DE19824402A1

DE19824402A1 - Measuring unit for identifying hidden defects in solid bodies consists of scanning system and vibration excitation system which vibrates possible defect body and scanning system

Info

Publication number: DE19824402A1
Application number: DE1998124402
Authority: DE
Inventors: Lothar Zipser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-30
Filing date: 1998-05-30
Publication date: 2000-02-17

Abstract

The vibration data from the scanning system (1) is transmitted to the data processing system (6). In the processing system (6), from the amount of the vibration data, according to the known processes, vibration relevant characteristics, e.g. fundamental frequencies, amplitudes or phases of the speed (v) or the elongation (xi), partial resonances, vibration structures are separated, and these characteristics are evaluated according to specified criteria. The presence or the non existence of defects, e.g. cracks, material fatigue or delamination in the body (3) being tested, is identified and a defect signal (7) is transmitted.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur automatisierten Erkennung und Klassifikation von verdeckten mechanischen Defekten, Materialermüdungen oder Delaminationen an Werkstücken oder Bauteilen. Hauptsächliche Anwendungsgebiete der Erfindung sind die Qualitätskontrolle bei der Serienfertigung mechanischer Bauteile, die Überwachung des Ver schleißgrades und der Zuverlässigkeit von mechanisch stark beanspruchten Bauteilen oder die Beurteilung der Zweckmäßigkeit für ein Recycling teurer mechanischer Bauteile nach langer Betriebsdauer.The invention relates to a measuring device for automated detection and classification from hidden mechanical defects, material fatigue or delamination Workpieces or components. The main areas of application of the invention are Quality control in the series production of mechanical components, monitoring of ver degrees of wear and the reliability of mechanically stressed components or the assessment of the suitability for recycling expensive mechanical components long service life.

State the nature of the invention

Bei ihrer Herstellung und auch nach längerem Gebrauch müssen Werkstücke oder Bauteile auf ihre mechanische Unversehrtheit und Stabilität hin überprüft werden.Workpieces or components must be used in their manufacture and also after long use mechanical integrity and stability are checked.

In den meisten Fällen genügt dafür eine konventionelle visuelle Kontrolle. Bei sicherheitsrele vanten mechanisch belasteten Werkstücken oder Bauteilen reicht diese einfache Prüfung oft nicht aus. Dann muß mit einem geeigneten Meßverfahren zerstörungsfrei geprüft werden, ob der mechanische Körper einen Riß, eine Materialermüdung oder eine Delamination aufweist, die seine Funktion beeinträchtigen. Solche mechanischen Defekte sind oft schwer zu identifi zieren, weil sie sehr klein sind, durch Verschmutzungen verdeckt werden oder sich im Innern der Körper befinden.In most cases, a conventional visual inspection is sufficient. At security center This simple test is often sufficient for vants with mechanically loaded workpieces or components not from. Then a suitable measurement procedure must be used to check whether the mechanical body shows a crack, material fatigue or delamination, that affect its function. Such mechanical defects are often difficult to identify grace because they are very small, covered by dirt or inside the body.

Die Aufgabe der Erkennung solcher verdeckter oder schwer identifizierbarer Defekte in Werkstücken und Bauteilen wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der eventuell defekte mechanische Körper mit einem Vibrationsanregungssystem zu Schwingungen angeregt wird und mit Hilfe eines Abtaststrahles (beispielsweise Laserstrahl oder Ultraschallstrahl) die sich ausbildenden Schwingungsformen des vibrierenden Körpers an in Frage kommenden Berei chen seiner Oberfläche punktweise rasterartig erfaßt werden. Die aus der zweidimensionalen Abtastung gewonnenen diskreten Vibrationsdaten, beispielsweise Eigenfrequenzen, Ampli tuden oder Phasen der Schnelle v oder der Elongation ξ, Lage und Amplitude von Partialre sonanzen werden an ein Datenverarbeitungssystem, das in der Lage ist, zweidimensional strukturierte Daten (Bilder) zu verarbeiten, übertragen.The task of detecting such hidden or difficult to identify defects in Workpieces and components are solved according to the invention in that the possibly defective mechanical body is excited to vibrate with a vibration excitation system and with the aid of a scanning beam (for example laser beam or ultrasound beam) training forms of vibration of the vibrating body in the area in question Chen its surface can be gridded at points. The one from the two-dimensional Sampling of discrete vibration data, for example natural frequencies, ampli or phases of rapid v or elongation ξ, position and amplitude of partial resonances are based on a data processing system that is capable of two dimensions to process structured data (images).

