Beschreibung Verfahren und Vorrichtung zur Diagnostik von Eigenschwin- gungen eines mechatronischen Systems Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnostik von Eigenschwingungen eines mechatronischen Systems, bei- spielsweise einer Werkzeug-, Verpackungs-und sonstigen Pro- duktionsmaschine, z. B. in Form eines Roboters. Diese mecha- tronischen Systeme bestehen in der Regel aus einer Vielzahl von Maschinenelementen einschließlich der Antriebe, die beim Betrieb des Systems jedes für sich unerwünschte Schwingungen ausführen. Jede dieser Schwingungen resultiert aus einer Kom- bination von Zwangsschwingungen, die beispielsweise durch äußere Kräfte oder Unwuchten verursacht werden sowie aus Ei- genschwingungen, die auftreten, wenn eine oder mehrere Reso- nanzen der Maschine angeregt werden. Diese Schwingungen ver- schlechtern die Qualität des mit dem mechatronischen Systems gefertigten Produkts, so dass Möglichkeiten gesucht werden, sie weitestgehend zu reduzieren.

/ Die Berechnung und Visualisierung dieser Schwingungen gewinnt daher zusehen an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere den Problemkreis der Schwingungsdiagnostik. Darunter wird im We- sentlichen der Befund verstanden, der die Maschinenelemente der genannten komplexen mechatronischen Systeme bezüglich ihrer Wirkung auf das dynamische Verhalten der Gesamtanlage beschreibt.

Zweck der Schwingungsdiagnostik ist es, dem Konstrukteur ei- nes mechatronischen Systems das Schwingungsverhalten des Sys- tems möglichst augenscheinlich zu machen, so dass er Maßnah- men ergreifen kann, durch konstruktive Mittel und/oder Aus- wahl der Materialien schwingungsdämpfend einzugreifen.

Zur Diagnose der Eigenschwingungen eines mechatronischen Sys- tems müssen diese angeregt werden. Bekannte Verfahren verwen-

den dazu systemfremde Schwingungserreger, sogenannte transla- torische Shaker, die an verschiedenen Punkten eines Starrkör- pers eines mechatronischen Systems angebracht werden. Über diese Shaker werden Schwingungen unterschiedlicher Frequenz in den-Starrkörper eingeprägt. An verschiedenen Stellen des Starrkörpers, insbesondere an dessen Eckpunkten, werden dann mit Hilfe von Sensoren, zum Beispiel mittels Wegmesssystemen, Beschleunigungsaufnehmern, Druckmessern, etc., Eigenschwin- gungen detektiert.

Aus den gemessenen Werten lässt sich ein mathematisches Mo- dell vom Schwingungsverhalten des Gesamtsystems bilden. Da die Systemkomponenten jedoch alle miteinander verbunden sind, ergibt sich ein System von verkoppelten Differenzialgleichun- gen, die mittels der Modalanalyse, das heißt mittels einer algorithmischen mathematischen Entkopplung in skalare Glei- chungen überführt werden, so dass für jeden Mode einer Eigen- schwingung die Eigenfrequenz, die Dämpfung und die Schwin- gungsform angegeben werden kann.

Nach. diesen Gleichungen lässt sich dann ein Modell des mecha- tronischen Systems simulieren und beispielsweise mittels ei- nes einfachen Drahtmodells visualisieren. Solche Drahtmodelle sind Stand der Technik. Sie konstituieren sich durch Eckpunk- te, an denen üblicherweise Sensoren derart angebracht werden, dass eine maximale Informationsausbeute erhalten wird. Der Konstrukteur bekommt damit eine Einsicht in die Systemdynamik und kann durch Modifikation der nun bekannten Schwingungspa- rameter schwingungsdämpfende konstruktive Maßnahmen ergrei- fen.

Das oben beschriebene Verfahren zur Erzeugung der Eigen- schwingungen mittels systemfremden Shakern hat den Nachteil, dass die Antriebe und ihre Teilkomponenten nicht in die Schwingungsdiagnostik und in die Simulation mit einbezogen werden.

