DE2541176B2

DE2541176B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Signalverarbeitung von Meßgrößen

Info

Publication number: DE2541176B2
Application number: DE19752541176
Authority: DE
Inventors: Heinz 7300 Esslingen Moehle; Detlef Dipl.-Ing. 7514 Eggenstein Schulz
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1975-09-16
Filing date: 1975-09-16
Publication date: 1978-03-16
Also published as: DE2541176C3; DE2541176A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Signalverarbeitung von vorzugsweise akustischen Meßgrößen, angewendet zur serienmäßigen Qualitätskontrolle periodisch bewegter Maschinenelemente zum Erkennen und Orten von Geräuschquellen, hsbesondere an Kraftfahrzeug-Baugruppen v/L· Hinterachse, Wechselgetriebe usw., mit Hilfe von mindestens einem Schwingungsaufnehmer und einem Antrieb für die drehenden Teile des Maschinenelementes, aus deren Drehzahl ein Referenzsignal abgeleitet wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Der Schwingungsaufnehmer wandelt den Luft- oder Körperschall in ein seitlich veränderliches elektrisches Signal, das im folgenden als Schallsignal bezeichnet wird.

Bei den interessierenden Geräuschen handelt es sich um überwiegend stochastische Signale mit periodischen Signalanteilen, die durch periodische Anregung bewirkt werden.

Die akustische Mustererkennung hat häufig die Aufgabe, zum Zweck der Qualitätskontrolle oder Schadenfrüherkennung aufgrund der akustischen Signale signifikante Aussagen über die Güte eines Produktes oder den Zustand einer Maschinenanlage zu machen. Dazu werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Bei periodischen Luft- und Körperschallsignalen werden meist breitbandig arbeitende Spektralanalysatoren benutzt. In Spezialfällen kommen ggf. heterodynamische Analysierer, durch Referenzsignal gesteuerte Filterverfahren, im allgemeinen Bandfilter mit verstell barer Mittenfrequenz und konstanter Bandbreite oder Methoden wie die Suchtonanalyse zur Anwendung (US-PS 32 80 624, US-PS 37 12 130).

Es ist Aufgabe der Erfindung, die üblichen Meßverfahren zu verbessern und den Aufwand der Maßapparaturen zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Schallsignal, das aus der Summe von zur Drehzahl harmonischen Signalkomponenten und einem breitbandigen stachastischen Störanteil besteht, mit dem Referenzsignal durch an sich bekannte Kreuzkorrelation verknüpft wird, indem durch Multiplizieren Terme mit Summen- und Differenzfrequenzen gebildet werden, von denen nur Gleichanteile ausgewertet werden, die der Differenzfrequenz null Hz entsprechen und damit die Signalanteile der Frequenz im Schallsignal kennzeichnen, die das Referenzsignal vorgibt, und daß aus diesen Gleichanteilen ein Anzeigewert gebildet wird, mit dem Vorteil, einfache Gleichspannungsinstrumente zu benutzen und frequenzunabhängig zu messen.

