DE20320424U1

DE20320424U1 - Messaufnehmer zur Erfassung von Körperschallemissionen eines Prüfobjekts

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Publication number: DE20320424U1
Application number: DE20320424U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2013-06-11
Also published as: WO2004097364A1; DE102004021756A1; DE112004001220D2

Abstract

Messaufnehmer zur Erfassung von Körperschallemissionen eines Prüfobjekts, mit einem beweglichen Trägerabschnitt (64) mit daran elastisch gelagertem Körperschallsensor (19), der im auf dem Prüfobjekt (62) aufgesetzten Zustand vom Trägerabschnitt (64) entkoppelt ist.

Description

Zur Qualitätskontrolle und -überwachung im Rahmen einer Bauteil- bzw. Modulfertigung sind verschiedene Prüfverfahren bekannt. Neben optischen Kontrollen und Messungen eignen sich zur Fehlererkennung je nach zu prüfenden Objekten Schwingungsmessverfahren, Körperschall- bzw. Luftschallmessungen. Eine automatisierte Funktionsüberprüfung und/oder Fehlerdiagnose bei komplexen beweglichen Bauteilen erfordert meist einen erheblichen Mess- bzw. Prüfaufwand. Als Alternative hierzu bleibt meist nur eine individuelle Kontrolle durch eine prüfende Person.
Aus der DE 296 11 558 U1 und der WO 98/01728 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von analogen Messsignalen für die akustische Diagnose von Prüflingen bekannt, bei der mittels Schwingungsaufnehmern analoge Messsignale von einem Prüfobjekt aufgenommen werden. Die Messsignale werden digitalisiert und in ein Schalt- bzw. Triggersignal umgesetzt, das zur weiteren Verarbeitung verwendet werden kann. Als Messaufnehmer werden bei dieser Vorrichtung insbesondere Körperschallsensoren verwendet.
Ein akustisches Diagnosesystem sowie ein entsprechendes Diagnoseverfahren ist in der WO 99/54703 beschrieben. Hierbei werden Schallsensoren zur Wandlung von mechanischen Schwingungen in elektrische Signale eingesetzt. Die gewandelten elektrischen Signale durchlaufen eine Verstärkerstufe, eine Tiefpassfilterung sowie einen Analog/Digital-Wandler. In einer nachgeschalteten Signalverarbeitungseinheit werden die Signale analysiert und die einem jeweiligen Prüfobjekt zuordenbaren Fehlerklassen und/oder Güteklassen klassifiziert. Das System umfasst weiterhin eine automatische Archivierung über das Auftreten und die Häufigkeit von Güte- und/oder Fehlerklassen.
Sollen komplexe bewegliche Baugruppen überprüft und einer akustischen Fehleranalyse unterzogen werden, tritt insbesondere das Problem der Signalselektion auf. Aus einer großen Datenmenge müssen die einem Fehler zuordenbaren Teildaten herausgefil tert und verarbeitet werden. Hierzu ist meist eine relativ aufwendige und leistungsfähige Datenverarbeitung notwendig.
Ein Verfahren zur Funktionsüberprüfung von Prüfobjekten, insbesondere zur automatischen Qualitätskontrolle bei deren Fertigung bzw. bei deren Funktionstest an einem Bandende, sieht eine Erfassung eines Luftschallspektrums und/oder eines Körperschallspektrums des Prüfobjekts während dessen Funktionssimulation mittels wenigstens eines Sensors vor. Die vom wenigstens einen Sensor gelieferten elektrischen Signale werden anschließend verstärkt und/oder hochpassgefiltert und/oder tiefpassgefiltert. Zumindest ein begrenzter Frequenzbereich und/oder zumindest ein begrenzter Amplitudenbereich der derart verstärkten und/oder gefilterten Signale wird zur Erzeugung wenigstens eines Triggersignals herangezogen, das einer bestimmten Fehlfunktion des Prüfobjekts zugeordnet ist.
Mit dem Verfahren kann auf relativ einfache Weise eine Luft- und/oder Körperschallanalyse eines Geräusch- bzw. Vibrationsspektrums des Prüfobjekts erfasst und ausgewertet werden. Auf Basis von zuvor erfassten und bestimmten Fehlerereignissen zuordenbaren spezifischen Geräusch- bzw. Körperschallereignissen kann festgelegt werden, welches Frequenz- und/oder Amplitudenfenster welchem Fehlerereignis zugeordnet werden soll. Hierdurch reduziert sich die zu verarbeitende Datenmenge ganz erheblich, da für die Erzeugung eines Fehlersignals lediglich relativ eng begrenzte Datenmengen benötigt werden. Das Verfahren eignet sich bspw. für die Funktionsüberprüfung komplexer beweglicher Baugruppen im Fahrzeugbau o. dgl. Einem bestimmten Fehlerereignis können selbstverständlich auch zwei oder mehr Frequenz- und/oder Amplitudenfenster zugeordnet sein. Eine solche Zuordnung kann bspw. dann sinnvoll sein, wenn ein spezifischer Fehler sich in unterschiedlichen Luftschall- bzw. Körperschallemissionen äußert, die jeweils als charakteristische Schallereignisse verarbeitet werden können.
Beispielsweise können bei einem elektrisch betätigbaren Schiebedach eines Kraftfahrzeuges eine Reihe von typischen Fehlern auftreten, die sich jeweils durch ein bestimmtes Geräusch, d.h. durch ein spezifisches Luftschallspektrum, bzw. durch bestimmte Vibrationen bemerkbar machen. Diesen spezifischen Abweichungen des Geräusch- bzw. Vibrationsspektrums von einem Normgeräusch kann durch geeignete Filterung und Verstärkung ein bestimmtes Ausgabe bzw. Triggersignal zugeordnet werden. Hierzu müssen zuvor die typischerweise auftretenden Fehler erfasst und hinsichtlich ihres primär relevan ten Frequenzbereichs sowie hinsichtlich ihrer Schallamplitude eingegrenzt werden. Die auf diese Weise vorher definierten möglichen Fehler können beim späteren Prüf- und Diagnoseverfahren zur Selektion des aufgenommenen Geräusch- bzw. Vibrationsspektrums verwendet werden, wodurch sich die zu verarbeitende Datenmenge auf einen Bruchteil der von den Messaufnehmern erfassten Datenmenge reduziert.
