DE102021115391B3 - Verfahren zur Prüfung des Stators sowie Prüfanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Auswertung eines 3D-Scanbildes einer Schweißnahtverbindung (18), wobei in einem ersten Schritt (101) ein 3D-Volumenbild der Schweißnahtverbindung (18) erzeugt wird, in einem zweiten Schritt (102) die Oberfläche der im 3D-Volumenbild dargestellten Schweißnahtverbindung (18) mittels Referenzebenen (26, 28) referenziert wird, in einem dritten Schritt (103) ein Pivot-Punkt (40) ermittelt wird, in einem vierten Schritt (104) ein kartesisches Koordinatensystem mit dem Pivot-Punkt (40) als Ursprung erstellt wird, in einem fünften Schritt (105) mindestens ein Volumenabschnitt Rol (42) durch das Koordinatensystem gebildet wird, in einem sechsten Schritt (106) eine Porenanalyse (106a) durchgeführt wird, wobei für zumindest einen Volumenbereich Rol (42) ein absolutes Porenvolumen PVabs, ein relatives Porenvolumen PVrelund ein Metallvolumen MVolberechnet wird, und/oder in Abhängigkeit des gewählten Volumenabschnittes Rol (42) ausgehend vom Pivotpunkt (40) eine Anzahl Querschnittsflächen (46) definiert werden, anhand derer eine Querschnittsanalyse (106b) durchgeführt wird, in einem siebten Schritt (107) eine Endanalyse der Schweißnahtverbindung (18) durchgeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Prüfanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung eines 3D-Scanbildes einer Schweißnahtverbindung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Prüfanordnung für einen Stator eines Elektromotors.
  • Das Aufkommen der Elektromobilität führt zu einer erhöhten Produktion von leistungsstarken Elektromotoren für die Automobilindustrie. Um sicherzustellen, dass die zu verwendenden Elektromotoren fehlerfrei sind und den Qualitätsstandards genügen, müssen sie vor der Montage des Kraftfahrzeuges untersucht werden, um zu verhindern, dass das Kraftfahrzeug im weiteren Montageprozess aufgrund eines fehlerhaften Elektromotors nachgebessert oder aussortiert werden muss. Hierzu ist es beispielsweise aus der US-amerikanischen Patentschrift 10,543,563 B2 oder der US-amerikanischen Patentschrift 6,341,153 B1 bekannt, eine Schweißnahtverbindung für elektrische Leiter eines Stators eines Elektromotors mittels eines Durchstrahlverfahrens qualitätstechnisch zu überprüfen. Auch wenn das hier verwendete CT-Verfahren sehr gut geeignet ist, um die Qualität einzelner Fügestellen eines Stators eines Elektromotors zu überprüfen, so ist der Einsatz einer herkömmlichen Durchstrahlvorrichtung verbunden mit einer persönlichen Qualitätsüberprüfung im Serienprozess einer automatisierten Fertigung nicht geeignet. Darüberhinaus ist aus der US-amerikanischen Offenlegungsschrift US 2018/0372485 A1 ein Überprüfungsverfahren bekannt, bei dem anhand von Schnittebenen geometrische Formen überprüft werden können. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 010 200 A1 ist eine Prüfanordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Auswertung eines 3D-Scanbildes einer Schweißnahtverbindung beziehungsweise Prüfanordnung zur Durchführung eines Verfahrens bereitzustellen, das den oben genannten Nachteil auf einfache und kostengünstige Weise vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch gelöst, dass in einem ersten Schritt ein 3D-Volumenbild der Schweißnahtverbindung erzeugt wird, in einem zweiten Schritt die Oberfläche der im 3D-Volumenbild dargestellten Schweißnahtverbindung mittels Referenzebenen referenziert wird, wobei anhand von vier Randebenen zwei Symmetrieebenen gebildet werden, die als Referenzebenen dienen und wobei aus der Schnittgerade der beiden Referenzebenen eine Pivotgerade ermittelt wird, in einem dritten Schritt mittels mindestens einer festgelegten Regel auf der Pivotgeraden ein Pivot-Punkt ermittelt wird, in einem vierten Schritt ein kartesisches Koordinatensystem mit dem Pivot-Punkt als Ursprung erstellt wird, in einem fünften Schritt mindestens ein Volumenabschnitt Rol (Region of Interest) durch das Koordinatensystem gebildet wird, in einem sechsten Schritt eine Porenanalyse durchgeführt wird, wobei für zumindest einen Volumenbereich ein absolutes Porenvolumen PVabs, ein relatives Porenvolumen PVrel und ein Metallvolumen MVol berechnet wird, und/oder in Abhängigkeit des gewählten Volumenabschnittes Rol ausgehend vom Pivotpunkt eine