DE19736861A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen einer mechanischen Presse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Überwachen der Arbeitsweise einer mechanischen Presse. Dabei geht es insbesondere um ein Anzeigegerät zum Erfassen von Pressen-Parametern wie Pressenbelastung, Pressengeschwindigkeit, Vibration und anderen. Hieraus soll u. a. der jeweils augenblickliche Zustand einer Presse erfaßt und damit auf die noch verbleibende Lebensdauer bzw. auf notwendige Wartung geschlossen werden.

Herkömmliche Verfahren zum Berechnen der Tonnage eines Preßwerkzeuges beruhen meist auf einer statischen Lastberechnung. So hat ein bestimmtes Werkzeug eine bestimmte Materialscherlänge sowie ein Vorratsmaterial gewisser Dicke. Hieraus läßt sich die Tonnage des Werkzeuges oder die Kraft, die notwendig ist, das betreffende Teil zu durchscheren oder zu formen, errechnen. Das herkömmliche Bemessen einer Presse beruht auf der statischen Gesenkschwerbelastung, beruhend auf der Gleichung

Scherlänge (mm) × Dicke (mm) × S kg/mm² = Scherlast (kg).

Diese Belastung wird bisher als die einzig entscheidende Belastung betrachtet und somit die dynamische Spitzenlast der Presse. Bei kürzeren Maschinen und bei Geschwindigkeiten unterhalb 300 Hub/min haben dynamische Wirkungen keinen größeren Einfluß auf die Gesenkbelastung. Werden die Geschwindigkeiten jedoch gesteigert, so treten verschiedene dynamische Erscheinungen verstärkt auf. Diese beanspruchen die Presse in höherem Maße über jene Beanspruchungen hinaus, die in herkömmlicher Weise statisch berechnet werden. In zahlreichen Fällen übersteigen diese dynamischen Belastungen die Scherlast als dynamische Spitzenbelastung. Zusätzlich zu den höheren wirksamen Scherlasten werden mit höherer Pressengeschwindigkeit Stoßkräfte wirksam, die ebenfalls zur Vibration der gesamten Pressenkonstruktion beitragen.

Experimentell hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Pressengeschwindigkeit Stoßvergrößerungen der statischen Belastungen auftreten, wie auch verschiedene zusätzliche Belastungen, die bei geringeren Pressengeschwindigkeiten nicht vorhanden sind. Es gibt zahlreiche unterschiedliche Quellen zusätzlicher Gesenkbelastungsparameter, die weder der Bedienungsperson, dem Betriebsleiter oder dem Unternehmer bekannt sind. Bei höheren Geschwindigkeiten bedarf es eines höheren Kraftaufwandes, um ein Teil zu fertigen, was die Vibrationsbedingungen abermals verschärft, obwohl die Kapazität der Presse dabei nicht überschritten wird.

Bei höheren Pressengeschwindigkeiten werden die Belastungen viel rascher auf die gesamte Pressenkonstruktion aufgebracht und von dieser weggenommen; die Schockwellen, die von der Pressenkonstruktion aufgenommen und innerhalb dieser verteilt werden, sind intensiver. Mit steigender Pressengeschwindigkeit nimmt die Schlittengeschwindigkeit an einem bestimmten Punkt oberhalb des unteren Totpunktes zu; damit nehmen auch die Stoßkräfte der Pressenstempel auf das Material zu. Die Zunahme der Stoßkräfte steigen mit dem Quadrat der Geschwindigkeit. Die Pressengeschwindigkeit ist daher ein ganz wichtiger Faktor für die Steigerung der Vibration. Je höher die Pressengeschwindigkeiten sind, desto gravierender ist die Vibration, die auf das Pressengestell übertragen wird.

Ein weiterer Faktor, der zur Pressenvibration beiträgt, ist der Hub. Dieser steigert die Stoßkräfte sowie die auf die Presse insgesamt wirkende Belastung. Ein dritter Faktor ist der Kontaktabstand des Werkzeugstempels und der Abstreiferplatte oberhalb des unteren Totpunktes. Je höher diese Komponenten oberhalb des unteren Totpunktes in Kontakt gelangen, umso höher wird die Stoßgeschwindigkeit, und damit der Vibrationspegel.

Ein weiterer Faktor, der für den Pressenvibrationsanstieg verantwortlich ist, ist die gespeicherte Energie, die während des Herstellens des einzelnen Teiles freigesetzt wird. Während der Belastung des Werkzeuges treten Verformungen des Pressengestelles auf. Beim Durchbrechen des bearbeiteten Materiales (snap through) führt die Freigabe der gespeicherten Durchbiegungsenergie zu einer Vibrationsschockwelle, die durch das Pressengestell hindurchläuft. Die Freigabe der gespeicherten Energie hat ferner die Wirkung, daß sie die Abwärtsbewegung des Schlittens beschleunigt, was dazu führen kann, daß der Stempel tiefer in das Material eindringt. Nimmt die aufgebrachte Kraft zu, so steigen auch die Spannungen und Durchbiegungen innerhalb der Pressenkonstruktion, was zu einer gesteigerten Energiefreigabe und zu einer gesteigerten Vibration führt.

