Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fehlererkennung in einer Maschine gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Fehlererken- nung in einer Maschine gemäß Oberbegriff Patentanspruch 15.

Zur vorausschauenden Wartung und Instandhaltung einer Maschine ist es bekannt, zur frühzeitigen Erkennung und Lokalisierung von Fehlern mechanische Schwingungen zu erfassen und diese auszuwerten. Dabei werden an definierten Stellen der Maschine Schwingungssensoren angebracht, die zur Erfassung der mechanischen Schwingungen ausgebildet sind. Durch diese Schwingungssensoren können auftretende Schwingungen erkannt werden, die Rückschlüsse auf Fehler an der Maschine bzw. auf durchzuführende Wartungen an derselben zulassen. Das Anbringen von Schwingungssensoren an der Maschine ist zum einen störungsanfällig, da die Schwingungssensoren leicht beschädigt werden können. Darüber hinaus bedeutet das Anbringen von Schwingungssensoren einen zusätzlichen Aufwand und ist damit teuer.

Weiterhin ist es bei elektrisch angetriebenen Vorrichtungen bekannt, Fehler dadurch zu erkennen, dass elektrische Messgrößen, insbesondere die elektrische Leistungsaufnahme charakterisierende Messgrößen, beispielsweise der von einer elektrischen Antriebseinheit aufgenommene elektrische Strom einen vorgesehenen Grenzwert überschreiten. Das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren beruht auf der Tatsache, dass bei Elektromotoren die Stromstärke des durch den Elektromotor fließenden elektrischen Stroms von der mechanischen Belastung des Elektromotors abhängt. So führt eine steigende mechanische Belastung des Elektromotors zu einem Anstieg der Stromstärke und -in umgekehrter Weise- eine sinkende mechanische Belastung zu einem Abfallen der Stromstärke. Somit zieht eine Veränderung der mechanischen Belastung eines Elektromotors eine Veränderung der Stromaufnahme dieses Motors nach sich.

Durch das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Erkennung von Fehlern wird der Betrag der Stromstärke dahingehend überprüft, ob die Stromstärke einen definierten Schwellenwert übersteigt. Bei Übersteigen wird beispielsweise ein Fehlererkennungssignal an einer Überwachungseinrichtung ausgegeben. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass Fehler an der Maschine zwar vor einem kompletten Maschinenstillstand erkennbar sind und damit eine ungeplante Produktionsunterbrechung möglicherweise vermeidbar ist, jedoch in der Regel an der Ma- schine bereits erhebliche mechanische Schäden entstanden sind, welche durch aufwändige und kostenintensive Reparaturen zu beheben sind.

Die Druckschrift US 2012/0126738 A1 offenbart ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Maschine unter Verwendung eines Positionssensors. Der Posi- tionssensor kann dabei ein Drehwinkelsensor sein. Die von diesem Drehwinkelsensor abgegebenen Signale werden dabei im Zeit- oder Frequenzbereich analysiert und im Hinblick auf Auffälligkeiten untersucht.

Ferner offenbart die Druckschrift US 2009/0309531 A1 ein Verfahren zur Fehlerer- kennung eines Servomotors.

Zuletzt offenbart die Druckschrift US 5,789,667 A eine Vorrichtung zum Testen eines Elektromotors. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern in einer Maschine anzugeben, mittels dem auftretende Schäden bereits frühzeitig erkannt werden können und dabei eine geplante Maschinenwartung bereits vor dem Auftreten von komplexen mechanischen Schäden durchgeführt werden kann. Die Erfindung wird ausgehend vom Oberbegriff des unabhängigen Pa- tentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Eine Vorrichtung zum Erkennen von Fehlern in Maschinen ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 15.

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in einer Maschine, wobei die Maschine zumindest eine elektrische, einen Rotor aufweisende Antriebseinheit zum Antrieb einer Baugruppe der Maschine aufweist. Der Antriebseinheit ist dabei ein Drehwinkelsensor zugeordnet, der zur Abgabe eines Messsignals bei Drehung des Rotors ausgebildet ist. Zur Fehlererkennung wird das vom Drehwinkelsensor abgegebene oder ein davon abgeleitetes Messsignal analysiert und hinsichtlich auf Fehler hinweisenden Auffälligkeiten ausgewertet. Diese Auswertung kann automatisiert durch eine Analyseeinheit oder durch Wartungspersonal erfolgen. Das Messsignal kann beispielsweise das direkt vom Drehwinkelsensor abgegebene Messsignal sein oder ein durch eine Verarbeitung des Signals, insbe- sondere durch eine Anwendung einer mathematischen Funktion oder eines mathematischen Algorithmus erhaltenes Messsignal. Das Verfahren ist vorteilhaft, da durch die Analyse des vom Drehwinkelsensor abgegebenen Signals Veränderungen der Belastung der Antriebseinheit erkannt werden können, und zwar ohne eine zusätzliche, an der Maschine vorgesehene Sensorik. Bevorzugt ist die Antriebsein- heit ein Servomotor, der inhärenter Weise einen Drehwinkelsensor aufweist, dessen Signale im Servoregler zur gesteuerten Drehung des Rotors herangezogen werden.

