DE102014000477B4

DE102014000477B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Befestigungskräften

Info

Publication number: DE102014000477B4
Application number: DE102014000477.5A
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Tsutsui; Nobuaki Nakasu; Keiji Suzuki; Kengo Iwashige; Mitsuru Onoda; Harumasa Tsuchiya; Yasuaki Kageyama
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: JP6066195B2; CA2836526C; US9261421B2; US20140260526A1; CA2836526A1; DE102014000477A1; JP2014178220A

Abstract

Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft eines plattenartigen Elements (8), umfassend:- eine Einrichtung (21) zum Aufbringen einer vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft auf die Oberfläche des plattenartigen Elements (8), um einen Auftreffton zu erzeugen;- eine Einrichtung (35) zum Aufnehmen des erzeugten Auftrefftons;- eine Einrichtung (53, 54) eingerichtet zum Erhalten von mehreren Arten von Merkmalsgrößen aus dem Auftreffton; und- eine Einrichtung (55) eingerichtet zum Bestimmen der Befestigungskraft anhand einer Datenbank (56), die eine vorab für ein Bestimmungsobjekt erstellte Beziehung zwischen den mehreren Arten von Merkmalsgrößen und der Befestigungskraft enthält, wobei die Befestigungskraft und die Merkmalsgrößen aus der Datenbank (56) und dem Auftreffton abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für eine Schwerpunktfrequenz und ein Wert für eine Auftrefftonenergie, der aus der Energie eines Energiespektrums (71) für den Auftreffton abgeleitet wird, als die Merkmalsgrößen verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Befestigungskräfte und Befestigungszustände verschiedener Elemente in einer elektrischen Maschine.
Ein Generator, eines der Meßobjekte zum Messen von Befestigungskräften, enthält einen Rotor und einen Stator. Die durch eine Drehung des Rotors erzeugte Änderung eines Magnetfeldes wird im Stator in elektrische Energie umgewandelt. Der Stator hat einen Aufbau, bei dem eine Spule durch Nuten eines Kerns aus laminierten Siliziumstahlblechen verläuft, wobei die Befestigung der Spule durch den Druck von Isolierelementen erfolgt.
Für die Befestigung unter Druck dient ein Aufbau, bei dem eine gewellte Blattfeder und ein Keil als plattenartiges Element auf einer Spule übereinander angeordnet werden, wobei die gewellte Blattfeder vom Keil zusammengedrückt wird, wodurch die Spulenleiter festgehalten werden.
Bei einem solchen Befestigungsaufbau unter Druck ist es erforderlich, die Spule in einem vorgegebenen Befestigungszustand zu halten. Bei einem Generator mit dem beschriebenen Spulenbefestigungsaufbau wird nach dem Verstreichen einer vorgegebenen Zeit (Betriebszeit) der Keil auf seinen Befestigungszustand überprüft. Wenn sich der Keil gelockert hat, werden zum Wiederherstellen des vorgegebenen Drucks die gewellte Blattfeder und/oder der Keil ersetzt, eingestellt oder gewartet. Die Überprüfung und Beurteilung des Befestigungszustands der Spule beruht bis jetzt auf einer sensorischen Untersuchung, bei der der Befestigungszustand der Spule auf der Basis von Tönen und Vibrationen beurteilt wird. Bei der Untersuchung schlägt eine Person mit einem Hammer auf den Keil, um die Töne und Vibrationen zu erzeugen.
Im japanischen Patent JP 3 973 203 B2 ist ein Versuch beschrieben, die sensorische Untersuchung zu quantifizieren. Bei diesem Verfahren wird ein Element angeregt, das sich daraus ergebende Vibrationsverhalten erfaßt und mit einer Anzahl von vorher aufgezeichneten Vibrationsmustern verglichen, um den Druck abzuschätzen, der auf den Keil einwirkt. Ein Schritt dieses Verfahrens beinhaltet eine Spektralanalyse, bei der für den Vergleich mit den Vibrationsmustern der Mittelpunkt des Energiebandes von Vibrationsspektren erfaßt wird. Das japanische Patent JP 4 456 723 B2 beschreibt ein Verfahren zum quantitativen Beurteilen des Grades der Stabilität von Beton auf der Basis eines Hammerschlags auf den Beton. Bei diesem Verfahren wird mit einem Stoßhammer auf die Oberfläche des Betons geschlagen und aus der bekannten Stärke des Hammerschlags und dem Hammerton, der durch den Beton läuft, auf den Grad der Stabilität des Betons geschlossen.
Wenn bei einem Generator die Befestigungskraft des Keils von einer Peson beurteilt wird, schwankt das Beurteilungsergebnis in Abhängigkeit von der Erfahrung, der Empfindung, der körperlichen Verfassung und dergleichen der jeweiligen Person, die die Messung durchführt.
Die Beschreibung des japanischen Patents JP 3 973 203 B2 zeigt, daß die Frequenz in der Mitte des Energiebands der Spektren der Hammertöne mit dem lockeren Zustand eines Keils eine Verbindung aufweist. Da die Frequenz der Hammertöne jedoch von der Position, auf die der Hammer schlägt, der Auftreffkraft (Hammerkraft) und dergleichen abhängt, kann für den quantitativen Wert der Befestigungskraft des Keils nur durch das Verfahren des japanischen Patents JP 3 973 203 B2 keine ausreichende Genauigkeit erhalten werden.
