專利名稱：運(yùn)行一種裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種運(yùn)行用于控制伺服電機(jī)的裝置的方法，以及相應(yīng)的 裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
客戶對機(jī)器和裝置的效能和自動化程度提出了更高的要求，這給機(jī) 器制造商提出了任務(wù)，即不斷改進(jìn)它產(chǎn)品的可用性。在這種發(fā)展趨勢中， 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在機(jī)器的維護(hù)計(jì)劃中起越來越重要的作用。
在生產(chǎn)中計(jì)劃外的停機(jī)同多余的預(yù)防性的維護(hù) 一 樣是不希望的。針 對狀態(tài)的維護(hù)也同樣使最終用戶較高地利用了其使用壽命，并給關(guān)鍵部 件提供了有針對性的維修。為了能有效地實(shí)施這些策略，機(jī)器制造商必 須與部件和控制器制造商緊密合作。申請人涉及部件和控制器制造商，
尤其涉及用于控制電機(jī)的裝置、尤其是驅(qū)動控制器的制造商。
例如在公開號為2006230039 A的日本公開文獻(xiàn)中示出了如申請人 制造出的裝置的原理。在此，借助速度傳感器由驅(qū)動控制器檢測電機(jī) 的速度，并借助控制參數(shù)在考慮已檢測到的速度的情況下，利用實(shí)際 值/額定值的比較來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。
按照負(fù)載和工作時(shí)間的不同，電機(jī)上可能會出現(xiàn)軸承損壞，這會 引起振動。這些振動可能會擴(kuò)散到借助電機(jī)來驅(qū)動的周邊設(shè)備，或擴(kuò) 散到其它耦合到電機(jī)上的機(jī)械裝置。對于例如用于驅(qū)動工具機(jī)床的電 機(jī)來說，這些振動可能會降低加工質(zhì)量并損壞工件。
迄今已知的監(jiān)測這種振動的解決方案是相對所述裝置獨(dú)立的監(jiān)測 裝置。這種額外的監(jiān)測裝置必須以很高的成本與待監(jiān)測的系統(tǒng)相連， 用于獲取特征性的電機(jī)數(shù)據(jù)。這意味著額外的成本，并給機(jī)器制造商 提高了費(fèi)用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種裝置，其能以微小額外費(fèi)用，提前發(fā) 現(xiàn)機(jī)器的驅(qū)動部件上的損壞，并因此來提高機(jī)器的生產(chǎn)能力。本發(fā)明提出的任務(wù)通過一種運(yùn)行具有驅(qū)動控制器功能的裝置的方 法以及根據(jù)本發(fā)明運(yùn)行的裝置本身和這種裝置的應(yīng)用來完成。所述裝置 包括開環(huán)控制和/或閉環(huán)控制單元以及根據(jù)本發(fā)明集成的診斷單元，用于 識別機(jī)械故障，尤其用于軸承診斷。根據(jù)本發(fā)明的方法甚少包括下面的
方法步驟
a) 自動地閉環(huán)控制和/或開環(huán)控制可與所述裝置相連的機(jī)器；
b) 自動地^r測機(jī)器振動；
c) 在考慮檢測到的機(jī)器振動的情況下，借助所述診斷單元自 動地實(shí)施機(jī)器狀態(tài)分析。
與從現(xiàn)有技術(shù)中已知的解決方案不同，所述振動是直接地借助所述 裝置本身檢測并分析的。不需要外部的與高成本相連并首先要參數(shù)化的 振動監(jiān)測機(jī)構(gòu)。所有的參數(shù)化都全自動地在所述裝置內(nèi)部進(jìn)行。因此在 實(shí)踐中，所述裝置自身除了驅(qū)動控制器的功能外，還具有振動檢測機(jī)構(gòu) 或振動監(jiān)測機(jī)構(gòu)的功能。這與借助外部的分析機(jī)構(gòu)來工作的解決方案相 比，減少了成本費(fèi)用并具有系統(tǒng)化的優(yōu)點(diǎn)。因此借助所述裝置，能以微 小的附加費(fèi)直接地監(jiān)測驅(qū)動的電機(jī)以及連接到此電機(jī)上的機(jī)械裝置或 連接到此電機(jī)上的機(jī)器。外部的傳感裝置不是強(qiáng)制需要的。
所有在分析中用到的測量參數(shù)，例如由所述裝置驅(qū)動的電機(jī)的實(shí) 際轉(zhuǎn)數(shù)，本來就已經(jīng)提供給所述裝置用于實(shí)現(xiàn)控制目的。因而為所述 分析沒有產(chǎn)生額外的布線費(fèi)用，并且也可以在考慮轉(zhuǎn)速變化的情況下 進(jìn)行振動分析。這再次提高了根據(jù)本發(fā)明的裝置的靈活性和應(yīng)用范圍， 并為借助所述裝置驅(qū)動的電機(jī)的軸承提供了軸承診斷的可能性。尤其 在結(jié)合加工機(jī)床，優(yōu)選結(jié)合工具機(jī)床應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的集成于驅(qū)動器 的裝置時(shí)，本發(fā)明有利于在制造機(jī)器時(shí)降低成本并改進(jìn)質(zhì)量。此外， 還借助本發(fā)明提高了這些機(jī)器的生產(chǎn)能力。
