SE503192C2 - Anordning och förfarande för verktygsövervakning genom analys av en vibrationsignals växel- och likspännings- komponenter - Google Patents

Description

G1 Q) ul I N US,A,4.83l.365 beskriver ett sätt att detektera enbart verk- tygsförslitning. För att uppnå detta bildas en kvot mellan hög- och lågfrekventa signaler, vilka saknar likströmskomponent.

Sammanfattning av uppfinningen En anordning enligt uppfinningen för att bestämma tillståndet hos ett verktyg innefattar organ för att avkänna verktygets vibrationer för att alstra vibrationssignaler och organ för databehandling och jämförelse av dessa signaler samt uppvisar i kravs 1 kännetecknande del angivna kännetecken.

Ett sätt enligt uppfinningen att bestämma tillståndet hos ett verktyg, varvid verktygets vibrationer avkännes, för att alstra vibrationssignaler, vilka jämföres efter databehandling upp- visar i kravs 10 kännetecknande del angivna förfarandesteg.

Redogörelse för ritningen Fig. l är ett blockdiagram över uppfinningen.

Fig. 2 är ett flödesschema vid programmering av i fig. 1 an- vända datorer enligt en möjlig utföringsform.

Fig. 3 är ett flödesschema avseende en utföringsform vid pro- grammering av en bedömningsdator som användes i fig. 1.

Fig. 4, slutligen, är ett flödesschema av ett andra utförande vid programmering av en av nämnda datorer.

Detaljerad beskrivning I fig. 1 visas en vibrationssensor såsom en accelerometer 10 vilken är monterad på eller intill ett verktyg (icke visat) av i ovannämnda patent beskrivet slag, och som har en band- bredd av från t.ex. 5 Hz till 70 kHz. Vid en viss utförings- form användes en Vibrametrics av typ VM 1018 tillverkad Vibra-Metrics, Inc., Hamden, Connecticut, USA. Denna 3 accelerometer har i monterat läge en resonansfrekven av omkring 60 kHz och är användbar till omkring 70 kHz. Andra accelerometrar kan användas. Utgangssignalen från sensorn 10 pålägges ett bandpassfilter cBPF1 12. som har ett pass- band som är generellt utvalt att genomsläppa frekvenser som anger onormalt verktygstillstànd, t.ex. ett brutet eller slitet verktyg samt filtrera eller förkasta frekvenser som anger normal maskinbearbetning och bakgrundsbrus. Detta passband befinner sig typiskt mellan omkring 30 till 70 kHz, även om andra passband kan användas i beroende av materialet nos verktyget och arbetsstycket, skärhastigheten etc. Signalen från BPF 12 pàlägges en energidetektor inne- fattande en helvågs-(FW-)likriktare 12 och ett lagpass- filter (LPFJ 16. En helvågslikriktare föredrages, eftersom den har hög känslighet: emellertid kan andra typer av likriktare, t.ex. en halvvågslikriktare användas. I sin tur pålägges den likpoliga utgången från likriktaren 12 låg- passfiltret (LPF) 16, som typiskt har en kapningsfrekvens av omkring 500 Hz. Utgångssignalen från LPF 16, som har en tidsvarierande amplitud som representerar den varierande energin i signalen från BPF 12, pálägges en analog/digital omvandlare (ADC) 18 som har en typisk samplingsfrekvens av omkring 2 kHz. Det inses sålunda att LPF 16 förutom dess funktion såsom en del av energidetektorn, är ett felsignal- filtrerande filter för ADC 18. Om så önskas kan dessa funktioner utföras av separata LPF-enheter. Andra frek- venser kan användas till kapningsfrekvensen hos LPF 16, och samplingsfrekvensen hos ADC 18. Kapningsfrekvensen hos LPF 16 skall emellertid icke vara större än halva samplingsfre- kvensen hos ADC 18.

