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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen
zur Überwachung
des Betriebs und der Verwendung einer Maschine. Genauer gesagt betrifft
die vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung
des Betriebs und der Verwendung einer Maschine für den Zweck der Diagnose des
mechanischen Zustands der Maschine auf der Grundlage derselben.
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Es
ist bekannt, Maschinenbetriebsparameter, wie zum Beispiel Maschinenschwingung,
-temperatur, -geräusch,
-kraft oder -druck, Motorstrom oder Schmieröltemperatur, -viskosität oder -zusammensetzung,
zu überwachen
und genannte überwachte
Parameter zum Zwecke des Bereitstellens eines Hinweises auf den Zustand
der Maschine auszuwerten. Zum Beispiel kann ein Thermoelement in
dem Schmiermittel-"Bad" angeordnet werden,
um den Maschinenbediener zu warnen, wenn die Temperatur des Öls einen
bestimmten vorab festgelegten Schwellenwert überschritten hat. In einem
anderen Beispiel, das sich auf Maschinenschwingung bezieht, reichen
Techniken, die zum Überwachen
und Analysieren von Maschinenschwingung für den Zweck des Lieferns eines
Hinweises auf den Zustand der Maschine verwendet werden, vom sehr
einfachen, wie zum Beispiel Berühren
oder Horchen an einer Maschine, bis zum sehr komplizierten, wie
zum Beispiel Detektieren von Zeitbereichssignalen, Umwandeln dieser
Signale in Frequenzbereichssignale und Verarbeiten der resultierenden
Frequenzbereichssignale mittels eines Computers. Techniken im unteren
Bereich des Spektrums der Überwachung
und Analyse sind allzu einfach und liefern keine zuverlässigen Ergebnisse,
während
Techniken im oberen Bereich des Spektrums zu kompliziert sind und
typischerweise derart teuer sind, daß sie deren allgemeine Verwendung
durch die meisten Maschinisten verbieten. US520192 beschreibt ein
Verfahren zur Überwachung
der Schwingungen eines Motors, das Schwingungssignale in einem Zeitfenster
abtastet. Von diesen Abtastwerten werden Effektivwerte genommen
und weiter analysiert.
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Dementsprechend
besteht ein Bedarf an neuen und verbesserten Überwachungs- und Analysetechniken
zum Bereitstellen einer Angabe des Zustands einer Maschine, wie
zum Beispiel eine Angabe der allgemeinen "Gesundheit" der Maschine, indem eine Laufgeschichte
oder ein Laufprofil des Betriebs bzw. der Nutzung der Maschine bereitgestellt
wird. Vorzugsweise würden
genannte Überwachungs-
und Analysetechniken zuverlässige
Ergebnisse bereitstellen, leicht verwendbar sein, relativ kostengünstig und
gestaltet sein, um die Betriebspraktiken der Maschine, wie zum Beispiel
als eine Komponente der vorhersehbaren/präventiven Instandhaltungsprozeduren
des Maschinenbedieners zu verbessern. Es besteht auch ein Bedarf
an neuen und verbesserten Analysetechniken zum Bereitstellen einer
Angabe der in einer Maschine verbleibenden nutzbaren "Lebensdauer", auf der Grundlage
von gegenwärtigem
letzten Maschinenbetrieb und gegenwärtig letzter Maschinenverwendung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
und weitere Bedürfnisse
werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, worin analoge Signale, die
als Reaktion auf einen oder mehrere Betriebsparameter einer Maschine,
wie zum Beispiel Schwingung, Temperatur, Geräusch, Kraft, Druck, Motorstrom
oder Schmieröltemperatur,
-viskosität
oder -zusammensetzung, erzeugt werden, in Effektivwerte (root-mean-square "rms") umgewandelt werden,
die periodisch abgetastet, in vorab definierte rms-Wert-Bänder einsortiert
und als ein entstehendes Verlaufsprotokoll des gegenwärtigen Betriebs
der Maschine gespeichert werden. Die in einem Maschinenbetriebverlaufsprotokoll
gespeicherten Daten können
analysiert werden, um den letzten Maschinenbetrieb und deren Verwendung
zu bewerten und eine Angabe der allgemeinen "Gesundheit" der Maschine bereitzustellen oder eine
Angabe der in der Maschine verbleibenden nutzbaren "Lebensdauer" bereitzustellen.