Anzahl Querschnittsflächen definiert werden, anhand derer eine Querschnittsanalyse durchgeführt wird, in einem letzten Schritt eine Endanalyse der Schweißnahtverbindung durchgeführt wird. Es wird hierbei angemerkt, dass im ersten Schritt die Oberfläche der Hairpinverbindung aus dem 3D-Volumenbild bestimmt wird. Durch ein derartiges Verfahren ist eine schnelle und sichere Überprüfung von Schweißnahtverbindungen im Serienprozess gewährleistet. Die festgelegte Regel im dritten Schritt kann hierbei beispielsweise einen definierten Abstand vom höchsten Punkt der Schweißnahtverbindung betreffen. Es kann aber auch beispielsweise eine festgelegte Höhe hinterlegt sein, die anhand einer Anzahl Referenz-Schweißnahtverbindungen ermittelt wurde. Um die Genauigkeit der Überprüfung zu erhöhen, können mehrere Rol's ermittelt werden. Durch einen Vergleich des Porenvolumens kann hierbei schnell festgestellt werden, ob im größer gewählten Rol zusätzliche Poren vorhanden sind. Auch kann ein nicht optimaler (schiefer) Verbindungsverlauf erkannt werden. Die Porenanalyse gibt alle Informationen zur Porengeometrie, -orientierung bzw. statistische Informationen zu den Poren. Zur Auswertung wird ein „Filter“ verwendet, der „relevante/echte Poren“ nach Anwendungsdefinition für die weitere Analyse bestimmt. Die Filterkonfiguration kann sich abhängig von Faktoren, wie z. B. Änderungen im Herstellungsprozess oder der Erkennung bestimmter prozessbezogener Poren, ändern, ist aber nicht darauf beschränkt.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird im ersten Schritt das 3D-Volumenbild anhand einer voreingestellten Referenzoberfläche optimiert. Hierdurch kann der Auswerteaufwand für die Auswerteeinheit wesentlich vereinfacht werden.
  • In besonders vorteilhafter Weise wird im sechsten Schritt anhand der Porenanalyse zusätzlich das Volumen der größten Pore PVmax und/oder eine Anzahl Poren PVAnz ermittelt, wodurch die Porenanalyse eine größere Aussagekraft erhält. Es können aber auch andere Eigenschaften herangezogen werden. Anhand der Querschnittsanalyse können in vorteilhafter Weise die aufsummierten Metallflächen MFI(1-n) in den Querschnittsflächen und/oder eine kleinste Metallfläche MFImin und/oder die aufsummierten Porenflächen PFI(1-n) in den Querschnittsflächen ermittelt werden.
  • In besonders vorteilhafter Weise werden im ersten Schritt das 3D-Volumenbild, im sechsten Schritt die Porenanalyse und und/oder die Querschnittsanalyse anhand von Kontrastregeln ermittelt bzw. durchgeführt.
  • Besonders effizient ist das Verfahren einzusetzen, wenn als Schweißnahtverbindung einer Hairpin-Verbindung eines Wickelkopfes eines Stators gewählt wird.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Prüfanordnung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, wobei zumindest eine Einspannanordnung für einen Stator eines Elektromotors, eine Durchstrahlvorrichtung zur Aussendung von Scanstrahlen, eine Detektionsvorrichtung, eine Bilderzeugungseinrichtung und eine Auswerteeinrichtung vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, ein derartiges Verfahren auszuführen.
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:
    • 1 eine perspektivische Ansicht einer Prüfanordnung mit einem teilweise dargestellten, eingespannten Stator eines Elektromotors,
    • 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • 3 eine perspektivische Detailansicht eines Wickelkopfes des Stators aus 1,
    • 4 eine geschnittene Draufsicht eines Hairpins, und
    • 5 eine Schnittansicht der Hairpin-Verbindung aus 4.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Prüfanordnung 2 für einen Stator 4 eines nicht weiter dargestellten Elektromotors. Der Übersicht halber ist hier nur eine Hälfte des Stator 4 dargestellt. Der Stator 4 ist hierbei in einer Einspannanordnung 6 eingespannt. Beabstandet von der Einspannanordnung 6 ist eine Durchstrahlvorrichtung 8, die hier als CT-Vorrichtung ausgebildet ist, zur Aussendung von Scanstrahlen 10 in Richtung eines Wickelkopfes 12 des Stators 4 vorgesehen. Auf bekannte Weise ist des Weiteren eine Detektionsvorrichtung 14 und eine Bilderzeugungseinrichtung 16 in Form eines Rechners dargestellt. Wie später noch ausführlicher beschrieben wird, durchdringen die Scanstrahlen 10 Fügestellen 18 (siehe hierzu 4) und treffen dann auf die Detektionsvorrichtung 14.
