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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen wenigstens eines Zahnrades eines im Betrieb befindlichen Getriebes.
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Ein Verfahren zum Überwachen des ordnungsgemäßen Zustandes einer Kammplatte bei einem Personenbeförderungsband ist aus
WO 2007/031106 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren werden repetitiv Bilder der Kammplatte aufgenommen und mit einem Referenzbild korreliert, um Störungen wie durch das Bild durchlaufende Personen oder Objekte zu eliminieren. Durch Autokorrelation werden die aufgenommen Bilder dahingehend ausgewertet, ob der Zustand der Zahnplatte ordnungsgemäß ist oder nicht.
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Aus
DE 10 2007 024 868 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen einer Beobachtungsszene bekannt, bei dem durch Mittelfristbeobachtung und/oder Langfristbeobachtung der Beobachtungsszene ein Szenenreferenzbild erzeugt wird. Zum Erzeugen des Szenenreferenzbildes erfolgt eine statistische Auswertung der zeitlichen Signaländerungen in verschiedenen Regionen des Bildes und der anschließenden Klassifikation der entsprechenden Regionen, um beispielsweise sich häufende bewegende Objekte im Szenenhintergrund wie Blätter im Wind zu eliminieren. Mit diesem Szenenreferenzbild werden dann aktuelle Bilder verglichen, um beispielsweise nicht in dem Szenenreferenzbild vorhandene Objekt zu detektieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Überwachen wenigstens eines Zahnrades eines im Betrieb befindlichen Getriebes anzugeben, um potentielle Störbereiche wie Risse, Brüche, Zonen übermäßigen Verschleißes oder Oberflächendeformationen zu erkennen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches 1 umfasst.
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Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für eine Anzahl von charakteristischen Stellungen aus mehreren Betriebsbildern ein Mittelungsreferenzbild erzeugt wird, lassen sich in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes unterschiedlich fluktuierende Strukturen wie strömende Ölfilme eliminieren, um durch Erzeugen eines Differenzbildes aus einem Mittelungsreferenzbild und aus wenigstens einem Betriebsbild bei einander entsprechenden Stellungen das Zahnrad zuverlässig auf potentielle Störbereiche überwachen zu können.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.
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Es zeigen:
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1 in einer geschnittenen Teilansicht ein Getriebe mit einem Bildaufnahmemodul, das zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens dient,
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2 in einem ausschnittsweisen Längsschnitt in einem Teilbereich die Anordnung gemäß 1,
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3 in einem Schnitt durch die Anordnung gemäß 1 die Ansicht auf ein Triggerrad,
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4 in einer perspektivischen Detailansicht einen Ausschnitt aus einem zu überwachenden Zahnrad mit anschaulich dargestellten typischen Störbereichen,
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5 in einem Blockschaubild den Aufbau einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die selbst wiederum Bestandteil der hiermit offenbarten Erfindung ist,
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6 in einem Blockschaubild den Ablauf zum Erzeugen eines Differenzbildes,
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7 in einer anschaulichen Darstellung die zeitliche Entwicklung eines Störbereiches und der zugehörigen Differenzbilder,
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8 in einem Blockschaubild den Ablauf beim Bearbeiten der Differenzbilder,
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9 den grundsätzlichen Ablauf zum Erzeugen eines Vertrauensbildes auf der Grundlage der zeitlichen Entwicklung eines Störbereiches,
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10 in einem Blockschaubild den Ablauf zum Erzeugen eines Vertrauensbildes auf der Grundlage von durch einen Störbereich hervorgerufene Reflektionserscheinungen,
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11 und 12 in einer schematischen Darstellung die Vorgehensweise zum Identifizieren von Reflektionen,
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13 in einem Blockschaubild den Ablauf zum Erzeugen eines Vertrauensbildes auf der Grundlage einer Ähnlichkeitserkennung von Störbereichen über verschiedene Zahnpositionen und
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14 und 15 die Vorgehensweise beim Bestimmen von Ähnlichkeiten bei verschiedenen Zahnpositionen.