Dieses Bildverarbeitungssystem ermittelt aus der Menge der zweidimensional strukturierten Vibrationsdaten nach an sich bekannten Verfahren der Datenverarbeitung vibrationsrele vante Merkmale.This image processing system determines from the set of two-dimensionally structured ones Vibration data according to known data processing methods vibrationsrele vante characteristics.

Diese vibrationsrelevanten Merkmale werden als n-dimensionaler Merkmalsvektor M be trachtet. Die Lage dieses Merkmalsvektors M im n-dimensionalen Merkmalsraum hängt von den Werten seiner Komponenten, d. h. von den vibrationsrelevanten Merkmalen ab und kennzeichnet den mechanischen Zustand des untersuchten Körpers. Überraschenderweise zeigt es sich nun, daß sich die Lage des Merkmalsvektors M eines unversehrten mechanischen Körpers ganz erheblich von der Lage des Merkmalsvektors M eines defekten mechanischen Körpers unterscheidet. Ursachen dafür sind offenbar zum ei nen die überaus starke Abhängigkeit einzelner vibrationsrelevanter Merkmale eines mecha nischen Körpers von dessen mechanischem Zustand und zum anderen die simultane Nut zung mehrerer vibrationsrelevanter Merkmale zur Kennzeichnung des Zustandes des Körpers. Die Lage des Merkmalsvektors M wird im Bildverarbeitungssystem mit der Lage des in glei cher Weise ermittelten Merkmalsvektors M_R eines defektfreien Referenzkörpers verglichen und eventuelle Abweichungen nach vorgegebenen Kriterien bewertet. Aus dem Ergebnis der Bewertung wird das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Defekten, beispielsweise Rissen, Materialermüdungen oder Delaminationen in dem untersuchten Körper abgeleitet und dazu ein Defektsignal ausgegeben. In Sonderfällen kann der Merkmalsvektor M_R des Referenzkörpers mit Hilfe künstlicher neuronaler Netze in einem Lernprozeß aus einer Serie geringfügig voneinander abweichender defektfreier Körper ermittelt werden.These vibration-relevant features are considered to be an n-dimensional feature vector M. The position of this feature vector M in the n-dimensional feature space depends on the values of its components, ie on the vibration-relevant features and characterizes the mechanical state of the body examined. Surprisingly, it now turns out that the position of the feature vector M of an intact mechanical body differs considerably from the position of the feature vector M of a defective mechanical body. The reasons for this are obviously the extremely strong dependency of individual vibration-relevant features of a mechanical body on its mechanical condition and, on the other hand, the simultaneous use of several vibration-related features to identify the condition of the body. The position of the feature vector M is compared in the image processing system with the position of the feature vector M _R, determined in the same manner, of a defect-free reference body and any deviations are evaluated according to predetermined criteria. The presence or absence of defects, for example cracks, material fatigue or delaminations in the examined body is derived from the result of the evaluation and a defect signal is output for this purpose. In special cases, the feature vector M _{R of} the reference body can be determined with the aid of artificial neural networks in a learning process from a series of slightly different defect-free bodies.

Bekannte Meßverfahren zur Erkennung verdeckter Defekte nutzen zur Meßinformationsge winnung ein oder maximal zwei veränderliche Merkmale, beispielsweise die Laufzeit und Amplitude eines Schallimpulses.Known measuring methods for the detection of hidden defects are used for measurement information purposes winnung one or a maximum of two variable characteristics, for example the duration and Amplitude of a sound pulse.

Die erfindungsgemäße simultane Nutzung mehrerer veränderlicher Merkmale für die Meßin formationsgewinnung erhöht die Zuverlässigkeit bei der Erkennung verdeckter Defekte ganz erheblich. In einzelnen Fällen ist wegen der hohen Empfindlichkeit vibrationsrelevanter Merkmale gegenüber Veränderungen bereits die Nutzung eines einzelnen Merkmals, bei spielsweise der Ortskoordinate einer Partialresonanz, für eine sichere Erkennung eines ver deckten Defektes ausreichend.The simultaneous use of several variable features according to the invention for the measurement Formation extraction increases the reliability in the detection of hidden defects entirely considerably. In some cases, due to the high sensitivity, it is more relevant to vibration Features versus changes already use a single feature for example the location coordinate of a partial resonance, for a reliable detection of a ver adequately covered defects.