Gegebenenfalls ist vorgesehen, daß die Gleichanteile durch Quadrieren in ihrer Leistung bestimmt werden, damit die Phasenabhängigkeit eliminiert wird und daß nach Summierung dieser Leistungswerte der Anzeigewert gebilde. wird. Zur besseren Darstellung kann vorgesehen sein, daß eine Dynamikkompression des Anzeigewertes eingeführt wird, z. B. durch Logarithmieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren mißt selektiv und schmalbandig aus dem Schallsignal die Leistung einer bestimmten Harmonischen /), = h ■ F₀, dem Meßsignal, von dem man weiß, daß es die gesuchte Aussage gestattet. Dabei ist f_o die Grundfrequenz, d. h. die variable Anregungsfrequenz, die als Referenz zur h^r> Steuerung der Selektionsanordnung benutzt wird. Die Leistungsmessung der Harmonischen /* erfolgt dadurch unabhängig von der absoluten Frequenz f, sie folgt der Drehzahl des arbeitenden Aggregats. Die Erfindung geht von der an sich bekannten Ordnuiigsanalyse aus. Grundlage des Verfahrens ist die Kreuzkorrelation. Die Analyse wird automatisiert und ist dadurch geeignet, bei variablen Drehzahlen die Signalariteile der gleichen Ordnung zur Drehzahl zu ermitteln; d. h., sie wird mittels eines von der betriebenen Maschine abgeleiteten Referenzsignals elektronisch gesteuert, dessen Frequenz ein Mehrfaches der Frequenz des Meßsignals, dessen Leistung ermittelt werden soll, beträgt. Bei einem praktischen Anwendungsfall beträgt die Frequenz des Referenzsignals das Vierfache der Frequenz des Meßsignals. Aus diesem Referenzsignal wird ein digitales Signal mit der Frequenz dem Meßsignal und ein dazu um π/2 verschobenes digitales Signal erzeugt.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens arbeitet als Synchrondetektor und ist so aufgebaut, daß auf der Antriebswelle mindestens eine Zahnscheibe vorgesehen ist, deren Referenzsignal über einen Signalgeber erfaßbar ist, daß dem Signalgeber ein digitaler Frequenzteiler mit Phasenschieber nachgeschaltet ist, der aus dem Referenzsignal ein der Frequenz des Meßsignals gleichfrequentes Rechtecksignal und ein dazu um π/2 phasenverschobenes Rechtecksignal erzeugt, daß dem Schwingungsaufnehmer ein Tiefpaß zur Erlangung eines nach höheren Frequenzen begrenzten Schallsignals nachgeschaltet ist, daß ferner ein erstes Multiplizierglied vorgesehen ist, dem das gefilterte Schallsignal und das Rechtecksignal zugeführt werden, daß ein zweites Multiplizierglied vorgesehen ist, dem das gefilterte Schallsignal und das phasenverschobene Rechtecksignal zugeführt werden, daß jedem Multiplizierglied ein Tiefpaß und diesem ein Quadrierglied folgt und daß die Ausgänge der Quadrierglieder auf die Eingänge eines Summiergliedes führen, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Logarithmiergliedes verbunden ist, dessen Ausgang auf eine Anzeige- und/oder Auswerteeinheit führt.

Es ist vorgesehen, daß die Tiefpaßgrenzfrequenz zur Frequenzbegrenzung des Schallsignals umschaltbar ist und der Tiefpaß mehrere Durchlaßbereiche aufweist, wenn der Variationsbereich der Meßsignalfrequenz größer als etwa die dreifache niedrigste Meßfrequenz ist.

Die automatische Bereichumschaltung ist leicht aus dem Referenzsignal abzuleiten. Die Grenzfrequenz des dem Multiplizier nachgeschalteten Tiefpasses bestimmt die Bandbreite des auszuwertenden Meßsignals.

Um gleiche Meßbedingungen zu schaffen und um Vorbereitungsarbeiten einzusparen, ist vorgesehen, daß der Schwingungsaufnehmer in der Befestigungseinrichtung fest installiert ist. Um auch höhere Harmonische der Zahneingriffsfrequenz bzw. Baumuster mit anderen Zähnezahlen der Zahnräder mit derselben Vorrichtung prüfen zu können, ist vorgesehen, daß auf der Antriebswelle mehrere Zahnscheiben mit unterschiedlichen Zähnezahlen mit je einem Signalgeber vorgesehen sind. Die jeweils benötigte Zahnscheibe kann durch Einschalten des zugehörigen Signalgebers an die Vorrichtung angeschlossen werden.

Eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die parallele Anordnung mehrerer Einrichtungen, die von in der Harmonischen verschiedenen Referenzsignalen gesteuert werden, für verschiedene Frequenzen die Leistung getrennt erfaßt und zur Anzeige bringt. Sie kann auch so aufgebaut sein, daß die parallele Anordnung zur gemeinsamen Leistungsmes-

sung mehrerer Frequenzen benutzt wird, wobei die Einzelwerte bewichtet in einem Summierglied addiert werden und daraus ein Anzeigewert gebildet wird.

Zur Durchführung der selektiven Filterung mittels Kreuzkorrelation werden die aus dem Referenzsignal benötigten Rechtecksignale in einem digitalen Frequenzteiler mit Phasenschieber erzeugt. Dabei ist vorgesehen, daß die Phasenschaltung zwei /K-Flipflops und drei NAND-Gatter mit je zwei Eingängen aufweist, wobei die Referenzfrequenz dem Takteingang des ersten //(-Flipflops zuführbar ist, dessen beide Vorbereitungseingänge L-Signal führen, daß der Ausgang des ersten y^-Flipflops mit dem Takteingang des zweiten /ΑΓ-Flipflops und mit einem Eingang des ersten NAND-Gatters verbunden ist und daß der invertierende Ausgang des ersten /K-FIipflops mit einem Eingang des zweiten NAND-Gatters verbunden ist, daß die Vorbereitungseingänge des zweiten VK-Flipflops L-Signal führen und daß am Ausgang des zweiten y/C-Flipflops, der mit dem anderen Eingang des ersten NAND-Gatters verbunden ist, das Rechtecksignal mit der Frequenz des Meßsignals abgreifbar ist, daß der invertierende Ausgang des zweiten /K-Flipflops mit dem anderen Eingang des zweiten NAND-Gatters verbunden ist und daß schließlich die Ausgänge des ersten und zweiten NAND-Gatters mit den Eingängen des dritten NAND-Gatters verbunden sind, an dessen Ausgang das zum Rechtecksignal um π/2 phasenverschobene Rechtecksignal abgreifbar ist.

