在旋转刀具上检测损伤的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于在旋转刀具上检测损伤的方法和装置。

背景技术：

旋转刀具已知是切割装置的组成部分。其在切割或者分裂不同的材料中具有广泛的工业应用。刀具承受磨损负荷，磨损负荷伴随着待加工的材料的硬度的增加而增加。主要在金属加工中，作为由于裂缝导致的材料破损的结果，在刀具边缘上常常出现例如楔形的剥落形式的刀具破损。如果不立即识别刀具破损并且更换刀具，则损坏的刀具会影响待加工的材料的质量。具有刀具磨损的刀具在此在待加工的材料上出现损坏的刀具位置的情况下在加工材料的边缘上产生损害。这特别地发生在具有显著的纵向延展的产品上，随后通常必须机械地后续加工，以便于去掉边缘损伤。

通过例如为刀具材料选择特别耐磨的材料、刀具边缘涂层或者刀具边缘硬化的技术手段虽然能延长刀具的寿命，但是通过这些手段并不能排除刀具破损。所以，需要刀具的持续控制。

由切割装置的使用者可以检查刀具破损。这可以例如通过观察旋转刀具或者加工的材料在视觉上进行。由于在旋转刀具上或者附近工作时高的噪音负荷和事故率，旋转刀具附近不能久留。这使得设备上的刀具控制更难，这些设备在连续的切割或者切边操作中工作。这样，刀具破损的识别相对于产生刀具破损的事件而言常常是明显延迟的，从而刀具更换只能延后进行，这不利于损伤的材料的量。

dd234378a1中已知一种用于在旋转工具上工具破损识别的开关装置，其能够及时的识别破损，而不必让人为了检查刀具状态而持续地紧邻刀具停留。在此，接收结构噪音振动，提供并评估两个平行的测量链。当第一测量链的带通选择的频率的相反的极的两个彼此相继的半波超过比较器阈，则发出破损信号。该装置的缺点在于，用于接收结构噪音振动的振动接收器必须直接设置在旋转刀具上，从而技术上难以实现这种结构。此外，直接在工具上设置的振动接收器妨碍了切割装置上的工作进程。除此之外，直接与旋转刀具接触的振动接收器易受干扰。该装置的另一缺点在于，具有对于在结构噪声强的环境中的显示错误而言高风险，例如发生在金属材料加工的制造设备中。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于，研发一种用于在一个或多个转动刀具上检测损伤的方法和装置，其在技术上容易实现并且降低了工作进程的阻碍以及对于装置损坏和对于显示错误的风险。

关于方法，该目的根据本发明通过包含下列步骤的方法实现：

a)通过麦克风接收由转动刀具产生的空间噪音，麦克风相对转动刀具有空间上的距离，

b)通过信号调整单元传输和处理空间噪音信号，

c)通过数据检测单元传输和处理由信号调整单元发出的模拟信号，

d)在数据检测单元中转换模拟信号为数字信号，

e)将数字的信号数据传输到数据处理单元，

f)通过数字处理单元处理数字的信号数据，包括：

f1)为各个完整的刀具旋转(m_i)的声压确定阈值(sw_i)，

f2)将在一个刀具旋转(m_i)后面的刀具旋转(m_i+1)的每个单个的振幅信号与最后没有伪影的刀具旋转(m_i)的阈值(sw_i)比较，

f3)处理的数据的可选的可视化，

f4)当在至少三个相继的刀具旋转(m_i+1到m_i+3)中周期性地在刀具旋转中的相同位置上产生再现的振幅信号，该振幅信号分别超过最后的没有伪影的刀具旋转的阈值，进行损伤显示，

g)通过损伤显示单元显示损伤。

关于装置，前述目的根据本发明通过一种装置实现，该装置具有一个或多个相对刀具不接触定位的麦克风，信号调整单元、数据检测单元、数据处理单元和损伤显示单元，其中数据处理单元包括一个单元，该单元在至少三个相继的刀具旋转中周期性地在刀具旋转中的相同位置上存在再现的、并且分别超过最后的没有伪影的刀具旋转的阈值的振幅信号的情况下发出关于刀具损伤的报告。

