DE4333830A1 - Verfahren zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Qualitätskontrolle von Kleinteilen im Onlinebetrieb erfolgt heute mittels ausgereifter magnetinduktiver Vergleichsverfahren (z. B. Förster, Magnatest). Trotz der ausgereiften Technik erlauben diese Verfahren im allgemeinen keine ortsaufgelöste Überprüfung der Materialeigenschaften. Gerade diese Ortsauflösung ist aber für Bauteile, die durch ihre ortsabhängigen Materialeigenschaften charakterisiert sind, unabdingbar. Durch die gewachsenen Ansprüche an Haltbarkeit und kostengünstige Montage werden heute viele Werkstücke mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität und die Einhaltung enger Fertigungstoleranzen hergestellt. Hierdurch ergeben sich besonders im Bereich des Automobil- und Maschinenbaus die Notwendigkeit auch Großserienteile durch aufwendige Fertigungsprozesse zu produzieren und ständig deren Qualität zu überwachen. Besonders die Parameter Härte und Eindringhärtetiefe sind an solchen Bauteilen wichtige und meßtechnisch schwierige Parameter.
Die aufwendigen hintereinandergeschalteten Prozesse, wie Härten, Schleifen, Drehen, die an den verschiedenen Stellen des Werkstückes durchgeführt werden und die lokale Qualität durch Fehler drastisch beeinflussen können in ihrer Wirtschaftlichkeit durch eine preiswerte in Line Kontrolle stark verbessert werden. Zur Kontrolle der oberflächennahen Materialparameter werden heute vor allem die Wirbelstromprüfung und zunehmend auch die Messung des Barkhausenrauschens eingesetzt (z. B. Fraunhofergesellschaft, DE 30 37 932 A1 auch DE-A-28 37 733, Europäische Patentschrift B1 0100009).
Obwohl das Potential dieser Methoden zur Lösung der Probleme schon länger bekannt ist und sich der Einsatz besonders im Fall der Wirbelstrommessung schon lange bewährt hat, fehlte bisher ein Verfahren, welches einen Zusammenhang zwischen den Meßdaten und den gesuchten Materialparametern derart herstellt, daß für die Fertigungskontrolle geeignete Größen zur Verfügung stehen. Die Problematik bei der Herstellung dieser Zusammenhänge liegt in der Schwierigkeit, die Vielzahl der physikalischen Parameter und Zusammenhänge mit den Werkstoffeigenschaften mathematisch zu erfassen. Gerade diese Zusammenhänge sind aber bei der Anwendung herkömmlicher Prüfverfahren unbedingt notwendig, um an Oberflächen nach Fehlerarten differenzieren zu können. So ist mit den gängigen Geräten zur ortsaufgelösten Messung von Materialeigenschaften, entweder keine Kontrolle der Spannungszustände möglich (z. B. Wirbelstrommeßgeräte) oder es ist nicht möglich zwischen Spannungen und Gefügeveränderungen zu unterscheiden (Rollscan von American Stress Technologies). Diese Selektivität ist aber für die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit solch eines Prüfverfahrens von entscheidender Bedeutung, da nur so zwischen Fehlern, die zu einer frühzeitigen Aussortierung des Bauteils führen sollen (Gefügefehler, Risse, Schleiffehler usw.) und Fehlern, die bei späteren Bearbeitungsschritten noch korrigiert werden können (geringe Randentkohlungen o. ä.) unterschieden werden kann.
Somit stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine zweckmäßige Anordnung zu entwickeln, die den oben genannten Ansprüchen gerecht wird sowie die genannten Nachteile überwindet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gelöst.