Zusätzlich
können
in dem Protokoll gespeicherte Daten als eine Komponente einer vorhersehbaren/präventiven
Instandhaltungsprozedur eines Maschinebetreibers analysiert werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine durch Kopplung
eines Wandlers mit der Maschine an einem Ort überwacht, an dem es wahrscheinlich
ist, Änderungen
der Höhe
von einem oder mehreren Betriebsparameter(n) des Maschinenbetriebs
zu detektieren. Der Wandler ist vorzugsweise gestaltet, um analoge
Signale zu erzeugen, die die Höhe
des detektierten Betriebsparameters kennzeichnen. Die analogen Signale
werden in rms-Signale umgewandelt, die periodisch abgetastet werden,
um rms-Abtastwerte zu erzeugen. Die rms-Abtastwerte werden entsprechend
der jeweiligen Höhe
oder Größe jedes
Abtastwerts verarbeitet und nachfolgend in zwei oder mehr Signalgrößenbänder einsortiert,
wo die Anzahl von in jedem der mindestens zwei Signalgrößenbänder detektierten
rms-Abtastwerte
mit der Zeit aufsummiert wird, um eine Angabe der Nutzung und des
Zustands der Maschine zu liefern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine durch
Koppeln eines Wandlers mit der Maschine an einem Ort, an dem es
wahrscheinlich ist, Änderungen
der Höhe
von einem oder mehreren Betriebsparameter(n) des Maschinenbetriebs
zu detektieren, überwacht.
Der Wandler ist vorzugsweise gestaltet, um analoge Signale zu erzeugen,
die die Höhe
des detektierten Betriebsparameters repräsentieren, und ist mit einer
Maschinensteuerung der Maschine operativ gekoppelt. Die analogen
Signale werden in rms-Signale
umgewandelt, die die Steuerung periodisch abtastet und damit übereinstimmende
rms-Abtastwerte erzeugt. Die Steuerung verarbeitet danach die rms-Abtastwerte
entsprechend der jeweiligen Höhe
oder Größe des Abtastwertes,
sortiert die rms-Abtastwerte in Abtastgrößenbänder ein, summiert die Anzahl
von rms-Abtastwerte in jedes von mindestens zwei Größenbändern ein
und verwendet die aufsummierten Anzahlen von aufsummierten rms-Abtastwerten
in den mindestens zwei Größenbändern, um
eine Angabe der Nutzung und des Zustands der Maschine zu liefern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Maschine durch Überwachen
von analogen Signalen, die für
den Betrieb der Maschine kennzeichnend sind, überwacht. Die analogen Signale werden
in rms-Signale umgewandelt, die periodisch abgetastet werden, um
rms-Abtastwerte zu erzeugen. Die rms-Abtastwerte werden entsprechend
der Größe oder
Höhe jedes
rms-Abtastwertes verarbeitet und in zwei oder mehr Abtastwertgrößenbänder einsortiert.
