监测由电动机驱动的变速器的方法与流程

1.本发明涉及一种用于监测由具有电机控制器的电动机驱动的变速器的方法。


背景技术：

2.带有该类型变速器的电动机特别地广泛用于工业环境。电机、变速器和电机控制器的这种组合在下文中称为驱动器。此类驱动器通常执行对集成这些驱动器的相应工业过程至关重要的任务。这意味着，如果驱动器出现故障，不仅会产生驱动器本身维修和/或更换的成本，而且进一步还会出现对驱动器的操作者更严重的伤害。如果由于驱动器故障导致生产中断，情况尤其如此。
3.因此过去已经开发了用于设计相应驱动器的方法，旨在确保不会发生过早的驱动器故障，即特别是驱动器在其预定使用寿命之前发生故障。
4.此外，存在这样的方法，根据这些方法对这种驱动器的运行参数进行监测以便足够早地警告在相应应用中可能增加的磨损以及任何产生的驱动器的过早故障。被监测的运行参数可以是例如速度、转矩和/或操作时间。
5.然而，驱动器过早故障在实践中仍然可能发生。


技术实现要素：

6.因此，本发明的任务是提供一种用于监测由具有电机控制器的电动机驱动的变速器的方法，其降低了驱动器过早故障的风险和/或实现了对变速器更温和的操作模式。
7.本发明通过具有权利要求1的特征的方法来实现。从属权利要求的特征涉及有利的实施例。
8.根据本发明，该方法提供监测随着转矩过零的负载变化。此处，电动机和/或电机控制器的至少一个运行参数被测量和/或评估以监测负载变化。
9.该方法基于以下认知：过零负载变化，即驱动器施加在变速器上的转矩方向发生变化时的负载变化，会在特定程度上导致变速器的磨损。变速器尤其可以是有齿变速器。
10.这尤其涉及当变速器具有所谓的游隙时的情况。这特别是指当发动机施加在变速器上的转矩方向发生变化时，在负载变化期间，导致变速器中的齿面短时间失去相互接触的齿轮齿隙。只有当齿面彼此重新啮合时，变速器才会将转矩传递回由变速器驱动的设备。这导致电机在负载变化的瞬间必须处理比负载变化之前和之后的运行期间低得多的负载，电机的调节或控制通常是为此设计的。在这短暂的时刻，电机只需要移动自身的一部分。这会导致齿面在脱离啮合时彼此建立一定的相对速度，因此，当它们彼此重新啮合时，它们会以某种力相互撞击。这会导致齿面磨损，进而导致齿轮间隙或游隙的进一步增大。
11.然而，在负载变化期间的这种增加的磨损也会出现在没有齿侧间隙的齿轮组中，例如预加载的齿轮组，尤其是预加载的行星齿轮组。在这种齿轮组中，齿面不能脱离。然而，在电机的具有过零转矩的负载变化期间，变速器上会出现增大的应力。在这些情况下，负载变化会导致齿面的表面之间的压力增大，这也会导致磨损增加，从而导致齿轮组过早老化。
12.该方法可以提供对负载变化的监测，用于检测并且尤其是用信号通知临界运行状态。例如，这使得可以在试运行期间检测齿轮组是否会因后续操作中的负载变化而承受比齿轮组设计允许的更大的应力。例如，当出现临界操作条件时，可以输出光学和/或声学信号。在这种情况下，例如可以通过改变控制参数，特别是发动机控制系统的控制参数，实现更加保护齿轮的操作模式。然而，临界运行状态不仅可以在试运行期间发出信号，而且也可以在后续运行期间发出信号。这在操作过程中由驱动器执行的运动变化很大的应用中特别有用。例如，手动控制的驱动器就是这种情况。在这种情况下，关键运行状态的信号警告操作人员，以便他们可以影响驱动器的运行模式，以便在负载变化时保护齿轮组。
13.替代地和/或另外地，负载变化的监测可以用于记录变速器的负载和/或磨损。这尤其可以通过存储在测量电动机的至少一个运行参数及其评估期间获得的数据来实现。通过这些数据可以得出关于齿轮组的负载和/或磨损的类型和/或程度的结论。通过这种方式，可以进行回顾性故障分析。特别地，数据可以存储在所谓的电子日志中。以这种方式获得的数据也可以评估用于驱动器的设计。这些数据还可以支持维护和/或维修工作，例如，通过在运行期间驱动器故障之前，作为计划维护间隔的一部分，及时响应增加的磨损。
14.替代地和/或另外，监测可用于触发自动操作干预。自动操作干预可以是紧急停机。这种紧急停机尤其可以最终防止间接损坏的发生。也可能的是，自动操作干预首先提供运行模式的适配，例如通过在负载变化时以较低的速度或转矩梯度致动驱动器。换句话说，这意味着一种类型的“保存操作”根据对负载变化的监测而触发。
