Das „Ohr“ am Prüfling

Fehlerarten und Rückschlüsse

Wie erwähnt, stellt die Resonanzanalyse eine Messung der geometrischen Eigenschaften sowie der Materialeigenschaften dar. Material und Bearbeitungsfehler beeinflussen in Abhängigkeit von der Größe, der Lage und Orientierung auf dem Prüfling die so genannten „Moden“ unterschiedlich stark. Daraus ergibt sich die Frage, welche Fehler akustisch erfassbar sind und ob die akustische Analyse Aussagen über den Fehlertyp zulässt.

Natürlich lassen sich auch Fehler wie Risse oder Geometriefehler in Simulationsmodelle einbauen und damit die Verschiebung oder Spreizung der Eigenfrequenzen simulieren. Bei Kenntnis der einzusetzenden Messtechnik kann anhand der Ergebnisse eine Messbarkeitsabschätzung durchgeführt werden. Dieses Verfahren ist jedoch nur praktikabel, wenn es einen ganz bestimmten Fehler zu erkennen gilt, und bestimmt werden muss, bei welcher Anregungsrichtung und in welchem der messbaren Moden die Klangprüfung durchzuführen ist. Möchte man akustische Sensoren hingegen für die Erkennung eines breiten Fehlerspektrums einsetzen, sind Messungen an Probeteilen das geeignete Verfahren, um hinsichtlich der Anregung und der zu betrachtenden Spektrallinien ein Optimum zu definieren. Unter diesen Bedingungen lässt sich auch die erreichbare Erkennungsleistung für verschiedene Fehler abschätzen.

Ein Sensorsystem, welches für eine bestimmte Erkennungsleistung trainiert wurde, wird immer auch Prüflinge aussortieren, die aufgrund der Überlagerung verschiedener Fehler und Fertigungstoleranzen nicht im Erwartungsspektrum liegen, selbst wenn die Einzelfehler durchaus tolerierbar wären. Das Training des Sensors wird daher immer gleichermaßen von den Herstellungskosten des Prüflings und den Qualitätsanforderungen bestimmt. Sind die Herstellungskosten gering und die Qualitätsanforderungen hoch, wählt man ein akustisch sehr eng tolerierendes Training und akzeptiert eine höhere Pseudo-Ausschussrate.

Bei hohen Fertigungskosten der Prüflinge wird man neben der akustischen Prüfung auf andere Verfahren nicht verzichten wollen. Dabei lassen sich die Prüfkosten und Taktzeiten trotzdem erheblich reduzieren, wenn auf Basis einer akustischen Prüfung nur alle akustisch als fehlerhaft aussortiertenProdukte einer intensiveren Untersuchung – zum Beispiel Röntgen – zugeführt werden.

In Summe lässt sich sagen, dass die Möglichkeiten der akustischen Messtechnik für viele Qualitätsprüfungen ausreichend sind; insbesondere dann, wenn Prüflinge aus Materialien mit geringer innerer Dämpfung geprüft werden sollen und damit Eigenschwingungen erzeugt werden, deren Abklingzeit sich im Bereich von 10 bis 100 ms bewegt.

Das Problem mit der Serienstreuung

Ein wichtiger Aspekt für die erzielbare Prüfgüte ist die Fertigungstoleranz. Eine fertigungsbedingte Streuung der geometrischen Eigenschaften ist immer vorhanden. Da die Eigenfrequenzen des Prüflings von der Geometrie beeinflusst werden, erzeugt eine serienbedingte Streuung der Geometrie eine Verschiebung oder Spreizung der Eigenfrequenzen. Fehler, die eine Eigenfrequenz-Änderung innerhalb des zulässigen Toleranzbandes verursachen, sind daher durch die Resonanzanalyse nach der bisher erläuterten Methode nicht erfassbar, sofern bei einem Prüfling keine akustisch messbaren Moden auftreten, für die die Verschiebung der Schwingfrequenz durch den Fehler größer ist als das Erwartungsband der zulässigen Streuung.