Die Anzahlen von rms-Abtastwerten werden in jedem von mindestens
zwei Abtastwertgrößenbändern aufsummiert
und die Anzahlen von aufsummierten rms-Abtastwerten in den mindestens
zwei Abtastwertgrößenbändern werden
verwendet, um eine Angabe der Nutzung und des Zustands der Maschine
zu liefern.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Überwachung einer
Maschine mit einer Steuerung einen mit der Maschine gekoppelten
Wandler. Zur Umwandlung von analogen Signalen, die vom Wandler empfangen
werden, in rms-Signale ist eine Schaltung vorgesehen. Die Maschinensteuerung
wird dann betrieben, um die Funktionen durchzuführen: periodische Abtastung
der rms-Signale zum Erzeugen von rms-Abtastwerten; Sortieren der
rms-Abtastwerte entsprechend der Höhe oder Größe jedes rms-Abtastwerts; Aufsummieren
der Anzahl von rms-Abtastwerten in jedem von mindestens zwei Größenbändern; und
Liefern einer Anzeige der Nutzung und des Zustands der Maschine
anhand der aufsummierten Anzahlen von rms-Abtastwerten, die in mindestens
einem der mindestens zwei Größenbänder aufsummiert
sind.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden für
Fachleute auf dem Gebiet anhand der folgenden Beschreibung ersichtlich
werden und können
mittels der darin besonders herausgestellten Mittel und Kombinationen
sowie durch die dazu äquivalenten
Mittel und Kombinationen erkannt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird sich unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen ergeben, in denen gleiche Zahlen gleiche Teile bezeichnen,
worin:
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1 eine
schematische Seitenansicht eines beispielhaften Maschinenwerkzeugs
mit einer daran installierten Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ein
Ablaufdiagramm zeigt, das den Ablauf eines bevorzugten Verfahrens
zur Durchführung
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
beispielhafte Darstellung einer Anzeige zeigt, die aufsummierte
Maschinenwerkzeugspindelschwingbeschleunigung zeigt, die gemäß einem
bevorzugten Verfahren zur Durchführung
der vorliegenden Erfindung gesammelt und angezeigt wird; und
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4 eine
beispielhafte Darstellung einer Anzeige zeigt, die Echtzeit-Maschinenwerkzeugspindelschwingbeschleunigung
und das Maximum des Spitzenwerts der Schwingbeschleunigung zeigt,
die gemäß einem
bevorzugten Verfahren zur Durchführung
der vorliegenden Erfindung überwacht,
gesammelt und angezeigt sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die zahlreichen
Figuren beschrieben, worin 1 eine schematische
Seitenansicht eines beispielhaften Maschinenwerkzeugs, wie zum Beispiel
eines vertikalen Bearbeitungszentrums 100 zeigt. Beim Lesen
der Beschreibung wird für
Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich sein, daß die Vorrichtung und das Verfahren
gemäß den zahlreichen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Bezug auf Maschinen mit alternativen
Konfigurationen, Strukturen und Betriebsweisen durchgeführt werden
können,
ohne aus dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu gelangen,
der nur durch den Wortlaut der beigefügten Ansprüche beschränkt ist. Zum Beispiel können die
Vorrichtung und das Verfahren gemäß den zahlreichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bei irgendeiner Kombination von anderen
Maschinenwerkzeugen, wie zum Beispiel Horizontal-Bearbeitungszentren,
Drehmaschinen, Fräsmaschinen,
Nachformfräsmaschinen,
Vorlageschneidemaschinen, Hobelmaschinen, Bohrmaschinen, Drillmaschinen,
Räummaschinen,
Gewindeschneidmaschinen, Schraubenschneidemaschinen, Fräsmaschinen,
Schleifmaschinen, Abkantpressen oder -ahlen, bei irgendeiner Kombination
von verbundmaterialbildenden Maschinen, wie zum Beispiel Faserbestückungsmaschinen oder
Verbundstoffbandauflegemaschinen, bei irgendeiner Kombination von
Robotermaschinen oder bei irgendeiner Kombination von irgendeiner
anderen Art von Maschine verwendet werden, wo ein Bedarf oder ein Verlangen
besteht, eine Angabe der Nutzung und des Zustandes derselben zu
erhalten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird/werden ein oder mehr Signalwandler
(der/die analog oder digital sein kann/können, aber vorzugsweise analog
ist/sind) zur Überwachung
einer Kombination von einem oder mehreren Betriebsparameter(n) oder
-charakteristiken eines Maschinenbetriebs, wie zum Beispiel Schwingung,
Temperatur, Geräusch,
Kraft, Druck, Motorstrom oder Schmieröltemperatur, -viskosität oder -zusammensetzung,
verwendet. Zum Liefern einer kostengünstigen Darstellung der Laufgeschichte
der Nutzung und des Betriebs der Maschine 100 werden Ausgabesignale
von den Wandlern verarbeitet. Zur leichteren Darstellung wird eine
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf ein System beschrieben,
worin ein einziger Wandler verwendet wird und als ein Beschleunigungsmesser 102,
der an einer Maschinenwerkzeugspindel 104 montiert ist,
zur Überwachung
von Beschleunigungskräften
ausgewählt
ist, die auf die Spindel während
Bearbeitungsvorgängen
ausgeübt
werden. Wie für
Fachleute auf dem Gebiet ersichtlich sein wird, können zusätzliche
Wandler mit weiteren Abschnitten der Maschine gekoppelt werden,
um weitere Eigenschaften des Maschinenbetriebs nach Bedarf für eine bestimmte
Anwendung zu überwachen.