優(yōu)選地在考慮至少一個(gè)存儲在所述裝置中的依賴于機(jī)器狀態(tài)變化 的參數(shù)的情況下檢測機(jī)器的振動。此參數(shù)可指至少 一個(gè)或多個(gè)使閉環(huán) 控制單元或開環(huán)控制單元參數(shù)化的參數(shù)，由其可推導(dǎo)出不期望的機(jī)器 行為(例如實(shí)際值、測量出的描述機(jī)器狀態(tài)的特征值)。還優(yōu)選的是， 在考慮至少一個(gè)設(shè)置在機(jī)器上的傳感器(加速度傳感器和/或固體聲傳 感器)的至少一個(gè)傳感器信號的情況下，可實(shí)施機(jī)器狀態(tài)分析。這些 附加的傳感器信號可用于對分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和/或驗(yàn)證，而不必為此增加必要的布線花費(fèi)，總是還比從現(xiàn)有技術(shù)中已知的應(yīng)用外部分析機(jī) 構(gòu)的方法更低。在實(shí)施前面所述的操作方法的框架中，閉環(huán)控制單元 和/或開環(huán)控制單元的至少一個(gè)參數(shù)與至少一個(gè)存儲在所述裝置中的基 準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較，并從比較結(jié)果中直接或間接得出關(guān)于機(jī)器狀態(tài)的推 斷。在此尤其優(yōu)選的是，其中自動地識別出所述參數(shù)相對于基準(zhǔn)參數(shù) 的按照可預(yù)定的公差范圍的偏差。
通常所述裝置包括閉環(huán)控制單元，其具有級聯(lián)式的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)， 用于閉環(huán)控制位置和/或速度和/或電流，其中在進(jìn)行分析時(shí)考慮了位置 控制器和/或速度控制器和/或電流控制器的至少一個(gè)參數(shù)。因此，通過 相應(yīng)的內(nèi)部處理步驟(推導(dǎo)、頻率分析等)，結(jié)合存在的信號樣式識 別出存在的軸承損壞，并用于分析目的。
其中所述機(jī)器狀態(tài)分析持續(xù)地在機(jī)器運(yùn)行期間優(yōu)選實(shí)時(shí)地或延時(shí) 地尤其在可預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)有節(jié)拍地進(jìn)行。因此可確保，根據(jù)機(jī)器的型 號或磨損行為不同來持久地或周期性地進(jìn)行分析。在分析的框架中，
優(yōu)選額外地包含以下步驟過濾外部傳感器的信號，和/或?qū)σ褳V波的 傳感器信號進(jìn)行采樣，和/或?qū)⒁巡蓸拥膫鞲衅餍盘栠M(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，和/ 或?qū)σ艳D(zhuǎn)換的信號進(jìn)行信號分析，其中所述信號分析同樣優(yōu)選包括包 絡(luò)曲線分析。
在機(jī)器狀態(tài)分析的框架中，其中所述裝置優(yōu)選同步地檢測機(jī)器的 狀態(tài)參數(shù)作為測量值序列，并且尤其在由于機(jī)器的運(yùn)動曲線引起機(jī)器 的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，將所述測量值序列配屬于運(yùn)動曲線。此外優(yōu)選的 是，所述由所述裝置檢測到的測量值序列針對可預(yù)定的轉(zhuǎn)速被標(biāo)準(zhǔn)化， 其中所述裝置還可以在考慮機(jī)器轉(zhuǎn)速改變的情況下求出已檢測到的傳 感器信號的周期時(shí)間的變化度。然后在由所述裝置檢測到機(jī)器轉(zhuǎn)速上 升時(shí)，所述裝置可補(bǔ)償已檢測到的傳感器信號的周期時(shí)間的變化。還 可能的是，在根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)化框架中，周期時(shí)間在轉(zhuǎn)速上升時(shí)變 長，而在轉(zhuǎn)速降低時(shí)縮短，其中改變測量值序列的兩個(gè)相繼的測量值 的時(shí)間間隔，使得具有不同周期的振動針對其周期而言仍保持恒定。 緊接著，轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化的測量值序列間隔可以借助內(nèi)插設(shè)成等距的。即 使在待監(jiān)測的機(jī)器的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，這種方法也能夠使用根據(jù)本發(fā)明的 裝置。
尤其優(yōu)選的是，可編程存儲控制器(SPS、 PLC)可包含在所述裝置中，借助該控制器還可控制至少一個(gè)外部的傳感器(例如加速度傳 感器、轉(zhuǎn)速測量儀)。所述控制可實(shí)現(xiàn)機(jī)器狀態(tài)分析過程的完全自動 化，并同樣可用于其它的自動化過程。
本發(fā)明提出，分析結(jié)果從所述裝置傳遞到上級裝置(例如控制臺
等)用于實(shí)現(xiàn)可視化；或所述裝置自動地借助包含在所述裝置中的操
作板使分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化。
為了實(shí)現(xiàn)前面所述的方法步驟，所述裝置包括控制部件，借助該
控制部件可對由固體聲傳感器或加速度傳感器產(chǎn)生的信號進(jìn)行處理，
