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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Analyse einer dynamischen Eigenschaft eines Produktionssystems.
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Ein Produktionssystem in Sinne der Erfindung ist vorzugsweise ein System zur Durchführung eines Fertigungsprozesses. In einem solchen Fertigungsprozess können z.B. Bauteile hergestellt werden. Ein Fertigungsprozess kann z.B. ein urformendes oder umformendes oder trennendes, z.B. zerspanendes Bearbeitungsverfahren umfassen.
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Eine effiziente Fertigung von Bauteilen, z.B. durch Reduzierung von Fehlproduktionen, ist grundsätzliches Ziel, wofür auf geeignete Mess- und Analysemethoden zurückgegriffen werden kann. Solche Methoden lassen sich in drei Bereiche unterteilen. Vor dem Prozess werden meist die gegebenen Daten zum Prozess aufgezeichnet und gegebenenfalls mit den angenommenen Werten verglichen. Messmethoden während eines Fertigungsprozesses betreffen die Prozessüberwachung. Der dritte Bereich erfasst die Messung und Analyse nach dem eigentlichen Bearbeitungsprozess und wird primär zur Sicherung der Qualität eingeplant.
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Bei den letzten beiden Ansätzen handelt es sich primär um Kontrollmechanismen. Der erste Bereich betrifft hingegen die Prozessauslegung und bietet damit ein besonders hohes Potential zur Optimierung.
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Bislang wurde bei der Prozessauslegung im Wesentlichen auf die Erfahrung von Mitarbeitern zurückzugreifen. Es zeigt sich jedoch immer mehr die Notwendigkeit einer Systematisierung der Zusammenhänge und einer Rückführung auf definierte Modellvorstellungen .
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Treten im Prozess beispielsweise unerwünschte Schwingungen auf, so werden die Zusammenhänge derart komplex, dass auch langjährige Erfahrungswerte nur selten zu einer optimalen Lösung führen. Daraus resultieren suboptimale Prozessparameterwerte oder gar die Einplanung weiterer Nachbearbeitungsschritte, sodass die Fertigung nicht effizient und kostengünstig umgesetzt wird.
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Gerade bei der Zerspanung, insbesondere bei einer Fräsbearbeitung können Prozessschwingungen entstehen, die negative Auswirkungen auf die Qualität der erzeugten Bauteiloberfläche, die Werkzeugbelastungen und somit den Verschleiß der Fräswerkzeuge sowie die Lebensdauer der Maschinenkomponenten haben. Dies führt zu einer Einschränkung der Produktivität, zu einem Nachbearbeitungsbedarf oder zu einem kostenintensiven Ausschuss.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Erfassung und Interpretation dynamischer Eigenschaften, z.B. der Schwingungen und deren Auswirkung auf die Prozessstabilität zu bestimmen, insbesondere hierdurch stabile Prozesse zu definieren. Dafür sollen vorzugsweise Informationen gewonnen werden, welche die dynamischen Eigenschaften repräsentieren, z.B. Stabilitätsinformationen, Nachgiebigkeitsfrequenzgänge oder modale Parameter.
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Vorzugsweise liegen weiterhin folgende Aufgaben der Erfindung zugrunde:
- 1. Durch Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens effizienter und mit weniger Ausschuss zu produzieren
- 2. Mess- und Analysearbeitsschritte zu beschleunigen, zu vereinfachen eine Verfügbarkeit resultierender Daten zu gewährleisten
- 3. Unterbrechungen der Fertigung für Analysen nicht oder nur kurz zu unterbrechen und Messzeiten zu minimieren und so den Einsatz der Erfindung in der Serienfertigung zu etablieren
- 4. Messungen und Analysen für den Maschinenbediener selbst ohne spezifische Kenntnisse zu ermöglichen.
- 5. hochwertige Messergebnisse auch bei erschwerter Zugänglichkeit, wie z. B. in einem Arbeitsraum eines Bearbeitungszentrums, zu erzielen.
- 6. eine handfreie Arbeitsweise für die Analyse anzustreben
- 7. ein direktes Feedback zur Messdurchführung und -qualität vor Ort zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die vorgenannte Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Messung und Analyse einer dynamischen Eigenschaft eines Produktionssystems, umfassend eine mobile Datenverarbeitungseinheit, wenigstens eine Anregungseinheit zur Ausübung einer manuell oder von der Datenverarbeitungseinheit ausgelösten Krafteinwirkung auf ein Werkzeug des Produktionssystems wenigstens eine an die Datenverarbeitungseinheit angeschlossene Messvorrichtung zur messtechnischen Erfassung einer auf die Krafteinwirkung folgenden Reaktion des Werkzeugs, wenigstens eine in die Datenverarbeitungseinheit integrierte oder an diese angeschlossene Visualisierungseinheit, wobei die Datenverarbeitungseinheit eingerichtet ist, über die Messvorrichtung Messdaten nach einer Anregung des Werkzeugs zu erfassen und einer Auswertung zuzuführen, wobei die Auswertung eingerichtet ist, auf der Grundlage zumindest von gespeicherten Parametern des Produktionssystems, insbesondere von Werkzeugparametern und den Messdaten, vorzugsweise in Verbindung mit den die Krafteinwirkung repräsentierenden Daten, mittels einer Simulation eines Produktionsprozesses einen die dynamische Eigenschaft repräsentierenden Graphen zu erzeugen und mittels der Visualisierungseinheit anzuzeigen.