Handelsübliche Softwarepakete zur Modalanalyse identifizieren und stellen Schwingungsformen derart dar, dass entweder die transLatorischen oder die rotatorischen Freiheitsgrade ange- sprochen werden. Eine simultane Visualisierung beider Arten von Freiheitsgraden wird in der Praxis dadurch erreicht, dass die rotatorischen Freiheitsgrade so mit in die ganzheitliche Visualisierung einbezogen werden können, dass mittels Starr- körperbewegungen bezüglich eines fixen Punktes rotatorische Schwingungsformen animiert werden. Uedoch berücksichtigt die- ser Ansatz naturgemäß nicht die stets vorhandenen Nachgiebig- keiten zwischen mechanischer Struktur und Antrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Diag- nostik von Eigenschwingungen eines mechatronischen Systems aufzuzeigen, bei dem die Gesamtheit der Systemkomponenten einschließlich der Antriebe einbezogen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Diagnostik von Ei- genschwingungen eines mechatronischen Systems gelöst, wobei das System aus mindestens einem Starrkörper besteht, der durch mindestens einen numerisch gesteuerten Antrieb relativ zu einem anderen Starrkörper bewegt wird, wobei die Eigen- schwingungen durch den Antrieb angeregt und über Sensoren de- tektiert werden. Es wird also kein systemfremder Shaker ver- wendet und auch nicht mehr benötigt, da dessen Aufgabe von den Antrieben übernommen wird. Durch die Verwendung der An- triebe als zusätzliche rotatorische Shaker können die elek- tromechanischen Eigenschaften der Antriebe mit in die ganz- heitliche mechatronische Modellbildung einfließen und so die o. g. Nachgiebigkeiten zwischen mechanischer Struktur und An- trieben besser erfasst werden.

Nach einer vorteilhaften'Ausbildung des Verfahrens wird dem Antrieb, der beispielsweise mit einer konstanten Drehzahl läuft, ein weißes Rauschen überlagert. Mit dem weißen Rau- schen werden die Eigenschwingungen des Systems angeregt.

Die Eigenschwingungen des Systems lassen sich nach einer wei- teren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens auch dadurch anregen, dass der Drehzahl, mit der der Antrieb läuft, sinus- förmige Schwingungen verschiedener Frequenz überlagert wer- den. Dieses Verfahren ist herkömmlich als"Wobbeln"bekannt.

Besonders vorteilhaft ist, dass sich bei dem beschriebenen Verfahren die Eigenschwingungen mittels der systemeigenen Sensoren, wie zum Beispiel der Wegmesssysteme, Beschleuni- gungssensoren, Drehzahlgeber, Druckmesssysteme, etc., bestim- men lassen : Damit kann die Schwingungsdiagnose völlig autark, d. h, mit systemeigenen Mitteln durchgeführt werden, soweit die numerische Steuerung des mechatronischen Systems über ein entsprechendes Hard-und/oder Software-Modul verfügt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung lässt sich das Verfahren dadurch verbessern, dass zusätzliche Sensoren, wie zum Beispiel Beschleunigungsaufnehmer an dem mechatronischen System angebracht werden. Diese zusätzlichen Sensoren können entweder bei Bedarf angebracht werden oder ständig am System verbleiben. Wenn es beispielsweise vorgese- hen ist, während der Lebensdauer des mechatronischen Systems wiederholte Schwingungsdiagnosen durchzuführen, beispielswei- se weil man annimmt, dass sich die Eigenschwingungen durch Materialermüdungen und/oder aus anderen Gründen verändern, könnten die zusätzlichen Sensoren zur Vereinfachung dieser weiteren Diagnosen auch am System verbleiben.

Das Verfahren lässt sich vorteilhaft mit einer Vorrichtung zur Diagnostik von Eigenschwingungen eines numerisch ge- steuerten mechatronischen Systems durchführen, wobei die Vor- richtung aus mindestens einem Starrkörper besteht, der durch mindestens einen numerisch gesteuerten Antrieb relativ zu einem anderen Starrkörper bewegt wird, wobei die numerische Steuerung des Systems ein Hard-und/oder Software-Modul um- fasst,. wobei das Hard-und7oder Software-Modul Mittel zur Er- regung von Eigenschwingungen des Systems durch die numerisch

