DE4430554C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung von Defekten in einem Drehkörper sowie deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Defekten in einem Drehkörper mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung nach dem Hauptpatent 44 07 446 zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße aus periodischen phasenverschobenen Signalen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung.

Bei den Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik lassen sich Defekte an Drehkörpern nur im Ruhezustand des Drehkörpers erkennbar machen. Während des Betriebes der Drehkörper, insbesondere beim Anfahren in den Betriebszustand, können jedoch Veränderungen wie Verschleiß oder Defekte an dem Drehkörper auftreten, die die Betriebssicherheit beeinflussen können und deshalb genauer untersucht werden müssen. Mit dem Verfahren des Hauptpatents lassen sich nun schnell und mit geringem Aufwand Verdrehungen an Drehkörpern im Betriebszustand dieser Drehkörper und in Echtzeit erkennen.

Aufgabe der Zusatzerfindung ist es deshalb, mit Hilfe des Verfahrens und der Vorrichtung des Hauptpatents hochauflösend Drehschwingungen an Drehkörpern im Betriebszustand meßbar zu machen und aus einer Veränderung der charakteristischen Frequenzen dieser Drehschwingungen Defekte an den Drehkörpern zu erkennen.

Weiterhin ist es Aufgabe der Zusatzerfindung, die Erfassung hoher Frequenzen der Drehschwingungen bei geringem Meßaufwand zu ermöglichen.

Diese Gesamtaufgabe wird mittels eines Verfahrens erfindungsgemäß gelöst durch einen Schritt zum Erfassen des Zeitverhaltens des Gesamtwertes der Meßgröße oder eines der von diesem Gesamtwert abgeleiteten Wert, einen weiteren Schritt zum Bestimmen des Frequenzspektrums aus dem erfaßten Zeitverhalten, einen Schritt zum Vergleichen des ermittelten Frequenzspektrums mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum und einen Schritt zum Auswerten einer Abweichung des bestimmten Frequenzspektrums von dem vorgegebenen Frequenzspektrum.

Diese Gesamtaufgabe wird mittels einer Vorrichtung ebenfalls gelöst durch ein Mittel zur Erfassung eines Zeitverhaltens des Verdrehwinkels des Drehkörpers, ein Mittel zur Bestimmung des Frequenzspektrums aus dem Zeitverhalten des Verdrehwinkels des Drehkörpers und einen Vergleicher zum Vergleichen des ermittelten Frequenzspektrums mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum, wobei bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Vergleicher eine Meldung signalisiert, wenn das bestimmte Frequenzspektrum außerhalb einer gegebenen Toleranz des vorgegebenen Frequenzspektrums liegt.

Eine spezielle Verwendung der Erfindung findet sich im Patentanspruch 4.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind im folgenden Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Paar periodischer phasenverschobener Signale mit sowohl Amplituden-, Offset als auch Phasenfehler,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren als Blockdiagramm,

Fig. 3a-3d die Veränderungen des Spektrums und der Phase der Rotationsschwingungen eines Drehkörpers durch den Einfluß eines Defektes im Drehkörper,

Fig. 4 als Beispiel der Anwendung des Interpolationsverfahrens eine Anordnung zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung von Verdrehungen an einem Drehkörper,

Fig. 5 eine Ausführungsform eines Reaktionssensors,

Fig. 6 eine Ausführungsform eines Aktionssensors.

Ein periodisches phasenverschobenes Signalpaar dient als Eingangsgröße für einen schnellen Interpolator nach dem Hauptpatent zur Ermittlung von Zwischenwerten und der Gesamtgröße einer Meßgröße. Fig. 1 zeigt solch ein Paar periodischer phasenverschobener Signale mit sowohl Amplituden-, Offset als auch Phasenfehler. Dabei folgt einem Sinussignal 1 ein Cosinussignal 2, wobei das Sinussignal 1 einen Offset 3 und das Cosinussignal 2 einen Offset 4 gegenüber der Nullage des Systems haben. Weiterhin ist das Cosinussignal 2 gegenüber dem Sinussignal 1 um den Phasenfehler 5 verschoben und beide Signale haben unterschiedliche Amplituden.

Das angewandte Interpolationsverfahren ist in Fig. 2 als Blockdiagramm dargestellt. In einem ersten Schritt 10 zunächst bezüglich der Amplitude und der Nullage normiert und somit zu auswertbaren Signalen. Die in Schritt 10 normierten Signale werden dann in einem Schritt 11 ausgewertet, indem ein geeignetes Verhältnis der Signale gebildet wird. Werden wie in dem vorangegangenen Beispiel Sinus- und Cosinussignale verwendet, so stellt das Verhältnis der beiden einen Tangens dar.