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1 zeigt in einer geschnittenen Teilansicht ein zu überwachendes Zahnrad 1 eines Getriebes, das drehbar in einem mehrteiligen Getriebegehäuse 2 gelagert ist. In dem Getriebegehäuse 2 ist zum Schmieren des Getriebes im Betrieb ein Schmiermittel wie ein fließfähiges Öl vorhanden, das ein unkontrolliertes, im wesentlichen zufälliges Fließverhalten aufweist. Das Zahnrad 1 verfügt über eine Anzahl von regelmäßig über den Umfang angeordneten Zähnen 3, die jeweils einen radial außen liegenden Zahnkopf 4 und sich beidseitig des Zahnkopfes 4 radial nach innen erstreckende Zahnflanken 5, 6 aufweisen, welche in zwischen den Zähnen 3 liegenden Zahnfüßen 7 zusammenlaufen.
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An dem Getriebegehäuse 2 ist im Bereich einer Aufnahmeöffnung 8 ein Modulträger 9 angebaut, der ein Bildaufnahmemodul 10 trägt.
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Das Bildaufnahmemodul 10 ist abschnittsweise in einer dem Zahnrad 1 gegenüber liegenden, von dem Modulträger 9 umschlossenen Modulkammer 11 angeordnet und weist eine Beleuchtungseinheit 12 auf, mit der, wie in 1 durch einen gestrichelten Strahlungskegel 13 angedeutet, der dem Bildaufnahmemodul 10 zugewandte Bereich des Zahnrades 1 durch die Aufnahmeöffnung 8 hindurch mit Beleuchtungsstrahlung beaufschlagbar ist. Von dem Zahnrad 1 rückgeworfene Strahlung beaufschlagt eine zweidimensional auflösende Bildsensoreinheit 14, so dass bei einem im Betrieb befindlichen Getriebe zweidimensionale Bilder des Zahnrades 1 erzeugbar sind. Das Bildaufnahmemodul 10 ist über einen Kabelbaum 15 an eine in 1 nicht dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit angeschlossen, mit der das Bildaufnahmemodul 10 zum Aufnehmen und Bereitstellen von Bildern ansteuerbar ist.
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2 zeigt in einem ausschnittsweisen Längsschnitt die Anordnung gemäß 1 im Bereich einer das Zahnrad 1 über ein in einem Lager 16 gelagertes Kupplungsstück 17 antreibenden Antriebswelle 18. Aus 2 ist ersichtlich, dass an der Antriebswelle 18 ein sich in radialer Richtung erstreckendes Triggerrad 19 angebracht ist, das starr mit dem Zahnrad 1 gekoppelt ist. Dem Triggerrad 19 gegenüber liegend ist ein in einem Sensorhalterblock 20, der in dem Getriebegehäuse 2 verankert ist, angebrachter Sensorhalterstreifen 21 angeordnet, der wiederum einen in Bezug auf das Triggerrad 19 radial außenseitig angeordneten Triggersensor 22 und ein radial innenseitig angeordneter Nullstellungssensor 23 angebracht sind. Der Triggersensor 22 und der Nullstellungssensor 23 sind über durch den Sensorhalterblock 20 durchgeführte Sensorleitungen 24, 25 mit der in 2 nicht dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit verbunden.
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3 zeigt die Anordnung gemäß 1 mit Blick auf die dem in der Darstellung gemäß 3 nicht sichtbaren Zahnrad 1 abgewandte Seite des Triggerrades 19. Aus 3 ist ersichtlich, dass das Triggerrad 19 eine Anzahl von regelmäßig angeordneten, radial nach außen überstehenden Referenzgeberzungen 26 aufweist und mit einer zwischen zwei bestimmten Referenzgeberzungen 26 angeordneten, sich gegenüber den Referenzgeberzungen 26 radial nach innen erstreckende Nullgebernut 27 ausgebildet ist. Weiterhin lässt sich 3 entnehmen, dass in Bezug auf die Radialrichtung des Triggerrades 19 der Triggersensor 22 den Referenzgeberzungen 26 gegenüber liegend und der Nullstellungssensor 23 der Nullgebernut 27 gegenüber liegend angeordnet sind. Dadurch ist mit dem Triggersensor 22 bei jedem Vorbeilauf einer Referenzgeberzunge 26 wenigstens ein Triggersignal mit dem Nullstellungssensor 23 bei Vorbeilauf der Nullgebernut 27 wenigstens ein Nullstellungssignal erzeugbar sowie der in 3 nicht dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit einspeisbar.
