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FKPF > 07 Prozessüberwachung zur Sicherung der Bauteilfunktionalität > Flashcards

07 Prozessüberwachung zur Sicherung der Bauteilfunktionalität Flashcards

1
Q

Funktionalität

A

o Fähigkeit eines Bauteils zur sicheren Erfüllung der
 Vorgesehenen Funktionen
 Über einen definierten Zeitraum
 Unter gegebenen Randbedingungen

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2
Q

Funktionalität wird bestimmt durch…

A

Die Funktionalität eines Bauteils wird neben den werkstoffinhärenten Eigenschaften durch die vom Fertigungsprozess aufgeprägten Eigenschaften bestimmt.

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3
Q

Bauteileigenschaften (5)

A

Makrogeometrische Eigenschaften
Form, Abmessungen, Lage, …

Mikrogeometrische Eigenschaften der Topographie
Rauheit, Drall, …

Mechanische Eigenschaften der Randzone
Härte, Zähigkeit, Eigenspannungen …

Optische Eigenschaften
Reflexion, Absorption, …

Chemische Eigenschaften
Korrosion, Bioverträglichkeit, …

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4
Q

Notwendigkeit der Prozessüberwachung

A

Störeinflüsse und Fehler wirken sich negativ auf die Bauteilfunktionalität aus
-> Frühzeitige Erkennung erforderlich
-> Fertigungsprozesse überwachen

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5
Q

Offline-Prozessüberwachung

A

Messung erfolgt nach der Bearbeitung (z.B. Röntgenografische Eigenspannungsmessung)

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6
Q

Offline-Prozessüberwachung - Vor- und Nachteile

A

Vorteile:
 Prozess beeinflusst die Messung nicht
 Messung beeinflusst den Prozess nicht

Nachteile:
 Zusätzlicher Prüfschritt in der Fertigungsfolge
 Fehlererkennung erst im Anschluss an die Bearbeitung
 Prüfaufwand verursacht Kosten, sodass Stichproben anzustreben sind

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7
Q

Online-Prozessüberwachung

A

Messung erfolgt während der Bearbeitung (z.B. Schwingungsmessung)

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8
Q

Online-Prozesüberwachung: Vor- und Nachteile

A

Vorteile:
 Eingriff während des Prozesses
 Kein zusätzlicher Prüfschritt in der Fertigungsfolge
 100% Prüfung der Bauteile möglich

Nachteile:
 Messung kann den Prozess beeinflussen
 Prozess kann die Messung beeinflussen

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9
Q

Prinzip der Prozessüberwachung

A
  • Messgrößen
  • Rückschluss
  • Prozesseigenschaft
  • Rückschluss
  • Bauteileigenschaft
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10
Q

7 Schritte der Prozessüberwachung

A
  1. Ursache für Funktionsverlust suchen
  2. Geeignete Messgröße finden
  3. Applikation geeigneter Sensoren
  4. Aufbau Messkette
  5. Aufzeichnen funktionierender Prozess
  6. Überwachungsstrategie/Sollwertvorgabe finden
  7. Implementierung des Überwachungssystems
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11
Q

Physikalische Größe - Definition

A

Eine physikalische Größe besteht stets aus einem Zielwert und einer Maßeinheit. Der Vergleich zur Bestimmung des Zahlenwerts wird als Messung bezeichnet.

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12
Q

Messabweichung

A

Der aus dem Vergleich gewonnene Schätzwert weist stets eine Messabweichung zum wahren Wert der physikalischen Größe auf.

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13
Q

Sensor

A

Ein Sensor ist ein technisches Bauteil zur Erfassung einer physikalischen Größe

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14
Q

Arten von Sensoren

A

Wandler
- Eingang: Energie
- Ausgang: Energie, identische Art

Aktiver Sensor
- Eingang: Energie
- Ausgang: Energie, unterschiedlicher Art

Passiver Sensor
- Eingang: Energie
- Ausgang: Energie, unterschiedlicher Art
- Hilfsenergiequelle benötigt

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15
Q

Dehnungsmessstreifen (DMS) - Funktion

A

 Eine äußere Kraft verursacht Spannung und Dehnung am Objekt
 Dehnungsmessstreifen wandeln mechanische Dehnungen in eine Widerstandsänderung

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16
Q

DMS - Vorteile (8)