Bei dem Verfahren wird über eine Meßvorrichtung nach Anspruch 25-29 eine Probe mittels zweier Spulen in geeigneter Weise magnetisiert und die Oberfläche anforderungsgerecht mittels eines Sensors abgerastert, durch Gewinnung und Auswahl geeigneter Meßgrößen, Barkhausenrauschen und/oder induzierte Spannung, Wirbelströme bzw. Wirbelstromverluste, die verschiedene Parameter jedoch keine eindeutige Korrelation mit gewünschten Größen erlauben muß und Auswertung der Differenz sowie Darstellung der Ergebnisse als Ergebnisvektoren, die eine qualitative Bewertung der Fehler und Fehlerarten ermöglicht sowie über eine Regeleingabe vom Bedarfsfall des Anwenders abhängiger optimierbarer Parameter über eine rekonfigurierbare, beeinflußbare Interferenzmaschine mit einem beeinflußbaren Fuzzyfizierer erfolgt, wird ein Vergleich der gespeicherten Referenzdaten mittels Signal über vorzugsweise eine miniaturisierte Sensorspule unter Berücksichtigung von Prositionsregelung und Feldsteuerung des Sensors sowie induzierte Spannung einer miniaturisierten Sensorspule, Auswertung des parallel aufgenommenen Barkhausenrauschens sowie der parallelen Messung der Wirbelstromverluste der Sensorspule geführt.
Es ist erfindungsgemäß von besonderem Vorteil, wenn das Einrichten nach der Teach in Methode erfolgt, wobei ein Muster im Lernmodus vermessen und aufgenommene Daten gespeichert werden. Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß die Optimierung mittels einer intuitiv bedienbaren Oberfläche, bei der die Wichtungsparameter grafisch eingegeben werden, erfolgt und/oder eine statistische Untersuchung des Fertigungsprozesses stattfindet, die eine dynamische Anpassung der Parameter ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Fuzzyfizierung über einen Fuzzyfizierer vorzunehmen, dessen Fuzzymengen ausschließlich als Dreiecke definiert sind. Ferner ist vorgesehen, daß für den Fuzzyfizierer als Eingangsparameter nur Abweichungen der Meßsignale von der abgespeicherten Referenz genutzt werden.
Von besonderem Vorteil ist, daß erfindungsgemäß die Anpassung der Prüfaufgabe nur durch Aufnahme eines Referenzdatensatzes und die unterstützende Änderung des Fuzzyregelsatzes erfolgt.
Ferner vorteilhaft ist, daß der Regelsatz durch Selbstlernprozeß selbst erstellt wird. Hierzu ist der Einsatz eines neuronalen Netzes besonders geeignet.
Die vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur selektiven Erlangung geeigneter Größen zur kontinuierlichen ortsaufgelösten Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle - Meßvorrichtung nach Fig. 1 - besteht aus parallel angeordneten Magnetisierungseinrichtungen, vorteilhaft Magnetisierungsspulen 1, die auch als Induktionsspulen in einer Härtereianlage ausgebildet sein können, die fest mit dem Träger der Sensoreinrichtung verbunden sind, der senkrecht zu den Magnetisierungsspulen 1 geführt wird. Der Sensor 2 ist so über die Sensorhalterung 3 angebracht, daß er wie in Fig. 2 prinzipiell dargestellt, mittig zwischen den beiden Magnetisierungsspulen geführt wird und vorteilhaft senkrecht zur Magnetisierungsrichtung bewegt werden kann.
Die Bewegung erfolgt vorteilhaft mit Hilfe eines Schritt- oder Linearmotors 5, der die Sensorhaltung 3 verschiebt.
Erfindungsgemäß wird der Abstand zwischen Sensor 2 und Probe 4 gesteuert oder anhand der gemessenen Signale geregelt. Weiterhin gibt es die Möglichkeit den Abstand mit Hilfe eines Druckluftpolsters zu regulieren.
Erfindungsgemaß ist weitergehend von besonderem Vorteil, eine modulare Anordnung vorzusehen sowie Schnittstellen einzurichten.
Gegenüber den eingangs beschriebenen Verfahrensweisen und Anordnungen ergeben sich vielfältige Vorteile.
Die Methode der Entscheidungsfindung beispielsweise ermöglicht es, die auftretenden Fehler wesentlich genauer zu charakterisieren. So kann zwischen Abweichungen in der Härte, Härtetiefe, Schleiffehlern und Eigenspannungen unterschieden werden und entsprechend reagiert bzw. in der Härterei geregelt werden.
Durch die flexible Auslegung wird die Wirtschaftlichkeit des Systems erhöht, die Anwendbarkeit beträchtlich erweitert. Das wird insbesondere auch durch die variable Anwendungsmöglichkeiten sowie Verfahrensweise bei Speicherung der Referenzdaten erreicht.