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Die Erfindung ermöglicht eine deutlich effizientere Nutzbarkeit der gewonnenen Analysedaten dadurch, dass diese bereits in der Planungsphase der Fertigungsprozesse zur Verfügung gestellt werden. Basierend auf den analysierten und direkt dem Benutzer visualisierten dynamischen Eigenschaften der für einen Prozess in Frage kommenden Maschinen und Werkzeuge können Informationen über die dynamischen Eigenschaften, z.B. über Resonanzbereiche oder Stabilitätsbereiche direkt bei der Prozessauslegung berücksichtigt und eine Optimierung der Fertigungsprozesse ermöglicht werden.
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Die Ausübung der Krafteinwirkung kann vorzugsweise impulsartig erfolgen oder durch eine periodische Schwingungsanregung eines Werkzeugs des Produktionssystems. Eine dafür vorgesehene Anregungseinheit kann z.B. ausgebildet sein als ein Impulshammer oder auch als ein Shaker, insbesondere der piezoelektrisch oder elektromagnetisch angetrieben ist. Ein Shaker kann jegliches Vibrationselement sein, dass zu Vibrationen angeregt werden kann, z.B. welches eine aktorisch linear hin- und herbewegte Masse umfasst oder welches eine mit einer Unwucht rotatorisch bewegte Masse umfasst.
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Ein elektrischer / elektronischer Antrieb der Anregungseinheit eröffnet dabei vorzugsweise die Ansteuerbarkeit der Anregungseinheit durch die Datenverarbeitungseinheit, so dass auch durch diese die Krafteinwirkung ausgelöst werden kann, z.B. automatisiert innerhalb eines Messzyklus, vorzugsweise sich wiederholenden Messzyklus.
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Die auf die Krafteinwirkung folgende Reaktion des Werkzeugs des Produktionssystems kann erfasst werden durch sensorbasiertes Messen der Beschleunigung, Geschwindigkeit- und/oder Auslenkung am Werkzeug und Speicherung der jeweiligen Messwerte. Dafür kann es die Erfindung vorsehen, wenigstens einen Beschleunigungsaufnehmer oder Geschwindigkeitsaufnehmer oder Wirbelstromsensor am Werkzeug anzuordnen oder dieses durch Lasertriangulation zu vermessen.
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Eine Visualisierungseinheit kann z.B. ausgebildet sein durch ein Display, das direkt in der Datenverarbeitungseinrichtung, vorzugsweise in deren Gehäuse angeordnet ist. Ebenso besteht die Möglichkeit eine Visualisierungseinheit auszubilden als eine VR (virtual reality) / AR (augmented reality) -Brille, die als externe Einheit direkt vom Benutzer getragen wird und in dessen Sichtfeld den die dynamische Eigenschaft repräsentierenden Grafen einblendet. Dies hat den Vorteil, dass der Benutzer seinen Blick nicht von dem Produktionssystem abwenden muss, um die Analyse zu betrachten.
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Die Auswertung der erfassten Daten im Rahmen einer Analyse kann durch eine Software erfolgen, die vorzugsweise direkt auf der Datenverarbeitungseinheit läuft und die erfassten Daten verarbeitet und nach Verarbeitung, insbesondere nach Analyse den repräsentierenden Grafen erstellt und mit der Visualisierungseinheit zur Anzeige bringt. Dabei ist es vorgesehen für die Auswertung der erfassten Daten gespeicherte Parameter des Produktionssystems heranzuziehen. Diese können z.B. aus einer Datenbank bezogen sein. Die Parameter können z.B. die Art (z.B. Fräszentrum) und Eigenschaften (z.B. Drehzahl bzw. Drehzahlbereich, Achsenanzahl) des Produktionssystems, und das eingesetzte Werkzeug beschreiben, wie z.B. bei einem Fräser den Fräsdurchmesser und die Schneidenanzahl, insbesondere auch die Schneidengeometrie. Die für die Analyse, bzw. Auswertung benötigten Parameter sind vorzugsweise in der Datenverarbeitungseinheit gespeichert, insbesondere nach einem vorherigen Bezug aus einer Datenbank.
