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WO2012167819A1 - Verfahren zur ermittlung einer restlebensdauer einer maschinenkomponente und computerprogramm zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur ermittlung einer restlebensdauer einer maschinenkomponente und computerprogramm zur durchführung des verfahrens Download PDF

Info

Publication number
WO2012167819A1
WO2012167819A1 PCT/EP2011/059415 EP2011059415W WO2012167819A1 WO 2012167819 A1 WO2012167819 A1 WO 2012167819A1 EP 2011059415 W EP2011059415 W EP 2011059415W WO 2012167819 A1 WO2012167819 A1 WO 2012167819A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
characteristic
machine component
service life
computer program
chain
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/059415
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Bellm
Henning Lenz
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to PCT/EP2011/059415 priority Critical patent/WO2012167819A1/de
Publication of WO2012167819A1 publication Critical patent/WO2012167819A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/406—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by monitoring or safety
    • G05B19/4065—Monitoring tool breakage, life or condition
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37252—Life of tool, service life, decay, wear estimation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37253—Fail estimation as function of lapsed time of use
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/37—Measurements
    • G05B2219/37254—Estimate wear of subsystem of machine with measures from other subsystems

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a residual life of a machine component according to the Oberbe ⁇ handle of claim 1. It further relates to a computer program for performing the method.
  • Assets of designated components is based on historical, determined by sensors data from which a degree of wear is calculated. This in turn serves to derive a residual life of the assets.
  • the invention consists in specifying a further method that can be used to determine the remaining service life of machine components. This object is achieved with the features of claim 1.
  • An ⁇ Therein is provided a method of determining a remaining service life of a machine component, wherein a reference characteristic value curve a wear test of a matching to the machine component reference component is retrieved from a database of at least one characteristic value of Minim ⁇ least, with an approximation of the reference characteristic curve is carried out by a mathematical function, for the machine component at least one current characteristic value with a corresponding to the current parameter time ⁇ value determined from the approximated characteristic value curve and wherein there is the remaining life as the difference between an expected total lifetime of the machine component and the value detected is retrieved from a sensor.
  • the advantage of the invention is that based on
  • the or each characteristic curve is preferably approximated with a quad ⁇ ratischen polynomial.
  • relatively strongly scattering characteristic values can be smoothed so that a trend of the characteristics curve can be better recognized.
  • the respective coefficients of the quadratic polynomials may preferably be averaged for each characteristic.
  • the characteristic curves may be able to vary significantly, so that greater differences can be smoothed by averaging the coefficients due to different ready for operation ⁇ conditions.
  • the characteristic values may be preferred weighted according to relevance before the averaging. Here, for example, characteristics, let their courses see no MACHINES SHOW ⁇ chen trend, are weighted lower.
  • a residual service life determined for at least a first and a second current characteristic value is determined.
  • ER give, different (approximate) characteristic value curves and therefrom also have different remaining lifetimes for Ma ⁇ schin component when separately for each characteristic value ermit ⁇ telt. By forming a mean value of these residual life take ⁇ the reliability of Restlebensdauerer- increased mediation.
  • a reference characteristic curve can, with characteristic values for a torque as a sole reference parameter course USAGE ⁇ be det. This has the advantage that, under correspondingly favorable operating conditions of the machine component, more complex evaluations of a multiplicity of characteristic values can be dispensed with.
  • the described method with its embodiments is preferably implemented in software. Accordingly, the concerns
  • the invention also relates to a computer program with computer-executable program code instructions for implementing the method as described here and below, when the computer program is executed on a computer, eg an automation device with a processor-type processing unit or the like.
  • An automation s ists réelle ⁇ especially a Industrieautomatmaschinesge ⁇ advises on which such a computer program is loaded, is an example of a computer system that He-making at which also refers.
  • the Automatmaschinesge ⁇ räts standard computers, as they are common in office automation today, come into consideration.
  • the Computerpro ⁇ gram for implementing the method is usually on or in a computer program product, in particular SpeI chermedium, ie, for example, on a magnetic or optical disk or in a semiconductor memory, so z. B.
  • 6 shows a graphical representation of the determined Restle ⁇ lifetimes for five different signals
  • 7 shows a schematic representation of a second algorithm of the method
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a method 10 for determining a remaining service life 12 of a machine component according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the method 10 from a database 14, historical data from at least one wear test with a reference component matching the machine component are converted into a first Evaluation algorithm 16 loaded.
  • the data base 14 comprises ⁇ be vorzugt data from wear tests with a plurality of reference components.
  • the considered machine component is a chain 17, eg a roller chain. Chains are widely used in packaging machines such as hygiene article packaging machines as transport elements, as they represent a robust and economical machine component with their space-saving design, easy installation and low maintenance costs. In addition, these have an exact positioning and high rigidity, which, for example, in favor of a parallel operation.
  • chains in packaging machines are subject to high wear, so that a diagnosis and estimation of the remaining service life makes sense in order to avoid unexpected failures.
  • the choice of the chain used is adapted to the particular field of application, so that different types of chains have developed.
  • the most popular type of chain is the roller chain.
  • the advantages of chain drives include slip-free power transmission, constant transmission and insensitivity to external influences such as temperature, humidity and dirt.
  • chain drives make it possible to easily bridge larger center distances.
  • Disadvantages of chains are in particular the Polygonef ⁇ effect, which causes a fluctuating chain speed, and the susceptibility to vibration and maintenance.
  • the method 10 furthermore comprises a second evaluation algorithm. in which the data from the first evaluation algorithm 16 and characteristic values 20 determined from current sensor data are included online.
