DE19506388C1 - Verfahren zum Erkennen von systematischen Fehlern, insbesondere zur automatischen Störungserkennung bei Qualitätskontrollen, mittels mit Meßsensoren ausgestatteten Meßgeräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von systematischen Fehlern, insbesondere zur automatischen Störungserkennung bei Qualitätskontrollen, mittels mit Meßsensoren ausgestatteten Meßgeräten mit einer Kombination aus drei einzelnen Sensoren desselben Typs zur Parallelmessung am selben Objekt, wobei Meßwerte der einzelnen Sensoren erfaßt, ein Mittelwert und/oder ein Vergleichswert der Meßwerte der einzelnen Sensoren erstellt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 40 22 954 A1 bekannt. Darin ist ein Fehlerdetektor zur Feststellung signifikanter Differenzen der Ausgänge von redundant vorgesehenen Signalgebern beschrieben, der von Differenzen der Ausgangssignale der Signalgeber beaufschlagt ist und eine Fehlermeldung liefert, wenn die Ausgänge der Signalgeber einem vorgegebenen, eine signifikante Differenz durch einen Schwellwert charakterisierenden Kriterium entsprechen.

Aus industrie-elektrik-elektronik, 24. Jg. 1979, Nr. 9/10, S. 224-228 sind Fail-safe-Techniken für Industrie-Steuerungen bekannt, so z. B. ein redundantes System mit Fail-safe- Teilsystemen zur Fehlererkennung, wobei Systeme mit zwei identischen und voneinander unabhängigen Kanälen mit Bitprozessor, Programmspeicher, Prozeßbus, Zeitgeber und Eingabe-Ausgabe-Bausteinen empfohlen werden. Die beiden Prozessoren arbeiten taktsynchron, so daß es möglich ist, jeden Schritt der Verarbeitung durch Vergleich aller Bitleitungen der Busse zu überwachen.

Aus der DE 43 24 800 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern von Oberflächen hoher Güte mit einem scannend über die Oberfläche positionierbaren Abtaster bekannt, der Meßpunkte der Oberfläche mit einem Lichtstrahl geeigneter Wellenlänge in konstantem Einfallswinkel beleuchtet und in unterschiedlichen Höhenwinkeln und Umfangswinkeln um den reflektierten Strahl angeordnete Lichtsensoren aufweist, die an eine elektronische Auswerteinrichtung zur Qualitätsbewertung der Oberfläche angeschlossen sind. In der Auswerteinrichtung sind Reduktionseinrichtungen vorgesehen, die adressierbare Speicher mit zuvor berechneten und abgespeicherten Werten und auch Mittelwerteinrichtungen enthalten, in denen parallel aus getrennt zugeführten Signalen Mittelwerte der Intensitäten bestimmt werden.