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Zusätzlich zur
Geschichte des Maschinenbetriebs können Echtzeit-Maschinenbetriebszustände überwacht,
dargestellt und analysiert werden, um einem Bediener eine Angabe
der Echtzeit-Betriebszustände
der Maschine zu bieten und den Bediener vor irgendwelchen wesentlichen
Betriebsereignissen, wie zum Beispiel übermäßige Schwingbeschleunigung,
Schmieröltemperatur
oder dergleichen zu warnen.
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1 zeigt
eine mit der Maschine 100 gekoppelte Vorrichtung zur Verwendung
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
derselben, worin der Beschleunigungsmesser 102 von einer
Energiequelle angetrieben wird, die sich innerhalb eines mit der
Maschine 100 in herkömmlicher
Weise gekoppelten Schaltschranks 106 befindet. Vom Beschleunigungsmesser 102 erzeugte
analoge Signale werden von einer ersten elektrischen Schaltung 108 konditioniert
und zu einer Spannungsmeß-
und Analog-Digital-Wandler (Analog-To-Digital Converter "ADC")- Schaltung 110 geleitet,
so daß die
Beschleunigungskräfte
kennzeichnende digitale Signale zu einer computergestützten numerischen
Werkzeugmaschinensteuerung 112 zur Weiterverarbeitung geleitet
werden. Die erste elektrische Schaltung 108 enthält Verstärkungs-
und -Effektivwert (root-mean-square "rms")-Signalerzeugungskomponenten.
Es wird bemerkt, daß die
Funktionen der ersten elektrischen Schaltung 108 durchführende Schaltung
im Beschleunigungsmesser 102 enthalten sein kann, so daß Effektivwert-Signale
direkt vom Beschleunigungsmesser 102 statt von einer separaten
Schaltung, wie zum Beispiel erste Schaltung 108, erzeugt
werden. Beschleunigungsmesser beider Arten sind von einer Anzahl
von Herstellern, enthaltend zum Beispiel PCB Peizotronics of Depew,
New York, käuflich.
Normale Steuerabtastung der rms-Signale
mit einer relativ geringen Abtastrate ist zur Kennzeichnung der
Betriebsbedingungen der Maschine 100 im Zeitablauf geeignet.
Aus diesem Grunde kann die ADC-Schaltung 110 die Gestalt
einer kostengünstigen,
käuflichen
Computer-Schnittstellenkarte annehmen, da eine digitale Signalverarbeitungskarte
mit hoher Abtastrate (wie sie für
komplizierte Schwingungssignalanalyse in vorhandenen Systemen üblicherweise verwendet
wird) nicht erforderlich ist. Zum Beispiel sieht die vorliegende
Erfindung angemessene Abtastraten im Bereich von einer Abtastung
pro Millisekunde bis zu einer Abtastung pro 10 Sekunden vor. Statt
daß eine separate
ADC-Schaltung 110 vorgesehen wird, können alternativ rms- Abtastwerte von der
ersten Schaltung 108 direkt zur Maschinensteuerung 112 geliefert
und gemäß der vorliegenden
Erfindung verarbeitet werden. Statt eine separate erste Schaltung 108 vorzusehen,
können
ferner rms-Abtastwerte vom Beschleunigungsmesser 102 direkt
zur Maschinensteuerung 112 geliefert und gemäß der vorliegenden
Erfindung verarbeitet werden.
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In
jedem Fall werden rms-Abtastwerte, die auf die Spindel 104 ausgeübte Beschleunigungskräfte kennzeichnen,
von der Steuerung 112 empfangen und zur Quantifizierung
der allgemeinen Schärfe
des Betriebs der Maschine 100 verarbeitet. Da rms-Signalwerte verwendet
werden, können
Ereignisse von kurzer Dauer, wie zum Beispiel Impulse, aufgrund
der niedrigen Abtastrate nicht detektiert werden. In ähnlicher
Weise können
Spitzenamplituden von bestimmten Ereignissen undetektiert bleiben.
