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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontaktfreien Prüfen
mechanischer oder mechatronischer Baugruppen gemäß den
Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Mechatronische
Baugruppen, wie sie beispielsweise als Aktuatoren mit Piezosteller
realisiert sind, verbinden elektrische oder elektronische Funktionselemente
mit mechanischen Komponenten. Die Schnittstelle, die beide unterschiedlich
arbeitenden Elemente miteinander verbindet, wird in der Regel durch
geeignete elektrische Kontaktierungen hergestellt.
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Die
Prüfung derartiger mechatronischer Baugruppen erfolgt für
gewöhnlich unter Anwendung von visuellen Inspektionsverfahren.
Derartige Verfahren sind insbesondere dann geeignet, wenn wegen
einer besonderen Beschaffenheit der zu überprüfenden Baugruppe
keine direkte Prüfung der Kontaktstellen mittels eines
Stromflusses durchgeführt werden kann.
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Visuelle
Inspektionen werden sowohl durch den Menschen selbst, als auch mit
maschinellen und automatisierten Verfahren realisiert und sind dem Fachmann
aus dem Stand der Technik bekannt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass
insbesondere die visuelle Inspektion von sehr kleinen Baugruppen
mit elektrischen Anschlusselementen oftmals sehr mühsam ist
und wegen der Ermüdungsgefahr der Person die Durchführung
der Prüfung von Störungen und Fehlern geprägt
sein kann, was letztlich zu einer Verfälschung des Ergebnisses
führen kann.
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Die
Anwendung von visuellen Inspektionsverfahren, die maschinell durchgeführt
werden, unterliegt ebenfalls einer hohen Fehleranfälligkeit,
da sie wenig geeignet sind, beispielsweise Strukturfehler, wie sie
bei Oberflächenfehler oder Verfärbungen in Form
von feinen Haarrissen auftreten, nicht von optischen Artefakten
unterscheiden können.
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Aus
der
DE 101 17 249
C2 ist ein Prüfsystem für Spulen zur
schnellen, kontaktfreien Prüfung der funktionellen Parameter
der Spule vorbekannt, wobei dort mittels eines in einem zweckmäßig
gewählten Frequenzbereich durchstimmbaren Signalgenerators und
einer Antenne ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird. In dieses
Feld wird die zu prüfende Spule eingebracht. Mit einer
zweiten Antenne und einem angeschlossenen Signaldetektor erfolgt
eine Messung der von der Spule bewirkten Veränderung des hochfrequenten
elektromagnetischen Feldes bei einer oder mehreren Frequenzen im
Vergleich bezogen auf den Zustand ohne in das Feld eingebrachte Spule.
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Mit
dieser Lehre ist es möglich, ein Prüfsystem anzugeben,
bei dem ohne eine mechanische Schädigung der Spule oder
Spulenanschlüsse auch bei sehr feinen Trägern
eine schnelle und zuverlässige Funktionsprüfung
möglich ist und der technische Aufwand reduziert wird.
Obwohl dieses Verfahren des Standes der Technik gegenüber
bis dahin bekannten Methoden Vorteile zeigt, gelingt es nicht, solche
Baugruppen zu prüfen, die nur bedingt in der Lage sind,
in signifikanter Weise auf das erzeugte elektromagnetische Feld
einzuwirken.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein weiterentwickeltes
Verfahren zum Prüfen von mechanischen oder mechatronischen
Baugruppen anzugeben, bei welchem die Struktur der Baugruppe, insbesondere
jedoch deren elektrischen Verbindungen berührungslos geprüft werden
können, so dass eine zuverlässige Aussage darüber
getroffen werden kann, ob und welche Abweichungen der zu überprüfenden
Baugruppe im Vergleich zu einem idealisierten Prototypen bestehen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
zum Prüfen mechatronischer Bauelemente gemäß der
Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass die zu überprüfende
mechatronische Baugruppe einem mit Hilfe von miteinander gekoppelten
Antennen gezielt erzeugten, hochfrequenten elektromagnetischem Feld
ausgesetzt wird. Die charakteristischen Parameter des Feldes wie
etwa die Frequenz oder die Feldstärke werden separat oder zeitgleich
verändert, um dann die Beeinflussung des elektromagnetischen
Feldes durch die mechatronische Baugruppe mit den gleichen oder
zusätzlichen Antennen messtechnisch zu erfassen. Anschließend wird
die gemessene Ausprägung des elektromagnetischen Feldes
bei verschiedenen Einstellungen der Feldparameter mit denjenigen
Werten verglichen, die ein idealisierter Prototyp bei genau den
gleichen Einstellungen der Feldparameter erzeugt. Auf diese Weise
kann eine Übereinstimmung oder Abweichung der gemessenen
Ist-Werte von den vorgegebenen Soll-Werten festgestellt werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden in einer ersten Arbeitsphase, die auch als Teach-In-Phase
bezeichnet wird, für verschiedene charakteristische Einstellparameter
des elektromagnetischen Feldes für verschiedene qualitativ
hochwertig befundene Bauelemente gemittelte Messwerte der zu prüfenden Bauelemente
erfasst und als repräsentative Referenzmesswerte in Speichern
einer Verarbeitungseinheit abgespeichert. In einer zweiten Arbeitsphase werden
anschließend die unbekannten und zu prüfenden
mechatronischen Baugruppen in das hochfrequente elektromagnetische
Feld eingebracht und die daraus gewonnenen Messwerte mit den idealisierten Messwerten
verglichen.