Bei dem Verfahren des japanischen Patents JP 4 456 723 B2 wird mit einem Stoßhammer auf die Oberfläche des Betons geschlagen und dann aus dem Verhältnis des am Stoßhammer gemessenen Hammer-Eingangssignals zur Amplitude des erzeugten Hammertons auf den Grad der Stabilität des Betons geschlossen. Dieses Verfahren kann leicht bei großen physikalischen Gegenständen wie Betonbauten angewendet werden, wo die Position für den Hammerschlag und die Position zur Aufnahme des daraus resultierenden Tons frei gewählt werden können. Bei der Bewertung der Befestigungskraft eines Keils in einem Generator muss mit dem Hammer auf die Oberfläche eines relativ kleinen, plattenartigen Gegenstands geschlagen werden. Das Verfahren des japanischen Patents JP 4 456 723 B2 kann daher nur schwer auf die Bewertung der Befestigungskraft des Keils in einem Generator übertragen werden. Der Keil hat eine längliche, plattenartige Form, und bei dem Verfahren des japanischen Patents JP 4 456 723 B2 ist die Position für den Hammerschlag nicht die Position zur Aufnahme des daraus resultierenden Tons. Die Beziehung zwischen dem Stoßhammer-Ausgangssignal an der Position für den Hammerschlag und der Amplitude der Schwingung des Hammertons ist daher schwach, und es ist unmöglich, daraus eine ausreichende Genauigkeit für die Abschätzung der Befestigungskraft zu erhalten.
Das Dokument US 2008 / 0 282 803 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überprüfen der axialen Klemmung der laminierten Stahlbleche in einem Statorkern durch Anregung Eigenmoden der Statorkernstruktur.
Das Dokument JP H05- 223 697 A offenbart eine Vorrichtung zur Untersuchung/Bewertung der Keillockerung in einem Stator durch Klopfen und Erfassen der Vibration der Keiloberfläche.
Das Dokument US 4 901 572 A offenbart eine Keilmessvorrichtung, die zwischen Stator und Rotor eingesetzt werden kann. Mit einem Hammerkopf wird auf den Keil geklopft und die daraus resultierenden Vibrationen werden von einem Abtastkopf gemessen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Befestigungskräften zu schaffen, mit der bzw. mit dem eine genaue Bestimmung der Befestigungskraft möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 2 angegebenen Vorrichtungen bzw. mit den im Patentansprüchen 7 und 8 angegebenen Verfahren gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtungen bzw. Verfahren.
Die vorliegende Erfindung zeigt mehrere Lösungswege für die oben beschriebenen Probleme auf. Zum Beispiel wird eine Vorrichtung zum Messen von Befestigungskräften geschaffen mit einem Abschnitt zum Aufbringen einer vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft auf die Oberfläche eines Keils, um dadurch einen Auftreffton zu erzeugen; mit einem Abschnitt zum Erfassen des erzeugten Auftrefftons; mit einem Abschnitt zum Erfassen einer Anzahl von Merkmalsgrößen wie einer Merkmalsgröße für die Auftrefftonenergie und einer Merkmalsgröße für die Frequenz des Auftrefftons aus dem erfaßten Auftreffton durch eine arithmetische Operation; und mit einem Abschnitt zum Bestimmen der Befestigungskraft aus den Merkmalsgrößen durch die Verwendung einer Beziehung zwischen der Befestigungskraft des Keils und den verschiedenen Arten von Merkmalsgrößen, die vorher ermittelt wurde.
Da erfindungsgemäß eine sehr genaue Quantifizierung der Befestigungskraft des Keils im Generator möglich ist, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch die Zuverlässigkeit der Arbeiten beim Einsetzen des Keils beim Zusammenbau des Generators erhöht werden. Wenn der Generator in Betrieb ist, wird die Befestigungskraft des Keils bei einer periodischen Untersuchung und dergleichen immer wieder gemessen, was dazu führt, daß auch eine vorübergehende Änderung der Befestigungskraft des Keils (Spulenbefestigungskraft) erfaßt werden kann. Das Sammeln der Daten über vorübergehende Änderungen der Befestigungskraft des Keils ermöglicht es, den Zeitpunkt zum Ersetzen des Statorkeils genau festzulegen. Im Ergebnis kann die Wartung des Generators effizient ausgeführt werden, wodurch sich die Kosten, der Energieaufwand und dergleichen für die Wartung verringern.
Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen von Befestigungskräften werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Blockdarstellung, teilweise im Schnitt, des Aufbaus und der Anordnung einer Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen bei einer ersten Ausführungsform;
2 eine Teil-Schnittansicht des Aufbaus eines Generatorstators als Meßobjekt;
3 eine vergrößerte Schnittansicht der 2;
4 das Wellenformdiagramm eines Hammertonsignals;
5 ein Energiespektrogramm des Hammertonsignals;
6 eine erläuternde Ansicht der Positionen für das Hämmern auf den Keil;
7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Position, an der auf den Keil geschlagen wird, und der Schwerpunktfrequenz;
8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schwerpunktfrequenz und der Befestigungskraft;
9 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Energie des Hammertons und der Befestigungskraft;
10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Dispersion der Schwerpunktfrequenz und der Befestigungskraft;
11 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Schwerpunktfrequenz, der Energie des Hammertons und der Befestigungskraft;
12 eine Darstellung zur Erläuterung eines Kalibrierverfahrens für die Hammerkraft (Auftreffkraft) bei der Meßvorrichtung für die Befestigungskraft eines Keils der ersten Ausführungsform;
13 eine Blockdarstellung, teilweise im Schnitt, des Aufbaus und der Anordnung einer Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen bei einer zweiten Ausführungsform; und
14 eine Blockdarstellung, teilweise im Schnitt, des Aufbaus und der Anordnung einer Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen bei einer dritten Ausführungsform.