In einem Ausführungsbeispiel wird das Messsignal durch Ableiten, d.h. durch Bildung des Differentialquotienten des vom Drehwinkelsensor abgegebenen Signals erhalten. Für den Fall, dass das Messsignal ein Winkelpositionssignal ist, d.h. der Wert des Messsignals direkt proportional zur Winkelstellung des Rotors ist, kann durch Ableiten die Winkelgeschwindigkeit des Rotors erhalten werden. Im Falle einer konstanten Drehgeschwindigkeit des Rotors ist das Messsignal ein sägezahn- förmiges oder im Wesentlichen sägezahnförmiges Signal. Durch das Ableiten wird dann ein Gleichsignal erhalten, das sich im Folgenden leichter verarbeiten lässt. Insbesondere wird die spektrale Auswertung des Messsignals wesentlich erleichtert.

Das Messsignal kann im Zeitbereich und/oder im Frequenzbereich analysiert werden. Das Auswerten im Zeitbereich ist vorteilhaft, da das vom Drehwinkelsensor abgegebene Signal direkt analysiert werden kann und keine Transformation in den Frequenzbereich zu erfolgen hat. Die Analyse im Frequenzbereich hat den Vorteil, dass sich periodisch auftretende Schwankungen der Drehgeschwindigkeit des Rotors durch spektrale Überhöhungen an einer gewissen Frequenz äußern und damit leichter erkennbar sind.

Vorteilhaft wird das Messsignal im Zeitbereich oder im Frequenzbereich mit einem Referenzmesssignal verglichen und bei Abweichen des Messsignals vom Referenzmesssignal um eine Toleranzschwelle ein Fehlererkennungssignal erzeugt. Das Referenzmesssignal bildet beispielsweise eine Vergleichsgröße, mit dem das aktu- eil ermittelte Messsignal verglichen wird, um festzustellen, ob Auffälligkeiten, die auf einen Fehler hinweisen, vorliegen oder nicht. Die Toleranzschwelle bildet dabei ein Kriterium, mittels dem es möglich ist, festzustellen, ob eine Abweichung vorliegt, die als Fehler bewertet wird (Überschreiten der Toleranzschwelle) oder noch toleriert wird.

Bevorzugt umfasst die Maschine eine Vielzahl von Antriebseinheiten, wobei die von den Drehwinkelsensoren dieser Antriebseinheiten abgegebenen oder davon abgeleiteten Messsignale analysiert und hinsichtlich auf Fehler hinweisenden Auffällig- keiten ausgewertet werden. Damit wird sichergestellt, dass mehrere Antriebseinheiten gleichzeitig hinsichtlich eines fehlerhaften Verhaltens überwacht werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Messsignale jeweils mit einem ihnen zugeordneten Referenzmesssignal verglichen, wobei bei Abweichen zumindest eines Messsignals von dem ihm zugeordneten Referenzmesssignal um eine Toleranzschwelle ein Fehlererkennungssignal und/oder ein die jeweilige Antriebseinheit charakterisierendes Lokalisierungssignal erzeugt wird. In Abhängigkeit von der Antriebseinheit, an der ein auffälliges bzw. atypische Messsignal erkannt wurde, kann eine Groblokalisierung des aufgetretenen Fehlers, d.h. eine örtliche Eingrenzung des Fehlers an der Maschine vorgenommen werden.

Bevorzugt wird das Messsignal kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen analysiert. Damit kann fortlaufend oder nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls das Messsignal oder ein davon abgeleitetes Messsignal mit dem Referenzmesssig- nal verglichen und ein möglicherweise auftretender Fehler erkannt werden. Ferner kann das aktuell ermittelte Messsignal gleichzeitig mit mehreren in der Vergangenheit ermittelten, insbesondere zu unterschiedlichen Zeitpunkten in der Vergangenheit ermittelten Referenzmesssignalen verglichen werden, d.h. die zeitliche Veränderung des Messsignals wird basierend auf mehreren in der Vergangenheit zu un- terschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Referenzmesssignalen ermittelt. Dadurch kann das Fortschreiten eines auftretenden Fehlers analysiert und das Fehlererkennungssignal abhängig vom Fortschreiten des Fehlers erzeugt werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Referenzmesssignal ein im Neuzustand der Maschine aufgenommenes Referenzmesssignal ist. Alternativ ist das Referenzmesssignal ein Signal, das nach Verstreichen einer Betriebsdauer nach der Inbetriebnahme der Maschine, beispielsweise auch nach einer Maschinenwartung aufgezeichnet wurde. Wie zuvor bereits ausgeführt, kann auch ein Vergleich mit mehreren zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgezeichneten Referenzmesssignalen erfolgen. Die Referenzmesssignale können dabei in einer Speichereinheit abgelegt sein, auf die ein Analysemodul zugreifen kann. Alternativ kann die Speichereinheit auch in das Analysemodul integriert sein.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Amplitudenwerte von spektralen Anteilen des Messsignals mit diesen spektralen Anteilen zugeordneten Schwellwerten verglichen und bei Überschreiten zumindest eines Schwellwerts durch den diesem Schwellwert zugeordneten Amplitudenwert wird das Fehlererkennungssignal er- zeugt. Beispielsweise kann eine Schwelle festgelegt sein, wobei erst bei Überschreiten dieser Schwelle ein Fehlererkennungssignal erzeugt wird. Diese Schwelle kann zeit- bzw. frequenzabhängig sein, d.h. für verschiedene Zeitpunkte/Frequenzen unterschiedliche Schwellwerte definieren. Die Schwelle kann insbesondere als Schwelle relativ zum Referenzfrequenzspektrum definiert sein, so dass erst bei Ansteigen eines spektralen Anteils um einen gewissen Prozentsatz ein Fehlererkennungssignal erzeugt wird. Damit kann einem Referenzfrequenzspektrum, das mehrere Spitzen bzw. Peaks im Spektrum aufweist, eine Schwell wertkurve zugeordnet sein, die frequenzabhängig ist und derart an das Referenzfrequenzspektrum angepasst ist, dass die Schwell wertkurve zu den Amplitudenwerten des Refe- renzfrequenzspektrums einen definierten absoluten oder relativen Abstand einhält. Der Abstand legt damit die Toleranzschwelle fest, nach deren Überschreitung erst das Fehlererkennungssignal erzeugt wird. Die Schwelle oder Schwell wertkurve kann aus einer Vielzahl von diskreten Schwellwerten oder einer die Schwell wertkurve definierenden Schwell wertfunktion (z.B. einem Polynom) gebildet werden.