Vorzugsweise ist eine fequenzbereichs-individuelle Signalverstärkung und/oder eine amplitudenbereichs-individuelle Signalverstärkung vorgesehen. Insbesondere kann ein bzw. können mehrere Frequenz- bzw. Amplitudenfenster hinsichtlich eines bestimmten Frequenzbandes und/oder eines bestimmten Amplitudenbereichs selektiert und bestimmten Fehlern zugeordnet werden, so dass bei einem innerhalb eines solchen Fensters liegenden Schallereignis ein entsprechendes Triggersignal erzeugt wird. Bei einem zu überprüfenden beweglichen Schiebedach hat sich in der Praxis eine typische maximale Fehlerzahl zwischen drei bis zehn gezeigt, die in vereinzelten Fällen in unterschiedlicher Verteilung auftreten können. Meist tritt bei einem Prüfobjekt nur einer der möglichen Fehler auf, selten mehr als einer. Solche Fehler können bspw. durch unvollständige Entgratungen von Metall- oder Kunststoffteilen entstehen, die zu schleifenden oder knackenden Geräuschen führen können. Lagerschäden im Antriebsmotor machen sich ebenfalls durch spezifische Geräusche und/oder Vibrationen bemerkbar. Bei gleichzeitiger Luft- und Körperschallmessung wird ein Fehlersignal vorzugsweise dann ausgelöst, wenn gleichzeitig ein Luft- und ein Körperschallsignal geliefert werden, die jeweils dem gleichen Messort zugeordnet sind. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Störgeräusche zu einem falschen Fehlersignal führen. Dies kann bspw. dann der Fall sein, wenn zu einer bestimmten Zeit eine Körperschallmessung ein Fehlersignal liefert, die vom Prüfobjekt stammt und wenn gleichzeitig ein Luftschallsignal erfasst wird, das nicht vom Prüfobjekt geliefert wird sondern das bspw. aus der Umgebung auf den Sensor trifft.
Ein typischer Frequenzbereich für auftretende Fehler bei einem elektrisch betätigbaren kann zwischen ca. 800 Hz und ca. 5 kHz liegen. Bei anderen Prüfobjekten kann es notwendig sein, davon deutlich unterschiedliche Frequenzbereiche zu verarbeiten. Die typischerweise auftretenden Frequenzen der Fehlergeräusche definieren gleichzeitig eine Bandbreite, oberhalb und unterhalb derer keine Signalverarbeitung notwendig ist. Diese Bandbreite kann durch die Tiefpass- und Hochpassfilterung festgelegt werden. Die zu verarbeitende Datenmenge reduziert sich auf diese Weise bereits deutlich, bevor sie durch die optionale Definition bestimmter schmaler Frequenzbereiche innerhalb dieser Bandbreite nochmals im ein Vielfaches reduziert wird.
Wahlweise kann eine definierte Zuordnung von Fehlersignalen zu Ausgangssignalen mittels einer Matrix erfolgen. Diese Matrix kann ggf. frei programmierbar sein, wodurch eine universelle Fertigungssteuerung ermöglicht ist, die bspw. einem defekten Prüfobjekt eine bestimmte Markierung, bspw. in Form eines kodierten Aufklebers oder dgl. zuordnet. Ggf. kann auch eine Aussonderung eines als fehlerhaft erkannten Prüfobjekts durch eine Verzweigung im Fertigungsband vorgesehen sein. Eine einfache Möglichkeit zur Markierung kann auch in einer optischen und/oder akustischen Signalausgabe bestehen, die einer Prüfperson signalisiert, dass ein bestimmtes Prüfobjekt einer Nachkontrolle bedarf.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Triggersignal einen Schwellwertschalter ansteuert. Bei einer Verwendung des Triggersignals zur Fertigungssteuerung kann in einer einfachen Ausführungsform das Triggersignal bspw. zur Ansteuerung von Relais oder dgl. verwendet werden, die bestimmte Ereignisse auslösen können. Hierfür wurde bereits ein Eingriff in den Fertigungsablauf genannt. Ein weiteres Ereignis kann bspw. das Aufleuchten einer Lampe, die Ausgabe eines akustischen Signals oder dgl. sein.
Einen weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die vom wenigstens einen Schallwandler gelieferten elektrischen Signale mittels eines Analog/Digitalwandlers in digitale elektrische Signale gewandelt werden. Diese lassen sich in der nachgeschalteten Verarbeitungseinheit leichter, d.h. mit weniger Schaltungsaufwand verarbeiten. Vorzugsweise werden die das Triggersignal bildenden elektrischen Signale zuvor mittels eines Digital/Analogwandlers in analoge Signale gewandelt. Die gesamte Filterung und Frequenz- und Amplitudenselektion des Schallspektrums kann auf diese Weise in digitaler Form erfolgen, so dass die Menge an zu verarbeitenden Daten weiter reduziert werden kann.
Bei einer ersten Variante werden als Sensoren Schallwandler verwendet, die ein Luftschallspektrum des Prüfobjekts erfassen. Als Schallwandler können insbesondere ein oder mehrere Mikrofone verwendet werden, die vorzugsweise eine Richtcharakteristik aufweisen. Damit lassen sich einfache und kostengünstige Messaufbauten realisieren, die zur Erzeugung von zuverlässigen Steuersignalen geeignet sind.