Ein weiterer Faktor, der auf die Pressenkonstruktion einwirkt und für die Vibration verantwortlich ist, ist die Anwendung von Flachstanzstationen und von Prellböcken. Werden solche Vorrichtungen in den Gesenken verwendet, so treten zusätzliche Belastungen und Stoßkräfte auf. Nimmt die Pressengeschwindigkeit zu, so nimmt natürlich die Schließhöhe ab. Sind Prellböcke vorgesehen, so führt dies zu einer größeren Belastung. Die Schließhöhe nimmt natürlich dann ab, wenn die Pressengeschwindigkeit aufgrund der Trägheitskräfte ansteigt.

Ein weiterer Faktor ist der thermische Schließhöheneffekt. Mit zunehmender Geschwindigkeit treten aufgrund der Viskosität des Öles in der Kurbelwelle und in anderen Lagerräumen Scherkräfte auf. Die Wärme, die beim Scheren des Öles auftritt, wird durch das Pressengestell und durch den Antrieb hindurchgeleitet, was zu einem stärkeren Verringern der Schließhöhe führt.

Die oben beschriebenen dynamischen Effekte, die während des Pressenbetriebes auftreten, steigern somit die Belastung und den Gesamt-Vibrationspegel in der gesamten Pressenkonstruktion; all dies nimmt zu mit zunehmender Pressengeschwindigkeit.

Vibrationsspannungsvergrößerungen, erzeugt durch dynamische Belastungssteigerung, kann zu zahlreichen Problemen in den Pressenkonstruktionen führen. Im Laufe der Zeit können Risse in den Gußteilen an irgendeiner Stelle der Pressenkonstruktion auftreten, wenn langfristige dynamische Belastungssteigerungen nicht erkannt werden. Risse und Schäden können auftreten in den Zugstangen, in den Kurbelwellen, im Querhaupt, im Schlitten sowie in der dynamischen Ausgleichsvorrichtung. In allen diesen Fällen konnte die Vibrationsschwere als Ursache vermittelt werden. Bei bestimmten definierbaren Vibrationsschwerepegeln liegen Spannungsvergrößerungspegel vor, die zu erhöhten Wartungsanforderungen führen.

Die relative Lebensdauer einer Presse läßt sich damit aus den kumulierten Wirkungen der Vibrationsschwerepegel ermitteln, die in dieser Zeitspanne auftreten. Eine Presse kann hohen Vibrationspegeln ohne größere konstruktive Beschädigung dann standhalten, wenn die Zeitdauer relativ gering ist. Auch kann eine Presse geringen Vibrationspegeln ohne Beschädigung ungeachtet der Einwirkungsdauer standhalten.

Kumulierte strukturelle Beschädigungen treten jedoch dann auf, wenn eine Presse bei erhöhtem Spannungszustand zufolge einer mittleren oder hohen Vibrationsschwere während einer längeren Zeitdauer entweder kontinuierlich oder intermittierend läuft. Der Schaden tritt nicht unbedingt in einem Frühstadium auf, wohl aber nach einer gewissen Zeitdauer.

Bei Vibrationsüberwachungssystemen des Standes der Technik ist es notwendig, daß ein "no load response"-Pegel ermittelt wird, bei periodischer "no load"-Überprüfung des jeweiligen Pegels an bestimmten Stellen der Presse, um festzustellen, wie sich der Zustand der einzelnen Bauteile verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit die tatsächlich vorliegenden Vibrationsschwerepegel während der Produktion erfaßt werden können, um langfristige Vorhersagen über die Lebensdauer bzw. über die Zeitpunkte von Wartungsvorgängen machen zu können. Insbesondere soll es damit möglich sein, Aussagen zu machen über die Lebensdauer der Presse sowie deren allgemeines Verhalten bei irgendeiner Kombination von Geschwindigkeit und Belastung, und zwar durch Überwachen der tatsächlichen Vibrationsschwerepegel.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Damit werden eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, um die dynamische Pressenbelastung sowie die Geschwindigkeits-Vibrationsschwerekapazität zu ermitteln zwecks Bestimmens der Langzeit-Pressen-Gesenkdauerhaftigkeit während der Produktion für eine Presse gegebener Konstruktion.

Das Verfahren gemäß der Erfindung erfaßt die Vibrationsschwerepegel bei einem bestimmten Gesenk, und wandelt die Meßergebnisse elektronisch um um die Zonen der Pressenbetriebszuverlässigkeit zu identifizieren, die durch die Anwendung eines Beschleunigungssensors erzeugt wurden. Dieses System gibt Vibrationsschwerezonen während des Pressenbetriebes an. Die somit ermittelten Zonen stellen eine Beziehung her zwischen dem Pressengeschwindigkeits-Vibrationsschwerepegel und der potentiellen Langzeit-Betriebszuverlässigkeit wie folgt:
Zone 1:
Extreme Langzeit-Zuverlässigkeit
Zone 2:
Sehr gute Langzeit-Zuverlässigkeit
Zone 3:
Zuverlässigkeit (mit Vorsicht)
Zone 4:
Keine gute Langzeit-Zuverlässigkeit.

Während des Pressenbetriebes wird die Geschwindigkeitsvibration überwacht, verarbeitet und angezeigt. Ein Sensor, am besten ein Accelerometer, wird an einer Stelle der Presse angeordnet. Eine geeichte elektrische Schaltung wandelt das Pressenbeschleunigungssignal um, um ein Pressengeschwindigkeitssignal, ein Pressenverschiebungssignal oder eine Geschwindigkeitsmessung innerhalb eines Ablauffrequenzbereiches von etwa 10 bis 100 Hz anzugeben.