Den digitala signalen fràn ADC 16 pålägges en dator 20 (tracking computer) som beräknar signalens medelvärde som är proportionell mot kvadratroten ur likströmsspännings- värdet. Sålunda avges en signal som är en funktion av likspänningsvärdet av den digitala signalen från datorn 20 till ett jämförelseorgan såsom en bedömningsdator 22 för 4 verktvjstillstano. och även till en dator 34. Pa liknande sätt pålägges den digitala signalen fran ADC 18 en dator 24 som beräknar medelvärdet av kvadratroten ur skill aden mellan samplingen och medelvärdet. Sålunda tillföres datorn 22 en signal som är en funktion av växelspänningen eller variansen av den digitala signalen.

Det har befunnits att genom tillföra en signal till datorn 22 som är en funktion av växelspänningen Lvariansen) utöver en signal som är en funktion av likspänningen (medelvärdet) erhålles en mer tillförlitlig indikation på verktygsbrott och en indikation på verktygsförslitning. Utgångssignalen från bedömningsdatorn 22 påverkar ett ljudande och/eller visuellt alarm 26, sa att en operatör kan stänga av den maskin som använder verktyget. En automatisk avstängnings- eller urkopplingskrets kan även användas.

I fig 2 visas programmering av datorerna 20 och 24 med programmets START visat av en anslutningsplint 201. Därpa göres en ny signalsampling (Xi) vid samplingsfrekvensen, t.ex. 2 kHz, såsom anges av ett behandlingsblock 203 och lagras såsom anges av ett behandlingsblock 205. Därefter beslutar ett beslutsblock 207 huruvida N + 1 sampel har lagrats. Om svaret är NEJ, ledes programmet tillbaka i en slinga till behandlingsblocket 203 till dess att N + 1 sampel lagrats, dvs svaret till block 207 är JA. Därefter förkastas det äldsta (längst tillbaka i tiden liggande) samplet såsom anges av behandlingsblocket 209. Därefter behandlas medelvärdet (i) för återstående N sampel såsom anges av behandlingsblocket 211. Medelvärdet tlikspän- ningen) tillföres datorn 22.

Medelvärdet tillföres även benandlingsblocket 213 där kvadratroten ur skillnaden deviationen mellan medelvärdet ri) och det löpande eller aktuella sampelvärdet (x) beräk- nas. Därefter, säsom anges av behandlingsblocket 215, lagras skillnaden (D). Beslutsblocket 217 visar att en E' .J L.

U " kontroll göres för att säkerställa om N + 1 värden p lagras, varvid ett typiskt värde för såväl N som M ligger mellan omkring 16 och 64, även om andra värden kan använ- das. Om svaret är NEJ löper programmet till behandlings- blocket 203. Om svaret är JA bortses från det äldsta värdet på D såsom anges av behandlingsblocket 219. Därpå beräknas medelvärdet av oz (variansen) av återstående antal M vär- den, vilket utgör växelspänningen, såsom anges av behand- lingsblocket 221. Det skall märkas att det första korrekta värdet på U* erhålles efter (N+M+2> samplingar, och där- efter tillhandahålles korrekta värden vid varje samplings- tillfälle. Värdet på U* tillföres en dator 22 och pro- grammet löper tillbaka till behandlingsblocket 203.

Det inses att andra utföringsformer är möjliga för det i fig 2 visade flödesschemat. Exempelvis kan för att förenkla databehandlingen behandlingsblocket 23 elimineras och medelvärdet för uttrycket x,-X beräknas som är proportio- nellt mot kvadratroten ur växelspänningen. Detta kan jämfö- ras med í även kvadreras för att bilda ff som är proportionell mot likspänningen och jämföras med o* Iväxelspänningen). Jämfö- relserna utföres av bedömningsdatorn 22 Fig 3 visar flödesschemat för en möjlig utföringsform av mjukvaran till bedömningsdatorn 22. värdena på X och oi tillföres ett behandlingsblock 301 som dividerar af med i för att beräkna förhållandet R. Värdet pá R tillföres ett behandlingsblock 303 som beräknar É, dvs medelvärdet för R av ett utvalt antal sampel, t.ex. 16-64, även om andra värden kan användas. Värdet på R och É tillföres ett be- slutsblock 305. i vilket R jämföres för att se om det är större än C,§ eller mindre än C,fi. Konstanterna C, och C, uppgår typiskt till 0.5 respektive 2, även om andra värden kan användas. Om svaret är NEJ, innebär detta att R har plötsligt förändrats i jämförelse med Ä vilket med största sannolikhet förorsakats av verktygsbrott, och därför akti- f. vx z a; _«Q !. _ 6 t besluts- H 26. Värdet pa É tillföres även e block 307 där det än ett utvalt skattningsvärde T. Värdet pa basis av tidigare erfarenhet med aktuell verktygstyp och Všffiš läfmšï jämföres för att utröna om det är mindre T utvälšes pa material, det bearbetade materialet, skärhastigheten etc.