Eine zweite Variante sieht die alternative oder zusätzliche Verwendung von Körperschallsensoren vor, die vor einer Funktionssimulation mit dem Prüfobjekt in Kontakt gebracht werden. Hierzu eignet sich insbesondere eine Stelleinrichtung, mittels derer jeweils ein Körperschallsensor an einem Messpunkt aufgesetzt wird. Je nach typischerweise auftretenden Fehlerereignissen kann ein Körperschallsensor ausreichend sein. Treten bestimmte typische Fehler an mehreren voneinander entfernten Stellen des Prüfobjekts auf, kann es sinnvoll sein, dort jeweils einen Körperschallsensor aufzusetzen. Vorzugsweise werden die Stelleinrichtungen automatisch angesteuert, so dass die Sensoren vor dem Messdurchgang automatisch aufgesetzt und nach dem Messdurchgang wieder automatisch abgehoben werden.
Die Signale jedes Sensors können einzeln verarbeitet werden. Die Signale mehrerer Sensoren können jedoch auch zusammengeführt und in der nachfolgenden Auswerte- und Verstärkereinheit gemeinsam verarbeitet werden. Meist ist es nicht notwendig, die Signale getrennt zu verarbeiten, da einem typischen Fehlerort jeweils ein Schallwandler bzw. Körperschallsensor zugeordnet sein kann, der ein individuelles Frequenz- und Amplitudenfenster ausgeben soll. Da sich die Fenster nicht unbedingt überschneiden, ist keine getrennte Verarbeitung der Signale von mehreren Wandlern erforderlich. Aus Gründen der Einfachheit können als Schallwandler handelsübliche Mikrofone verwendet werden. Eine sinnvolle Variante könnte darin bestehen, bereits in den Schallwandlern eine Filterung vorzusehen, da typischerweise nur sehr begrenzte Frequenzbereiche zu verarbeiten sind. Allerdings käme dann keine Verwendung von handelsüblichen und damit relativ kostengünstigen Mikrofonen mehr in Frage.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Prüfobjekt und der wenigstens eine Schallwandler während des Prüfablaufs in einem schalldämmenden Raum angeordnet sind. Der schalldämmende Raum kann insbesondere eine schalldämmende bzw. schalltote Kabine oder Kammer sein, die vorzugsweise während des Prüfablaufs, d.h. während der Funktionssimulation des Prüfobjekts durch Klappen oder dgl. verschlossen wird. Während der Qualitätskontrolle in einer Fertigung kann eine solche Schallkabine in eine Fördereinrichtung integriert werden, so dass alle Prüfobjekte nacheinander die Schallkabine passieren. Nachdem das Prüfobjekt in die Schallkabine eingefahren ist, kann diese allseitig verschlossen werden, so dass keine fremden Schallanteile die nachfolgende Messung verfälschen. Während eines Funktionstests wird ein typischer Bewegungsablauf des komplexen beweglichen Prüflings durchlaufen. Dies kann bei einer Schiebedacheinheit insbesondere ein vollständiger Öffnungs- und Schließvorgang sein. Das hierbei mittels des Mikrofons bzw. der Mikrofone und/oder der Körperschallsensoren aufgenommene Schallspektrum wird der beschriebenen Analyse unterzogen, woraus ein eindeutiges Fehlersignal gewonnen werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die von den Sensoren bzw. Schallwandlern gelieferten und/oder bereits aufbereiteten elektrischen Signale zusätzlich zwischengespeichert werden um sie bei Bedarf entweder zu archivieren und/oder zusätzlich einem Hörtest durch eine Prüfperson zugänglich zu machen. Auf diese Weise können die zwischengespeicherten Signale zur Verifizierung eines Fehler wiederholt über Lautsprecher bzw. Kopfhörer wiedergegeben werden, so dass eine nochmalige Überprüfung des aufgenommenen Schallspektrums bzw. des einzeln selektierten Fehlersignals durch eine Prüfperson ermöglicht ist.
Die zuvor beschriebenen Vorteile und Varianten beziehen sich in gleicher Weise auf die entsprechende Vorrichtung.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist deren einfacher und kostengünstiger Aufbau. Es werden lediglich wenige Standardkomponenten benötigt, die leicht verfügbar sind. Die Signalverarbeitung stellt keine hohen Anforderungen an die Rechenleistung. Insbesondere werden keine aufwendigen Datenverarbeitungsanlagen benötigt. Die zur Verfügung gestellten Schnittstellen liefern im einfachsten Fall ein Schaltsignal, so dass keinerlei aufwendige Anpassungsarbeiten zur Integration der Diagnoseeinrichtung in einen existierenden Fertigungsablauf erforderlich sind. Als Sensoren eignen sich relativ einfach aufgebaute und kostengünstige Mikrofone bzw. Körperschallsensoren. Diese müssen weder einen besonders linearen Frequenzgang aufweisen, noch müssen sie geeicht sein. Es ist nicht einmal notwendig, dass die Sensoren eine geringe Streuung bzw. Abweichung hinsichtlich ihrer Wandlereigenschaften aufweisen, da größere Abweichungen durch die Art der erfindungsgemäßen Signalverarbeitung und -filterung problemlos ausgeglichen werden können. Als kostengünstige Körperschallsensoren eignen sich bspw. Tonabnehmer für elektroakustische Gitarren o. dgl.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen einfachen und kostengünstigen Messaufnehmer mit einem Körperschallsensor zur Verfügung zu stellen, der sich durch eine robuste Bauweise und eine ausreichende Handhabungstoleranz auszeichnet.
Dieses weitere Ziel der Erfindung wird mit einem Messaufnehmer mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 erreicht. Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Messaufnehmers finden sich in den davon abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße Messaufnehmer weist einen beweglichen Trägerabschnitt mit daran elastisch gelagertem Körperschallsensor auf. Der Körperschallsensor kann auf das Prüfobjekt aufgesetzt werden, wobei der Trägerabschnitt von diesem entkoppelt ist. Auf diese Weise sind schnelle und ausreichend genau Körperschallmessungen am Prüfobjekt ermöglicht, ohne dass eine aufwendige und zeitraubende Verankerung des Körperschallsensors am Prüfobjekt notwendig ist.