Bevorzugt ist jeder Antriebseinheit oder einer Gruppe von Antriebseinheiten eine Steuereinheit zugeordnet und das auszuwertende Messsignal wird durch die Steuereinheit bereitgestellt. Durch diese Steuereinheit wird beispielsweise der Zeitver- lauf des Messsignals und/oder das Frequenzspektrum dieses Messsignals bereitgestellt. Die Steuereinheit kann hierbei beispielsweise eine Antriebssteuereinheit sein, die die Regelelektronik der Antriebseinheit enthält und mittels der die Regelung der elektrischen Antriebseinheit, beispielsweise die Drehzahlregelung erfolgt.

Vorzugsweise wird der Rotor der Antriebseinheit von einer ersten Drehgeschwindigkeit auf eine zweite Drehgeschwindigkeit beschleunigt und das Messsignal im gesamten durchlaufenen Drehgeschwindigkeitsbereich analysiert, um einen Teilgeschwindigkeitsbereich zu definieren, in dem auf Fehler hinweisende Auffälligkeiten auftreten. Dies kann insbesondere ein Fehlererkennungszyklus mit grober Auflösung sein. Anschließend werden ein oder mehrere Messsignale, die diesem Teilgeschwindigkeitsbereich zugeordnet sind, im Frequenzbereich spektral analysiert, insbesondere mit einer höheren Auflösung spektral analysiert. Dadurch wird eine zeitoptimierte Fehlererkennung möglich, ohne die Genauigkeit der Fehlererkennung zu verschlechtern.

Vorzugsweise wird die Antriebseinheit derart angesteuert, dass sich eine Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors, insbesondere eine impulsartige Änderung der Drehgeschwindigkeit ergibt, wobei das aus dieser impulsartigen Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors resultierende Messsignal analysiert wird. Durch die impulsartige Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors können mechanische Lose, d.h. ein Spiel zwischen Antriebseinheit und einem bewegten Maschinenteil bzw. abnormes Zahnflankenspiel von Zahnrädern erkannt werden, die bei kontinuierlicher Drehbewegung nicht erkennbar wären.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Belastung der Antriebseinheit durch Ansteuern eines eine Belastungsänderung hervorrufenden Maschinenteils geändert und das bei dieser Belastungsänderung der Antriebseinheit ermittelte Messsignal analysiert. Dadurch kann künstlich der Belastungszustand der Antriebseinheit ge- ändert und das Messsignal bei unterschiedlichen Belastungszuständen analysiert und ausgewertet werden. Insbesondere können den unterschiedlichen Belastungszuständen auch unterschiedliche Referenzmesssignale zugeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da sich besonders im Anfangsstadium befindliche Schäden gerade bei hohen Belastungen der Maschine erkennbar werden, wohingegen bei schwacher Belastung die auf Fehler hinweisenden Auffälligkeiten im Messsignal nicht auftreten.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlern in einer Maschine umfassend zumindest eine elektrische Antriebseinheit zum Antrieb einer Baugruppe der Maschine, wobei der Antriebseinheit ein Drehwinkelsensor zugeordnet ist, der zur Abgabe eines Messsignals bei Drehung des Rotors ausgebildet ist. Dabei ist ein Analysemodul vorgesehen, mittels dem das vom Drehwinkelsensor abgegebene oder ein davon abgeleitetes Messsignal analysiert und hin- sichtlich auf Fehler hinweisenden Auffälligkeiten ausgewertet wird.