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Die Erzeugung des anzuzeigenden Graphen erfolgt erfindungsgemäß durch eine Simulation, z.B. durch ein in der Datenverarbeitungsanlage hinterlegtes Modell, das in seinen Prozessparametern angepasst, insbesondere durch Iteration angepasst wird, bis dass das Modell die erfasste Anregung und Messwerte ausgibt. Das Modell kann z.B. ein Prozeßkraftmodell sein.
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Eine solche Simulation kann vorzugsweise eingerichtet sein, einen Produktionsprozess mit dem Produktionssystem unter Verwendung eines vorbestimmen Werkzeuges, insbesondere auf welches die Krafteinwirkung ausgeübt wird, virtuell in der Datenverarbeitungseinheit nachzubilden. Der Produktionsprozess kann z.B. die spanende Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Fräskopfes sein.
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Der die dynamische Eigenschaft repräsentierende Graph kann z.B. das Verhalten des Werkzeuges und/oder eines vom Werkzeug bearbeiteten Werkstückes in der Simulation beschreiben, insbesondere im Sinne der Erfindung das Ergebnis einer solchen Simulation darstellen. Ein solcher Graph kann für den Benutzer aufbereitet auf der Visualisierungseinheit zur Darstellung kommen.
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Ein Graph, der eine dynamische Eigenschaft repräsentiert, muss nicht zwingend unmittelbar die dynamische Eigenschaft selbst repräsentieren, dies kann jedoch vorgesehen sein. Vorzugsweise kann der Graph einen Zusammenhang zwischen Prozessparametern, vorzugsweise vom Benutzer wählbaren Prozessparametern darstellen, der von der dynamischen Eigenschaft abhängig ist, insbesondere durch diese definiert ist. Innerhalb der Simulation kann der durch den Graphen visualisierte Zusammenhang hingegen datentechnisch repräsentiert sein, z.B. als Parameterfeld, insbesondere Kennfeld oder Matrix, Tensor, Funktion, Differentialgleichung etc.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise eine vollintegrierte Vorrichtung, worunter bevorzugt verstanden wird, dass diese alle für die Messung und Analyse benötigten Komponenten in sich vereinigt. Dabei sind vorzugsweise alle Komponenten, die nicht zwingend extern von der Datenverarbeitungseinheit sein müssen, wie z.B. die Anregungseinheit und die wenigstens eine Messvorrichtung, in das Gehäuse der Datenverarbeitungseinheit integriert. Diese Ausbildung liefert eine handliche und mobile Lösung, die alle notwendigen Hardware- und Software-Komponenten in sich vereint und damit ein vollintegriertes System darstellt.
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Weitere Mess- oder Rechnerhardware wird nicht benötigt.
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Die Erfindung kann weiterhin vorsehen aus den erfassten Daten und/oder Analysedaten Daten für die Erstellung und Erweiterung eines „Digitalen Zwillings“ zu generieren.
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Es kann ebenso vorgesehen sein, die erfassten Daten und/oder Analysedaten im Unternehmen durch Serversysteme oder Cloud-Lösungen zur Verfügung zu stellen.
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Die Erfindung kann allgemein, insbesondere für die vorbenannten Zwecke vorsehen, dass die Datenverarbeitungseinheit ein Kommunikationsmodul umfasst, mittels dem die erfassten Messwerte und/oder die berechneten Daten an einen zentralen Server und/oder an andere Datenverarbeitungseinheiten übertragbar sind.
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Die Fähigkeit zur vorzugsweisen drahtlosen Kommunikation (z. B. über WLAN und Bluetooth) ermöglicht einen Datenaustausch mit einem Serversystem, wodurch nicht nur eine automatisierte Sicherung der Daten ermöglicht wird, sondern auch eine sofortige Verfügbarkeit der Messdaten innerhalb eines Unternehmens. Der direkte Informationsaustausch zwischen einem Maschinenbediener und einem Ingenieur an einem CAM-System (Computer Aided Manufacturing) ermöglicht so beispielsweise im Bereich der spanenden Fertigungsverfahren die Berücksichtigung der Stabilitätsgrenzen bei der Bahnplanung, wodurch leistungsfähigere Prozesse ohne aufwändige Versuche entwickelt werden können. Basierend auf der vorzugsweise drahtlosen Kommunikation wird in einer möglichen Weiterbildung auch ein Informationsaustausch zwischen mehreren erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglicht. Werden für eine komplexe Analyse mehrere Systeme eingesetzt, kann erst eine Synchronisierung der Messdaten eine sinnvolle Auswertung gewährleisten.
