PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004045291A1 05.01.2006
Titel Messung der Schwingung von Riemen bei Riementrieben
Anmelder DaimlerChrysler AG, 70567 Stuttgart, DE
Erfinder Biemelt, Andreas, Dipl.-Ing., 70597 Stuttgart, DE;
Hagemann, Claus, Dipl.-Ing., 73760 Ostfildern, DE;
Illek, Michael, Dipl.-Ing., 82319 Starnberg, DE;
Peter, Frank, Dipl.-Phys., 83026 Rosenheim, DE;
Reinhardt, Norman, Dipl.-Ing., 80992 München, DE;
Riegel, Stefan, Dipl.-Ing., 73760 Ostfildern, DE
DE-Anmeldedatum 16.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004045291
Offenlegungstag 05.01.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.01.2006
IPC-Hauptklasse G01H 9/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse G01L 5/04(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      G01M 1/10(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Eine Kamera wird auf einen Riemen 10 ausgerichtet, so dass, ausgehend von den von der Kamera erfassten Bilddaten des Riemens, mittels Bildverarbeitung dessen Schwingungsverhalten gemessen werden kann. Da bei der Bildverarbeitung die Abtastrate (Anzahl von Bildaufnahmen pro Zeiteinheit) der Kamera bekannt ist, kann aus dem aus den Bilddaten ermittelten Bewegungsverhalten des Riemens direkt das Frequenzspektrum dessen Schwingungsverhalten ermittelt werden, wodurch es auch möglich wird, auf die Bewegung des Riemenspanners zu schließen. Die Kamera kann auch so ausgerichtet werden, dass sie zusätzlich zum Riemen 10 auch noch die den Riemen antreibende Riemenscheibe 11 und/oder die vom Riemen angetriebene Riemenscheibe 12 soweit erfasst. So wird die Möglichkeit eröffnet, neben der Erfassung des Schwingungsverhaltens des Riemens 10 auch noch eine Ungleichförmigkeit des Drehverhaltens der Riemenscheibe 11 und/oder 12 zu vermessen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verfahren und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Messung der Schwingung von Riemen bei Riementrieben nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 11.

Aus dem japanischen Patent JP 5071602 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Schwingungen des Antriebsriemens eines Riementriebes bekannt, bei welcher senkrecht zum Lauf des Riemens der Lichtstrahl einer Lichtschranke verläuft. Die Lichtschranke ist hierbei so angeordnet, dass der von ihr ausgesandte Lichtstrahl bei Stillstand des Antriebes ununterbrochen, knapp neben dem Riemen verläuft. Beginnt der Riemen bei Lauf des Antriebes zu Schwingen so unterbricht er in Abhängigkeit der Schwingungsamplitude und Schwingungsfrequenz den Lichtstrahl der Lichtschranke. Durch geeignete Wahl des Abstandes der Lichtschranke zur Stillstandsposition kann die Schwingungsamplitude gewählt werden, ab welcher der Lichtstrahl bei Schwingen des Riemens unterbrochen werden soll. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Unterbrechungen des Lichtstrahls der Lichtschranke, kann die einen bestimmten Amplitudenwert überschreitende Häufigkeit der Riemenschwingungen ermittelt werden. Die Vorrichtung erfordert einen hohen Justageaufwand, da die Lichtschranke in Bezug auf ihre Position zum Antriebsriemen präzise zu montieren. Des Weiteren ermöglicht die Vorrichtung keine Absolutmessung der Schwingungsamplituden und keine Ermittlung eines Frequenzspektrums der Schwingungen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Messung der Schwingung von Riemen bei Riementrieben zu finden, welche eine detaillierte Auswertung des Schwingungsvorganges ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die Unteransprüche beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe wird eine Kamera so in Bezug auf den in Bezug auf sein Schwingungsverhalten zu vermessenden Riemen ausgerichtet, dass zumindest ein Teilabschnitt des Riemens in deren Erfassungsbereich liegt. Aus den mittels der Bildaufnahme erfassten Bilddaten kann sodann im Rahmen einer Bildverarbeitung das Schwingungsverhalten des Riemens ermittelt werden. Hierzu sind aus dem Gebiet der Bildverarbeitung eine Vielzahl von Algorithmen bekannt, mittels welcher die Projektion des Riemens in den Bilddaten detektiert werden kann, so dass dessen Positionsveränderungen im zeitlichen Verlauf der erfassten Bildsequenz verfolgt und ausgewertet werden kann. Da bei der Bildverarbeitung die Abtastrate (Anzahl von Bildaufnahmen pro Zeiteinheit) der Kamera bekannt ist, kann aus dem aus den Bilddaten ermittelten Bewegungsverhalten des Riemens direkt das Frequenzspektrum dessen Schwingungsverhalten ermittelt werden.