Der modulare Aufbau ergibt neben der Wartungsfreundlichkeit eine große Störsicherheit.
Eine Übersicht ist in Fig. 2 beigefügt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, da vorteilhaft, wie folgt vorzugehen.
Um eine sichere und schnelle Kontrolle der Materialeigenschaften zu erreichen, wird die induzierte Spannung einer miniaturisierten Sensorspule mit den gespeicherten Referenzsignalen verglichen.
Hierdurch werden Inhomogenitäten und Gefügefehler erkannt. Zudem wird dieses Signal zur Positionsregelung und Feldsteuerung genutzt. Die Parameter Härte und Härtetiefe werden durch die Auswertung des parallel aufgenommenen Barkhausenrauschens erfaßt. Um die Sicherheit des Verfahrens zu erhöhen, und die Fehler spezifizieren zu können, werden parallel die Wirbelstromverluste der Sensorspule gemessen. Durch die Kombination dieser Verfahren, insbesondere des frequenzabhängigen Barkhausenrauschens, ist eine empfindliche Erkennung von Abweichungen in der Härte und Einhärtungstiefe sichergestellt.
Verfahrensmäßig ist das Gerät prinzipiell als Vergleichsgerät aufgebaut, das heißt als Eingangsparameter für den Fuzzyfizierer werden nur Abweichungen der Meßsignale von der abgespeicherten Referenz genutzt. Um die gemessenen Daten zu reduzieren, und die Fuzzylogik bei der Auswertung zu entlasten, werden die Ergebnisse entsprechend vorverarbeitet.
Mittels der Signalverarbeitung werden die digitalisierten Spannungswerte von der Verstärker/Filtereinheit vorbereitet, um für den Fuzzyfizierer geeignete Eingangsdaten zu erhalten. Außerdem werden die Daten auf den gespeicherten Referenzdatensatz normiert. Die Eingangsdaten bestehen aus dem Magnetisierungsstrom, dem Barkhausenrauschsignal, der induzierten Spannung in der Magnetisierungsspule und dem von der Wirbelstromeinheit kommenden Meßsignal. Hieraus werden in der ersten Verarbeitungsstufe der Effektivwert und die Einhüllende des Barkhausenrauschens errechnet und die Einhüllende auf den Magnetisierungsstrom normiert. In der zweiten Verarbeitungsstufe werden dann die Differenzen zwischen Einhüllender und entsprechendem Referenzsignal gebildet. Aus dieser Signalform werden dann die charakteristischen Parameter (Lage und Höhe des Maximums, Wert beim Nulldurchgang des Magnetisierungsstroms und Wert beim Maximalstrom) berechnet. Entsprechend wird mit der induzierten Spannung verfahren, mit der Ausnahme, daß statt der Werte am Nullpunkt und beim Maximalwert die Halbwertsbreite berechnet wird. Anschließend werden diese Parameter und die Abweichungen des Effektivwertes und des Wirbelstromsignals von den entsprechenden Referenzwerten dem Fuzzyfizierer zugeführt.
Der Fuzzyfizierer arbeitet ausschließlich mit Dreiecksfunktionen zur Festlegung der Fuzzysets, dies hat den Vorteil der hohen Verarbeitungsgeschwindigkeit und der leichten Anpaßbarkeit an besondere Prüfprobleme, ohne Beeinflussung der Stabilität. Jede Eingangsgröße wird durch bis zu 10 Fuzzysets beschrieben, deren Dreiecksbreiten angepaßt werden können.