Die vorliegende Erfindung zeigt den Pegel der Vibrationsschwere sowie die Langzeitzuverlässigkeit von Metallformpressen an, und zwar bei jeglicher Anwendungsart, bei jeglicher Betriebsart, jeglicher Geschwindigkeit und jeglichem Material. Die bisherige präventive Wartungs-Vibrationserfassung erfaßt lediglich "no load"-Änderungen eines Basisbezugspegels spezieller Komponenten, erzielt mittels einer "no load"-Bezugspegelanalyse. Die bisherige, präventive Wartungs-Vibrationspegelmessung unter "no load"-Bedingungen gibt nicht genau die tatsächlichen Produktionsvibrationsbedingungen wieder und ist somit kein Vibrationsschwere-Überwachungssystem.

Um einen zuverlässigen Langzeit-Pressenbetrieb zu erreichen, muß eine bestimmte Presse innerhalb von Zonen einer sicheren dynamischen Kombination aus Belastung und Geschwindigkeit betrieben werden, um zu akzeptablen Pegeln der Pressenvibrationsschwere zu kommen. Eine bestimmte Pressenkonstruktion hat gewisse, ihr eigene Vibrationsverteilungseigenschaften, die es ermöglichen, daß sie sicher betrieben wird bei einer Langzeitzuverlässigkeit innerhalb eines Bereiches von Kombinationen von Produktionsgeschwindigkeiten und dynamischen Belastungen.

Gemäß der Erfindung kann jede einzelne Presse überwacht werden unter Verwendung eines einzigen, an einer Konsole anzuordnenden Monitors. Alternativ läßt sich eine Mehrzahl von Pressen überwachen unter Verwendung einer einzigen tragbaren Meßeinheit. Eine Presse wird gemäß der Erfindung unter Verwendung der folgenden Vorrichtung während der Produktion überwacht:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine tragbare Vorrichtung sein, die an einer mechanischen Presse anschließbar ist, um Pressenzustände zu erfassen. Die Vorrichtung umfaßt ein Accelerometer zum Messen des Pressenzustandes und zum Erzeugen eines entsprechenden Signales. Die Vorrichtung umfaßt ferner einen ebenfalls tragbaren Signalprozessor zum Verarbeiten des entsprechenden Signales. Der Signalprozessor ist an das Accelerometer angeschlossen, um das entsprechende Signal zu verarbeiten, enthaltend die folgenden Schaltungen: einen Accelerationsprozessor zum Errechnen eines Pressenbeschleunigungssignales; einen Geschwindigkeitsprozessor zum Berechnen eines Pressengeschwindigkeitssignales; und einen Verschiebungsprozessor zum Berechnen eines Pressenverschiebungssignales.

Zum Wiedergeben wenigstens eines der berechneten Signale wird ein Display vorgesehen, wobei ein Schalter den Beschleunigungsprozessor, den Geschwindigkeitsprozessor sowie den Verschiebungsprozessor zusammenschaltet, um es dem Bedienungsmann zu erlauben, eines der berechneten Signale auszuwählen, damit dieses dem Display eingegeben wird.

Das Display umfaßt einen Spannungsmesser zum Messen der Spannung der berechneten Signale und zum digitalen Anzeigen der Spannung, die den Pressenzustand wiedergibt. Zusätzlich kann das Display eine Mehrzahl von LED's aufweisen, die dazu dienen, an getrennten, vorbestimmten Spannungsbereichen aufzuleuchten, wobei eine aufleuchtende LED einen bestimmten Bereich für ein dem Display eingegebenes Signal bedeutet. Der Bereich entspricht einer bestimmten Vibrationsschwerezone oder einem bestimmten Vibrationsschwerebereich. Die LED's leuchten in unterschiedlichen Farben auf, entsprechend einem vorbestimmten angewandten Spannungsbereich.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Überwachen von Vibrationsschwerepegeln bei einer Presse. Das Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Vorsehen einer tragbaren Überwachungsvorrichtung, die visuell die Pressenvibrationsschwerepegel zonenweise anzeigt, Befestigen eines Pressensensors an der Presse und Anschließen des Pressensensors an die Überwachungsvorrichtung (den Monitor). Bei laufender Presse wird der Vibrationsschwerepegel bestimmt, basierend auf der zonenweisen, visuellen Anzeige am Monitor.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Erfindung wiederum eine Handvorrichtung auf, die an einer mechanischen Presse befestigbar ist, um den Pressenzustand anhand eines entsprechenden Pressenaccelerometersignales zu bestimmen. Die Vorrichtung umfaßt einen tragbaren Signalprozessor zum Verarbeiten des genannten entsprechenden Signales; der Signalprozessor steht in leitender Verbindung mit dem Accelerometer, um das entsprechende Signal zu verarbeiten. Der Signalprozessor umfaßt wenigstens zwei der folgenden Prozessoren: einen Beschleunigungsprozessor zum Berechnen eines Pressenbeschleunigungssignales; einen Geschwindigkeitsprozessor zum Berechnen eines Pressengeschwindigkeitssignales; einen Verschiebungsprozessor zum Berechnen eines Pressenverschiebungssignales. Der Signalprozessor enthält weiterhin ein Display zum Anzeigen wenigstens eines der genannten berechneten Signale sowie einen Schalter, der die beiden enthaltenen Prozessoren zusammenschaltet und der es einer Bedienungsperson ermöglicht, eines der berechneten Signale auszuwählen, das sodann dem Display eingegeben wird.

