WO2005124488A1 - Intelligenter antrieb - Google Patents

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WO2005124488A1
WO2005124488A1 PCT/EP2005/006254 EP2005006254W WO2005124488A1 WO 2005124488 A1 WO2005124488 A1 WO 2005124488A1 EP 2005006254 W EP2005006254 W EP 2005006254W WO 2005124488 A1 WO2005124488 A1 WO 2005124488A1
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WO
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drive
operating state
state variables
monitoring
analysis
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/006254
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English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Wahler
Christian Feistel
Alexander Schmitt
Original Assignee
Bosch Rexroth Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Rexroth Ag filed Critical Bosch Rexroth Ag
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Priority to US11/570,193 priority patent/US7659687B2/en
Priority to EP05769161A priority patent/EP1761828A1/de
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0264—Control of logging system, e.g. decision on which data to store; time-stamping measurements
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065—Monitoring tool breakage, life or condition
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/50—Machine tool, machine tool null till machine tool work handling
    • G05B2219/50308—Estimate wear from machining data and conditions

Definitions

  • the invention is concerned with electrical drives for controlling axes within technical processes according to the preamble of claim 1.
  • an electrical automation system or an electrical machine can also contain a large proportion of mechanical components that are subject to wear, such as Gearboxes, timing belts, brakes and guides include.
  • the primary aim is to prevent increasing wear and tear by monitoring the characteristic quantities that occur during operation. It is therefore known from the prior art to infer mechanical loads from measured values which are derived from the current operating state of an electric drive. For example, the temperature of the windings of an electric motor can be used to detect a load increase and, if necessary, limit the motor current or switch off the drive. The error detection takes place by means of a limit value monitoring or a threshold value monitoring.
  • the patents DE 196 14 748 C2 and DE 42 21 841 Cl deal with an error diagnosis method or a monitoring control system for monitoring several devices.
  • the latter document shows a control device for central monitoring, with deviations in the operating data of the monitored devices being ascertained and processed further.
  • the first-mentioned document shows a relatively complex network with process computer nodes, diagnostic computers, control process computers and a large number of other peripherals for handling errors, especially for use also in electrical drive systems. Due to the complexity of both arrangements, there are quite complex and thus also cost-intensive solutions.
  • the object of the invention is to provide an inexpensive and decentralized, preventive fault diagnosis for electric drives, the fault diagnosis being intended to ensure the early detection of an impending malfunction.
  • the invention is based on an electric drive with a drive controller, an electric motor and a control device with detection and monitoring of the threshold values of axis-relevant, electrical / mechanical operating condition variables, the control device additional monitoring with analysis of the operating condition variables for early detection of possible deviations from target specifications and preparation of the analysis result includes.
  • the analysis can be carried out permanently and / or intermittently depending on the operating state variable examined.
  • the drive can be both a central and a decentralized drive integrated in a work process, which transmits the torque of its output to axes to be controlled by means of a gear ratio or directly.
  • the drive controller or drive amplifier can comprise the current, speed or position control as well as an inverter or converter.
  • the control device uses suitable sensors to monitor the threshold values of the quantities required for correct operation, such as the maximum permissible winding temperature and the maximum permissible speed.
  • the additional monitoring is active independently of the threshold monitoring (e.g. in parallel), impending errors can be recognized before the threshold monitoring reacts. This ensures proactive monitoring, which can prevent the threshold value monitoring from responding and the associated process failure by means of suitable messages and associated countermeasures.
  • An early reaction by the operating personnel or the control for example in the event of bearing damage, reduced rigidity, increased friction, increased play, load fluctuations, stiffness, jamming and contamination is possible. Additional and additional electrical and / or mechanical faults can of course be detected by the additional monitoring. All recorded measured values are fed to the analysis device and analyzed as required.
  • the analysis device of the additional monitoring can make a preliminary decision, for example on the basis of statistical methods, as to whether a response to the threshold value monitoring is required or whether it is only a short-term exceeding of the threshold value that is harmless to the arrangement. This reduces unnecessary downtimes and reduces expensive production downtimes.
  • the invention thus enables all axis-related diagnostic processes to be largely carried out decentrally in the drive. Machine-related diagnoses, on the other hand, can be carried out in the control taking into account the axis-related diagnostic messages.