Des weiteren sind als Multiplizierglieder Analogschalter vorgesehen. Diese Art der Multiplikation vermeidet die Schwierigkeit, eine oberwellenarme Sinus- und Cosinusschwingung erzeugen zu müssen, was nur mittels Regelkreisen (z. B. Phase-Locked-Loop-Prinzip) durchführbar ist. Für eine schnelle serienmäßige Prüfung ist vorgesehen, daß die Auswerteeinheit aus einer Kathode von mehreren Schwellwertschaltern mit zugeordneten Lampen besteht.

Die Erfindung ist der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung zu entnehmen, die sich auf ein spezielles Anwendungsbeispiel zur Qualitätsbewertung eines Zahnradgetriebes beziehen. Es zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichung, in der das Verfahren zur Signalverarbeitung integriert ist,

F i g. 2 den schematischen Aufbau des digitalen Frequenzteilers mit Phasenschieber aus F i g. 1 und

F i g. 3 einen impulsplan dazu.

In Fig. 1 ist ein Prüfling 1, ein Kraftfahrzeug-Ausgleichsgetriebe zur Messung auf einem nicht dargestellten Prüfstand untergebracht, mit welchem ein Schwingungsaufnehmer· 2, beispielsweise ein Beschleunigungsaufnehmer, verbunden ist. Der Prüfling 1 wird von einem nicht dargestellten Antrieb über eine Antriebswelle 3 angetrieben. Auf der Antriebswelle sitzen mehrere Zahnscheiben 4, die auf je einen induktiven oder optischen Signalgeber 5 wirken. Der jeweils benötigte Signalgeber 5 ist über einen Schalter J9 mit dem digitalen Frequenzteiler mit Phasenschieber 6 verbunden, dessen Ausgang 7 mit einem Eingang des Multipliziergliedes 9 und dessen Ausgang 8 mit einem Eingang des Multipliziergliedes 9a verbunden ist. Auf den Schwingungsaufnehmer 2 folgt ein von dem digitalen Frequenzteiler und Phasenschieber 6 automalisch umschaltbarcr Tiefpaß 10, dessen Ausgang mit den beiden weiteren Eingängen der Multiplizierglicdcr 9 und 9;i verbunden ist. ledern der beiden Multiplizierglieder folgt ein Tiefpaß 11 und Un und diesem ein Quadrierglied 12 und 12a.

Die Ausgänge der beiden Quadrierglieder sind mit je einem Eingang des Summiergliedes 13 verbunden, dem ein Logarithmiergüed 14 folgt, dessen Ausgang mit einem Meßinstrument 15 und mit einer Auswerteeinheit 16, die aus einer Kaskade von mehreren Schwellwertschaltern 17 mit zugeordneten Lampen 18 besteht, verbunden ist.
Bekanntlich ist bei Zahnradgetrieben die Leistung der

to Zahneingriffsfrequenz fz — dem Produkt der Drehfrequenz /"und der Zähnezahl rdes Antriebsritzels — ein Maß für die Laufruhe. Diese Meßgröße kann daher zur Qualitätsbewertung benutzt werden.
Auf dem Umfang der Zahnscheibe 4 sind k Zähne äquidistant angeordnet, wobei prinzipiell A^- = h · rhi. h ist eine Harmonische der Zahneingriffsfrequenz fz, nämlich der Frequenz, deren Leistung ermittel* werden soll.

Auf der Antriebswelle 3 sind mehrere Zahnscheiben 4 angeordnet, die gleichzeitig unterschiedliche Referenzsignale 30 hinsichtlich der Ordnung der Harmonischen und bezüglich der Baureihenunterschiede — Zähnezahl der verschiedenenAntriebsritzel — liefern. Über den Schalter 19 wird das dem jeweiligen Problemfall angepaßte Referenzsignal ausgewählt.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist k = 4 · r, d. h., das Referenzsignal hat die vierfache Frequenz des Meßsignals. Aus diesem Referenzsignal 30 wird eine Rechteckschwingung 32 generiert und eine um π/2 verschobene zweite Rechteckschwingung 33 erzeugt. Die Phasenverschiebung erfolgt digital.