Ein Vorteil der Erfindung gegenüber dem Stande der Technik besteht darin, daß der Pressenbetreiber augenblicklich die Auswirkungen der während des dynamischen Betriebes entstehenden Vibration bei verschiedenen Betriebsbedingungen wie Geschwindigkeit und dynamische Belastung auf die Langzeitzuverlässigkeit vorhersagen und bestimmen kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung tragbar ist. Die Vorrichtung läßt sich somit vom Bedienungspersonal jederzeit anwenden, um den Pressenbetrieb rasch und schnell zu erfassen. Das System erlaubt es ferner, daß das Bedienungspersonal eine Reihe unterschiedlicher Pressen rasch aufeinanderfolgend überwacht, und zwar selbst solche Pressen, für die das Bedienungspersonal bisher nicht zuständig war.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß keinerlei Vorkehrungen oder besondere Einrichtungen notwendig sind, um ein genaues Erfassen der Vibrationsschwere zu erzielen. Das Bedienungspersonal braucht lediglich das Accelerometer an einem bestimmten Teil des Pressenbettes oder des Schlittens zu befestigen, das Gerät einzuschalten und die gewählte Anzeige abzulesen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung an einer im Betrieb befindlichen Presse anbringbar ist. Die Presse muß somit nicht abgestellt werden, um die Vibrationsschwerepegel zu ermitteln.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Signalprozeßschaltung vorgesehen ist, um positive und negative Maxima und Minima zu überwachen und die entsprechenden Signalpegel umzuwandeln unter Anwendung eines einzigen Effektivwertwandlers (RMS), um das Signal in Gleichstromwerte umzuwandeln. Es können LED-Indikatoren verwendet werden, die auch von technisch nicht vorgebildetem Personal eingesetzt werden können und die an bestimmte Spannungspegel angeschlossen werden, um die unterschiedlichen Vibrationsschwerezonen anzuzeigen, so wie oben angegeben.

Die Erfindung vermeidet zahlreiche Nachteile des Standes der Technik dadurch, daß praktisch sofort die Vibrationsschwere einer mechanischen Presse erfaßt wird, erzeugt durch die jeweiligen Betriebsbedingungen. Der Benutzer kann die gewonnenen Daten dazu verwenden, die jeweiligen Risiken abzuschätzen und den Pressenbetrieb entsprechend umzugestalten im Hinblick auf eine größere Sicherheit und auf eine höhere Lebensdauer. Außerdem stellen die gewonnenen Daten für den Benutzer eine Entscheidungshilfe bezüglich der Auswahl neuer Pressen für künftige Anwendungen dar.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Die Fig. 1A und 1B veranschaulichen eine Ausführungsform des Signalfilterteiles der Schaltung gemäß der Erfindung.

Die Fig. 2A und 2B veranschaulichen schematisch einen Teil der Erfindung, enthaltend die positive und negative Detektorschaltung mit den Wandlerbereichen zum Umwandeln des Effektivwertes in Gleichstromwerte sowie mit den Displayanzeigen.

Fig. 3 ist eine Frontansicht der tragbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 4 ist eine Frontansicht einer alternativen Ausführungsform der tragbaren Vorrichtung gemäß der Erfindung, angeschlossen an ein Modem.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechende Teile in allen Figuren.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen das erfindungsgemäße Vibrationsschwere-Überwachungssystem 10.

System 10 weist eine Signalkonditioniervorrichtung zum Konditionieren und Wiedergeben eines Signales eines Accelerometers 12 auf. Das derart erhaltene Signal (d. h. ein Signal, das einem bestimmten Pressen-Betriebszustand entspricht), wird verstärkt und auf dreierlei unterschiedliche Weisen konditioniert, um Signale zu erhalten, die die Pressenverschiebung, die Pressengeschwindigkeit und die Pressenbeschleunigung widerspiegeln. Eines dieser ausgewählten Signale wird mittels eines Maximum-Maximum-Detektors konditioniert, zusammen mit einer Teilschaltung eines Effektivwert- Spannungs-Konverters. Das Signal, das sich nun auf einem bestimmten Gleichspannungspegel befindet, wird sodann mittels eines Voltmeters angezeigt und außerdem noch auf einer Bank von LEDs angezeigt, die bestimmte Spannungspegel beleuchten und damit einen bestimmten Signaltypus anzeigen. Diese LEDs zeigen in beleuchtetem Zustand an, welche Zone der Vibrationsschwere durch das Accelerometer 12 jeweils erfaßt wird.

Das System 10 erhält elektrische Energie aus einer Batterie oder einem Batteriepack, das bei 5 Volt arbeitet und dessen Leistung geregelt wird mittels nicht dargestelltem Maxim M773/M743 DC-Leistungsregler herkömmlicher Bauart. Diese Arten von Reglern erzeugen beispielsweise +/- 15 V oder 24 V Gleichstrom. Andere Stromquellen sind denkbar, beispielsweise solche, die elektrische Energie liefern mittels eines Wechselstrom-Adapters-Tranformers. Das System ist klein und handlich. Es kann von einer Bedienungsperson mit einer Hand getragen werden.