  • the operating state variables detected by means of electrical signals from sensors are preferably subjected to signal conditioning, in particular by means of a signal filter even before the threshold value is monitored. This avoids false alarms due to falsified measurement values or those with disturbance variables, which the threshold value monitoring would recognize as detected errors.
  • the sensors can be sensors for detecting movement-relevant states (acceleration, speed) but also non-movement-relevant states, such as structure-borne sound waves or static loads.
  • the electrical signals of the operating state variables detected in the time and / or frequency range are particularly preferably analyzed by the additional monitoring.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • KKF cross-correlation function
  • AKF auto-correlation function
  • the setpoints can very particularly preferably be recorded by the drive and stored in the drive as reference values.
  • Target values with acquisition of boundary parameters such as friction conditions, translations by means of gears and tolerance bands for each operating parameter can be saved in the drive. Progressive wear of components can be prevented by comparing the actual values with the reference values in the time and / or frequency range.
  • the analysis very particularly preferably includes long-term monitoring of operating condition variables.
  • long-term monitoring including tolerance bands or limit values. This avoids error messages caused by brief load fluctuations.
  • Statistical evaluations such as averaging, make it possible to evaluate the trend of a measured variable, with error messages only being issued when the tolerances are exceeded by the mean. A false alarm due to the threshold monitoring being activated too early can thus be avoided.
  • the operating state variables are motion-sensing variables, such as an angle for detecting the motor axis position, or the motor speed and / or variables indirectly related to the movement, such as the level of the motor winding temperature, the size of the motor current or the level of the DC link voltage
  • the analysis essentially only includes the evaluation of the measured values already present in a drive system formed from servomotors. This means that no additional sensors are required to record additional status data. From the measured value for the motor current in connection with the measured value for the motor speed, conclusions can be drawn, for example, about increased friction when driving a load without additional sensors. With additional sensors such as strain gauges, load cells, Structure-borne noise sensors and acceleration sensors could further increase the diagnostic options and ease of use if necessary.
  • a drive according to the invention is advantageously integrated within at least one technical process and communicates with at least one computer, the drive being connected to the computer by means of a data bus or field bus and in particular reporting the analysis results to the computer.
  • the computer should act as a higher-level instance in the diagnosis. He can record and evaluate all error messages of all drives and keep statistics as well Initiate measures for troubleshooting automatically or inform the operating personnel.
  • the drive is freely programmable and / or configurable at least with regard to error detection, this enables flexible adaptation of the error detection to the operating environment or the application to be implemented. Functions that are not required can be deactivated to save computing power.
  • the programming interface can be designed in such a way that it is not necessary to pass on internal information structures to the user, thus safeguarding the manufacturer's interest in not having to pass on any internals.
  • Axis-specific errors can be called up, for example when an additional drive or axis address is transmitted, and easily identified on the basis of the additional information. Appropriate specialist personnel are therefore quickly and easily instructed and the necessary spare parts can be ordered regardless of a site visit.
  • Figure 1 includes a human / machine interface 1, a computer / computer network 2, a message generation 3, a protective device 4, a drive controller 5, additional monitoring 6, a limit / threshold monitoring 7, a measured value acquisition 8, a motor 9.
  • the reference numerals 3 to 9 form the drive 10, the reference numerals 1 and 2 external components.
  • the electric drive 10 with drive controller 5, electric motor 9 and a control device (3 to 8) can be used, for example, to control a ball screw of a machine tool.
  • the control device includes an additional monitoring 6 according to the invention for limit value / threshold value monitoring 7.
  • Both monitoring units 7, 6 receive the measured values to be monitored from the measured value acquisition 8. These can be, for example, measured values for acquiring the speed of the motor axis, the pulses of an angle encoder, are measured values for recording the motor current and the measured winding temperature.
  • the measured values can be in analog and / or digital form. While the limit value / threshold value monitoring 7 is limited to compliance with predetermined limit values, additional monitoring 6 is carried out, the measured values being evaluated and interpreted by means of permanent or intermittent analysis for early detection of possible deviations from target specifications.
