DE102022106029B3

DE102022106029B3 - Prüfverfahren und -system für Abweichungen der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit

Info

Publication number: DE102022106029B3
Application number: DE102022106029.2A
Authority: DE
Inventors: Hsien-Yu Chen; Yu-Sheng Chiu; Chih-Chun Cheng; Wen-Nan Cheng; Chi-Ming Liu
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2042-03-16

Abstract

Prüfverfahren Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit, aufweisend: Generieren eines überwachungsanregenden Signals, indem ein Vorschubsystem in einem Überwachungsmodus angeregt wurde und Vibration der Unterkomponenten eines zu prüfenden Bauteils des Vorschubsystems detektiert wurde; Ermitteln eines Kontrollkennwertsatzes und eines Kontrollmerkmalsvektorsatzes für das überwachungsanregende Signal mittels einer Modalanalytik; Bewerten der Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes und des Kontrollmerkmalsvektorsatzes mit einem Standardkennwertsatz und einem Standardmerkmalsvektorsatz eines digitalen Zwillingsmodells mittels eines Modalverifizierungsverfahrens; Beurteilen der dynamischen Beschaffenheit der Unterkomponenten als abweichende Beschaffenheit, solange der Kontrollkennwertsatz und der Kontrollmerkmalsvektorsatz nicht analog dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz beurteilt wurden. Dadurch kann die Unterkomponente des Vorschubsystems, deren dynamische Beschaffenheit fehlerhaft oder abweichend ist, schnell und genau festgestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Statuskontrollsystem, insbesondere ein Prüfverfahren und -system für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit.
Im Rahmen des feinmechanischen Maschinenbaus spielt die Optimierung der Bearbeitungsmaschinen eine wichtige Rolle. Demzufolge ist eine Patentoffenlegung Nr. WO 20/ 053 083 A1 bekannt, welche eine Optimierungstechnologie zum Optimieren einer Bearbeitungsmaschine durch Anpassen der internen Daten des Bearbeitungsmaschinen-Steuergeräts mittels eines digitalen Zwillingsmodells aus der Bearbeitungsmaschine angegeben hat. Diese Technologie kann jedoch nur produktionsbezogene Daten auswerten, ohne es zu diagnostizieren, ob die Maschinenkomponenten fachgerecht funktionieren.
Des Weiteren ist laut Patentoffenlegung Nr. CN 1 12 446 104 A ein Bewertungsverfahren für die Abweichung zwischen einem Automaten und seinem digitalen Zwilling bekannt. Bei diesem Verfahren dient die an dem Werkstoff aufgestellte Sensorik zweckmäßig zum Überwachen der Parameter wie Temperatur, Geschwindigkeit, Beschleunigung. Daraufhin werden die Abtastergebnisse mit den vorab simulierten digitalen Zwillingsdaten verglichen. Falls die Abtastergebnisse von den Simulationswerten abweichen, wird die zutreffende Betriebsstation, wo sich das versagende Werkstück in der Automatisierungslinie befindet, erkannt. Dadurch kann allerdings die Fehlerursache nicht erkannt werden und kann auch nicht klargestellt werden, ob die dynamische Beschaffenheit der Getriebekomponenten versagt.
Des Weiteren ist laut Patentoffenlegung Nr. US 2021 / 0 123 830 A1 ein Überwachungsverfahren für die Funktionszustände der Werkzeugmaschinen bekannt. Demzufolge wird eine Bearbeitungsmaschine angeregt und ein Funktionalitätsmerkmalssatz (inkl. Versetzungsübertragungsrate und Eigenfrequenz) anhand der durch die Sensorik erfassten Daten ermittelt, welcher als die Grundlage zum Bewerten der Funktionalitätsmerkmale der Bearbeitungsmaschine dient. Dieses Verfahren ist angesichts der Empfindlichkeit nachteilig und kann auch nicht erkennen, welcher Bauteil der Bearbeitungsmaschine gerade versagt.
Die DE 10 2019 217 740 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Überprüfung des Zustandes einer Maschine, die ein Koordinatenmessgerät oder ein Drehtisch ist.
Die DE 10 2021 117 415 A1 betrifft ein Verfahren sowie ein entsprechendes System zur Ermittlung eines Zustands einer Maschine, insbesondere zur Zustandsüberwachung einer Maschine.
Da die Zustandsveränderung der einzelnen Komponenten der Bearbeitungsmaschine nicht in Echtzeit kontrolliert werden kann, fällt eine eventuelle Betriebsstörung der Bearbeitungsmaschine oftmals erst in solchen Fällen auf, wie unerwünschte Fertigteilmaße und/oder anormale Lärmbildung. Bis dahin ist es mittels einer Operationsmodalanalytik (Operational Modal Analysis, OMA) möglich, festzustellen, welcher Bauteil der Bearbeitungsmaschine zu erkennen ist. Dieser Ablauf ist nicht nur aufwendig, sondern auch durch nicht allgemein geltende experimentelle Daten nachteilig.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Prüfverfahren und -system für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit bereitzustellen, womit man Veränderungen der dynamischen Beschaffenheit der einzelnen Schlüsselkomponenten (nämlich Unterkomponenten) eines Vorschubsystems fernüberwachen kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Prüfverfahren und -system für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit bereitzustellen, womit man Abweichung und/oder Abnormalität der dynamischen Beschaffenheit der einzelnen Schlüsselkomponenten eines Vorschubsystems in Echtzeit erkennen und daraufhin in Echtzeit handhaben kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Prüfverfahren und -system für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit bereitzustellen, womit eine versagende Komponente schnell detektiert werden kann und daher die Stillstandzeit einer Fertigungslinie verkürzt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Prüfverfahren und -system für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit bereitzustellen, womit das einem zu prüfenden Bauteil entsprechende standardmäßige digitale Zwillingsmodell für diverse Vorschubsysteme tauglich bleibt.