  • the first evaluation algorithm 16 will be described in more detail with reference to FIG. 3, the second evaluation algorithm 18 with reference to FIG.
  • FIG. 2 shows a known chain test bench 22, from which data is transmitted to a computer program 24, which comprises program code instructions 26 for implementing the method 10.
  • the computer program 24 is stored on a computer, e.g. an automation device 28 with a processing unit 30, executed.
  • the first evaluation algorithm 16 is shown in FIG. Therein, in a first step 32, for each signal, and calculates each of the three Refe rence ⁇ chain characteristics.
  • the signals come from ver ⁇ different sensors of a corresponding KettenprüfStands on which the reference chains have been tested, for example, the Kettenprüf- stand 22 shown in FIG 2.
  • the track tester 22 includes vibra ⁇ tion sensors 34, three sensors horizontal and three other sensors can measure vertical vibrations , In this case, horizontal and vertical vibration signals are measured in a rear area of the chain test bench 22 and at two positions (left and right) in a front area of the chain test bench 22.
  • the test rig 22 comprises chain wei ⁇ terhin a pressure sensor 36, position transmitter 38 which transmit a position of the clamping cylinder, and means for transmitting a torque and a clock signal.
  • a means for transmitting the torque and the clock signal for example, is a module, such as a converter 40 (for example, a device known under the name SINAMICS S120 modules), with which the signals can also be recorded.
  • the individual signals recorded on the chain test bench for the reference chains and the corresponding calculated characteristic value for the abovementioned exemplary embodiment are listed in Table 1. Description i Calculated characteristic i
  • FFT Fast Fourier Transform
  • PiB algorithm "power in band” -Algo- algorithm” evaluated.
  • the PiB algorithm sums the Ampli ⁇ amplitudes of all the frequencies in a predetermined frequency range and describes it as a characteristic value. This is explicitly emphasized by foreign body engagement, such as dirt, excited vibrations.
  • an evaluation for the an ⁇ drive signal (signal 1) was found to be not useful, because in the Fast Fourier Transform has been calculated to have a meshing frequency similar to that of the sprocket.
  • a second step 42 the characteristic values of the reference chains over time are graphically represented and there is vorzugt be ⁇ a selection of relevant signals and characteristics.
  • This selection takes into account, for example, that a trend can not be recognized in all characteristic curves or that certain characteristic curves do not produce any representative results due to special operating conditions of a chain. If a chain is repeatedly hit by, for example, intervals of several weeks time, resulting torque peaks so that the torque curve deviates greatly from a torque curve of a Ket ⁇ te, which is operated continuously. In this exporting ⁇ insurance for the characteristics have made of five signals detect a trend; these are the signals 2 and 3 (PiB evaluation), 8, 10 and 11 according to Table 1.
  • a third step 44 the time axis of the characteristic curves is scaled with a measure of the load to which the respective reference chain was exposed during its operation.
  • a life span for the first chain of 43 days, for the second chain of 57 Days and for the third chain of 35 days, a lifetime scaled to a load of 100 strokes equals 51.6 days for the first chain, 57 days for the second chain, and 49 days for the third chain.
  • a fourth step 46 an approximation of the scaled characteristic curves is performed by a mathematical function for the selected characteristic values.
  • the mathematical function used for the approximation is, for example, a quadratic polynomial.
  • FIGS. 4 and 5 show examples of characteristic curves and an approximation by a quadratic polynomial.
  • the time in days and on the ordinate a PiB tooth engagement frequency is plotted in a coordinate system on the abscissa. 4 shows the trend of
  • Oscillation signal as a reference characteristic curve 48, 50, gemes ⁇ sen front left in the vertical (signal 2) and horizontal (signal 3) direction, as well as approximated by a quadratic polynomial reference characteristic curve 52, 54 for each Refe ⁇ renzkennwertverlauf 48, 50 for the third chain ( so).
  • the chain bar was Betrie ⁇ ben at 140 bars and a pressure of. 5
  • the time in days and on the ordinate a torque in Nm are plotted in a coordinate system on the abscissa. 5 shows the trend of the torque (mean value ⁇ ) (signal 11) of the same chain as the reference characteristic value curve 56 and the correspondingly with a square polynomial appro ⁇ xim investigating reference characteristic value curve 58th
  • FIG. 6 the time in days is plotted in a coordinate system on the abscissa and the remaining life in days is plotted on the ordinate.
  • Figure 6 shows the signals for the above mentioned five he ⁇ mediated remaining lifetimes of 5 already considered in reference to Figures 4 and chain.
  • a corresponding time value is determined from the corresponding approximated reference characteristic curve 52, 54, 58. From the difference between the expected total lifetime and this time value, the remaining life 12 (FIG. 1) of the chain results.
  • the expected Bacle ⁇ service life of a machine component may be the overall life of the reference component of the reference characteristic curve of value was measured, or all in the United ⁇ schlbine trenchen used machine components averaged total lifetime, or even a specified by the manufacturer of the machine component overall life.
  • the coefficients of the quadrati ⁇ rule polynomials are averaged characteristic value specific of all chains.
  • a weighting factor can be included that expresses the relevance of the corresponding characteristic value. This results in wear patterns that are averaged over several chains.
  • the second evaluation algorithm 18 is shown in detail in FIG. 7 and comprises a first step 62, in which an associated time value from a corresponding approximated and optionally averaged reference characteristic curve 52, 54, 58 is determined for each current, selected parameter. The estimated remaining life for each selected characteristic value results from the difference between the expected total lifetime of the chain and the time value determined for each characteristic value.