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Aus den Ausgangssignalen des Triggersensors 22 und des Nullstellungssensors 23 sind mit der Steuer- und Auswerteeinheit absolute Positionsdaten zum eindeutigen Bestimmen der Drehstellung des Zahnrades 1 erzeugbar.
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4 zeigt in einer Detailansicht eine Anzahl von Zähnen 3 des Zahnrades 1 gemäß 1. An den in der Darstellung gemäß 4 sichtbaren Zähnen 3 sind als Störbereiche anschaulich ein Einzelriss 28, ein randseitiger Zahnbruch 29, eine Anzahl von sogenannten ”pittings” in Gestalt von kleinvolumigen Grübchen 30, verhältnismäßig großflächige Verschleißbereiche 31 und ein Rissfeld 32 dargestellt, wie sie typischerweise bei in einem Getriebe hochbelasteten Zahnrädern 1 auftreten können.
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5 zeigt in einem Blockschaubild zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens relevante Elemente der in Zusammenhang mit 1 bis 3 erwähnten Steuer- und Auswerteeinheit 33. Die Steuer- und Auswerteeinheit 33 verfügt über eine Positionsbestimmungseinheit 34, die über die Sensorleitungen 24, 25 mit dem in 5 nicht dargestellten Triggersensor 22 und dem Nullstellungssensor 23 verbunden ist. Mit der Positionsbestimmungseinheit 34 ist ein der Stellung des zu überwachenden Zahnrades 1 zugeordneter Stellungswert bestimmbar.
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Die Positionsbestimmungseinheit 34 ist an einen Kontroller 35 angeschlossen, der über eine bidirektionale Verbindung mit dem Bildaufnahmemodul 10 kommuniziert. Die durch das Bildaufnahmemodul 10 gewonnenen Bilder werden zusammen mit den Stellungswerten einem Einzelbildspeicher 36 zugeführt. Die in dem Einzelbildspeicher 36 abgespeicherten Bilder sind einer Bilddatenbank 37 einspeisbar, die zusammen mit dem Einzelbildspeicher 36 an ein Bildauswertemodul 38 angeschlossen ist.
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Das Bildauswertemodul 38 wiederum steht mit einem Schadenserkennungsmodul 39 in Verbindung, mit dem, wie weiter unten näher erläutert, mit einer verhältnismäßig hohen Wahrscheinlichkeit vorhandene Schäden detektierbar und einem dem Schadenserkennungsmodul 39 nachgeordneten Ausgabemodul 40 als Schadenswerte einspeisbar sind.
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6 zeigt in einem Blockschaubild genauer einen Teil des Aufbaus der Bilddatenbank 37 und des Bildauswertemoduls 38. Die Bilddatenbank 37 verfügt über eine Betriebsbilderbank 41, die an den Einzelbildspeicher 36 angeschlossen ist und die von dem Einzelbildspeicher 36 übergebene Betriebsbilder, die zu einer Messserie gehören, abspeichert. An die Betriebsbilderbank 41 ist zum Einen eine Mittelungsbilderbank 42 und zum Anderen eine Variationsbilderbank 43 angeschlossen. In der Mittelungsbilderbank 42 sind die beispielsweise arithmetisch gemittelten Betriebsbilder einer Messserie als Mittelungsbetriebsbilder abspeicherbar, während in der Variationsbilderbank 43 eine statistische Abweichung, beispielsweise die Standardabweichung, der einzelnen Bildpunkte der Betriebsbilder einer Messserie als Variationsbetriebsbilder gegenüber einem in einem zugeordneten Mittelungsbetriebsbild abgespeicherten zugehörigen Mittelwert abspeicherbar sind.