15.被测量的电动机或电机控制单元的运行参数可以是转矩、电机位置、速度、电压、电流和/或功率。在电动机和/或电机控制领域中的运行参数的测量具有以下优点：在电机控制和/或电动机领域中——与变速器领域相反——特定的计量基础设施已经可用。通常，至少一个合适的电压源和/或电缆可用。通常，电动机和/或电机控制器也已经具有测量运行参数所需的传感器技术，因为这例如可用于控制目的。
16.尤其是，上述运行参数的随时间变化的进程可以在齿轮游隙方面进行评估。例如，在监测电机位置时，可以确定位置误差，即实际电机位置与理想(即理想的刚性且没有任何齿隙)驱动部分产生的电机位置的偏差。如果电机旋转方向发生变化并且齿轮组存在齿轮游隙，则会导致位置误差过程中出现特征性跳跃点。
17.替代地和/或附加地，例如，转矩和电机位置的随时间变化的过程可以作为彼此的函数被测量和评估。在负载变化过程中电机转旋方向刚反转后，由于齿轮齿隙，转矩最初会很低，并且在齿面相互啮合时的瞬间急剧上升。关于齿轮齿隙的结论也可以从电机在急剧转矩上升之前已经旋转的角度得出。
18.特别是，可以监测负载循环数。负载循环数可以作为变速器上机械负载的量度。这可以是该方法的有利设计，特别是如果负载变化在由它们引起的变速器上的机械负载方面彼此仅在很小程度上不同。特别地，超过预定的负载循环数可以被检测为临界运行状态。可以用信号通知检测到的临界运行状态。
19.可以对负载变化的频率进行监测。负载变化的频率可以是负载变化的瞬时频率，其可以例如从到相应的后续负载变化的时间间隔计算。替代地和/或补充地，可以考虑在特定时间段内平均的频率。例如，平均频率还可以通过记录特定时间段内的负载变化数并随着负载变化的频率对其进行监测来确定。更高频率的负载变化相应地导致变速器上更高的
机械负载。超过指定的频率可以被检测到并作为临界运行条件发出信号。
20.此外，可以监测齿轮间隙。齿轮齿隙可以看作是发动机现有磨损的度量。因此，超过预定的齿轮齿隙可以被检测到并作为临界运行条件发出信号。
21.在这种情况下，特别有利的是，通过根据电机位置的时间相关特性来监测电机转矩的时间相关特性来如上所述地监测齿轮齿隙。同样，可以在转矩过零时监测与时间相关的转矩梯度。如果超过预定的转矩梯度，这可以被检测到并作为临界运行状态发出信号。
22.例如，电机位置可以通过旋转编码器确定。如果电机(通常是这种情况)无论如何都配备了旋转编码器，则这是特别有利的。转矩可以有利地从电机的电运行参数获得——特别是电压和/或电流。以此方式，可以以相对简单的方式确定用于监测负载变化的运行参数。
23.此外，负载的特征值和/或变速器的磨损可以根据负载变化次数、负载变化频率、齿轮间隙和/或转矩梯度的监测结果来确定。这样的特征值可以考虑变速器磨损的不同因素，从而与仅监测上述与磨损相关的因素之一的情况相比，总体上获得了对变速器磨损的更准确测量。可以对超过该特征值的指定值进行检测并将其作为临界运行条件发出信号。
24.在确定负载的特征值和/或变速器磨损时，可以使用能量平衡。因此，对于负载变化期间变速器中发生的“冲击”，可以计算出该冲击前后系统中的动能之差。该差可以用作冲击期间塑性材料变形所消耗的能量的度量，至少可以作为很好的近似值。
25.电动机可以由逆变器控制。然后可以在转换器处测量诸如电压和/或电流之类的运行参数。用于控制电动机的现代转换器还具有相应的控制和/或调节电子装置，其因此可以集成到所述过程的实施方式中。
26.该方法可以提供，考虑到受相应负载变化影响的传动元件的面积来评估至少一个运行参数。每当变速器的元件相对于彼此处于特定位置时，当负载变化以统计累积发生时，这尤其有用。变速器的元件，例如齿轮，然后统计性地聚集在彼此接合的某些区域中。这些区域然后比受影响的变速器的其他区域受到更大的磨损。
27.因此，检测各个齿轮元件和/或电机的角位置可能是有用的。然后至少一个运行参数可以根据该位置或这些记录的位置来评估。这使得可以识别因负载变化而增大的磨损所影响的各个变速器元件的区域。