  • a second step 64 of the second evaluation algorithm 18 the remaining lifetimes determined in the first step 62 of the second evaluation algorithm 18 are averaged. The averaged value then corresponds to a residual service life 12 determined by method 10 (FIG. 1) (FIG. 1).
  • FIG. 8 shows the time in days and on the ordinate the remaining life in days is plotted in a coordinate system on the abscissa.
  • FIG 8 shows the with the invention Method 10 (FIG 1) determined residual life 12 of a chain, wherein the remaining lifetimes of five selected signals (see above) were averaged.
  • FIG 8 shows a calculated remaining lifetime, wherein the approximated Referenzkennwert- extending 58 has been used for a torque as a sole reference parameter ⁇ extending for determining the remaining service life.
  • a residual service life curve 66 of the residual service life determined on the basis of the torque is similar to a residual life curve 68 for the reference chains, which is averaged over five signals, so that a determination of the residual service life 12 alone with characteristic values for a torque is also promising.
  • a reference characteristic curve 48, 50, 56 of at least one characteristic value is retrieved from at least one wear test of a reference component matching the machine component 17 from a database 14,
  • At least one current characteristic value 20 is called up by a sensor 34, 36, 38, 40,
  • the remaining life 12 results as the difference between an expected total service life of the machine component 17 and the determined time value.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (10) zum Ermitteln einer Restlebensdauer (12) einer Maschinenkomponente (17), wobei ein Referenzkennwertverlauf (48, 50, 56) mindestens eines Kennwerts aus mindestens einem Verschleißversuch einer zu der Maschinenkomponente (17) passenden Referenzkomponente aus einer Datenbasis (14) abgerufen wird, wobei eine Approximation des Referenzkennwertverlaufs (48, 50, 56) durch eine mathematische Funktion durchgeführt wird, wobei für die Maschinenkomponente (17) mindestens ein aktueller Kennwert (20) von einem Sensor (34, 36, 38, 40) abgerufen wird, wobei aus dem approximierten Kennwertverlauf (52, 54, 58) ein dem aktuellen Kennwert (20) zugehöriger Zeitwert ermittelt wird und wobei sich die Restlebensdauer (12) als Differenz aus einer erwarteten Gesamtlebensdauer der Maschinenkomponente (17) und dem ermittelten Zeitwert ergibt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer einer Maschinenkomponente und Computerprogramm zur Durchführung des Ver- fahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Restlebensdauer einer Maschinenkomponente gemäß dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 1. Sie bezieht sich weiter auf ein Compu- terprogramm zur Durchführung des Verfahrens.
An Maschinenkomponenten, z.B. Rollenketten, werden, insbesondere im Anwendungsfeld der Verpackungsmaschinen, hohe Anforde¬ rungen gestellt. Dies sind zum einen die sehr hohen Taktraten der Maschinen, die bei mehreren hundert Takten pro Minute lie¬ gen können und somit eine hohe Komponentengeschwindigkeit er¬ fordern. Zum anderen bestehen durch Hygiene- und Qualitätsvorgaben teilweise Einschränkungen bei der Wartung und Schmierung, die in erhöhten Laufgeräuschen und Verschleiß resultie- ren. Die Komponentenlebensdauer kann hierdurch deutlich unter Angabe des Herstellers liegen. Da der Austausch einer Kompo¬ nente eine Produktionsunterbrechung von mehreren Stunden verursacht, besteht seitens der Maschinenhersteller und Anwendern der Maschinen hohes Interesse den optimalen Zeitpunkt zum Aus- tausch zu prognostizieren.
Für eine Schätzung einer Restlebensdauer der Maschinenkomponenten werden im Allgemeinen aus dem Antrieb erfasste oder von externen Sensoren gelieferte Daten herangezogen.
Beispielsweise ist in "Pierburg, L . ; Nienhaus, K. : Bauteil¬ überwachung und Restlebensdauerbestimmung mittels Mikrosystem- technik am Beispiel von Förderketten, WISSENSPORTAL baumaschi- ne.de 4(2005)" ein mit mikromechanischen Sensoren ausgestatte- tes Kettenglied offenbart, mit dessen Hilfe laufend online, d.h. aus aktuellen Sensordaten, ein Lastintegral einer Förderkette ermittelt wird. Aus diesem wird dann auf der Grundlage der sogenannten Wöhler-Kennlinie eine Restlebensdauerschätzung abgeleitet. Ähnlich wird in der DE60210747T2 die Ausrüstung von Hubketten eines Gabelstaplers mit speziellen, mit Sensoren versehenen Kettengliedern beschrieben. Aus den Daten dieser Sensoren wird dann wie zuvor über ein Lastintegral eine Rest- lebensdauerschätzung abgeleitet. Die US200880004839A1 beschreibt ein Gerät, das über zerstörungsfreie Werkstoffprüfun¬ gen auf Basis einer Datenbank die Restlebensdauer von Konstruktionselementen ermittelt und dem Nutzer über Sprachausgabe mitteilen kann. Das in der US20030158803A1 beschriebene Verfahren zur Restlebensdauerschätzung bestimmter, dort als
Assets bezeichneter Komponenten beruht auf historischen, mittels Sensoren ermittelten Daten, aus denen ein Abnutzungsgrad errechnet wird. Dieser dient wiederum zur Ableitung einer Restlebensdauer der Assets.