Werden bei der Bildverarbeitung jeweils die einzelnen Halbbilder der Kamera ausgewertet, wird hierdurch gewinnbringend die Abtastrate der Kamera virtuell verdoppelt. Da nicht unbedingt Details in den Bildaufnahmen detektiert werden müssen, wird die Schwingungs- und Umlaufmessung durch die reduzierte Bildqualität nur unwesentlich beeinflusst. In besonderer Weise eignet sich zur Erfassung der Bilddaten eine Hochgeschwindigkeitskamera, wie sie beispielsweise aus der physikalischen Messtechnik zur Erfassung schnell verlaufender Prozesse in Brennräumen oder der Erfassung des Crashverhaltens von Fahrzeugen bekannt ist. Durch die hohe Abtastrate einer Hochgeschwindigkeitskamera erhöht sich automatisch auch die Bandbreite des erfassbaren Frequenzspektrums in Bezug auf die Riemenschwingungen oder die Umlauffrequenz der Riemenscheiben, da die höhere Abtastrate in einer höheren Nyquist-Frequenz resultiert. In vorteilhafter Weise läst sich die Messgenauigkeit durch den Einsatz hochauflösender Kamerasensoren weiter steigern. Zudem ist es gleichsam denkbar zur Reduktion des Verarbeitungsaufwandes nicht die gesamte von der Kamera gelieferte Bildinformation zu Verarbeiten, sondern die Bildverarbeitung gezielt nur auf diejenigen Bereiche zu beschränken, in welchen Abbilder des Riemens oder die zu erfassenden optischen Markierungen zu erwarten sind (regions of interest). In denjenigen Ausgestaltungen der Erfindung bei welchen es ausreichend ist nur einen schmalen Ausschnitt eines Riemens zu betrachten, kann sehr wohl auch ausreichend sein nur ein kleiner Ausschnitt der erfassten Bilddaten, beispielsweise nur die Information einer einzigen Bildspalte oder -zeile auszuwerten. Es wäre diesbezüglich auch denkbar die Kosten für das Messsystem weiter zu senken, indem als Bildsensor auf eine Zeilenkamera zurückgegriffen wird.

Nachfolgend wird auch anhand der 1 und 2 die Erfindung im Detail beschrieben. Dabei zeigt:

1 einen Riementrieb bestehend im Wesentlichen aus einem Riemen 10 und zwei Riemenscheiben (11, 12);

2 einen Detailausschnitt 20 aus 1.

In besonders vorteilhafter Weise kann im Rahmen der Schwingungsanalyse des Riemens 10 dessen Transversalschwingung ermittelt werden. Hierzu wird die Bildverarbeitung so ausgestaltet, dass der zeitliche Verlauf X2 der Projektion des Riemens 10 in den Bilddaten entlang einer gedachten Linie 21 betrachtet wird; die gedachte Linie 21 steht dabei im Wesentlichen senkrecht zu dem erfassten Teilabschnitts des Riemens 10 steht. Der Verlauf der Ablenkung X2 kann hinsichtlich Amplitude und Frequenzspektrum der Schwingung untersucht werden um hieraus Parameter für die Ansteuerung des Riementriebes oder zu dessen mechanisch-konstruktiver Abänderung herzuleiten.