Vorzugsweise ist der Körperschallsensor in einem elastischen Kissen gelagert, das einseitig fest am Trägerabschnitt verankert ist. Der Körperschallsensor kann bspw. formschlüssig mit dem Kissen verbunden oder mit diesem verklebt sein. Das Kissen kann ebenfalls formschlüssig mit dem Trägerabschnitt verbunden oder mit diesem verklebt sein. Hierdurch wird die Entkoppelung des Körperschallsensors vom Trägerabschnitt sicher gestellt. Gleichzeitig wird damit ein sehr einfacher und kostengünstiger Messaufnehmer zur Verfügung gestellt.
Der Körperschallsensor kann insbesondere in einem muldenartigen Bereich des Kissens angeordnet sein, so dass nur eine Kontaktoberfläche frei bleibt, die auf das Prüfobjekt aufgesetzt wird. Der muldenartige Bereich umgibt den Körperschallsensor in Richtung zum Trägerabschnitt hin vollständig und ist in Richtung zum Prüfobjekt hin offen.
Das elastische Kissen kann insbesondere aus Schaumstoff oder aus einem anderen elastischen Material definierter Federhärte bestehen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Trägerabschnitt mit einem Stellantrieb gekoppelt ist. Der Stellantrieb kann bspw. ein Linearantrieb oder ein Schwenkantrieb sein. Der Linearantrieb kann insbesondere einen pneumatisch oder hydraulisch betriebenen Stellzylinder umfassen. Als Linear- oder Schwenkantrieb kommen bspw. auch elektromotorisch betriebene Anordnungen in Frage.
Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht eine Anschlagsbegrenzung des Stellantriebs vor, wodurch eine definierte Auflage des Körperschallsensors auf dem Prüfobjekt gewährleistet werden kann. Vorzugsweise ist die Anschlagbegrenzung auf die Federhärte des Kissens abgestimmt, so dass der Körperschallsensor während eines Messzyklus vom Trägerabschnitt und damit vom Stellantrieb entkoppelt bleibt.
Zusätzlich kann zwischen Trägerabschnitt und Stellantrieb ein weiteres elastisches Entkopplungs- und Dämpfungselement vorgesehen sein, dessen Federhärte vorzugsweise auf die des Kissens abgestimmt ist. Auf diese Weise kann auch eine relativ unpräzise Anschlagbegrenzung ausreichen, da das zusätzliche Dämpfungselement einen ausreichenden Verformungsweg bereit stellen kann, bevor die Entkopplung zwischen Körperschallsensor und Stellantrieb überwunden ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Perspektivdarstellung eines Prüfobjekts während eines Prüfdurchlaufs,
2 einen Messaufbau zur Erfassung von Luft- bzw. Körperschallemissionen am Beispiel eines Kraftfahrzeug-Schiebedachs,
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Prüfvorrichtung in einer einfachen Variante,
4 ein schematisches Blockschaltbild der Prüfvorrichtung in detaillierterer Ausgestaltung,
5 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Filterstrategie,
6 eine weitere Variante der Prüfvorrichtung mit zusätzlichen Komponenten zur Aufzeichnung von Fehlerereignissen,
7a und 7b schematische Teilschnittdarstellungen eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers für Körperschall in einer ersten Variante,
8 eine schematische Teilschnittdarstellung einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Messaufnehmers und
9 eine schematische Teilschnittdarstellung einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Messaufnehmers.
1 verdeutlicht einen schematischen Versuchsaufbau, bei dem ein Dachmodul 10 mit einem darin angeordneten elektrisch beweglichen Schiebedachsegment 12 einem Funktionstest unterzogen wird. Das Dachmodul 10 ist zum Einbau in ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt) vorgesehen. Das Dachmodul 10 mit dem beweglichen Schiebedachsegment 12 stellt im vorliegenden Ausführungsbeispiel das auf vorliegende Fehler hin zu untersuchende Prüfobjekt im Sinne der Erfindung dar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Dachmodul 10 mittels einer Fördereinrichtung 8 transportiert, die Teil einer Fließbandfertigung sein kann. Das in 1 gezeigte Dachmodul 10 kann bspw. Teil eines Fahrzeugdachs sein, das im lackierten Zustand an den Fahrzeughersteller ausgeliefert wird. Der Versuchsaufbau kann in gleicher Weise zur Fehleranalyse einer Schiebedacheinheit entsprechend 2 verwendet werden.
Zur Diagnose seiner einwandfreien Funktion durchläuft das Dachmodul 10 einen schalldämmenden Raum, insbesondere eine Schallkabine 14 oder dgl., die durch front- und rückseitige Klappen 16 verschließbar gemacht werden kann, so dass die im Inneren der Schallkabine angeordnete Messeinrichtung nicht durch Umgebungsgeräusche beeinflusst wird. Die Klappen 16 können bspw. verschwenkt oder verschoben werden. Vorzugsweise erfolgt das Öffnen und Schließen der Klappen 16 mittels einer automatischen Steuerung, die insbesondere mit einer Fertigungssteuerung gekoppelt sein kann.
Vorzugsweise weist die Schallkabine 14 eine ausreichende Dämmung auf, um Umgebungsgeräusche so weitgehend von der Messumgebung im Inneren der Kabine abzuschirmen, dass keine signifikante Messwertverfälschung auftreten kann. Ggf. kann die Schallkabine 14 als sog. schalltoter Raum ausgebildet werden.
Eine Messung des relevanten Geräuschspektrums erfolgt derart, dass während eines vollständigen Bewegungsablaufs des Schiebedachsegments 12 das dabei entstehende Geräusch erfasst wird. Die Erfassung erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel durch mehrere Schallwandler bzw. Mikrofone 18, welche den aufgenommenen Schall in elektrische Signale wandeln. Die gewandelten elektrischen Signale werden anschließend einer Verstärkung, Filterung und Analyse unterzogen (vgl. 3 bis 6), woraus ein Triggersignal oder mehrere entsprechende Triggersignale zur Kennzeichnung eines defekten oder fehlerbehafteten Schiebedachs und/oder zur anderweitigen Fertigungssteuerung generiert werden.