Die Erfindung besteht darin, ein weiteres Verfahren anzugeben, dass zum Ermitteln der Restlebensdauer von Maschinenkomponenten eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An¬ spruchs 1 gelöst. Darin ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Restlebensdauer einer Maschinenkomponente angegeben, wobei ein Referenzkennwertverlauf mindestens eines Kennwerts aus mindes¬ tens einem Verschleißversuch einer zu der Maschinenkomponente passenden Referenzkomponente aus einer Datenbasis abgerufen wird, wobei eine Approximation des Referenzkennwertverlaufs durch eine mathematische Funktion durchgeführt wird, wobei für die Maschinenkomponente mindestens ein aktueller Kennwert von einem Sensor abgerufen wird, wobei aus dem approximierten Kennwertverlauf ein dem aktuellen Kennwert zugehöriger Zeit¬ wert ermittelt wird und wobei sich die Restlebensdauer als Differenz aus einer erwarteten Gesamtlebensdauer der Maschinenkomponente und dem ermittelten Zeitwert ergibt. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf Basis von
Daten einer Referenzkomponente, die bereits verschlissen ist, d.h. von historischen Daten, und Echtzeitdaten die Restlebensdauer einer Maschinenkomponente besser vorhergesagt werden kann, so dass ein Austausch der Maschinenkomponente mit der Produktionsplanung abgestimmt werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbstän¬ digen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Wenn aus mindestens zwei Verschleißversuchen historische Kenn¬ werte aus der Datenbasis abgerufen werden, wird bei unter¬ schiedlichen Gesamtlebensdauern der jeweiligen Referenzkomponenten die Zeitachse der Kennwertverläufe vor der Approximati- on mit einem Maß für eine Belastung, der die jeweilige Refe¬ renzkomponente während ihres Betriebs ausgesetzt war, ska¬ liert. Auf diese Weise können unterschiedliche Belastungen der Maschinenkomponenten aus den Verschleißversuchen, wie z.B. eine Taktrate oder bei Ketten ein Druck am Spannzylinder, be- rücksichtigt werden.
Bevorzugt wird der oder jeder Kennwertverlauf mit einem quad¬ ratischen Polynom approximiert. Dadurch können relativ stark streuende Kennwerte geglättet werden, so dass ein Trend des Kennwertverlaufs besser erkannt werden kann.
Wenn Daten aus mindestens zwei Verschleißversuchen abgerufen werden, können die jeweiligen Koeffizienten der quadratischen Polynome bevorzugt für jeden Kennwert gemittelt werden. Die Kennwertverläufe können aufgrund unterschiedlicher Betriebsbe¬ dingungen möglicherweise sehr unterschiedlich verlaufen, so dass durch die Mittelung der Koeffizienten stärkere Abweichungen geglättet werden können. Bevorzugt können die Kennwerte vor der Mittelung zudem nach Relevanz gewichtet werden. Dabei können beispielsweise Kennwerte, deren Verläufe keinen deutli¬ chen Trend erkennen lassen, niedriger gewichtet werden. Bevorzugt wird eine für mindestens einen ersten und einen zweiten aktuellen Kennwert ermittelte Restlebensdauer gemit- telt. Bei verschiedenen betrachteten Kennwerten der Referenzkomponente, z.B. einem ersten aus einem Drehmoment und einem zweiten aus einem Schwingungssignal ermittelten Kennwert, er- geben sich unterschiedliche (approximierte) Kennwertverläufe und daraus auch unterschiedliche Restlebensdauern für die Ma¬ schinenkomponente, wenn sie für jeden Kennwert separat ermit¬ telt wird. Durch Bildung eines Mittelwerts dieser Restlebens¬ dauern erhöht sich die Zuverlässigkeit der Restlebensdauerer- mittlung.
Bei einer Verfügbarkeit von mehreren verschiedenen Referenzkennwertverläufen, also bei einer entsprechenden sensorischen Ausstattung einer Maschine, die die Maschinenkomponente um- fasst, ist eine Auswahl der zum Ermitteln der Restlebensdauer verwendbaren Kennwerte möglich. Speziell kommen dafür solche Kennwerte in Betracht, die bei der Mehrzahl der Verschleißversuche einen Trend im Kennwertverlauf oder im analytisch ange- passten Kennwertverlauf erkennen lassen. Auf diese Weise kön- nen Kennwerte, die empfindlicher auf bestimmte Betriebsbedingungen reagieren und somit zu einem verfälschten Ergebnis des Verfahrens führen könnten, bei den entsprechenden Verschleißversuchen aus dem Verfahren genommen werden. Bevorzugt kann ein Referenzkennwertverlauf mit Kennwerten für ein Drehmoment als alleiniger Referenzkennwertverlauf verwen¬ det werden. Dies hat den Vorteil, dass unter entsprechend günstigen Betriebsbedingungen der Maschinenkomponente auf aufwendigere Auswertungen einer Vielzahl von Kennwerten verzich- tet werden kann.
