Wirth, G.: Über den Klang zur Qualität

<BODY> <H1>www.duv24.net : Wirth, G.: Über den Klang zur Qualität</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>06.02.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>POLYTEC GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Wirth, G.: Über den Klang zur Qualität</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Zuverlässige Güteprüfung durch Einsatz akustischer Messtechnik</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in TEST-KOMPENDIUM 2001 S.109-111<BR>(pdf-Version in toolbox unter "details")<BR><BR>Vorwort<BR><BR>Der Einsatz akustischer Prüftechnik bietet die Möglichkeit, über die Analyse der Eigenschaften von Strukturen, deren Abweichungen vom Sollzustand zu erkennen. Gegenüber konventionellen Prüfmethoden ist dadurch eine zerstörungsfreie Beurteilung des Zustandes auch bei äußerlich sonst nicht detektierbaren Fehlern möglich. In diesem Beitrag werden die Grundlagen der akustischen Güteprüfung erläutert. Moderne Lasermesstechnik erlaubt eine berührungslose Schwingungsmessung kleinster Strukturen auch an schwer zugänglichen Stellen. Die so ermittelten Signale werden durch robuste und störsichere Algorithmen analysiert und garantieren ein hohes Maß an Prüfsicherheit. Am Beispiel einer konkreten Anwendung werden die problemspezifischen Aufgabenstellungen behandelt.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>Die rasante Steigerung der Integrationsdichte elektronischer und elektromechanischer Komponenten erschwert zunehmend die Kontrolle einzelner Fertigungsschritte. Gleichzeitig ist eine frühzeitige Detektion fehlerhafter Komponenten für den wirtschaftlichen Erfolg vieler Produkte unerlässlich, um eine aufwendige Weiterverarbeitung von fehlerhaften Teilen zu vermeiden. Der Entwickler ist daher schon beim Prototyping gefordert die komplexen Zusammenhänge zwischen elektronischen Schaltungen und elektromechanischen Komponenten zu analysieren, um für kritische Bauteile geeignete Prüfmethoden zu testen, die die Güte des fertigen Produktes gewährleisten. Hierbei gilt es insbesondere unerwünschte Vibrationen zu vermeiden, die einen Ausfall empfindlicher Bauteile bewirken können. Die erarbeiteten Daten dienen anschließend als Basis zur Sicherung einer gleichbleibenden Qualität des Produktes in der Serienfertigung. Die extreme Miniaturisierung elektronischer Schaltungen erfordert dabei ein hohes Maß an Technik, um beispielsweise schadhafte Lötstellen oder Fehler beim Bonden zu detektieren. Eine Alternative stellt die akustische Prüftechnik auf Basis laser-vibrometrischer Sensoren dar. Sie erlaubt darüber hinaus Aussagen über Materialgüten zu treffen, die bei Silizium-Wavern oder Microstrukturen eine entscheidende Rolle spielen. Die Rissprüfung an Nockenringen stellt exemplarische die Möglichkeiten der akustischen Güteprüfung dar.<BR>Die Verdichtung des Kraftstoffes in Hochdruckeinspritzpumpen moderner Dieselmotoren von PKWs und Nutzfahrzeugen wird durch Nockenringe gesteuert. Risse in den Nockenringen können zu einem Ausfall der Einspritzpumpe und damit zu einem Totalausfall des Fahrzeuges führen. Um die Auslieferung von Einspritzpumpen mit fehlerhaften Nockenringen zu vermeiden, wurde bisher beim Hersteller eine Stichprüfung vorgenommen, die durch Prüfpersonen durchgeführt wurde. Dieses Verfahren der subjektiven Prüfung stellt hohe Anforderungen an die Konzentrationsfähigkeit der Prüfpersonen. Das Ergebnis ist stark abhängig von den individuellen Beurteilungsfähigkeiten der Prüfer. Darüber hinaus können anhand einer Sichtprüfung lediglich Fehler an der Oberfläche erkannt werden. Einschlüsse oder Risse im Innern des Materials sind nicht detektierbar. Zur Erhöhung der Prüfsicherheit wurde eine leistungsfähige, objektive Alternative gefordert, die eine 100-Prozent-Kontrolle erlaubt und gleichzeitig eine Nullfehlerrate ermöglicht.