Im folgenden werden Ausführungsformen einer Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen bei einem Generator näher beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Zuerst wird anhand der 2 und 3 der Aufbau eines Beispiels für ein Meßobjekt für die Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen beschrieben. Die 2 ist eine Schnittansicht eines Teils eines Generatorstators. Die 3 ist eine Ansicht in Richtung des Pfeils B in der 2.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, weist der Generatorstator eine Spulenbefestigungsanordnung auf, damit die Spule am Stator durch die elektromagnetischen Kräfte, die in der Spule durch den Phasenstrom bei der Stromerzeugung entstehen, nicht in Schwingungen gerät. In der 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Statorkern, der von aufeinandergelegten und laminierten Siliziumstahlblechen gebildet wird, das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Nut im Kern, und die Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnen jeweils Spulen, die beide in die Nut 4 eingesetzt sind. Auf die Spule 2 sind, in dieser Reihenfolge, eine Abschlußplatte 5, eine gewellte Blattfeder 7 und ein Keil 8 aufgelegt. Die Abschlußplatte 5, die gewellte Blattfeder 7 und der Keil 8 sind aus einem Verbundmaterial. Im vorliegenden Fall wird das Verbundmaterial von einem geeigneten Material gebildet, das mit einem Kunstharz mit guten Isolationseigenschaften getränkt ist.
Wie in der 3 gezeigt, ist der Keil 8 beidseitig mit jeweils einem seitlichen, abgeschrägten Abschnitt 11 in eine in der Seitenwand der Nut 4 ausgebildete Aussparung 10 eingesetzt. Dadurch wird die gewellte Blattfeder 7 im zusammengedrückten Zustand gehalten. Beide Spulen 2, 3 werden von der Kraft (Reaktionskraft) gehalten, die von der zusammengedrückten gewellten Blattfeder 7 auf sie ausgeübt wird. Die Reaktionskraft wirkt auch auf den Keil 8 und wird von den Aussparungen 10 in den Seitenwänden der Nut 4 im Statorkern 1 aufgenommen. Bei dieser Art von Spulenbefestigung ist es schwierig, den Befestigungszustand der Spulen 2 und 3 und den Befestigungszustand des Keils 8, auf die alle eine identische Reaktionskraft einwirkt, direkt zu messen.
Es folgt die Beschreibung der Meßvorrichtung der 1 für die Befestigungskraft von Keilen.
In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 20 die Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen. Der Aufbau der Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen läßt sich grob in drei Einheiten aufteilen. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet eine Hammereinheit und das Bezugszeichen 22 eine Hammer-Steuereinheit zum Steuern und Antreiben der Hammereinheit 21. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Hammerton-Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten des von der Hammereinheit 21 erzeugten Hammertons.
In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 24 eine Schnittansicht längs der Linie E-E in der 3.
In der Hammereinheit 21 sind zum Beispiel fünf Hammermechanismen 28 an einer Grundplatte 27 angeordnet. Im Hammermechanismus 28 bezeichnet das Bezugszeichen 29 einen Hammer zum Hämmern auf den Keil 8. Der Hammer 29 ist an einem Schaft 30 befestigt. Das eine Ende des Schafts 30 ist in einen Elektromagnetantrieb 31 eingesetzt. Am anderen Ende des Schafts 30 befindet sich ein Hubbegrenzer 32. In den Raum zwischen dem Hubbegrenzer 32 und dem Elektromagnetantrieb 31 ist eine Schraubenfeder 33 eingesetzt. Der Elektromagnetantrieb 31 ist mit der Hammer-Steuereinheit 22 verbunden und stellt den Antrieb für die vertikale Bewegung des Hammers 29 dar. An der Hammereinheit 21 ist auch ein Mikrophon 35 zum Aufnehmen des Hammertons angebracht. Der Ausgangsanschluß des Mikrophons 35 ist mit der Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 verbunden.
Um die zum Beispiel fünf Elektromagnetantriebe 31 einzeln anzusteuern, umfaßt die Hammer-Steuereinheit 22 fünf Treiber 40 und eine Antriebssteuerung 41 zum Steuern der fünf Treiber.
Die Einschaltdauer des Antriebsstromimpulses für den Elektromagnetantrieb 31 wird zum Beispiel durch ein Impulsbreitenmodulationssystem (PWM-System) für den dem Elektromagnetantrieb 31 zugeführten Strom gesteuert. Dadurch kann die Hammerkraft des Hammermechanismus 28 von der Hammer-Steuereinheit 22 genau eingestellt werden.
Die Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 umfaßt einen Verstärker 60, einen Filter 61, einen A/D-(Analog-Digital)-Konverter 51, einen schnellen Fouriertransformations-(FFT)-Prozessor 52, einen Merkmalsgrößen-1-Computer 53 und einen Merkmalsgrößen-2-Computer 54. Des weiteren umfaßt die Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 einen Befestigungskraftrechner 55, eine Datenbank 56 für eine Befestigungskraft-Bestimmungsfunktion, eine Hammerkraft-Feststellungseinheit 57 und Hammerkraft-Bezugsdaten 58. Sowohl der Verstärker 60 als auch der Filter 61 dienen zur Einstellung des Analogsignals vom Mikrophon 35. Der A/D-Konverter 51 wandelt das Analogsignal vom Filter 61 in ein digitales Signal um. Der FFT-Prozessor 52 ermittelt das Energiespektrum des digitalen Ausgangssignals vom A/D-Konverter 51. Sowohl der Merkmalsgrößen-1-Computer 53 als auch der Merkmalsgrößen-2-Computer 54 führen arithmetische Operationen aus, um Merkmalsgrößen wie die Schwerpunktfrequenz und die Hammertonenergie (werden später noch beschrieben) aus dem Energiespektrum abzuleiten. Die Datenbank 56 für die Befestigungskraft-Bestimmungsfunktion enthält für jedes Objektmodell die Beziehung zwischen den beiden Arten von Merkmalsgrößen, die vom Merkmalsgrößen-1-Computer 53 und vom Merkmalsgrößen-2-Computer 54 bestimmt werden, und der Befestigungskraft als Funktion. Im vorliegenden Fall sind der Merkmalsgrößen-1-Computer 53 und der Merkmalsgrößen-2-Computer 54 für jedes Modell eines Produkts verschieden.