  • Die Einspannanordnung 6 weist eine erste Rotationsachse 20 auf, um die eine Relativbewegung zwischen der Durchstrahlvorrichtung 14 und der Einspannanordnung 6 durchführbar ist. Im vorliegenden Fall ist die Durchstrahlvorrichtung 8 fest angeordnet und die Einspannanordnung 6 besitzt eine nicht weiter dargestellte Antriebseinrichtung, die über Lagermittel 22 die Drehbewegung um die erste Rotationsachse 20 durchführt. Um nun die Fügestellen 18 genauer und damit mit einer höheren Auflösung scannen zu können, ist eine zweite Rotationsachse 24 vorgesehen, die in einem Winkel von α zur ersten Rotationsachse 20 angestellt ist. Hierdurch ist ebenfalls der Stator 4 unter dem Winkel α zur ersten Rotationsachse 20 eingespannt, wodurch die einzelnen Fügestellen 18 genauer gescannt werden können, wobei der Abstand zwischen Wickelkopf 12 und Durchstrahlvorrichtung 14 gegenüber herkömmlichen Anordnungen wesentlich verringert ist. Es sollte deutlich sein, dass die Einspannanordnung 6 zum Einstellen des Winkels α rein mechanischer Art sein kann, dass aber auch eine zweite hier nicht weiter dargestellte Antriebseinrichtung zur Verstellung der zweiten Rotationsachse 24 vorgesehen sein kann. Hierdurch ist es natürlich wesentlich einfacher und schneller möglich, die Einspannanordnung 6 an unterschiedliche Statorgrößen, oder auch an unterschiedlich hohe Bereiche des Wickelkopfes 12 anzupassen.
  • 2 zeigt nun ein Ablaufdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren, das zur Auswertung eines 3D-Scanbildes einer Hairpin-Verbindung 18 des Wickelkopfes 12 in einer Auswerteeinrichtung 16, die hier durch die Bilderzeugungseinrichtung ausgebildet wird, angewendet wird.
  • In einem ersten Schritt 101 wird ein 3D-Volumenbild der Hairpin-Verbindung 18 erzeugt. Hierzu kann die einzelne Hairpin-Verbindung 18 aus dem 3D-Scanbild 8 (siehe hierzu 3) eines Teiles des Wickelkopfes 12 extrahiert werden. Hierbei wird die Oberfläche der Hairpin-Verbindung 18 aus dem 3D-Volumenbild bestimmt. Um die nachfolgende Auswertung zu vereinfachen, wird das 3D-Volumenbild anhand einer voreingestellten Referenzoberfläche optimiert.
  • Im nachfolgenden zweiten Schritt 102 wird dann die Oberfläche der im 3D-Volumenbild dargestellten Hairpin-Verbindung 18 mittels Referenzebenen 26, 28 referenziert (siehe hierzu 4). Hierbei werden anhand von vier Randebenen 30, 32, 34, 36 zwei Symmetrieebenen 26, 28 gebildet, die als Referenzebenen dienen. Dabei kann aus einer Schnittgeraden 38 der beiden Symmetrieebenen 26, 28 eine Pivotgerade 38 ermittelt werden (siehe hierzu 4), wodurch auf einfache Weise mittels mindestens einer festgelegten Regel auf der Pivotgeraden 38 ein Pivotpunkt 40 festgelegt werden kann. Die festgelegte Regel bildet hier ein definierter Abstand d vom höchsten Punkt der Hairpin-Verbindung 18. Es kann aber auch beispielsweise eine festgelegte Höhe hinterlegt sein, die anhand einer Anzahl Referenz-Schweißnahtverbindungen ermittelt wurde.
  • In einem dritten Schritt 103 (siehe hierzu 5) wird dann aufgrund des vorgenannten Abstandes der Pivot-Punkt 40 ermittelt. Durch diesen Pivot-Punkt 40 wird dann in einem vierten Schritt 104 ein kartesisches Koordinatensystem mit dem Pivot-Punkt 40 als Ursprung erstellt. In einem fünften Schritt 105 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Volumenabschnitt Rol durch das Koordinatensystem gebildet wird. Hierbei sein angemerkt, dass auch mehrere Volumenabschnitte Roln 44 gebildet werden können, um die Genauigkeit der Analyse zu erhöhen.