Jedoch kann der allgemeine Trend der Eigenschaften und Bedingungen
des Maschinenbetriebs und der Maschinenverwendung anhand der mit
einer bestimmten vorab festgelegten Abtastrate mit im Zeitablauf
erfaßten
rms-Abtastwerte bestimmt werden.
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Gegenwärtig erhältliche
Analysesysteme, die den Anmeldern bekannt sind, verlangen komplizierte Computerprozessoren,
die mit einem großen
Maß von
Computerspeicher ausgestattet sind, um Daten für mehrere Schwingungsspektren
zu speichern. Wenn nur begrenzter Speicher zum Erfassen, Speichern
und Analysieren von Abtastdaten zur Verfügung steht, können nur
die Gesamthöhen
oder Frequenzbandhöhen überwacht
werden, um die Daten im Zeitablauf hochzurechnen. Wenn die Gesamthöhen ansteigen,
wird ein Alarm geliefert, um einen sich verschlechternden Zustand
der Maschine anzuzeigen. Während
genannte Überwachung
zum Detektieren von durch Abnutzung oder Ermüdung verursachte Gerätefehler
von Maschinen mit relativ stabilen und konsistenten Betriebsbedingungen
geeignet ist, ist es für
Maschinen nicht geeignet, die unter instabilen und veränderlichen
Bedingungen in Betrieb sind. Das heißt, daß herkömmliche Ermüdungsanalyseverfahren einen
im wesentlichen kontinuierlichen Betriebszustand mit Betriebseigenschaften,
die sich im Zeitablauf nicht wesentlich verändern, voraussetzen. Andererseits
setzt eine typische Maschinenwerkzeugnutzung die Maschine 100 breit
variierenden Betriebsbedingungen aus. Zum Beispiel kann die Verwendung
von unterschiedlichen Werkzeugausstattungen und/oder unterschiedlichen
Schneidtiefen unterschiedliche Schwingbeschleunigungshöhen der
Maschine 100 auferlegen, um höherer oder geringere Nutzungs-
oder Mißbrauchsgrade
zu erzeugen. Diesbezüglich
ist die vorliegende Erfindung geeignet, um Maschinenbetriebsvorgänge und
Betriebsschärfe
für stabile
und konsistente Betriebsbedingungen sowie für instationäre oder variierende Betriebsbedingungen
zu überwachen.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß sie
nicht die Verwendung eines Standard-"Instandhaltungszyklus" verlangt, um den Zustand
der Maschine zu bestimmen, sondern statt dessen Betriebsbedingungen
auf der Grundlage von aufsummierten Daten bestimmen kann, die die
tatsächliche
Verwendung und den tatsächlichen
Betrieb der Maschine 100 kennzeichnen.
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Ein
beispielhaftes Verfahren gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann auf einem Computer oder Computerprozessor
mit nur einem beschränktem
Umfang an Computerspeicher implementiert werden, obwohl die hierin
beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen auf leistungsfähigeren
Rechnern auch implementiert werden können. Wie unten detaillierter
beschrieben wird, muß der
Computer nur zum Speichern von einzelnen Anzahlen für jedes
von zwei oder mehr Beschleunigungskraftbändern und/oder zum Erhöhen von
zwei oder mehr Zählern
zum Aufsummieren von Daten innerhalb von ausgewählten Schwingbeschleunigungsbändern fähig sein.
Ferner können
durch die Verwendung der Abtastrate der Steuerung 12, wie
in einer alternativen Ausführungsform
davon, Zeitdauern des Aussetzens der Maschine 100 einer
Messung von Beschleunigungshöhen
der Spindel 104 auch abgeschätzt werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird ein Verfahren zur Durchführung der
vorliegenden Erfindung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
derselben detaillierter beschrieben. Wie oben beschrieben ist, liegt
der Wandler in Form eines mit einer Maschinenwerkzeugspindel 104 gekoppelten
Beschleunigungsmessers 102 vor und ist zur Ausgabe eines
analogen Signals 103 gestaltet, das die Höhe oder
die Größe der auf
die Spindel 104 ausgeübten
Beschleunigungskräfte
kennzeichnet. Die erste Schaltung 108 empfängt das
analoge Signal 103 kontinuierlich und konditioniert das
analoge Signal 103, zum Beispiel durch Verstärkung desselben.