Der Befestigungskraftrechner 55 vergleicht die Ergebnisse vom Merkmalsgrößen-1-Computer 53 und vom Merkmalsgrößen-2-Computer 54 mit den Daten in der vorher erstellten Datenbank 56 für die Befestigungskraft-Bestimmungsfunktion und bestimmt so die Befestigungskraft. Zur Ermittlung der Hammerkraft-Bezugsdaten 58 wird die Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen im Normalzustand an einem speziell dafür angefertigten Bezugselement für die Hammertonkalibrierung eingesetzt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse vom Merkmalsgrößen-1-Computer 53 und vom Merkmalsgrößen-2-Computer 54 werden dann als Hammerkraft-Bezugsdaten 58 gespeichert.
Sowohl die Hammerkraft-Feststellungseinheit 57 als auch die Hammerkraft-Bezugsdaten 58 werden je nach Bedarf verwendet. Die Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen klopft auf das Bezugselement 150 für die Hammertonkalibrierung, das später noch beschrieben wird, um die Merkmalsgrößen zu erhalten. Die Hammerkraft-Feststellungseinheit 57 vergleicht dann die Merkmalsgrößen mit den Hammerkraft-Bezugsdaten 58, um den Zustand der Hammereinheit 21 beurteilen zu können. Wenn festgestellt wird, daß die Hammerkraft von einem gegebenen Toleranzpegel abweicht, werden durch Steuern der Einschaltdauer des Antriebsstroms der PWM-Steuerung die Antriebsbedingungen für den Elektromagnetantrieb 31 verändert, um die Hammerkraft auf eine vorgegebene Hammerkraft einzustellen.
Die Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 umfaßt ein Signalinterface für die Hammer-Steuereinheit 22, eine Steuerfunktion, einen arithmetisch arbeitenden Abschnitt zum Ausführen verschiedener arithmetischer Operationen gemäß Berechnungsausdrücken, die später noch beschrieben werden, einen Aufzeichnungsabschnitt, einen Anzeigeabschnitt und dergleichen.
Es wird nun das Meßverfahren für die Befestigungskraft des Keils anhand der Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen beschrieben. Zuerst schlägt die Hammereinheit 21 auf den Keil 8, der Gegenstand der Untersuchung ist. Über einen Schalter und dergleichen (nicht gezeigt) wird an die Antriebssteuerung 41 ein Hammerstartsignal gegeben. Die Antriebssteuerung 41 gibt daraufhin ein PWM-Steuersignal an den Treiber 40 aus, wodurch ein Antriebsstrom durch den Elektromagnetantrieb 31 fließt und sich der Hammer 29 nach unten bewegt, um auf den Keil 8 zu schlagen. Dabei wird die Schraubenfeder 33 vom Hubbegrenzer 32 am Ende des Schafts 30, an dem der Hammer 29 befestigt ist, zusammengedrückt. Wenn der Stromfluß durch den Elektromagnetantrieb 31 beendet wird, bewegt sich der Hammer 29 durch die Kraft der zusammengedrückten Schraubenfeder 33 wieder nach oben. Der Antriebsstrom wird für einige Millisekunden angelegt, so daß der Hammer 29 verzögerungsfrei auf den Keil 8 schlägt und den Hammerton erzeugt. Bei der ersten Ausführungsform werden die fünf Hammermechanismen 28 in Zeitabständen von einigen hundert Millisekunden der Reihe nach von einer Seite zur andern betätigt, wodurch der Reihe nach entsprechende Hammertöne an den fünf entsprechenden Stellen des Keils 8 erzeugt werden. Die von der Hammereinheit 21 erzeugten Hammertöne werden von der Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 durch das Mikrophon 35 synchron zum Hammerbetrieb der Hammereinheit 21 aufgenommen. Zur Synchronisation wird der Zeitpunkt der Ansteuerung der Antriebssteuerung 41 durch die Hammer-Steuereinheit 22 als Triggersignal verwendet.
Hinsichtlich der Zeitgebung der Tonaufzeichnung wird der jeweilige Hammerton synchron zum Zeitpunkt des Hammerschlags in einer Länge von einigen Millisekunden vor der Erzeugung des Hammertons bis zu einigen zehn Millisekunden nach der Erzeugung des Hammertons aufgenommen. Die Startzeit für die Tonaufzeichnung und die Aufzeichnungszeit können auf der Basis der in der Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 eingestellten Bedingungen geändert werden.
Nachdem der Signalpegel des von der Hammerton-Verarbeitungseinheit 23 aufgenommenen Hammertonsignals im Verstärker 60 angeglichen wurde, wird das sich dabei ergebende Analogsignal vom Filter 61 in einem bestimmten Frequenzband durchgelassen. Das sich dabei ergebende Signal wird vom A/D-Konverter 51 in ein digitales Signal umgewandelt. Die 4 zeigt die Hammertondaten 70 als Funktion f(t) der Zeit vor der Umwandlung in ein digitales Signal. In der 4 stellt die Abszisse die Zeitachse dar und an der Ordinate sind die Werte angetragen, die durch Umwandeln der Intensität der Hammertonsignale in einen Spannungspegel erhalten werden.
Dann werden die durch die AD-Umwandlung erhaltenen Hammertondaten im FFT-Prozessor 52 verarbeitet, um das Energiespektrum 71 als Funktion X(ω) der Frequenz ω zu erhalten, das in der 5 gezeigt ist. In der 5 ist an der Abszisse die Frequenz ω angetragen und an der Ordinate die Signalintensität. Die 5 stellt damit die Intensitätsverteilung der im Hammerton enthaltenen Frequenzen dar.