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Durch eine messtechnische Erfassung des dynamischen Verhaltens des Produktionssystems und der Berechnung von Stabilitätsgrenzen in Abhängigkeit von Prozessparametern kann eine Empfehlung für eine Prozessoptimierung abgeleitet werden, ohne aufwändige Versuchsreihen durchführen zu müssen.
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Die Erfindung sieht es bevorzugt vor, dass die Auswertung eingerichtet ist, als repräsentierenden Graphen eine Stabilitätskarte zu erzeugen, insbesondere in welcher ein Parameterfeld aus Drehzahl des Werkzeuges und Zustellung des Werkzeugs an ein Werkstück in stabile und instabile Bereiche unterteilt ist. Ebenso kann es vorgesehen sein, eine Darstellung von Oberflächenfehlern an einem Werkstück zu erzeugen, vorzugsweise in Abhängigkeit der Drehzahl des Werkzeuges und der Zustellung des Werkzeugs an ein Werkstück.
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Am Beispiel der Zerspanung, z.B. bei einem Fräsprozess wird eine Möglichkeit der Analyse näher erläutert.
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Bei der Auslegung von Fräsprozessen können unterschiedliche reale Prozessparameter, wie z.B. die Werkzeugdrehzahl, die Vorschubgeschwindigkeit und die axiale oder radiale Zustellung eingestellt werden. Hieraus resultiert das Zeitspanvolumen für einen Prozess, welches die Menge des getrennten Volumens pro Zeiteinheit definiert, und damit die Produktivität bestimmt. Deshalb besteht das Ziel das Zeitspanvolumen zu maximieren. Zeitgleich können bei Fräsprozessen Schwingungen auftreten, die die Oberflächenqualität des entstehenden Werkstücks und die Lebensdauer des Fräswerkzeugs negativ beeinflussen. Wie stark die Wirkung dieser Schwingungen auf das Ergebnis ist, hängt u.a. von der Wahl der realen Prozessparameter und der dynamischen Nachgiebigkeit des Fräswerkzeugs sowie des Werkstücks ab. Da in den meisten Fällen das dynamische Verhalten des Systems aus Werkzeug, Spindel, Maschinenkomponenten und Werkstück nicht verändert werden kann, sind die Prozessparameter soweit anzupassen, dass ein stabiler Prozess bei einem möglichst hohen Zeitspanvolumen gewährleistet werden kann. Besonders geeignete Prozessgröße ist hierbei die Wahl der geeigneten Drehzahl, die in Abhängigkeit der Eigenfrequenzen der schwingenden Komponenten gewählt werden sollte.
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Für die Unterteilung des Prozessparameterraums in stabile und instabile Fräsprozesse werden mit den Simulationskomponenten in der Software der Erfindung Stabilitätsdiagramme berechnet. Grundlage hierfür ist z.B. eine Modalanalyse der schwingenden Komponenten, insbesondere des Werkzeugs. Um die Nachgiebigkeitsfrequenzgänge zu bestimmen, werden z. B. die Fräswerkzeuge in der Maschine mittels Impulshammer schlagartig angeregt und die resultierenden Schwingungen beispielsweise mittels Lasertriangulationssensoren oder Beschleunigungssensoren aufgezeichnet. Die Anregung mit dem Impulshammer kann beispielsweise vom Benutzer manuell durchgeführt werden, kann aber auch durch eine automatisierte Lösung umgesetzt werden, z.B. von der Datenverarbeitungseinheit ausgelöst werden. Um anhand dieser Daten Stabilitätsdiagramme berechnen zu können, können vorzugsweise die nachfolgende beschriebenen Simulations- und Softwarekomponenten eingesetzt werden.
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Komponente Signalverarbeitung, -speicherung und Zeitbereichsanalyse:
- Eingabe: Messsignale der angeschlossenen Sensoren (z.B. Impulshammer und Beschleunigungssensor); Zeitdaten
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Ausgabe: Ausgewählte, gefilterte Messausschnitte, die jeweils, z.B. durch den Nutzer ausgelöste Impulse und Impulsantworten enthalten.
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Mit der Datenverarbeitungseinheit des Systems werden z.B. die vom Impulshammer und Beschleunigungssensor gemessenen Signale im Zeitverlauf erfasst. Da nur die lokalen Informationen beim Auftreten eines z.B. manuell durch den Hammerschlag eingebrachten Impulses relevant sind, werden diese vorzugsweise detektiert, extrahiert und gefiltert. Dies kann über eine Zeitbereichsanalyse der erfassten Signale vorgenommen werden. Die resultierenden gefilterten Messausschnitte der Impulse werden gespeichert und an die nachfolgenden Komponenten, insbesondere Komponenten der auf der Datenverarbeitungseinheit laufenden Software weitergegeben.