Es ist eine Vielzahl von Meß- und Prüfgeräten bekannt, die mittels Sensoren - wobei die Sensoren Tast- oder optische oder auch beliebige andere Sensoren sein können - unterschiedlichste Stoffe und Materialien und Produkte prüfen bzw. messen und die Ergebnisse anzeigen oder auch aufzeichnen. Ein weiteres Gebiet der Meßtechnik betrifft die Qualitätskontrolle. Bei jeglichen Messungen können unterschiedliche Faktoren zu falschen Meßergebnissen führen, die wiederum zu erheblichen Folgeschäden rühren können. Ein Problem besteht darin, systematische Meßfehler zu erkennen, die z. B. durch falsch eingestellte, defekte, gealterte, verstellte oder verschmutzte Meßsensoren verursacht werden. Diese sind außerordentlich schwer zu erkennen, wenn die Meßwertstreuung im Rahmen des üblichen liegt und somit eine ordentliche Messung vortäuscht. Mehrere Messungen in Folge lassen solche systematischen Fehler nicht erkennen. Es wird geschätzt, daß bei Meßergebnissen von Prüf- und Meßgeräten die unerkannten oder vermeintlichen systematischen Meßfehler in Abhängigkeit vom Meßsystem und Meßprinzip bis zu 30 oder 40% betragen. Wenn man vermutet, daß die ermittelten Werte nicht korrekt sind, werden derzeit mit weiteren Kontrollgeräten die Meßwerte überprüft und/oder die Meßsensoren mit Kontroll- oder Kalibriereinheiten kontrolliert. Systematische Fehler sind bisher nur mit rückführbaren Meßnormalen (Masse, Länge, Temperatur) als Kontrolleinheit sicher feststellbar. Wegen des Aufwands erfolgt in der Regel eine solche Überprüfung auf systematische Meßfehler nur in größeren Zeitabständen. Derzeit ist lediglich festgelegt, in definierten Zeitabständen die Meßsicherheit der Prüf- oder Meßgeräte durch Kalibrieren oder Eichen sicherzustellen, vgl. auch die DIN-ISO 9000 ff. Ein Kalibrieren der Meßgeräte bzw. Sensoren in kurzen Zeitabständen erhöht zwar die Meßsicherheit, der Aufwand ist aber entsprechend hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Erkennen von systematischen Fehlern mittels mit Sensoren ausgestatteten Meßgeräten anzugeben, das es ermöglicht, das Meßsystem zu kontrollieren, also die gewonnenen Meßwerte einzuschätzen und systematische Abweichungen der Meßergebnisse bereits zeitnah während des eigentlichen Meß- bzw. Prüfverfahrens zu erkennen, ohne daß zusätzliche Kontrollmaßnahmen durchgeführt werden müssen, und dabei gleichzeitig auch eine Qualitätskontrolle der Meßobjekte durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Unter dem Begriff "Objekt" werden hier auch drei oder mehr Einzelobjekte verstanden, die einem Gesamtobjekt entnommen sind, d. h. sie können auch Einzelobjekte einer Charge sein.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, systematische Meßfehler von Prüf- oder Meßgeräten mit hoher Wahrscheinlichkeit zu erkennen und damit die Qualität der Überprüfung wesentlich zu erhöhen, da damit auch Aussagen aber die Ergebnisse im Intervall zwischen zwei vorgeschriebenen Kalibrierungen gesichert sind.

Durch vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich systematische Meßfehler besonders leicht erkennen und einzelnen Meßsensoren zuordnen, die dann ausgetauscht werden können. Weiterhin ist es möglich, bei Überschreiten eines bestimmten Meßwerts oder einer durch ein Gerät mit Prozessor errechneten Größe, ein akustisches oder optisches Signal z. B. auch zur Abschaltung oder zur Unterbrechung weiterer Meßvorgänge, auszusenden, das dann eine Überprüfung erlaubt. Weiterhin ist es bei Messungen möglich, systematische Fehler jedes einzelnen Meßsensors zu erkennen und diesen bei einer Auswertung zu eliminieren bzw. eine ermittelte Konstante zu speichern, so daß automatisch die richtigen Werte trotz der Abweichung angegeben werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch eine statistische Auswertung ganzer Meßreihen erfolgen kann, die dann zur Steuerung und Regelung und Kontrolle der Qualität eingesetzt werden kann.

Verfahren zur statistischen Qualitätsregelung bei Stückgut und Fließprozessen sind bekannt, z. B. aus atp - Automatisierungstechnische Praxis 35 (1993) 10, S. 553 ff.

Nachfolgend wird die Erfindung erläutert.