Auf der Basis der folgenden Ausdrücke (1) und (2) werden dann aus dem Energiespektrum 71 durch die Verwendung des Merkmalsgrößen-1-Computers 53 und des Merkmalsgrößen-2-Computers 54 zwei Arten von Merkmalsgrößen erhalten.
Aus dem Ausdruck (1) wird die Schwerpunktfrequenz f_g erhalten: $ƒ_{g} = \frac{\int (X (ω) \times ω) d ω}{\int X (ω) d ω}$
wobei ω für die Frequenz im Spektrum steht und X(ω) für die Signalintensität im Energiespektrum.
Die Hammertonenergie E_s wird aus dem Ausdruck (2) erhalten: $E_{s} = \int X (ω) d ω$
Bei der ersten Ausführungsform wird für die Hammerton-Merkmalsgröße des Keils 8 zur Reduzierung der Dispersion der Hammerton-Merkmalsgröße aufgrund der Unterschiede in den Hammerpositionen ein Wert verwendet, der durch Aufnehmen der Hammertöne an den fünf Abschnitten des einen Keils 8, auf die die Hämmer der Hammereinheit 21 schlagen, der Mittelwert der so aufgenommenen Hammertöne verwendet.
Es werden nun die Auswirkungen des Hämmerns gegen mehrere Abschnitte des einen Keils beschrieben. Die 6 zeigt eine Teil-Schnittansicht des Statorkerns (die Schnittansicht längs der Linie E-E in der 3). Es wird auf die fünf gleichmäßig beabstandeten Abschnitte d1 bis d5 des Keils geschlagen. Die 7 zeigt die mit dem Ausdruck (1) ermittelte Schwerpunktfrequenz der Töne, die durch das Einhämmern auf die fünf Positionen erhalten werden. In der 7 ist auf der Abszisse die Hammerposition angetragen, und auf der Ordinate sind die Werte für die Schwerpunktfrequenz angetragen. Die drei Linien 100, 101 und 102 in der 7 zeigen das Ergebnis bei verschiedenen Befestigungskräften des Keils 8. Die Linie 100 zeigt das Ergebnis bei einer kleinen Befestigungskraft, die Linie 101 das Ergebnis bei einer mittleren Befestigungskraft und die Linie 102 das Ergebnis bei einer großen Befestigungskraft. Wie aus der 7 ersichtlich ist, schwankt der Wert der Schwerpunktfrequenz stark in Abhängigkeit von der Hammerposition am Keil 8. Es ist sogar möglich, daß die Schwerpunktfrequenz für die mittlere Befestigungskraft wie beim Hammerpunkt d5 unter der Schwerpunktfrequenz für die große Befestigungskraft liegt. Wenn der Hammerton in einem geeigneten Abschnitt des Keils 8 als repräsentativer Wert festgelegt wird, ist daher die Dispersion groß.
Die 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Mittelwert der Schwerpunktfrequenz, der aus den Hammertönen an den fünf Abschnitten d1 bis d5 des Keils 8 erhalten wird, und der Befestigungskraft des Keils. Die 8 zeigt die Tendenz, daß die Befestigungskraft um so größer ist, je größer die Schwerpunktfrequenz ist.
In der 8 ist an der Abszisse die Schwerpunktfrequenz angetragen und an der Ordinate die Befestigungskraft. In der 8 bezeichnet das Bezugszeichen 110 den Mittelwert der Schwerpunktfrequenzen an den fünf Hammerpositionen, und die Bezugszeichen 111 und 112 bezeichnen den oberen Grenzwert bzw. den unteren Grenzwert der Datendispersion.
Das in der 8 gezeigte Ergebnis ist der Mittelwert der Schwerpunktfrequenzen von den fünf Hammerpositionen, aus dem ersichtlich ist, daß die Mittelwertbildung über die Schwerpunktfrequenzen von den fünf Hammerpositionen die Dispersion bis auf einen gewissen Grad unterdrückt, wodurch es möglich wird, eine Beziehung zwischen der Schwerpunktfrequenz und der Befestigungskraft abzuleiten.
Ohne Mittelwertbildung steigt die Dispersion auf ein Mehrfaches an, so daß keine aussagekräftige Beziehung erhalten wird.
Auch bei der durch den Ausdruck (2) definierten Hammertonenergie ist die Dispersion zwischen den Hammerpositionen groß. Eine Mittelwertbildung ermöglicht auch hier eine Verringerung der Dispersion. Die 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Mittelwert der Hammertonenergie an den fünf Hammerpositionen und der Befestigungskraft. Die 9 zeigt die Tendenz, daß die Befestigungskraft um so kleiner ist, je grö-ßer die Hammertonenergie ist.
Die bei der Mittelwertbildung der Hammertonenergie verwendeten Ausdrücke sind die folgenden Ausdrücke (3) und (4).
In den Ausdrücken (3) und (4) steht k für die laufende Nummer des Hammertons, der erzeugt wird, wenn in der vorgegebenen Reihenfolge auf die Abschnitte des Keils geschlagen wird. k hat die Werte von 1 bis 5.
Der Mittelwert ̅f_g der Schwerpunktfrequenz aus den fünf Hammertönen wird durch den Ausdruck (3) erhalten: ${\bar{ƒ}}_{g} = \frac{1}{5} \sum_{k = 1}^{k = 5} (\frac{\int (X_{k} (ω) \times ω) d ω}{\int X_{k} (ω) d ω})$
Der Mittelwert ̅E_s der Hammertonenergien an den fünf Hammerpositionen wird durch den Ausdruck (4) erhalten: ${\bar{E}}_{s} = \frac{1}{5} \sum_{k = 1}^{k = 5} \int X_{k} (ω) d ω$
Aus den fünf Hammertönen werden die mit den Ausdrücken (5) und (6) ermittelten Dispersionen erhalten.