Die Schaltung 108 berechnet auch periodisch zeitlich gemittelte
Effektivwerte 109 des Signals 103 und speichert die
rms-Werte 109, bis zu dem Zeitpunkt, wenn ein neuer rms-Wert 109 berechnet
wird, wobei zu dem Zeitpunkt der neue rms-Wert 109 den
alten Effektivwert ersetzt.
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Bei
einer bestimmten vorab festgelegten Abtastrate, zum Beispiel ein
Abtastwert pro Sekunde, programmiert in der ADC-Schaltung 110,
erhält
oder erfaßt
die ADC-Schaltung 110 den aktuellen Wert des rms-Werts 109 des
analogen Signals 103 oder tastet diesen auf andere Weise
ab und bestimmt die Höhe
oder die Größe des rms-Werts 109.
Die ADC-Schaltung 110 versorgt danach die Maschinensteuerung 112 mit
dem abgetasteten rms-Wert 109 und noch bevorzugter mit
dem Absolutwert der abgetasteten rms-Werte 109.
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Die
Maschinensteuerung 112 ist derart programmiert, daß sie zwei
oder mehr Bandbreitenzähler-"Behälter" enthält, die
Zählerwerte
speichern, die vorab ausgewählten
Bändern – oder Bereichen – von aufgenommenen
rms-Werten 109 entsprechen, und die Größen der aufgenommenen rms-Werte 109 in
die zwei oder mehr Bandbreitenzähler
einsortiert. Zum Beispiel liefert die Maschinensteuerung 112 einen
ersten Bandbreiten-"Behälter" zum Zählen der
Anzahl von rms-Abtastwerten 109, die in einen ersten Bereich
zwischen 0 g und 15 g fallen, einen zweiten Bandbreiten-"Behälter" zum Zählen der
Anzahl von rms-Abtastwerten 109, die in einen zweiten Bereich
zwischen 15 g und 30 g fallen, einen dritten Bandbreiten-"Behälter" zum Zählen der
Anzahl von rms-Abtastwerten 109, die in einen dritten Bereich
zwischen 30 g und 40 g fallen, und einen vierten Bandbreiten-"Behälter" zum Zählen der
Anzahl von rms-Abtastwerten 109, die größer als 40 g sind. Wenn die Maschinensteuerung 112 jeden
rms-Abtastwert 109 empfängt,
vergleicht die Maschinensteuerung 112 den rms-Abtastwert 109 mit
den vorab festgelegten Bandbreiten-"Behälter"-Bereichen. In Abhängigkeit
davon, in welchen Bandbreiten-"Behälter" der rms-Abtastwert 109 fällt, erhöht die Maschinensteuerung 112 den
entsprechenden Bandbreiten-"Behälter"-Zähler entsprechend.
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Wenn
zum Beispiel die Maschinensteuerung 112 ermittelt, daß der rms-Abtastwert 109 zwischen
0 g und 15 g liegt, wird ein erster Bandbreiten-Zähler CTR1
um einen Wert von eins erhöht.
Wenn statt dessen die Maschinensteuerung 112 ermittelt,
daß der
rms-Abtastwert 109 zwischen 15 g und 30 g liegt, wird ein
zweiter Bandbreiten-Zähler
CTR2 um einen Wert von eins erhöht.
Wenn die Maschinensteuerung 112 ermittelt, daß der rms-Abtastwert
zwischen 30 g und 40 g liegt oder größer als 40 g ist, wird in ähnlicher
Weise in dritter bzw. vierter Zähler
CTR3, CTR4 um einen Wert von eins erhöht. Da jeder Zähler entsprechend
den rms-Abtastwerten 109 erhöht wird,
erhält
die ADC-Schaltung 110 zusätzliche rms-Abtastwerte 109.