Das Verfahren zum Erkennen von systematischen Meßfehlern an mit Meßsensoren ausgestatteten Meßgeräten besteht darin, daß mindestens drei voneinander unabhängige Meßsensoren parallel - vorzugsweise gleichzeitig - dasselbe Objekt messen. Das Verfahren ist unter Verwendung beliebiger Meßsensoren sowohl bei Meß- als auch bei Prüfgeräten anwendbar. Die einzelnen Sensoren werden vorzugsweise Innerhalb eines Meßkopfes angeordnet, ohne daß sie sich gegenseitig beeinflussen können, was z. B. bei elektrisch oder magnetisch arbeitenden Meßsensoren zu beachten ist. Hier wäre für die notwendige Abschirmung zu sorgen. Die einzelnen Meßwerte der mindestens drei Sensoren werden parallel - aus Zeitersparnis möglichst zeitnah oder zeitgleich - ermittelt, gegebenenfalls in Signale umgeformt und einer Auswerteinheit zugeführt, die die einzelnen Meßwerte jedes Sensor getrennt anzeigen kann, aber auch über einen Prozessor den Mittelwert, den Medianwert oder einen Vergleichswert der drei Messungen und die Differenz der einzelnen Meßwerte vom Mittelwert, Medianwert oder dem Vergleichswert ermittelt, anzeigt und gegebenenfalls auch speichert.

Bei Überschreiten einer bestimmten Größe einer Abweichung, sei es bei den ermittelten Werten der einzelnen Sensoren oder vom Mittelwert, Medianwert oder vom Vergleichswert kann ein Signal ausgelöst werden, damit gegebenenfalls am selben Objekt in einer veränderten Meßstellung eine weitere Messung vorgenommen werden kann, wobei dann die letzte Messung gegebenenfalls auch gelöscht werden kann, da sie für die Statistik nicht verwendet werden sollte. Durch die Veränderung der Meßstellung (Ortslage) soll ausgeschlossen werden, daß ein technischer oder sonstiger Defekt am Meßobjekt Ursache der abweichenden Werte ist.

Wenn mehrere parallele Messungen am gleichen Objekt erfolgen, kann über eine statistische Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichungskontrolle einer Meßreihe eine systematische Meßwertabweichung eines Meßkreises des Prüfgerätes sicher erkannt werden. Hierbei kann sowohl der abweichende Sensor erkannt, als auch die Abweichungsgröße ermittelt werden, mit der es dann möglich ist, die gemessenen Werte richtigzurechnen. Mit dieser Methode ist es möglich, Abweichungen sicher zu erkennen, die wesentlich kleiner als die natürliche Produktmeßwertstreuung sind.

Die Auswertung kann über eine integrierte Maschinensteuerung oder auch eine HOST-Steuerung erfolgen. Eine spezielle Lösung für einzelne Geräte dann die Trendberechnung mit logarithmischer Korrektur zurückliegender Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichungen darstellen. Ein Vorteil dieser Methode ist, daß als Zwischenspeicher im Gerät bei Stromausfall oder beim Ausschalten des Geräts keine Pufferbatterie erforderlich ist. Es sind als Statistikwerte lediglich zwei Werte pro Meßsensor und ein Wert für die Anzahl der Messungen zu speichern. Dies kann durch geeignete Maßnahmen ohne Batterie in einem EEPROM erfolgen.

Eine Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion des Verfahrens besteht darin, daß eine sichere Parallelmessung möglich ist. In diesem Zusammenhang wäre es auch möglich, den Mikroprozessor mit unterschiedlichen Berechnungsalgorithmen zu parallelisieren, was im vorliegenden Falle heißt, mindestens dreifach auszuführen. Eine - nach den Gesetzen der statistischen Prozeßkontrolle - kontrollierbare Größe bei parallelisierten Prüfsensoren stellt die Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichung bei mindestens drei oder auch mehr gleichzeitig im Einsatz befindlichen Sensoren dar. Hat ein Sensor im Verhältnis zu den beiden anderen eine bleibende Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichung, können auf das Meßgerät die statistischen Prozeßkontrollmethoden angewendet werden, wie sie aus der Produktionskontrolle bekannt sind. Damit sind auch die bekannten Regelverfahren für statistische Prozesse anwendbar, wobei deren Einsatz auf die Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichung gerichtet ist.

Ein großer weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß alles automatisch ablaufen kann und lediglich bei bestimmten Abweichungen ein Signal ausgesandt wird, das den Meßprozeß unterbricht und eine Überprüfung ermöglicht.