Die Dispersion f_d der Schwerpunktfrequenzen der fünf Hammertöne wird aus dem Ausdruck (5) erhalten: $ƒ_{d} = m a x (\frac{\int (X_{k} (ω) \times ω) d ω}{\int X_{k} (ω) d ω}) - m i n (\frac{\int (X_{k} (ω) \times ω) d ω}{\int X_{k} (ω) d ω})$
Die Dispersion E_d der Hammertonenergien der fünf Hammertöne wird aus dem Ausdruck (6) erhalten: $E_{d} = m a x (\int X_{k} (ω) d ω - m i n (\int X_{k} (ω) d ω)$
Die Dispersion wird durch den Unterschied zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert der fünf Datensätze ausgedrückt. Alternativ kann sie auch durch ein anderes geeignetes Verfahren wie die Standardabweichung ausgedrückt werden.
Als Ergebnis der Untersuchungen wird die in der Linie 120 der 10 gezeigte Beziehung zwischen der Befestigungskraft und der Schwerpunktfrequenz erhalten. Die 10 zeigt die Tendenz, daß die Dispersion der Schwerpunktfrequenzen zwischen den Hammertönen um so größer ist, je kleiner die Befestigungskraft ist.
Aus der Beziehung zwischen der Schwerpunktfrequenz und der Befestigungskraft, die mit dem Ausdruck (3) erhalten wird, und der Beziehung zwischen der Hammertonenergie und der Befestigungskraft, die aus dem Ausdruck (4) erhalten wird, wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, ergibt sich, daß sowohl die Schwerpunktfrequenz als auch die Hammertonenergie mit der Befestigungskraft korreliert ist. Wenn die Beziehung mit der Befestigungskraft auf der Basis der beiden Arten von Merkmalsgrößen Schwerpunktfrequenz und Hammertonenergie ausgedrückt wird, ergibt sich die in der 11 gezeigte dreidimensional gekrümmte Oberfläche 130. Bei der Bestimmung der Befestigungskraft aus dieser dreidimensional gekrümmten Oberfläche 130 wird die Befestigungskraft anhand des Werts 133 festgestellt, der dem Schnittpunkt entspricht, der in den Ebenenkoordinaten durch den Wert 131 der Schwerpunktfrequenz und dem Wert 132 der Hammertonenergie ausgedrückt wird. Es ist in diesem Fall möglich, eine Bestimmung mit einer kleineren Dispersion als bei der Bestimmung aus einer Art der Daten durchzuführen.
Im folgenden wird ein konkretes Verfahren zum Erhalten der dreidimensional gekrümmten Oberfläche 130 der 11 beschrieben. Zum Beispiel werden Koeffizienten a1 bis a5 derart aufgenommen, daß der Unterschied zwischen einem Meßwert und einem Schätzwert unter Verwendung des Ausdrucks für die quadratische Kurve nach Ausdruck (7), der Methode der kleinsten Quadrate, erhalten wird. Dadurch wird es möglich, einen Schätzwert für die gekrümmte Oberfläche zu erhalten: $F = a_{1} \times {({\bar{ƒ}}_{g})}^{2} + a_{2} \times {({\bar{E}}_{s})}^{2} + a_{3} \times {\bar{ƒ}}_{g} + a_{4} \times {\bar{E}}_{s} + a_{5}$
wobei F die Befestigungskraft ist.
Im obigen Fall wird die Abschätzung bzw. Bestimmung durch eine quadratische Kurve ausgedrückt, die Abschätzung kann jedoch auch anhand eines Primärausdrucks oder eines Ausdrucks dritter oder höherer Ordnung erfolgen.
Im obigen Ausdruck werden sowohl die Schwerpunktfrequenz als auch die Hammertonenergie bei der Bestimmung der Befestigungskraft als Faktoren herangezogen. Alternativ kann jedoch auch eine Kombination aus der Dispersion f_d der Schwerpunktfrequenz und der Dispersion E_d der Hammertonenergie als Faktoren bei der Bestimmung der Befestigungskraft herangezogen werden. Es kann auch ein Ausdruck verwendet werden, der auf multidimensionalen Daten von zwei oder mehr Faktoren beruht.
Untersuchungen zur Bestimmung der Befestigungskraft auf der Basis der Hammertöne zeigten kaum einmal die Tendenz, die Beziehung zwischen der Schwerpunktfrequenz und der Hammertonenergie umzukehren. In solchen Fällenz zeigte sich meist der unnormale Befestigungszustand der beteiligten Elemente auch auf andere Weise. Ein unnormaler Befestigungszustand kann also auch zur Klärung von widersprüchlichen Ergebnissen in den Daten von zwei Arten von Korrelationen dienen.
Es folgt die Beschreibung eines Kalibrierverfahrens für die Hammerkraft bei der Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen.
Die Kalibrierung erfolgt vor dem Gebrauch und im Gebrauch periodisch und kann die Dispersion der maschinenbedingten Unterschiede bei einer Anzahl von Meßvorrichtungen für die Befestigungskraft von Keilen verringern. Da die Hammertonenergie stark von der Hammerkraft abhängt, wird, wenn die Hammertonenergie als Faktor bei der Bestimmung der Befestigungskraft verwendet wird, die Kalibrierung ausgeführt, um den Einfluß von verschiedenen Hammerkräften zu eliminieren und immer die gleiche Hammerkraft anzuwenden.
In der 12 bezeichnet das Bezugszeichen 150 ein Kalibrierelement zum Kalibrieren der Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen.
Zuerst schlägt die Hammereinheit 21 an fünf Positionen auf das Kalibrierelement 150, und die dabei erzeugten Hammertöne werden aufgenommen. Aus diesen Bezugs-Hammertönen werden Bezugs-Schwerpunktfrequenzen, Bezugs-Hammertonenergien und dergleichen für die fünf Hammermechanismen 28 abgeleitet. Die Daten über die Bezugs-Schwerpunktfrequenzen, Bezugs-Hammertonenergien und dergleichen werden als Bezugsstammdaten für die Hammerkraft gespeichert.