Zum Lösen der Aufgaben stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform ein Prüfverfahren für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit bereit, wobei das Vorschubsystem wenigstens einen zu prüfenden Bauteil mit wenigstens einer Unterkomponente umfasst. Dieses Prüfverfahren weist folgende Schritte auf, welche durch einen Prozessor implementiert werden: (A) Einrichten eines Detektors an der Unterkomponente, damit der Detektor mit dem Prozessor kommuniziert; (B) Generieren eines überwachungsanregenden Signals, indem das Vorschubsystem in einem Überwachungsmodus angeregt wurde und Vibration der entsprechenden Unterkomponenten durch den Detektor detektiert wurde; (C) Ermitteln eines Kontrollkennwertsatzes und eines Kontrollmerkmalsvektorsatzes für das überwachungsanregendes Signal mittels einer Modalanalytik; (D) Bewerten der Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes und des Kontrollmerkmalsvektorsatzes bezüglich dieses Detektors mit einem Standardkennwertsatz und einem Standardmerkmalsvektorsatz mittels eines Modalverifizierverfahrens, wobei der Standardkennwertsatz und der Standardmerkmalsvektorsatz als die standardmäßigen dynamischen Beschaffenheiten eines digitalen Zwillingsmodells gelten, welches sich auf wenigstens einen zu prüfenden Bauteil bezieht; (E) Beurteilen der dynamischen Beschaffenheit der Unterkomponenten bezüglich dieses Detektors als abweichende Beschaffenheit, solange der Kontrollkennwertsatz und der Kontrollmerkmalsvektorsatz nicht als dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz analog beurteilt wurden.
In einer weiteren Ausführungsform verfügt das digitale Zwillingsmodell über einen ersten Initialkennwertsatz und einen ersten Initialmerkmalsvektorsatz, wobei der erste Initialkennwertsatz und der erste Initialmerkmalsvektorsatz beim Generieren des digitalen Zwillingsmodells für wenigstens einen zu prüfenden Bauteil, welcher noch nicht in dem Vorschubsystem installiert ist, generiert sind. Dabei sind der Standardkennwertsatz und der Standardmerkmalvektorsatz von dem digitalen Zwillingsmodell aus den nachstehenden Schritten ergeben: (F) Generieren eines initialanregendes Signals, indem das Vorschubsystem in einem Initialmodus angeregt wurde und Vibration der entsprechenden Unterkomponenten durch den Detektor detektiert wurde, wobei es sich bei dem Initialmodus um eine Vorschubsystemphase, wo wenigstens ein zu prüfender Bauteil, der bereits nach der Auslieferung installiert wird, nun vor Eintritt in den Überwachungsmodus vorliegt; (G) Erfassen des zweiten Initialkennwertsatzes und des zweiten Initialmerkmalsvektorsatzes von dem initialanregenden Signal anhand einer Modalanalytik; (H) Bestimmen eines dem Detektor entsprechenden Standardkennwertsatzes sowie eines Standardmerkmalsvektorsatzes mittels eines Optimierungsverfahrens basierend auf dem ersten Initialkennwertsatz, dem ersten Initialmerkmalsvektorsatz sowie dem zweiten Initialkennwertsatz und dem zweiten Initialmerkmalsvektorsatz.
In einer weiteren Ausführungsform wird Schritt (H) durch die folgende Formel ausgeführt: $m i n [{(\frac{{\hat{ω}}_{n} - ω_{n}}{ω_{n}})}^{2} + (Δ M A C_{n})] \to 0$
Dabei gilt ω̂_n als n-ter erster Initialkennwert von dem ersten Initialkennwertsatz, ω_n als n-ter zweiter Initialkennwert von dem zweiten Initialkennwertsatz, ΔMAC_n als eine mit Hilfe von Modalplausibilitätskriterium (Modal Assurance Criterion, MAC) festgestellte Ähnlichkeit des n-ten ersten Initialmerkmalsvektors von dem ersten Initialmerkmalsvektorsatz mit dem n-ten zweiten Initialkennwert von dem zweiten Initialmerkmalsvektorsatz, wobei n eine positive ganze Zahl ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Prüfverfahren weiter nachstehende Schritte: (I) Beurteilen, ob der Kontrollkennwertsatz kleiner als ein Überwachungsschwellenwert ist; (J) Betrachten der mit dem Detektor zusammenhängenden Unterkomponente für fehlerhaft, solange der Kontrollkennwertsatz kleiner als der Überwachungsschwellenwert ist.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Prüfverfahren einen weiteren Schritt (K): Aktualisieren des Standardkennwertsatzes und des Standardmerkmalsvektorsatzes mittels eines Optimierungsverfahrens basierend auf dem Kontrollkennwertsatz und dem Kontrollmerkmalsvektorsatz, und Definieren des aktualisierten Standardkennwertsatzes sowie des Standardmerkmalsvektorsatzes als die aktualisierte dynamische Beschaffenheit des digitalen Zwillingsmodells, solange der Kontrollkennwertsatz und der Kontrollmerkmalsvektorsatz nicht als dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz analog beurteilt wurden.
Zum Lösen der Aufgabe wird auch noch ein Prüfsystem für Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit bereitgestellt, welches mit einem Prozessor zum Implementieren des oben genannten Verfahrens ausgestattet ist.
Weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der folgenden Zeichnungen.