  • the recorded electrical signals could be subjected to a signal preparation before they are fed to the threshold value monitor 7, for example. This serves to prevent short-term interference on the signal lines, e.g. caused by strong magnetic fields to hide and to avoid an error message if the associated threshold value is exceeded. Ultimately, this prevents unwanted process failures.
  • the additional monitoring 6 can be designed in various ways, so that the electrical signals of the operating state variables detected by means of sensors are analyzed in the time and / or frequency range.
  • An analysis in the frequency domain could, for example, include a Fast Fourier Transformation (FFT) to find unwanted resonance vibrations.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • An auto correlation function (AKF) could also be used to determine the speed at which the measured values change on average over time. Further analysis methods using mathematical methods, such as the establishment of a cross-correlation function (KKF) etc. is conceivable and only limited by the computing capacity in the drive.
  • the additional monitoring 6 will generally include a data memory, which is used to store setpoints that are recorded by the drive, for example during an initialization or homing phase, with real load as reference values and can be used as orientation variables in the analysis.
  • the analysis of the additional monitoring 6 can also include long-term monitoring of individual measured values.
  • the DC link voltage and the motor current could be used to calculate the average power.
  • Error messages can be assigned to each measured value or certain combinations of measured values, which then help to rectify the fault if a fault is detected.

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Abstract

Elektrischer Antrieb (19) mit einem Antriebsregler (5), einem Elektromotor (9) und einer Kontrolleinrichtung (3, 4, 7, 8) mit Erfassung und Überwachung der Schwellwerte achsrelevanter, elektrischer/mechanischer Betriebszustandsgrößen, mit vorbeugender Fehlerdiagnose, wobei die Kontrolleinrichtung (3, 4, 7, 8) eine Zusatzüberwachung (6) mit Analyse der Betriebszustandsgrößen zur Früherkennung eventueller Abweichungen von Sollvorgaben und eine Aufbereitung des Analyseergebnisses umfasst.

Description

Intelligenter Antrieb
Die Erfindung befasst sich mit elektrischen Antrieben zur Ansteuerung von Achsen innerhalb technischer Prozesse gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein elektrisches Automatisierungssystem oder eine elektrische Maschine kann neben vielen nahezu verschleißfreien elektrischen Komponenten auch einen großen Anteil an verschleißbehafteten, mechanischen Komponenten, wie z.B. Getriebe, Zahnriemen, Bremsen und Führungen umfassen. Es wird in erster Linie versucht dem zunehmenden Verschleiß durch Überwachung der während des Betriebes auftretenden charakteristischen Größen vorzubeugen. Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt aus Messwerten, welche vom momentanen Betriebszustand eines elektrischen Antriebes abgeleitet werden, auf die mechanische Belastung zu schließen. So kann beispielsweise die Temperatur der Wicklungen eines Elektromotors herangezogen werden, um eine Lasterhöhung zu erkennen und ggf. den Motorstrom zu begrenzen oder den Antrieb abzuschalten. Die Fehlererkennung erfolgt mittels einer Grenzwertüberwachung oder einer Schwellwertüberwachung.
Der Nachteil dieser Methode ist, dass eine Fehlerbehandlung erst dann aktiv wird, wenn der Fehler bereits aufgetreten ist. Das hat zur Folge dass die zugrundeliegende mechanische oder elektrische Komponente bereits über die Maßen beansprucht worden sein könnte und damit der Verschleiß bei häufiger Wiederholung des Fehlers sehr schnell voranschreitet.
Die Patentschriften DE 196 14 748 C2 und DE 42 21 841 Cl befassen sich mit einem Fehler-Diagnoseverfahren bzw. einem Überwachungs-Kontrollsystem zur Überwachung mehrerer Geräte. Letztere Schrift zeigt eine Kontrolleinrichtung zur zentralen Überwachung, wobei Abweichungen der Betriebsdaten der überwachten Geräte festgestellt und weiterverarbeitet werden. Die erstgenannte Schrift zeigt ein relativ komplexes Netzwerk mit Prozessrechnerknoten, Diagnoserechnern, Steuerprozessrechnern und einer Vielzahl weiterer Peripherie zur Behandlung von Fehlern, speziell zur Anwendung auch bei elektrischen Antriebssystemen. Aufgrund der Komplexität beider Anordnungen ergeben sich recht aufwändige und damit auch kostenintensive Lösungen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin eine preiswerte und dezentrale, vorbeugende Fehlerdiagnose ftir elektrische Antriebe zu schaffen, wobei die Fehlerdiagnose das frühzeitige Erkennen einer sich anbahnenden Betriebsstörung gewährleisten soll.