即將所述信號濾波，并根據(jù)采樣頻率進(jìn)行數(shù)字化。所述裝置的診斷單
元在此這樣實(shí)現(xiàn)，即所述信號可借助其頻譜進(jìn)行分析。
所述控制部件還優(yōu)選包括采樣保持電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中此外還
優(yōu)選包括用于對數(shù)字化信號進(jìn)行整流的機(jī)構(gòu)、用于信號濾波的機(jī)構(gòu)以及 用于將信號轉(zhuǎn)換到頻域的機(jī)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的裝置優(yōu)選用于運(yùn)行加工機(jī)床，尤其是工具機(jī)床，為此 可減少這種機(jī)器的故障率。
根據(jù)本發(fā)明的裝置也可以用于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測過程，用于借助遠(yuǎn)程 診斷(例如軸承診斷)和遠(yuǎn)程維護(hù)來提前預(yù)防可能的機(jī)器損壞。
下面描述的附圖僅僅是為了更好地理解本發(fā)明，它們不是把本發(fā)明 限定在這些實(shí)施例中。這些附圖都是部分的粗略的和示意性的。原則上， 在附圖或正文中給出的每個(gè)工作模式、每個(gè)原理、每個(gè)技術(shù)構(gòu)造方案和 每個(gè)特征都可以與所有的權(quán)利要求、在正文和其它附圖中的每個(gè)特征、 其它的工作模式、原理、技術(shù)構(gòu)造方案和此公開文獻(xiàn)中包含的或由此得 出的特征進(jìn)行自由且任意的組合，因此所有可考慮的組合都可加入本發(fā) 明的公開范圍中。在此還包含所有在正文即正文的每個(gè)段落中、權(quán)利要 求書中的單個(gè)實(shí)施例的組合，還包含在正文、權(quán)利要求書及附圖中的不 同實(shí)施例的組合。
圖la和圖lb示出了兩種不同解決方案的比較。在圖la中示出了第 一種解決方案，其由現(xiàn)有技術(shù)已知并具有外部的軸承損壞分析。在圖lb 中示出了第二種解決方案，其是根據(jù)本發(fā)明的解決方案并具有根據(jù)本發(fā) 明的集成于驅(qū)動器的機(jī)器狀態(tài)分析。
具體實(shí)施例方式
在圖la的變型方案中，驅(qū)動控制器100根據(jù)功率與要調(diào)節(jié)的伺服 電機(jī)101相連。在電機(jī)101上設(shè)置有固體聲傳感器103和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測 器104。固體聲傳感器103和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測器104的輸出端通向相對驅(qū) 動控制器IOO獨(dú)立的診斷工具102,此診斷工具與移動的數(shù)據(jù)檢測設(shè)備 106相連，例如與膝上型電腦106相連。對各種外部周邊設(shè)備102以及 與之相關(guān)的布線107、 108的要求非常高。由此連續(xù)實(shí)施診斷的費(fèi)用必 然也同樣非常高。
在按圖lb的根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器內(nèi)部式的變型方案中，驅(qū)動控制 器IOO根據(jù)功率同樣與要調(diào)節(jié)的伺服電機(jī)101相連。例如借助電機(jī)101 上的固體聲傳感器103檢測到的固體聲，現(xiàn)在不必再借助移動的數(shù)據(jù)檢 測設(shè)備102和診斷電腦106如同從圖la中已知的那樣進(jìn)行分析。相反， 固體聲信號直接傳遞到驅(qū)動控制器100上，此驅(qū)動控制器IOO根據(jù)本發(fā) 明具有診斷機(jī)構(gòu)102作為集成的組成部分。因此可以在驅(qū)動控制器100 的內(nèi)部并因此基于驅(qū)動器進(jìn)行振動分析。
驅(qū)動控制器10 0在它作為開環(huán)控制和閉環(huán)控制單元的功能框架中， 不斷地檢測電機(jī)IOI的實(shí)際轉(zhuǎn)速。因此在驅(qū)動器內(nèi)部提供了對振動分析 所必需的所有數(shù)據(jù)。驅(qū)動控制器100因此與電機(jī)101 —起實(shí)現(xiàn)了如圖la 所示系統(tǒng)一樣的功能。不再需要單獨(dú)的與移動的數(shù)據(jù)檢測設(shè)備106例如 膝上型電腦106相連的外部的診斷工具102。診斷工具和/或數(shù)據(jù)檢測設(shè) 備的功能近似被驅(qū)動控制器所包含。布線107、 108也省下了。此外，
從現(xiàn)有技術(shù)中已知的解決方案相比，這樣實(shí)施診斷的成本更低。尤其現(xiàn) 在可以在任何時(shí)候，即使在正常運(yùn)行器件并優(yōu)選實(shí)時(shí)地?zé)o需外部干涉地 進(jìn)行振動診斷和/或振動監(jiān)測。此外，與傳統(tǒng)的方法相比，由于是對驅(qū)動 器內(nèi)部的參數(shù)進(jìn)行處理，因而改善了診斷質(zhì)量。通過因特網(wǎng)或類似的通 訊工具進(jìn)行遙控診斷操作也是可行的。