<BR>Die akustische Güteprüfung stellt eine Alternative zur visuellen Beurteilung von Materialien dar, mit der auch Fehler, die nicht an der Oberfläche zu erkennen sind, detektiert werden können. Anhand des Klangs der Objekte ist eine Beurteilung des Zustandes und damit eine Einteilung in Güteklassen möglich.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Grundlagen der akustischen Materialprüfung<BR>Mechanische Strukturen besitzen charakteristische dynamische Eigenschaften die von der Form und dem Material abhängig sind. Identische Objekte besitzen gleiche Eigenschaften, hingegen bewirken Abweichungen der Form oder Strukturänderungen des Materials Änderungen der dynamischen Eigenschaften. Werden die Strukturen angeregt, breiten sich im Material Schwingungen aus, die als Körperschall bezeichnet werden. Dabei sind in Festkörpern unterschiedliche Schwingungstypen möglich, die an Kanten, Grenzflächen und Materialinhomogenitäten ineinander übergehen. Das schwingende Gebilde regt an seiner Oberfläche Luftschall an, der sich als reine Longitudinalwelle ausbreitet.<BR>Die Analyse der Werkstücke kann somit anhand von Luft- oder Körperschallsignalen erfolgen. Im Gegensatz zu Luftschallsignalen sind dabei die Körperschallsignale wenig anfällig gegenüber Störeinflüssen aus der Produktionsumgebung. <BR>Die dynamischen Eigenschaften von Strukturen werden mit Hilfe von Resonanzfrequenzen, Dämpfungen und Eigenformen beschrieben. Dabei stellen die Eigenformen die Verteilung der Schwingungsamplituden auf der Strukturoberfläche dar. Zu ihrer Ermittlung ist somit eine flächenhafte Messung der gesamten Strukturoberfläche oder zumindest charakteristischer Bereiche notwendig. Dies erfordert aber eine aufwendige Sensorik und Auswertung und ist für eine Serienprüfung nicht effizient. Resonanzfrequenzen und Dämpfungen können durch Auswahl geeigneter Messpunkte an einzelnen Stellen bestimmt werden.<BR>Die zur Messung der dynamischen Eigenschaften notwendige Anregung der Prüflinge erfolgt bei der Materialprüfung extern, da im allgemeinen keine Eigenanregung möglich ist. Hierbei muss eine geeignete Lagerung gewählt werden, um die <BR>Dämpfungseigenschaften der Prüflinge, insbesondere im Bereich der Resonanzfrequenzen, nicht zu beeinflussen.<BR><BR>Das Prüfsystem<BR>Das Prüfsystem wurde gemäß der Vorgabe des Kunden als Handarbeitsplatz in die Fertigungsumgebung integriert. Um dennoch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten, musste eine einfache und eindeutige Handhabbarkeit sichergestellt werden. Daher erfolgt die Anregung der Nockenringe teilautomatisch. Die Prüfperson legt die Prüflinge dazu in eine spezielle Aufnahme, die eine definierte Positionierung gewährleistet. Anschließend werden die Prüflinge pneumatisch aus der Aufnahme gehoben und dämpfungsarm auf einem mit Gummi-Noppen bestückten Träger gelagert. Die Anregung mit einem automatischen Anschlaghammer wird durch die Prüfperson ausgelöst. Die Messung der Oberflächenschwingungen erfolgt berührungslos mit einem Einpunkt-Laservibrometer. Eine aufwendige Kontaktierung zur zuverlässigen Signaleinkopplung wie bei konventionellen piezokeramischen Körperschallaufnehmern entfällt dadurch. <BR>Diese Technik eignet sich besonders für automatisierte