Die Erfindung geht von einem elektrischen Antrieb mit einem Antriebsregler, einem Elektromotor und einer Kontrolleinrichtung mit Erfassung und Überwachung der Schwellwerte achsrelevanter, elektrischer/mechanischer Betriebszustandsgroßen aus, wobei die Kontrolleinrichtung eine Zusatzüberwachung mit Analyse der Betriebszustandsgroßen zur Früherkennung eventueller Abweichungen von Sollvorgaben und eine Aufbereitung des Analyseergebnisses umfasst. Die Analyse kann je nach -untersuchter Betriebszustandsgröße permanent und/oder intermittierend erfolgen.
Der Antrieb kann sowohl ein zentral als auch ein dezentral in einen Arbeitsprozess eingebundener Antrieb sein, welcher mittels einer Übersetzung oder direkt das Drehmoment seines Abtriebes auf anzusteuernde Achsen überträgt. Der Antriebsregler oder Antriebsverstärker kann die Strom-, Geschwindigkeits- oder Lageregelung sowie einen Wechselrichter oder Umrichter umfassen. Die Kontrolleinrichtung überwacht mittels geeigneter Sensoren die Schwellwerte der für einen einwandfreien Betrieb erforderlichen Größen, wie zum Beispiel die maximal zulässige Wicklungstemperatur und die maximal zulässige Drehzahl.
Die Zusatzüberwachung mit permanenter oder intermittierender Analyse der Betriebszustandsgroßen zur Früherkennung eventueller Abweichungen von Sollvorgaben und Aufbereitung des Analyseergebnisses gewährleistet eine achsspezifische Fehlererkennung. Grund hierfür ist, dass nicht eine übergeordnete Steuerung (SPS, NC) die Analyse vornimmt, sondern die Kontrolleinrichtung des Antriebes selbst. Eine Übermittlung hochfrequenter Änderungen von Betriebszustandsgroßen mittels eines in der Bandbreite beschränkten Busses (z.B. Feldbus) entfallt, da mittlerweile hoch performante und preiswerte CPUs verfugbar sind, um die leistungsfähige Kontrolleinrichtung direkt im Antrieb zu realisieren. Diese Konfrolleinrichrung verarbeitet die Datenmenge unmittelbar nach ihrer Erfassung und leitet lediglich das Ergebnis der Datenanalyse über einen Bus an die nächsthöheren Instanzen weiter. Das spart zum einen Bandbreite ein und entlastet die CPU der Prozesssteuerung.
Dadurch, dass die Zusatzüberwachung unabhängig von der Schwellwertüberwachung (z.B. parallel dazμ) aktiv ist, können sich anbahnende Fehler schon erkannt werden, bevor die Schwellwertüberwachung reagiert. Es ist damit eine pro-aktive Überwachung gewährleistet, welche ein Ansprechen der Schwellwertüberwachung und ein damit verbundener Ausfall des Prozesses durch geeignete Meldungen und damit verbundene Gegenmaßnahmen vermeiden kann. Eine frühzeitige Reaktion durch das Bedienpersonal oder die Steuerung zum Beispiel bei Lagerschäden, verminderter Steifigkeit, erhöhter Reibung, erhöhtem Spiel, Lastschwankungen, Schwergängigkeit, Klemmen und Verschmutzungen ist damit möglich. Selbstverständlich können noch weitere antriebsseitige oder abtriebsseitige elektrische und/oder mechanische Fehler von der Zusatzüberwachung erfasst werden. Alle erfassten Messwerte werden bei Bedarf der Analysevorrichtung zugeführt und analysiert.
