Einführung

CiS.01 ist ein System zur automatischen Erkennung von Rissen in Werkstücken, die bei Belastungsvorgängen auftreten können.

Insbesondere ist CiS.01 geeignet um Risse beim Biegerichten von gehärteten Stahlwellen zu erkennen.

Besonderheiten, die bei den entsprechenden Produktionsprozessen auftreten, sind in der Auslegung des Meßsystems stark berücksichtigt.

Täglich müssen tausende Stahlwellen z.B. in der Automobilindustrie noch im Produktionsprozeß verschrottet werden, weil sie der hohen Belastung beim Biegerichten nicht standhalten.

Andererseits besteht immer das Risiko defekte Wellen in ein Getriebe einzubauen, weil eine Schädigung, die im Verlauf der Produktion aufgetreten ist, nicht erkannt wurde.

Vorteile

CiS.01 tritt an, um Verbesserungen auf zwei Gebieten zu bringen:

1.        Trennscharfes Herausfiltern beschädigter Bauteile.

2.        Bereitstellung von Informationen zur Optimierung des Produktionsprozesses und zur Reduktion von Ausschuss.

Zur Realisierung dieser Vorteile ist CiS.01 mit neuen Fähigkeiten in den folgenden Bereichen ausgestattet:

·         Optimale Signalerkennung (Sensor, Verstärker, Bewertung)

·         Anpassung der Messung an das spezielle Werkstück

·         Komplexe Selbsttestfunktionen zur Überprüfung der Verfügbarkeit

·         Speicherung aller Messdaten zur statistischen Auswertung

·         Bereitstellung aller Informationen (Intranet, E-Mail, etc)

·         Einfache Bedienbarkeit durch Automatisierung umfangreicher Einstellvorgänge

Signalauswertung

Das vom Sensor gewandelte Signal wird verstärkt und frequenzabhängig gefiltert, so dass v.a. niederfrequente Signalanteile, die häufig von mechanischen Störungen herrühren unterdrückt werden.

Abbildung 1 (Signalamplitude) 

Signalanteile, die größer sind als der eingestellte Störsignalpegel (Noise Limit, typisch 2,5 ‰ vom Messbereich) werden einer Energieauswertung unterzogen.

Eine große Signalamplitude führt zu einem schnellen Anstieg der Signalenergie, eine kleine Signalampltude läßt die Energie nur langsam ansteigen.

Abbildung 2 (Signalenergie)

Die Signalenergie im Rissfall folgt i.d.R. dem dargestellten Kurvenverlauf.

Das Werkstück wird als gerissen betrachtet, wenn der Energiegrenzwert  „Limit Crack“ überschritten wird.

Das Werkstück wird als gebrochen betrachtet, wenn der Energiegrenzwert  „Limit Break“ überschritten wird.

Der Grenzwert für die Störsignalunterdrückung bezieht sich auf  die Signalamplitude.

Die Grenzwerte für Riss und Bruch beziehen sich auf die Signalenergie.

Ein Riss wird bereits im unteren Teil des Energiemessbereichs klar erkannt. Der Abstand zwischen Riss- und Bruchenergie kann ausreichend groß gewählt werden, um eine deutliche Unterscheidung von Riss und dem wesentlich größeren Bruchsignal zu ermöglichen.

Hohe Erkennungsgenauigkeit mit Voraussetzungen:

1.        Gute Ankopplung des Sensors an die Maschine

2.        Störungsarme Signalübertragung und Verstärkung

3.        Werkstückbezogene Parametrierung des Messsystems

4.        Gleichbleibende Messempfindlichkeit des gesamten Messsystems

Es gibt eine Reihe von Einflüssen, die Erkennbarkeit von Rissen während des Biegerichtens erschweren, und bei Nichtbeachtung zu fehlerhaften Resultaten der Messung führen können.

Sensorik

Alle piezoelektrischen Sensorsysteme weisen starke Resonanzen in verschiedenen Frequenzbereichen auf.

Der genaue Resonanzverlauf hängt einerseits vom Aufbau des jeweiligen Sensors ab, wird aber außerdem noch durch den Anbau am Maschinenelement und durch das Maschinenelement selbst beeinflußt.