Nach dem Verhältnisbilden der normierten Signale in Schritt 11 erfolgt in Schritt 12 das Auslesen eines interpolierten Zwischenwertes aus einer zuvor abgelegten Zwischenwerttabelle entsprechend dem gebildeten Verhältnis der Signale. Hierfür muß der nominale Funktionsverlauf des periodischen Signals bekannt sein, und aus dieser bekannten Funktion lassen sich vorher die Zwischenwerte ermitteln und in der Zwischenwerttabelle ablegen. Dies ermöglicht ein schnelles Auslesen des Zwischenwertes der Meßgröße. Für Sinus- und Cosinussignale läßt sich aus dem Tangens, als dem Verhältnis der beiden Signale ein Winkel w berechnen und der zu w entsprechende Zwischenwert z. B. aus einer Tabelle entnehmen.

Wie weiter in Fig. 2 gezeigt, wird in einem, dem Auslesen eines interpolierten Zwischenwertes 12 sich anschließenden Schritt 35 die Korrektur des in Schritt 12 ermittelten Zwischenwertes mit einem Wert entsprechend des Phasenfehlers 5 durchgeführt. Bei Verwendung von Sinus-Cosinus Signalen wie oben gezeigt, bietet eine Korrektur mit dem Sinus-Quadrat-Wert des ermittelten Winkels eine ausreichende Genauigkeit. Bei großen Phasenfehlern sollte jedoch eine erneute Justierung der Meßvorrichtung erfolgen.

Liegt der Meßbereich der Meßgröße über der Periodenlänge der Signale, so wird, um den Gesamtwert der Meßgröße angeben zu können, in einem weiteren Schritt 36 die Anzahl der überschrittenen Perioden gezählt. Anschließend erfolgt in Schritt 37 die Bestimmung des Gesamtwertes der Meßgröße aus einer Addition des interpolierten Zwischenwertes aus Schritt 12 oder 35 zu der mit der Länge einer Periode multiplizierten Anzahl der überschrittenen Perioden.

Häufig werden nun die ermittelten Werte der Meßgröße einer weiteren Auswertung unterzogen, z. B. können die phasenverschobenen periodischen Signale der Meßgröße eine Drehung oder Verdrehung eines Drehkörpers darstellen, wie auch weiter unten für eine Anwendung noch dargelegt werden wird. Fig. 2 zeigt in einem, dem Schritt 37 sich anschließenden, Schritt 64 das Ermitteln eines Wertes des relativen Drehwinkels aus dem bestimmten Gesamtwert der Meßgröße. Dies kann im einfachsten Fall die Umrechnung des Gesamtwertes nach Schritt 37 in eine Winkeleinheit sein. Dem folgt ein weiterer Schritt 65 des Ermittelns eines Verdrehwinkels, des Drehmoments oder weiterer aus dem Drehwinkel ableitbarer, Größen aus mindestens einem Wert eines nach Schritt 64 ermittelten relativen Drehwinkels. Der Verdrehwinkel ist in einer Anwendung, wie weiter unten gezeigt werden soll, mit dem relativen Drehwinkel identisch, kann sich aber auch aus der Differenz z. B. zwei an einem Drehkörper gemessenen Drehwinkeln ermitteln lassen, entsprechend einer weiteren, später gezeigten Anwendung. Der Wert des Drehmoments an dem Verdrehkörper wiederum läßt sich aus dem Verdrehwinkel und Materialeigenschaften des Drehkörpers entnehmen.

In den Anwendungen entsprechend der Zusatzanmeldung soll weiterhin die zeitliche Veränderung der ermittelten Meßgröße untersucht werden. Dies geschieht in einem Schritt 66 durch das Erfassen des Zeitverhaltens des Gesamtwertes der Meßgröße oder eines von dieser Größe abgeleiteten Wertes und vorzugsweise durch das Erfassen des Zeitverhaltens des Verdrehwinkels des Drehkörpers entlang seiner Drehachse. In einem weiteren Schritt 67 wird das Frequenzspektrum aus dem erfaßten Zeitverhalten, z. B. durch eine Fourieranalyse, bestimmt. Dem folgt ein Schritt 68 des Vergleichens des bestimmten Frequenzspektrums mit einem vorgegebenen Referenzspektrum, das man z. B. aus vorangegangenen Messungen oder aus Berechnungen erhalten kann und ein weiterer Schritt 69 des Auswertens der Abweichung des bestimmten Frequenzspektrums von dem gegebenen Referenzspektrum. Dies kann beispielsweise durch ein Signalisieren geschehen, wenn das bestimmte Frequenzspektrum außerhalb einer gegebenen Toleranz des vorgegebenen Frequenzspektrums liegt.