Bei temporären, starken Abweichungen der erfassten Bewegungszustandsgrößen von den zulässigen Werten kann die Analyseeinrichtung der Zusatzüberwachung beispielsweise aufgrund von statistischen Verfahren eine Vorentscheidung treffen, ob ein Ansprechen der Schwellwertüberwachung erforderlich ist oder ob es sich nur um eine kurzzeitige und für die Anordnung ungefährliche Schwellwertüberschreitung handelt. Dies vermindert unnötige Stillstandszeiten und verringert teure Produktionsausfälle. Die Erfindung ermöglicht somit, dass weitestgehend alle achsbezogenen Diagnosevorgänge dezentral im Antrieb erledigt werden. Maschinenbezogene Diagnosen dagegen können in der Steuerung unter Berücksichtigung der achsbezogenen Diagnosemeldungen durchgeführt werden.
Bevorzugt werden die mittels elektrischer Signale von Sensoren erfassten Betriebszustandsgroßen einer Signalaufbereitung unterzogen, insbesondere mittels eines Signalfilters schon vor der Schwellwertüberwachung. Dies vermeidet Fehlalarme durch verfälschte' oder mit Störgrößen behaftete Messwerte, welche die Schwellwertüberwachung als detektierte Fehler erkennen würde. Bei den Sensoren kann es sich um Sensoren zur Erfassung von bewegungsrelevanten Zuständen (Beschleunigung, Geschwindigkeit) aber auch von nicht bewegungsrelevanten Zuständen, wie beispielsweise Körperschallwellen oder statischen Belastungen, handeln.
Besonders bevorzugt werden die mittels Sensoren erfassten elektrischen Signale der Betriebszustandsgroßen im Zeit- und/oder Frequenzbereich von der Zusatzüberwachung analysiert. Zur Analyse können unter anderem herangezogen werden die FFT (Fast Fourier Transformation), KKF (Kreuz-Korrelationsfunktion), AKF (Auto-Korrelations- Funktion). Analysiert man beispielsweise den Strom-Istwert eines Motors, welcher mittels eines Riemens eine Achse antreibt, durch Transformation des Stromverlaufes in den Frequenzbereich mittels der FFT, so können aufgrund sich ändernder mechanischer Resonanzf equenzen im Vergleich mit Referenzwerten Rückschlüsse auf sich neu ausbildende Resonanzschwingungen gezogen werden. Diese neuen Resonanzschwingungen können auf eine Verminderung der Riemenspannung zurückzuführen sein, was dem Bediener entsprechend mitgeteilt wird. Diese Mittelung erfolgt schon lange Zeit bevor der Riemen abrutschen oder reißen kann, so dass eine frühzeitige Fehlererkennung auf jeden Fall gewährleistet ist.
Ganz besonders bevorzugt können die Sollvorgaben vom Antrieb aufgezeichnet werden und im Antrieb als Referenzwerte abgespeichert werden. Applikationsspezifische
Sollwerte mit Erfassung von Randparametern wie Reibverhältnisse, Übersetzungen durch Getriebe und Toleranzbändern für jeden Betriebsparameter sind damit im Antrieb abspeicherbar. Fortschreitendem Verschleiß von Bauteilen kann durch Vergleich der Istwerte mit den Referenzwerten im Zeit- und/oder Frequenzbereich vorgebeugt werden.
Ganz außerordentlich bevorzug umfasst die Analyse eine Langzeitüberwachung von Betriebszustandsgroßen. Insbesondere eine Langzeitüberwachung unter Einbeziehung von Toleranzbändern bzw. Grenzwerten. Damit vermeidet man Fehlermeldungen durch kurzzeitige Lastschwankungen. Statistische Auswertungen, wie Mittelwertbildungen, ermöglichen eine Auswertung des tendenziellen Verlaufes einer Messgröße, wobei Fehlermeldungen erst bei Überschreiten der Toleranzen durch den Mittelwert erfolgen. Ein Fehlalarm durch zu frühzeitiges Ansprechen der Schwellwertüberwachung kann damit vermieden werden.
Zweckmäßig werden den Betriebszustandsgroßen zugeordnete Fehlermeldungen erzeugt. Somit ist ein eindeutiger Rückschluss auf die Fehlerursache mit detaillierter Fehleranalyse und ggf. mit Hinweisen zur Fehlerbeseitigung gewährleistet, ohne dass es zur Auswertung der Fehlerbeschreibung hochqualifiziertes Fachpersonal bedarf. Ein Einsparpotential bei den Personalkosten für Bedienpersonal ist damit wiederum verbunden.