Bevorzugt ist das Analysemodul zur Auswertung des Messsignals im Zeitbereich oder im Frequenzbereich ausgebildet ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul zum Vergleich des Messsignals mit einem Referenzmesssignal ausgebildet, wobei das Analysemodul zur Ermittlung der Abweichung des Messsignals vom Referenzmesssignal und zur Erzeugung eines Fehlererkennungssignals ausgebildet ist, wenn die Abweichung eine Toleranzschwelle übersteigt.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Maschine eine Vielzahl von Antriebseinheiten, denen jeweils ein Drehwinkelsensor zugeordnet ist, wobei ein oder mehrere Analysemodule vorgesehen sind, mittels denen die von den Drehwinkelsensoren abgegebenen Messsignale analysiert werden und mittels de- nen die Messsignale hinsichtlich auf Fehler hinweisenden Auffälligkeiten ausgewertet werden.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden durch das zumindest eine Analysemodul die Messsignale jeweils mit einem dem jeweiligen Messsignal zugeordneten Referenzmesssignal verglichen.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul zur Ermittlung der Abweichungen der Messsignale von den jeweiligen Referenzmesssignalen und zur Erzeugung eines Fehlererkennungssignals und/oder zur Erzeugung eines die jeweilige Antriebseinheit charakterisierenden Lokalisierungssignals ausgebildet, wenn zumindest eine ermittelte Abweichung eine Toleranzschwelle übersteigt. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul zur Ermittlung der zeitlichen Veränderung des Messsignals über zumindest einen Teil der Maschinenbetriebsdauer basierend auf mehreren in der Vergangenheit zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Referenzmesssignalen ausgebildet. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist jeder Antriebseinheit oder einer Gruppe von Antriebseinheiten eine Steuereinheit zugeordnet ist, wobei das auszuwertende Messsignal durch die Steuereinheit bereitgestellt wird.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul derart ausgebildet, dass der Rotor der Antriebseinheit von einer ersten Drehgeschwindigkeit auf eine zweite Drehgeschwindigkeit beschleunigt wird, dass das Messsignal im gesamten durchlaufenen Drehgeschwindigkeitsbereich analysiert wird, um einen Teilgeschwindigkeitsbereich zu definieren, in dem auf Fehler hinweisende Auffälligkeiten auftreten und dass anschließend durch das Analysemodul ein oder mehrere Messsignale, die diesem Teilgeschwindigkeitsbereich zugeordnet sind, im Frequenzbereich spektral analysiert werden.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul derart ausgebildet, dass die Antriebseinheit derart angesteuert wird, dass sich eine Ände- rung der Drehgeschwindigkeit, insbesondere eine impulsartige Änderung der Drehgeschwindigkeit ergibt, und dass das aus dieser impulsartigen Änderung der Drehgeschwindigkeit resultierende Messsignal durch das Analysemodul analysiert wird.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Analysemodul derart ausgebildet, dass die Belastung der Antriebseinheit durch Ansteuern eines eine Belastungsänderung hervorrufenden Maschinenteils geändert wird und dass das bei dieser Belastungsänderung der Antriebseinheit ermittelte Messsignal analysiert wird. Der Ausdruck„im Wesentlichen" bzw.„etwa" bzw.„ca." bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen. Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbe- Ziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: beispielhaft in einer schematischen Blockdarstellung eine Maschine mit einer Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern in einem ersten Ausführungsbeispiel; beispielhaft in einer schematischen Blockdarstellung eine Maschine mit einer Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern in einem zweiten Ausführungsbeispiel; beispielhaft der Zeitverlauf eines einer Antriebseinheit zugeordneten, die Winkelposition des Rotors angebenden Referenzmesssignals und die diesem Referenzmesssignal zugeordnete Toleranzschwelle; beispielhaft der Zeitverlauf des zum Referenzmesssignal gemäß Fig. 3a zugehörigen Messsignals und die diesem Messsignal zugeordnete Toleranzschwelle; beispielhaft der Zeitverlauf eines einer Antriebseinheit zugeordneten, die Winkelgeschwindigkeit des Rotors angebenden Referenzmesssignals und die diesem Referenzmesssignal zugeordnete Toleranzschwelle; beispielhaft der Zeitverlauf des zum Referenzmesssignal gemäß Fig. 4a zugehörigen Messsignals und die diesem Messsignal zugeordnete Toleranzschwelle; Fig. 5 beispielhaft ein einer Antriebseinheit zugeordnetes Referenzfrequenz- spektrum eines aufgenommenen Messsignals;

Fig. 6 beispielhaft ein Spektrum eines dem in Figur 5 gezeigten Referenzfrequenzspektrum zugeordneten Messsignals mit einer einen Fehler indizie- renden spektralen Überhöhung (gekennzeichnet durch Pfeil);

Fig. 7a beispielhaft der Zeitverlauf eines einer Antriebseinheit zugeordneten, die

Winkelgeschwindigkeit des Rotors angebenden Referenzmesssignals bei einer impulsartigen Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors;

Fig. 7b beispielhaft der Zeitverlauf des zum Referenzmesssignal gemäß Fig. 7a zugehörigen Messsignals bei einer impulsartigen Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors.