Om svaret är NEJ är den mest sannolika orsaken gradvis verktygsförslitning, och larmet 26 aktiveras.

Det inses att manga andra utföringsformer är möiliga inom ramen för uppfinningens grundtanke och skyddsomfang. Exem- pelvis har datorerna 20, 22 och 24 visats sasom separata datorer i förklarande syfte men de kan i praktiken besta av en enda dator, t.ex. en mikroprocessor. Vidare kan dessa datorer ersättas av analoga eller digitala hardvaruekviva- lenter såsom känt pà omradet.

En andra utföringsform för benandlingsdatorn 20 använder den det viktade medelvärdessambandet: í = k,x + k,í. där ílt,) är den aktuella uppskattningen av det viktade medel- värdet, x«t,> är det aktuella sampelvärdet, í tidigare medelvärdet, och K, och K, är första respektive Sá att K, + K, = 1. 4 Fig 4 är ett flödesschema av detta program som ersätter stegen 203, 205, 207, 209 och 211 i fig 2. behandlingsblocket 401 astadkommes ett första sampelvärde xtto) och det lagras såsom visas i behandlingsblocket 403. ênflrâ Künßïânteï, t.eX.

Sàsom visas av Detta utgör del av en initialiseringsprocedur sàsom nedan förklaras. I blocket 405 samplas det löpande signalvärdet x(t¿), där i = 0, 1, 2, 3,... efter med K, lblock 407). Den resulterande produkten K,(t,) etc och multipliceras där- lagras såsom visas av blocket 406.

Nästa steg är att läsa det tidigare medelvärdet (block 409). vad gäller det första sampelvärdet x finnes inget tidigare medelvärde. Initialiseringsproceduren innebär sålunda att själva det första sampelvärdet, vilket lagrades 7 sàsom anges av blocket 403. användes sasom värde pa det tidigare medelvärdet för det första sampelvärdet sasom visas av den streckade linjen. För samtliga efterföljande sampel finnes ett korrekt tidigare medelvärde vilket använ- des. Det tidigare medelvärdet multipliceras med K, (block 411) och därefter beräknas summan K,x(t,) + K,í (block 413) och denna summa är X(t,1, som därefter ersätter det tidigare medelvärdet ï(t,_,) sàsom visas av block 415.

Det viktade medelvärdet í(t,) tillföres därefter steg 213 i fig 2 och programmet löper tillbaka till block 405.

Ett lämpligt val av värden pà konstanterna är K, = 0,2 och K, = 0,8 som begränsar möjligheten att ett falskt eller av störningar förorenat nytt signalsampel pa ett inkorrekt sätt påverkar medelvärdet. Ett annat val är K, = 0,8 och K, = 0,2 för att snabbt svara mot förändringar av sampel- värdena. Ett ytterligare annat möjlig val är lika viktning, dvs K, = K, = 0,5.

Claims (15)

f .v I {___'*'. | Patentkrav

1. Anordning för att bestämma tillståndet hos ett verktyg, innefattande organ för att avkänna verktygets vibrationer för att alstra vibrationssignaler och organ för databehandling och jämförelse av dessa signaler, k ä n n e t e c k n a d a v att det vibrationsavkännande organet (10) för till- ståndsbestämning genom detektering av såväl förslitning som eventuellt brott är inrättat att alstra vibrationssignaler med både växel- och likspänningskomponenter, och att data- behandlingsorganen innefattar organ (20) för att databehandla en första signal som är en funktion av vibrationssignalens likspännings- komponent, organ (24) för att databehandla en andra signal som är en funktion av vibrationssignalens växelspänningskompo- nent, och organ (22) för att jämföra de första och andra signalerna.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v att den första signalen är proportionell mot likspän- ningen eller mot kvadratroten ur likspänningen.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a d a v att den andra signalen är proportio- nell mot växelspänningen eller mot kvadratroten ur växel- spänningen.