Embodiment

Die Funktion der Meßeinrichtung zur Erkennung verdeckter Defekte in festen Körpern wurde mit einer Anordnung, bestehend aus einem Vibrationsanregungssystem, einem Laser- Scanning-Vibrometer und einem Bildverarbeitungssystem nachgewiesen. Zum Vibrationsan regungssystem gehören ein Generator für periodische und aperiodische elektrische Signale, ein Leistungsverstärker und ein elektromagnetischer Schwingungsgeber (Shaker). Vibrati onsanregungssystem und Vibrometer sind über die Betriebssoftware des Vibrometers mit einander gekoppelt.The function of the measuring device for the detection of hidden defects in solid bodies with an arrangement consisting of a vibration excitation system, a laser Scanning vibrometer and an image processing system demonstrated. For vibrations excitation system include a generator for periodic and aperiodic electrical signals, a power amplifier and an electromagnetic vibration transmitter (shaker). Vibrati The excitation system and vibrometer are included in the operating software of the vibrometer coupled to each other.

Der zu untersuchende Körper (Meßobjekt) wird auf dem Shaker befestigt. Mit Hilfe der Be triebssoftware wird das Abtastkoordinatensystem des Vibrometers auf das Meßobjekt proji ziert. Für die zweidimensionale Abtastung wird auf der Oberfläche des Meßobjektes ein vir tuelles Netz von Rasterpunkten mit einem ausreichend dichten Raster festgelegt. Außerdem werden Form und Frequenz der Anregungsschwingung des Shakers sowie Breite und Auflö sung des interessierenden Frequenzbereiches, in dem das Meßobjekt schwingt in Abhän gigkeit von dessen Beschaffenheit festgelegt.The body to be examined (measurement object) is attached to the shaker. With the help of Be drive software, the scanning coordinate system of the vibrometer is projected onto the measurement object graces. For the two-dimensional scanning, a vir current grid of grid points with a sufficiently dense grid. Moreover the shape and frequency of the excitation oscillation of the shaker as well as the width and resolution solution of the frequency range of interest in which the test object oscillates depending of its nature.

Nun wird der Prüfkörper über den Shaker zu Schwingungen angeregt. Er bildet bei be stimmten Anregungsfrequenzen Eigenschwingungen aus. Erfolgt die Anregung mit Chirp- Impulsen, in denen innerhalb eines definierten Frequenzbereiches alle Frequenzen mit der gleichen Amplitude auftreten, sind am Meßobjekt innerhalb der Meßzeit unterschiedliche Ei genfrequenzen nachweisbar. Beim Abtastvorgang wird der Abtaststrahl des Vibrometers seriell über vorher festgelegte Punkte des Meßgitters geführt. Ein Teil des dabei an der Oberfläche des Meßobjektes reflektierten und mit Informationen über die örtlichen Schwin gungszustände modulierten Streulichts des Abtaststrahls wird vom Vibrometer phasenrichtig aufgenommen. Diese zweidimensionalen Informationen werden jetzt einer Signalverarbei tung unterzogen. In deren Ergebnis werden als Merkmale des Schwingungsbildes an allen Flächenpunkten die Schwingfrequenz f, die Schnelle v, die Elongation ξ, die Beschleunigung a und die Pha senlage ϕ bestimmt. Die Schnelle v, die Beschleunigung a und die Elongation ξ lassen sich flächenhaft als bewegte Szenen (Animationen) wiedergeben. Darüber hinaus wird über alle Flächenpunkte das integrale Amplitudenfrequenzspektrum berechnet. Zu jeder Eigenfrequenz des Meßobjekts gehört ein charakteristisches Schwingungsbild. Ein Defekt im Meßobjekt verändert die örtliche Lage und den Wert der oben genannten Merk male f, v, ξ, ϕ und a. Daraus folgen signifikante Veränderungen im Verlauf der Knotenlinien in den Schwingungsbildern. Now the test specimen is excited to vibrate via the shaker. At be tuned excitation frequencies to natural vibrations. If the excitation is done with chirp Pulses in which all frequencies within a defined frequency range same amplitude occur, there are different egg on the measurement object within the measurement time gene frequencies detectable. During the scanning process, the scanning beam from the vibrometer guided in series over previously determined points of the measuring grid. Part of the process at the Surface of the measurement object reflected and with information about the local Schwin conditions of modulated scattered light of the scanning beam is in phase by the vibrometer added. This two-dimensional information is now being processed by a signal tion subjected. As a result, the characteristics of the vibration pattern at all Surface points the oscillation frequency f, the rapid v, the elongation ξ, the acceleration a and the Pha senlage ϕ determined. The fast v, the acceleration a and the elongation ξ can be play back extensively as moving scenes (animations). It will also be about everyone Surface points calculated the integral amplitude frequency spectrum. A characteristic vibration pattern belongs to each natural frequency of the measurement object. On Defect in the measurement object changes the local position and the value of the above mentioned note male f, v, ξ, ϕ and a. This results in significant changes in the course of the node lines in the vibration patterns.