1 Funktionsblockbild des Systems zum Prüfen der Abweichung der vorschubsystemspezifischen dynamischen Beschaffenheit gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
2 Flussdiagramm zum Bestimmen der standardmäßigen dynamischen Beschaffenheit eines digitalen Zwillingsmodells in einem Initialmodus gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
3 Flussdiagramm zum Überwachen der Abweichung oder Fehler der dynamischen Beschaffenheit in einem Überwachungsmodus gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
4 Ansicht eines in dem Vorschubsystem installierten Detektors gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform aus einem Blickwinkel
5 Ansicht eines in dem Vorschubsystem installierten Detektors gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform aus einem anderen Blickwinkel
6 Kennlinie der Korrelation zwischen der Eigenfrequenz einer Werkbank und der Starrheit der Gleitleiste laut einer erfindungsgemäßen Ausführungsform

Gemäß 1 bis 5 stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform ein System 1 (im Folgenden genannt: Prüfsystem 1) zum Prüfen der Abweichung der dynamischen Beschaffenheit eines Vorschubsystem 2 dar, um ein Prüfverfahren für Abweichung der dynamischen Beschaffenheit des Vorschubsystems 2 auszuführen. Dabei umfasst das Vorschubsystem 2 wenigstens ein Linearmodul 21, welches aus mehreren Bauteilen besteht, beispielsweise einer Werkbank 22 und wenigstens einer Linearantriebseinheit. In Bezug auf die Ausführungsform aus 4 beträgt die Anzahl der Linearantriebseinheiten drei, also inklusiv einer Kugelrollspindel 23 und zweien Linearschlitten 24, wobei die Kugelrollspindel 23 mehrere Unterkomponenten umfasst, nämlich eine Schnecke 231 und eine Verschlusskappe 232, und jeder Linearschlitten 24 auch mehrere Unterkomponente umfasst, nämlich eine Laufschiene 241 und zwei an der Laufschiene 241 der Werkbank 22 beweglich aufgesetzte Gleitleisten 242. Jeder Bauteil hat seine eigene dynamische Beschaffenheit, beispielsweise Masse, Dämpfung und Steifigkeit, jedoch ohne Einschränkung darauf. In dieser Ausführungsform sind zwei Linearschlitten 24 als die beispielsweise zu prüfenden Bauteile zweckmäßig zum Erfassen der Steifigkeitsabweichungen von vier Gleitleisten 242 einbezogen.
Das Prüfsystem 1 weist beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, einen Server 10, wenigstens einen Detektor 11 und eine Anregungseinheit 12 auf. Der Server 10 umfasst einen Prozessor 13 und einen mit dem Prozessor 13 elektrisch verbundenen Speicher 14.
Der Server 10 ist mit mehreren Softwaren installiert, welche gemeinsam mit dem Prozessor 13 und dem Speicher 14 ermöglichen, den Server mit einer Steuereinheit 131, einer Modalauswerteeinheit 132, einer Normierungseinheit 133, einer Ähnlichkeitsmesseinheit 134, einer Fehlermesseinheit 135, einer Modellaktualisierungseinheit 136 und einer Datenbank 141 zu konfigurieren. Die Steuereinheit 131 kann mit der Modalauswerteeinheit 132 kommunizieren, die Modalauswerteeinheit 132 kann mit der Normierungseinheit 133 kommunizieren, die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 kann mit der Fehlermesseinheit 135 kommunizieren, und die Fehlermesseinheit 135 kann mit der Modellaktualisierungseinheit 136 kommunizieren. All diese Einheiten können dabei noch mit der Datenbank 141 kommunizieren, um auf die Datenbank 141 zuzugreifen. Die Steuereinheit 131 kann auch mit dem Detektor 11 und der Anregungseinheit 12 kommunizieren, um den Detektor 11 und die Anregungseinheit 12 anzusteuern.
Auf der Datenbank 141 lassen sich beispielsweise, doch nicht abschließend Algorithmen, Schwellenwerte und verschiedene Korrespondenzdaten speichern. Die Korrespondenzen erstrecken sich beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, auf die Korrelation des Steifigkeitswerts und der Eigenfrequenz, des Werkstoffs und der Dichte, des Werkstoffs und des Young-Koeffizienten, des Detektors 11 und der Unterkomponente eines zu prüfenden Bauteils, woran der Detektor 11 liegt. Auf der Datenbank 141 können die relevanten Daten jedes Bauteils gespeichert werden, beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, Dimensionsdaten, Werkstoffdaten, Positionsdaten, Standardsteifigkeitswerte und relevante Korrespondenzen. Die Dimensionsdaten lassen sich beispielsweise während der Zeichnungsanfertigung eines 3D-Abbilds des Bauteils über eine in dem System 1 installierte Zeichnungssoftware (beispielsweise AutoCAD, jedoch ohne Einschränkung darauf) erstellen oder einstellen. Die Positionsdaten lassen sich mittels beispielsweise einer Finite-Elemente-Methode (Finite Element Method, FEM) oder einer Kontinuumsmechanik (Continuum Mechanics) aus den Pixelkoordinaten bei Probenahme von dem 3D-Bauteilabbild ergeben. Die Positionsdaten hängen auch mit der Relativstellung dieses Bauteils in dem Vorschubsystem 2 zu anderen Bauteilen zusammen.