Wenn es sich bei den Betriebszustandsgroßen um bewegungserfassende Größen, wie beispielsweise eine Winkelangabe zur Erfassung der Motorachslage, oder die Motordrehzahl und/oder um indirekt mit der Bewegung zusammenhängende Größen, wie die Höhe der Motorwicklungstemperatur, die Größe des Motorstroms oder die Höhe der Zwischenkreisspannung handelt, dann umfasst die Analyse im wesentlichen nur die Auswertung der ohnehin in einem aus Servomotoren gebildeten Antriebssystem vorhandenen Messwerte. Somit sind keine Zusatzsensoren zur Erfassung weiterer Zustandsdaten erforderlich. Aus dem Messwert für den Motorstrom in Verbindung mit dem Messwert für die Motordrehzahl lassen sich beispielsweise Rückschlüsse auf eine erhöhte Reibung beim Antreiben einer Last ohne zusätzliche Sensorik ziehen. Mit zusätzlicher Sensorik wie Dehnungsmessstreifen, Kraftmessdosen, Körperschallsensoren und Beschleunigungssensoren ließen sich die Diagnosemöglichkeiten und der Bedienkomfort bei Bedarf weiter steigern. Wenn die Analyseergebnisse mittels einer vom Antrieb umfassten oder einer mit dem Antrieb in Verbindung stehenden Bedienvorrichtung (Anzeigevorrichtung mit oder ohne Eingabevorrichtung) angezeigt werden, dann ist eine dezentrale Fehlerbehandlung direkt an der Fehlerquelle möglich. Mittels drahtloser Schnittstellen können auch tragbare Displays oder PDAs, Laptops, etc. zur Fehleranzeige und/oder Fehlerbehebung verwendet werden. ' (
Vorteilhafterweise ist ein erfindungsgemäßer Antrieb innerhalb wenigstens eines technischen Prozesses eingebunden und kommuniziert mit wenigstens einem Rechner, wobei der Antrieb mittels eines Datenbusses oder Feldbusses an den Rechner angebunden ist und an diesen insbesondere die Analyseergebnisse meldet.
Dies ermöglicht eine Wahlmöglichkeit zwischen einer dezentralen und/oder zentralen Fehlerbehandlung oder einer Kombination daraus. Mehrere Antriebe umfassende, komplexe Applikationen können damit realisiert werden. Ein modularer Aufbau ist möglich und die daraus resultierende übersichtliche Topologie erleichtert die Handhabung und Wartung des Systems. Als Datenbus kämen sämtliche im Stand der Technik bekannten Feldbusse in Frage, außerdem Fast-Ethernet und SERCOS. Störungen betreffend mechanischer und elektrischer Komponenten des Antriebes sollten vorzugsweise im Antrieb selbst erfasst, aufbereitet und ausgewertet werden. Störungen, die eine mittels des Antriebes angesteuerte Vorrichtung (z.B. ein Werkzeug) betreffen, sollten im Antrieb erfasst und aufbereitet werden. Vorzugsweise sollten diese Störungen aber dann von der Steuerung ausgewertet werden, da ggf. die Diagnoseergebnisse weiterer Antriebe zur Fehlererkennung erforderlich sind. Gleiches gilt für Störungen in Verbindung mit einem gerade vom Prozess be- oder verarbeiteten Werkstück oder Gegenstand. Immer dann also, wenn eine Störung mehrere Antriebe beeinträchtigt oder von mehreren Antrieben herrühren könnte, sollte der Rechner(verbund) als übergeordnete Instanz bei der Diagnose mitwirken. Er kann alle Fehlermeldungen aller Antriebe erfassen, auswerten und Statistiken führen sowie Maßnahmen zur Fehlerbehebung automatisch einleiten oder das Bedienpersonal informieren.
Sofern der Antrieb zumindest bezüglich der Fehlererkennung frei programmierbar und/oder konfigurierbar ist, ermöglicht dies eine flexible Anpassung der Fehlererkennung an die Betriebsumgebung bzw. die zu realisierende Applikation. Nicht benötigte Funktionen können deaktiviert werden, um Rechenleistung zu sparen. Das Programmierinterface kann so gestaltet sein, dass keine Weitergabe interner Antjiebsstrukturen an den Anwender erforderlich ist, somit wird das Interesse des Herstellers, keine Interna weitergeben zu müssen, gewahrt.