本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出并且下面与本发明的思想一起详细阐述。

本发明基于这种认识，即，具有损伤的旋转刀具产生有特征的噪音，通过噪音可以声学上区别无损伤的旋转刀具。

根据本发明的装置包括一个或多个麦克风。当在本发明中下面提到麦克风，这是对于存在至少一个麦克风的简单的表述。

麦克风相对旋转刀具距离至少50mm并且最多1500mm定位。麦克风和旋转刀具之间的距离为至少50mm，以便于在产生由损伤的刀具产生的故障时避免在麦克风上以及在待加工的产品上的损伤。麦克风和旋转刀具之间的距离为最大1500mm，以便于确保在损坏情况下接收由旋转的刀具产生的噪音。因为声压随着与声源的距离增加而降低，距离大于1500mm则存在风险，即，由旋转刀具产生的噪音不再能够检测。

麦克风优选成型为驻极体麦克风。驻极体麦克风是振膜麦克风并且作为电容式麦克风。由驻极体麦克风只能接收空间声音信号。这样，避免了会不利地影响到损伤检测的结构噪音信号的接收。在本发明中明确地不期望接收结构噪音信号，以便于避免在结构噪音强的环境中的错误测量。特别优选地驻极体麦克风，因为其对于本应用还具有最佳的性价比。

通过麦克风可以接收声波并且转换成电信号。信号是振幅信号。当提到信号，则指的是振幅信号。信号密度s下面指旋转刀具周长每毫米接收的信号的数量。

原则上，信号密度根据待检测的损伤的预期的大小而计量。在此，优选这样计量信号密度，即，至少两个信号通过待检测的损伤的预期的长度表示，其中待检测的损伤的预期的长度在圆周方向上观察。待检测的损伤的预期的长度由经验值得出。这样，在在圆周方向上具有1mm的长度的损伤的情况下，每个刀具旋转的至少记录的信号的数量为每毫米的旋转长度两个信号。

刀具破损是通常在周长方向上具有1mm或更多的长度的损伤。试验表明，每毫米旋转长度至少10个信号的信号密度合适于改善在旋转刀具上的刀具破损的损伤显示的可靠性。为了提高损伤显示的可靠性，优选使用每毫米旋转长度至少100个信号的较高的信号密度。每毫米旋转长度至少100个信号的较高的信号密度也优选用于检测到较小的损坏，例如裂缝。

麦克风与信号端子壳体连接，信号端子壳体包含信号调整单元以及数据检测单元。由麦克风接收的信号传输到信号端子壳体中。

在信号端子壳体中，信号首先在信号调整单元中通过高通滤波器分开。之后，信号电气地放大。优选地，在1倍、10倍和100倍之间分级地进行放大。接着，信号通过低通滤波器过滤。优选地，低通滤波器具有最高15khz的极限频率，由此避免了噪音和具有高于100khz的频率的高频的信号部分。低通滤波之后，模拟信号传输到数据检测单元中。在数据检测单元中，模拟信号转换成数字信号，数字信号之后转发到数据处理单元。

数据处理例如可以这样进行，通过合适的打印机打印和手动地评估信息。在这种情况下，数据处理单元包括打印机和评估数据的人。

在优选的实施方式中，数据处理单元包括可编程的计算机，该计算机包括适用于数据处理的软件。

通过数据处理单元，首先过滤数字的信号数据。为了改善在旋转刀具上的损伤检测中的显示可靠性，消除大于500.谐波的频谱通过滤器是特别有利的。特别有利地特别为了在旋转的圆刀上的损伤检测，低于300hz和高于400hz的频率隐没。300到400hz的频率范围在参照测量中作为用于检测旋转的圆刀上的损伤的最优的频率范围。优选通过butterworth型递归过滤器进行过滤，因为其具有有利的调节可能性。在优选的实施方式中，数据接下来继续一方面通过连续的信号数字并且另一发面通过时间读取。之后，信号通过快速傅里叶变换(fast-fourier-transformation)在时间上分开。快速傅里叶变换的目的在于，得到信号的振幅特性曲线。