Das beschriebene Verfahren mit seinen Ausgestaltungen ist bevorzugt in Software implementiert. Entsprechend betrifft die Erfindung auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens wie hier und nachfolgend beschrieben, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, also z.B. einem Automatisierungsgerät mit einer Verarbeitungseinheit nach Art eine Prozessors oder dergleichen, ausgeführt wird. Ein Automati¬ sierungsgerät, insbesondere ein Industrieautomatisierungsge¬ rät, auf dem ein derartiges Computerprogramm geladen ist, is ein Beispiel für ein Computersystem, auf welches sich die Er findung ebenfalls bezieht. Anstelle des Automatisierungsge¬ räts kommen auch Standardcomputer, wie sie heute bei der Büroautomatisierung üblich sind, in Betracht. Das Computerpro¬ gramm zur Implementierung des Verfahrens wird üblicherweise auf oder in einem Computerprogrammprodukt, insbesondere Spei chermedium, also z.B. auf einem magnetischen oder optischen Datenträger oder in einem Halbleiterspeicher, also z. B.
flüchtigen oder nicht flüchtigen Speicherbausteinen, vorgehalten, so dass die Erfindung insoweit auch ein Computerprogrammprodukt mit einem durch einen Computer ausführbaren Computerprogramm zur Implementierung des Verfahrens betrifft
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen. Es zeigen
FIG 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Ermitteln einer Restlebensdauer einer Maschinenkomponente ;
FIG 2 einen Kettenprüfstand und einen daran angeschlossenen
Computer zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ;
FIG 3 eine schematische Darstellung eines ersten Auswerteal¬ gorithmus des Verfahrens;
FIG 4 zwei Schwingungssignalverläufe einer Maschinenkompo- nente aus einem Verschleißversuch sowie eine analyti¬ sche Anpassung der Schwingungssignalverläufe;
FIG 5 einen Drehmomentverlauf einer Maschinenkomponente aus einem Verschleißverlauf sowie eine analytische Anpas- sung des Drehmomentverlaufs;
FIG 6 eine graphische Darstellung der ermittelten Restle¬ bensdauern für fünf verschiedene Signale; FIG 7 eine schematische Darstellung eines zweiten Algorithmus des Verfahrens; und eine graphische Darstellung der ermittelten Restlebensdauer, gemittelt aus fünf Restlebensdauern gemäß FIG 6 sowie allein auf Basis des Drehmoments als Kenn wert ermittelt.
FIG 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Ermitteln einer Restlebensdauer 12 einer Maschinenkomponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Verfahren 10 werden aus einer Datenbasis 14 historische Daten aus mindestens einem Verschleißversuch mit einer zu der Maschinenkomponente passenden Referenzkomponente in einen ersten Auswertealgorithmus 16 geladen. Die Datenbasis 14 umfasst be¬ vorzugt Daten aus Verschleißversuchen mit mehreren Referenzkomponenten. Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der betrachteten Maschinenkomponente um eine Kette 17, z.B. eine Rollenkette. Ketten werden in Verpackungsmaschinen wie z.B. Hygieneartikel-Verpackungsmaschinen vielfach als Transportelemente eingebaut, da diese mit ihrer raumsparenden Bauweise, einfachen Montage sowie geringen Wartungskosten eine robuste und wirtschaftliche Maschinenkomponente darstellen. Zudem verfügen diese über eine exakte Positionierbarkeit und hohe Steifigkeit, was sich z.B. zugunsten eines Parallellaufs auswirkt. Trotz dieser prinzipiell guten Eigenschaften sind Ketten in Verpackungsmaschinen einem hohen Verschleiß ausgesetzt, so dass eine Diagnose und Abschätzung der Restlebens- dauer sinnvoll ist, um unerwartete Ausfälle zu vermeiden. Ket¬ tentriebe übernehmen heutzutage in Produktionsmaschinen vielfältige Aufgaben. Dabei wird die Wahl der verwendeten Kette dem jeweiligen Anwendungsbereich angepasst, so dass sich verschiedene Bauformen von Ketten entwickelt haben. Der meistge- nutzte Kettentyp ist dabei die Rollenkette. Die Vorteile von Kettentrieben liegen u.a. in der schlupffreien Leistungsübertragung, der konstanten Übersetzung und der Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Schmutz. Im Gegensatz zu anderen Getriebearten ist es mit Kettengetrieben möglich, größere Achsabstände einfach zu überbrücken. Nachteile von Ketten sind insbesondere der Polygonef¬ fekt, der eine schwankende Kettengeschwindigkeit verursacht, sowie die Schwingungsanfälligkeit und der Wartungsaufwand. Im hier erläuterten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass für drei verschiedene Ketten als Referenzkomponenten historische Daten aus Verschleißversuchen vorliegen. Bei diesen Ketten wurde ein Endverschleißzustand erreicht, d.h. die Ketten können nicht mehr betrieben werden. Die Daten dieser drei Referenzketten werden in dem Verfahren 10 zum Ermitteln der Restlebensdauer einer Kette in dem ersten Auswertealgorithmus 16 für jede Maschine einmal offline ausgewertet. Das Verfahren 10 umfasst weiterhin einen zweiten Auswertealgorith- mus 18, in den die Daten aus dem ersten Auswertealgorithmus 16 und aus aktuellen Sensordaten ermittelte Kennwerte 20 online einfließen. Der erste Auswertealgorithmus 16 wird in Bezug auf FIG 3, der zweite Auswertealgorithmus 18 in Bezug auf FIG 7 detaillierter beschrieben.
In FIG 2 ist ein bekannter Kettenprüfstand 22 gezeigt, von welchem Daten an ein Computerprogramm 24 übermittelt werden, welches Programmcodeanweisungen 26 zur Implementierung des Verfahrens 10 umfasst. Das Computerprogramm 24 wird auf einem Computer, also z.B. einem Automatisierungsgerät 28 mit einer Verarbeitungseinheit 30, ausgeführt.