Wenn die Analyseergebnisse im Rahmen einer Fernwartung abrufbar sind, erleichtert dies die automatische Überwachung eines Prozesses. Achsspezifische Fehler können, z.B. bei zusätzlicher Übermittlung einer Antriebs- oder Achsadresse, abgerufen werden und aufgrund der Zusatzinformationen leicht erkannt werden. Entsprechendes Fachpersonal ist somit schnell und leicht angewiesen und notwendige Ersatzteile können unabhängig von einer Ortsbesichtigung geordert werden.
Bezugszeichenliste
Mensch/Maschine Interface
(Zentral-)Rechner
Meldungserzeugung
Schutzvorrichtung
Antriebsregler
Zusatzüberwachung
Grenzwert-/Schwellwertüberwachung
Messwerterfassung
Motor
Antrieb
Im Folgenden sei eine Vorrichtung mit der erfindungsgemäßen Lösung anhand Figur 1 gezeigt. Figur 1 beinhaltet ein Mensch/Maschine-Interface 1, einen Rechner/Rechnerverbund 2, eine Meldungserzeugung 3, eine Schutzvorrichtung 4, einen Antriebsregler 5, eine Zusatzüberwachung 6, eine Grenzwert- /Schwellwertüberwachung 7, eine Messwerterfassung 8, einen Motor 9. Die Bezugszeichen 3 bis 9 bilden dabei den Antrieb 10, die Bezugszeichen 1 und 2 externe Komponenten.
Der elektrische Antrieb 10 mit Antriebsregler 5, Elektromotor 9 und einer Konfrolleinrichtung (3 bis 8) kann zum Beispiel zur Ansteuerung einer Kugelumlaufspindel einer Werkzeugmaschine dienen. Die Kontrolleinrichtung umfasst eine zur Grenzwert-/Schwellwertüberwachung 7 zusätzliche erfindungsgemäße Überwachung 6. Beide Überwachungseinheiten 7, 6 erhalten die zu überwachenden Messwerte von der Messwerterfassung 8. Hierbei kann es sich beispielsweise um Messwerte zur Erfassung der Drehzahl der Motorachse, um die Impulse eines Winkelgebers, um Messwerte zur Erfassung des Motorstromes und um die gemessene Wicklungstemperatur handeln. Die Messwerte können in analoger und/oder digitaler Form vorliegen. Während sich die zur Grenzwert-/Schwellwertüberwachung 7 auf die Einhaltung vorgegebener Grenzwerte beschränkt, wird eine Zusatzüberwachung 6 vorgenommen, wobei mittels permanenter oder intermittierender Analyse die erfassten Messwerte zur Fruherkennung eventueller Abweichungen von Sollvorgaben ausgewertet und interpretiert werden. Im Anschluss daran erfolgt eine detaillierte Aufbereitung des Analyseergebnisses, so dass die Ursache einer sich anbahnenden Störung, wie z.B. ein loser Antriebsriemen, erhöhte Reibung, Lagerschäden, erhöhtes Spiel, verminderte Steifigkeit, Lastschwankungen, Schwergängigkeit, Klemmen, Verschmutzungen der Achsmechanik, Lagerschäden mittels der Meldungserzeugung 3 an die Bedieneinheit 1 und/oder die Steuerung 2 in Form detaillierter Fehler- oder Störunge -Meldungen und/oder Warnungen berichtet werden kann, so dass ein Bediener auch ohne genaue Systemkenntnisse eine Fehlerbehebung veranlassen kann. Insbesondere gilt dies für den Fall, dass zusätzlich zur Meldung noch Hinweise abrufbar sind, welche Schritte zur Störungsbeseitigung einzuleiten sind. Es wäre auch denkbar die Komponenten 2 und 1 in den Antrieb zu integrieren, sofern die Applikation dafür geeignet ist und genügend Rechenleistung und Raum zur Verfügung steht.