In einer einfachsten Variante kann auch ein einziges Mikrofon 18 zur Aufnahme eines Geräusch- bzw. Luftschallspektrums des Prüfobjekts vorgesehen sein. Je nach Komplexität des Prüfobjekts, der lokalen Konzentration der Geräuschquellen und der bekannten Anzahl von unterschiedlichen Geräuschereignissen kann die Anzahl der verwendeten Schallwandler variiert werden.
Je nach äußerer Umgebung und typischem Frequenzspektrum der zu analysierenden Schallabstrahlung kann auf die Schallkabine 14 ggf. auch verzichtet werden. Allerdings muss dann gewährleistet sein, dass die Umgebungsgeräusche nicht das Messergebnis zu stark beeinträchtigen und verfälschen können.
2 zeigt eine alternative Messanordnung, bei der an einem Dachrahmen 101 einer Schiebedacheinheit mehrere Körperschallsensoren 19 angeordnet sind, die alternativ oder zusätzlich zu den Mikrofonen vorgesehen sein können. Bei einem vollständigen Bewegungsablauf des Schiebedachsegments 12 im Dachrahmen 101 werden die Luftschall- und/oder Körperschallspektren aufgenommen und zur Erkennung von möglichen Fehlern analysiert. Solche Fehler können insbesondere in einer starken Geräuschentwicklung im Antriebsmotor 121 bzw. im Getriebe 122 liegen, das für einen Vorschub von Antriebskabeln 123 sorgt, die jeweils umgelenkt und mittels Fixierungen 124 am Schiebedachsegment 124 verankert sind. An diesen Umlenkstellen können ebenfalls Geräusche auftreten, die als Fehler erkannt werden. Weitere typische Geräuschquellen liegen in den Führungen der Antriebskabel 123, die bspw. mangelhaft entgratet sein oder eine zu geringe Schmiermittelmenge aufweisen können.
Bei gleichzeitiger Luft- und Körperschallmessung mit jeweils mehreren Messaufnehmern (Mikrofon 18, Körperschallsensor 19) wird ein spezifisches Fehlersignal vorzugsweise dann ausgelöst, wenn gleichzeitig ein Luft- und ein Körperschallsignal geliefert werden, die jeweils dem gleichen Messort zugeordnet sind. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Störgeräusche zu einem falschen Fehlersignal führen. Dies kann bspw. dann der Fall sein, wenn zu einer bestimmten Zeit eine Körperschallmessung ein Fehlersignal liefert, die vom Prüfobjekt stammt und wenn gleichzeitig ein Luftschallsignal erfasst wird, das nicht vom Prüfobjekt geliefert wird sondern das bspw. aus der Umgebung auf den Sensor trifft. Diese „und-Verknüpfung" der beiden Schallsignale erhöht die Messgenauigkeit und liefert zuverlässigere Fehlersignale.
Die gezeigten Versuchsaufbauten entsprechend den 1 und 2 sind als Alternativen oder als Kombinationen zu verstehen. So kann eine reine Luftschallmessung gemäß 1 in vielen Anwendungsfällen ausreichen. Je nach Umgebungsbedingungen der Fertigung kann hierbei ggf. auf die Schallkabine 14 verzichtet werden, insbesondere bei Verwendung von Mikrofonen 18 mit starker Richtcharakteristik und bei lokal sehr begrenzten Geräuschquellen. Die in 2 gezeigten Körperschallsensoren 19 können wahlweise anstelle der Mikrofone 18 oder zusätzlich zu diesen eingesetzt werden. Bei einer Konfiguration mit Mikrofonen 18 und Körperschallsensoren 19 kann in vielen Fällen auf eine zusätzliche Schalldämmung verzichtet werden.
3 zeigt eine Diagnosevorrichtung in einem vereinfachten Prinzipschaltbild. Ein Schallsignal 20, 21 wird mit einem Sensor aufgenommen und in ein elektrisches Signal 22 gewandelt, in einer ersten Verstärkerstufe 24 verstärkt und in einer zweiten Verstärker- bzw. Signalverarbeitungsstufe 26 verstärkt, gefiltert und/oder anderweitig beeinflusst, woraus ein Triggersignal 28 zur Ansteuerung eines Schalters 30 oder Relais o. dgl. gebildet wird. Das Signal des Schalter wird pauschal als Schaltsignal 32 bezeichnet. Die zweite Verstärkerstufe 26 kann insbesondere eine frequenz- bzw. amplitudenbereichsindividuelle Verstärkung und/oder Filterung bewirken, wodurch bestimmte, vorher bekannte Fehler als bestimmte und voneinander abgrenzbare Schallereignisse erkannt und selektiert werden können. Das Schaltsignal 32 des Schalters 30 bzw. des Relais kann die unterschiedlichsten Funktionen beeinflussen. Es kann bspw. als Teil einer Fertigungssteuerung aufgefasst werden oder in einer einfachsten Form ein optisches oder akustisches Warnsignal auslösen. Eine sinnvolle Variante besteht bspw. darin, das Prüfobjekt mit einem uncodierten oder mit einem codierten Aufkleber zu versehen. Ein codierter Aufkleber kann insbesondere mit einem Barcode versehen sein, worin Informationen über die erkannten Fehler enthalten sind.
Das Schallsignal kann ein Luftschallsignal 20 und/oder ein Körperschallsignal 21 sein. Der Sensor kann ein Schallwandler, insbesondere ein Mikrofon 18 bzw. ein Körperschallsensor 19 sein.
4 zeigt eine erweiterte Schaltung der Diagnose- und Prüfvorrichtung, bei der die elektrischen Signale 22 des Mikrofons 18 bzw. der Mikrofone 18 bzw. des/der Körperschallsensoren 19 nach einer ersten Verstärkung in der ersten Verstärkerstufe 24 – bspw. einem Operationsverstärker o. dgl. – in einer A/D-Wanderschaltung 34 einer Analog/Digital-Wandlung unterzogen werden, woraus in einer nachgeschalteten ersten Filterstufe 36 die digitalen Signale hochpass- und/oder tiefpassgefiltert und ggf. frequenzbereichs-individuell und/oder amplitudenbereichs-individuell verstärkt werden.