Fig.2 zeigt den schematischen Aufbau des digitalen Frequenzteilers mit dem Phasenschieber 6 aus Fig. 1 und Fig. 3 den entsprechenden Impulsplan dazu. Die beiden Triggerflipflops 20 und 21 teilen die Frequenz des Signals 30 im Verhältnis 1 :2 und erzeugen Signal 32. Die nachgeschalteten NAND-Gatter 22, 23 und 24 bilden das um π/2 verschobene Referenzsignal 33. Beide Rechteckschwingungen 32 und 33 bedienen die analogen Schalter 9 und 9a in F i g. 1.

Bei der Multiplikation der Rechteckschwingunger, 32 und 33 mit dem Meßsignal entstehen Terme mit Summen- und Differenzfrequenzen, von denen nur der Gleichanteil ausgewertet wird. Ein Gleichteil entspricht einer Differenzfrequenz von null Hz; das bedeutet, daß die Summe der Leistungen der Gleichanteile der Leistung der Frequenz im Schallsignal proportional ist, die das amplitudenkonstante Referenzsignal vorgibt. Die Fourier-Reihendarstellung einer Rechteckschwingung mit der Taktperiode 1/4 enthält jede ungerade Oberwelle der Frequenz 4· Um eine Verfälschung des Leistungsanteils der Frequenz 4 durch die Leistungsanteile der Frequenzen fw,+1, / = 1, 2, 3 ... zu vermeiden, die alle einen Term mit Frequenz null Hz liefern, filtert

^r>^r> der Tiefpaß 10 das Schallsigna! 2 derart, daß im betrachteten Frequenzbereich 0 < f< h, in dem die Frequenz 4 entsprechend der Anregungsfrequenz variiert, die 3. Harmonische und damit alle weiteren stnrk gedämpft sind. Ist der Variationsbereich von 4

w größer als die 3fache untere Meßfrequenz /Ί, so ist eine Umschaltung der Grenzfrequenz des Eingangstiefpasses notwendig. Die automatisierte Bereichsumschaltung erfolgt durch das Referenzsignal. Die den Analogschaltern 9 und 9a folgenden Tielpässe 11 und 11a riegeln den

iis Gleichanteil gegen die höherfrequenten Mischproduktc ab. Die Tiefpaßgrenzfrequenz f_g bestimmt die Bandbreite B des Meßverfahrens : b = 2f„. Mit dem Ziel, die Leistung der Frequenz 4 im Meßsignal zu ermitteln, ist

die Bandbreite b kleiner als die halbe Grundwelle f,,. Die nachgeschalteten Quadricrer 12 und 12.7 besorgen die Leistungsmessung und eliminieren die Phasen. Der abschließende Logarithmiercr 14 nach dem Summicrglied 13 dient der in der Akustik üblichen Darstellung von Pegeln, die am Meßinstrument 15 angezeigt werden.

Der automatische Klassifikator 16 besteh¹, hier aus der Kaskade von Schwellwertschaltern 17. Sie schalten dem Meßergebnis entsprechend die Lampen !8, die das Klassifikationsergebnis optisch anzeigen oder veranlassen eine automatische Auswertung mit Prüfprotokollausdruck.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

609 511/354

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Signalverarbeitung von vorzugsweise akustischen Meßgrößen, angewendet zur serienmäßigen Qualitätskontrolle periodisch bewegter Maschinenelemente zum Erkennen und Orten von Geräuschquellen, insbesondere an Kraftfahrzeug-Baugruppen wie Hinterachse, Wechselgetriebe usw., mit Hilfe von mindestens einem Schwingungsaufnehmer und einem Antrieb für die drehenden Teile des Maschinenelementes, aus deren Drehzahl ein Referenzsignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schallsignal, das aus der Summe von zur Drehzahl harmonischen Signalkomponenten und einem breitbandigen stachastischen Störanteil besteht, mit dem Referenzsignal durch 'an sich bekannte Kreuzkorrelation verknüpft wird, indem durch Multiplizieren Terme mit Summen- und Differenzfrequenzen gebildet werden, von denen nur Gleichanteile ausgewertet werden, die der Differenzfrequenz null Hz entsprechen und damit die Signalanteile der Frequenz im Schallsignal kennzeichnen, die das Referenzsignal vorgibt, und daß aus diesen Gleichanteilen ein Anzeigewert gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichanteile durch Quadrieren in ihrer Leistung bestimmt werden, damit die Phasenabhängigkeit eliminiert wird und daß nach Summierung dieser Leistungswerte der Anzweigewert gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dynamikkompression des Anzeigewertes eingeführt wird, z. B. durch Logarithmieren.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenzsignals ein Mehrfaches der Frequenz des Meßsignals beträgt, dessen Leistung ermittelt werden soll. «o