Bei der Bestimmung des Frequenzspektrums in Schritt 67 aus dem Zeitverhalten des Verdrehwinkels des Drehkörpers entlang seiner Drehachse ergibt sich ein Spektrum der Rotationsschwingungen des Drehkörpers, wie dies beispielhaft in Fig. 3a gezeigt wird. Eigenfrequenzen und damit Resonanzfrequenzen des Drehkörpers lassen sich bekanntermaßen aus der Phasenänderung größer oder gleich 90° an der Stelle dieser Resonanzfrequenzen erkennen (Fig. 3b). In dem sich anschließenden Schritt 68 werden die so ermittelten Resonanzfrequenzen dann auf ihre Abweichung zu vorgegebenen Referenzfrequenzen hin untersucht. Wie bereits oben erwähnt können diese Referenzfrequenzen z. B. aus theoretischen Berechnungen aus der Wellengeometrie oder einfacher, aus einer vorangegangenen Messung, stammen. Fig. 3c zeigt den Vergleich eines gerade gemessenen Spektrums mit dem Referenzspektrums einer vorangegangenen Messung aus Fig. 3a. Die in Fig. 3a durch den Phasensprung (Fig. 3b) erkannte Eigenfrequenz findet sich in Fig. 3c, ebenfalls mit Phasensprung wie aus Fig. 3d zu entnehmen ist, wieder. Dabei weist die Eigenfrequenz aus Fig. 3c eine gegenüber dem Referenzwert und Fig. 3a um delta(f) verringerte Frequenz auf.

Wie sich in der Theorie leicht zeigen läßt, können die Eigenfrequenzen bei einem Auftreten von Defekten in dem Drehkörper, z. B. einem Riß in der Welle, nur kleiner werden. Aus dem Maß der Änderung delta(f) lassen sich wiederum z. B. auf die Größe des Risses und/oder auch auf dessen Ort entlang des Drehkörpers Rückschlüsse ziehen. Durch die Einwirkung von Rissen verringert sich der effektive Durchmesser des Drehkörpers und dementsprechend verringern sich auch die dazugehörigen Eigenfrequenzen der Rotationsschwingungen.

In Schritt 69 kann dann die Auswertung der Abweichungen der Eigenfrequenzen erfolgen. Bei einer Abweichung von delta(f) größer eines vorgegebenen Toleranzwertes wird dies signalisiert und der Drehkörper muß angehalten werden und auf Defekte wie Risse hin untersucht werden.

Fig. 4 zeigt als Beispiel der Anwendung eines Interpolationsverfahren nach der Hauptanmeldung eine Anordnung zur schnellen und hochauflösenden Bestimmung von Verdrehungen an einem Drehkörper 70. Die Anordnung umfaßt einen Sensor 71 zur Erfassung des Dreh- und/oder Verdrehverhaltens an dem Drehkörper 70, einen Interpolator 72, der zur Ausführung des Interpolationsverfahrens entsprechend obiger Beschreibung geeignet ist und eine Auswerteeinheit 73, z. B. zur Ermittlung eines Verdrehwinkels, des Drehmoments oder weiteren Größen des Drehkörpers 70. Der Interpolator ist dabei über eine Leitung 74 an den Sensor 71 und über eine Leitung 75 an die Auswerteeinheit 73 angekoppelt.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Sensors 71 als Reaktionssensor. Der Sensor 71 weist einen Encoder 80 mit einer rotationssymmetrischen Kodierung und eine Abtasteinheit 81 zur Abtastung eines Signals entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80 auf. Die Abtasteinheit 81 ist über eine starre Vorrichtung 82 mit dem Drehkörper 70 verbunden, während der Encoder 80 an einer anderen Stelle in axialer Richtung des Drehkörpers 70 an den Drehkörper 70 anschließt. Dabei sind der Encoder 80 und die Abtasteinheit 81 des Sensors so an dem Drehkörper 70 angeordnet, daß eine Verdrehung des Drehkörpers 70 den Encoder 80 und die Abtasteinheit 81 des Sensors 71 relativ zueinander verdreht. Der Sensor 71 liefert als Ausgabe an den Interpolator 72 zwei periodische phasenverschobene Signale entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80. Der Interpolator 72 ermittelt aus den Signalen des Sensors 71 den Wert des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80. Die Auswerteeinheit 73 bestimmt aus dem Wert des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit 81 und dem Encoder 80 dann den Verdrehwinkel des Drehkörpers 70.