Auf diese Weise kennzeichnen die in jedem der Bandbreiten-"Behälter" aufsummierten Zählerwerte
Messungen der Trends der Maschine 100 bezüglich des
Arbeitens unter bestimmten Betriebsbedingungen. Jeder der Zähler kann
auf Null zurückgesetzt,
zum Beispiel wenn eine neue Spindel 104 auf der Maschine 100 installiert
wird und wenn eine Aufrechterhaltung der Betriebsgeschichtendaten,
die zuvor bezüglich
der früheren
Spindel erfaßt
worden sind, nicht erforderlich ist.
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Während die
bevorzugte Ausführungsform
unter Bezugnahme auf vier Bandbreiten-"Behälter" beschrieben worden
ist, kann irgendeine Anzahl von "Behältern", die größere oder
kleinere Bereiche kennzeichnen, verwendet werden, wenn der Maschinenbediener
dies für
den besonderen Typ und die allgemeine Betriebsumgebung der Maschine
für passend
ansieht. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß wesentliche
Computerressourcen, wie zum Beispiel Speicher, nicht erforderlich
sind, um das Verfahren durchzuführen.
Da zum Beispiel der Computer nur die Zählerwerte speichert, ist ein
einziges Speicherregister für jeden
der Bandbreiten-"Behälter" alles, was erforderlich
ist. Riesige Computerspeicherressourcen (wie sie im Stand der Technik
zum Speichern von Schwingungsspektren verwendet werden) sind nicht
notwendig.
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Unter
Bezugnahme auf 3 können für jedes dieser Bänder 120 aufsummierte
Daten auf einer Anzeigeeinrichtung 114 der Steuerung 112 angezeigt
werden, wo kumulierte Daten in Form eines ersten Histogramms 114a angezeigt
werden. Auf 4 auch bezugnehmend, kann zusätzlich ein
zweites Histogramm 114b auf der Anzeigeeinrichtung 114 angezeigt werden,
um die Größe des zuletzt
aufgenommenen rms-Werts 130, den maximalen rms-Wert 132,
der während
einer bestimmten vorab festgelegten Periode abgetastet wurde sowie
weitere gewünschte
Daten (nicht gezeigt), die sich auf den Maschinenbetrieb beziehen,
zu zeigen. Um den Maschinenbediener mit nützlicher Information bezüglich der
Art von Betriebsbedingungen, die bestimmte vorab festgelegte Schwellenwerte überschreiten,
zu versorgen, kann eine begrenzte Anzahl von Ereignisartbeschreibungen
mit den Daten gespeichert werden. Da das System auf der Maschine
eingebettet, das heißt
in die Steuerung 112 eingebaut ist, statt daß es in
einer separaten Computersteuerung vorgesehen ist, können in ähnlicher
Weise Alarme und Warnungen von der Steuerung 112 auf der
Grundlage von Daten, die vom Wandler aufgenommen sind, erzeugt werden,
um den Maschinenbediener über
kritische Betriebsereignisse, wie zum Beispiel eine Spindelschwingbeschleunigung,
die einen bestimmten vorab festgelegten Schwellenwert überschreitet,
zu informieren.
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Die
in der vorliegenden Erfindung aufsummierten Daten können auch
zum Berechnen eines Maßes für die "verbrauchte Lebensdauer" oder "verbleibende Lebensdauer" einer Maschine verwendet
werden, das den bekannten "aufsummierten
Ermüdungsschadenfaktor
(Accumulated Fatigue Damage Factor "AFDF") und/oder "L10"- oder "B10"-Lebensdauerberechnungen ähnelt. Typische
Berechnungen der "verbrauchten
Lebensdauer" oder
der "verbleibenden
Lebensdauer" basieren
auf zyklischer Spannung, so daß die
Anzahl von Zyklen bei einer bestimmten Spannungshöhe erforderlich
ist. In der vorliegenden Erfindung wird die Anzahl von Spannungszyklen
nicht genau festgestellt, da Daten nicht kontinuierlich aufgenommen
werden, und demzufolge die Anzahl von Zyklen nicht genau aufgezeichnet
wird. Eine Anzahl von Verfahren kann jedoch verwendet werden, um
kumulierte Schädigung
auf der Grundlage von Daten abzuschätzen, die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgenommen worden sind.