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Diese
repräsentativen Messwerte, die als Referenzwerte für
einen Vergleich mit den gemessenen Messwerten der geprüften
Bauelemente herangezogen werden und die bevorzugt aus einer Stichprobe
von realen, möglichst fehlerfreien mechatronischen Baugruppen
bestimmt werden, und die einzelnen Messwerte aus der Stichprobe
werden durch eine Berechnungsmethode, beispielsweise durch eine
quadratische Mittelwertbildung bzw. einer Summation der quadratischen
Abstände der Messwerte, zu einem repräsentativen
Referenzmesswert zusammengefasst. Auf diese Weise lässt
sich eine realistische Beurteilung erstellen, ob Abweichungen bei
geprüften Baugruppen noch tolerierbar sind.
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Eine
alternative Methode, einen rechnerischen Vergleich der Messwerte
zwischen den zu prüfenden Bauelementen und den idealisierten
Bauelementen durchzuführen, kann bevorzugt auch dadurch
erfolgen, dass die Differenz der Messwerte für jeweils
gleiche Feldparameter-Einstellungen und gleiche Messorte gebildet
wird und diese Differenzen zu einer Summe addiert werden, so dass
diese ermittelte Summe ein qualitatives Gütemaß für
die Übereinstimmung oder Abweichung der geprüften
mechatronischen Bauelementen von den Referenz-Bauelementen darstellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens besteht eine Methode zur Analyse der Messwerte darin,
dass für die einzelnen Messwerte der zu prüfenden
mechatronischen Bauelemente, welche bei unterschiedlichen Einstellparametern
des elektromagnetischen Feldes, durch unterschiedliche positionierte
Messorte der messenden Antennen oder durch eine veränderte
Ausrichtung des mechatronischen Bauelementes relativ zum elektromagnetischen
Feld, wie beispielsweise durch eine entsprechende Veränderung
der Drehlage innerhalb des elektromagnetischen Feldes gewonnen werden,
sogenannte Gewichtsfaktoren definiert werden. Es wird dann die Bedeutung
einer Abweichung eines einzelnen Messwertes eines geprüften
mechatronischen Bauelements von einem vergleichbaren Messwert eines
idealisierten Bauelementes in Bezug auf den Gewichtungsfaktor beurteilt
wird, der dem jeweiligen Messwert zugewiesen ist. Durch die Gewichtung
der Fehlerkriterien ist es möglich, deutlicher zwischen
fehlerhaften und nicht-fehlerhaften mechatronischen Baugruppen zu
unterscheiden, um zuverlässigere Aussagen bei der Beurteilung
der Qualität z. B. der Kontaktierungen zu treffen.
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Insbesondere
die exakte Ausrichtung eines mechatronischen Bauelementes relativ
zum elektromagnetischen Feld ist bei der Detektion eines Defekts
von Bedeutung. Denn innerhalb eines Probenkörpers bzw.
eines mechatronischen Bauelementes wie einem Piezo-Stack können
sich die Defekte an unterschiedlichen Orten befinden. Zudem kann
die Ausprägung des elektromagnetischen Feldes innerhalb
des Probenkörpers räumlich variieren. Wird jedoch
die Drehlage des Probenkörpers verändert, so ändert
sich auch die Lage des Defekts relativ zum Feld, das bedeutet, die
Parameter des Feldes ändern sich ebenfalls. Damit ergibt
sich aus der neuen Drehlage des Probenkörpers ein weiteres
Kriterium, um Defekte innerhalb eines Probenkörpers zu
ermitteln.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform des Verfahrens
werden die eine oder mehreren Antennen durch einen Signalgenerator
mit einem breitbandig einstellbaren Signal gespeist und die Auflösung
der von den Antennen empfangenen und von der Messeinheit gemessenen
Signalpegel durch die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes
erfolgt selektiv für verschiedene Signalfrequenzen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1a und 1b typische
Feldbilder einer geprüften Baugruppe, wobei ein ordnungsgemäßer Zustand
in 1a und ein Fehlerzustand (Anschlussdraht nicht
korrekt verlötet) in 1b dargestellt
ist;
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2 eine
mögliche Anordnung von zwei Antennen zur Erzeugung eines
elektromagnetischen Feldes sowie die zu prüfende Baugruppe
und
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3 eine
schematische Darstellung eines Berechnungsschemas für die
Ausführung eines Vergleiches zwischen Ist- und Soll-Messwerten
zur Beurteilung der Qualität der Kontaktierungen einer
mechatronischen Baugruppe.
