Serie LabVIEW in der Praxis Mit Virtuellen Instrumenten einen Zahnradprüfstand steuern und überwachen

Am Lehrstuhl für Maschinenelemente der Technischen Universität Dresden wurde im Rahmen eines geförderten Forschungsprojektes ein Planetengetriebe-Verspannprüfstand errichtet. Dieser untersucht das Dauerfestigkeitsverhalten und ermittelt Tragfähigkeitsgrenzen des Zahnfußes bzw. des Zahnkranzes von Innenverzahnungen.

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Das Prüfobjekt ist das innenverzahnte Hohlrad des Planetengetriebes (Bild 2), welches so genannten Wöhlerlinienversuchen unterzogen wird. Gefordert war die Entwicklung eines Steuerungs- und Überwachungssystems, das den zuverlässigen, sicheren und anwenderfreundlichen Betrieb des Innenverzahnungsprüfstandes gewährleistet. Das eingesetzte Datenerfassungssystem sollte für andere Messaufgaben ebenfalls verfügbar sein. Für das entwickelte Prüfstandsüberwachungssystem wird eine externe CompactDAQ verwendet. Softwareseitig wurde das System mit virtuellen Instrumenten auf Basis der grafischen Entwicklungsumgebung LabVIEW umgesetzt.

Dabei mussten die hochwertigen Komponenten des Planetengetriebes vor Zerstörung durch den geschädigten Hohlradprüfling geschützt werden. Bei der Projektierung des Antriebskonzeptes für den Planetengetriebe-Verspannprüfstand wurde eine Frequenzsteuerung in Kombination mit einem Drehstrom-Asynchron-Käfigläufermotor gewählt. Das Antriebssystem verfügt über eine Nennleistung von 35 kW. Die Ansteuerung des Frequenzumrichters erfolgt über einen konfigurierbaren Analogspannungseingang, der als Hauptsollwerteingang für die Drehzahlführungsgröße genutzt wird.

Der Umrichter hat zwei Analogausgänge, welche die Ist-Drehzahl und das Motordrehmoment als proportionale Signalspannungen ausgeben. Die Versuchsreihen werden bei einer maximalen Drehzahl von n = 1400 min-1 gefahren. Um im Fehlerfall ein sicheres und schnelles Anhalten des Prüfstandes zu gewährleisten, wird eine elektromagnetisch betätigte Kupplungs-Bremseinheit eingesetzt.

Wird die Baugruppe über den Not-Aus-Stromkreis angesteuert, wird der Motor ausgekupppelt und der übrige Prüfstand abgebremst. Neben dem Abbremsen wird der Frequenzumrichter abgeschaltet und die elektromotorisch betriebene Ölumlaufschmierung deaktiviert. Eine Wiederinbetriebnahme des Gesamtsystems kann nur nach Beheben des Fehlers und einer manuellen Störungsquittierung erfolgen.

Betriebssicherheit und —zuverlässigkeit gewährleisten

Das für den Planetengetriebe-Verspannprüfstand entwickelte Überwachungssystem erfasst neben peripheren Prozessgrößen, wie Ölstand, Öldruck, Temperatur und Motordrehmoment auch die Lastwechselzahl, das Verspannmoment und das Schwingungsverhalten am Hohlrad. Die Ölstände werden im Prüfgetriebe, im Rückgetriebe sowie im Ölvorratsbehälter und in der Ansaugleitung der Ölpumpe mit optischen, TTL-kompatiblen Pegelmeldern überwacht.

Der Gesamtöldruck der Umlaufschmierung wird mit einem Drucksensor erfasst und dient als notwendiger Indikator für den Öldurchfluss. Die Temperatur des Ölschmierstoffes in den beiden Getriebeablaufkanälen und die Lagertemperatur wird mit einem PT100 Mantel-Widerstandsthermometer am Prüf- und Rückgetriebe gemessen. Mit einem Dehnungsmessstreifen wird das Verspannmoment gemessen, das anschließend telemetrisch übertragen wird. Die Lastwechselzahlen werden mit einem inkrementellen Geber erfasst und für die Detektion der am Hohlradprüfling auftretenden Schwingbeschleunigungen wurde auf dem Außenkranz des innenverzahnten Hohlrades ein Integrated Electronics Piezo Electric (IEPE) Beschleunigungssensor angebracht.