除了系統(tǒng)的硬件方面的架構(gòu)外，也有信號原理方面的應(yīng)用，其在驅(qū) 動控制器的固件內(nèi)實(shí)施。在軟件實(shí)施時(shí)，要專門進(jìn)行高頻信號的采樣或 離散化(欠采樣、混疊)、專門的頻率轉(zhuǎn)換(包絡(luò)曲線鐠)和專門的頻率 分析。在申請人在為測試目的而損壞的伺服電機(jī)上進(jìn)行的振動測量中，證 實(shí)了根據(jù)本發(fā)明的原理的功能性。在伺服電機(jī)的軸承被確定為損壞之 前，要在大量的測量序列中確定振動測量的基準(zhǔn)狀態(tài)。
基準(zhǔn)狀態(tài)的測量結(jié)果用于后期針對代表了已損壞的狀態(tài)的測量序 列進(jìn)行比較。在拆下軸承的蓋板后，借助電動的手持銑刀在滾動軸承的 外圏上加工出一個(gè)深缺口。這在軸承的安裝狀態(tài)下進(jìn)行，在伺服電機(jī)的 軸承蓋被取走之后。因此出現(xiàn)了典型的外圈損壞的損壞圖。在試驗(yàn)時(shí)使 用的加速度傳感器的傳感器信號中，可借助頻率分析儀來證實(shí)這種故意
產(chǎn)生的損壞圖。在較高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)(>1000 rpm),所產(chǎn)生的損壞圖 也可以明確無誤解地在傳感器信號的包絡(luò)曲線譜中識別出來。此外，還 可以識別出電頻率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率和傳感器頻率。
為了針對所使用的固定在電機(jī)101上的用于測量轉(zhuǎn)子加速度的加速 度傳感器103來估計(jì)根據(jù)本發(fā)明的裝置100的效能，借助裝置100的模 擬輸入端讀入傳感器信號。通過借助根據(jù)本發(fā)明的裝置IOO進(jìn)行采樣， 產(chǎn)生了圖2和3中所示的頻譜。圖4示出了相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。
圖2根據(jù)設(shè)置在伺服電機(jī)101上的且為分析目的而被單元100分析 固體聲傳感器103示出了完好的軸承的頻譜，以Hz為單位(橫坐標(biāo))。 用A標(biāo)出的譜線是電引起的信號(例如電頻率)。用B標(biāo)出的譜線是機(jī) 械引起的信號(例如轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動頻率)。
圖3示出了相同的視圖，但是在伺服電機(jī)101上存在著已損壞的滾 動軸承的情況下。把圖2和圖3中的頻譜進(jìn)行比較，可看到明顯的區(qū)別， 這些區(qū)別可通過上面已提到的在滾動軸承的外圈上故意造成的滾動軸 承損壞來解釋。除了從圖2中已知的頻率部分，現(xiàn)在首先還可看到外圏 的超限頻率C及其諧波(見圖3),它們是由所述滾動軸承損壞引起的。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用于監(jiān)測軸承損壞的系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括驅(qū) 動控制器400、伺服電機(jī)401、加速度傳感器403或固體聲傳感器403。 在接口 405處可連接上級控制臺。此外，此系統(tǒng)還可應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測過 程的領(lǐng)域。借助包含在裝置400中的診斷和監(jiān)測單元(未示出)，圖4 所示的裝置400能夠自動地至少部分地補(bǔ)償或識別出在電機(jī)401上出現(xiàn) 的振動。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的在裝置內(nèi)部進(jìn)行的傳感器信號處理的細(xì) 節(jié)。裝置500包括具有低通濾波器502的控制部件501、具有節(jié)拍器505的采樣保持電路503、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器504。同樣在裝置500中還包括有診 斷和/或監(jiān)測單元506。此診斷和/或監(jiān)測單元506包括機(jī)構(gòu)507，用于對 由控制部件501數(shù)字化的信號進(jìn)行整流；機(jī)構(gòu)508,用于信號濾波(低 通濾波器、帶通、下采樣)；機(jī)構(gòu)509,用于將由前面的模塊502、 503、 504、 505、 507和508處理的傳感器信號轉(zhuǎn)換到頻域中。
通過使傳感器信號與 一 系列脈沖在節(jié)拍器505的采樣周期的間隔中 相乘，來實(shí)現(xiàn)傳感器信號在控制部件501中的采樣.由此得到了時(shí)間上 連續(xù)的信號，但它只是對時(shí)間上離散的值1=1<*丁確定為不等于零，或者 在t=k*T的時(shí)間點(diǎn)上與原始的未采樣的傳感器信號x(t)相同。t在此代 表時(shí)間，T代表采樣周期，K代表控制變量。這種信號的量化或值離散 化是借助模數(shù)轉(zhuǎn)換器504實(shí)現(xiàn)的。此模數(shù)轉(zhuǎn)換器504給采樣保持環(huán)節(jié)503 的每個(gè)模擬值都分配了 一個(gè)數(shù)字值。這種分配總是按規(guī)定數(shù)量的量化級 別(這決定了信號分辨)來進(jìn)行。模數(shù)轉(zhuǎn)換器504的分辨越高，則提供 的量化級別就越多。