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Komponente Frequenzganganalyse zur Nachgiebigkeitsfrequenzgangermittlung:
- Eingabe: Gefilterte Messausschnitte der Impulse
- Ausgabe: Berechnete Nachgiebigkeitsfrequenzgänge der analysierten Werkzeuge, z.B. Fräswerkzeuge.
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Für jeden Messimpuls werden die anregende Kraft und die resultierende Auslenkung bzw. Beschleunigung z.B. des Werkzeugs miteinander verrechnet, um die frequenzabhängige dynamische Nachgiebigkeit zu ermitteln. Dies erfolgt durch eine Frequenzganganalyse im Frequenzbereich und stellt die Nachgiebigkeitsfrequenzgänge zur Verfügung.
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Komponente Modalanalyse:
- Eingabe: Nachgiebigkeitsfrequenzgänge
- Ausgabe: Modale Parameter, z.B. Eigenfrequenzen, modale Massen und Däm pfu ngskoeffizienten.
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Die modalen Parameter können beispielsweise mit Hilfe eines evolutionären Optimierungsalgorithmus in Form eines Modellfittings bestimmt werden.
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Komponente Modell der dynamischen Nachgiebigkeit
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Eingabe: Prozesskräfte, modale Parameter der schwingenden Komponenten Ausgabe: Zeitdiskret berechnete Schwingungen und Auslenkungen der am Prozess beteiligten Komponenten
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Um die Auslenkungen z.B. des Werkzeugs in zeitdiskreten Simulationsschritten berechnen zu können, ist ein Modell des Schwingungsverhaltens erforderlich. Hierzu werden die modalen Eigenschaften der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge analysiert und z.B. in Form nicht gekoppelter gedämpfter harmonischer Oszillatoren abgebildet.
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Komponente Geometrisches Werkzeug- und Werkstückmodell:
- Eingabe: Werkstückgestalt im Ausgangszustand, Werkzeuggestalt (z.B. Durchmesser, Form, Drallwinkel, Länge, Schneidenanzahl, etc.)
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Ausgabe: Spanungsform, insbesondere der zeitliche Verlauf der Spanungsdicke Das geometrische Werkzeug- und Werkstückmodell bildet die zentrale Grundlage der Prozesssimulation. Durch ein Verschneiden der geometrischen Form des Fräswerkzeugs mit dem Werkstück kann zum einen der Materialabtrag und die Formveränderung des Werkstücks simuliert werden. Zum anderen lässt sich die Dicke und Form des bei jedem Schneideneingriff zerspanten Materials berechnen.
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Komponente Prozesskraftmodell:
- Eingabe: Spanungsdicke, empirische Prozesskraftparameter (werkstoffabhängig)
- Ausgabe: Prozesskräfte, die aus dem Fräsprozess resultieren
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Die Prozesskräfte werden auf Basis der Dicke und Form des bei jedem Schneideneingriff zerspanten Materials berechnet. Hier können empirische Kraftmodelle verwendet werden, die z.B. in Abhängigkeit vom zerspanten Werkstoff einen Spanungsquerschnitt in einen Kraftvektor überführen.
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Komponente Prozessmodell:
- Eingabe: Werkzeug- und Werkstückmodell, Prozesskraftmodell, dynamisches Nachgiebigkeitsmodell, Prozessparameter
- Ausgabe: Prozesskräfte, Schwingungen, werkstückseitige Oberflächenfehler und Kenngrößen, die die Prozessstabilität beschreiben
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Im Rahmen des Prozessmodells werden die beschriebenen Softwarekomponenten zusammengeführt, um einen Fräsprozess in zeitdiskreten Simulationsschritten zu simulieren. Somit lassen sich z.B. Oberflächenfehler, Prozesskräfte und Schwingungen berechnen, um die Stabilität eines Fräsprozesses zu bewerten. Insbesondere durch eine Berücksichtigung der Werkzeugauslenkungen bei der Bestimmung der Dicke und Form des bei einem Scheideneingriff zerspanten Materials lässt sich ein Aufschwingen des Prozesses durch den Regenerativeffekt abbilden, um Ratterschwingungen und -marken vorherzusagen.
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Komponente Stabilitätskartenberechnung:
- Eingabe: Prozessmodell
- Ausgabe: Stabilitätskarten und -diagramme
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Für die Stabilitätskartenberechnung werden mit dem Prozessmodell Fräsprozesse mit unterschiedlichen Drehzahlen, insbesondere auch mit anderen Prozessparametern simuliert. Für jeden dieser Prozesse wird ausgewertet, ob es sich um einen stabilen oder instabilen Prozess handelt, um somit ein Stabilitätsdiagramm mit einer Stabilitätsgrenze zu erstellen.