Der erste Auswertealgorithmus 16 gemäß einem Ausführungsbei- spiel der Erfindung ist in FIG 3 gezeigt. Darin werden in einem ersten Schritt 32 für jedes Signal und jede der drei Refe¬ renzketten Kennwerte berechnet. Die Signale stammen von ver¬ schiedenen Sensoren eines entsprechenden KettenprüfStands , an dem die Referenzketten geprüft wurden, z.B. dem Kettenprüf- stand 22 gemäß FIG 2. Der Kettenprüfstand 22 umfasst Schwin¬ gungssensoren 34, wobei drei Sensoren horizontale und drei weitere Sensoren vertikale Schwingungen messen können. Dabei werden jeweils horizontale und vertikale Schwingungssignale in einem hinteren Bereich des KettenprüfStands 22 und an zwei Po- sitionen (links und rechts) in einem vorderen Bereich des KettenprüfStands 22 gemessen. Der Kettenprüfstand 22 umfasst wei¬ terhin einen Drucksensor 36, Positionstransmitter 38, welche eine Position der Spannzylinder übertragen, sowie Mittel zum Übertragen eines Drehmoments und eines Taktsignals. Als Mittel zum Übertragen des Drehmoments und des Taktsignals eignet sich z.B. eine Baugruppe, wie z.B. ein Umrichter 40 (zum Beispiel ein Gerät der unter der Bezeichnung SINAMICS S120 bekannten Baugruppen) , mit dem die Signale außerdem aufgezeichnet werden können. Die einzelnen, am Kettenprüfstand für die Referenzket- ten aufgezeichneten Signale und der dazugehörige berechnete Kennwert für das o.g. Ausführungsbeispiel sind in Tabelle 1 aufgeführt . Beschreibung i Berechneter Kennwert i
i FFT, keine weitere i i Signal 1 Antriebssignal (8 kHz)
i Auswertung i
Schwingungssignal vorne ii FFT -> Zahneingriffs-i
: Signal 2 j
links vertikal i frequenz (Peak, PiB1)!
Schwingungssignal vorne ii FFT -> Zahneingriffs-i i Signal 3
links horizontal i frequenz (Peak, PiB1)!
Schwingungssignal vorne ii FFT -> Zahneingriffs-i
Signal 4
rechts vertikal ü frequenz (Peak, PiB1)!
Schwingungssignal vorne ii FFT -> Zahneingriffs-i i Signal 5
rechts horizontal ii frequenz (Peak, PiB1):
Schwingungssignal hinten FFT -> Zahneingriffs-i i Signal 6 j
links vertikal ii frequenz (Peak, PiB1);
Schwingungssignal hinteni FFT -> Zahneingriffs-i
Signal 7
links horizontal i frequenz (Peak, PiB1)!
Position Spannzylinder
Signal 8 ii MAX-MIN i
links
Position Spannzylinder
i Signal 9 ii MAX-MIN i
rechts i Signal IO! Druck am Spannzylinder ii MAX-MIN i
Signal 11 Drehmoment (1 kHz) ii Mittelwert i
PiB="Power in Band
Tabelle 1 Die Kennwerte zu den Signalen 1 bis 7 wurden mithilfe der
Fast-Fourier-Transformation (FFT) berechnet und für die Signale 2 bis 7 mit einem PiB-Algorithmus („Power in Band"-Algo- rithmus) ausgewertet. Der PiB-Algorithmus summiert die Ampli¬ tuden aller Frequenzen in einen festgelegten Frequenzbereich auf und beschreibt sie als Kennwert. Hierdurch werden explizit die zusätzlich durch Fremdkörpereingriff, wie z.B. Verschmutzungen, angeregten Schwingungen hervorgehoben. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde eine Auswertung für das An¬ triebssignal (Signal 1) als nicht sinnvoll befunden, da bei der Fast-Fourier-Transformation eine Zahneingriffsfrequenz ähnlich der des Kettenrads berechnet wurde. Daher ist eine PiB (Power in Band" ) -Auswertung aufgrund einer Überlagerung durch Seitenbänder beider Frequenzen nicht sinnvoll möglich. Außer- dem wurde bei einer Peakauswertung kein Trend ermittelt. Für die Signale 2 bis 7 wurden die Zahneingriffsfrequenzen nach PiB und Peaks ausgewertet. Die Signale 8 bis 10 wurden nach Maximal- und Minimalwerten ausgewertet. Von Signal 11 (Drehmo¬ ment) wurde ein Mittelwert gebildet.
In einem zweiten Schritt 42 werden die Kennwerte der Referenzketten über der Zeit graphisch dargestellt, und es erfolgt be¬ vorzugt eine Auswahl relevanter Signale und Kennwerte. Bei dieser Auswahl wird z.B. berücksichtigt, dass nicht bei allen Kennwertverläufen ein Trend zu erkennen ist oder dass bestimmte Kennwertverläufe aufgrund spezieller Betriebsbedingungen einer Kette keine repräsentativen Ergebnisse liefern. Wenn eine Kette z.B. mehrmals nach Pausen von mehreren Wochen wieder angefahren wird, ergeben sich Drehmomentspitzen, so dass der Drehmomentverlauf stark von einem Drehmomentverlauf einer Ket¬ te abweicht, die durchgehend betrieben wird. In diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel haben die Kennwerte von fünf Signalen einen Trend erkennen lassen; dies sind die Signale 2 und 3 (PiB- Auswertung) , 8, 10 und 11 gemäß Tabelle 1.