In besonders vorteilhafter Weise kann aus der bild-basierten Schwingungsanalyse auch eine Torsionsschwingung des Riemens 10 ermittelt werden. Hierzu ist denkbar den zeitlichen Verlauf der Änderung der Fläche A der Projektion eines Abschnittes des Riemens 10 in den Bilddaten zu betrachten. Insbesondere bei der Verwendung von Riemen mit einem hohen Breiten/Dicken-Verhältnis wird sich bei Auftreten einer Torsionsschwingung eine signifikante Änderung der Fläche A ergeben. Aus der Beobachtung des zeitlichen Verlaufs der der Änderung der Fläche A kann die Torsionsschwingung des Riemens 10 hinsichtlich deren Amplitude und Frequenzspektrum vermessen werden um hieraus Parameter für die Ansteuerung des Riementriebes oder zu dessen mechanisch-konstruktiver Abänderung herzuleiten. Alternativ kann eine Torsionsschwingung des Riemens 10 aber auch dadurch gemessen werden, dass der zeitliche Verlauf der Querausdehnung X1 der Projektion des Riemens 10 in den Bilddaten betrachtet wird. Eine derartige Messung entspricht im Wesentlichen dem zuvor beschriebenen allgemeinen Fall der Auswertung der Änderung der Fläche A und liefert somit im Wesentlichen ein vergleichbares Resultat. Da die Querausdehnung X1 nicht unbedingt senkrecht zur Längsausdehnung des Riemens 10 gemessen werden muss, eignet sich diese Ausgestaltung des Messverfahrens besonders für den Einsatz von Zeilenkameras. In vorteilhafter Weise ist es durch die Robustheit des Verfahrens nicht notwendig die Kamera exakt senkrecht zum Verlauf des Riemens 10 auszurichten. Es wäre somit auch möglich bei einem genügend ausgedehnten und aufgelösten Erfassungsbereich einer Zeilenkamera mehrere in den Erfassungsbereich der Kamera fallende Riemen gleichzeitig zu vermessen.

Besonders gewinnbringend kann aus dem gemessenen Schwingungsverhalten des Riemens 10 auf die Bewegung des Riemenspanners geschlossen werden. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung kann ein zusätzlicher Sensor zur Erfassung des Bewegungsverhaltens des Riemenspanners entfallen. Die Bewegung des Riemenspanners kann in einer dem Fachmann nahe liegenden Weise mittels bekannter Bildverarbeitungsalgorithmik aus den durch die Kamera erfassten Bilddaten ermittelt werden.

Besonders gewinnbringend kann die Kamera so ausgerichtet oder durch Versatz mit einem geeigneten optischen System so gestaltet werden, dass sie zusätzlich zum Riemen 10 auch noch die den Riemen antreibende Riemenscheibe 11 und/oder die vom Riemen angetriebene Riemenscheibe 12 soweit erfasst. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Kamera eine auf der Riemenscheibe (11, 12) angebrachte optische Markierung, wenigstens zeitweise während eines Umlaufs der Riemenscheibe erfasst. Auf diese weise wird die Funktionalität des Messsystems weiter gesteigert indem die Möglichkeit eröffnet wird, neben der Erfassung des Schwingungsverhalten des Riemens 10 auch noch eine Ungleichförmigkeit des Drehverhaltens der Riemenscheibe 11 und/oder 11 zu vermessen.

Bei der zu messenden Drehungleichförmigkeit kann es sich zum einen um die Ungleichförmigkeit des Drehverhaltens des rotierenden Bauteils (11, 12) selbst handeln. Zum anderen ist es aber gleichsam auch denkbar, dass es sich bei der zu ermittelnden Drehungleichförmigkeit um die relative Ungleichförmigkeit des Drehverhaltens eines rotierenden Bauteils (11) in Bezug auf das Drehverhalten eines anderen rotierenden Bauteils der Maschine 1 handelt.

Die Art der optischen Markierungen ist im wesentlichen frei wählbar, wobei sich insbesondere Arten von Markierungen eignen, welche einfach zu detektieren sind und deren relative Positionsänderungen im zeitlichen Ablauf der Bildaufnahmen mittels der Bildverarbeitung möglichst genau bestimmt werden können. Hierzu eignen sich in besondere Weise eine Markierung, welche derart an dem rotierenden Bauteil (11, 12) angebracht wird, dass sie auf deren Oberfläche als Linie von ausgehend von der Rotationsachse an den Rand des Bauteils (11, 12) verläuft.