A

 Universell und einfach anwendbar
 Klein/geringe Masse
 Großer Frequenzbereich (0…>50kHz)
 Geringe Rückwirkung auf Messobjekt
 Hervorragende Linearität über einen großen Dehnungsbereich
 Niedrige und vorhersagbare Temperatureffekte
 Hohe zeitliche Stabilität
 Geringe Kosten

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17
Q

DMS- Nachteile (4)

A

 Relative Widerstandsänderung sehr gering (elektrische Brückenschaltung unumgänglich)
Temperatureinsatzgrenzen
Nicht wieder verwendbar
Schutzmaßnahmen erforderlich gegenüber:
1. Feuchtigkeit
2. Temperatur (Temperaturgradienten!)
3. Ionisierender Strahlung
4. Magnetfeldern

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18
Q

Piezoelektrischer Effekt

A

Deformation entlang polarer Achse erzeugt einen Dipolmoment auf gegenüberliegenden Flächen

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19
Q

Piezoelektrische Sensoren

A

Ladungsverschiebung wird über einen Ladungsverstärker in ein Spannungssignal gewandelt

o Klasse: Aktiver Sensor
o Anwendungsbeispiele: Kraft und Moment, Beschleunigung, Druck, Körperschall

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20
Q

Kraft

A

o Kraft ist eine mechanische Vektorgröße (Größe, Richtung, Kraftangriffspunkt)
o Einheit: Newton [N] = kg*m/s2
o Statischer Effekt: Dehnung -> F = c * delta l
o Dynamischer Effekt: Beschleunigung -> F = m * a

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21
Q

Beschleunigungssensoren - Technische Entscheidungskriterien bei der Auswahl (4)

A
  1. Messbereich
  2. Empfindlichkeit
  3. Sensormasse
  4. Eigenfrequenz
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22
Q

Zielkonflikte bei der Auswahl von Beschleunigungssensoren

A
  1. Verringerte seismische Masse senkt die Empfindlichkeit
  2. Höhere Empfindlichkeit durch Erhöhung der seismischen Masse senkt die Eigenfrequenz und den nutzbaren Frequenzbereich
  3. Höhere Empfindlichkeit bei Verwendung einer piezoelektrischen Keramik anstelle von Quarz, Eigenfrequenz sinkt allerdings aufgrund geringerer Steifigkeit
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23
Q

Körperschall

A

Körperschall ist Schall, der sich in einem Festkörper als Longitudinal- oder Transversalwelle ausbreitet.

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24
Q

Ursachen für Körpersschall (7)

A
  1. Plastische Deformation in der Scherebene
  2. Rissentstehung und Rissausbreitung
  3. Aufprall des Spans auf das Werkstück oder Werkzeug
  4. Spanbruch
  5. Reibung auf der Spanfläche
  6. Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück
  7. Reibung durch Rückschlag des Spans
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25
Q

Einsatzfelder von Sensoren (4)

A

 Überwachung von Feinbearbeitungsprozessen
Verschleißüberwachung beim Drehen, Bohren und Fräsen
 Erkennen ungünstiger Spanformen
 Detektion von Schleifbrand

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26
Q

Applikationshinweise von Sensoren

A

 Die Dämpfung an Fügestellen ist stark frequenzabhängig und beträgt etwa 11 dB, d.h. Applikation nah an der Wirkstelle
 Gute Ankopplungsverhältnisse bedingen eine hohe Oberflächengüte an der Montagestelle
Ankopplung über Flüssigkeitsstrahl möglich

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27
Q

Vorteile piezoelektrischer Sensoren (7)

A

Großer Messbereich
Hohe Auflösung, z.B. <10 mN innerhalb eines Messbereichs von 5 kN
Gute Linearität, Kaum Hysterese
Einfaches Handling durch Reset
Hohe Curie-Temperatur der eingesetzten Quarze von 573°C bis 400°C nutzbar
 Hohe Überlastsicherheit vgl. mit DMS
Keine Alterung

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28
Q

Nachteile piezoelektrischer Sensoren (4)

A

 Eignung nur für dynamische und quasistatische Messungen
 Übersprechen zwischen den Achsen
 Strukturschwächung durch Sensorintegration
 Hohe Kosten vgl. mit DMS