Bei der Kalibrierung wird die Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen, die Gegenstand der Kalibrierung ist, in den gleichen Zustand versetzt wie bei der Aufnahme der Bezugsdaten am Kalibrierelement 150. Damit werden die Hammertöne von den fünf Hammermechanismen 28 kontrolliert. Aus den dabei aufgenommenen Hammertönen wird die Merkmalsgrö-ße 1 und die Merkmalsgröße 2 berechnet. Es werden die Schwerpunktfrequenz, die Hammertonenergie und dergleichen für die fünf Hammermechanismen aufgenommen und mit den Bezugsdaten 58 für die Hammerkraft in der Hammerkraft-Feststellungseinheit 57 verglichen. Wenn der Gegenstand der Kalibrierung bezüglich der Bezugsdaten 58 für die Hammerkraft innerhalb der Toleranzgrenzen liegt, kann die Tatsache, daß die Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen im normalen Zustand ist, durch die Anzeigefunktion einem Bediener angezeigt werden (nicht gezeigt).
Wenn der Gegenstand der Kalibrierung bezüglich der Bezugsdaten 58 für die Hammerkraft nicht innerhalb der Toleranzgrenzen liegt und deshalb eine Kalibreirung erforderlich ist, wird zuerst die Tatsache, daß die Hammerkraft nicht im normalen Zustand ist, durch die Anzeigefunktion dem Bediener angezeigt. In Übereinstimmung mit dem Signal von der Hammerkraft-Feststellungseinheit 57 werden die PWM-Steuerbedingungen für die Antriebsströme für die fünf Hammermechanismen 28 in der Antriebssteuerung 41 geändert. Auf diese Weise werden die Hammerkräfte eingestellt. Wenn es nicht möglich ist, eine solche Situation nur durch eine Änderung der PWM-Steuerbedingungen zu bereinigen, werden weitere Maßnahmen wie eine Reparatur ausgeführt. Vorzugsweise werden die Ergebnisse der Hammerkraft-Feststellungseinheit 57 als Kalibrierhistorie im Speicher gespeichert.
Bei der ersten Ausführungsform werden die mehreren Arten von Merkmalsgrößen, die mit der Befestigungskraft korreliert sind, aus dem Energiespektrum der Hammertöne erhalten. Bei der Bestimmung der Befestigungskraft auf der Basis der Beziehung zwischen den mehreren Arten von Merkmalsgrößen und der Befestigungskraft kann die Genauigkeit der Bestimmung der Befestigungskraft erhöht werden.
[Zweite Ausführungsform]
Anhand der 13 wird eine zweite Ausführungsform der Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen beschrieben.
Die in der 13 gezeigte Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich im Aufbau dadurch von der in der 1 gezeigte Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen der ersten Ausführungsform, daß der FFT-Prozessor 52 weggelassen wird und in der auf den A/D-Konverter 51 folgenden Stufe ein Merkmalsgrößen-3-Computer 161 und ein Merkmalsgrö-ßen-4-Computer 162 angeordnet sind. Der Merkmalsgrößen-3-Computer 161 und der Merkmalsgrößen-4-Computer 162 sind jeweils Einheiten zum Ausführen von arithmetischen Operationen am Ergebnis vom A/D-Konverter 51. Das Ausgangssignal des A/D-Konverters 51 ist die zeitliche Folge von Hammertondaten 70, die in der 4 dargestellt ist. Hinsichtlich der Merkmalsgrößen dieser Daten ist es möglich, aus den beiden Datensätzen 165 für den Spitzenwert der Intensität und 166 für die Abschwächungsrate mit den Eigenschaften einer Einhüllenden und dergleichen Werte abzuleiten. Das Bestimmungsverfahren für die Bestimmung der Befestigungskraft von Keilen auf der Basis dieser Merkmalsgrößen ist das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform.
Beim Zusammenbau von elektrischen Maschinen kommen verschiedene Materialien und Befestigungsverfahren zum Einsatz. Bei der Erzeugung einer Rinne zum Beispiel gibt es zwischen der Ausbildung der Rinne und den Spitzenwerten 165, 166 der 4 eine starke Korrelation. Beim Zusammenbau von länglichen Elementen ändert sich die Art der Schwingungen und der Töne nach dem Hämmern in Abhängigkeit vom Befestigungszustand der Elemente. Dabei ändert sich vor allem die Abschwächungsrate 166 der Einhüllenden.
Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Genauigkeit bei der Bestimmung der Befestigungskraft aus den Daten für die Merkmalsgröße von der zeitlichen Serie von Hammertondaten 70 aus den Hammertönen zu verbessern. Die Befestigungskraft zeigt die entsprechende Korrelation.
[Dritte Ausführungsform]
Anhand der 14 wird eine dritte Ausführungsform der Meßvorrichtung für die Befestigungskraft von Keilen beschrieben. Bei dieser Meßvorrichtung 20 für die Befestigungskraft von Keilen werden die verschiedenen Merkmalsgrößen, die eine Korrelation mit der Befestigungskraft zeigen, aus dem Energiespektrumdaten 71 erhalten, die vom FFT-Prozessor 52 ausgegeben werden, der an der zeitlichen Serie von Hammertondaten 70, die vom A/D-Konverter 51 ausgegeben werden, eine schnelle Fouriertransformation ausführt. Die Befestigungskraft wird wieder aus einer Kombination dieser Merkmalsgrößen bestimmt.
Bei der dritten Ausführungsform ist es möglich, sowohl die Art des Faktors, in dem die zeitliche Serie von Hammertondaten 70 und die Befestigungskraft eine Korrelation zeigen, als auch die Art der Energiespektrumdaten 71 als Frequenzdaten zu verarbeiten. Es ist damit möglich, die Befestigungskräfte für verschiedene Befestigungszustände zu bestimmen.