Wenn sich bei den Verschleißversuchen unterschiedliche Lebensdauern für die Referenzkomponenten ergeben, wobei diese mit unterschiedlichen Belastungen, wie z.B. unterschiedlichen Taktraten oder unterschiedlichem Druck am Spannzylinder, be- trieben worden sind, ist es sinnvoll, die Lebensdauern der einzelnen Referenzkomponenten zu normieren. Dazu wird in einem dritten Schritt 44 die Zeitachse der Kennwertverläufe mit ei¬ nem Maß für die Belastung, der die jeweilige Referenzkette während ihres Betriebes ausgesetzt war, skaliert. Wenn bei- spielsweise eine erste Kette mit 120 Takten, eine zweite Kette mit 100 Takten und eine dritte Kette mit 140 Takten betrieben wurde, und sich bei den Verschleißversuchen eine Lebensdauer für die erste Kette von 43 Tagen, für die zweite Kette von 57 Tagen und für die dritte Kette von 35 Tagen ergibt, entspricht eine auf eine Belastung von 100 Takten skalierte Lebensdauer 51,6 Tage für die erste Kette, 57 Tage für die zweite Kette und 49 Tage für die dritte Kette.
In einem vierten Schritt 46 wird eine Approximation der skalierten Kennwertverläufe durch eine mathematische Funktion für die ausgewählten Kennwerte durchgeführt. Die zur Approximation verwendete mathematische Funktion ist zum Beispiel ein quadra- tisches Polynom.
Der vierte Schritt 46 kann gegebenenfalls auch vor dem dritten Schritt 44 durchgeführt werden. In den Figuren FIG 4 und FIG 5 sind Beispiele für Kennwertverläufe und eine Approximation durch ein quadratisches Polynom dargestellt. In FIG 4 ist in einem Koordinatensystem auf der Abszisse die Zeit in Tagen und auf der Ordinate eine PiB Zahn¬ eingriffsfrequenz aufgetragen. FIG 4 zeigt den Trend des
Schwingungssignals als Referenzkennwertverlauf 48, 50, gemes¬ sen vorne links in vertikaler (Signal 2) und horizontaler (Signal 3) Richtung, sowie ein durch ein quadratisches Polynom approximierter Referenzkennwertverlauf 52, 54 für jeden Refe¬ renzkennwertverlauf 48, 50 für die dritte Kette (s.o.) . Die Kette wurde bei 140 Takten und einem Druck von 5 bar betrie¬ ben. In FIG 5 ist in einem Koordinatensystem auf der Abszisse die Zeit in Tagen und auf der Ordinate ein Drehmoment in Nm aufgetragen. FIG 5 zeigt den Trend des Drehmoments (Mittel¬ wert) (Signal 11) derselben Kette als Referenzkennwertverlauf 56 und den entsprechend mit einem quadratischen Polynom appro¬ ximierten Referenzkennwertverlauf 58.
In FIG 6 ist in einem Koordinatensystem auf der Abszisse die Zeit in Tagen und auf der Ordinate die Restlebensdauer in Ta- gen aufgetragen. FIG 6 zeigt die für die o.g. fünf Signale er¬ mittelten Restlebensdauern der bereits in Bezug auf FIG 4 und FIG 5 betrachteten Kette. Für die Ermittlung der Restlebensdauer 12 (FIG 1) wird für jeden von einem Sensor 34, 36, 38, 40 abgerufenen aktuellen Kennwert ein zugehöriger Zeitwert aus dem entsprechenden approximierten Referenzkennwertverlauf 52, 54, 58 ermittelt. Aus der Differenz der erwarteten Gesamtlebensdauer und dieses Zeitwerts ergibt sich die Restlebensdauer 12 (FIG 1) der Kette. Allgemein kann die erwartete Gesamtle¬ bensdauer einer Maschinenkomponente z.B. die Gesamtlebensdauer der Referenzkomponente sein, aus deren Referenzkennwertverlauf der Zeitwert ermittelt wurde, oder eine über alle in den Ver¬ schleißversuchen verwendeten Maschinenkomponenten gemittelte Gesamtlebensdauer, oder auch eine vom Hersteller der Maschinenkomponente angegebene Gesamtlebensdauer.
Um die Streuung der Restlebensdauerwerte der einzelnen Signale zu reduzieren, werden in einem fünften Schritt 60 des ersten Auswertealgorithmus 16 (FIG 3) die Koeffizienten der quadrati¬ schen Polynome (angepassten Kennwertverläufe 52, 54, 58) über alle Ketten kennwertspezifisch gemittelt. Dabei kann zusätzlich ein Gewichtungsfaktor miteingerechnet werden, der die Relevanz des entsprechenden Kennwerts ausdrückt. Daraus ergeben sich über mehrere Ketten gemittelte Verschleißverläufe.
Der zweite Auswertealgorithmus 18 ist detailliert in FIG 7 dargestellt und umfasst einen ersten Schritt 62, in dem für jeden aktuellen, ausgewählten Kennwert ein zugehöriger Zeit- wert aus einem entsprechenden approximierten und gegebenenfalls gemittelten Referenzkennwertverlauf 52, 54, 58 ermittelt wird. Die geschätzte Restlebensdauer für jeden ausgewählten Kennwert ergibt sich aus der Differenz der erwarteten Gesamtlebensdauer der Kette und dem jeweils für jeden Kennwert er- mittelten Zeitwert. In einem zweiten Schritt 64 des zweiten Auswertealgorithmus 18 werden die im ersten Schritt 62 des zweiten Auswertealgorithmus 18 ermittelten Restlebensdauern gemittelt. Der gemittelte Wert entspricht dann einer mit dem Verfahren 10 (FIG 1) ermittelten Restlebensdauer 12 (FIG 1) .