Eine zuverlässige Aussage über die Empfindlichkeit des Sensorsystems kann also erst nach seiner endgültigen Montage an der Richtmaschine gemacht werden. Empfindlichkeitsmessungen in einem niederfrequenten Messbereich unter Laborbedingungen lassen kaum Rückschlüsse auf die Impulsantwort des Sensors unter Produktionsbedingungen zu.

CiS.01 löst dieses Problem, indem der Sensor direkt nach der Montage an der Maschine eingemessen wird.

Der Impuls wird dabei vom Messsensor selbst erzeugt.

Würde die Anregung beim Einmessen z.B. durch einen zweiten, speziellen Impulsaktor durchgeführt, so wäre weder bekannt wie die Kopplung des Aktors noch wie die des Sensors ist.

CiS.01 verwendet den Messsensor auch für das Erzeugen des Anregungsimpulses. Damit ist die Kopplung für Pulserregung und Messung der Impulsantwort identisch und kann ermittelt werden.

Das piezoelktrische Element ist in einem zylindrischen Gehäuse aus Vergütungsstahl untergebracht.

Das Gehäuse wird mit einer zentralen Befestigungsschraube fest mit dem Maschinenelement verschraubt.

Die innenliegende Piezokeramik hat damit eine große Kontaktfläche zum Maschinenelement.

Es gibt keine Vorzugsrichtung für die Montage des CiS Sensors. 

Die Kontaktfläche soll eben und möglichst fein, sowie frei von Verunreinigungen oder Beschichtungen sein, die den Signalübergang dämpfen können.

Je näher der Sensor an der Welle montiert wird, desto größer ist die von einem Riss abgegebene Energie, die der Sensor umwandeln kann.

Signalstörungen

Das Messsystem ist durchgängig mit differentiellen Verstärkern und Überträgern ausgestattet, die eine weitgehende Störunterdrückung ermöglichen.

Um Störungen elektrischer oder mechanischer Natur, die am Montageort auftreten können, zu berücksichtigen verfügt CiS.01 über eine einstellbare Störsignalunterdrückung.

Werkstückbezogene Einstellungen

Die Energie, die bei der Rissentstehung vom Werkstück abgegeben wird hängt wesentlich von der Vorspannung des Werkstückes ab. Diese Vorspannung hängt stark von der Zugfestigkeit des Werkstückes und insbesondere von der Zugfestigkeit des durchbogenen Werkstückabschnittes ab.

Kleiner Werkstückquerschnitte weisen insgesamt andere Zugfestigkeiten auf als größere Querschnitte.

Geometrische Besonderheiten des Werkstückes können zu einer Herabsetzung der Zugfestigkeit führen.

CiS.01 bietet die Möglichkeit für ein Werkstück bis zu 15 verschiedene Messkonfigurationen zu definieren, wenn dies notwendig ist.

Die Messkonfigurationen können durch unterschiedliche Kombinationen der Positionen des Druckstempels und der Ambosswiderlager bestimmt sein.

Für jede Messposition können Signalverstärkung, Störsignalunterdrückung und die Rückweiseschwellen für Riss und Bruch separat festgelegt werden (unterschiedlich komplexes Wellendesign, Ölbohrungen, Einstiche...).

Die Messbedingungen können für unterschiedliche Werkstücke ebenfalls unterschiedlich sein.

CiS.01 bietet deshalb einen Speicher für 50 verschiedene Werkstücke, in dem die unterschiedlichen Parametrierungen bezogen auf die definierten Messpositionen abgelegt werden können.

Einmal festgelegte Paramatrierungen können dann manuell unter Angabe der Werkstückbezeichnung oder durch die Richtmaschine unter Angabe einer Zugriffsnummer ausgewählt werden.

Gleichbleibende Messempfindlichkeit

Mit jedem Werkstückwechsel (ein Transportsignal wird von der Richtmaschine an CiS.01 gemeldet) wird ein dreistufiger Selbsttest durchgeführt.

1.        Mittels kapazitiver Vergleichsmessung wird geprüft ob das Sensorkabel intakt und der Sensor elektrisch verbunden ist.

2.        Durch Anregung des Messsystems mit einer elektrischen Eichschwingung wird die Kennlinie des elektrischen Übertragungssystems mit einer hinterlegten Urkennlinie verglichen.