  • Nachfolgend wird in einem sechsten Schritt 106 eine Porenanalyse 106a durchgeführt, wobei für den Volumenbereich ein absolutes Porenvolumen PVabs, ein relatives Porenvolumen PVrel, ein Metallvolumen MVol, das Volumen einer größten Pore PVmax und eine Anzahl Poren PVAnz, die größer als 0,1 mm2 sind, berechnet wird. Zusätzlich wird in Abhängigkeit des gewählten Volumenabschnittes Rol 42 ausgehend vom Pivotpunkt 40 eine Anzahl Querschnittsflächen 46 definiert, anhand derer eine Querschnittsanalyse 106b durchgeführt wird, wobei die aufsummierten Metallflächen MFI(1-n) in den Querschnittsflächen, eine kleinste Metallfläche MFImin und die aufsummierten Porenflächen PFI(1-n) in den Querschnittsflächen 46 ermittelt werden.
  • Abschließend wird in einem siebten Schritt 107 eine Endanalyse der Hairpin-Verbindung 18 durchgeführt. Fällt diese Analyse negativ aus, gilt der Stator 4 als Ausschuß.
  • Angemerkt wird in diesem Zusammenhang, dass im ersten Schritt das 3D-Volumenbild, im sechsten Schritt 106 die Porenanalyse 106a und die Querschnittsanalyse 106a anhand von Kontrastregeln ermittelt bzw. durchgeführt werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Auswertung eines 3D-Scanbildes einer Schweißnahtverbindung (18), wobei in einem ersten Schritt (101) ein 3D-Volumenbild der Schweißnahtverbindung (18) erzeugt wird, in einem zweiten Schritt (102) die Oberfläche der im 3D-Volumenbild dargestellten Schweißnahtverbindung (18) mittels Referenzebenen (26, 28) referenziert wird, wobei anhand von vier Randebenen (30, 32, 34, 36) zwei Symmetrieebenen (26, 28) gebildet werden, die als Referenzebenen dienen und wobei aus der Schnittgerade der beiden Referenzebenen (26, 28) eine Pivotgerade (38) ermittelt wird, in einem dritten Schritt (103) mittels mindestens einer festgelegten Regel auf der Pivotgeraden (38) ein Pivot-Punkt (40) ermittelt wird, in einem vierten Schritt (104) ein kartesisches Koordinatensystem mit dem Pivot-Punkt (40) als Ursprung erstellt wird, in einem fünften Schritt (105) mindestens ein Volumenabschnitt Rol (42) durch das Koordinatensystem gebildet wird, in einem sechsten Schritt (106) eine Porenanalyse (106a) durchgeführt wird, wobei für zumindest einen Volumenbereich Rol (42) ein absolutes Porenvolumen PVabs, ein relatives Porenvolumen PVrel und ein Metallvolumen MVol berechnet wird, und/oder in Abhängigkeit des gewählten Volumenabschnittes Rol (42) ausgehend vom Pivotpunkt (40) eine Anzahl Querschnittsflächen (46) definiert werden, anhand derer eine Querschnittsanalyse (106b) durchgeführt wird, in einem siebten Schritt (107) eine Endanalyse der Schweißnahtverbindung (18) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt (101) das 3D-Volumenbild anhand einer voreingestellten Referenzoberfläche optimiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die festgelegte Regel einen definierten Abstand d vom höchsten Punkt der Schweißnahtverbindung (18) betrifft.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im sechsten Schritt (106) anhand der Porenanalyse (106a) zusätzlich das Volumen der größten Pore PVmax und/oder eine Anzahl Poren PVAnz ermittelt wird/werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im sechsten Schritt (106) anhand der Querschnittsanalyse (106a) die aufsummierten Metallflächen MFI(1-n) in den Querschnittsflächen (46) und/oder eine kleinste Metallfläche MFImin und/oder die aufsummierten Porenflächen PFI(1-n) in den Querschnittsflächen (46) ermittelt wird/werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt (101) das 3D-Volumenbild, im sechsten Schritt (106) die Porenanalyse (106a) und/oder die Querschnittsanalyse (106b) anhand von Kontrastregeln ermittelt bzw. durchgeführt wird/werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schweißnahtverbindung eine Hairpin-Verbindung (18) eines Wickelkopfes eines Stators gewählt wird.
  8. Prüfanordnung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 7, wobei zumindest eine Einspannanordnung für einen Stator eines Elektromotors, eine Durchstrahlvorrichtung (8) zur Aussendung von Scanstrahlen (10), eine Detektionsvorrichtung (14), eine Bilderzeugungseinrichtung (16) und eine Auswerteeinrichtung (16) vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinrichtung (16) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6 auszuführen.
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