除了递归过滤器和快速傅里叶变换，对于处理信号数据而言合适的还在于另外的已知的分析工具，例如奈奎斯特香农采样定理(nyquist-shannon-abtasttheorem)或者极限值过滤器。

根据本发明，通过数据处理单元进行阈值计算。阈值作为整流平均值的n倍的值。根据本发明，整流平均值是所有在刀具旋转中产生的声压的总和的算术平均值。整流平均值计算在此基于产生的信号的声压(单位为pa或者v)。

加倍系数n至少是4并且最多是12并且在处理过程开始时，特别是在新的刀具的安装后确定。阈值为整流平均值的至少4倍，以便使用于进一步数据处理的不相关的信号的部分最小。在潜在的较吵闹的环境中，阈值优选为整流平均值的至少6倍，特别优选为至少8倍。阈值最多为整流平均值的12倍，以便于最小化忽略相关信号的风险。在金属加工的操作中，特别在钢带的切边中，阈值的计算为整流平均值的10倍证明是特别合适于检测刀具破损。

在刀具更换后以第一刀具旋转开始，为每个刀具旋转(m_i)分别计算一个阈值(sw_i)。接着在数据处理单元中，将刀具旋转(m_i)的阈值(sw_i)与在其后面的刀具旋转(m_i+1)的每个单个的信号的高度相比较。刀具旋转(m_i+1)的信号大于之前的刀具旋转(m_i)的阈值(sw_i)，该信号称为伪影。如果在刀具旋转(m_i+1)中出现伪影，具有伪影的刀具旋转(m_i+1)后面的刀具旋转的信号分别与最后的没有伪影的刀具旋转的阈值(sw_i)相比较。

如果在至少三个相继的刀具旋转(m_i+1到m_i+3)中周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现地产生伪影，进行损伤显示。在至少三个相继的刀具旋转(m_i+1到m_i+3)具有周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现的伪影的情况下才进行损伤显示，以便于通过一次性的或者只是短暂发生的噪音导致的错误显示的风险最小化。为了进一步降低错误显示的风险，优选在至少四个相继的刀具旋转中具有在刀具旋转中的相同位置上周期性再现的伪影的情况下进行损伤显示。

不具有伪影的刀具旋转中断了在刀具旋转中的相同位置上周期性再现的伪影序列，从而重新开始计算具有伪影的刀具旋转。

周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现的伪影理解为间接在后面的刀具旋转中分别在相对于刀具圆周的相同位置上出现的伪影。

由单个信号u的在一次刀具旋转内连续的信号数字u，由信号密度s和刀具周长l、按照l(u)＝u/s计算刀具旋转中产生信号u的空间位置l(u)。在刀具旋转中产生信号u的时间位置t(u)为t(u)＝l(u)/v。在此，v是刀具速度。每秒旋转时间接收的信号数量作为抽样频率fs计算。通过给出的u、l(u)和t(u)之间的关系，可以在知道信号密度s，刀具周长l和刀具速度v的情况下由单个的信号u的连续的编号u确定其在一次刀具旋转内的时间上或空间上的位置t(u)或l(u)并且反之亦然。

周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现的伪影互相间隔相同，其中间隔例如可以在时间上或空间上计量。例如，如果伪影a1出现在总共具有n个信号的刀具旋转m_i+1中，信号数u为n—也即存在刀具旋转的第u个信号，并且如果另一伪影a2出现在同样产生n个信号的后续的刀具旋转m_i+2中，同样地存在第u个信号的情况下，则存在周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现的伪影。