因?yàn)樵趯?shí)際中不可能實(shí)現(xiàn)任意高的采樣頻率來避免混疊，所以連續(xù) 信號必須限定在它的帶寬中。這通過在前面連接模擬低通濾波器502來 實(shí)現(xiàn)，此低通濾波器同樣也包含在根據(jù)本發(fā)明的裝置中。借助低通濾波 器502可過濾出較高的頻率部分。為了數(shù)字重構(gòu)和考察連續(xù)的時(shí)間信號 的頻率部分，根據(jù)本發(fā)明，借助裝置500以下面的步驟來實(shí)現(xiàn)所述數(shù)字 化
1. 借助濾波裝置來使傳感器501的傳感器信號濾波；
2. 把這樣濾波的信號傳遞給采樣保持裝置503用于采樣；
3. 把由采樣保持裝置503采樣的信號傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換器504, 用于產(chǎn)生數(shù)字信號。
除了此處所選的低通濾波器502外，帶通濾波器也提供了 一種避免 混疊的可能性，借助所述帶通濾波器能"可靠"地檢測到尼奎斯特區(qū)域之 外的頻率。當(dāng)然這只有當(dāng)帶通濾波器的帶寬，即通過區(qū)域，精確地位于 兩個(gè)反射軸之間才可能實(shí)現(xiàn)。按前面描述的定律，這個(gè)區(qū)域內(nèi)的頻率部 分被反射到尼奎斯特區(qū)域中。然后由于了解了帶通濾波器的帶寬，所述 混疊頻率可精確地配屬給相應(yīng)的頻域(欠尼奎斯特采樣)。通過這種技 術(shù)，只需對于高頻率部分借助帶通濾波器實(shí)現(xiàn)模擬抗混疊濾波器，就能 使用現(xiàn)有的系統(tǒng)。同樣可考慮的是，使兩個(gè)或多個(gè)抗混疊濾波器并行，它們的輸出端或通過區(qū)域單獨(dú)地采樣。所述數(shù)值序列可相應(yīng)地處理，因 此在接著的疊加后，產(chǎn)生的信號的頻率比按傳統(tǒng)方法進(jìn)行采樣高得多。
在借助采樣保持環(huán)節(jié)503進(jìn)行采樣時(shí)，在根據(jù)本發(fā)明的原理框架中 有意地不遵守這種采樣原理(欠采樣)，而總是考慮混疊頻率的出現(xiàn)。 對于閉環(huán)控制機(jī)器而言，這通常不會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題，因?yàn)榛殳B頻率的 期望的振幅小得可以忽略不計(jì)。依照設(shè)定的性能(閉環(huán)控制回路的配 置)，設(shè)定固定的采樣頻率，其處于kHz的范圍內(nèi)(大約4kHz)。
在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框架中出現(xiàn)的滾動軸承的損壞頻率是指沖擊脈沖 狀的激勵(lì)，其在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定時(shí)會周期性地重復(fù)。伺服電機(jī)IOI、 401 即使其軸承完好的狀態(tài)下也會振動或振蕩，因此不能從加速度信號中直 接推導(dǎo)出軸承損壞。根據(jù)本發(fā)明的頻率轉(zhuǎn)換，其在驅(qū)動控制器IOO、 400 中進(jìn)行，帶來了補(bǔ)救措施。伺服電機(jī)101、 401的沖擊激勵(lì)表現(xiàn)為可持 續(xù)振動的系統(tǒng)，并對沖擊脈沖狀的具有阻尼振動的激勵(lì)做出反應(yīng)，這隨 后會影響力激勵(lì)和加速度信號之間的實(shí)際的傳遞行為。借助FFT (快速 傅里葉變換)算法，所述加速度信號分解成其和諧的組成部分。
此外，連接加速度信號的正峰值或換向點(diǎn)還形成了一種曲線，這種 曲線非常接近鋸齒形振動的曲線。鋸齒形振動從傅里葉級數(shù)展開或傅里
葉綜合法中已知。它可以在傳統(tǒng)的傅里葉變換的頻譜中被明確地確定。 鋸齒形振動由基本振動和這種基本振動的多個(gè)偶數(shù)倍組成。這種倍數(shù)也 被稱為諧波，其振幅在諧波的階數(shù)n增大時(shí)下降l/n。因此在頻域內(nèi)示出 了鋸齒形振動的明顯特征。所述的方法在信號處理中也被稱為包絡(luò)曲線 調(diào)制或包絡(luò)曲線分析。在本發(fā)明的框架中，包絡(luò)曲線分析借助以下步驟 實(shí)現(xiàn)
(1) 通過對負(fù)值求平方、求反或舍位，實(shí)現(xiàn)時(shí)間信號的數(shù)字 整流507，以及
(2) 通過下采樣進(jìn)行數(shù)字低通濾波508,以及
(3) DFT (離散傅里葉變換)509。
100中。此方法的重要優(yōu)點(diǎn)是，抑制和諧的振動，并利用不和諧的振動。 相反對于純粹的傅里葉變換，只計(jì)算振動的和諧的組成部分，而所有其 它不和諧的規(guī)則性和周期性都保持被掩蓋。因此，包絡(luò)曲線分析最適合 在頻域內(nèi)使軸承損壞的沖擊脈沖重復(fù)頻率可—見化。前面所述的功能才莫塊502、 503、 504、 505、 507、 508、 509緊密地 與包括在根據(jù)本發(fā)明的裝置100中的數(shù)字計(jì)算單元(未示出)一起工作。 模塊507、 508、 509為了實(shí)現(xiàn)包絡(luò)曲線分析可以組合起來。本來要分析 的傳感器信號來自于連到控制部件501上的外部傳感器510 (固體聲傳 感器、加速度傳感器或類似元件)。