Nach der Messwerterfassung 8 könnten die erfassten elektrischen Signale einer Signalaufbereitung unterzogen werden, bevor , diese beispielsweise der Schwellwertüberwachung 7 zugeführt werden. Dies dient dazu, kurzzeitige Störungen auf den Signalleitungen, z.B. veranlasst durch starke magnetische Felder, auszublenden und bei einer damit verbundenen Schwellwertüberschreitung eine Fehlermeldung zu vermeiden. Letztlich werden hierdurch ungewollte Prozessausfalle vermieden.
Die Zusatzüberwachung 6 kann verschiedenartig ausgebildet sein, so dass die mittels Sensoren erfassten elektrischen Signale der Betriebszustandsgroßen im Zeit- und/oder Frequenzbereich analysiert werden. Eine Analyse im Frequenzbereich könnte zum Beispiel eine Fast Fourier Transformation (FFT) umfassen, um ungewollte Resonanzschwingungen ausfindig zu machen. Ebenso könnte eine Auto Korrelations Funktion (AKF) herangezogen werden, um die Schnelligkeit festzustellen, mit der sich die Messwerte im Mittel mit der Zeit verändern. Weitere Analysemethoden mittels mathematischer Verfahren, wie z.B. das Aufstellen einer Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) etc. sind denkbar und lediglich durch die Rechenkapazität im Antrieb begrenzt.
Die Zusatzüberwachung 6 wird in aller Regel einen Datenspeicher umfassen, welcher zur Abspeicherung von Sollwerten dient, die vom Antrieb, zum Beispiel während einer Initialisierungs- oder Homing Phase, mit realer Last als Referenzwerte aufgezeichnet werden und bei der Analyse als Orientierungsgrößen herangezogen werden können.
Auch kann die Analyse der Zusatzüberwachung 6 eine Langzeitüberwachung von einzelnen Messwerten umfassen. So könnte beispielsweise die Zwischenkreisspannung und der Motorstrom zur Berechnung der mittleren Leistung herangezogen werden.
Jedem Messwert oder bestimmten Messwertkombinationen können Fehlermeldungen zugeordnet werden, welche dann im Falle einer erkannten Störung zur Fehlerbeseitigung beitragen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Antrieb (10) mit einem Antriebsregler (5), einem Elektromotor (9) und einer Kontrolleinrichtung (3,4,7,8) mit Erfassung und Überwachung der Schwellwerte achsrelevanter, elektrischer/mechanischer Betriebszustandsgroßen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung (3,4,7,8) eine Zusatzüberwachung (6) mit Analyse der Betriebszustandsgroßen zur Früherkennung eventueller Abweichungen von Sollvorgaben und eine Aufbereitung des Analyseergebnisses umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels elektrischer Signale von Sensoren erfassten Betriebszustandsgroßen einer
Signalaufbereitung unterzogen werden, insbesondere mittels eines Signalfilters.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Sensoren erfassten elektrischen Signale der Betriebszustandsgroßen im Zeit- und/oder Frequenzbereich analysiert werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren bewegungsrelevante und/oder nicht bewegungsrelevante Betriebszustandsgroßen erfassen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollvorgaben vom Antrieb aufgezeichnet werden und im Antrieb als Referenzwerte abspeicherbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse eine Langzeitüberwachung von Betriebszustandsgroßen umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung den Betriebszustandsgroßen zugeordnete Fehlermeldungen erzeugt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustandsgroßen die Achsposition und/oder die Drehzahl und/oder die ι Motorwicklungstemperatur und/oder die Größe des Motorstroms und/oder die Höhe der
Zwischenkreisspannung und/oder akustische Signale wie Körperschallwellen und/oder die Beschleunigung umfassen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseergebnisse mittels einer vom Antrieb umfassten oder einer mit dem Antrieb in Verbindung stehenden Bedienvorrichtung (1) darstellbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb innerhalb wenigstens eines technischen Prozesses eingebunden ist und mit wenigstens einem Rechner/Rechnerverbund (2) kommuniziert.
11. Vorrichtung nach einem der' vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zumindest bezüglich der Fehlererkennung frei programmierbar und/oder frei konfigurierbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseergebnisse im Rahmen einer Fernwartung abrufbar sind.
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