本发明的意义上，周期性指在直接相继的刀具旋转中出现的伪影的时间或空间上的间距。相反，只在一个刀具旋转内出现的伪影的相同的间距不能满足本发明意义上的周期性的条件。

在此，在优选的实施方式中，彼此相继的刀具旋转中出现的伪影的位置分别与在不具有伪影的刀具旋转之后出现的第一个具有伪影的刀具旋转的位置相比较。

在另一优选的实施方式中，彼此相继的刀具旋转中出现的伪影的位置分别与各个之前的具有伪影的刀具旋转的伪影的位置相比较。

当提到相同位置时，这不限于数字上相同的位置。数字上相同的位置是要么具有相同的连续信号数字u要么具有相同的空间上位置l(u)或者具有相同的时间上的位置t(u)的信号的存在位置。

在本发明的意义上，当伪影的位置与之前的刀具旋转的伪影的数字上相同的位置的偏差不大于刀具旋转的以连续的信号数测量的长度的+/-7％时，后面的刀具旋转中的伪影周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现为之前的刀具旋转中的伪影。同样适用于后面的刀具旋转的伪影的位置。也称为信号模糊的数字上相同的位置的偏差不大于在刀具旋转的连续的信号数测量的长度+/-7％，以便于避免在(例如在加速或者停止时发生的)刀具或者带材速度不恒定的情况下错误的检测。信号模糊优选不大于刀具旋转的在连续的信号数字测量的长度的+/-5％并且不小于+/-2％，以便于将由加速和停止过程导致的推移不表现为破损。对于钢带的切边，刀具旋转的在连续的信号数字测量的长度的+/-5％的信号模糊证明是合适的。

可选地例如以图表形式进行数据的可视化，图表在可能的实施方式中手动地完成。在优选的实施方式中，可选的可视化借助电脑和合适的软件进行。可视化的数据接着例如显示在纸上或者在电脑监控器上。

如果在至少三个或优选至少四个相继的刀具旋转中周期性地在刀具旋转中的相同位置上再现地产生伪影，则进行损伤显示。损伤显示的方式方法并不局限并且例如以声学或光学的方式进行，其中多种实施方式例如口头的通知，声音的信号，监控器上的光学信号，纸质打印件上的报告或者在旋转刀具附近发送的光学的信号都适合。

根据本发明的方法优选按给出的从步骤a)到g)的顺序进行。

根据本发明的方法和根据本发明的装置特别适合于用于切割或切边金属带材，特别是铸造、热轧或者冷轧的钢带(可以是不涂层或者例如有机地、无机地或者金属涂覆)的设备中。

附图说明

下面，借助实施例和多个示意性的并且比例不正确的附图详细阐述本发明。

图1示出了具有刀片和麦克风的用于金属平板产品的切边装置的横截面示意图，

图2示出了根据本发明的装置的实施方式的示意图，

图3示出了数字化的信号数据的示例图，

图4示出了没损伤的圆刀的测量数据图，

图5示出了有损伤的圆刀的测量数据图。

具体实施方式

在切边机上试验方法和装置，切边机设置在连续式退火炉的流出口中，连续式退火炉用于冷轧的钢板产品的再结晶退火。在本实验中，切边刀具有分别为0.3m的直径。使用由商品名称为askodynec的esu钢制成的未涂层的切边刀具。

首先，图1示出了用于金属平板产品的切边装置的示意性结构。切边装置包括两个上部的切边刀具3a和3b以及两个下部的切边刀具3c和3d，切边刀具分别固定在保持件4a-4d上。切边刀具是圆刀，其彼此作为上部刀具/下部刀具对3a对应于3c以及3b对应于3d。切边刀具通常互相重叠，其中切边刀具的互相的重叠和浸没深度根据待切边的金属平板产品的厚度和强度调整。

金属平板产品2在两侧在上部的切边刀具3a和3b和下部的切边刀具3c和3d之间夹紧。圆刀的旋转这样调整，即，位于刀具之间的金属平板产品在移动方向上移动，而同时通过相对压紧的上部和下部刀具的压力将金属平板产品的边缘切边。在上部的切边刀具3a和3b之间设置麦克风1。安装方式在图1中没有示出。