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Die Auswahl des Mittelungsbetriebsbildes und des Variationsbetriebsbildes wenigstens einer Messserie zum Bereitstellen wenigstens eines Mittelungsreferenzbildes und wenigstens eines Variationsreferenzbildes aus vorhandenen Mittelungsbetriebsbildern beziehungsweise Variationsbetriebsbildern erfolgt über eine Referenzauswahleinheit 44, die an die Betriebsbilderbank 41 angeschlossen ist. Nach Sichtung der Mittelungsbetriebsbilder und Variationsbetriebsbilder vorzugsweise mehrerer Messserien mit Kriterien wie insbesondere aufgrund Vorerfahrungen eines Benutzers im Wesentlichen artefaktefreie Mittelungsbetriebsbilder sowie verhältnismäßig geringe Abweichungen in den Variationsbetriebsbildern von dem zugehörigen Mittelungsbetriebs werden bestimmte Mittelungsbetriebsbilder und Variationsbetriebsbilder als Mittelungsreferenzbilder und Variationsreferenzbilder gekennzeichnet.
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Das Bildauswertemodul 38 vertilgt über eine Differenzbilderzeugungseinheit 45, die an die Betriebsbilderbank 41, die Mittelungsbilderbank 42 und die Variationsbilderbank 43 angeschlossen ist. Mit der Differenzbilderzeugungseinheit 45 ist aus den gemittelten Betriebsbildern einer Messserie und einem Mittelungsreferenzbild aus der Mittelungsbilderbank 42 durch Subtraktion der Bildpunkte ein Differenzbild erzeugbar, das unter Berücksichtigung der Abweichungen aus den Variationsreferenzbildern 43 dahingehend gewichtet wird, dass in dem Mittelungsreferenzbild Bereiche mit einer relativ hohen Abweichung eines Mittelungsreferenzbildes geringer und Bereiche mit einer verhältnismäßig niedrigen Abweichung stärker gerichtet werden, um die Aussagekraft der Differenzbilder zu erhöhen.
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Bei einer nicht dargestellten Weiterbildung ist vorgesehen, dass aus einer Anzahl von Betriebsbildern durch Mittelung ein Metabetriebsbild erzeugt wird, das als Betriebsbild zum Erzeugen des Differenzbildes verwendet wird.
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Die von der Differenzbilderzeugungseinheit 45 erzeugten Differenzbilder sind einer Differenzbilderbank 46 des Bildauswertemoduls 38 einspeisbar.
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7 zeigt ein Mittelungsreferenzbild 47 des Zahnrades 1 zu einem Zeitpunkt T0, an dem das Zahnrad 1 in einem ordnungsgemäßen Zustand ist. Aus 7 ist ersichtlich, dass das Mittelungsreferenzbild 47 weitgehend frei von beispielsweise durch einen Ölfilm hervorgerufenen zeitlich fluktuierenden Schlieren ist, die sich bei einer ausreichend hohen Anzahl von Betriebsbildern, die dem Mittelungsreferenzbild 47 zugrundegelegt worden sind und durch stärkere Gewichtung von zeitlich eher konstanten Signalen deutlich verringert haben.
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Weiterhin ist in 7 ein erstes Mittelungsbetriebsbild 48 dargestellt, das zu einem Zeitpunkt T1 aufgenommen worden ist, zu dem an einer Zahnflanke 5 ein schematisch dargestellter Störbereich 49 erkennbar ist. Weiterhin ist ein zweites Mittelungsbetriebsbild 50 zu einem Zeitpunkt Tn-1 und ein drittes Mittelungsbetriebsbild 51 zu einem Zeitpunkt Tn dargestellt, bei denen die Größe des Störbereiches 49 gegenüber der Größe des Störbereiches 49 zum Zeitpunkt T1 deutlich zugenommen hat.
