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Carsten Trimborn
Signalbasierte Zustandsüberwachung von Linearantriebskomponenten am Beispiel eines Pressentransfers
203 Seiten, m. Abb. und Tab., A5, Broschur
ISBN: 9783957351449
Verlag Wissenschaftliche Scripten
Die Durch die zunehmende Verbreitung von geregelten Servoantrieben in Produktionsanlagen besteht die Option, die zum Betrieb des Antriebs integrierte Messtechnik zu Zwecken der Zustandsüberwachung zu verwenden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Möglichkeiten zur Detektion von mechanischen Schäden an geregelt betriebenen Linearachsen auf Basis der antriebsinternen Messsignale aufzuzeigen. Exemplarisch werden dazu zwei Schäden ausgewählt, die sich grundlegend in der Intensität und der Häufigkeit der Schadenseinwirkung unterscheiden. Zunächst werden die durch Schäden auftretenden Anomalien im regelungsinternen Signalfluss des Servomotors in einer Simulation des Antriebs dargestellt. Auf dieser Grundlage werden verschiedene, aus der Zustandsüberwachung von dynamisch bewegten Antrieben bekannte Signalanalyseverfahren beschrieben und anhand ihrer Eignung zur Detektion von lokalen Schäden auf dynamisch betriebenen Linearachsen untersucht. Die Zustandsüberwachung, basierend auf antriebsinternen Größen, wird mit ihren Möglichkeiten und Grenzen vorgestellt.
Exemplarisch für einen dynamisch betriebenen Linearantrieb wird eine Linearachse eines Transfers einer Großraumsaugerpresse ausgewählt. Die Detektion von Zahnbruch am Ritzel-Zahnstange-Antrieb und eines Lagerschadens an einem Motor- und Getriebewälzlager basierend auf der in der Simulation gezeigten Signalverläufe und den vorgestellten Signalanalyseverfahren bilden den Kern der Arbeit. Die praktische Anwendbarkeit wird durch die Ableitung einer Überwachungsvorschrift im Produktionsbetrieb gezeigt.
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Due to the increasing popularity of controlled servo drives in production plants, it is possible to use the measurement technology integrated into the drive for the purpose of condition monitoring. The aim of the present work is to demonstrate the possibilities for the detection of mechanical damage on controlled linear axes on the basis of the drive-internal measuring signals. As an example, two damages are selected, which differ fundamentally in the intensity and the frequency of the damage. First, the anomalies occurring in the control signal flow of the servomotor due to damage are shown in a simulation of the drive. On this basis, various signal analysis methods known from condition monitoring of dynamically driven drives are described and examined for their suitability for detecting local damage on dynamically operated linear axes. Condition monitoring based on drive-internal variables is presented with its possibilities and limitations. As an example for a dynamically operated linear drive, a linear axis of a transfer of a highcapacity suction press is selected. The detection of tooth fractures on the rack and pinion drive and bearing damage to a motor and gear bearing based on the waveforms shown in the simulation and the signal analysis methods presented form the essence of the work. The practical applicability is shown by the derivation of a monitoring specification in the production plant.
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1 Einleitung und Motivation der Arbeit
2 Stand der Technik und der Forschung
2.1 Zustandsüberwachung
2.2 Schwingungsüberwachung an Getrieben und Wälzlagern
2.2.1 Stationäre Vorgänge
2.2.2 Instationäre Vorgänge
2.3 Motorstromanalyse
2.3.1 Grenzwertüberwachung
2.3.2 Stationärer Betrieb
2.3.3 Instationärer Betrieb
2.4 Überwachung von Linearantrieben
2.5 Vergleich der sensorlosen mit der sensorgebundenen Zustandsüberwachung
2.6 Signalanalyseverfahren
2.6.1 Wigner-Ville-Verteilung und Cohen-Klasse
2.6.2 Pseudo-Wigner-Ville-Verteilung
2.6.3 Choi-Williams-Verteilung
2.6.4 Diskrete Wavelet-Transformation
2.6.5 Wavelet Packets
2.7 Zusammenfassung
3 Zielstellung und Anforderungen an die Motorstromanalyse mit Servomotoren an Linearachsen
3.1 Abgrenzung zum Stand der Technik
3.2 Zielstellung
3.3 Vorgehen
4 Schadensbeschreibung an der Linearachse
4.1 Untersuchungsgegenstand
4.1.1 Pressentransfer
4.1.2 Versuchsstand
4.1.3 Servoantrieb
4.2 Schäden an der Linearachse
4.2.1 Zahnbruch
4.2.2 Lagerschaden
5 Modellierung des Servoantriebs
5.1 Dynamisches Modell des permanenterregten Servomotors
5.2 Mechanische Komponenten
5.2.1 Zahnschaden
5.2.2 Exzentrizität
5.3 FE-Modell
6 Simulation des Antriebs
6.1 Simulationsstruktur
6.1.1 Regelung und Leistungselektronik
6.1.2 Finite-Elemente-Modell
6.1.3 Co-Simulation
6.2 Zahnbruch
6.3 Exzentrizität
6.3.1 Betrachtung von Seitenbändern in Phasenstrom und Drehmoment
6.3.2 Grenzen zur Detektion von Exzentrizitäten
7 Signalauswertung und Schadensdetektion
7.1 Vergleich der Zeit-Frequenz-Verteilungen
7.2 Analyse der antriebsinternen Signale
7.2.1 Wegumrechnung
7.2.2 Zahnbruch
7.2.3 Lagerschaden
7.3 Zusammenfassung
8 Anwendung der Zustandsüberwachung
8.1 Automatische Zustandsüberwachung im Dauerbetrieb
8.2 Auswertung der aufgezeichneten Daten
9 Zusammenfassung und Ausblick
Literaturverzeichnis
A.1 Modellbildung der permanenterregten Synchronmaschine
A.2 Regelung der permanenterregten Synchronmaschine
A.2.1 Kaskadenregelung
A.2.2 Stromregler
A.2.3 Drehzahlregelung
A.2.4 Lageregelung
A.3 Pulswechselrichter
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