In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Maschine, insbesondere eine Maschine zum Behandeln von Behältern gezeigt. Die Maschine 1 weist mehrere Baugruppen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e auf, denen jeweils eine elektrische Antriebseinheit 3 zugeordnet ist. Die elektrische Antriebseinheit 3 kann insbesondere durch einen einen Rotor aufweisenden Elektromotor, bevorzugt durch einen Servomotor gebildet werden. Die Antriebseinheiten 3 sind antriebsmäßig mit jeweils einer Baugruppe 2a - 2e gekoppelt, d.h. die jeweilige Baugruppe 2a - 2e wird durch jeweils eine Antriebseinheit 3 angetrieben. Es versteht sich, dass auch andere Konfigurationen von der Erfindung umfasst sind, beispielsweise dass eine Baugruppe 2a - 2e antriebsmäßig mit mehreren Antriebseinheiten 3 gekoppelt ist oder dass mehrere Baugruppen 2a - 2e durch eine einzige Antriebseinheit 3 angetrieben werden. Den jeweiligen Antriebseinheiten 3 ist jeweils ein Drehwinkelsensor 7 zugeordnet, mittels dem eine Positionsbestimmung des Rotors oder eine Bestimmung des Drehwinkels, um den sich der Rotor gedreht hat, möglich ist. Im Falle eines Servomotors wird das durch den Drehwinkelsensor 7 abgegebene Messsignal kontinuierlich an eine dem Servomotor zugeordnete Regelelektronik, auch als Servoregler bezeichnet, übermittelt. Anhand dieses Messsignals wird die Drehbewegung des Rotors entsprechend einer oder mehrerer einstellbarer Größen in einem Regelkreis geregelt. Das Messsignal kann abhängig davon, ob es sich bei dem Drehwinkelsensor um einen Inkrementalgeber oder einen Absolutwertgeber handelt, ein Winkelpositionssignal oder ein Winkeländerungsignal sein. Das Winkelpositionssignal ermöglicht eine direkte Bestimmung des Drehwinkels des Rotors in Bezug auf eine Referenz- Winkelposition, wohingegen das Winkeländerungsignal die Bestimmung einer Winkeländerung beispielsweise durch Abzählen von Impulsen des Winkeländerungssignals ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird das von dem Drehwinkelsensor 7 abgegebene Messsignal einem Analyseschritt unterzogen und hinsichtlich Auffälligkeiten ausgewertet, die auf einen Fehler an der Antriebseinheit 3 oder an der von der Antriebseinheit 3 angetriebenen Baugruppe hinweisen. Das analysierte Messsignal kann hierbei entweder das direkt vom Drehwinkelsensor 7 abgegebene Messsignal sein oder ein daraus abgeleitetes Messsignal. Die Analyse des Messsignals kann insbesondere im Zeitbereich erfolgen oder das im Zeitbereich ermittelte Messsignal kann durch eine Transformation, insbesondere eine Fouriertransformation in den Frequenzbereich transformiert werden, um im Frequenzbereich hinsichtlich spektraler Auffälligkeiten analysiert zu werden. Die Maschine 1 umfasst des Weiteren zumindest ein Analysemodul 4 oder die Maschine 1 weist zumindest eine Verbindungsschnittstelle auf, über die die Maschine 1 mit einem Analysemodul 4 koppelbar ist. Mittels des Analysemoduls 4 kann das Messsignal analysiert und hinsichtlich des Vorliegens von Auffälligkeiten, die auf einen Maschinenfehler oder Maschinenverschleiß hindeuten, ausgewertet werden. Diese Auswertung kann beispielsweise durch das Analysemodul 4 selbst, d.h. automatisch erfolgen oder das Analysemodul 4 weist eine graphische Benutzerschnittstelle, beispielsweise ein Display oder einen Monitor auf, mittels dem das Frequenzspektrum darstellbar ist. Damit kann Bedien- oder Wartungspersonal das Messsignal bzw. daraus abgeleitete Signale auswerten und auftretende Maschinen- fehler frühzeitig beispielsweise durch auftretende Veränderungen im Messsignal bzw. dem daraus abgeleiteten Signal erkennen.

Bevorzugt ist das Analysemodul 4 zum Vergleich des Messsignals mit einem Referenzmesssignal ausgebildet. Dabei wird durch das Analysemodul 4 die Abweichung des Messsignals vom Referenzmesssignal ermittelt. Für den Fall, dass der Vergleich im Zeitbereich vollzogen wird, kann die Abweichung des Messsignals vom Referenzmesssignal in einem bestimmten Zeitbereich, beispielsweise in einem periodisch wiederkehrenden Zeitbereich ermittelt werden. Falls der Vergleich des Messsignals mit dem Referenzmesssignal im Frequenzbereich erfolgt, kann eine Abweichung zumindest eines spektralen Anteils des Messsignals gegenüber dem korrespondierenden spektralen Anteil des Referenzmesssignals festgestellt werden.

Für den Fall, dass die Abweichung über einer festgelegten Toleranzschwelle liegt, kann durch das Analysemodul ein Fehlererkennungssignal erzeugt werden. Die Toleranzschwelle kann hierbei ein Absolutwert sein, d.h. beispielsweise ein einer bestimmten Frequenz zugeordneter Amplitudenwert. Alternativ kann die Toleranzschwelle als relativer Schwellwert definiert sein, sodass beispielsweise Überschreitungen der Amplitudenwerte des Referenzmesssignals um einen festgelegten Pro- zentwert zur Erzeugung eines Fehlererkennungssignals führen.

In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder Antriebseinheit 3 jeweils eine Steuereinheit 5 zugeordnet, über welche die Ansteuerung der jeweiligen Antriebseinheit 3 erfolgt. Die Steuereinheit 5 kann hierbei der Servoregler eines Ser- vomotors sein. Die Steuereinheiten 5 können beispielsweise eine Steuerelektronik enthalten, mittels der die Drehgeschwindigkeit, die Beschleunigung und/oder die Winkelposition des Rotors der Antriebseinheit 3 steuerbar ist.

Die Steuereinheit 5 kann insbesondere das von dem Drehwinkelsensor 7 abgege- bene Messsignal empfangen und dieses Messsignal zur Steuerung der Antriebseinheit 3 verwenden. Die Steuereinheit 5 ist vorzugsweise mit dem Analysemodul 4 mittels einer Datenleitung 6 zum Austausch von Daten gekoppelt. Die Steuereinheit 5 kann beispielsweise über diese Datenleitung 6 entweder unmittelbar zeitabhängige Messwerte des jeweiligen Messsignals an das Analysemodul 4 übertragen oder aber von dem Messsignal abgeleitete Messwerte, beispielsweise ein nach einer Transformation in den Frequenzbereich erhaltenes spektrales Messsignal oder ein durch Ableiten (d.h. Bilden des Differentialquotienten) erhaltenes Messsignal. Diese Datenübertragung kann zum einen live bzw. kontinuierlich erfolgen, d.h. die ermittelten Messwerte des Messsignals werden unmittelbar ohne Zwischenspeicherung an das Analysemodul übertragen. Alternativ kann die Steuereinheit 5 auch eine Speichereinheit umfassen, in der die ermittelten Amplitudenmesswerte vor ihrer Übertragung an das Analysemodul 4 zwischengespeichert werden. Damit ist beispielsweise eine Übertragung der ermittelten Messwerte nach Ablauf eines festlegbaren Zeitintervalls oder bei Eintritt definierbarer, die Übertragung auslösender Bedingungen (z.B. bestimmter Maschinenzustand) möglich.