In der vorliegenden Ausführungsform können zum Erfassen der Steifigkeitsabweichungen der Gleitleisten 242A - 242D vier Detektoren 11 vorgesehen sein, nämlich Detektoren 11A bis 11D, welche jeweils an einer Gleitleiste von 242A bis 242D an der Unterseite der Werkbank 22 angebracht sind (siehe 4). Darauf wird die erfindungsgemäße Ausführungsform allerdings nicht beschränkt. Die Detektoren 11 sind zum Detektieren der Vibration der Werkbank 22 bei den erschüttelnden Gleitleisten von 242A bis 242D bestimmt, beispielsweise aufgrund einer Beschleunigung. Die Anregungseinheit 12 ist zum Anregen des Vorschubsystems 2 bestimmt, damit sich die Werkbank 22 wegen einer Fremdkraft erschüttert. Die Anregung des Vorschubsystems 2 durch die Anregungseinheit 12 kann beispielsweise durch Klopfen oder Motorantrieb erfolgen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Messen von Steifigkeitsabweichungen der beiden Linearschlitten 24 erläutert. Bei diesem Messverfahren wird der Prozessor 13 zunächst in einen Initialmodus gebracht, um ein Standard für die virtuelle dynamische Beschaffenheit festzulegen, und anschließend in einen Überwachungsmodus gebracht, um mögliche Abweichung oder Fehler der dynamischen Beschaffenheit von den Gleitleisten 242A bis 242D nach diesem Standard regelmäßig oder unregelmäßig zu überwachen. Bei dem Initialmodus handelt es sich um eine Phase des Vorschubsystems 2, wo die beiden Linearschlitten 24 (nämlich die zu prüfenden Bauteile), die bereits nach der Auslieferung installiert sind, nun vor Eintritt in den Überwachungsmodus vorliegen. Bei dem Überwachungsmodus handelt es sich um eine Phase, wo das Vorschubsystem 2 in Betrieb genommen ist und nun überwacht werden soll.
In Bezug auf 1 und 2 weist die standardmäßige Methode zum Ermitteln der virtuellen dynamischen Beschaffenheit in dem Initialmodus beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, Folgendes auf.
In Schritt S11 sind die Gleitleisten 242A bis 242D der beiden Linearschlitten 24 an der Unterseite der Werkbank 22 befestigt. Die Vorspannung der Gleitleisten hat eine unterschiedlich starke Auswirkung auf die Vibrationsmodalität der Vorschuborgane (zwei Linearschlitten 24 mit der Werkbank 22). In dem Fall kann die Modalauswerteeinheit 132 die mit den Gleitleisten 242A bis 242D versehene Werkbank 22 als das Bezugsobjekt zur Digital-Twin-Modellierung auswählen. Aus der Datenbank 141 werden anschließend die Dimensionsdaten (beispielsweise Länge, Breite, Höhe), Werkstoffdaten und Positionsdaten der Werkbank 22 sowie die Steifigkeitswertbereiche der einzelnen Gleitleisten 242 erlangt. Diese Daten dienen dazu, ein digitales Zwillingsmodell der Werkbank 22 angesichts der beiden noch nicht in dem Vorschubsystem 2 installierten Linearschlitten 24 mittels einer in dem Speicher 14 vorhandenen Software (beispielsweise CAE (Computer Aided Engineering)-Software (beispielsweise ANSYS-Auswertesoftware)) zu erstellen und dann einen ersten Initialkennwertsatz sowie einen ersten Initialmerkmalsvektorsatz als die initiale dynamische Beschaffenheit des digitalen Zwillingsmodells zu errechnen. Der erste Initialkennwert gilt als die initiale Eigenfrequenz des digitalen Zwillingsmodells, während der erste Initialmerkmalsvektor als die Initialmodalität des digitalen Zwillingsmodells dient. Dabei ist das digitale Zwillingsmodell ein noch nicht geeichtes initiales digitales Zwillingsmodell, so dass die initiale dynamische Beschaffenheit von der realistischen dynamischen Beschaffenheit der beiden in dem Vorschubsystem 2 installierten Linearschlitten 24 einigermaßen unterschiedlich ist. Das initiale digitale Zwillingsmodell und seine initiale dynamische Beschaffenheit sind auf der Datenbank 141 für weitere Verwendung gespeichert.
In Schritt S12 können die Detektoren 11A bis 11D an einer jeweiligen Gleitleiste 242A bis 242D angebracht sein, also wie aus 4 und 5 ersichtlich.
In Schritt S13 wird die Anregungseinheit 12 in dem Initialmodus durch die Steuereinheit 131 so angesteuert, dass das stillstehende Vorschubsystem 2 angeregt wird, um die Gleitleisten 242A bis 242D zu erschüttern. Es wird zugleich durch die Steuereinheit 131 gesteuert, dass die vier Detektoren 11 die Vibrationen der Gleitleisten 242A bis 242D kontrollieren und vier initialanregende Signale zum Rücksenden an die Steuereinheit 131 erzeugen.
In dem anschießenden Schritt S14 stellt die Steuereinheit 131 der Modalauswerteeinheit 132 vier initialanregende Signale zur Verfügung, welche dann durch die Modalauswerteeinheit 132 über eine in dem Speicher 14 abgelegte Software (beispielsweise CAE-Software) mittels einer Modalanalytik und einer FFT (Fast Fourier Transformation) vom Zeitbereichssignal in das Frequenzbereichssignal konvertiert werden. Daraufhin werden sich ein zweiter Initialkennwertsatz und ein zweiter Initialmerkmalsvektorsatz für jedes initialanregende Signal ergeben. Der zweite Initialkennwert und der zweite Initialmerkmalsvektor wirken jeweils als die Ist-Eigenfrequenz und Ist-Modalität der bereits an dem Vorschubsystem 2 montierten Werkbank 22. Die Modalanalytik ist beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, eine experimentale Modalanalytik oder eine Operationsmodalanalytik.