Eine andere Ausführungsform des Sensors 71 als Aktionssensor zeigt Fig. 6. Hierin ist die Abtasteinheit 81 nicht mehr mit dem Drehkörper 70, sondern mit einem anderen Körper 90, z. B. einem Gehäuse verbunden. Die Ausgabe der phasenverschobenen Signale entspricht nun dem relativ zum Körper 90 überschrittenen Drehwinkel des Drehkörpers 70. Eine Verdrehung des Drehkörpers 70 gegenüber seiner Achse läßt sich dann aus der Kombination zweier entlang der Drehkörperachse angebrachter Sensoren 71 und 91 mit entsprechenden Interpolatoren 72 und 92 und Auswerteeinheiten 73 und 93 entnehmen. Der Verdrehwinkel des Drehkörpers gegenüber seiner Achse resultiert aus der Differenz der ermittelten Drehwinkel der Sensoren 71 und 91 und wird in einem Subtrahierer 94 ermittelt, der mit den Auswerteeinheiten 73 und 93 verbunden ist.

Eine Ausführungsform entsprechend der Zusatzanmeldung enthält in Fig. 6 weiterhin einen Analysator 95, der mit dem Subtrahierer 94 und einem Zeitgeber 96 verbunden ist. In den Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 ist der Analysator direkt an die Auswerteeinheit 73 angeschlossen (nicht gezeigt), da der Verdrehwinkel in diesen Ausführungsformen bereits vorliegt und nicht erst aus der Differenz der Drehwinkel ermittelt werden muß.

Der Analysator 95 ermittelt aus dem, den Verdrehwinkel des Drehkörper 70 repräsentierenden und sich zeitlich ändernden, Signal des Subtrahierers 94 durch weitere Signalverarbeitung das Drehmoment, die Verdrehwinkelgeschwindigkeit und Verdrehwinkelbeschleunigung und durch eine Fourieranalyse das Spektrum der Drehschwingungen des Drehkörpers 70. Ein mit dem Analysator 95 verbundener Vergleicher 97 vergleicht das ermittelte Spektrum der Drehschwingungen mit einem Referenzspektrum und liefert eine Aussage über die Abweichung der Spektren voneinander. Das Referenzspektrum läßt sich dabei beispielsweise aus vorangegangenen Messungen oder aus theoretischen Berechnungen erhalten.

Aus der Änderung des Spektrums, z. B. während der Rotation eines Drehkörpers 70, lassen sich Rückschlüsse auf die Beschaffenheit und auf eine Veränderung des Drehkörpers 70 ziehen. Verkleinert sich beispielsweise eine als Eigendrehfrequenz des Drehkörpers erkannte Frequenz, so deutet dies auf eine Verringerung des effektiven Querschnitts des Drehkörpers und damit auf ein eventuelles Auftreten von Rissen oder anderen Defekten im Drehkörper hin. Wurden nun solche Veränderungen der Eigenfrequenzen erkannt, die größer als ein vorgegebener Wert sind, so ist damit zu rechnen, das der Drehkörper 70 intollerable Defekte aufweist. Der Vergleicher 97 gibt in diesem Fall auf einer Leitung 98 ein Signal an eine entsprechende Überwachungseinheit aus. Der Drehkörper muß dann angehalten und genauer auf die Defekte hin untersucht werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erkennung von Defekten in einem Drehkörper mittels eines Verfahrens nach Patent 44 07 446 zur schnellen Interpolation von Zwischenwerten einer Meßgröße aus periodischen phasenverschobenen Signalen (1, 2) mit:
einem ersten Schritt (10) zur Normierung der Signale (1, 2) bezüglich der Amplitude und der Nullage;
einem zweiten Schritt (11) zum Verhältnisbilden der normierten Signale;
einem dritten Schritt (12) zum Bestimmen eines interpolierten Zwischenwertes der Meßgröße aus dem gebildeten Verhältnis der normierten Signale;
einem vierten Schritt (35) zum Ermitteln eines Phasenfehlers (5) der Signale (1, 2) und der Korrektur des interpolierten Zwischenwertes entsprechend des ermittelten Phasenfehlers (5);
einem fünften Schritt (36) zum Ermitteln und Zählen der Anzahl der überschrittenen Perioden der phasenverschobenen Signale (1, 2);
einem sechsten Schritt (37) zur Bestimmung des Gesamtwertes der Meßgröße aus der Addition des interpolierten Zwischenwertes zu der mit der Länge einer Periode multiplizierten Anzahl der überschrittenen Perioden;
einem siebten Schritt (64) zum Ermitteln eines Wertes eines relativen Drehwinkels des Drehkörpers (70) aus dem bestimmten (37) Gesamtwert der Meßgröße;
einem achten Schritt (65) zum Ermitteln eines Verdrehwinkels des Drehkörpers (70) aus mindestens einem Wert eines nach Schritt sieben (64) ermittelten relativen Drehwinkels;
gekennzeichnet durch
einen neunten Schritt (66) zum Erfassen des Zeitverhaltens des Gesamtwertes der Meßgröße oder eines der von diesem Gesamtwert abgeleiteten (64, 65) Werte;
einen zehnten Schritt (67) zum Bestimmen des Frequenzspektrums aus dem erfaßten (66) Zeitverhalten;
einen elften Schritt (68) zum Vergleichen des ermittelten (67) Frequenzspektrums mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum; und
einen zwölften Schritt (69) zum Auswerten einer Abweichung des bestimmten (67) Frequenzspektrums von dem vorgegebenen Frequenzspektrum.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der zwölfte Schritt (69) zum Auswerten der Abweichung ein Signalisieren ist, wenn das bestimmte Frequenzspektrum außerhalb einer gegebenen Toleranz des vorgegebenen Frequenzspektrums liegt.