Besondere Bedeutung fällt der hier vorgenommenen Ausführung der Inferenzmaschine zu, die durch einen Satz fester Regeln charakterisiert ist, die die Stabilität und die Selektivität des Gerätes bestimmen. Diese Regeln können vom Anwender natürlich auch nicht verändert werden. Die einzige Möglichkeit des Anwenders auf diesen "Kern" einzuwirken ist die Veränderung der Wichtungsfaktoren in gewissen Grenzen, diese Wichtungsfaktoren geben die Sicherheit und Empfindlichkeit der verschiedenen Regeln an und sind im wesentlichen von der konkreten geometrischen Anordnung abhängig. Zusätzlich zu diesem Regelkern läßt sich die Inferenzmaschine um Anwenderdefinierte Regeln erweitern, deren Wichtungsfaktoren aber grundsätzlich nur so klein gewählt werden können, daß sie die grundsätzliche Funktionsweise und das Antwortverhalten nicht wesentlich beeinflussen. Diese flexible Realisierung der Inferenzmaschine sichert eine flexible Anpaßbarkeit an das Prüfproblem, ohne die grundlegende Funktionsweise zu gefährden. Hier ist auch die Möglichkeit gegeben diese Zusatzregeln durch ein neuronales Netzwerk selbstlernend anzupassen, weil die Unvorhersehbarkeit der Ergebnisse bei einem neuronalen Netz die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht beeinflussen kann.
Der Defuzzyfizierer arbeitet nach der Schwerpunktmethode und leitet die Ergebnisse an die zentrale Verarbeitungseinheit weiter, die das Ergebnis darstellt und entsprechend der vorher eingestellten Sortiergrenzen die entsprechende Sortiereinrichtung bzw. den weiteren Verfahrensablauf steuert.
Das Meßsystem besteht aus zwei Anregungsspulen, zwischen denen die Sensorspule mittig plaziert ist. Die gesamte Meßeinheit kann in bestehende Bearbeitungsmaschinen z. B. Drehbänke) integriert werden, um einen rationellen Einsatz zu ermöglichen. Hierzu ist in dem Gerät auch eine Schnittstelle zu SPS-Anlagen vorhanden.
Durch den modularen Aufbau des Gerätes ergibt sich neben der Wartungsfreundlichkeit eine große Störsicherheit auch in rauhen Umgebungen. Da die zugrundeliegenden Meßprinzipien Vergleichsverfahren darstellen, müssen Referenzmessungen vorliegen. Um diesen Vorgang möglichst einfach und rationell durchführen zu können, erfolgt die Einrichtung des Gerätes für spezielle Werkstücke bzw. Prüfaufgaben mittels einer Teach in Methode. Hierbei wird ein Muster im Lernmodus vermessen und die dabei gewonnen Daten als Referenz abgespeichert. Dieser Vorgang muß nur bei Werkstückänderungen wiederholt werden. Da die Referenzdaten elektronisch gespeichert sind, stellt der schnelle Wechsel zwischen verschiedenen Werkstücken kein Problem dar. Es ist sogar möglich einen gemischten Eingangsstrom von Bauteilen zu untersuchen und zu sortieren.
Die Optimierung auf das spezielle Prüfproblem erfolgt dann mit Hilfe einer intuitiv bedienbaren Oberfläche, bei der die Wichtungsparameter grafisch eingegeben werden. Durch eine statistische Untersuchung innerhalb des Fertigungsprozesses können die Parameter auch dynamisch angepaßt werden.

Claims (36)

1. die Probe bzw. der Prüfgegenstand mittels zweier Spulen in geeigneter Weise magnetisiert und die Oberfläche anforderungsgerecht mittels eines Sensors abgerastert, durch Gewinnung und Auswahl geeigneter Meßgrößen, Barkhausenrauschen und/oder induzierte Spannung, Wirbelströme bzw. Wirbelstromverluste, jedoch die verschiedenen Parameter keine eindeutige Korrelation mit gewünschten Größen erlauben muß und die Auswertung der Abweichungen von der Referenz sowie Darstellung der Ergebnisse vorzugsweise als Ergebnisvektoren, die eine qualitative Bewertung der Fehler und Fehlerarten ermöglicht sowie über eine Regeleingabe vom Bedarfsfall des Anwenders abhängiger, optimierbarer Parameter über eine rekonfigurierbare Inferenzmaschine mit einem beeinflußbaren Fuzzyfizierer erfolgt, wird ein Vergleich der gespeicherten Referenzdaten mittels Signal über vorzugsweise eine miniaturisierte Sensorspule unter Berücksichtigung von Positionsregelung und Feldsteuerung des Sensors sowie induzierte Spannung einer miniaturisierten Sensorspule, Auswertung der vorzugsweise parallel aufgenommenen Barkhausenrauschens sowie der vorzugsweise parallelen Messung der Wirbelstromverluste der Sensorspule geführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem das Einrichten nach der Teach in Methode erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei ein Muster im Lernmodus vermessen und über gewonnene Daten gespeichert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung mittels eines neuranalen Netzwerkes erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Optimierung mittels einer intinitiv bedienbaren Oberfläche, bei der die Wichtungsparameter grafisch eingegeben werden, erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, bei dem eine statistische Untersuchung des Fertigungsprozesses stattfindet, die eine dynamische Anpassung der Parameter ermöglicht.
7. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der Ergebnisvektoren über einen Fuzzyfizierer vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, bei dem die Darstellung der Ergebnisvektoren über einen Fuzzyfizierer vorgenommen wird, dessen Fuzzymengen ausschließlich als Dreiecke definiert sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 7 und 8 dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangsparameter für den Fuzzyfizierer nur Abweichungen der Meßsignale von der abgespeicherten Referenz genutzt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dem die Anpassung der Prüfaufgaben nur durch Aufnahme eines Referenzdatensatzes und die unterstützende Änderung des Fuzzyregelsatzs erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Regelsatz durch Selbstlernprozeß selbst erstellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzylogik softwaremäßig realisiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzylogik mittels einer speziellen Hardware realisiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabe der Regeln durch eine der natürlichen Sprache ähnlichen Formulierung erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Messung des magnetischen Barkhausenrauschens verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Wirbelstrommessung verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Oberwellenanalyse der induzierten Spannung in einer Sensorspule verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Reflektivität der Oberfläche gemessen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Messung des akustischen Barkhausenrauschens verwendet wird.
20. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren das Echo eines Ultraschallimpulses verwendet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Remanenzmessung verwendet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 1 - 8 dadurch gekennzeichnet, daß als eines der Meßverfahren die Impedanzmessung einer Sensorspule verwendet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1 - 16 dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Meßverfahren bei verschiedenen Erregerfrequenzen kombiniert werden.
24. Verfahren nach Anspruch 1 - 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertung der Messergebnisse frequenzabhängig erfolgt.
25. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bestehend aus Spulen, Sensor, Sensorhalterung, Motor dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungseinrichtung (1), vorteilhaft zwei Magnetisierungsspulen (1), fest mit dem Träger der Sensoreinrichtung verbunden sind sowie der Sensor (2) so über die Sensorhalterung (3) angebracht ist, daß er vorteilhaft mittig zwischen den beiden Magnetisierungsspulen geführt wird und vorteilhaft senkrecht zur Magnetisierungsrichtung bewegt werden kann.
26. Anordnung nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinrichtung senkrecht zu den Magnetisierungsspulen (1) geführt wird.
27. Anordnung nach Anspruch 25, 26 bei der die Bewegung vorteilhaft mit Hilfe eines Schritt- oder Linearmotors (5) erfolgt, der die Sensorhalterung (3) verschiebt.
28. Anordnung nach Anspruch 25 - 27 bei der der Abstand zwischen Sensor (2) und Probe (4) gesteuert oder anhand der gemessenen Signale geregelt wird.
29. Anordnung nach Anspruch 25 - 28, die vorteilhaft modular vorgenommen wird entsprechende Schnittstellen aufweist.
30. Vorrichtung zur schnellen ortsaufgelösten Materialprüfung gekennzeichnet dadurch, daß die Kombination verschiedener magnetischer Meßverfahren in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz mittels Fuzzylogik ausgewertet wird.
31. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule senkrecht zwischen zwei Erregerspulen angeordnet ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Sensor und Werkstück mittels Druckluftpolster eingestellt wird.
33. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Sensor und Werkstück anhand einer unabhängigen Entfernungsmessung geregelt wird.
34. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierung durch eine Induktionsspule erfolgt und die Überwachung während des Härtungsprozesses erfolgt.
35. Vorrichtung nach Anspruch 24 dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Härteparameter durch die Fuzzylogik erfolgt.
36. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßsignalen der Abstand zwischen Sensor und Probe bestimmt wird und somit eine geometrische Vermessung vorgenommen wird.
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