為了即使在轉(zhuǎn)速不恒定時(shí)也能實(shí)施圖2和圖3中所示的振動測量， 借助根據(jù)本發(fā)明的方法或根據(jù)本發(fā)明的裝置100來實(shí)施轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化。例 如在申請人實(shí)施的試驗(yàn)(同樣見圖4)中標(biāo)準(zhǔn)化成轉(zhuǎn)速為2500 rpm。在 掃描加速度傳感器103的信號時(shí)，伺服電機(jī)101的轉(zhuǎn)速恒定地上升，這 用于開始運(yùn)動曲線。
由于這種轉(zhuǎn)速上升，在所述測量中在加速度傳感器信號中沒有產(chǎn)生 保持不變的規(guī)律，這可借助包絡(luò)曲線分析來達(dá)到。但所述運(yùn)動曲線(其 存儲在驅(qū)動控制器中)對于根據(jù)本發(fā)明的裝置來說是已知的，并且傳感 器信號可進(jìn)行轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化。所述標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)器的實(shí)際轉(zhuǎn)速可被 標(biāo)準(zhǔn)化成任意的轉(zhuǎn)速。從而，即使在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)也可以像隨后的包絡(luò)曲 線分析一樣進(jìn)行測量和分析。在考慮最終轉(zhuǎn)速和/或起始轉(zhuǎn)速的情況下， 借助時(shí)間間隔的變長來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。為此給出例如把起始轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化成 2500 rpm的時(shí)間信號。
緊接著，借助標(biāo)準(zhǔn)化的信號的內(nèi)插產(chǎn)生具有等距節(jié)點(diǎn)的信號，其進(jìn) 行了包絡(luò)曲線分析。借助振動測量的根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間信 號的包絡(luò)曲線分析的結(jié)果，可明顯地看到外圈過巻頻率和它的諧波，如 同它在轉(zhuǎn)速恒定在2500 rpm時(shí)進(jìn)行振動測量所期望的一樣。轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化 的必要步驟可傳遞到任意復(fù)合的運(yùn)動曲線中。
前面的描述和實(shí)施的測量證實(shí)了傳感器信號包含明確的關(guān)于確定 的軸承損壞狀態(tài)的信息。通過根據(jù)本發(fā)明的裝置進(jìn)行的采樣提供了這樣 的信息，此信息作為軸承損壞的證據(jù)來自包絡(luò)曲線分析。
根據(jù)本發(fā)明的認(rèn)識可作為進(jìn)一步對狀態(tài)監(jiān)測(機(jī)器監(jiān)測)領(lǐng)域研究 的基礎(chǔ)。尤其明確地推薦，將本發(fā)明結(jié)合由軸承損壞引起的沖擊脈沖以
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尤其明確地推薦，結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的認(rèn)識，在只考察驅(qū)動控制器的 內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的情況下，不使用任何外部的固體聲傳感器/加速度傳感器。按照軸承損壞的程度，利用或不利用外部傳感器的解決方案是有意 義或可實(shí)現(xiàn)的。
對集成于驅(qū)動器的振動測量的效能進(jìn)行評價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)是在轉(zhuǎn)速 不恒定時(shí)進(jìn)行測量的可能性。通過轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化這一方法，在轉(zhuǎn)速不同時(shí)， 這也可以在運(yùn)動曲線的過程中進(jìn)行測量。這對伺服電機(jī)的其它方面必要 的恒定的測試轉(zhuǎn)速，不再有嚴(yán)格的限制。相對于市場上常見的診斷系統(tǒng) 而言，這種認(rèn)識可看作是集成于驅(qū)動器的振動測量方案的重要優(yōu)點(diǎn)。
在圖6中以基本振動為例示出了所述在裝置內(nèi)部的進(jìn)行轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化 的方法，其周期時(shí)間持續(xù)地變短(參照上圖)。