In den Fig. 1A und 1B erkennt man einen einzigen Schiebeschalter 14 zum Betätigen des Systems 10 und zum Auswählen der verschiedenen Betriebsarten. Schalter 14 ist ein Dreipositions-Mehrausschlag-Schalter. Die Betriebsweise ist dann inoperativ, wenn die Batterien abgeschaltet sind, wenn der Strom abgeschaltet ist oder wenn die Batteriespannung niedrig ist. Der Stromanschluß (nicht dargestellt) enthält eine Reglerschaltung und eine Spannungssteuerschaltung, die von herkömmlichem Aufbau sind, um Spannungen zum Betreiben des Systems 10 zu liefern. Die Stromzufuhr, als Leiter 16 dargestellt, arbeitet mit 24 V. Eine Gleichstromdiode 18 liefert Strom an das Accelerometer 12.

Das System beginnt mit der Eingangssignalerzeugung, gebildet mittels des Accelerometers 12. Das Accelerometer 12 ist an das Bett oder den Schlitten einer nicht dargestellten mechanischen Presse angeschlossen oder an diesen befestigt. Während des Pressenbetriebes liefert deren Beschleunigung ein Ausgangssignal, das vom Accelerometer 12 erzeugt wird. Dieses Ausgangssignal wird dem System 10 mittels eines fliegenden Anschlusses (jumper cable) 13 zur Anschlußstelle 90 eingegeben.

Um den Überwachungsvorgang zu beginnen, braucht die Presse nicht abgeschaltet zu werden, wenn das Accelerometer 12 an ein nicht umlaufendes oder nicht hin und her gehendes Preßteil wie beispielsweise an das Pressenbett angeschlossen wird.

Der erste funktionale Block des Signalprozessor-Untersystems ist ein Hochpaßfilter zweiter Ordnung 20, umfassend einen Operationsverstärker 22 (OP AMP). Eine Mehrzahl von OP AMPs, die im System 10 verwendet werden, sind vom LF34N quad-Operationsverstärkertypus, erhältlich von National Semiconductor Inc. Der Ausgang von high pass filter 20 wird der Anschlußstelle 24 eingespeist.

In diesem Zusammenhang wird unter "high pass filter" ein elektrisches Filter verstanden, das Frequenzen unterhalb einen vorbestimmten Wert dämpft. Der Ausdruck "low pass filter" bedeutet ein elektrisches Filter, das Frequenzen oberhalb eines bestimmten Wertes dämpft. Es werden positive und negative 15 V von einem nicht gezeigten Leistungsregler dazu verwendet, die OP AMPs gemäß der Erfindung zu betreiben.

High pass filter 20, das mit zugehörenden Widerständen und Kondensatoren dargestellt ist, weist ein Verstärkungsmaß von 0,0 Db bei einer Frequenz von etwa 1,0 Hz auf. Die Mehrzahl bestimmter Widerstands- und Kondensatorwerte ist nicht gezeigt, da diese leicht ermittelt werden können aus der Spezifizierung der OP AMP und der grundlegenden elektrischen Auslegungswerte. Die Gegenstände, die nicht leicht ermittelbar sind, sind die Frequenz, das Verstärkungsmaß und die Reihenfolge der verwendeten Bandpass-Filter.

An der Verbindungsstelle 24 tritt das Signal aus Filter 20 ein und wird weitergeleitet durch den Leiter 26; es gibt die Beschleunigung der überwachten Presse wieder. Das Signal tritt durch ein Hochpaßfilter erster Ordnung 28 hindurch, unter Verwendung eines OP AMP 30 von derselben Art wie zuvor beschrieben. Dieses Highpass-Filter hat ein Verstärkungsmaß von etwa 0,5 Db bei einer Frequenz von etwa 1,0 Hz. Das von Filter 28 über Leiter 26 aufgenommene Signal wird dabei konditioniert und gelangt durch den Abgabeleiter 32 zu einem Kontakt des Schalters 14.

Wiederum ausgehend von der Verbindungsstelle 24 soll der Geschwindigkeitsintegrator von System 10 diskutiert werden. Diese Teilschaltung beginnt mit einem OP AMP 34 der zuvor beschriebenen Art, zusammengestellt aus der Verbindung der Widerstände und Kondensatoren, um einen Integrator mit einem Verstärkungsmaß von etwa 1,3 Db bei einer Frequenz von etwa 0,7 Hz zu schaffen. Dieses konditionierte Signal gelangt durch zwei Kondensatoren 36, die parallel geschaltet sind. Das System tritt sodann durch ein Hochpaßfilter erster Ordnung 38 mit einem OP AMP 40 der oben beschriebenen Art hindurch. Dieses Filter 38 weist ein Verstärkungsmaß von etwa 1,0 Db bei einer Frequenz von etwa 1,0 Hz auf. Das Ausgangssignal aus Filter 38 gelangt durch Leiter 42 zu einer Verbindungsstelle 44.

Es geht dann weiter mit der Analyse der Geschwindigkeitsintegrations- Teilschaltung. Das von Verbindungsstelle 44 ankommende Signal wird einem Hochpaßfilter zweiter Ordnung 46 eingespeist, enthaltend ein OP AMP 48 der zuvor beschriebenen Art. Diese spezielle Anordnung der Kondensatoren und Widerstände mit Filter 46 erzeugt die notwendigen Kriterien zum Bilden eines Filters mit einem Verstärkungsmaß von etwa 0,0 Db bei einer Frequenz von etwa 30,0 Hz. Hierdurch wird vermieden, daß Pressenunwuchten zufolge Pressenträgheitskräften während der Geschwindigkeitsmessung einspielen.