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Diese Stabilitätsdiagramm wird sodann in der Visualisierungseinheit zur Anzeige gebracht.
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Die vorbeschriebene Ausführung stellt eine Möglichkeit dar, um einen die dynamische Eigenschaft repräsentierenden Graphen zu ermitteln und zur Anzeige zu bringen.
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Wie zuvor erwähnt, können verschiedene Arten von Graphen erstellt und angezeigt werden, wir beispielsweise Stabilitätskarten, Oberflächenfehler, Frequenzgänge, insbesondere Resonanzpeaks etc. Durch einen solchen Graphen kann z.B. jeweils eine andere dynamische Eigenschaft repräsentiert sein. Es kann mit verschiedenen Graphen auch dieselbe dynamische Eigenschaft auf verschiedene Art repräsentiert sein.
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Für verschiedene Graphen und/oder verschiedene dynamische Eigenschaften können unterschiedliche Softwarekomponenten und/oder Hardwarekomponenten eingesetzt werden. Die Erfindung kann vorsehen, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, genau einen bestimmten Graphen zu erstellen oder genau eine dynamische Eigenschaft zu analysieren, wofür die zur Auswertung benötigten Softwarekomponenten in der Datenverarbeitungseinrichtung gespeichert sind.
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Eine mögliche Ausführung der Erfindung kann es vorsehen, dass die Auswertung mehrere Module umfasst, die alternativ wählbar sind, wobei jedem Modul eine andere dynamische Eigenschaft und/oder ein anderer repräsentierender Graph zugeordnet ist. Solche Module könne gleichzeitig in der Datenverarbeitungseinheit gespeichert sein und vom Benutzer auswählbar sein, z.B. über eine Menueführung an der Visualisierungseinheit.
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Die Erfindung kann auch vorsehen, dass verschiedene Module jeweils auf einer eigenen mit der Datenverarbeitungseinheit verbindbaren Hardware realisiert sind. Um die Auswertung mit einem bestimmten Modul vorzunehmen kann es sodann vorgesehen sein, dass eine das gewünschte Modul umfassende Hardware an die Datenverarbeitungsanlage angesteckt wird, z.B. ein Speicherstick. So können z.B. mit der Vorrichtung verschiedene Module separat kommerzialisiert werden.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung wird erreicht, wenn diese so ausgebildet ist, dass die mobile Datenverarbeitungseinheit, wenigstens ein Befestigungselement zur Befestigung am Arm eines Bedieners umfasst.
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Durch eine Befestigung am Arm können alle Operationen mit beiden Händen durchgeführt werden, wodurch eine höhere Handlungsflexibilität, insbesondere bei eingeschränkter Zugänglichkeit zum Anregungsobjekt entsteht. Alle Informationen werden in der Visualisierungseinheit, vorzugsweise einem Display in der Datenverarbeitungseinheit, eingeblendet, sodass eine sofortige Bewertung des Messprozesses und eine Handlungsempfehlung abgeleitet werden kann. Weiterhin kann die Datenverarbeitungseinheit mit einer Augmented-Reality-Brille (AR), wie z. B. Google Glass, Vuzix Blade oder Microsoft HoloLens, verbunden werden. Über eine AR-Schnittstelle können z.B. Arbeitsanweisungen und Messhinweise eingeblendet und somit die Messprozedur positiv beeinflusst werden. Zudem lassen sich zusätzlich zur Displaydarstellung des Graphens eine Rückmeldung zur Messqualität wiedergeben. Die Integration dieser Technologien erhöht die Mobilität und erleichtert die Handhabung.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann es vorsehen, dass an der mobilen Datenverarbeitungseinheit eine Kabelaufwicklungseinheit angeordnet ist, mit welcher zumindest das Kabel der wenigstens einen Messvorrichtung aufwickelbar ist, vorzugsweise die Kabel aller an die Datenverarbeitungseinheit kabelgebunden angeschlossenen/anschließbaren Aktoren und/oder Sensoren aufwickelbar sind.
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Grundsätzlich weisen die Messkabel eine hohe Empfindlichkeit auf, die bei einer unvorsichtigen Vorgehensweise schnell zu einem Defekt führen kann. Weiterhin schränken Kabel die Bewegungsmöglichkeit ein. Mit der Kabelaufwicklungseinheit kann sichergestellt werden, dass nur benötigte Kabel und/oder nur die benötigte Kabellänge aus dieser herausgezogen werden und jegliches Kabel bei nicht Benutzung sicher und mit einem benötigten Wickelradius knickfrei gelagert werden kann.
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Eine Weiterbildung kann vorsehen, dass die Vorrichtung zusätzlich zur Visualisierungseinheit optische und/oder akustische Signalisierungsmittel umfasst, insbesondere zur Signalisierung der Güte der Kraftausübung an einen Benutzer.