Ein typisches Signal kann nach Durchlaufen der ersten Verstärkerstufe auf einen Frequenzbereich zwischen ca. 800 Hz und ca. 3 bis 5 kHz eingegrenzt sein. Dieser eingeschränkte Frequenzbereich kann dann um ca. 20 dB verstärkt werden. Wahlweise kann auch eine schmalbandigere Verstärkung um ca. 20 dB in Frequenzbereichen erfolgen, in denen die vorher definierten zu erfassenden Fehlergeräusche liegen. Die Stufe zur frequenzbereichs-individuellen Verstärkung wird typischerweise als Equalizer bezeichnet.
In einer nachgeschalteten zweiten Filterstufe 38 – einem sog. Noise-Gate – werden bestimmte Frequenz- und Amplitudenbereiche des gefilterten digitalen Signals ausgewählt und bestimmten Fehlerereignissen zugeordnet, woraus in einer nachgeschalteten Matrixschaltung 40 individuelle Ereignissignale generiert werden können. Eine nachgeschaltete D/A-Wandeerschaltung 42 sorgt für eine Digital/Analog-Wandlung des digitalen Signals in ein analoges Signal, das bereits als Schaltsignal 32 oder das zur Bildung eines Triggersignals 44 in einem Schwellwertschalter 46 verwendet werden kann. Das Triggersignal 44 kann für die verschiedensten Zwecke eingesetzt werden, bspw. zur Ansteuerung von Relais oder anderen elektronischen oder mechanischen Schaltern. Der Schwellwertschalter sorgt dafür, dass aus dem Triggersignal 44 ein definiertes Schaltsignal gebildet wird.
Die Wirkungsweise der zweiten Filterstufe 38 – des sog. Noise-Gate – wird anhand der 5 näher veranschaulicht. Auf der horizontalen Achse ist eine Frequenz f des gefilterten digitalen Signals 48 und auf der vertikalen Achse dessen Amplitude A nach einer Verstärkung von relevanten Frequenzbereichen aufgetragen. Aus dem in 4 gezeigten begrenzten Ausschnitt eines breiteren Frequenzbereichs wird mit Hilfe der zweiten Filterstufe 38 eine weitere Selektion mit Hilfe von begrenzten Bereichen 50 und 52 durchgeführt. Diese Selektion stellt eine engere amplitudenbereichs- und frequenzbereichs-selektive Auswahl aus dem größeren Frequenz- und Amplitudenbereich des die erste Filterstufe 36 verlassenden digitalen Signals 48 dar. Wird ein Signal innerhalb der Bereiche 50 bzw. 52 erkannt, wird daraus ein Fehlersignal erzeugt.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind lediglich zwei zu selektierende Bereiche gezeigt. Die Anzahl der in der zweiten Verstärkerstufe 38 definierten Bereiche hängt in der Praxis von der Anzahl der vorher in Versuchen bestimmten und eindeutig zuordenbaren Fehlerfrequenzen ab, die von individuellen Fehlergeräuschen stammen.
Die in den jeweiligen Bereichen 50 bzw. 52 erfassten Signale können mit Hilfe der programmierbaren oder fest eingestellten Matrixschaltung 40 verschiedenen Schaltsignalen zugeordnet werden. Auf diese Weise ist bereits bei der Analyse eine Festlegung der erkannten Fehler möglich. Fehlt die Zuordnungsmatrix, kann zumindest angezeigt werden, dass ein Fehler vorliegt. Eine Trennung verschiedener Fehler voneinander findet in diesem Fall nicht statt.
Die Schaltung der 4 berücksichtigt lediglich die Signalverarbeitung eines Sensors. Sind mehrere Sensoren vorhanden, können deren Signale 22 entweder in jeweils gleichartigen Schaltungen parallel verarbeitet oder bereits in der ersten Verstärkerstufe 24 zusammen geführt werden.
6 zeigt schließlich eine zusätzliche Variante zur gezeigten Diagnoseschaltung, die auf die vereinfachte Schaltung der 3 Bezug nimmt und bei der die dem Verstärker 24 nachgeordneten Stufen der Einfachheit halber als Verarbeitungsschaltung 54 bezeichnet werden. Bei dieser Variante können die vom Mikrofon 18 bzw. vom Körperschallsensor 19 gewandelten elektrischen Signale 22 zusätzlich mittels einer Aufnahmeeinrichtung 56 aufgezeichnet werden, um sie später über einen Schallwandler – bspw. einen Lautsprecher 58 oder einen Kopfhörer – nochmals wiedergeben zu können. Auf diese Weise kann der festgestellte Fehler nochmals von einer Prüfperson verifiziert werden, um sicherzugehen, dass tatsächlich ein Fehler vorliegt bzw. um welchen Fehler es sich handelt.
Die Aufnahmevorrichtung 56 speichert vorzugsweise alle von den Mikrofonen 18 bzw. von den Körperschallsensoren 19 gewandelten Signale 22 in einem Zwischenspeicher ab, der regelmäßig überschrieben wird. Vorzugsweise wird der Speicherinhalt des Zwischenspeichers nur dann dauerhaft abgespeichert, wenn von der Schalteinrichtung 30 ein entsprechendes Auslösesignal 32a geliefert wird.
Das beschriebene Diagnose- und Prüfverfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung eignet sich grundsätzlich zur schallgestützten Prüfung aller beweglichen Prüfobjekte, bei denen ein Zusammenhang zwischen einer Fehlfunktion bzw. eines Qualitätsmangels und einer bestimmten Veränderung in ihrem Geräuschspektrum besteht. Fehler oder Qualitätsmängel, die keine Veränderung einer Schallabstrahlung bewirken, können mittels des beschriebenen Verfahrens nicht erkannt werden.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass die beschriebene Filterung und frequenzbereichs-individuelle Verstärkung nicht unbedingt notwendig ist, sondern dass auch komplexere Geräuschspektren mit einem Sollsignal verglichen werden können. Allerdings bedingen solche Vergleiche von breitbandigeren Signalen gegenüber dem beschriebenen Verfahren einen deutlich erhöhten Rechen- und Verarbeitungsaufwand. Dagegen liegt ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens in der dafür notwendigen äußerst kompakten und „schlanken" Verarbeitungsschaltung. Die notwendigen Funktionen können problemlos mittels weniger integrierter Schaltungen dargestellt werden, die kostengünstig verfügbar und miteinander verschaltbar sind.