Als besonders geeignet für die Gewinnung von Merkmalen aus Schwingungsbildern hat sich die Darstellung des Betrags von Schnelle v, Elongation ξ und Beschleunigung a erwiesen. In dieser Darstellung sind die Knotenlinien der Schwingung als lokale Minima einer zweidimen sionalen Werteverteilung erkennbar.Has proven to be particularly suitable for obtaining features from vibration patterns the representation of the amount of fast v, elongation ξ and acceleration a has been proven. In In this representation, the node lines of the oscillation are local minima of a two-dimen- sional distribution of values recognizable.

Die Merkmale eines Schwingungsbildes werden an das Bildverarbeitungssystem übergeben und daraus ein Merkmalsvektor M gebildet. Dieser Vektor wird mit einem im Datenspeicher abgelegten Merkmalsvektor M_R des defektfreien Referenzobjektes verglichen. Der Grad der Übereinstimmung zwischen den Vektoren wird als Kriterium für eine Entscheidung über die Unversehrtheit des Meßobjektes genutzt.The features of a vibration image are transferred to the image processing system and a feature vector M is formed therefrom. This vector is compared with a feature vector M _{R of} the defect-free reference object stored in the data memory. The degree of correspondence between the vectors is used as a criterion for a decision about the integrity of the measurement object.

Wegen der markanten Veränderungen, die von Defekten in starren Körpern an deren Schwingungsbildern verursacht werden, reicht im Sonderfall ein einzelnes Merkmal, das z. B. anhand der Knotenlinien einer Eigenfrequenz f_e bestimmt wurde, zum Nachweis eines De fektes aus. Weitere Merkmale können in den Erkennungsprozeß einbezogen werden, um dessen Sicherheit zu erhöhen. Ihre Auswertung mit dem Bildverarbeitungssystem liefert weitere Komponenten für den Merkmalsvektor M.Because of the striking changes caused by defects in rigid bodies in their vibration patterns, a single feature is sufficient in a special case. B. was determined on the basis of the node lines of a natural frequency f _e to detect a defect. Additional features can be included in the recognition process in order to increase its security. Your evaluation with the image processing system provides further components for the feature vector M.

Claims

1. Measuring device for the detection of hidden defects in solid bodies, consisting of a scanning system ( 1 ) and a vibration excitation system ( 2 ), which is to be examined, possibly defective solid body ( 3 ) via a coupling medium ( 4 ) vibrates and with the help a scanning beam ( 5 ) detects the vibrations of the solid body to be examined ( 3 ) at selected areas of its surface in a grid-like manner and the two-dimensional discrete vibration data obtained, for example data on the rapid v or the elongation ξ of the vibrations at different surface points, spei chert, characterized in that the scanning system ( 1 ) is connected to a digital data processing system ( 6 ) which is capable of processing two-dimensionally structured data, and the vibration data is transmitted from the scanning system ( 1 ) to the data processing system ( 6 ) and in the data processing system ( 6 ) from the amount of vibration data according to known data processing methods, vibration-relevant features, for example natural frequencies, amplitudes or phases of the rapid v or the elongation ξ, partial resonances, vibration structures, are separated and these features are evaluated according to predetermined criteria, from the result of the assessment The presence or absence of defects, for example cracks, material fatigue or delamination, is detected in the body under examination ( 3 ) and a defect signal ( 7 ) is output for this purpose.

2. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1, characterized in that the scanning system ( 1 ) is a laser scanning vibrometer or an ultrasonic scanning vibrometer.

3. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1 and 2, characterized in that the data processing system ( 6 ) is integrated in the scanning system ( 1 ).

4. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1 and 2, characterized in that the data processing system ( 6 ) is a digital image processing system.

5. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1 and 2, characterized in that the fixation of the solid body ( 3 ) for the measuring process by a rigid or elastic connection with the Vi brationserregungssystem ( 2 ) or separately from the vibration excitation system ( 2 ) is done.

6. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1 and 2, characterized in that the coupling medium ( 4 ) between the solid body to be examined ( 3 ) and the vibration excitation system ( 2 ) in the case of heavy bodies predominantly a rigid Connection, for example a screw or tensioning device and in the case of light bodies, for example thin-walled bodies, is predominantly an air gap.

7. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1 and 2, characterized in that the excitation of the solid body pers ( 3 ) with a harmonic oscillation of a fixed frequency, with frequency-modulated chirps or with pulses

8. Measuring device for detecting hidden defects in solid bodies according to claim 1 and 2, characterized in that the detection of a defect is carried out by comparing the measured vibration-relevant features with a reference pattern stored in the data processing system ( 6 ).

9. Measuring device for the detection of hidden defects in solid bodies according to An Proverb 1, 2 and 8, characterized in that the reference pattern with the help artificial neural networks is determined in a learning process.