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Ein
Verfahren nimmt an, daß die
Zyklen hauptsächlich
auf folgenden Faktoren beruhen: der Drehgeschwindigkeit der Spindel 104,
der Anzahl von Stößen der
Schneidkante des Werkzeugs auf das Werkstück und/oder der Eigenfrequenz
der Maschine 100. Da die Vorrichtung in der Steuerung 112 eingebettet
ist, können
weitere Messungen mit der gemessenen Spindelschwingbeschleunigung,
wie zum Beispiel Spindelgeschwindigkeit, Pferdestärke, Vorschub
von Achsen, Achsenmotorstrom und dergleichen verbunden werden und
alleine oder in Kombination miteinander verwendet werden, um ein
Spannungsprofil zu erzeugen. Die Auswahl eines verwendeten bestimmten
Werkzeugs und dessen "Kraftprofil" können auch
mit Schwingungsmessungen verbunden werden.
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Maschinenbewertungstechniken,
die auf Grundlinien-Versuchsmessungen (baseline empirical measurements)
basieren, können
in einem "Lernzyklus" zur Verwendung in
einem Schadenermittlungsalgorithmus benutzt werden. Fuzzy logic-artige
Algorithmen würden
für derartige
Maschinenbewertungstechniken geeignet sein. Siehe zum Beispiel:
wobei:
- n
- = Anzahl von Spannungsereignissen;
- σ
- = Größe des Spannungsereignisses;
und
- b
- = Steigung von log-log-S-N-Kurve.
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Für die vorliegende
Erfindung wird die Verwendung von Information, die in der Steuerung 112 leicht verfügbar ist,
erweitert. Das heißt,
daß die
Anzahl von Spannungsereignissen, n, derart definiert wird, daß sie Spannungsereignisse
enthält,
die anhand von mehreren Meßwerten,
wie zum Beispiel Spindelgeschwindigkeit, Anzahl von Zähnen auf
Schneider, empirisch ermittelte vorherrschende Schwingung und Frequenz,
bestimmt sind. Die Anzahl von Spannungsereignissen, n, kann danach
in Gleichung 1 verwendet werden, um den AFDF zu berechnen, der danach
in einer herkömmlichen
Weise zur Bestimmung des von der Maschine erlittenen kumulierten
Ermüdungsschadens
verwendet werden kann.
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Zum Beispiel:
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- n
- (rpm, m) = Anzahl
von angenommenen Zyklen der vorherrschenden Schwingung vom Beschleunigungsrand,
hinsichtlich derer angenommen wird, daß sie Zahnstöße sind,
so daß,
wenn die Spindelgeschwindigkeit = 2000 U/min ist und die Anzahl
von Schneidzähnen
m = 6 ist, dann:
n = 2000 U/min × 6 Zähne = 12.000
Zyklen/min ist.
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Somit
werden für
jede Minute bei rms von 10 g bei 2.000 U/min mit diesem Schneider
12.000 Spannungszyklen mit einer Größe von 10 g angenommen.
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In ähnlicher
Weise können
die Spannungsereignisse durch Betriebsschärfeberechnungen, nicht nur auf
der Schwingbeschleunigungshöhe,
sondern auch auf der kombinierten Dosierung von Spindelpferdestärke, Achsschub,
Schwingung, etc. σ (x, hp, Iaxis)definiert
werden.
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Ein
derartiger eingebetteter Algorithmus wird danach zum Anzeigen der
verbleibenden Lebensdauer verwendet: Erwartete
Lebendauer – AFDF-Verwendung
= verbleibende Lebensdauer.
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Während die
Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt worden ist und genannte bevorzugte Ausführungsformen
in erheblichem Maße
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben worden sind, ist
es nicht die Absicht der Anmelder, daß die Erfindung auf genannte
Details beschränkt
wird. Statt dessen ist es die Absicht der Annmelder, daß die Erfindung
durch alle Äquivalente
der bevorzugten Ausführungsformen
definiert wird, die in deren Schutzbereich fallen.