Die Messbarkeit eines Fehlers sei am akustisch einfach zu beherrschenden Beispiel der bereits angesprochenen Rundstäbe erläutert. Setzt man eine zulässige Fertigungstoleranz von 50 µm an, so führt dies zu einem „Erwartungsband“ der Grundwelle der Biegeschwingung von etwa 200 Hz. Der längste Stab wird am unteren

Ende des Frequenzbandes liegen. Durch eine Fehlstelle in Form einer Einkerbung ist eine Verschiebung zu einer niedrigeren Frequenz zu erwarten. Die Einkerbung kann erst dann an allen Teilen sicher als Fehler erkannt  werden, wenn die Verschiebung der Eigenfrequenz des Prüflings größer ist als die Breite des Erwartungsbandes. Kleine Kerben würden demnach auf längeren Prüflingen eher erkannt werden, als auf kürzeren.

Der Einsatz akustischer Sensoren für einfache Anwendungen wie Montage- oder Maschinenüberwachung ist ohne großen Aufwand durchzuführen. Die Sensoren von ds automation zum Beispiel lassen sich über zwei auf dem Sensor befindliche Tasten einstellen. Dabei werden Parameter wie das zu überwachende Frequenzband der Überwachungspegel und die Länge des Überwachungsfensters vorgegeben. Im Hörbereich ist der Einstellvorgang mit einem handelsüblichen Kopfhörer überprüfbar. Liegen die zu überwachenden Signale im Ultraschallbereich, lässt sich die Einstellung durch die Messung des Effektivwertes an einem der verfügbaren Ausgänge durchführen.

Für komplexere Aufgaben wie die Resonanzanalyse sind vorab akustische Messungen der Prüflinge erforderlich. Ein für die Qualitätsprüfung eines Kleinteiles trainierter Sensor kann über eine PC-Bedienoberfläche eingestellt und überwacht werden, wobei der PC über ein RS232- oder USB-Interface mit dem Sensor verbunden ist. Für die Aufzeichnung der akustischen Signale zu Dokumentationszwecken sind außerdem Lösungen verfügbar, die eine lückenlose Speicherung bis in den Ultraschallbereich um 100 kHz erlauben.

In den meisten Fällen ist der Sensor in der Lage, die Steuerung der Sortierstrecke zu übernehmen, so dass außer dem Sensor und einem Anschlusskabel keine weiteren Komponenten für den Aufbau einer akustischen Gut/Schlecht-Sortieranlage erforderlich sind. Im Sensor ist eine Mini-Software-SPS eingebaut, womit der Anwender die Möglichkeit erhält, auf den Ausgängen des Sensors frei programmierbare Schaltvorgänge auszulösen. Dadurch wird ein vom Sensor getaktetes Prüfsystem möglich, in dem der Sensor die Ablaufsteuerung übernimmt. Im einfachsten Fall steuert ein Ausgang die Zuführung der Prüfteile über einen Schieber und ein anderer Ausgang steuert die Stellung einer Sortierklappe in Abhängigkeit vom Ergebnis der Klangprüfung.

Für komplexere Aufgaben wie die Sortierung von bis zu zehn verschiedenen Teilen mit einem Sensor, die Einbeziehung klangbeeinflussender Parameter wie Temperatur oder Drehzahl, die Visualisierung zum Beispiel für gleichzeitige Zählaufgaben oder die Vernetzung der Sensoren über RS485 steht ein Zusatzgerät in Form eines Hutschienenterminals zur Verfügung. Dieses Modul verfügt über ein vierzeiliges Grafikdisplay, 16 Ein-/Ausgänge sowie Encoder- und PT100-Eingang und kann über eine Schnittstelle direkt mit den akustischen Sensoren kommunizieren.

Nähere Informationen:
www.schallsensor.de 

Autor

Lars Dittmar ist Geschäftsführer der Firma ds automation.

Günther Herkommer, Computer&AUTOMATION