3. Vorrichtung zur Erkennung von Defekten in einem Drehkörper, die zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 geeignet ist, nach Patent 44 07 446 mit:
mindestens einem Sensor (71, 91) zur Erfassung des Dreh­ und/oder Verdrehverhaltens des Drehkörpers (70);
mindestens einem Interpolator (72, 92) zur Bestimmung des Gesamtwertes der Meßgröße;
mindestens einer Auswerteeinheit (73, 93, 94) zur Ermittlung des Verdrehwinkels des Drehkörpers (70) aus dem interpolierten Gesamtwert der Meßgröße;
wobei:
der mindestens eine Sensor (71, 91)
einen Encoder (80) mit einer rotationssymmetrischen Kodierung, und
eine Abtasteinheit (81) zur Abtastung eines Signals entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der Abtasteinheit (81) und dem Encoder (80) aufweist;
der Encoder (80) und die Abtasteinheit (81) des jeweiligen Sensors (71, 91) so an dem Drehkörper (70) angeordnet sind, daß eine Drehung des Drehkörpers (70) den Encoder (80) und die dazugehörige Abtasteinheit (81) des Sensors (71, 91) relativ zueinander verdreht;
der mindestens eine Sensor (71, 91) als Ausgabe mindestens zwei periodische phasenverschobene Signale (1, 2) entsprechend des relativen Drehwinkels zwischen der jeweiligen Abtasteinheit (81) und dem jeweiligen Encoder (80) liefert;
der mindestens eine Interpolator (72, 92) aus den Signalen (1, 2) des mindestens einen Sensors (71, 91) mindestens einen Wert des relativen Drehwinkels zwischen jeweiliger Abtasteinheit (81) und jeweiligem Encoder (80) ermittelt;
die mindestens eine Auswerteeinheit (73, 93, 94) aus mindestens einem Wert des relativen Drehwinkels zwischen jeweiliger Abtasteinheit (81) und Encoder (80) den Verdrehwinkel des Drehkörpers (70) ermittelt;
der Encoder (80) und die Abtasteinheit (81) eines Sensors (71, 91) so an dem Drehkörper (70) angeordnet sind, daß die relative Verdrehung des Encoders (80) und der dazugehörigen Abtasteinheit (81) des Sensors (71, 91) der Verdrehung des Drehkörpers (70) entspricht;
gekennzeichnet durch:
ein Mittel (96) zur Erfassung des Zeitverhaltens des Verdrehwinkels des Drehkörpers (70);
ein Mittel (95) zur Bestimmung des Frequenzspektrums aus dem Zeitverhalten des Verdrehwinkels des Drehkörpers (70); und
einen Vergleicher (97) zum Vergleichen des ermittelten Frequenzspektrums mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum.

4. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 oder der Vorrichtung nach Anspruch 3 zur schnellen Erkennung von Defekten in dem Drehkörper (70) während des Betriebes des Drehkörpers (70) in Echtzeit.