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Referenzsignals das Vierfache der Frequenz des Meßsignals beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Referenzsignal ein digitales Signal mit der Frequenz des Meßsignals und ein dazu um nil verschobenes digitales Signal erzeugt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle (3) mindestens eine Zahnscheibe (4) vorgesehen ist, deren Referenzsignal (30) über einen Signalgeber (5) erfaßbar ist, daß dem Signalgeber ein digitaler Frequenzteiler mit Phasenschieber (6) nachgeschaitet ist, der aus dem Referenzsignal ein der Frequenz des Meßsignals gleichfrequentes Rechtecksignal (32) und ein dazu um nil phasenverschobenes Rechtecksignal (33) erzeugt, daß dem Schwingungsaufnehmer (2) ein Tiefpaß (10) zur Erlangung eines nach höheren Frequenzen begrenzten Schallsignals nachgeschaltet ist, daß ferner ein erstes Miltiplizierglied (9) vorgesehen ist, dem das gefilterte Schallsignal und das Rechtecksignal (32) zugeführt werden, daß ein zweites Multiplizierglied (91) vorgesehen ist, dem t>5 das gefilterte Schallsignal und das phasenverschobene Rechtecksignal (33) zugeführt werden, daß jedem Multiplizierglied ein Tiefpaß (11,1 lajund diesem ein Quadrierglied (12, 12a^ folgt und daß die Ausgänge der Quadrierglieder auf die Eingänge eines Summiergliedes (13) führen, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Logarithmiergliedes (14) verbunden ist, dessen Ausgang auf eine Anzeige- und/oder Auswerteeinheit (15,16) führt

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefpaßgrenzfrequenz umschaltbar ist und der Tiefpaß (10) mehrere Durchlaßbereiche aufweist

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung des Tiefpasses (10) automatisch durch das Referenzsignal (30) erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer (2) in der Befestigungseinrichtung fest installiert ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antriebswelle (3) mehrere Zahnscheiben (4) mit unterschiedlichen Zähnezahlen mit je einem Signalgeber (5) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die parallele Anordnung mehrerei- Einrichtungen, die von in der Harmonischen verschiedenen Referenzsignalen gesteuert werden, für verschiedene Frequenzen die Leistung getrennt erfaßt und zur Anzeige bringt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die parallele Anordnung zur gemeinsamen Leistungsmessung mehrerer Frequenzen benutzt wird, wobei die Einzelwerte bewichtet in einem Summierglied addiert werden und daraus ein Anzeigewert gebildet wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschaltung (6) zwei /K-Flipflops (20,21) und drei NAND-Gatter (22,23, 24) mit je zwei Eingängen aufweist, wobei die Referenzfrequenz (30) dem Takteingang des ersten //C-Flipflops (20) zuführbar ist, dessen beide Vorbereitungseingänge L-Signal führen, daß der Ausgang des ersten /K-Flipflops mit dem Takteingang des zweiten /K-Flipflops (21) und mit einem Eingang des ersten NAN D-Gatters (22) verbunden ist und daß der invertierende Ausgang des ersten /K-Flipflops (20) mit einem Eingang des zweiten NAN D-Gatters (23) verbunden ist, daß die Vorbereitungseingänge des zweiten JK- Flipflops L-Signal führen und daß am Ausgang des zweiten //(-Flipflops, der mit dem anderen Eingang des ersten NAN D-Gatters (22) verbunden ist, das Rechtecksigtial (32) mit der Frequenz des Meßsignals abgreifbar ist, daß der invertierende Ausgang des zweiten /K-Flipflops mit dem anderen Eingang des zweiten NAN D-Gatters (23) verbunden ist und daß schließlich die Ausgänge des ersten und zweiten NAND-Gatters mit den Eingängen des dritten NAN D-Gatters (24) verbunden sind, an dessen Ausgang das zum Rechtecksignal um nil phasenverschobene Rechtecksignal (33) abgreifbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Multiplizierglieder (9, 9a) Analogschalter vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Auswerteeinheit (16) aus einer Kaskade von mehreren Schwellwertschaltern (17) mit zugeordneten Lampen (18) besteht.