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1a und 1b zeigen
zwei unterschiedliche Darstellungen von Verläufen von elektromagnetischen
Feldern, die sich durch eine minimale Veränderung einer
aus zwei Anschlussdrähten und einem Piezo-Stack ergebenden
mechatronischen Baugruppe ergeben. In der 1a liegt
der Anschluss zu nahe, aber tolerabel am Piezo-Stack. In der 1b ist hingegen
der Anschlussdraht nicht ordnungsgemäß am Anschlusspin
verlötet. Beide Defekte erzeugen ein charakteristisches
Feld und beeinflussen die Feldparameter, die mit einer Messvorrichtung
detektiert werden können.
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2 zeigt
eine mögliche Messanordnung mit einem Generator 4 und
Antennen 5 und 6, mit denen ein entsprechendes
elektromagnetisches Feld erzeugt und gemessen werden kann.
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Die
mechatronische Baugruppe, die aus einen Aktuator 1 mit
den Anschlussflächen 2 und jeweils einem Anschlusspin 3 besteht,
wird dabei in das durch den Generator 4 mit der Antenne 5 erzeugte
elektromagnetische Feld eingebracht. Mit der Antenne 6 und
einem Messgerät 7 kann dann die Beeinflussung
des elektromagnetischen Feldes durch die mechatronische Baugruppe
in Form der veränderten Feldparameter gemessen und durch
eine Verarbeitungseinheit 8 bestimmt werden.
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Gemäß 3,
die ein Berechnungsschema für die Ausführung eines
Vergleichs zwischen Referenzmesswerten und Probenmesswerten zeigt,
werden die Messwerte der einzelnen Feldstärken und die zugehörigen
Messorte in einem Register 12 zusammengefasst und abgelegt.
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Die
in einem weiteren Register 13 gespeicherten Messwerte eines
idealisierten Prototyps, d. h. Referenzmesswerte, werden einer ersten
Verrechnungsbaugruppe 15, z. B. zum Zweck einer Differenzbildung,
zugeführt.
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Die
Nachbearbeitung der erhaltenen Differenzen in der Baugruppe 16 kann
eine Betragsbildung, eine Quadrierung oder eine anderweitige Normierung
sein, so dass die jeweilige Differenz der Messwerte durch ein geeignetes
Merkmal beschrieben ist, das bevorzugt auch signifikant graphisch
dargestellt werden kann.
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Zusätzlich
werden die zu den einzelnen Messwerten ermittelten typischen Merkmale
mit den im Register 14 gespeicherten Gewichten in einer
weiteren Verrechnungseinheit 17 beispielsweise durch eine
Multiplikation verbunden.
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Anschließend
werden in einem Rechenschritt 18 alle signifikanten Merkmale
durch beispielsweise Summation zusammengefasst und in der Klassifikatorbaugruppe 19 unter
Berücksichtigung eines Schwellenwertes einer Gut/Schlecht-Klasse
zugeordnet.
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Zusammenfassend
wird gemäß der Erfindungsidee eine mechatronische
Baugruppe, wie sie beispielsweise ein Aktuator mit Piezosteller
sein kann, einer Prüfung unterzogen, indem die entsprechende
mechatronische Baugruppe einem hochfrequenten elektromagnetischen
Feld ausgesetzt wird. Charakteristische Parameter der Frequenz und/oder der
Feldstärke werden separat oder gleichzeitig verändert.
Die Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes durch die eingebrachte
mechatronische Baugruppe wird entweder durch dieselbe Antennenanordnung
oder durch mehrere zusätzliche Antennen ermittelt. Die
messbare Ausprägung des sich veränderten elektromagnetischen
Feldes der verschiedenen Einstellungen von Frequenz oder Feldstärke wird
mit den Werten verglichen, die von einem idealisierten Prototyp
bei entsprechend identischen Einstellungen erzeugt wird oder bzw.
vorliegt. Das Maß der Übereinstimmung oder Nicht-Übereinstimmung bildet
dann ein Kriterium hinsichtlich der Qualität der geprüften
Baugruppe.
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- 1
- mechatronisches
Bauelement
- 2
- Anschlussdraht
- 3
- Anschlusspin
- 4
- Generator
- 5
- Antenne
- 6
- Antenne
- 7
- Messgerät
- 8
- Verarbeitungseinheit
- 10
- Messwerte
- 12
- Register
- 13
- Register
- 14
- Register
- 15
- Verrechnungsbaugruppe
- 16
- Differenzbildungseinheit
- 17
- Verrechnungseinheit
- 18
- Bearbeitungseinheit
- 19
- Klassifikator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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