Dieser Ausgang aus dem Hochpaßfilter 46 zweiter Ordnung wird sodann als Eingang einem Hochpaßfilter 50 erster Ordnung mit einem OP AMP 52 eingespeist, und zwar von derselben Bauart wie zuvor beschrieben. Der positive Kontaktstift des OP AMP 52 ist mit einem Widerstand 54 versehen, angeschlossen an ein Potentiometer 56 mit zwei Enden 58 und 60, deren eines an einem negativen 15 V Potential anliegt, und deren anderes an einem positiven 15 V. Potentiometer 56 erlaubt das Nullstellen der Schaltung während des Eichens. Das Hochpaßfilter 50 erster Ordnung weist ein Verstärkungsmaß von etwa 1,4 Db bei einer Frequenz von etwa 30,0 Hz auf.

Das Ausgangssignal wird durch die vorausgehende Serie von OP AMPs konditioniert und sodann durch Leiter 62 einem Kontakt des Schalters 14 eingegeben. Das an Schalter 14 ankommende Signal ist das Geschwindigkeitssignal der Presse, gemessen mit Accelerometer 12. Der Verschiebungsintegrator des Systems 10 ist als dritte Verzweigungsschaltung 64 gezeigt, die an der Anschlußstelle 44 die Geschwindigkeitsintegrator Verzweigungsschaltung 38 abzweigt. Leiter 66 an der Anschlußstelle 44 ist die Eingangsleitung für die Verschiebungs-Teilschaltung 64. Die Pressenverschiebungs-Teilschaltung 64 weist drei OP AMPs 68, 70 und 72 auf, die in Reihe geschaltet sind, jeweils mit einem zugeordneten Widerstand und einem Kondensator in üblicher Konfiguration. Jede der OP AMPs 68, 70 und 72 haben dieselbe LF347N Quad OP AMP.

OP AMP 68 wird zu einem Hochpaßfilter zweiter Ordnung umgebildet mit einem Verstärkungsmaß von etwa 0,0 Db bei einer Frequenz von 0,7 Hz. Der Ausgang von OP AMP 68 wird als Eingang dem Verschiebungsintegrator 76 eingespeist. Dieser verwendet OP AMP 70 mit einem Verstärkungsmaß von etwa 0,7 Db bei einer Frequenz von etwa 0,7 Hz. Der Ausgang dieses Verschiebungsintegrators 76 wird sodann als Eingang einem Hochpaßfilter 78 erster Ordnung unter Verwendung von OP AMP 72 eingespeist. Dieses Filter weist ein Verstärkungsmaß von etwa 0,8 Db bei einer Abschaltfrequenz von etwa 3,0 Hz auf. Der Ausgang dieser Teilschaltung 46 mit OP AMPs 68, 70 und 72 über Leiter 80 wird einem Kontakt am Schalter 14 eingegeben. Dieses Signal stellt den Verschiebungswert der durch Accelerometer 12 überwachten Presse dar.

Je nachdem vom Benutzer mittels Schalter 14 ausgewählten Signal wird entweder jenes der Beschleunigung von Leiter 32, der Geschwindigkeit von Leiter 62 oder der Verschiebung von Leiter 80 über Schalter 14 über den Leiter 82 einem Tiefpaßfilter 84 zweiter Ordnung eingegeben, umfassend OP AMP 86 vom zuvor beschriebenen Typus. Dieses Filter weist ein Verstärkungsmaß von etwa 0,0 Db bei einer Frequenz von 1,0 Kh auf. Der Ausgang dieses Tiefpaßfilters 84 zweiter Ordnung gelangt über Leiter 88 zu den Detektor- und Display-Unterabschnitten des Systems 10, so wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt.

Bevor die Detektor-Teilschaltungen behandelt werden, ist es wichtig, sich darüber klar zu werden, daß System 10 eine zusätzliche Schaltung aufweist, die eine offene oder geschlossene Schaltung von Accelerometer 12 anzeigt. Wie in Fig. 1A gezeigt, läuft der Signalpegel von Anschlußstelle 90 zu einem Offenschaltungsdetektor 92 und einem Geschlossenschaltungsdetektor 94. Beide Detektoren 92 und 94 benutzen einen LM339N quad comparator IC. Das von der Anschlußstelle 90 ankommende Signal kann eine offene Schaltung anzeigen, wenn mit dem Eingang von 24 V verglichen, und eine geschlossene Schaltung, wenn mit etwa 3 V verglichen. Falls Komparator IC 96 eine offene Schaltung anzeigt, so leuchtet eine zugehörende LED 98 auf. Erfaßt Komparator IC 66 eine geschlossene Schaltung, so leuchtet LED 100 auf.

Im folgenden soll auf die Fig. 2A und 2B eingegangen und Detektorprozessor 101 beschrieben werden. Läuft das konditionierte Signal von den filternden Teilschaltungen durch Leiter 88, so wird es den Verzweigungsschaltungen 102, 104 und 106 eingespeist.

Die Verzweigungsschaltungen 102 und 104 des positiven bzw. negativen Maximumdetektors verwenden den zuvor beschriebenen LF347N Quad OP AMP. Die Schaltung 102 enthält zwei OP AMPs 108 und 110, die über eine Diode 112 in der angezeigten Richtung in Reihe geschaltet sind (Fig. 2A). Der Ausgang von diesem Detektor 102 wird einem Leiter 114 eingespeist. Die Teilschaltung 102 erfaßt das positive Maximum des durch Leiter 88 geleiteten, im wesentlichen sinusförmigen Signales.