28.变速器元件可以是齿轮。理想情况下，然后可以识别受相应的负载变化影响的各个齿。为此，特别是可以检测电机轴的角位置和/或变速器的轴的角位置。然后至少一个运行参数可以根据相应的受影响的齿来评估。如果变速器涉及执行频繁负载变化的重复运动模式，这尤其可以更好地评估变速器的使用寿命。
29.特别是如果齿轮组为工业机器人的部件，则为后者这种情况。在工业机器人的应用中，驱动器很少能完成整个旋转。而是，它们通常只旋转无限的角度范围。这也适用于自动化技术领域。在这里也有大量的驱动任务，其中驱动器重复执行相同的运动，并且相对于所覆盖的总距离，执行大量的负载变化。
30.在所有这些应用中，如果变速器的相同齿反复受到负载变化的影响，相较于变速器中由于负载变化而导致齿上的应力随机分布且因此均匀分布在所有齿上，其磨损将快得多。因此，考虑受到相应负载变化影响的齿轮元件的区域而进行的评估在此类应用中尤其有利。
附图说明
31.下面结合附图描述本发明进一步的实际实施例和优点。其中示出了：
32.图1示出了作为负载循环数量的函数的齿轮齿隙；
33.图2示出了由齿轮齿隙引起的电机位置和位置误差的示例；
34.图3示出了制动过程中负载位置的示例；
35.图4示出了在两次负载变化期间电机位置、负载位置和电机转矩的示例。
具体实施方式
36.图1示出了作为负载变化次数的函数的齿轮齿隙10的变化的示例。齿轮齿隙10的变化通常表现出——至少基本上为——指数行为。齿轮齿隙10在变速器的大部分使用寿命期间基本保持恒定。然而，在变速器的使用寿命即将结束时，变速器齿隙10急剧增大。这是因为随着变速器齿隙10的增大，由于负载变化而导致变速器上的负载也会增大，从而导致对变速器的损坏。这个结果是一个自我强化的过程，最终导致齿轮组损坏。
37.因此，在实践中，了解齿轮齿隙10相对急剧增大的时间点以及变速器的越来越快的损坏开始的时间点是有意义的。由于在实践中最好不要让它达到齿轮组的损坏点，而是在较早的时间点安排定期维护或定期更换齿轮组，这提供了以下可能性，即把超过一定的、最大允许的齿轮组齿隙10定义为齿轮组的使用寿命14的结束。
38.以特别有利的方式，通过根据本发明的方法获得的关于变速器的使用寿命与负载变化的相关性的知识可以用于设计未来的驱动器。软件解决方案尤其可以用于此目的。通过根据本发明的方法获得的数据，特别是关于负载变化对变速器使用寿命的影响的数据，因此可以用于改进未来驱动的规划。
39.图2示出了由齿轮齿隙10引起的电机位置16和位置误差20如何随时间变化。在所示示例中，电机位置16的时间特性具有电机运动方向的三个反转点18。这些由电机位置16过程中的极大值表示。
40.作为时间的函数的位置误差20的过程示出了在反转点18处的规则跳跃点22。这些由齿轮齿隙10引起，此时齿面在电动机转矩为零的时刻短暂脱离，然后再次相互碰撞。这些跳跃点22的“高度”代表齿轮齿隙10。
41.在不改变电机旋转方向的情况下，具有电机转矩过零的进一步的负载变化发生在电机的驱动和制动操作之间的过渡24处。在作为示例示出的过渡24处，通过电机发生短暂的“中间制动”。因此，齿面会因齿轮组的惯性而短暂脱离啮合，直到电机的制动作用开始。在所示示例中，短暂制动之后紧接着另一个负载变化，在此期间发生从电机运行的制动模式到驱动模式的过渡26。结果，在过渡24和26之间形成位置误差20的峰值28。
42.由短暂的“中间减速”产生的峰值28——严格来说——为两个紧随其后的跳跃点22，因为它们也出现在反转点18处。由于当前情况涉及非常短的中间减速，紧接着又是驱动阶段，这两个跳跃点22示出了峰值28的形状。如果过渡24和26之间的减速阶段持续更长的时间，则两个跳跃点22将形成在位置误差20而不是峰值28的过程中。
43.如果电机的运动仅经历电机运动方向上的加速30，则情况不同。在这种情况下，转矩急剧增大，但转矩曲线没有过零，即没有负载变化。因此，在位置误差20的过程中也没有跳跃点22。
44.图3示出了负载位置如何因现有齿轮齿隙而变化的示例。齿轮齿隙32对应于最大位置34和最小位置36之间的差值。由驱动器移动的负载可以处于由电机位置指定的最大位置34和同样由电机位置指定的最小位置36之间的位置。在最大位置34和最小位置的情况下，变速器的齿面彼此接触。