Im letzten Schritt S15 erlangt die Normierungseinheit 133 den zweiten Initialkennwertsatz und den zweiten Initialmerkmalsvektorsatz für das initialanregende Signal jedes Detektors 11 aus der Modalauswerteeinheit 132, sowie den ersten Initialkennwertsatz und den ersten Initialmerkmalsvektorsatz aus der Datenbank 141. Daraufhin werden über die in dem Speicher 14 abgelegte Software (beispielsweise CAE-Software) mittels eines Optimierungsverfahrens aus dem ersten Initialkennwertsatz, dem ersten Initialmerkmalsvektorsatz sowie dem zweiten Initialkennwertsatz und dem zweiten Initialmerkmalsvektorsatz jedes Detektors 11 ein Standardkennwertsatz und ein Standardmerkmalsvektorsatz jedes Detektors 11 abgeleitet, damit jeder dem Detektor 11 entsprechende Initialkennwertsatz sowie jeder Initialmerkmalsvektorsatz als die standardmäßige dynamische Beschaffenheit des digitalen Zwillingsmodells funktionieren. Dabei ist das digitale Zwillingsmodell ein bereits geeichtes standardmäßiges digitales Zwillingsmodell, so dass die standardmäßige dynamische Beschaffenheit der realistischen dynamischen Beschaffenheit der beiden in dem Vorschubsystem 2 installierten Linearschlitten 24 entspricht. Durch die Normierungseinheit 133 werden das standardmäßige digitale Zwillingsmodell und die entsprechende standardmäßige dynamische Beschaffenheit sowie die Korrelationen der standardmäßigen dynamischen Beschaffenheit mit den vier Detektoren 11 auf der Datenbank 141 für weitere Verwendung gespeichert.
Das Optimierungsverfahren lässt sich beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, mittels folgender Formel ausführen. Dabei gilt ω̂_n als n-ter erster Initialkennwert von dem ersten Initialkennwertsatz, ω_n als n-ter zweiter Initialkennwert von dem zweiten Initialkennwertsatz, ΔMAC_n als eine mit Hilfe von MAC festgestellte Ähnlichkeit des n-ten ersten Initialmerkmalsvektors von dem ersten Initialmerkmalsvektorsatz mit dem n-ten zweiten Initialkennwert von dem zweiten Initialmerkmalsvektorsatz, wobei n eine positive ganze Zahl ist. $m i n [{(\frac{{\hat{ω}}_{n} - ω_{n}}{ω_{n}})}^{2} + (Δ M A C_{n})] \to 0$
Mit der festgelegten standardmäßigen dynamischen Beschaffenheit des digitalen Zwillingsmodells kann der Prozessor 13 nun in den Überwachungsmodus eintreten, um Abweichung oder Fehler der dynamischen Beschaffenheit der Gleitleisten 242A bis 242D weiter zu überwachen. In Bezug auf 1 und 3 weist die Methode zum Ermitteln der Abweichung oder Fehler der dynamischen Beschaffenheit der Gleitleisten 242A bis 242D in dem Überwachungsmodus beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, Folgendes.
Es wird zunächst in Schritt S21 die Anregungseinheit 12 durch die Steuereinheit 131 in dem Überwachungsmodus so angesteuert, dass das stillstehende Vorschubsystem 2 angeregt wird, um die Gleitleisten 242A bis 242D zu erschüttern. Es wird zugleich durch die Steuereinheit 131 angesteuert, dass die vier Detektoren 11 die Vibrationen der Gleitleisten 242A bis 242D kontrollieren und vier überwachungsanregende Signale zum Rücksenden an die Steuereinheit 131 erzeugen.
In Schritt S22 stellt die Steuereinheit 131 der Modalauswerteeinheit 132 vier überwachungsanregende Signale zur Verfügung, welche dann jeweils durch die Modalauswerteeinheit 132 über eine in dem Speicher 14 abgelegte Software (beispielsweise CAE-Software) mittels einer Modalanalytik und einer FFT (Fast Fourier Transformation) vom Zeitbereichssignal in das Frequenzbereichssignal konvertiert werden. Daraus werden sich dann ein Kontrollkennwertsatz und ein Kontrollmerkmalsvektorsatz für das überwachungsanregende Signal jedes Detektors 11 ergeben. Die Modalauswerteeinheit 132 kann ferner den Kontrollkennwertsatz und den Kontrollmerkmalsvektorsatz jedes Detektors 11 auf der Datenbank 141 speichern. Die Modalanalytik ist beispielsweise, jedoch ohne Einschränkung darauf, eine experimentale Modalanalytik oder eine Operationsmodalanalytik.
In dem anschließenden Schritt S23 erlangt die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 aus der Datenbank 141 die standardmäßige dynamische Beschaffenheit (nämlich Kontrollkennwertsatz und Kontrollmerkmalsvektorsatz jedes Detektors 11) des digitalen Zwillingsmodells sowie den in Schritt S22 errechneten Kontrollkennwertsatz und Kontrollmerkmalsvektorsatz jedes Detektors 11. Die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 kann ferner eine in dem Speicher 14 abgelegte Software (beispielsweise CAE-Software) mittels eines Modalverifizierungsverfahrens dazu nutzen, die Ähnlichkeit des Standardmerkmalsvektorsatzes mit dem Kontrollmerkmalsvektorsatz vom selben Detektor 11 zu bewerten, sowie die Ähnlichkeit des Standardkennwertsatzes mit dem Kontrollkennwertsatz vom selben Detektor 11 zu entscheiden. Als das Modalverifizierungsverfahren findet beispielsweise das Modalplausibilitätskriterium Anwendung.
Mittels des Modalplausibilitätskriteriums lässt sich die Ähnlichkeit eines Standardmerkmalsvektorsatzes mit einem Kontrollmerkmalsvektorsatz über die nachfolgende Formel ermitteln, wobei MAC(r,q) die Ähnlichkeit ist, Ø_r die Matrix des Kontrollmerkmalsvektorsatzes ist, Ø_q die Matrix des Standardmerkmalsvektorsatzes ist, $\emptyset_{r}^{T}$
die transponierte Matrix des Kontrollmerkmalsvektorsatzes ist und $\emptyset_{q}^{T}$
die transponierte Matrix des Standardmerkmalsvektorsatzes ist. $M A C (r, q) = \frac{{| \emptyset_{r}^{T} \times \emptyset_{q}^{T} |}^{2}}{(\emptyset_{r}^{T} \times \emptyset_{r}) \times (\emptyset_{q}^{T} \times \emptyset_{q})}$
In Schritt S24 kann die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 ferner die in Schritt S23 ermittelte Ähnlichkeit mit einem Ähnlichkeitsschwellenwert (beispielsweise 0,8) zweckmäßig vergleichen, um die Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes und des Kontrollmerkmalsvektorsatzes jeweils mit dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz vom selben Detektor 11 zu bewerten.
