DE4333830C2 - Verfahren zur selektiven Bestimmung von Größen zur kontinuierlichen ortsauflösenden Überprüfung von oberflächennahen Materialparametern für die Fertigungskontrolle sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Bestimmung von Größen zur kontinuierlichen ortsauflösenden Überprüfung der oberflächennahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle sowie Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.

Die Qualitätskontrolle von Kleinteilen im Onlinebetrieb erfolgt heute mittels magnetinduk­ tiver Vergleichsverfahren (z. B: Förster, Magnatest). Diese Verfahren erlauben im allgemeinen keine ortsauflösende Überprüfung der Materialeigenschaften. Gerade diese Ortsauflösung ist für Bauteile, die durch ihre ortsabhängigen Materialeigenschaften charakterisiert sind, unabdingbar.

Durch die gewachsenen Ansprüche an die Haltbarkeit sowie eine kostengünstige Montage werden heute viele Werkstücke mit hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität und die Erhaltung enger Fertigungstoleranzen gefertigt. Hierdurch ergibt 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 Einhärtetiefe sind bei solchen Bauteilen wichtige und meßtechnisch schwierig zu bestimmende Parameter.

Die aufwendigen, hintereinandergeschalteten Prozesse, wie Härten, Schleifen, Drehen, die an den verschiedenen Stellen des Werkstückes durchgeführt werden und die lokale Qualität die durch Fehler drastisch beeinflußt wird, können in ihrer Wirtschaftlichkeit durch eine preiswerte online-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. DE 30 37 932 A1 auch DE 28 37 733 A1, EP 0100009 B1.

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 Größen zur Verfügung stehen.

Die Problematik bei der Herstellung dieser Zusammenhänge liegt in der Schwierigkeit, die Vielzahl der physikalischen Parameter und Zusammenhänge mit den Werkstoff­ eigenschaften 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 ortsauflösenden Messung von Materialeigenschaften entweder keine Kontrolle der Spannungszustände möglich (z. B. Wirbelstrommeßgeräte), oder es ist nicht möglich, zwischen Spannungen und Gefügeveränderungen zu unter­ scheiden (Rollscan von American Stress Technologies).

Diese Selektivität ist aber für die Wirtschaftlichkeit und Sicherheit eines solchen Prüfverfahrens von entscheidender Bedeutung. Nur so kann zwischen Fehlern, die zu einer frühzeitigen Aussortierung des Bauteils führen sollen (Gefügefehler, Risse, Schleiffehler usw.) und Fehlern, die bei späteren Bearbeitungsschritten noch korrigiert werden (geringe Randentkohlungen o. ä.) unterschieden werden.

Somit stellte sich die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine zugehörige Anordnung zu entwickeln, welche die ortsauflösende automatische Überprüfung von gehärteten Kleinteilen auf Fehler in der Härte, Härtetiefe und im Spannungszustand erlaubt und dabei eine Klassifizierung in die unterschiedlichen Fehlerarten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur selektiven Erlangung von Größen zur kontinuierlichen ortsauflösenden Überprüfung von oberflächennahen Materialparametern für die Fertigungskontrolle gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 14 gelöst.

Bei dem Verfahren wird über eine Meßvorrichtung nach Anspruch 14 bis 18 eine Probe mittels zweier Spulen in geeigneter Weise magnetisiert und die Oberfläche mittels eines Sensors abgerastert. Durch Gewinnung und Kombination geeigneter Meßgrößen (Barkhausenrauschen, induzierte Spannung, Wirbelströme bzw. Wirbelstromverluste), die für sich alleine keine eindeutige Korrelation mit gewünschten Größen erlauben, und Auswertung der Differenzen durch eine Fuzzylogik sowie Darstellung der Ergebnisse als Ergebnisvektoren wird eine Bewertung der Fehler und Fehlerarten ermöglicht. Über eine Regeleingabe erfolgt eine Optimierung der vom Bedarfsfall des Anwenders abhängigen Parameter durch eine rekonfigurierbare, beeinflußbare Inferenzmaschine.

Die Auswertung der parallel aufgenommenen Wirbelstromverluste und Barkhausen­ rauschsignale erfolgt durch Auswertung der Abweichung von geeigneten Referenzdaten innerhalb der Fuzzylogik parallel zur Gewinnung von Daten zur Positions- und Feldregelung.

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 vor­ zunehmen, 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 ist vorteilhaft, 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 ortsauflösenden Überprüfung der oberflächen­ nahen Materialparameter für die Fertigungskontrolle - Meßvorrichtung nach Fig. 1 - besteht aus parallel zur Prüfoberfläche 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 Sensorhaltung (3) angebracht, daß er, wie in Fig. 2 prinzipiell dargestellt, mittig zwischen den beiden Magnetisierungsspulen geführt wird und vorteilhaft senkrecht zur Magnetisierungseinrichtung 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.

Erfindungsgemäß ist weitgehend von besonderem Vorteil, eine modulare Anordnung vorzusehen sowie Schnittstellen einzurichten.

Gegenüber den eingangs beschriebenen Verfahrensweisen und Anordnungen ergeben sich vielfältige Vorteile.