Die Erkennbarkeit und Auswertung der optischen Markierungen lässt sich gewinnbringend steigern, wenn eine Beleuchtung vorgesehen wird, welche den durch die Kamera zu erkennenden Bereich ausleuchtet. Hierbei sollte jedoch darauf geachtet werden, dass an den Oberflächen der Maschine keine spekularen. Reflektionen auftreten, welche die Qualität Kamerabildaufnahme durch Blendeffekte beeinträchtigen könnten. Deshalb bietet es sich gewinnbringend an, die im Rahmen der Bildverarbeitung zu vermessenden Teilbereiche der durch die Kamera erfassten Bilddaten gezielt mit gebündelten Lichtquellen auszuleuchten. Hierdurch können schwer zu kontrollierende Mehrfachstreuungen vermieden werden.

Vorteilhaft wäre es, wenn die optischen Markierungen so ausgestaltet werden, dass sie Licht im nichtsichtbaren Frequenzspektrum reflektierenden können. Hierdurch wäre es möglich eine in diesem Frequenzbereich empfindliche Kamera zu verwenden, welche mit einem Filter versehen werden könnte, der Licht in anderen Frequenzbereichen im Wesentlichen ausblendet. Hierdurch könnte das Störlicht aus der Umgebung der Maschine gezielt unterdrückt werden. In besonderer Weise könnte hierbei ergänzend eine Beleuchtung vorgesehen werden, welche zumindest in Teilen Licht im nichtsichtbaren Lichtspektrum, insbesondere im infraroten oder ultravioletten Frequenzspektrum, aussendet, so dass eine optimale störlichtfreie Bildaufnahme durch eine entsprechend geeignete Kamera möglich wird.

Besonders vorteilhaft eignet sich die Erfindung zur Ermittlung der relative Ungleichförmigkeit des Drehverhaltens einer Riemenscheibe (11, 12) eines Riementriebes, wie beispielsweise in der Figur dargestellt. Dabei wird im Allgemeinen das Drehverhalten der den Riemen 10 antreibenden Riemenscheibe 11 in Bezug zu einem mittels des Riemens 10 angetrieben rotierenden Bauteil gesetzt. Bei diesem angetriebenen Bauteil kann es sich zum einen um eine ebenfalls diesem Riemen zugeordnete Riemenscheibe handeln, deren Drehverhalten ebenfalls durch die Bildverarbeitung vermessen wird. Zum anderen ist es aber auch denkbar, dass es sich bei dem angetriebenen Bauteil um einen Generator handelt, dessen Drehverhalten auch durch einen anderen Sensor vermessen werden kann und dessen Messdaten dem erfindungsgemäßen System beispielsweise über einen Datenbus oder eine Funkverbindung zur Verfügung gestellt werden. Gewinnbringend kann aus relativen Drehungleichförmigkeit der Riemenscheibe (11, 12) der Schlupf des Riemens 10 der durch diese Riemenscheibe (11, 12) angetrieben wird in bekannter Weise abgeleitet werden.