In Schritt S24 wird die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 den Kontrollkennwertsatz als dem Standardkennwertsatz analog beurteilen, solange die Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes mit dem Standardkennwertsatz vom selben Detektor 11 größer oder gleich dem Ähnlichkeitsschwellenwert ist. In Schritt S24 wird die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 auch den Kontrollmerkmalsvektorsatz als dem Standardmerkmalsvektorsatz analog beurteilen, solange die Ähnlichkeit des Kontrollmerkmalsvektorsatzes mit dem Standardmerkmalsvektorsatz größer oder gleich dem Ähnlichkeitsschwellenwert ist. Da die Korrelation jedes Detektors 11 mit der entsprechenden Gleitleiste 242 bereits auf der Datenbank 141 protokolliert ist, kann die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 in dem nachfolgenden Schritt S25 dem aus dem Schritt S24 ergebenen Urteil zufolge entscheiden, dass der dem Standardmerkmalsvektorsatz analoge Kontrollmerkmalsvektorsatz des Detektors 11 nicht von dem aktuellen Steifigkeitswert der Gleitleiste 242 abweicht. Danach wird dieses Ergebnis auf der Datenbank 141 geschrieben.
In Schritt S24 wird die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 den Kontrollkennwertsatz als nicht dem Standardkennwertsatz analog beurteilen, solange die Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes mit dem Standardkennwertsatz vom selben Detektor 11 kleiner als der Ähnlichkeitsschwellenwert ist. In Schritt S24 wird die Ähnlichkeitsmesseinheit 134 den Kontrollmerkmalsvektorsatz als nicht dem Standardmerkmalsvektorsatz analog beurteilen, solange die Ähnlichkeit des Kontrollmerkmalsvektorsatzes mit dem Standardmerkmalsvektorsatz vom selben Detektor 11 kleiner als der Ähnlichkeitsschwellenwert ist. Bis dahin kann die Fehlermesseinheit 135 in dem nachfolgenden Schritt S26 aus der Datenbank 141 ein Überwachungsschwellenwert M erlangen, um es zu bewerten, ob der dem Standardkennwertsatz nicht analoge Kontrollkennwertsatz kleiner als der Überwachungsschwellenwert M ist.
Die Antwort Nein in Schritt S26 bedeutet, dass zwischen dem Kontrollkennwertsatz des Detektors 11 und der aktuellen dynamischen Beschaffenheit der Gleitleiste 242 eine zulässige Abweichung vorliegt. Daraufhin wird die Fehlermesseinheit 135 in Schritt S27 auf die vorliegende Abweichung des aktuellen Steifigkeitswerts von der Gleitleiste 242 hinweisen und das Urteil auf der Datenbank 141 schreiben. In Schritt S28 wird die Modellaktualisierungseinheit 136 die in dem Speicher 14 abgelegte Software (z. B. CAE-Software) mittels eines Optimierungsverfahrens dazu nutzen, das auf der Datenbank 141 gespeicherte digitale Zwillingsmodell und die entsprechende virtuelle dynamische Beschaffenheit (nämlich Standardkennwertsatz und Standardmerkmalsvektorsatz) basierend auf dem Kontrollkennwertsatz und Kontrollmerkmalsvektorsatz zu aktualisieren, und daraufhin jeden aktualisierten Standardkennwertsatz und Standardmerkmalsvektorsatz als die aktualisierte dynamische Beschaffenheit des digitalen Zwillingsmodells zu definieren.
Die Antwort Ja in Schritt S26 bedeutet hingegen, dass zwischen dem Kontrollkennwertsatz des Detektors 11 und dem aktuellen Steifigkeitswert der Gleitleiste 242 eine unzulässige Abweichung vorliegt. Daraufhin wird die Fehlermesseinheit 135 in Schritt S29 auf die vorliegende Abweichung des aktuellen Steifigkeitswerts der Gleitleiste 242 hinweisen. In dem Fall wird ein Fehlersignal erzeugt und das Urteil auf der Datenbank 141 geschrieben.
Im Folgenden werden die Detektoren 11A bis 11D als Beispiel erläutert. Da sich die Gleitleisten 242A bis 242D der beiden Linearschlitten 24 nach einer bestimmten Laufzeit unterschiedlich verschleißen, kann der Steifigkeitswert von wenigstens einer Gleitleiste 242 unter den Gleitleisten 242A bis 242D anfänglich als abweichend beurteilt werden, indem die Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes von jedem Detektor 11 mit dem Standardkennwertsatz in Schritt S24 bewertet wurde, bzw. erkannt werden, von welcher Gleitleiste 242 unter den Gleitleisten 242A bis 242D ein abweichender Steifigkeitswert bereits vorliegt, indem die Ähnlichkeit des Kontrollmerkmalsvektorsatzes von jedem Detektor 11 mit dem Standardmerkmalsvektorsatz in Schritt S24 bewertet wurde. In 6 ist die Kennlinie der Korrelation zwischen den Eigenfrequenzen und den Steifigkeitswerten der einzelnen Gleitleisten gezeigt. Dabei stellt die Längsachse verschiedene Eigenfrequenzen der Werkbank 22 dar und stellt die Querachse verschiedene Steifigkeitswerte der einzelnen Gleitleisten dar. Jede Eigenfrequenz hängt mit einem Steifigkeitswert zusammen, wobei der mit der Eigenfrequenz F1 komplementäre Steifigkeitswert R1 der Steifigkeitswert von jener Gleitleiste, die bei der Auslieferung bereits stark vorgespannt ist, ist und der mit der Eigenfrequenz F2 (nämlich Überwachungsschwellenwert M) komplementäre Steifigkeitswert R2 der Steifigkeitswert von jener Gleitleiste, deren Vorspannung bereits verschwunden ist, ist. Die Korrelationen zwischen den Eigenfrequenzen und den Steifigkeitswerten der einzelnen Gleitleisten sind vorab auf der Datenbank 141 gespeichert.