Erkennbar sind generell auch systematische Fehler, von parallel hergestellten Probe- bzw. Prüfkörpern, die mit verschiedenen Werkzeugen hergestellt sind, wenn die Probe- bzw. Prüfkörper jeweils eines von mehreren gleichartigen Herstellungswerkzeugen immer demselben Meßsensor zugeführt werden. Hierdurch ist es möglich, herstellungsbedingte Fehler der Probe- bzw. Prüfkörper durch eines der Werkzeuge zu erkennen. Es können die systematischen Abweichungen gegenüber den Parallelmessungen an den weiteren Meßsensoren die Meßwertabweichungen erkennen lassen oder diese Abweichungen werden dadurch erkannt, daß jeder der parallel hergestellten Probe- bzw. Prüfkörper nacheinander einem zweiten, dritten etc. Meßsensor zugeführt wird. Bei jeweils gleicher Ausrichtung aller Probe- bzw. Prüfkörper in bezug auf die Meßposition und gegebenenfalls auch die Meßrichtung, können auch lokale Defekte detektiert werden, die durch kleine Abweichungen eines der Herstellungswerkzeuge verursacht sind. In diesem Falle kann die defekte Stelle des Herstellungswerkzeugs problemlos ermittelt werden. Die Abweichungen, die durch den Meßsensor bzw. die Meßsensoren ermittelt werden, zeigen dann keine systematischen Meßfehler an, die ihre Ursache im Meßgerät haben, sondern in der fehlerhaften Herstellung, z. B. durch abgenutzte Stanzmesser, durch die die Eigenschaften der Prüfkörper wesentlich beeinflußt werden.

Hierdurch lassen sich auch parallele Produktionsverfahren auf systematische Anlagenfehler überwachen.

Damit können durch dieses Verfahren bisher nicht prüfbare Herstellungsfehler der Meßobjekte als produktunabhängige systematische Fehler sicher erkannt und gezielt Identifiziert werden. Kritische Herstellungsprozesse können durch entsprechende Parallelisierung auf systematische Fehler überwacht werden. Hierzu werden an definierten Meßstellen in den parallelen Prozeßzweigen parallel messende Prüfsensoren angeordnet.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erkennen von systematischen Fehlern, insbesondere zur automatischen Störungserkennung bei Qualitätskontrollen, mittels mit Meßsensoren ausgestatteten Meßgeräten mit einer Kombination aus drei einzelnen Sensoren desselben Typs zur Parallelmessung am selben Objekt, wobei Meßwerte der einzelnen Sensoren erfaßt, ein Mittelwert und/oder ein Vergleichswert der Meßwerte der einzelnen Sensoren erstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwertabweichungen der mindestens drei einzelnen Sensoren vom gemeinsamen Mittelwert und/oder Vergleichswertabweichungen der einzelnen Sensoren ermittelt werden, wobei der Mittelwert und/oder Vergleichswert und/oder die Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichungen während einer Folge von Messungen an verschiedenen Meßorten desselben Objekts einer Menge gleicher Objekte oder an einer Menge gleicher Objekte miteinander verglichen werden, so daß gleichzeitig Fehler des Meßgeräts erkennbar und eine Qualitätskontrolle der Objekte durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sensoren erfaßten Meßwerte in Signale umgewandelt werden, die einem Prozessor des Meßgerätes zugeführt, dort verarbeitet, gespeichert und angezeigt, mit im Prozessor eingespeicherten vorgegebenen Werten verglichen werden und bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichungsgröße ein Signal ausgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Sensoren erfaßten Meßwerte im Prozessor einer Trendberechnung der Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichungen unterzogen werden und darauf beruhend eine logarithmische Korrektur früherer Mittelwert- und/oder Vergleichswertabweichungen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen und verarbeiteten Werte jedes Sensors im Prozessor statistisch ausgewertet und zusätzlich zur Steuerung der Qualität der Objekte verwendet werden.