麦克风1在切边机中定位在钢带通过线下面的两个上部的切边刀具3a和3b之间的中间，以便于能够同样好地接收两侧产生的噪音。只要麦克风相对切边刀具3a到3d的距离分别至少为50mm并且最多1500mm，麦克风1原则上也可以偏心地定位。在此，麦克风和圆刀3a，3b之间的距离分别为700mm，距离圆刀3c和3d分别为720mm。

pcbpiezotronics公司的130d20型具有集成的放大器的预先极化的驻极体麦克风，也已知名为“icpelectretarraymicrophone”用作麦克风1。在此涉及一种具有小于122db的动态范围动态的无场麦克风。麦克风在100到4000hz的频带中具有+/-1db的偏差并且在20到15000hz的范围中具有-2到+5db的偏差。在18到30v的运行电压以及2到2ma条件下，麦克风提供5到12v输出电压。麦克风由于构造所限的7v的输出电压差提供+/-3v或者+/-5v的调制范围。通常的输出电压值一般在毫伏范围并且为45-450mv之间。由于根据iepe标准的供电，连接导线可以最多几米长。

如图2所示，由麦克风1记录的噪音作为电信号传输到信号端子壳体5中，其中将其首先传输到信号调整单元6中。信号端子壳体5包括信号调整单元6和数据检测单元7。在已进行的企业测试中，用24v的驱动电压驱动信号调整单元6，并且将pcbpiezotronics公司的icpsignalconditioner682a02用作信号调整单元6。在信号调整单元6中，麦克风的交变信号首先通过高通滤波器8分开。在放大器9中，信号接着放大系数1，10或100。放大系数根据环境声音选择。为了确定放大系数，首先在测量开始时进行用于确定环境声音的无干扰的参照测量。基于参照测量首先选择系数1。基础信号在此在零线的高度上，并且环境声音最高为整个测量范围的三分之一。测量范围通常限制在+/-10v的电压范围内。有利地，测量范围可以在通常+/-10v的电压范围中根据放大系数而变化。如果存在不同的运行的条件并且因此不同的环境声音情况，则可以通过改变放大系数来顾及所述情况，从而使得显示错误的风险最小化。在对钢带切边装置的企业测试中，1，10或100的放大系数证明是适合于在企业的使用条件下通常的环境声音中使用。选择待使用的放大系数通过考虑标准进行，信号通过放大倍数只能这样放大，即，环境声音最大为测量范围的三分之一。之后，信号通过具有极限频率15khz的低通滤波器10传输。信号调整的输出信号之后最高为+/-6v。

此外，麦克风由信号调整单元6供应电流。麦克风的供电在此基于“integratedelectronicspiezo-electric”标准。

在此，麦克风用恒定电源供电。通过恒定电流提供了工作点电压，其通过麦克风下降。这在这里使用的麦克风中为5到12v。由通过麦克风下降的电压和18v的供应电压在信号调整单元6上产生了6到13v的电压。稳定电压传输麦克风的电压信号。通过在信号调整单元6中的高通滤波器8抑制直流电压。通过声压产生的交变信号叠加了该稳定电压。

接着，信号传输到数据检测单元7中。在这里的例子中，使用“niusb-6210”的数据检测单元。数据检测单元7包括模拟数字转换器11。其具有16个分别具有16bit和最大250ks/s采样率的模拟输入端。数据检测单元7的模拟数字转换器11此外具有四个数字输入端，四个数字输出端以及两个具有16bit的分辨率的计数器。模拟数字转换器11的模拟输入端具有最大到+/-10v电压范围。此外，数据检测单元7包括数据传输单元12，通过数据传输单元优选经过usb作为数据电流例如通过nationalinstruments公司研发的所谓的“数据流”进行数据传输。