gesteuerten Antriebe, sowie Mittel zur Verarbeitung der von den Sensoren des Systems detektierten Eigenschwingungen auf- weist.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung besteht darin, dass das Modul als externes Modul an die numerische Steuerung anschließbar ist. Die numerische Steuerung würde in diesem Fall lediglich die Anschlüsse für das Modul aufweisen, so dass das Modul bedarfsweise, d. h. bei Durchführung einer Schwingungsdiagnostik, an die numerische Steuerung ange- schlossen werden könnte. Damit ließen sich Aufwand und Kosten der numerischen Steuerung gering halten. Die Schwingungsdiag- nostik könnte dann"on orders von einem Kundendienstfachmann, beispielsweise vom Kundendienst des Lieferanten der numeri- schen Steuerung, durchgeführt werden. Der Kunde würde in die- sem Fall nicht einmal die Kosten für das Modul aufwenden müs- sen. Das getrennte Modul könnte aber auch so universell ge- staltet werden, dass es für eine Vielzahl von Maschinen und numerischen Steuerungen geeignet ist, so dass mit einem ein- zigen Modul verschiedene mechatronische Systeme diagnosti- ziert werden könnten.

Das. Modul könnte aber auch integraler Bestandteil'der nume- rischen Steuerung selbst sein. Dies würde die wiederholte Schwingungsdiagnostik eine mechatronischen Systems verein- fachen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeich- nung näher erläutert. Dabei zeigen FIG 1 : Das Drahtrmodell einer Werkzeugmaschine FIG 2, 3 und 4 : Verschiedene Schwingungsmodi FIG 1 zeigt das Drahtmodell einer Werkzeugmaschine, mit dem Sockel S, -einen auf dem Sockel angeordneten Werkzeugtisch, der aus dem in Y-Richtung verfahrbaren Tischelement WT1 und

dem in X-Richtung verfahrbaren Tischelement WT2 besteht. Die Tischelemente WT1 und WT2 werden über die Antriebe AI und A2 und die zugehörigen Spindeln verfahren. Die Farbgrenze der Farben schwarz und grau der Spindeln kennzeichnen die Ver- bindungsstellen zwischen dem jeweiligen Tischelement WT1, WT2 und den Spindeln.

Die asymmetrische Darstellung entsteht durch die Generierung des Drahtmodells, welches durch die Eckpunkte der zu betrach- tenden Bauteile, bzw. Komponenten definiert ist. Diese Eck- punkte sind im vorliegenden Beispiel gerade so angeordnet, dass sie asymmetrisch sind. Die Form des Drahtmodells soll durch einfachste Grundelemente möglichst gut die vorliegende Geometrie widerspiegeln. Außerdem werden die Stellen als Eck- punkte, wie z. B. E1 und E2, ausgewählt, die auch möglichst aussagekräftige Messinformationen liefern.

An den Komponenten der durch das Drahtmodell dargestellten Werkzeugmaschine sind Wegmesssysteme WM1 und WM2 als Sensoren angebracht. Diese Wegmesssysteme gehören in der Regel zu den systemeigenen Komponenten der tatsächlichen Werkzeugmaschine.

Soweit für die Diagnose der Eigenschwingungen zusätzliche Wegmesssysteme benötigt werden, können diese selbstverständ- lich vorgesehen werden. Als weitere Sensoren zur Diagnose der Eigenschwingungen sind in der Figur Beschleunigungsaufnehmer BA1 und BA2 symbolisch dargestellt. Selbstverständlich können weitere zusätzliche Sensoren, wie zum Beispiel Druckmesssen- soren, etc., verwendet werden. Als weitere Sensoren zur Diag- . nose der Eigenschwingungen werden die ebenfalls systembedingt vorhandenen Drehzahlgeber N1, N2, der Antriebe A1, A2 verwen- det.

Die Werkzeugmaschine wird über eine numerische Steuerung NC gesteuert. Diese weist für jeden Antrieb ein Achsmodul AM1, AM2 auf. Zusammen mit den Achsmodulen AM1, AM2 regelt die numerische Steuerung NC die Antriebe A1, A2 in herkömmlicher Weise.

Zur Schwingungsdiagnostik ist die numerische Steuerung NC mit einem Diagnosemodul, DM verbunden. Das Diagnosemodul DM kann ein eigenständiges Modul sein, das auf einer Datenverarbei- tungsanlage, beispielsweise einem Laptop implementiert ist.

Es kann aber auch-wie durch die gestrichelte Linie angedeu- tet-integraler Bestandteil der numerischen Steuerung NC sein.