In diesem Beispiel bedeutet bei Schritt S24, falls der Kontrollkennwertsatz und der Kontrollmerkmalsvektorsatz nicht analog dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz von jedem Detektor 11 unter den Detektoren 11A bis 11D bleiben, dass der Kontrollkennwertsatz jedes Detektors 11 niedriger als die Eigenfrequenz F1 ist und die Steifigkeitswerte der mit den Detektoren 11A bis 11D zusammenhängenden Gleitleisten 242A bis 242D niedriger als die Steifigkeitswerte R1 gesunken sind.
In diesem Beispiel bedeutet bei Schritt S26, falls nur der Kontrollkennwertsatz von dem Detektor 11D niedriger als die Eigenfrequenz F2 bleibt, dass die Steifigkeitswerte der mit den Detektoren 11A bis 11C zusammenhängenden Gleitleisten 242A bis 242C zwar bereits gesunken, dennoch größer oder gleich den Steifigkeitswerten R2 sind, während der Steifigkeitswert der mit dem Detektor 11D zusammenhängenden Gleitleiste 242D unzulässig niedriger als der Steifigkeitswert R2 gesunken ist und der Steifigkeitswert der Gleitleiste 242D daher außerhalb einer zulässigen Toleranz bleibt. In diesem Fall wird die Fehlermesseinheit 135 ein Signal bezüglich der Anomalität der Gleitleiste 242D ausgeben. Dadurch kann eine versagende Komponente schnell aufgefunden werden.
Falls die Überwachungsdaten (jeder ermittelte Kontrollkennwertsatz sowie Kontrollmerkmalsvektorsatz) zu verschiedenen Zeitpunkten über eine mit dem Prozessor 13 kommunizierbare Nutzerschnittstelle (nicht gezeigt) demonstriert werden, kann man Zustände der einzelnen Gleitleisten 242A bis 242D in Echtzeit erfassen. Dadurch kann eine versagende Gleitleiste 242 (beispielsweise Gleitleiste 242D) festgestellt und dann ausgetauscht werden. Des Weiteren kann man durch die Schritte S24 bis S27 und S29 erkennen, dass wenigstens eine Gleitleiste 242 unter den Gleitleisten 242A bis 242D in der Werkbank 22 versagt und ausgetauscht werden soll und welche Gleitleiste 242 davon versagt und ausgetauscht werden soll. Die Nutzerschnittstelle kann auf einem mit dem Server 10 elektrisch verbundenen Display und einem mit dem Server 10 fernverbundenen Computer angezeigt werden, um zweckmäßige Nah- und Fernüberwachung zu realisieren.
In den obigen Ausführungsformen sind zwei Linearschlitten 24 als die zu prüfenden Bauteile vorgeführt. Darauf wird die erfindungsgemäße Ausführungsform allerdings nicht beschränkt. In einer weiteren Ausführungsform kann die Kugelrollspindel 23 ebenfalls als der zu prüfende Bauteil dienen. So kann in Schritt S11 eine Schnecke 231 als das Bezugsobjekt zur Digital-Twin-Modellierung ausgewählt werden und dann der auf der Datenbank 141 vorab gespeicherte Steifigkeitswertebereich, die Schneckengröße, der Schneckenwerkstoff, die Schneckenpositionsdaten der Verschlusskappe 232 (nämlich Unterkomponente) sowie die Dimensionsdaten, Werkstoffdaten und Positionsdaten der Schnecke 231 dazu genutzt werden, ein entsprechendes digitales Zwillingsmodell zu erstellen und einen ersten Initialkennwertsatz sowie einen ersten Initialmerkmalsvektorsatz von diesem digitalen Zwillingsmodell zu errechnen. Daraufhin kann die Steifigkeitswertänderung der Verschlusskappe 232 durch die Schritte S12 bis S15 und S21 bis S28 in Echtzeit überwacht werden, wobei der Detektor 11 an der Verschlusskappe 232 angebracht ist.
Für diverse Vorschubsysteme sind sowohl das erstellte digitale Zwillingsmodell als auch das vorliegende erfindungsgemäße Prüfverfahren tauglich.