Das Analysemodul 4 ist vorzugsweise zur spektralen Analyse der empfangenen, den jeweiligen Antriebseinheiten 3 zugeordneten Messgrößen ausgebildet. Insbe- sondere kann durch das Analysemodul 4 durch Transformation der empfangenen zeitabhängigen Messwerte des Messsignals in den Frequenzbereich ein Frequenzspektrum ermittelt werden, das den jeweiligen Antriebseinheiten 3 zugeordnet ist und Informationen hinsichtlich des Schwingungsgehalts der Messgröße enthält. Alternativ kann bereits in der jeweiligen Steuereinheit 5 der Antriebseinheit 3 eine Transformation des zeitabhängigen Messsignals in den Frequenzbereich erfolgen und damit von der jeweiligen Steuereinheit 5 selbst ein Messsignal im Frequenzbereich bereitgestellt werden.

Beispielsweise kann eine Antriebseinheit 3 der Maschine 1 in periodischen Abstän- den eine erhöhte punktuelle Belastung erfahren, die zu einer periodischen Schwankung der Winkelgeschwindigkeit der jeweiligen Antriebseinheit 3, d.h. insbesondere einer punktuell geringeren Winkelgeschwindigkeit, führt. Dies kann beispielsweise von einem Lager- oder Getriebeschaden oder von einer stellungsabhängigen Kollision eines von der Antriebseinheit 3 bewegten Maschinenelements herrühren. Die- se zeitlich periodischen Belastungsschwankungen führen zu zeitlich periodischen Winkelgeschwindigkeitsschwankungen des Rotors der jeweiligen Antriebseinheit 3 und damit zu zeitlich periodischen Schwankungen bzw. Unregelmäßigkeiten des vom Drehwinkelsensor 7 abgegebenen Messsignals. Die Transformation des zeitabhängigen Messsignals in den Frequenzbereich führt damit zu einer Spitze bzw. einem Peak im Frequenzspektrum dieses Messsignals, d.h. zu einer spektralen Überhöhung an einer definierten Frequenz, die der zeitlichen Periodizität entspricht, mit der die Belastungsschwankungen auftreten (f = 1/T, wobei T die zeitliche Periode der Belastungsschwankung ([s]) und f die Frequenz [Hz] ist). Die Transformation des Messsignals in den Frequenzbereich kann durch jegliche aus dem Stand der Technik bekannte Transformationsverfahren, insbesondere durch eine Fourier- Transformation oder eine Laplace-Transformation, erfolgen. Für den Fall, dass durch die Steuereinheiten 5 zeitlich diskrete Amplitudenwerte der Messgröße bereitgestellt werden, kann insbesondere ein diskretes Transformationsverfahren, bei- spielsweise eine diskrete Fourier-Transformation (DFT) vollzogen werden.

Das Analysemodul 4 kann insbesondere für jede Antriebseinheit 3 getrennt das Messsignal empfangen und damit getrennt für jede Antriebseinheit 3 ein Frequenzspektrum des jeweiligen Messsignals bestimmen. Für den Fall, dass eines der er- mittelten Frequenzspektren einen spektralen Anteil aufweist, der oberhalb eines definierten Schwellwertes liegt, erzeugt das Analysemodul 4 vorzugsweise ein Fehlererkennungssignal. Optional kann auch ein Lokalisierungssignal erzeugt werden, das angibt, welche Antriebseinheit 3 die Erzeugung des Fehlererkennungssignals verursacht hat. Dadurch wird es möglich, dass ein auftretender Fehler schneller lo- kalisierbar ist.

In einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass das Messsignal kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich (beispielsweise durch Verzögerungen durch Datenübertragung) analysiert und mit dem Referenzmesssignal verglichen wird. Insbesondere ist es möglich, dass fußend auf dem zeitlichen Verlauf der Messgröße das Frequenzspektrum kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich (beispielsweise durch Verzögerungen durch Datenübertragung und Berechnung des Frequenzspektrums) bestimmt wird und ein kontinuierlicher bzw. quasi-kontinuierlicher Vergleich mit einem Referenzfrequenzspektrum erfolgt. Alternativ ist es möglich, dass das Messsignal in re- gelmäßigen Zeitabständen mit dem Referenzmesssignal verglichen wird bzw. das Frequenzspektrum des Messsignals in regelmäßigen Zeitabständen ermittelt wird, und der Vergleich mit dem Referenzfrequenzspektrum ebenfalls in regelmäßigen Zeitabständen erfolgt. Das Referenzmesssignal bzw. das Referenzfrequenzspektrum kann insbesondere ein im Neuzustand der Maschine aufgenommenes Signal bzw. Frequenzspektrum sein, das in einer dafür vorgesehenen Speichereinheit abgelegt ist. Die Speichereinheit kann insbesondere im Analysemodul 4 angeordnet sein oder eine externe Speichereinheit sein, mit der das Analysemodul 4 gekoppelt ist und auf die das Analysemodul 4 zur Durchführung des spektralen Vergleichs zugreifen kann.