Zur Diagnose der Eigenschwingungen werden die Antriebe A1, A2 mit konstanter Drehzahl nc, wie im Diagramm des Blockschalt- bildes des Diagnosemoduls DM dargestellt, betrieben. Dieser konstanten Drehzahl nc wird ein weißes Rauschen-in der Fi- gur durch die Sinus-Kurve symbolisiert-überlagert. Das weiße Rauschen beinhaltet alle Frequenzanteile und somit auch die, die das System zu Eigenschwingungen anregen. Die kons- tante Drehzahl nc könnte aber auch mit unterschiedlichen Fre- quenzen überlagert werden, wobei diese unterschiedlichen Fre- quenzen nacheinander durchlaufen (gewobbelt) werden.

Die Eigenschwingungen des mechatronischen Systems werden da- mit zuverlässig angeregt und können über die Wegmesssysteme WM1, WM2, die Beschleunigungsaufnehmer BA1, BA2 und die Dreh- zahlgeber N1, N2 detektiert werden.

Da die Eigenschwingungen über die Antriebe A1, A2 angeregt werden, werden auch die Komponenten dieser Antriebe, die ja ebenfalls zum Schwingungsverhalten des Gesamtsystems beitra- gen, mit berücksichtigt. Damit erfasst die Schwingungsdiag- nose auch die stets vorhandenen Nachgiebigkeiten zwischen der Maschinenstruktur und den Antrieben.

Zur Detektion von Kippschwingungen ist es sinnvoll, Sensoren soweit möglich auch an den Eckpunkten der Starrkörper vorzu- sehen. Mit Sensoren an den Eckpunkten E1 und E2 lassen sich beispielsweise Kippschwingungen des Werkzeugtisches WT2 um die y-Achse detektieren. Entsprechendes gilt für (hier nicht

gezeigte) Sensoren an weiteren Eckpunkten, z. B. an den Eck- punkten des Werkzeugtisches WT1.

Mit den aus der Schwingungsdiagnose gewonnenen Ergebnissen kann dann das Schwingungsverhalten des mechatronischen Sys- tems zum Beispiel anhand eines Drahtmodells visualisiert wer- den. Mit Hilfe der Modalanalyse wird die Animation der rota- torischen Schwingungsmodi im Raum aus der Kombination einer dreidimensionalen, linearisierten Translation mit einer ein- dimensionalen Rotation um eine einzelne Achse gewonnen. Die Schwingungsdiagnostik wird dadurch erheblich erleichtert, dass sämtliche am jeweiligen Schwingungsmodus beteiligten Ma- schinenelemente auf ihre Wirkung hin untersucht und dem Kun- den vorgeführt werden können. Dies bietet einen nicht zu un- terschätzenden Vorteil für die Akzeptanz der gemessenen und evtl. der an die Messungen angepassten simulierten Ergebnis- se, da nun eindeutigere Aussagen getroffen werden können, wie groß'der Einfluss der Maschinenstruktur und der Antriebe auf die Dynamik des mechatronischen Systems ist.

In den Figuren 2,3 und 4 sind beispielhaft einige Schwin- gungsmodi bei unterschiedlichen Frequenzen gezeigt. Die Ver- formungen werden gestrichelt dargestellt, so dass sie visuell besser erkannt werden können und der Unterschied zum unver- formten Zustand deutlicher wird. Die einzelnen Elemente der jeweiligen Figur sind aus FIG 1 bekannt. FIG 2 zeigt einen Schwingungsmode bei 56 Hertz, FIG 3 zeigt einen Schwingungs- mode bei 81 Hertz und FIG 4 zeigt einen Schwingungsmode bei 106 Hertz.

Jede Schwingungsform an herkömmlichen mechatronischen Maschi- nen enthält sowohl translatorische als. auch rotatorische Freiheitsgrade, deren getrennte Betrachtung wenig sinnvoll ist, da eine Kopplung zwischen translatorischen und rotatori- schen Freiheitsgraden stets existiert. Durch die hierin be- schriebene Vorgehensweise wird diese Kopplung durch die si- multane Animation aller geometrischen Grundelemente, wie etwa

Quader und Zylinder, die dann das Drahtmodel konstituieren, ganzheitlich aus mechatronischer Sicht berücksichtigt. Dies führt letztendlich zu verlässlichen Aussagen, welchen Ein- fluss jeweils rotatorische und translatorische Freiheitsgrade bei nachgiebiger Ankopplung der Antriebe an die mechanische Struktur auf die resultierende Schwingungsform ausüben.

Systemfremde Shaker, die translatorisch wirken, können ohne weiteres zum zusätzlichen Informationsgewinn in das ent- wickelte Modalanalysetool integriert werden.