In gleicher Weise enthält die Teilschaltung 104 zwei OP AMPs 114 und 116, die über Diode 118 in der angezeigten Richtung in Reihe geschaltet sind. Die Teilschaltung 104 erfaßt das negative Maximum des durch Leiter 88 geleiteten, im wesentlichen sinusförmigen Signals. Ein Rückstellschalter 120 verbindet die Anschlüsse von Diode 112 und OP AMP 110 sowie von Diode 118 und OP AMP 116. Dieser Rückstellschalter stellt die Schaltungen 102 und 104 auf null zurück.

Das Ausgangssignal von Detektor 104 wird über Leiter 122 an OP AMP 124 geleitet. OP AMP 124 berechnet den absoluten Wert der Differenz zwischen den Positivmaximum- und Negativmaximum-Detektorteilschaltungen. Diese absolute Differenz betrifft Maximum zu Maximum. Erfaßt Schalter 14 eine Verschiebung, so erfaßt OP AMP 124 die Maximum-zu-Maximum-Verschiebung der gemessenen Pressenvibration gibt ein entsprechendes Signal ab. Wählt Schalter 14 Beschleunigung, so erfaßt OP AMP 124 die Maximum-zu-Maximum-Beschleunigung der gemessenen Pressenvibration und gibt ein entsprechendes Signal ab. Der Ausgang dieser Vorrichtung wird sodann über Leiter 126 zwei Kontakten 128 und 130 des Schalters 14 zugeführt.

Wie man aus Fig. 2B erkennt, liefert Kontakt 128 von Schalter 14 das Maximum-zu-Maximum-Beschleunigungssignal, und Kontakt 130 liefert das Maximum-zu-Maximum-Verschiebungssignal.

Es soll im folgenden nochmals auf Fig. 2A eingegangen werden, und zwar auf die Schaltung 102. Ein Schaltungsüberlastdetektor 131 verwendet einen LM339N quad Comparator 132. Bei Vorliegen eines Überlastsignales in Leiter 114 bringt Detektor 131 eine Indikator-LED 134 zum Leuchten. Je nach Art des verwendeten Accelerometers 12 und nach Wahl des verwendeten OP AMPs ändert sich der Überlastgrenzwert der Schaltung.

Fig. 2A zeigt einen weiteren Detektor, der vom System 10 verwendet wird. Ein Niedrig-Batterie-Detektor 136 mit einem LM339N quad Comparator 140 ermittelt durch Auswahl bestimmter Eingänge und Widerstandswerte, ob die Stromquelle, d. h. eine Batterie, unterhalb eines Schwellwertes liegt. Die Niedrig-Batterie-Anzeige-LED 138 leuchtet dann auf, wenn die Stromquelle, d. h. die Batterien, außerhalb eines bestimmten Spannungsbereiches liegen.

Der letzte Zweig des Detektor-Unterabschnittes innerhalb System 10 ist Konverter 106 zum Umwandeln des Effektivwertes in Gleichstrom. Verzweigungsschaltung 106 weist eine Mehrzahl von OP AMPs 142, 144 und 146 auf, die in Reihe geschaltet sind, und die alle vom oben beschriebenen Typus sind. Wählt Schalter 14 Vibration aus, so erfaßt diese Verzweigungsschaltung den gemessenen Effektivwert der Vibration der Bremse und gibt ein entsprechendes Signal ab. Wie in Fig. 2A dargestellt, wird das von Leiter 88 ankommende Signal durch die Polarität der Diode 146 gleichgeschaltet, und wird das variierende Signal in einen bestimmten Gleichspannungswert umgewandelt.

Der Gleichspannungswert wird dem OP AMP 146 über verschiedene Widerstands- und Kondensatorwerte zugeführt, die diesen Wert über die Zeitspanne ausmitteln und den Effektivwert (Root Mean Square) berechnen, äquivalent zur Pressenvibration, so wie durch Accelerometer 12 erfaßt. Der Ausgang der OP AMPs 142, 144 und 146 ergibt eine einzige Effektivwert-zu- Gleichstrom-Umwandlung und gibt diese Leiter 150 ein.

Es soll weiter auf Fig. 2B eingegangen werden. Das einzige RMS-Signal läuft über Leiter 150, um OP AMP 152 des zuvor beschriebenen Typus auf null zu schalten. Ein variables Potentiometer 154 erlaubt es, während des Eichens die Schaltung auf null zu stellen. Der Ausgang dieser Nullstufe wird über Leiter 154 geleitet, die das geeichte einzige RMS-Signal sowohl einer Bank von LEDs 156 als auch einem Kontakt 158 von Schalter 14 einspeist.

Die LED-Bank 156 umfaßt in dieser Ausführungsform vier LEDs 160, 162, 164 und 166, die den vier Zonen des Vibrationsschwerepegels entsprechen, so wie bei dem zugrundeliegenden Stand der Technik gemäß US 5 094 107, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Aus Fig. 3 erkennt man, daß die Vibrationsschwerezonen 1 bis 4 wiedergegeben sind durch das Aufleuchten der jeweiligen LEDs 160, 162, 164, 166. Je nach dem einzigen RMS-Signal, das über Leiter 154 geleitet wird, steuern vier Comparator-ICs 168 und ein LM339N quad Comparator IC jeweils eine der LEDs 160-166.