Alternativ oder zusätzlich können in dieser Speichereinheit mehrere in der Vergan- genheit zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommene Referenzmesssignale abgelegt sein. Beispielsweise kann ein Referenzmesssignal das im Neuzustand der Maschine aufgenommenes Messsignal einer Antriebseinheit 3 und die weiteren Referenzmesssignale die in bestimmten Zeitintervallen oder nach einer bestimmten Betriebsdauer jeweils aufgenommenen Messsignale dieser Antriebseinheit 3 sein. Dadurch lässt sich der zeitliche Verlauf der Änderung des Messsignals über die Zeit ermitteln, so dass schleichend auftretende Fehler leichter erkannt werden können.

Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Maschine 1 , die ebenfalls eine Vielzahl von Antriebseinheiten 3 aufweist, die antriebsmäßig mit den Baugruppen 2a - 2e gekoppelt sind. Unterschiedlich zu dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist einer Gruppe von Antriebseinheiten 3 jeweils eine Steuereinheit 5 zugeordnet, d.h. eine Steuereinheit 5 steuert mehrere Antriebseinheiten 3. Die Steuereinheiten 5 können für jede Antriebseinheit 3 der Gruppe von Antriebseinheiten 3 getrennt jeweils das vom Drehwinkelsensor 7 der jeweiligen Antriebseinheit 3 abge- gebene Messsignal erfassen. Wie bereits zuvor in Bezug auf die Figur 1 beschrieben, werden die Messsignale bzw. davon abgeleitete Messsignale an das Analysemodul 4 übertragen. Die Funktionalität der Steuereinheiten 5 und des Analysemoduls 4 entspricht im Übrigen den zuvor in Bezug auf Figur 1 beschriebenen Funktionalitäten.

Figur 3a zeigt beispielhaft das von einem Drehwinkelsensor abgegebene Messsignal im Zeitbereich. Dieses Messsignal 8 wurde beispielsweise im Neuzustand der Maschine bzw. nach einer Maschinenwartung aufgenommen und bildet damit ein Referenzmesssignal 10. Die zeitabhängigen Messwerte des Referenzmesssignals 10 geben absolute Winkelpositionen φ des Rotors der Antriebseinheit beispielsweise in Bezug auf eine Referenzwinkelposition an. Für den Fall, dass der Rotor der Antriebseinheit mit einer festen Winkelgeschwindigkeit betrieben wird, ergibt sich ein im Wesentlichen sägezahnförmiges Referenzmesssignal 10. Wie in Figur 3 mit dem Pfeil angedeutet, weist bereits das Referenzmesssignal 10 periodisch auftre- tende Abweichungen von der reinen Sägezahnform auf. Eine derartige Abweichung ist beispielsweise auf eine Belastungsschwankung zurückzuführen. Ferner ist in Fig. 3a mit den gestrichelten Linien eine Toleranzschwelle 9 angedeutet. Die Toleranzschwelle 9 kann hierbei an das Referenzmesssignal 10 angepasst sein, so dass bereits im Referenzmesssignal 10 auftretende Belastungsschwankungen in der Toleranzschwelle 9 berücksichtigt werden können.

Fig. 3b zeigt ein Messsignal 8, dem das in Figur 3a gezeigte Referenzmesssignal 10 bzw. die Toleranzschwelle 9 zugeordnet sind. Wie beim Vergleich der Figuren 3a und 3b erkennbar ist, hat sich der durch die Belastungsschwankung hervorgerufene Ausschlag des Messsignals 8 vergrößert und übersteigt die Toleranzschwelle 9. Aufgrund des Übersteigens der Toleranzschwelle 9 wird beispielsweise ein Fehlererkennungssignal an der Analyseeinheit ausgegeben. Fig. 4a zeigt ein Referenzmesssignal 10a, das der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors der Antriebseinheit entspricht und beispielsweise ebenfalls im Neuzustand der Maschine bzw. nach einer Maschinenwartung aufgenommen wurde. Es kann beispielsweise durch einmaliges Ableiten des in Figur 3a gezeigten Winkelpositionssignals φ erhalten werden. Für den Fall, dass der Rotor mit konstanter Winkel- geschwindigkeit ω umläuft, ist dies im Wesentlichen ein Gleichsignal. Im Falle von Belastungsschwankungen der Antriebseinheit kann das Messsignal 8a periodisch auftretende Abweichungen vom Gleichsignal aufweisen. Ferner ist in Fig. 4a mit den gestrichelten Linien eine Toleranzschwelle 9a angedeutet. Die Toleranzschwelle 9a kann hierbei an das Referenzmesssignal 10a angepasst sein, so dass bereits im Referenzmesssignal 10a auftretende Belastungsschwankungen in der Toleranzschwelle 9a berücksichtigt werden können.