Anhand der 7a, 7b, 8 und 9 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messaufnehmers 60 beschrieben, der sich insbesondere zum Einsatz beim zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zur Funktionsüberprüfung von Prüfobjekten bzw. bei der entsprechenden Vorrichtung eignet.
So zeigen die 7a und 7b zwei Endstellungen des Messaufnehmers 60, bei dem mittels eines Stellantriebs 70 ein Körperschallsensor 19 in Kontakt mit einem Prüfobjekt 62 gebracht werden kann, so dass Körperschallmessungen am Prüfobjekt 62 ermöglicht sind. Das Prüfobjekt 62 kann dabei eine Schiebedacheinheit entsprechend einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sein. Prinzipiell kann das Prüfobjekt 62 jedoch auch ein nahezu beliebiges Bauteil oder eine beliebige Baueinheit sein, an dem/der eine Körperschallemission gemessen werden soll.
Der Körperschallsensor 19 befindet sich in einem muldenartigen Bereich 68 eines elastischen Kissens 66. Das elastische Kissen 66 kann bspw. aus Schaumstoff o. dgl. bestehen. Der Körperschallsensor 19 kann im muldenartigen Bereich 68 eingeklebt oder eingeklemmt sein. Vorzugsweise jedoch ist er eingeklebt oder anderweitig formschlüssig gehalten, da der muldenartige Bereich 68 je nach Ausrichtung des Prüfobjekts 62 und Position der Messstelle nach unten geöffnet sein kann, so dass bei einem leichten Klemmsitz des Körperschallsensors 19 dieser leicht nach unten heraus fallen kann. An einer der Öffnung des muldenartigen Bereichs 68 gegenüber liegenden Seite ist das elastische Kissen 66 flächig mit einem flachen und in sich steifen Trägerabschnitt 64 verbunden, insbesondere verklebt. Der Trägerabschnitt 64 kann bspw. ein flaches Blechstück aus Metall oder eine Kunststoffscheibe o. dgl. sein.
Der Trägerabschnitt 64 kann mittels eines Stellantriebs 70 relativ zum Prüfobjekt 62 bewegt werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Stellantrieb 70 als Linearantrieb 72 ausgebildet, der eine verschiebbare Kolbenstange 73 aufweist, an deren freiem Ende der Trägerabschnitt 64 verankert ist. Die Bewegungsrichtung der Kolbenstange 73 ist vorzugsweise annähernd senkrecht zur Oberfläche des Prüfobjekts 62 orientiert, so dass beim Aufsetzen des elastischen Kissens 66 dieses definiert und gleichmäßig verformt wird, wodurch eine gleichmäßige und definierte Auflage des Körperschallsensors 19 auf dem Messpunkt des Prüfobjekts gewährleistet werden kann.
7a zeigt eine erste Stellung des Stellantriebs 70, bei welcher das Kissen 66 vom Prüfobjekt 62 beabstandet ist. Der Körperschallsensor 19 weist eine kleinere Ausdehnung auf als die Tiefe des muldenartigen Bereichs 68, so dass die Oberfläche des Körperschallsensors 19 im gezeigten Querschnitt nicht bündig mit der zum Prüfobjekt 62 weisenden Oberfläche des entspannten Kissens 66 abschließt, sondern etwas tiefer liegt. Um den Messaufnehmer 60 in Messposition zu bringen, wird die Kolbenstange 73 des Linearantriebs 72 ausgefahren (7b).
Beim Aufsetzen des Körperschallsensors 19 auf dem Prüfobjekt 62 entsprechend 7b wird das Kissen 66 verformt, bis der Körperschallsensor 19 auf der Oberfläche des Prüfobjekts 62 aufliegt. Während dieses ersten Verformungswegs des Kissens 66 ist dessen Widerstand minimal, da das zu verformende Volumen im Randbereich um den muldenartigen Bereich 68 deutlich geringer ist als das zu verformende Volumen zwischen Körperschallsensor 19 und flachem Trägerabschnitt 64. Um zu verhindern, dass der Trägerabschnitt 64 an die Rückseite des Körperschallsensors 19 gedrückt wird, kann der Stellantrieb 70 eine Anschlagbegrenzung in Form eines Weg- oder Kraftsensors o. dgl. aufweisen.
8 zeigt eine weitere Variante des Messaufnehmers, bei dem zwischen Kolbenstange 73 und Trägerabschnitt 64 ein zusätzliches Dämpfungselement 76 angeordnet ist. Der übrige Aufbau entspricht der ersten Variante entsprechend 7a und 7b. Das Dämpfungselement 76 kann als zusätzliche Anschlagbegrenzung dienen, wenn es eine Federhärte aufweist, die auf die entsprechende Federhärte des Kissens 66 abgestimmt ist. Das Dämpfungselement 76 kann bspw. ein Schlauchabschnitt aus elastischem Material, bspw. aus Gummi oder einem anderen Elastomer sein, dessen Mittelachse senkrecht zur Längs- und Vorschubrichtung der Kolbenstange 73 angeordnet ist. Der Schlauchabschnitt ist somit an seiner zylindrischen Außenmantelfläche mit dem freien Ende der Kolbenstange 73 verbunden. An einer gegenüber liegenden Seite der Außenmantelfläche des Schlauchabschnitts ist der Trägerabschnitt 64 verankert, an dem wiederum das Kissen 66 mit dem darin eingebrachten Körperschallsensor 19 befestigt ist.