In besonders vorteilhafter Weise wird die Vorrichtung so ausgestaltet, dass die Kamera gleichzeitig mehrere rotierende Bauteile (11, 13) erfassen kann, welche jeweils mit in mit entsprechenden optischen Markierungen versehen werden. So können mit nur einem Sensor mehrere mechanisch gekoppelte Systeme gleichzeitig überwacht werden. Durch die Verwendung einer Kamera entfällt in vorteilhafter Weise auch die Notwendigkeit einer präzisen Positionierung. Dabei ist es nicht notwendig, dass die Kamera alle zu vermessenden rotierenden Teile (11, 12) komplett einsehen kann; es muss nur sichergestellt werden, dass die Kamera zumindest zeitweise die mit den Markierungen versehenen Bereiche der rotierenden Bauteile (11, 12) während der Messung erfassen kann.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Kamera lassen sich gleichzeitig mehrere und unterschiedliche Messgrößen mit einem Sensor erfassen. Die Messung kann ferner berührungslos und mit einer hohen Genauigkeit erfolgen, da die Anzahl möglicher Messstellen auf dem zu vermessenden Objekt nur durch die Auflösung (Anzahl von Pixeln) der Kamera beschränkt wird. Die Verwendung einer Kamera als Messsensor eröffnet erweiterte Messmöglichkeiten, da nur die optische Zugänglichkeit der zu vermessenden rotierenden Bauteile sichergestellt werden muss. Hierdurch kann das Messsystem auch mobil und schnell installierbar gestaltet werden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur für die Verwendung bei Riementrieben geeignet, sondern kann in gleicher Weise auch für die Messung von Schwingungen der Ketten bei Kettentrieben verwandt werden. Gleichsam ist es denkbar, dass an Stelle der Beobachtung und Auswertung des Drehverhaltens von Riemenscheiben das Drehverhalten anderer rotierender Teile von Maschinen, beispielsweise den Rädern von Rädertrieben, vermessen wird.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Messung der Schwingung von Riemen bei Riementrieben,

    bei welchem zumindest ein Teilabschnitt des Riemens 10 durch eine Kamera, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera, erfasst wird,

    und bei welchem mittels Bildverarbeitung aus den Kamerabilddaten das Schwingungsverhalten des Riemens 10 ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transversalschwingung des Riemens 10 dadurch ermittelt wird, dass der zeitliche Verlauf X2 der Projektion des Riemens 10 in den Bilddaten entlang einer gedachten Linie 21 betrachtet wird, wobei die Linie 21 im Wesentlichen senkrecht zu dem erfassten Teilabschnitts des Riemens 10 steht.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Torsionsschwingung des Riemens 10 dadurch ermittelt wird, dass der zeitliche Verlauf der Änderung der Fläche A der Projektion eines Abschnittes des Riemens 10 in den Bilddaten betrachtet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Torsionsschwingung des Riemens 10 dadurch ermittelt wird, dass der zeitliche Verlauf der Querausdehnung X1 der Projektion des Riemens 10 in den Bilddaten betrachtet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Ermittlung des Schwingungsverhaltens des Riemens 10 auf die Bewegung des Riemenspanners geschlossen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildverarbeitung jeweils Halbbilder der Kamera ausgewertet werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kamera wenigstens die den Riemen 10 antreibende Riemenscheibe soweit eingesehen wird, dass eine auf der Riemenscheibe angebrachte optische Markierung, wenigstens zeitweise während eines Umlauf der Riemenscheibe, durch die Kamera erfasst wird, so dass mittels der Bildverarbeitung eine Ungleichförmigkeit des Drehverhaltens der Riemenscheibe vermessen werden kann.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehverhalten der Riemenscheibe zum Drehverhalten eines weiteren, durch den Riemen angetriebenen, rotierenden Köper einer Maschine in Bezug gesetzt und daraus eine relative Drehungleichförmigkeit abgeleitet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem weiteren rotierenden Körper ebenfalls eine dem Riemen zugeordnete Riemenscheibe handelt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der relativen Drehungleichförmig der Schlupf des Riemens bezüglich der ihn treibenden Riemenscheibe geschlossen wird.
  11. Vorrichtung zur Messung der Schwingung von Riemen bei Riementrieben,

    welche eine Kamera, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera umfasst, die so ausgerichtet ist, dass sie zumindest einen Teilabschnitt eines Riemens 10 erfasst,

    und welche mit einer Bildverarbeitungseinheit in Verbindung steht, mittels der aus den Kamerabilddaten das Schwingungsverhalten des Riemens 10 ermittelt wird.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle vorgesehen ist, welche so ausgerichtet ist, dass zumindest der Teil des Riemens 10, welcher von der Kamera erfasst wird, ausgeleuchtet wird.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine Zeilenkamera ist.
  14. Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Vermessung des Schwingungsverhaltens von Ketten bei Kettentrieben und/oder des Drehverhaltens von Rädern bei Rädertrieben.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com