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Überdies ist in 7 ein erstes Differenzbild 52 dargestellt, das durch Subtraktion des Mittelungsreferenzbildes 47 von dem ersten Mittelungsbetriebsbild 48 gewonnen worden ist und die Entwicklung des Störbereiches 49 über den Zeitraum ΔT1 = T1 – T0 zeigt. Entsprechend stellt ein zweites Differenzbild 53 die zeitliche Entwicklung des Störbereiches 49 über den Zeitraum ΔTn-1 = Tn-1 – T0 und ein drittes Differenzbild 54 die zeitliche Entwicklung des Störbereiches 49 in dem Zeitraum ΔTn = Tn – T0 dar. Das Mittelungsreferenzbild 47 und die Mittelungsbetriebsbild 48, 50, 51 sind dabei jeweils in der gleichen Stellung des Zahnrades 1 und somit bei einander entsprechenden charakteristischen Betriebszuständen aufgenommen.
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8 zeigt in einem Blockschaubild einen weiteren Teil des Bildauswertemoduls 38 der Erfindung zum Bestimmen des Vertrauensgrades von Differenzbildern 52, 53, 54. Aus 8 ist ersichtlich, dass der Differenzbilderbank 46 eine Anzahl von Vertrauensberechnungseinheiten 55, 56, 57 nachgeschaltet sind, die den Vertrauensgrad der in den in der Differenzbilderbank 46 gespeicherten Differenzbilder 52, 53, 54 enthaltenen Signale als einzelne Vertrauensbilder bestimmen. Die Vertrauensbilder geben für jeden Bildpunkt einen zwischen 0 und 1 liegenden Vertrauenswert an, der aus weiter unten näher erläuterten Vertrauenswertberechnungsverfahren ermittelt worden ist und den Vertrauenswert von den in einzelnen Bildbereichen der Differenzbilder vorhandenen Signale angibt.
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Den Vertrauensberechnungseinheiten 55, 56, 57 ist eine Überlagerungseinheit 58 nachgeordnet, die die aus den Vertrauensberechnungseinheiten 55, 56, 57 gewonnenen Vertrauensbilder überlagert und einer Gesamtvertrauensberechnungseinheit 59 einspeist, mit der ein Gesamtvertrauensbild bestimmbar ist.
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Wie aus 8 ersichtlich ist, werden dem Schadenserkennungsmodul 39 das Gesamtvertrauensbild aus der Gesamtvertrauensberechnungseinheit 59 und ein in einem Momentandifferenzbildspeicher 60 abgelegtes aktuelles Differenzbild eingespeist, so dass mit dem Schadenserkennungsmodul 39 die in den Differenzbildern enthaltenen Bereiche hohen Vertrauens für das Vorliegen eines Störbereiches 49 mit dem aktuellen Differenzbild verglichen werden und bei Überschreiten einer vorbestimmten Schwelle über das Ausgabemodul 40 beispielsweise ein Alarm oder eine Störungsmeldung ausgegeben wird.
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9 zeigt in einem Blockschaubild die Arbeitsweise einer ersten Vertrauensberechnungseinheit 55, die darin besteht, dass durch Bestimmen von über eine Anzahl von Differenzbildern 52, 53, 54 zeitlich gleich gebliebenen Bereichen ein Vertrauensbild 61 erzeugt wird, in dem in dem Überlagerungsbereich der Störbereiche 49 in allen Differenzbildern 52, 53, 54 ein hoher Vertrauensbereich 62 enthalten ist.
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10 zeigt in einem Blockschaubild die Arbeitsweise einer zweiten Vertrauensberechnungseinheit 56, bei der aus einem einzigen Differenzbild für einen Zeitraum ΔTj durch Vergleich von an einander gegenüber liegenden Zahnflanken 5, 6 benachbarter Zähne 3 auftretende, geometrisch einander ähnliche Realstrukturen 63, 64 zu Vertrauensbereichen 62 in einem Vertrauensbild 61 ausgewertet werden, um sie von Artefakten 65 zu unterscheiden.