Fertigungsstrassen mit hohen Stückzahlen und kurzen Taktzeiten sowie zur Messung an kleinen Oberflächen und schwer zugänglichen Stellen. Sie ist im Gegensatz zur Luftschallmessung frei von Störungen durch Umgebungsgeräusche, die besonders im Fertigungsumfeld erhebliche Auswirkungen auf das Messergebnis haben können. Die Aufwendungen für Schallmesskabinen entfallen, wodurch der Einsatz industrietauglicher Laservibrometer wirtschaftlich ist. Die Materialprüfung legt die Analyse von Resonanzfrequenzen sowie deren Dämpfungsgrade nahe. Statistische Untersuchungen anhand einer repräsentativen Stichprobe von Nockenringen haben ergeben, dass anhand der Resonanzfrequenzen eine zuverlässige Unterscheidung von Nockenringen mit und ohne Riss nicht möglich ist. Die durch den Produktionsprozess bedingten Abweichungen sind bei diesem Merkmal grösser als die Abweichungen bei Fehlern. Dagegen stellen die Dämpfungsgrade bezüglich des geforderten Fehlerkriteriums eindeutige Merkmale dar. Gute Nockenringe besitzen geringere Dämpfungsgrade und damit längere Ausklingzeiten als gerissenen Nockenringe.<BR>Für jedes Signal wird zunächst das Maximum bestimmt und damit der Zeitpunkt der Erregung als Referenzzeitpunkt festgelegt. Aus den logarithmierten Maxima des Signals wird mittels linearer Regression der Schnittpunkt mit der Abszisse als Maß für die Dämpfung berechnet. Die Zuordnung von Prüflingen unbekannter Güte zu einer der beiden Klassen ‚Gut‘ oder ‚Schlecht‘ findet anhand von Grenzwerten statt, die aus einer größeren Stichprobe von Prüflingen mit und ohne Riss durch das Prüfsystem automatisch ermittelt wurden. Anhand der Ausklingzeiten aller Prüflinge der Stichprobe werden zwei Grenzwerte derart bestimmt, dass alle Ausklingzeiten von Nockenringen der Lernstichprobe mit Riss kleiner sind als der erste Grenzwert und die Ausklingzeiten von Prüflingen ohne Riss größer als der zweite Grenzwert. Ausklingzeiten, die zwischen den beiden Grenzwerten liegen, werden Prüflingen mit internen Rissen zugeordnet. Bei bestimmten Aufgabenstellungen können diese mit alternativen Methoden genauer untersucht werden. <BR>Das entwickelte Verfahren ermöglicht eine Prüfung von derzeit 200 Teilen pro Stunde, was die Fertigungskapazität weit übertrifft. Die Taktzeit des Prüfsystems ist dabei durch die manuelle Bestückung des Prüfplatzes beschränkt. Eine Automatisierung würde das Verfahren weiter beschleunigen.<BR>Nach Angabe des Nockenring-Herstellers gibt es seit Einführung der beschriebenen objektiven Prüfung keinerlei Kundenbeanstandungen bezüglich Nockenringrissen mehr!<BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Die akustische Güteprüfung stellt eine Alternative zur visuellen Materialprüfung dar, mit der auch versteckte Fehler erkannt werden können. Auf Basis einer automatischen Analyse akustischer Signale wurde exemplarisch ein System zur Rissprüfung von Nockenringen vorgestellt. Zuverlässigkeit und Störsicherheit konnten durch problemspezifische Körperschallanregung und robuste Sensorik sowie Auswahl geeigneter Merkmale erreicht und durch Nachweis der Messgerätefähigkeit bestätigt werden. Schnelle Algorithmen garantieren kurze Prüfzeiten, die die Taktzeiten der Produktion weit unterschreiten. Die Forderung nach einfacher Anpassung des Systems an unterschiedliche Prüflingstypen wurde durch automatisches Anlernen einer typenspezifischen Referenzdatenbank realisiert. Darstellung und Dokumentation der Messergebnisse gewährleisten die Überwachung der Prüfeinrichtung. <BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>