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Üblicherweise ist es vorgesehen, dass ein Werkzeug mehrmals angeregt wird, um eine gute Mittelung zu erzielen. Fehlgeschlagene Anregungen mit beispielsweise einem Prellen sollten vorzugsweise aus einer Messreihe entfernt werden. Mit der benannten Weiterbildung kann jede Anregung mittels der Datenverarbeitungseinheit überprüft werden und die Güte angezeigt werden. Eine optische Anzeige kann z.B. in einem einfachen Fall mittels einer Ampelfunktion erzielt werden.
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Nach einer Bestimmung der Güte kann es die Erfindung vorsehen, dass - insbesondere unabhängig von einer Signalisierung - die Datenverarbeitungseinheit automatisch die Messung verwirft, wenn eine Mindestgüte nicht erreicht wird. Alternativ kann der Benutzer nach Wahrnehmung der Signalisierung entscheiden, ob die Messung verwendet wird zur Erstellung des Graphen oder nicht, z.B. durch eine bestätigende Eingabe an der Datenverarbeitungseinheit.
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Die Erfindung kann in bevorzugter Weiterbildung auch vorsehen, dass die Datenverarbeitungseinheit eingerichtet ist, die dynamische Eigenschaft repräsentierende Daten, insbesondere solche die im Graphen repräsentiert sind, an das Produktionssystem zu übertragen, insbesondere zur Berücksichtigung der Daten bei der Fertigung eines Werkstücks. Repräsentieren die Daten z.B. die Stabilität des Fertigungsprozesses, so kann nach Übertragung an das Produktionssystem beispielsweise erzielt werden, dass Einstellungen eines Benutzers, die zu einem instabilen Verhalten führen würden, vom Produktionssystem nicht in die Fertigung übernommen werden.
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Die Erfindung hat allgemein den Vorteil, dass der Benutzer für qualitativ hochwertige Analysen des dynamischen Verhaltens des Produktionssystems kein spezielles Wissen benötigt. Die benötigten Module können in der Software der Datenverarbeitungseinheit hinterlegt sein und der Benutzer kann z.B. über die Visualiserungseinheit angeleitet werden den Messvorgang zu starten und durchzuführen.
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Der Benutzer kann so Messungen und Analysen selbstständig durchführen und Fertigungsprozesse anhand der visuelle direkt an der Vorrichtung erhaltenen Ergebnisse optimieren.
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Vorzugsweise hat die Vorrichtung der Erfindung Anschlüsse oder zumindest Anschlussmöglichkeiten für vielfältige Sensoren, die eine Messung von z.B. Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Schall, Körperschall, Kraft und Temperatur ermöglichen. Weitere Schnittstellen gewähren den Anschluss von Anregungseinheiten z.B. einem Impulshammer oder einem Shaker zur Anregung des Messaufbaus. Für die Ansteuerung einer elektrisch betriebenen Anregungseinheit, wie z.B. eines piezoelektrischen oder elektromagnetischen Shakers kann die Erfindung weiterer, insbesondere interne oder auch externe Hardware-Komponenten vorsehen, wie z. B. einen Vorverstärkers.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert.
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Die 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung der Erfindung inklusive der Schnittstellen zu externen Komponenten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in dieser möglichen Ausführung eine in einem Gehäuse 1 integrierte Datenverarbeitungseinheit 2 mit einer Messkarte 2a, einem Speichermedium 2b zur Datensicherung, einer Energieversorgungseinheit (Akkumulator) 2c sowie einem Display als Visualisierungseinheit 3, vorzugsweise mit einem Touchscreen. Zudem verfügt die Erfindung über Bedienelemente 4, wie z. B. Schalter, Tasten, Drehregler etc. Die Datenverarbeitungseinheit 2 verfügt neben den gängigen Anschlüssen, wie beispielsweise SD-Kartenleser und USB, vorzugsweise auch über die Möglichkeit zur drahtlosen Kommunikation (z. B. WLAN oder Bluetooth).
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Ein integrierter Lautsprecher 5 und optische Elemente 6, wie LEDs, erlauben zusätzlich zum Display einen simplifizierten Informationsaustausch, z.B. zur Signalisierung der Güte der Kraftausübung mit dem Bediener während der Messprozedur. Die Messkarte 2a vereint vorzugsweise eine Messeinheit zur Datenerfassung (DAQ), Signalkonditionierung, Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung. Der Akkumulator 2c sichert die Stromversorgung des Systems während eines mobilen Einsatzes und kann bei Bedarf aufgeladen werden. Dank bevorzugt eingebauter Magnetfüße 7 kann die Vorrichtung bei Bedarf vielseitig im Maschinenraum des Produktionssystems positioniert werden.
