

Es erfolgt eine ständige Adaption an sich ändernde Resonanzfrequenzen, indem der Prüfstand im Zustand minimaler Leistungsaufnahme betrieben wird. Durch Auswertung der Änderungen von Resonanzfrequenz, Leistungsaufnahme sowie der Asymmetrie der Anregung kann auf den Schädigungsverlauf (Anrißerkennung, Rißfortpflanzung) geschlossen werden. Es können damit verschiedene, hochgenaue Abbruchbedingungen verwendet werden, die in ihrer Empfindlichkeit weit über den bei konventionellen Verfahren eingesetzten Weganschlägen liegen.

Da während einer Prüfung das Lastmoment beliebig verändert werden kann, lassen sich sehr leicht sogenannte Mehrstufenversuche (Blockversuche) durchführen. Im Gegensatz zu Unwuchterregern können über den gesamten Biegemomentenbereich keine Resonanzprobleme auftreten.

Claims (27)

1. Verfahren zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege-Prüfmaschine (50), wobei ein Prüfteil (51) einem oder mehreren um eine Umlaufachse U umlaufenden Biegemoment(en) M₁, M₂ ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die umlaufende(n) Biegemoment(e) in mindestens zwei zur Umlaufachse U zumindest im wesentlichen orthogonalen Schwingungsrichtungen (physikalische Achsen A₁, A₂) geregelt wird, wobei die erste Achse A₁ in Resonanz betrieben wird, während die zweite Achse A₂ über eine Synchronisations-Regelung (14 in Fig. 7) erzwungene Schwingungen in einem stabilen Bereich der Verstärkungs-Frequenz- Kennlinie ausführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der umlaufenden Schwingung während des Prüfbetriebs konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) in ihrer Resonanz betrieben wird, indem die Leistungsaufnahme der Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) fortlaufend geregelt minimiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Leistungsaufnahme der Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) die Stellgrößen (Spulenströme i₁, i₂ bzw. logische Stellgrößen u_a, u_b) fortlaufend geregelt minimiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüfbetrieb fortlaufend eine Resonanzfrequenz und/oder die Verstärkungen V als Quotient aus Regelgröße und Stellgröße
ermittelt wird bzw. werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüfbetrieb fortlaufend die Verstärkungen V₁ und V₂ bzw. V_a und V_b gemessen werden und die Asymmetrie
berechnet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer amplitudengeregelten Resonanzschwingung die Rückkopplungsphase variiert wird und aus dem stationären Amplitudenverhältnis von Regelgröße und Stellgröße des Reglers die Verstärkung folgt, während sich die zugehörige Frequenz f frei einstellt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgrößen des Regelverfahrens die am Prüfteil (51) gemessenen Biegemomente M₁, M₂ bzw. dazu proportionale logische Reglereingangsgrößen M_a, M_b sind.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellgrößen des Regelverfahrens Spulenströme i₁, i₂ bzw. dazu proportionale logische Reglerausgangsgrößen u_a, u_b sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung in einem zweiachsigen logischen System erfolgt, indem der einen physikalischen Schwingungsrichtung (physikalische Achse A₁) eine logische Schwingungsrichtung (logische Achse A_a) zugeordnet wird, während der anderen physikalischen Schwingungsrichtung (physikalische Achse A₂) eine dazu orthogonale logische Schwingungsrichtung (logische Achse A_b) zugeordnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß den physikalischen Regelgrößen (Biegemomente M₁, M₂) dazu proportionale logische Regelgrößen (M_a, M_b) zugeordnet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß den physikalischen Stellgrößen (Spulenströme i₁, i₂) dazu proportionale logische Stellgrößen (Reglerausgangsgrößen u_a, u_b) zugeordnet werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnungen der Achsen A₁, A₂; A_a, A_b zueinander in der Startphase des Betriebs ermittelt werden, indem durch Auswertung der Verstärkungs-Frequenz-Kennlinien bei degressivem Systemverhalten die Achse mit der größeren Resonanzfrequenz in geregelter Resonanzschwingung und die andere Achse in geregelter erzwungener Schwingung betrieben wird, wohingegen bei progressivem Systemverhalten eine umgekehrte Zuordnung der Achsen erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß progressives bzw. degressives Systemverhalten durch die Bestimmung und Auswertung von Verstärkungs-Frequenz-Kennlinien bei unterschiedlichen Schwingungsamplituden ermittelt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß für beide logischen Achsen A_a, A_b parametrische Modelle identifiziert werden, aufgrund derer universelle Regelvorrichtungen an die jeweilige zu regelnde Umlauf- Prüfmaschine (50) adaptierbar sind.

16. Vorrichtung zur Regelung des Betriebs einer Umlaufbiege-Prüfmaschine (50), in der ein Prüfteil (51) einem oder mehreren um eine Umlaufachse U umlaufenden Biegemoment(en) M₁, M₂ ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 arbeiten kann.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über mindestens zwei Eingangskanäle (9 in Fig. 7) für die Regelgrößen (umlaufende(s) Biegemoment(e) M₁, M₂) in mindestens zwei physikalischen Schwingungsrichtungen A₁, A₂ bzw. für dazu proportionale logische Regelgrößen (M_a, M_b) in mindestens zwei logischen Schwingungsrichtungen A_a, A_b verfügt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über mindestens zwei Ausgangskanäle (16 in Fig. 7) für die Stellgrößen (Spulenströme i₁, i₂) in mindestens zwei physikalischen Schwingungsrichtungen A₁, A₂ bzw. für dazu proportionale logische Reglerausgangsgrößen (u_a, u_b) in mindestens zwei logischen Schwingungsrichtungen A_a, A_b verfügt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über einen Regelkreis (12 in Fig. 7) zur Konstanthaltung der Amplitude der umlaufenden Schwingung während des Prüfbetriebs verfügt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über einen Synchronisationsregelkreis (14 in Fig. 7) verfügt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über einen Optimierungsregelkreis zur fortlaufenden Minimierung der Leistungsaufnahme der Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) verfügt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über einen Regelkreis (13 in Fig. 7) zur Regelung der Amplitude der erzwungenen Schwingung verfügt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über einen Anregungsgenerator, insbesondere einen Sinusgenerator (22 in Fig. 8), zur Anregung erzwungener Schwingungen in der Startphase des Betriebs der Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) verfügt.

24. Umlaufbiege-Prüfmaschine (50), in der ein Prüfteil (51) einem oder mehreren um eine Umlaufachse U umlaufenden Biegemoment(en) M₁, M₂ ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) im Betrieb nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 regelbar ist.

25. Umlaufbiege-Prüfmaschine (50), in der ein Prüfteil (51) einem oder mehreren um eine Umlaufachse U umlaufenden Biegemoment(en) M₁, M₂ ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) über eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23 verfügt.

26. Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) über eine elektrische und/oder hydraulische und/oder pneumatische und/oder mechanische Prüfkrafterzeugungseinrichtung verfügt.

27. Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufbiege-Prüfmaschine (50) über mindestens zwei Elektromagnete als Bestandteil einer elektrischen Prüfkrafterzeugungseinrichtung verfügt, die im Betrieb von mindestens zwei Spulenströmen i₁, i₂ durchflossen sind.