In FIG 8 ist in einem Koordinatensystem auf der Abszisse die Zeit in Tagen und auf der Ordinate die Restlebensdauer in Tagen aufgetragen. FIG 8 zeigt die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 10 (FIG 1) ermittelte Restlebensdauer 12 einer Kette, wobei die Restlebensdauern von fünf ausgewählten Signalen (s.o.) gemittelt wurden. Außerdem zeigt FIG 8 eine ermittelte Restlebensdauer, bei der der approximierte Referenzkennwert- verlauf 58 für ein Drehmoment als alleiniger Referenzkennwert¬ verlauf zur Ermittlung der Restlebensdauer herangezogen wurde. Ein Restlebensdauerverlauf 66 der auf Basis des Drehmoments ermittelten Restlebensdauer ähnelt einem über fünf Signale ge- mittelten Restlebensdauerverlauf 68 für die Referenzketten, so dass auch eine Ermittlung der Restlebensdauer 12 allein mit Kennwerten für ein Drehmoment aussichtsreich ist.
Anwendungen des Verfahrens haben außerdem gezeigt, dass keine schnelle Abtastung des Drehmoments für die Restlebensdauerer- mittlung notwendig ist, jedoch auf der Basis hochabgetasteter Antriebssignale aus dem (SINAMICS-) Umrichter 40 (Drehmoment, Drehzahl) eine Getriebeüberwachung denkbar wäre.
Das vorangehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Ver- wendung von Ketten beschriebene Verfahren lässt sich auch auf andere Maschinenkomponenten, z.B. Kugelgewindetriebe, anwenden .
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereich- ten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Es wird ein Verfahren 10 zum Ermitteln einer Restlebensdauer 12 einer Maschinenkomponente 17 angegeben,
- wobei ein Referenzkennwertverlauf 48, 50, 56 mindestens ei¬ nes Kennwerts aus mindestens einem Verschleißversuch einer zu der Maschinenkomponente 17 passenden Referenzkomponente aus einer Datenbasis 14 abgerufen wird,
- wobei eine Approximation des Referenzkennwertverlaufs 48, 50, 56 durch eine mathematische Funktion durchgeführt wird,
- wobei für die Maschinenkomponente 17 mindestens ein aktuel- 1er Kennwert 20 von einem Sensor 34, 36, 38, 40 abgerufen wird,
- wobei aus dem approximierten Kennwertverlauf 52, 54, 58 ein dem aktuellen Kennwert 20 zugehöriger Zeitwert ermittelt wird und
wobei sich die Restlebensdauer 12 als Differenz aus einer erwarteten Gesamtlebensdauer der Maschinenkomponente 17 und dem ermittelten Zeitwert ergibt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (10) zum Ermitteln einer Restlebensdauer (12) einer Maschinenkomponente (17),
wobei ein Referenzkennwertverlauf (48, 50, 56) mindestens ei¬ nes Kennwerts aus mindestens einem Verschleißversuch einer zu der Maschinenkomponente (17) passenden Referenzkomponente aus einer Datenbasis (14) abgerufen wird,
wobei eine Approximation des Referenzkennwertverlaufs (48, 50, 56) durch eine mathematische Funktion durchgeführt wird, wobei für die Maschinenkomponente (17) mindestens ein aktuel¬ ler Kennwert (20) von einem Sensor (34, 36, 38, 40) abgerufen wird,
wobei aus dem approximierten Kennwertverlauf (52, 54, 58) ein dem aktuellen Kennwert (20) zugehöriger Zeitwert ermittelt wird und
wobei sich die Restlebensdauer (12) als Differenz aus einer erwarteten Gesamtlebensdauer der Maschinenkomponente (17) und dem ermittelten Zeitwert ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn aus mindestens zwei Verschleißversuchen historische Kennwerte aus der Datenbasis (14) abgerufen werden, bei unterschiedlichen Gesamtlebensdauern der jeweiligen Referenzkomponenten die Zeitachse der Kenn- wertverläufe (48, 50, 56) vor der Approximation mit einem Maß für eine Belastung, der die jeweilige Referenzkomponenten während ihres Betriebs ausgesetzt war, skaliert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der oder jeder Kennwert- verlauf (48, 50, 56) mit einem quadratischen Polynom approxi¬ miert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn Daten aus mindestens zwei Verschleißversuchen abgerufen werden, die jeweiligen Ko- effizienten der quadratischen Polynome für jeden Kennwert ge- mittelt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Kennwerte vor der Mit telung nach Relevanz gewichtet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine für mindestens einen ersten und einen zweiten aktuellen Kennwert (20) ermittelte Restlebensdauer (12) gemittelt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei Verfügbarkeit von mehreren verschiedenen Referenzkennwert verlaufen (48, 50, 56) eine Auswahl der zum Ermitteln der Restlebensdauer (12) verwendbaren Kennwerte durchgeführt wird
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Referenzkennwertverlauf (56) mit Kennwerten für ein Drehmoment als alleiniger Referenzkennwertverlauf (48, 50, 56) verwendet wird.
9. Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Pro grammcodeanweisungen zur Implementierung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Computerprogramm auf ei nem Computer ausgeführt wird.
10. Computerprogrammprodukt, insbesondere Speichermedium, mit einem durch einen Computer ausführbaren Computerprogramm gemäß Anspruch 9.
11. Computersystem auf dem ein Computerprogramm nach Anspruch 9 geladen ist.
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