Basierend auf den jeweiligen Widerstandswerten 170 und bei einer positiven 15 V Spannung an der Anschlußstelle 172 leuchtet jede LED dann auf, wenn von 154 angelegte Spannung das Kriterium eines jeden Komparators 168 überschreitet, so wie durch die Widerstandswerte programmiert. Jede einzelne LED 160, 162, 164 und 166 wird dazu verwendet, vier Pegel der Vibrationsschwerezonen wiederzugeben, so wie in Fig. 3 veranschaulicht. Außerdem sind die LEDs 160 bis 166 farbcodiert gemäß der folgenden Tabelle:

Die LCD-Displayeinheit 180 ist ein numerisches Display, das ein eingebettetes Voltmeter verwendet, beispielsweise Crompton Modutec Part Number BL102-302. Display 180 erhält ein Signal entweder von Leiter 126 oder Leiter 154, das auf dem Schirm 182 wiedergegeben wird. Die Eichung wird bezüglich Beschleunigung, Geschwindigkeit und Verschiebung getrennt vorgenommen. Ein Signal bekannter Amplitude und Frequenz wird dem Transducereingang 12 eingegeben. Sodann werden die Potentiometer justiert, bis die genaue Ablesung am LCD-Display wiedergegeben wird. Hochpaßfilter 28, 50 und 78 umfassen variable Verstärkungen zum Eichen von Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit bzw. Verschiebung. Die Werte des Eingangssignales und des Ausgangsdisplay sind Funktionen ausgewählter Widerstands- und Kondensatorwerte in der gesamten Schaltung, so daß die Eichung ganz einfach vonstatten geht, sobald die Werte ausgewählt wurden.

Der Anschlußteil von System 10 kann eine Fernübertragungsvorrichtung umfassen wie ein Modern 190 (siehe Fig. 4), um die ermittelten Vibrationsschweredaten einer Zentralstation oder einem Datenspeicherzentrum zuzuführen. System 10 ist an Modern 190 über einen Leiter 192 angeschlossen. Das System 10 sendet in diesem Falle über Modern 190 oder andere Mittel, beispielsweise über einen drahtlosen Kommunikator, über Internet, über das Telefonsystem usw. die gemessenen Werte von Beschleunigung oder berechneter Geschwindigkeit, die Beschleunigung oder Pressenverschiebung an eine entfernte digitale Speichereinheit.

Claims (11)

1. Tragbare Vorrichtung, die an eine mechanische Presse anschließbar ist, um den Pressenzustand zu erfassen, umfassend:

• 1.1 ein Accelerometer zum Messen des Pressenzustandes und zum Erzeugen eines entsprechenden Signales;
• 1.2 einen Signalprozessor, der das entsprechende Signal verarbeitet;
• 1.3 der Signalprozessor umfaßt:
• 1.4 einen Beschleunigungsprozessor zum Berechnen eines Pressenbeschleunigungssignales;
• 1.5 einen Geschwindigkeitsprozessor zum Berechnen eines Pressengeschwindigkeitssignales;
• 1.6 einen Verschiebungsprozessor zum Berechnen eines Pressenverschiebungssignales;
• 1.7 ein Display zum Wiedergeben wenigstens eines der berechneten Signale; und
• 1.8 einen Schalter, der den Beschleunigungsprozessor, den Geschwindigkeitsprozessor sowie den Verschiebeprozessor miteinander zusammenschalten kann und mit dem eines der berechneten Signale zwecks Eingabe in das Display ausgewählt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Display eine Einrichtung zum Messen der Spannung der berechneten Signale und zum Wiedergeben der einen Pressenzustand repräsentierenden Spannung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Display eine Mehrzahl von LEDs aufweist, die derart angeordnet sind, daß sie bei jeweils getrennten, vorbestimmten Bereichen angelegter Spannung aufleuchten, wobei eine aufleuchtende LED einen bestimmten Bereich für ein dem Display eingegebenes Signal wiedergibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs in verschiedenen Farben aufleuchten, entsprechend einem vorgegebenen Spannungsbereich.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsprozessor ein Hochpaßfilter erster Ordnung umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsprozessor einen Signalintegrator, ein Hochpaßfilter erster Ordnung, ein Hochpaßfilter zweiter Ordnung und ein Hochpaßfilter erster Ordnung in Reihe geschaltet umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebungsprozessor einen Signalintegrator, ein Hochpaßfilter erster Ordnung, ein Hochpaßfilter zweiter Ordnung, einen zweiten Signalintegrator und ein Hochpaßfilter zweiter Ordnung in Reihe geschaltet umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor ein Niedrigpaßfilter zweiter Ordnung umfaßt, der Hochfrequenzsignale, die dem Display eingegeben wurden, reduziert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsprozessor ein Hochpaßfilter aufweist mit einem Frequenzband oberhalb etwa 30 Hz, wobei Niederfrequenzsignale entfernt werden, um Einflüsse der Pressenträgheit auszuschalten.

10. Verfahren zum Überwachen von Vibrationsschwerepegeln einer Presse mit den folgenden Verfahrensschritten:

• 10.1 es wird ein vorzugsweise von Hand tragbarer Monitor vorgesehen, die die Vibrationsschwerepegel zonenweise anzeigt;
• 10.2 es wird an der Presse ein Pressensensor angebracht;
• 10.3 der Pressensensor wird mit dem Monitor zusammengeschaltet;
• 10.4 die Presse wird laufengelassen; und
• 10.5 es wird der Vibrationsschwerepegel ermittelt, basierend auf der zonenweisen visuellen Anzeige auf dem Monitor.