4. Anordning enligt något av krav 1-3, k å n n e - t e c k n a d a v att jämförelseorganet innefattar organ (301) för att bilda ett förhållande mellan de första och andra signalerna, organ för att bilda ett medelvärde till detta förhållande, organ för att jämföra förhållandet med förhållandets medelvärde och organ för att jämföra medel- värdet med ett utvalt skattningsvärde.

5. Anordning enligt något av krav 1-4, dessutom inne- fattande ett passbandfilter (12) anslutet till avkännings- organet, k ä n n e t e c k n a d a v en energidetektor (14, 16) ansluten till filtret och en analog-digital om- vandlare (18) med en ingång ansluten till energidetektorn och en utgång ansluten till båda sagda databehandlingsorgan (20, 24).

6. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d a v att bandpassfiltret (12) har ett passband mellan om- kring 30-70 kHz och/eller att energidetektorn innefattar en helvågslikriktare (14) och ett lågpassfilter (16) anslutet till likriktaren.

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d a v att lågpassfiltret har en kapningsfrekvens av omkring 500 Hz.

8. Anordning enligt krav 1-7, k ä n n e t e c k n a d a v av att det första signalbehandlingsorganet innefattar organ (211) som bildar en summa av ett utvalt antal samp- lingar av vibrationssignalen samt organ för att dividera denna summa med det utvalda antalet.

9. Anordning enligt något av krav 1-8, k ä n n e - t e c k n a d a v att det första signalbehandlingsorganet innefattar organ (405, 407) för att bilda en första produkt av en första utvald konstant och ett axiellt sampelvärde, organ (409, 411) för att bilda en andra produkt av en andra- utvald konstant och ett tidigare sampelmedelvärde samt organ (413) för att summera den första och den andra pro- dukten, vilken första och andra konstant företrädesvis upp- går till omkring 0,2 resp. 0,8. 10

10. Sätt att bestämma tillståndet hos ett verktyg, varvid verktygets vibrationer avkännes för att alstra vibrationssignaler, vilka jämföres efter databehandling, k å n n e t e c k n a t a v att för tillstàndsbestämning genom detektering av såväl förslitning som eventuellt brott alstras vibrations- signaler med både växel- och likspänningskomponenter, att en första signal som är en funktion av vibra- tionssignalens likspänning databehandlas, att en andra signal som är en funktion av vibra- tionssignalens växelspänning databehandlas, och att de första och andra signalerna jämföres.

11. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t a v att att den första signalen som avkännes är proportionell mot likspänningen eller mot kvadratroten ur likspänningen.

12. Sätt enligt krav 10 eller ll, k ä n n e t e c k - n a t a v att den andra signalen som avkännes är propor- tionell mot växelspänningen eller mot kvadratroten ur växelspänningen.

13. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t a v att jämförelsesteget innefattar bildning av förhållandet mellan de första och andra signalerna, bildning av ett medelvärde av detta förhållande, jämförelse av förhållandet med medelvärdet och jämförelse av medelvärdet med ett ut- valt skattningsvärde.

14. Sätt enligt något av krav 10-13, k ä n n e - t e c k n a t a v att det första signalbehandlingssteget innefattar bildning av summan av ett utvalt antal sampel av vibrationssignalen och att summan divideras med det utvalda antalet.

15. Sätt enligt något av krav 10-14, k ä n n e - t e c k n a t a v att det första databehandlingssteget I rv ,; (gi ll innefattar bildning av en första produkt av en första ut- vald konstant och ett löpande sampelvärde, att en andra produkt bildas av en andra utvald konstant och ett tidigare sampelmedelvärde, och att det första och det andra produkt- värdet summeras. -'||'|