Der 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 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 variablen Anwendungsmöglichkeiten sowie Verfahrensweise bei Speicherung der Referenzdaten erreicht. Der modulare Aufbau ergibt neben der Wartungsfreundlichkeit eine große Störsicherheit. Eine Übersicht ist in Fig. 2 dargestellt.

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 Referenz­ signalen 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 Einhär­ tungstiefe sichergestellt.

Verfahrensmäßig ist das Gerät prinzipiell als Vergleichsgerät aufgebaut, das heißt, als Eingangsparameter für die Fuzzyfizierer werden nur Abwechungen 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 Fuzzyfizier geeignete Eingangsdaten zu erhalten. Außerdem werden die Daten auf den gespeicherten Referenzdatensatz normiert. Die Eingangsdaten bestehen aus dem Magnetisierungsstrom, dem Barkhausenrausch­ signal, der induzierten Spannung in der Magnetisierungsspule und dem von der Wirbel­ stromeinheit 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 Magnetisierungsstromes 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 Wirbelstrom­ signales 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 Interferenzmaschine 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 Anwen­ ders, 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 Interferenzmaschine 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 Meßystem 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 gewonnenen 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 be­ dienbaren Oberfläche, bei der die Wichtungsparameter grafisch eingegeben werden. Durch eine statistische Untersuchung innerhalb des Fertigungsprozesses können die Parameter auch dynamisch angepaßt werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur selektiven Erlangung von Größen zur kontinuierlichen ortsauflösenden Überprüfung von oberflächennahen Materialparametern für die Fertigungskontrolle, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Probe bzw. ein Prüfgegenstand mittels einer Magnetisierungseinrichtung magnetisiert und die Oberfläche mittels eines Sensors abgerastert wird, wobei der Sensor eine Sensorspule aufweist, mit der das Barkhausenrauschen erfaßt wird und die Wirbelstromverluste sowie die induzierte Spannung der Sensorspule gemessen werden,
• - die erfaßten Signale über Filter getrennt, verstärkt und digitalisiert werden, wobei aus dem Barkhausenrauschsignal und der induzierten Spannung ein Effektivwert und die Einhüllende gebildet und auf den ebenfalls gemessenen Magnetisierungs­ strom normiert werden,
• - aus den normierten Signalen jeweils die Differenz zu entsprechenden Referenz­ signalen gebildet wird und aus diesen Differenzsignalen charakteristische Parameter gebildet werden, welche zusammen mit den Abweichungen der Effektivwerte und des Wirbelstromsignals von entsprechenden Referenzwerten einem Fuzzifizierer zugeführt werden,
• - die fuzzifizierten Größen in einer Inferenzmaschine ausgewertet und einem Defuzzifizierer zugeführt werden, dessen Ergebnisse einer zentralen Verarbeitungseinheit weitergeleitet werden, die das Ergebnis darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalergebnis des Vergleichs der induzierten Spannung mit den Referenzsignalen zur Positionsregelung der Feldsteuerung genutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als charakteristische Parameter der Differenzsignale der Einhüllenden des gleichgerichteten Barkhausenrauschsignales Lage und Höhe des Maximums, der Wert beim Nulldurchgang des Magnetisierungsstromes, der Wert beim Maximum des Magnetisierungsstromes und die Halbwertbreite des über dem gleichgerichteten Magnetisierungsstrom aufgetragenen Signales genutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Eingangsgröße des Fuzzifizierers durch bis zu zehn Fuzzysets beschrieben wird, deren Dreiecksbreiten angepaßt werden können.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der Ergebnisvektoren über einen Fuzzifizierer erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuzzifizierer mit Dreiecksfunktionen zur Festlegung der Fuzzysets arbeitet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inferenzmaschine durch anwenderdefinierte Regeln erweiterbar ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inferenzmaschine durch einen Satz fester Regeln bestimmt ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Defuzzifizierung nach der Schwerpunktmethode durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzylogik in Software realisiert ist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fuzzylogik mittels einer speziellen Hardware realisiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingabe der Regeln mittels einer der natürlichen Sprache ähnliche Formulierung erfolgt.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Grundlage der Informationsgewinnung die Signalform des Barkhausenrauschens bezüglich zum gerichteten Magnetisierungsstrom und damit zur Magnetfeldstärke genutzt wird.

14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit parallel angeordneten Magnetisierungsspulen einer Magnetisierungseinrichtung fest ein Träger für eine Sensoreinrichtung verbunden ist, so daß diese mittig zwischen den Magnetisierungsspulen geführt wird und senkrecht zur Magnetisierungseinrichtung bewegt werden kann, und mit einer Verstärker- und Filtereinrichtung zur Trennung der erfaßten Signale, einem Digitalisierer, Fuzzifizierer, einer Inferenzmaschine sowie einem Defuzzifizierer zur Verarbeitung der gewonnenen Signale und einer Schnittstelle und Anzeigeeinheit zur Aufbereitung und Auswertung.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung mit Hilfe eines Schritt- oder Linearmotors erfolgt, der die Sensorhalterung verschiebt.

16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Sensor und Probe gesteuert oder anhand der gemessenen Signale geregelt wird.

17. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorspule senkrecht zwischen zwei Erzeugerspulen angeordnet ist.

18. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Sensor und Werkstück mittels Druckluftpolster eingestellt wird.