實(shí)際振動的周期時(shí)間從T1降到T9,振動顯然被"縮短"了?；趯?周期時(shí)間或"縮短程度"的時(shí)間變化的認(rèn)識，整個(gè)振動的單個(gè)周期借助根 據(jù)本發(fā)明的方法再次變長或"伸長"。在此意義中，根據(jù)本發(fā)明的周期 時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)化在考慮到轉(zhuǎn)速變化時(shí)信號的周期時(shí)間的時(shí)間變化的情況 下對于數(shù)字信號的節(jié)點(diǎn)與時(shí)間間隔的變化沒有區(qū)別。在根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn) 速標(biāo)準(zhǔn)化的基本構(gòu)思中，基于對運(yùn)動曲線的認(rèn)識，可任意地規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)化 的轉(zhuǎn)速。此構(gòu)思從實(shí)踐出發(fā)，因此可在轉(zhuǎn)速斜坡或在運(yùn)動曲線過程中實(shí) 施振動測量。轉(zhuǎn)速恒定的前提條件對于許多應(yīng)用意味著，為進(jìn)行振動測 量和隨后的監(jiān)測，必須中斷正常的操作。但依照所謂的"實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測 (也就是"on the fly (聯(lián)機(jī))")，這與機(jī)器制造商的愿望不一致?，F(xiàn)在， 本發(fā)明無需這種中斷就能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)行用于控制電機(jī)(101)的裝置(100)的方法，尤其是運(yùn)行用于伺服電機(jī)(101)的驅(qū)動控制器(100)，其中所述裝置(100)包括診斷單元，用于識別要由所述裝置(100)控制的電機(jī)(101)的故障，尤其用于識別軸承損壞，其中所述裝置(100)包括閉環(huán)控制單元和/或開環(huán)控制單元，所述方法包括以下方法步驟a)自動地閉環(huán)控制機(jī)器和/或開環(huán)控制機(jī)器；b)自動地檢測至少一個(gè)機(jī)器振動；c)借助所述診斷單元在考慮已檢測到的機(jī)器振動的情況下，自動地實(shí)施機(jī)器狀態(tài)分析。
2. 按權(quán)利要求1所述的方法，其中在考慮了至少一個(gè)存儲在所述裝 置(100)中的參數(shù)的情況下進(jìn)行所述機(jī)器狀態(tài)分析，上述參數(shù)會依賴 于機(jī)器狀態(tài)而變化，其中在進(jìn)行所述機(jī)器狀態(tài)分析時(shí)，還要額外考慮至 少一個(gè)設(shè)置在機(jī)器(101 )上的加速度傳感器(103)的和/或設(shè)置在機(jī)器(101 )上的固體聲傳感器(103)的傳感器信號。
3. 按權(quán)利要求2所述的方法，其中在進(jìn)行所述機(jī)器狀態(tài)分析時(shí)，考 慮多個(gè)依賴于實(shí)際機(jī)器狀態(tài)并存儲在所述裝置(100)中的參數(shù)。
4. 按前述權(quán)利要求2至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中閉環(huán)控制單元 和/或開環(huán)控制單元的至少一個(gè)參數(shù)與至少一個(gè)存儲在所述裝置(100) 中的基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較。
5. 按權(quán)利要求4所述的方法，其中自動地識別出所述參數(shù)相對于基 準(zhǔn)參數(shù)的根據(jù)可預(yù)定的公差范圍的偏差。
6. 按前述權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其中包括閉環(huán)控制 單元，該閉環(huán)控制單元具有級聯(lián)式的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，用于閉環(huán)控制位置 和/或速度和/或電流，并且其中在進(jìn)行分析時(shí)考慮了位置控制器和/或速 度控制器和/或電流控制器的至少 一個(gè)參數(shù)。
7. 按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述機(jī)器狀態(tài)分析持 續(xù)地在機(jī)器運(yùn)行期間、優(yōu)選實(shí)時(shí)地或延時(shí)地尤其在可預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)有節(jié) 拍地進(jìn)行。
8. 按前述權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中額外包含以下 方法步驟a)將傳感器信號濾波和/或b) 對已濾波的傳感器信號進(jìn)行采樣和/或c) 將已采樣的傳感器信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和/或d) 對已轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行信號分析。
9. 按權(quán)利要求8所述的方法，其中所述信號分析包括包絡(luò)曲線分析。
10. 按前述權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述裝置(100)檢測機(jī)器(101)的狀態(tài)參數(shù)作為測量值序列，并且將上述測量值序列尤其在由于機(jī)器(101)的運(yùn)動曲線引起機(jī)器(101)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的情況下配屬給所述運(yùn)動曲線。
11. 按權(quán)利要求IO所述的方法，其中由所述裝置(100)檢測的測量值序列針對可預(yù)定的轉(zhuǎn)速被標(biāo)準(zhǔn)化。