3.        Die momentane Kopplung von Sensor und Maschinenelement wird durch Impulstest ermittelt und mit dem bei der Installation ermittelten Wert verglichen.

Diese Tests werden mit jedem Werkstückwechsel für bis zu 8 angeschlossene Sensoren gleichzeitig durchgeführt.

Werden Sensoren ausgetauscht, oder andere Umbauten an der Maschine durchgeführt, die die Kopplung von Sensor und Maschine verändern, so führt das normalerweise zu einer Veränderung der Messkonfiguration und wird von CiS.01 als Störung gewertet.

Nach einem Umbau, ohne Austauschen oder Vertauschen einzelner Sensoren kann die Kopplung durch Überprüfung und gegebenenfalls Veränderung der Sensoranpassung wieder in den vorgegebenen Bereich gebracht werden.

Sollte dies nicht möglich sein, muß die veränderte Kopplung gespeichert werden.

Die veränderte Kopplung beeinflußt die Messempfindlichkeit , je größer die Kopplung, desto größer die Empfindlichkeit.

Zugriffsschutz

Alle Veränderungen an den Geräteeinstellungen sind durch ein 5-stufiges Passwortsystem geschützt.

Damit kann ausgeschlossen werden, dass unsachgemäße Veränderungen durch nicht unterwiesenes Personal vorgenommen werden.

Messdaten zur statistischen Bewertung

CiS.01 verfügt über einen Messwertspeicher, der je nach Auslegung die Daten von bis zu 400.000 Werkstücken speichern kann.

Zu jedem bearbeiteten Werkstück werden eine laufende Nummer, ein Verweis auf den Werkstücktyp, Bearbeitungsdatum und –zeit, die Anzahl  der Richthübe sowie die Messresultate gespeichert. Darüberhinaus wird jeder Richthub mit den jeweiligen Messergebnissen hinterlegt.

Mit Auswertung dieser  Daten können Veränderung im Bereich der Störsignale, die etwa aus Veränderungen der Werkzeuge oder des Maschinenzustandes im Allgemeinen herrühren, erkannt werden.

Einem Verschleiß, der sich negativ auf die Zuverlässigkeit der Messung oder das Richtergebnis (steigender Ausschuss etc.) auswirken, kann damit frühzeitig entgegengewirkt werden.

Veränderungen, die in der Vorfertigung vorgenommen werden, zeigen sich oftmals im Richtergebnis der betroffenen Werkstücke.

Eine längerfristige Auswertung aller Messdaten kann helfen Vor- und Nachteile von Veränderungen in verschiedenen Prozeßschritten aufzudecken.

Kleinere Auszüge aus der Messdatenstatistik können über einen direkt am CiS.01 anzuschließenden Paralleldrucker oder über ein serielles Terminal ausgegeben werden.

Für umfangreiche Statistikausgaben steht ein Datentransfer mittels FTP (File Transfer Protocol/Intranet,Internettechnologie) zur Verfügung.

Beim Datentransfer per FTP stehen die Daten direkt zur Archivierung, Dokumentation und weiteren statistischen Auswertung als PC-Datei zur Verfügung.

Information zum Gerätestatus

Neben der Übertragung der Messstatistik, stehen weitere Parameter, wie die Kopplunugswerte der Sensoren oder die Parametrierung der einzelnen Werkstücke via Online-Verbindung zur Verfügung.

CiS.01 verfügt zusätzlich über einen eigenen WEB-Server, der einen passwortgeschützten Zugriff auf fast alle Geräte- und Werkstückparameter ermöglicht.

Der Zugang ist mittels WEB Browser möglich, sodass Einstellungen und Abfragen komfortabel am PC oder Notebook mit einer Intranet Verbindung zum CiS.01 vorgenommen werden können.

Einstellungen – einfach, automatisch

Die Einstellungen der Messempfindlichkeit und der Störsignalunterdrückung sowohl bei den Gerätetestfunktionen, wie auch in den Parametrierungen der einzelnen Werkstücke werden durch Teachfunktionen unterstützt.

Alle Geräteeinstellungen werden durch Softwareparameter vorgenommen, die vom Anwender mittels Tastatur und/oder Web-Browser eingegeben werden können.