Claims

Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft eines plattenartigen Elements (8), umfassend: - eine Einrichtung (21) zum Aufbringen einer vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft auf die Oberfläche des plattenartigen Elements (8), um einen Auftreffton zu erzeugen; - eine Einrichtung (35) zum Aufnehmen des erzeugten Auftrefftons; - eine Einrichtung (53, 54) eingerichtet zum Erhalten von mehreren Arten von Merkmalsgrößen aus dem Auftreffton; und - eine Einrichtung (55) eingerichtet zum Bestimmen der Befestigungskraft anhand einer Datenbank (56), die eine vorab für ein Bestimmungsobjekt erstellte Beziehung zwischen den mehreren Arten von Merkmalsgrößen und der Befestigungskraft enthält, wobei die Befestigungskraft und die Merkmalsgrößen aus der Datenbank (56) und dem Auftreffton abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für eine Schwerpunktfrequenz und ein Wert für eine Auftrefftonenergie, der aus der Energie eines Energiespektrums (71) für den Auftreffton abgeleitet wird, als die Merkmalsgrößen verwendet werden.
Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft eines plattenartigen Elements (8), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (21) mit mehreren Hammereinheiten (28) zum Aufbringen einer vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft auf mehrere Abschnitte an der Oberfläche des plattenartigen Elements (8), um eine Anzahl von Auftrefftönen zu erzeugen; eine Einrichtung (35) zum Aufnehmen der erzeugten Anzahl von Auftrefftönen; eine Einrichtung (53, 54) eingerichtet zum Erhalten von mehreren Arten von Merkmalsgrößen aus der Anzahl von Auftrefftönen; eine Einrichtung (23) eingerichtet zur Mittelwertbildung aus den mehreren Merkmalsgrößen für jede Art von Merkmalsgröße, um mehrere Arten von gemittelten Merkmalsgrößen zu erhalten; und durch eine Einrichtung (55) eingerichtet zum Bestimmen der Befestigungskraft derart, dass sie den mehreren Arten von gemittelten Merkmalsgrößen entspricht, mit Hilfe einer Datenbank (56) für eine Befestigungskraft-Bestimmungsfunktion, wobei die Datenbank (56) eine vorher erhaltene Beziehung zwischen der Befestigungskraft des plattenartigen Elements (8) und den mehreren Arten von gemittelten Merkmalsgrößen enthält.
Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bestimmen der Auftreffkraft aus der Beziehung zwischen einem Kalibrierelement (150) zur Auftreffkraftkalibrierung, mehreren Merkmalsgrößen für das Kalibrierelement (150), die vorab erhalten wurden, und dem Auftreffton, und durch eine Kalibrierung der Auftreffkraft, wenn die Auftreffkraft von einem vorgegebenen Bereich abweicht.
Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für die Schwerpunktfrequenz und ein Wert für die Auftrefftonenergie, der aus der Energie eines Energiespektrums (71) für den Auftreffton abgeleitet wird, für die Merkmalsgrößen verwendet werden.
Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus der Auftrefftonwellenform als zeitliche Serie von Daten erhaltener Spitzenwert und eine Abschwächungsrate für die Merkmalsgrößen verwendet werden.
Vorrichtung (20) zum Messen der Befestigungskraft nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Auftreffeinrichtung zum Aufbringen der vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft zum Erzeugen des Auftrefftons ein Elektromagnetantrieb (31) verwendet wird, um die Auftreffkraft mit einem PWM-System zu steuern.
Verfahren zum Messen einer Befestigungskraft, gekennzeichnet durch die Schritte: - Aufbringen einer vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft auf die Oberfläche eines plattenartigen Elements (8), um einen Auftreffton zu erzeugen; - Aufnehmen des erzeugten Auftrefftons; - Erhalten von mehreren Arten von Merkmalsgrößen aus dem Auftreffton; und - Bestimmen der Befestigungskraft anhand einer Datenbank (56), die eine vorab für eine Art von Bestimmungsobjekt erstellte Beziehung zwischen den mehreren Arten von Merkmalsgrößen und der Befestigungskraft enthält, wobei die Befestigungskraft und die Merkmalsgrößen aus der Datenbank (56) und dem Auftreffton abgeleitet werden; dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert für eine Schwerpunktfrequenz und ein Wert für eine Auftrefftonenergie, der aus der Energie eines Energiespektrums (71) für den Auftreffton abgeleitet wird, als die Merkmalsgrößen verwendet werden.
Verfahren zum Messen einer Befestigungskraft, gekennzeichnet durch die Schritte: - Aufbringen einer vorgegebenen, kontrollierten Auftreffkraft auf mehrere Abschnitte an der Oberfläche eines plattenartigen Elements (8) durch eine Einheit (21) mit mehreren Hammereinheiten (28), um eine Anzahl von Auftrefftönen zu erzeugen; - Aufnehmen der erzeugten Anzahl von Auftrefftönen; - Erhalten von mehreren Arten von Merkmalsgrößen aus der Anzahl von Auftrefftönen; - Mittelwertbildung aus den mehreren Merkmalsgrößen für jede Art von Merkmalsgröße, um mehrere Arten von gemittelten Merkmalsgrößen zu erhalten; und - Bestimmen der Befestigungskraft derart, dass sie den mehreren Arten von gemittelten Merkmalsgrößen entspricht, mit Hilfe einer Datenbank (56) für eine Befestigungskraft-Bestimmungsfunktion, wobei die Datenbank (56) eine vorher erhaltene Beziehung zwischen der Befestigungskraft des plattenartigen Elements (8) und den mehreren Arten von gemittelten Merkmalsgrößen enthält.