12. 按前述權(quán)利要求2至11所述的方法，其中所述裝置(100)在考慮機(jī)器轉(zhuǎn)速變化的情況下求出已檢測到的傳感器信號的周期時(shí)間的變化度。
13. 按前述權(quán)利要求2至12所述的方法，其中所述裝置(100)在由所述裝置識別出機(jī)器轉(zhuǎn)速上升時(shí)補(bǔ)償已檢測到的傳感器信號的周期時(shí)間的變化。
14. 按權(quán)利要求13所述的方法，其中所述周期時(shí)間在轉(zhuǎn)速上升時(shí)變長，而在轉(zhuǎn)速降低時(shí)縮短。
15. 按前述權(quán)利要求10至14所述的方法，其中改變測量值序列的兩個(gè)相繼的測量值的時(shí)間間隔，使得測量值序列的周期保持恒定。
16. 按前述權(quán)利要求11至15所述的方法，其中轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)化的測量值序列間隔借助內(nèi)插設(shè)成等距的。
17. 按前述權(quán)利要求2至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述裝置(100)中集成有可編程存儲控制器，至少所述傳感器(103)也借助該控制器進(jìn)行控制。
18. 按前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中分析結(jié)果從裝置(100)傳遞到上級控制裝置(105)或上級控制臺(105)用于實(shí)現(xiàn)可視化，和/或其中所述裝置(100)自動地借助包含在所述裝置(100)中的操作板(700)使分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化。
19. 一種裝置，尤其是驅(qū)動控制器(100),用于運(yùn)行電機(jī)UOl),尤其是電動機(jī)(IOI)，所迷裝置具有用于閉環(huán)控制機(jī)器的閉環(huán)控制裝置，其特征在于，還包括診斷單元，用于識別電機(jī)(101 )上的機(jī)械故障，尤其用于識別軸承損壞。
20. 按權(quán)利要求19所述的裝置，其中包括控制部件，借助該控制部 件能夠?qū)τ捎糜跈z測基于振蕩的振動的檢測機(jī)構(gòu)(103)所產(chǎn)生的、尤 其由呈固體聲傳感器(103)和/或加速度傳感器(103)形式的檢測機(jī)構(gòu)(103)所產(chǎn)生的信號進(jìn)行處理，使得能夠?qū)⑺鲂盘枮V波，并能根據(jù) 采樣頻率進(jìn)行數(shù)字化，其中所述信號能利用診斷單元借助該信號的頻譜 進(jìn)行分析。
21. 按權(quán)利要求20所述的裝置，其中所述控制部件包括低通濾波 器、采樣保持電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，并且其中所述裝置包括用于對數(shù)字化 的信號進(jìn)行整流的機(jī)構(gòu)以及用于信號濾波的機(jī)構(gòu)和用于將信號轉(zhuǎn)換到 頻;或的才幾構(gòu)。
22. 按前述權(quán)利要求19至21中任一項(xiàng)所述的裝置，該裝置按照前 述權(quán)利要求1至18中任一項(xiàng)所述那樣運(yùn)行。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置用于加工機(jī)床、尤其是用于工具機(jī) 床的應(yīng)用。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置在遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
25. 驅(qū)動單元，其具有按權(quán)利要求19至22中任一項(xiàng)所述的裝置 (100)和電機(jī)(101 ),此電機(jī)包括與所述裝置(100)相連的用于檢測基于振蕩的振動的檢測機(jī)構(gòu)(103)，其中借助所述裝置(100)在應(yīng) 用診斷單元的情況下能夠至少部分地自動補(bǔ)償在電機(jī)上出現(xiàn)的振動。
26. 加工機(jī)床，尤其是工具機(jī)床，具有按照權(quán)利要求22所述的裝置， 或具有按權(quán)利要求25所述的驅(qū)動單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種運(yùn)行裝置的方法，即運(yùn)行驅(qū)動控制器400的方法。本發(fā)明可在生產(chǎn)運(yùn)行過程中在生產(chǎn)機(jī)器部件中提前發(fā)現(xiàn)損壞，并因此提高機(jī)器的生產(chǎn)能力。這通過具有集成的用于識別機(jī)械故障的診斷和/或監(jiān)測單元的驅(qū)動控制器400來實(shí)現(xiàn)，其中除了自動的機(jī)器閉環(huán)控制和/或機(jī)器開環(huán)控制外，可自動地檢測機(jī)器振動，并借助檢測到的機(jī)器振動自動地進(jìn)行機(jī)器狀態(tài)分析。因此可提前地識別并排除軸承損壞。
文檔編號H02P29/00GK101592712SQ20091014180
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者M·沃勒, S·茲恩爾曼 申請人:羅伯特·博世有限公司