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Die Kabelaufwicklungseinheit 8 sorgt für einen sicheren Umgang mit den empfindlichen Kabeln 10. Mit den Befestigungselementen 9 kann die Vorrichtung am Arm eines Benutzers befestigt werden, wie es die 1 verdeutlicht.
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In der 1 ist auch erkennbar, dass mittels Kabeln 10, die aus der Kabelaufwicklungseinheit 8 herausziehbar sind, weitere Komponenten, wie z.B. als Anregungseinheit ein Impulshammer 11, ein Shaker 12 oder Sensoren 13 verbunden werden können.
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Die 1 zeigt im Display 3 der Vorrichtung als einen möglichen, die dynamische Eigenschaft repräsentierenden Graphen ein Stabilitätsdiagramm in welchem die Grenzdrehzahl, welche den stabilen vom instabilen Bereich trennt, gegen die Zustellung des Werkzeuges (WZ) aufgetragen ist. Es kann so auf einfache Weise die größte Drehzahl gewählt werden, welche im stabilen Bereich die größtmögliche Zustellung erlaubt. Dies ist im Graphen anhand der gestrichelten Linie visualisiert.
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Z.B. drahtlos kann die Vorrichtung mit einem Server 14 und auch einer AR-Brille 15 kommunizieren.
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Zur Durchführung der Berechnung eines repräsentierenden Graphen verfügt die Vorrichtung in der Datenverarbeitungseinheit über Softwaremodule zur Weiterverarbeitung und -speicherung von Messdaten, die von Sensoren 13 erfasst werden. Es ist z.B. vorgesehen, mittels des Impulshammers 11 oder des Shakers 12 eine Kraft F auf das ein Werkstück WS bearbeitende Werkzeug WZ eines Produktionssystems P auszuüben und mittels des Sensors 13 dessen Reaktion zu messen, z.B. die Schwingung zu erfassen. In der Datenverarbeitungseinheit 2 läuft als Software eine den Produktionsprozess virtuell nachbildende Simulation, insbesondere in welcher anhand von festen und variablen Prozessparametern ein interessierender Prozessparameterzusammenhang gebildet wird, z.B. iterativ, der als Graph visualisiert werden kann.
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Weitere fakultative Softwaremodule ermöglichen die Umrechnung eines Zeitsignals in den Frequenzbereich sowie die Berechnung von Übertragungsfrequenzgängen. Ein Modul ermöglicht beispielsweise eine (teil)automatisierte Modalanalyse anhand der ermittelten Nachgiebigkeitsfrequenzgänge und die Parametrisierung eines entsprechenden Modells. Ein möglicher Ansatz zur Berechnung der Parameter basiert vorzugsweise auf entkoppelten gedämpften harmonischen Oszillatoren. Basierend auf einem Prozesskraftmodell, welches auf eine in der Datenverarbeitungseinheit hinterlegte Datenbank zu spezifischen Prozesskraftparametern zugreift, können Wirkkräfte werkzeug- und werkstoffabhängig hinsichtlich der mit einer Anregungseinheit erzeugten Werkzeuganregung berechnet werden. In der Interaktion mit einem in der Software der Datenverarbeitungseinheit hinterlegten Prozessmodell und einem Modell der dynamischen Systemnachgiebigkeit können die Prozessschwingungen und der Regenerativeffekt modelliert werden. Hierzu analysiert ein z.B. zusätzliches Modul die Eingriffssituation und damit die resultierende Spanungsform. Das letzte Modul leitet aus dem stabilen zum instabilen Systemverhalten z.B. einen Grenzwert ab, woraus sich Stabilitätskarten berechnen und grafisch darstellen lassen, wie in 1 gezeigt.
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Die komplexen Berechnungen laufen im Hintergrund automatisiert ab und verlangen vom Nutzer kein weiteres Spezialwissen. Bei Bedarf können aber auch Zwischenrechenschritte eingesehen und Modifikationen durchgeführt werden.
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Die 1 verdeutlicht den hohen Mobilitätsgrad durch eine leichte und kompakte Bauweise, welche eine handfreie Handlungsweise und somit nur vernachlässigbare Einschränkungen bietet. Die handfreie Messung wird durch eine Tragemöglichkeit am Arm oder magnetische Standfüße zur Befestigung in der Nähe der Messstelle realisiert. Durch das integrierte Kabelmanagement wird die Handhabbarkeit und Mobilität weiter verbessert. Zur mobilen Messung und Datenauswertung vereint das vollintegrierte System alle notwendigen technischen Komponenten und Softwaremodule, die zur detaillierten Analyse z.B. von Schwingungen notwendig sind, sodass keine weitere Messtechnik und keine weiteren Rechensysteme erforderlich sind.