Beim Aufsetzen des Kissens 66 auf dem Prüfobjekt 62 wird es zunächst so weit verformt, bis der Körperschallsensor 19 bündig auf der Oberfläche des Prüfobjekts 62 aufliegt. Bei einem weiteren Vorschub der Kolbenstange 73 wird das schlauchartige elastische Dämpfungselement 76 verformt und gibt nach, bevor der Bereich des Kissens 66 zwischen Trägerabschnitt 64 und Körperschallsensor 19 zusammen gedrückt wird.
Es wird somit eine Art der Anschlagbegrenzung zur Verfügung gestellt, welche eine relativ ungenaue Wegbegrenzung des Linearantriebs zulässt. Der Messaufnehmer 60 entsprechend 8 ermöglicht somit eine sehr einfache und kostengünstige Art der Körperschallerfassung innerhalb sehr kurzer Messzyklen, wie sie bei einer Fließbandfertigung wünschenswert sind.
Der Linearantrieb 72 kann bspw. als Pneumatik- oder als Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Prinzipiell sind jedoch auch andere Antriebsvarianten, bspw. ein elektromotorisch betriebener Zahnstangen- oder Kettenantrieb o. dgl., möglich.
9 zeigt eine alternative Variante des Messaufnehmers 60, bei welcher der Stellantrieb 70 als Schwenkantrieb 74 ausgebildet ist. Der übrige Aufbau entspricht weitgehend der in den 7a und 7b gezeigten Variante. Der Messaufnehmer 60 gemäß 9 kann selbstverständlich auch mit dem zusätzlichen Dämpfungselement 76 entsprechend 8 kombiniert werden.
Der erfindungsgemäße Messaufnehmer 60 ermöglicht eine schnelle und ausreichend genaue Körperschallerfassung innerhalb relativ kurzer Messzyklen. An die Präzision der Körperschallsensoren 19 und an die Güte deren Ausgangssignale brauchen dabei keine zu hohen Anforderungen gestellt werden, da keine hochpräzisen Messwerterfassungen notwendig sind. Es steht die Erfassung typischer Fehler im Vordergrund, die zuvor anhand charakteristischer Körperschallereignisse identifiziert wurden. Da eine nachgeschaltete Auswerteeinheit vorzugsweise bestimmte Frequenz- und Amplitudenbereiche des Körperschallsignals bevorzugt oder ausschließlich auswertet, können relativ große Messtoleranzen zugelassen werden, ohne dass das Messergebnis beeinträchtigt wird. Insbesondere beim Einsatz des Messaufnehmers innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Funktionsüberprüfung von Prüfobjekten genügt die erreichbare Messgenauigkeit und die erreichbare Reproduzierbarkeit der Messergebnisse in aller Regel völlig aus.
Aus den erwähnten Gründen sind auch keine geeichten und teuren Körperschallsensoren notwendig, da die Herstellung eines definierten Anpressdrucks des Sensors auf der Oberfläche des Prüfobjekts nicht innerhalb derart feiner Grenzen reproduzierbar ist, welche der Größenordnung der Messtoleranzen des Körperschallsensors entsprechen würde. Als Körperschallsensoren können daher relativ kostengünstige Bauteile eingesetzt werden, wie sie bspw. als Gitarrentonabnehmer verwendet werden.

8: Fördereinrichtung
10: Dachmodul
101: Dachrahmen
12: Schiebedachsegment
121: Antriebsmotor
122: Getriebe
123: Antriebskabel
124: Fixierung
14: Schallkabine
16: Klappe
18: Mikrofon
19: Körperschallsensor
20: Luftschallsignal
21: Körperschallsignal
22: elektrisches Signal
24: erste Verstärkerstufe
26: Signalverarbeitungsstufe
28: Triggersignal
30: Schalter / Schalteinrichtung
32: Schaltsignal
32a: Auslösesignal
34: A/D-Wandlerschaltung
36: erste Filterstufe
38: zweite Filterstufe / Noise-Gage
40: Matrixschaltung
42: D/A-Wandlerstufe
44: Triggersignal
46: Schwellwertschalter
48: digitales Signal
50: erster Bereich
52: zweiter Bereich
54: Verarbeitungsschaltung
56: Aufnahmevorrichtung
58: Lautsprecher
60: Messaufnehmer
62: Prüfobjekt
64: Trägerabschnitt
66: Kissen
68: muldenartiger Bereich
70: Stellantrieb
72: Linearantrieb
73: Kolbenstange
74: Schwenkantrieb
76: Dämpfungselement
f: Frequenz
A: Amplitude

Claims

Messaufnehmer zur Erfassung von Körperschallemissionen eines Prüfobjekts, mit einem beweglichen Trägerabschnitt (64) mit daran elastisch gelagertem Körperschallsensor (19), der im auf dem Prüfobjekt (62) aufgesetzten Zustand vom Trägerabschnitt (64) entkoppelt ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem der Körperschallsensor (19) in einem elastischen Kissen (66) gelagert ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 2, bei dem das elastische Kissen (66) einseitig am Trägerabschnitt (64) verankert ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das elastische Kissen (66) einen muldenartigen Bereich (68) zur Aufnahme des Körperschallsensors (19) aufweist.
Messaufnehmer nach Anspruch 4, bei dem der muldenartige Bereich (68) in gegenüber liegender Richtung zum Trägerabschnitt (64) und in Richtung zum Prüfobjekt (62) hin offen ist.
Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem das elastische Kissen (66) aus Schaumstoff besteht.
Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Trägerabschnitt (64) mit einem Stellantrieb (70) gekoppelt ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 7, bei dem der Stellantrieb (70) ein Linearantrieb (72) ist.
Messaufnehmer nach Anspruch 7, bei dem der Stellantrieb (70) ein Schwenkantrieb (74) ist.
Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Stellantrieb (70) eine Anschlagsbegrenzung aufweist.
Messaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem zwischen Trägerabschnitt (64) und Stellantrieb (70) ein weiteres elastisches Entkopplungs- bzw. Dämpfungselement (76) vorgesehen ist.