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11 zeigt die Vorgehensweise der zweiten Vertrauensberechnungseinheit 56 zum Bestimmen der Ähnlichkeit von an einander gegenüber liegenden Zahnflanken 5, 6 benachbarter Zähne 3 auftretenden Realstrukturen 63, 64. Hierfür wird auf jede Zahnflanke 5, 6 beispielsweise ein optisch erzeugtes Gitternetz 66, 67 gelegt, die als Referenzsysteme zum Bestimmen von durch Reflexion ineinander übergehende Realstrukturen 63, 64 dienen. So ist in 11 gezeigt, wie beispielsweise die Lage von jeweils zwei Punkten 68, 69, 70, 71 auf jedem Gitternetz 66, 67, die auf einer Umfangslinie 72 liegen, eindeutig in einander überführt werden.
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12 zeigt die Anordnung gemäß 11 in einer gegenüber 11 vergrößerten Darstellung, um zu veranschaulichen, wie zwischen den Linien der Gitternetze 66, 67 liegende Punkte 68, 70 durch längengleiches Verschieben in Richtung einer Gitterlinie eines Gitternetzes 66, 67 entlang einer Flankenparallele 73, 74 und anschließendem entsprechend der Ähnlichkeitstransformation, der auch die Gitternetze 66, 67 unterliegen, entlang einer Umfangslinie 72' von einer Gitterlinie eines Gitternetzes 66 zu der anderen Gitterlinie des anderen Gitternetzes 67 versetzt werden. Somit lassen sich durch Ähnlichkeitstransformation ineinander überführbare Punkte 68, 69, 70, 71 einer Realstruktur 63, 64 zuordnen, wobei die Intensität der Realstrukturen 63, 64 darüber entscheidet, auf welcher Zahnflanke 5, 6 der Störbereich 49 und auf welcher Zahnflanke 5, 6 das Bild des Störbereiches 49 liegt.
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13 zeigt in einem Blockschaubild die Arbeitsweise der dritten Vertrauensberechnungseinheit 57, die darauf beruht, bei gleichen Zeiträumen ΔTn aber verschiedenen Stellungen des Zahnrades 1 gewonnene Differenzbilder 52, 53, 54 auf über verschiedene Zahnpositionen zueinander ähnliche Störbereiche 49 zu erkennen. Hierzu werden der dritten Vertrauensberechnungseinheit 57 Differenzbilder 52, 53, 54 eingespeist, die zu jeweils gleichen Zeiten Tj aber bei verschiedenen Stellungen des Zahnrades 1 aufgenommen worden sind, so dass der gleiche Störbereich 49 entsprechend der vorbestimmten Abbildungsverhältnisse in den Differenzbildern 52, 53, 54 unter Wahren einer geometrischen Ähnlichkeit an verschiedenen Positionen angeordnet ist. Durch eine nachfolgend näher erläuterte Ähnlichkeitstransformation wird auch hier in einem Vertrauensbild 61 ein Vertrauensbereich 62 erzeugt, der als Referenz für weitere Differenzbilder dient.
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14 zeigt das Zahnrad 1 in einer Draufsicht mit nunmehr auf gleichgerichtete Zahnflanken 5 beispielsweise optisch aufprojizierten Gitternetzen 66, 67, die entsprechend der Abbildungsverhältnisse und der Stellung der Zähne 3 entsprechend einer Ähnlichkeitstransformation zueinander ähnlich sind. Entsprechend lassen sich auf Gitterlinien der Gitternetze 66, 67 liegende Punkte 68, 69, 70, 71, die auf einer Umfangslinie 72 liegen, über die Ähnlichkeitstransformation ineinander überführen und somit beispielsweise dem gleichen Störbereich 49 zuordnen.
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15 zeigt die Anordnung gemäß 14 in einem gegenüber 14 vergrößerten Maßstab durch Überführen in Zwischenbildpunkte 68', 70', die jeweils auf einer Flankenparallelen 73, 74 liegen, auf Gitterlinien der Gitternetze 66, 67 mit anschließendem Verschieben entlang einer Umfangslinie 72', so dass die realen Bildpunkte 68, 70 wieder auf einer Umfangslinie 72 liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/031106 A1 [0002]
- DE 102007024868 A1 [0003]