在本试验中，信号密度为旋转的刀具长度的每毫米125000信号。

转换成数字数据的信号接着传输到数据处理单元13中。其包括ibh公司的opc服务器，该opc服务器构成了测量系统的接口。这样，使用opc服务器，以便于读取和/或写入变量，例如可编程存储的控制器(sps)的输出端、输出端或者数据组合。在常规的用户界面进行操纵。通过ip地址以及支架和插槽编号接入opc服务器的主处理器。在此，象征性地接入使用的变量，从而为变量分配名称，该名称随后在opc服务器中使用。此外，数据处理单元13包含用于数据处理的软件。在本实验中，使用measurementcomputingcorporation公司的dasylab13软件。在本实验中，为了数字化的信号数字的继续处理，使用已知的数理的过滤器和其他过滤方法，例如特别是butterworth型的递归过滤器和快速傅里叶变换(fast-fourier-transformation)。这样，信号通过butterworth型递归过滤器过滤到300到400.谐波之间的频率范围。信号密度为刀具周长每毫米125000个信号，这与旋转的刀具长度一致。通过快速傅里叶变换，信号分为每秒10个信号长度，从而信号的振幅特性曲线保持。

图3示出了在进行过滤后数字化的信号数据的示例图。示出了根据时间的作为振幅信号以电压差(单位为伏特)形式的声压。描绘了22个刀具旋转的数据。图3中考虑信号功率(单位为伏特)与设备速度的关联。谐波的功率固定在0.2v的额定功率水平之上，其中额定功率水平通过实验确定。图3中的在零线n上方短暂延伸的水平线a表示整流平均值ugl。整流平均值从刀具旋转到刀具旋转中数量上只发生微小改变，从而这种改变在图3中不能看到。阈值计算为最后一个没有伪影的刀具旋转的整流平均值的10倍的值并且在图3中绘制为在整流平均值的线上方的另一水平线b。测量序列的最后一个没有伪影的刀具旋转在图3中未示出。图3中可见，对于22个信号而言，声压分别大于阈值。因此，存在伪影。基于对于刀具旋转必须的时间段t1和32768信号/s的抽样频率fs计算距离，时间段t1由0.3m的刀具直径和v＝2m/s的刀具旋转速度按t1＝(0.3m*π)/(2m/s)计算。处理数据例如刀具旋转速度由处理计算机14发送到数据处理单元13。

伪影具有互相分别0.02秒的距离。由数据评估单元13引起损伤显示。通过损伤显示单元15进行损伤显示，其中涉及连接数据评估单元13的电脑监控器，在电脑监控器上显示可见的警告符号。

图4示出了圆刀的测量数据的另一实施例，其中如上所述处理数据。具有1.01mm厚度的质量hc340la的钢带切边成宽度1376mm。切边机中的带速为110m/min。切边刀具的切割缝隙为0.20mm并且刀具到钢带中的进入深度为0.20mm。所有信号都在由线b表示的阈值之下。圆刀不具有伪影和刀具破损。

图5示出了圆刀的测量数据的另一实施例，其中如上所述处理数据。具有1.16mm厚度的质量hc600的钢带切边成宽度1352mm。切边机中的带速为130m/min。切边刀具的切割缝隙为0.22mm并且刀具到钢带中的进入深度为0.20mm。基于对于刀具旋转必须的时间段t1计算距离，时间段t1由0.3m的刀具直径和v＝2.17m/s的刀具旋转速度计算。由此，一次刀具旋转总共包括13566个信号。图5中可以看到多于三个的互相重叠的刀具旋转伪影，其彼此与一次刀具旋转具有间距。在这种情况下，存在刀具破损。

附图标记说明

1麦克风

2金属平板产品

3a,3b,3c,3d旋转的刀具

4a,4b,4c,4d刀具保持件

5信号端子壳体

6信号调整单元

7数据检测单元

8高通滤波器

9放大器

10低通滤波器

11信号转换器

12数据传输单元

13数据处理单元

14处理计算机

15损伤显示单元

a代表整流平均值的线

b代表阈值的线

n零线