Claims

Prüfverfahren für Abweichung der dynamischen Beschaffenheit eines Vorschubsystems (2), wobei das Vorschubsystem (2) wenigstens einen zu prüfenden Bauteil (23, 24) mit wenigstens einer Unterkomponente (231, 232, 241, 242) umfasst und das Prüfverfahren folgende Schritte aufweist, welche durch einen Prozessor (13) implementiert werden: • (A) Einrichten eines Detektors (11) an der Unterkomponente (231, 232, 241, 242), damit der Detektor (11) mit dem Prozessor (13) kommuniziert; • (B) Generieren eines überwachungsanregenden Signals, indem das Vorschubsystem (2) in einem Überwachungsmodus angeregt wurde und Vibration der entsprechenden Unterkomponenten (231, 232, 241, 242) durch den Detektor (11) detektiert wurde; • (C) Ermitteln eines Kontrollkennwertsatzes und eines Kontrollmerkmalsvektorsatzes für das überwachungsanregende Signal mittels einer Modalanalytik; • (D) Bewerten der Ähnlichkeit des Kontrollkennwertsatzes und des Kontrollmerkmalsvektorsatzes bezüglich des Detektors (11) mit einem Standardkennwertsatz und einem Standardmerkmalsvektorsatz bezüglich des Detektors (11) mittels eines Modalverifizierungsverfahrens, wobei der Standardkennwertsatz und der Standardmerkmalsvektorsatz als die standardmäßigen dynamischen Beschaffenheiten eines digitalen Zwillingsmodells gelten, welches sich auf wenigstens einen zu prüfenden Bauteil (23, 24) bezieht; und • (E) Beurteilen der dynamischen Beschaffenheit der Unterkomponenten (231, 232, 241, 242) bezüglich des Detektors (11) als abweichende Beschaffenheit, solange der Kontrollkennwertsatz und der Kontrollmerkmalsvektorsatz bezüglich des Detektors (11) als nicht dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz analog beurteilt wurden.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Zwillingsmodell über einen ersten Initialkennwertsatz und einen ersten Initialmerkmalsvektorsatz verfügt, wobei der erste Initialkennwertsatz und der erste Initialmerkmalsvektorsatz beim Erstellen des digitalen Zwillingsmodells für wenigstens einen zu prüfenden Bauteil (23, 24), welcher noch nicht im Vorschubsystem (2) installiert ist, generiert sind, wobei der Standardkennwertsatz und der Standardmerkmalvektorsatz von dem digitalen Zwillingsmodell aus folgenden Schritten ergeben sind: • (F) Generieren eines initialanregenden Signals, indem das Vorschubsystem (2) in einem Initialmodus angeregt wurde und Vibration der entsprechenden Unterkomponenten (231, 232, 241, 242) durch den Detektor (11) detektiert wurde, wobei es sich bei dem Initialmodus um eine Vorschubsystemphase, wo wenigstens ein zu prüfender Bauteil (23, 24), der bereits nach der Auslieferung installiert wird, nun vor Eintritt in den Überwachungsmodus vorliegt; • (G) Erfassen des zweiten Initialkennwertsatzes und des zweiten Initialmerkmalsvektorsatzes von dem initialanregenden Signal anhand einer Modalanalytik; und • (H) Bestimmen eines mit dem Detektor (11) zusammenhängenden Standardkennwertsatzes sowie eines Standardmerkmalsvektorsatzes mittels eines Optimierungsverfahrens basierend auf dem ersten Initialkennwertsatz, dem ersten Initialmerkmalsvektorsatz sowie dem zweiten Initialkennwertsatz und dem zweiten Initialmerkmalsvektorsatz des Detektors (11).
Prüfverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (H) durch die folgende Formel ausgeführt wird: $m i n [{(\frac{{\hat{ω}}_{n} - ω_{n}}{ω_{n}})}^{2} + (Δ M A C_{n})] \to 0$
• dabei gilt ω_̂n als n-ter erster Initialkennwert von dem ersten Initialkennwertsatz, ω_n als n-ter zweiter Initialkennwert von dem zweiten Initialkennwertsatz, ΔMAC_n als eine mit Hilfe von einem Modalplausibilitätskriterium festgestellte Ähnlichkeit des n-ten ersten Initialmerkmalsvektors von dem ersten Initialmerkmalsvektorsatz mit dem n-ten zweiten Initialkennwert von dem zweiten Initialmerkmalsvektorsatz, wobei n eine positive ganze Zahl ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, welches weiter Folgendes aufweist: • (I) Beurteilen, ob der Kontrollkennwertsatz kleiner als ein Überwachungsschwellenwert (M) ist; und • (J) Betrachten der mit dem Detektor (11) zusammenhängenden Unterkomponente (231, 232, 241, 242) als fehlerhaft, solange der Kontrollkennwertsatz kleiner als der Überwachungsschwellenwert (M) ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfverfahren ferner folgenden Schritt umfasst, solange der Kontrollkennwertsatz und der Kontrollmerkmalsvektorsatz nicht analog dem Standardkennwertsatz und dem Standardmerkmalsvektorsatz sind: • (K) Aktualisieren des Standardkennwertsatzes und des Standardmerkmalsvektorsatzes mittels eines Optimierungsverfahrens basierend auf dem Kontrollkennwertsatz und dem Kontrollmerkmalsvektorsatz und Definieren des aktualisierten Standardkennwertsatzes sowie des Standardmerkmalsvektorsatzes als die aktualisierte dynamische Beschaffenheit des digitalen Zwillingsmodells.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modalanalytik eine experimentale Modalanalytik oder eine Operationsmodalanalytik ist.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung des Vorschubsystems (2) durch Klopfen oder Motorantrieb erfolgt.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Beschaffenheit der Unterkomponente (231, 232, 241, 242) Masse, Dämpfung und Steifigkeit umfasst.
Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu prüfende Bauteil (23, 24) als Linearschlitten (24) oder Kugelrollspindel (23) vorliegt, wobei die Unterkomponente (231, 232, 241, 242) eine Laufschiene (241) oder Gleitleiste (242) ist, falls der zu prüfende Bauteil (23, 24) als Linearschlitten (24) vorliegt, während die Unterkomponente (231, 232, 241, 242) eine Schnecke (231) oder eine Verschlusskappe (232) ist, falls der zu prüfende Bauteil (23, 24) als Kugelrollspindel (23) vorliegt.
Prüfsystem (1) für Abweichung der dynamischen Beschaffenheit eines Vorschubsystems (2), wobei das Prüfsystem mit einem Prozessor (13) zum Implementieren des Prüfverfahrens nach Anspruch 1 konfiguriert ist.