Übertragen der Mess- und Steuersignale

Für den Betrieb des Prüfstandes werden die notwendigen Mess- und Steuersignale von einem cDAQ System in folgender Konfiguration erfasst bzw. ausgegeben:

• NI cDAQ-9172 CompactDAQ-Chassis (1)
• NI 9215 4-Kanal Analogeingangsmodul, differentielles simultan (2)
• NI 9233 4-Kanal Analogeingangsmodul, IEPE simultan (1)
• NI 9263 4-Kanal Analogausgangsmodul, simultan (1)
• NI 9401 8-Kanal Digital-I/O Modul, bidirektional 5 V/TTL (2)

Beschreibung des Überwachungs- und Steuerungsprogramms

Das der entstandenen LabVIEW Applikation „IVZ“ zugrundeliegende Entwicklungsprinzip beruht auf einer State Machine. Die unterschiedlichen Programmfunktionen werden entsprechend der sechs verschiedenen Zustände nach Nutzerinteraktion sequentiell geladen und ausgeführt. Der Versuchsdurchführende hat die Möglichkeit, relevante Testdaten in einer Eingabemaske zu erfassen und abzuspeichern, die Konfiguration des Intervalls der Datenspeicherung vorzunehmen und den angelegten Versuch zu starten.

Weiterhin kann ein angelegter Versuch unter automatischer Beachtung der absolvierten Lastwechsel fortgesetzt werden. Der Programmmodus „Einrichtbetrieb“ ermöglicht erste überwachte Testläufe mit einem neu montierten Hohlradprüfling. Nach dem Versuchsabschluss kann der Nutzer ein Protokoll aus den binär gespeicherten Versuchsdaten in einem Word-Dokument erzeugen.

Grenzwerte und Soll-Lastwechselzahl vorgeben

Die Bedienung des Prüfstandes erfolgt mit dem in Bild 3 dargestellten Frontpanel. Im Steuerungsabschnitt wird die Freigabe für den Prüfstand erteilt und die Motordrehzahl vorgegeben.

Der Überwachungsabschnitt (Bild 4) dient der Vorgabe der Grenzwerte und der Soll-Lastwechselzahl. Weiterhin sind in diesem Abschnitt die beiden internetbasierten Informationsdienste konfigurierbar.

Innerhalb des Diagnosepanels (Bild 5) werden die drehzahlabhängigen charakteristischen kinematischen Frequenzen des Prüfgetriebes dargestellt und die Konfiguration der Schwingungsüberwachung ermöglicht. Die zur Laufzeit des Versuches auszuführenden Routinen der Drehzahlsteuerung, der Datenerfassung sowie der Überwachung, Speicherung und Darstellung relevanter Versuchsdaten sind in Sub-VI untergliedert. Somit können die Ausführungssysteme und -prioritäten der einzelnen Unterprogramme gezielt und nach Relevanz gewählt werden.

Zoom-FFT bildet Frequenzspektrum

Der gepufferte und somit verlustfreie Datenaustausch zwischen den Sub-VIs erfolgt über Queue-Strukturen. Für die Grenzwertüberwachung der Prüfstandsparameter wurden Boolesche Verknüpfungen (Ölstände) und vom Benutzer konfigurierbare lineare Grenzwerttests (Temperaturen) genutzt. Eine Besonderheit ist das Überwachen des Schwingungsverhaltens am Hohlradprüfling. Aus dem am intakten Hohlrad gemessenen Schwingbeschleunigungssignal wird mit Zoom-FFT das Frequenzspektrum gebildet.

Anschließend wird das gewonnene Spektrum über die gesamte Bandbreite um einen positiven und einen negativen Offsetwert (Toleranzwert) erhöht bzw. verringert. Die gebildeten Grenzwertmasken werden gespeichert. Das über die gesamte Versuchslaufzeit kontinuierlich erzeugte Zoom-Frequenzspektrum des Schwingbeschleunigungssignals wird mit den gespeicherten spektralen Grenzwertmasken verglichen (Bild 6), bei Über- oder Unterschreiten der Masken wird ein Alarmsignal generiert und der Prüfstand gestoppt.

* Robert Schröder und Dr.-Ing. Michael Senf arbeiten an der Technischen Universität Dresden am Institut für Maschinenelemente und –konstruktion. Prof. Dr.-Ing. habil. Eberhard Brenner und M. Sc. Axel Fröde arbeiten an der Hochschule für Technik und Wirtschaft am Fachbereich Elektrotechnik in Dresden.

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