45.作为在图3中的示例所示的运动序列示出了由电机驱动的负载的减速形式的负载变化，该负载最初以恒定的初始速度移动。因此，时间0处的负载位置38等于最小位置36。这意味着齿面彼此相邻，使得在运动的正向方向上驱动负载的力可以传递到负载，但不传递到减速端。
46.与由于初始仍未制动的负载的初始速度而更陡的负载位置38的曲线相比，减速导致由电机位置指定的最大位置34和由电机指定的最小位置36的更平坦的曲线。齿面最初脱离，直到负载位置38到达最大位置34。在该冲击点40处，齿面相互碰撞。
47.由于该冲击的弹性分量，载荷的运动方向被反转，直到冲击点41处的载荷位置38再次对应于最小位置36。齿面再次碰撞，负载的运动方向再次反转。
48.在进一步的运动过程中，负载位置38再次到达最大位置34。由于之前的冲击已经部分耗散了动能，在进一步的运动过程中齿面的接触使得制动力可以通过齿面传递到负载。然后负载位置38对应于最大位置34。现在负载的进一步制动可以在没有进一步冲击的情况下发生。
49.图4示出了电机的电机速度42和被驱动负载的负载速度44的示例性曲线。图4中的第二图表示出了电机转矩46的相应曲线。两个图表的时间轴是相同的。
50.在所示示例中，当发动机从静止位置加速时发生第一负载变化48。此处，当电机速度42开始上升时，电机转矩46最初仅略微增大。在所示示例中，齿面最初彼此不接触，因此负载速度44最初保持为0。只有当齿面彼此接触时，负载的负载速度44才开始突然增大。转矩也急剧增大。
51.齿面相互之间的冲击及其弹性分量将负载加速到一定程度，使得齿面最初再次脱离。负载速度44在短时间内“超过”电机速度42，直到齿面在进一步冲击中发生碰撞。这最初降低了负载速度44并且因此制动了负载，导致电机转矩46突然改变并且甚至对于齿面的冲击时刻呈现负值。
52.然而，由于电机的进一步加速和电机速度42的增大，齿面不久之后再次相互啮合，这次使得负载加速并且负载速度44开始再次增大。电机转矩46相应地再次突然上升。随着过程继续，电机速度42和负载速度44收敛。
53.在进一步的过程中，发生另外的负载变化50，在此期间，负载的减速由电机启动。因此，轻微的负电机转矩46最初产生，这导致电机速度42降低。由于惯性，即使在负载变化50的情况下，负载速度44最初保持恒定直到齿面彼此接合。最初，齿面以这样的方式相互接合，即它们可以将负载制动力从电机传递到负载。因此，负载速度44开始快速降低，并且电机转矩46的幅度朝着更高的负值增大，形成负转矩峰值。
54.由于齿面相互冲击的弹性分量，负载最初突然减速到负载速度44低于电机速度42的值的程度。在这一点处，齿面再次首先相互脱离，然后在一个方向上相互碰撞，其中，此时电机速度42高于负载速度44，电机再次对负载施加加速作用。因此，存在电机转矩46的正转矩峰值，并且由于该冲击的弹性分量，负载速度44最初再次呈现略高于电机速度42的值。
55.由于冲击的弹性分量，齿面再次相互分离，然后相互反向啮合，即，使得电机对负载施加减速作用。因此，最初形成了进一步的负转矩峰值。然而，在该示例中，之前的冲击已经耗散了如此多的动能，以至于没有重新开始的转矩反转，即，齿面在“反向方向”没有重新开始的啮合。而是，在进一步的运动过程中，负载速度44等于电机速度42。在图4中的电机转矩46的过程中可以清楚地看到的转矩峰值非常适合在评估电机转矩46的过程时识别和评估临界负载变化。
56.在本说明书、附图以及权利要求书中公开的本发明的特征对于在其各种实施例中实现本发明是必要的，既可以是单独的又可以任意组合。本发明不限于上述实施例。可以在权利要求的范围内并考虑本领域相关技术人员的知识进行改变。
57.附图标记列表
58.10 齿轮齿隙
59.12 最大允许的齿轮齿隙
60.14 使用寿命结束
61.16 电机位置
62.18 反向点
63.20 位置误差
64.22 跳跃点
65.24 驱动
‑
制动过渡
66.26 制动
‑
驱动过渡
67.28 峰值
68.30 加速
69.32 齿轮齿隙
70.34 最大位置
71.36 最小位置
72.38 负载位置
73.40 冲击点
74.41 冲击点
75.42 电机速度
76.44 负载速度
77.46 电机转矩
78.48 负载变化
79.50 负载变化。