Fig. 4b zeigt ein Messsignal 8a, dem das in Figur 4a gezeigte Referenzmesssignal 10a bzw. die Toleranzschwelle 9a zugeordnet sind. Wie beim Vergleich der Figuren 4a und 4b erkennbar ist, hat sich der durch die Belastungsschwankung hervorgerufene Ausschlag des Messsignals 8a vergrößert und übersteigt die Toleranzschwelle 9a. Aufgrund des Übersteigens der Toleranzschwelle 9 wird beispielsweise ein Fehlererkennungssignal an der Analyseeinheit ausgegeben. Figuren 5 und 6 zeigen beispielhaft Frequenzspektren 1 1 , 12, die durch Transformation des Winkelgeschwindigkeitssignals ω in den Frequenzbereich erhalten wurden, wobei die Abszisse die jeweiligen Frequenzen [Hz] und die Ordinate die Winkelgeschwindigkeit des Rotors angibt. Das in Figur 5 gezeigte Spektrum ist insbe- sondere ein Referenzfrequenzspektrum 1 1 , das beispielsweise im Neuzustand einer Maschine 1 aufgenommen wurde und beispielsweise dem Frequenzspektrum des Winkelgeschwindigkeitssignals ω entspricht. Das Referenzfrequenzspektrum 1 1 zeigt bereits mehrere Spitzen oder Peaks an unterschiedlichen Frequenzen. Figur 6 zeigt ein Frequenzspektrum 12, das beispielsweise jeweils den spektralen Verlauf des Winkelgeschwindigkeitssignals ω nach einer längeren Betriebsdauer einer Maschine 1 wiederspiegelt. Wie ein Vergleich des Frequenzspektrums zwischen Figur 5 und Figur 6 erkennen lässt, weist das in Figur 6 gezeigte Frequenzspektrum 12 eine höhere Welligkeit auf, d.h. es treten mehrere Peaks zu unter- schiedlichen Frequenzen auf. Insbesondere auffällig ist der mit dem Pfeil gekennzeichnete Peak, der sich im Vergleich zu dem Referenzfrequenzspektrum 1 1 gemäß Figur 5 wesentlich erhöht hat. Dem Referenzfrequenzspektrum 1 1 aus Figur 5 kann eine Schwell wertkurve 14 zugeordnet sein, die Schwellwerte in Abhängigkeit von der Frequenz angibt. Vorzugsweise ist die Schwell wertkurve 14 an das Refe- renzfrequenzspektrum 1 1 , d.h. den spektralen Verlauf der Amplitude der Messgröße angepasst. Die Schwell wertkurve 14 kann dabei durch eine Vielzahl von frequenzabhängigen, d.h. jeweils einer definierten Frequenz zugeordneten Schwellwerten gebildet werden, wobei die Beträge dieser Schwellwerte jeweils an die Amplitude des spektralen Anteils an dieser definierten Frequenz angepasst sind. Beispielswei- se kann der Schwellwert durch einen Prozentwert festgelegt werden, der angibt, um wie viel Prozent der Schwellwert des spektralen Anteils oberhalb der Amplitude dieses spektralen Anteils liegt. Für den Fall, dass ein spektraler Anteil des Spektrums diese spektrale Schwell wertkurve 14 übersteigt, wird ein Fehlererkennungssignal erzeugt.

Durch die Zuordnung des Referenzfrequenzspektrums 1 1 und des Frequenzspektrums 12 zu einer definierten Antriebseinheit 3 oder zu einer Gruppe von Antriebseinheiten 3 kann eine Lokalisierung bzw. eine grobe Lokalisierung des Fehlers vorgenommen werden, da ein plötzlich auftretender oder in der Amplitude ansteigender Peak im Frequenzspektrum 12 auf eine erhöhte Belastungsschwankung der diesem Frequenzspektrum 12 zugeordneten Antriebseinheit 3 hinweist, und damit auf einen Defekt in der mit dieser Antriebseinheit 3 gekoppelten Baugruppe 2a - 2e zurückzuführen ist.

Eine weitere Fehlerlokalisierung kann aufgrund der Frequenz vorgenommen werden, an der der Peak im Frequenzspektrum 12 auftritt. Die Frequenz lässt nämlich Rückschlüsse auf Bauteile innerhalb der Baugruppe 2a - 2e zu, die beispielsweise mit einer Frequenz bewegt werden, die der Frequenz entspricht, an der der spektra- le Peak auftritt.

Fig. 7a zeigt ein weiteres Referenzmesssignal 10b in einer Ausschnittsdarstellung, das der Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors der Antriebseinheit entspricht und beispielsweise ebenfalls im Neuzustand der Maschine bzw. nach einer Masch inenwar- tung aufgenommen wurde. Die Besonderheit dieses Referenzmesssignals 10b besteht darin, dass es während einer Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors, insbesondere einer impulsartigen Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors zum Zeitpunkt t ₀ aufgenommen wurde. Bei derartigen impulsartigen Änderungen der Drehgeschwindigkeit des Rotors kann beispielsweise das Zahnflankenspiel von ineinandergreifenden Zahnrädern untersucht werden.

Fig. 7b zeigt ein Messsignal 8b, dem das in Figur 7a gezeigte Referenzmesssignal 10b zugeordnet ist. Wie beim Vergleich der Figuren 7a und 7b erkennbar ist, hat sich die Steigung des auf die impulsartige Änderung der Drehgeschwindigkeit des Rotors zum Zeitpunkt t ₀ zurückzuführenden Peaks unmittelbar nach dem Zeitpunkt t ₀ (mit Pfeil gekennzeichnet) erheblich vergrößert so dass dies beispielsweise auf ein bereits vorhandenes großes Zahnflankenspiel hindeutet. Beispielsweise kann auch dem Referenzmesssignal 10b eine Toleranzschwelle zugeordnet sein, bei deren Überschreiten ein Fehlererkennungssignal an der Analyseeinheit ausgegeben wird.

Die Erfindung wurde voranstehend an mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1 Maschine

2a - 2e Baugruppe

3 Antriebseinheit

4 Analysemodul

5 Steuereinheit

6 Datenleitung

7 Drehwinkelsensor

8, 8a, 8b Messsignal

9, 9a Toleranzschwelle

10, 10a, 10b Referenzmesssignal 1 1 Referenzfrequenzspektrunn

12 Frequenzspektrum

14 Schwell wertkurve