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29
Q

Wirkleistungsmessung

A
  • Keine Veränderung der mechanischen Randbedingungen
  • Bei vielen Maschinensteuerungen als internes Signal verfügbar
  • Extern als Ein-, Zwei- und Dreiphasensysteme verfügbar
  • Begrenzte dynamische Eigenschaften durch mathematische Integration
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30
Q

Temperatursensoren - Varianten

A
  • Thermoelement
  • Zweifarbenpyrometer
  • Widerstandsthermometer
  • Infrarotkamera
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31
Q

Thermoelement

A
  • Zwei unterschiedliche Metalle A&B sind an einem Ende elektrisch miteinander verbunden
  • Temperaturunterschied zwischen TM und Tref erzeugt eine geringe elektrische Spannung Uth
  • Uth wird ferner von den Materialien A & B sowie der Referenztemperatur beeinflusst
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32
Q

Zweifarbenpyrometer - Eigenschaften

A

 Messung der Strahlungsintensität bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen
 Keine Referenz erforderlich (absolutes Messverfahren)
 Berührungslos
 Örtlich und zeitlich hochauflösend
 Geringer Einfluss der Oberflächenemissionsgrade
 Empfindlich gegenüber Umgebungslichteinfall und Verschmutzung der Optik

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33
Q

Messung der Oberflächentemperatur am Werkstück

A

o Präparation der Schneidplatte erforderlich
o Wärmestrahlung der Bauteiloberfläche (Nebenschneide) über Quarzfaser dem Gerät zuführen
o Metallisch blanke Oberflächen besitzen einen geringen Emissionsgrad, daher sind erst Temperaturen ab 200°C messbar
o Nicht geeignet für die Nassbearbeitung

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34
Q

Direkte vs. Indirekte Messung

A

Direkt:
Messung direkt am Objekt mittels vereinbarter Einheit

Indirekt:
Messwert aus anderen physikalischen Größen bestimmen

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35
Q

Steuerung vs. Regelung

A

Steuerung:
 Keine Rückführung der Ausgangsgrößen

Regelung:
 Geschlossener Wirkungsablauf
 Vergleich der Regelgröße mit Führungsgröße
 Änderung der Stellgröße

36
Q

Modellprädikative Regelung beim Fräsen - Vorteile einer Kraftregelung

A

 Begrenzung der Werkzeugabdrängung -> Prozesssicherheit

 Hohe Produktivität bei Garantie der Bauteilmaßhaltigkeit

37
Q

Modellprädikative Regelung beim Fräsen - Herausforderungen einer Kraftregelung

A

 Ständig wechselnder Eingriff zwischen Werkzeug und Werkstück
 Drastische Schwankungen der Zerspankraft

38
Q

Modellprädikative Regelung

A

 Prädikation der kurzzeitigen Zukunft
 Echtzeitfähige Modellidentifikation
 Lösung eines Optimierungsproblems

39
Q

Modellprädikative Regelung beim Fräsen - Ergebnis (4)

A
  1. Max. Produktivität (Vorschub), bei
  2. Garantierte Maßhaltigkeit (Werkzeugabdrängung) und
  3. Prozesssicherheit gegenüber Werkzeugbruch
  4. Erhöhte Wirtschaftlichkeit durch homogene Werkzeugbelastung
40
Q

Prozessüberwachung - Bohren: Herausforderungen

A

 Überwachen von Schneidkantenausbrüchen
 Überwachen von Verschleiß und Überlastung
 Überwachen der Kühlschmierstoffzufuhr

41
Q

Prozessüberwachung - Bohren: Überwachsungsgrößen

A

Abrasiver Verschleiß

Schneidkantenausbrüche
1. Eindeutige Amplitudenanstiege von Kraft, Moment und Wirkleistung bei Ausbruch
2. Amplitudenanstiege von Beschleunigung und AE bei Ausbruch und Bohreraustritt

42
Q

Prozessüberwachung - Drehen: Herausforderungen

A

Überwachen der Oberflächentermperatur

43
Q

Prozessüberwachung - Drehen: Temperaturmessung beim Drehen

A

 Messung der Oberflächentemperatur in 0,5mm Abstand zur Schneidkante
 Örtliche Auflösung beträgt durchschnittlich 0,42mm
 Keine Nassbearbeitung möglich

44
Q

Prozessüberwachung - Räumen: Herausforderungen

A

 Überwachung auf Schneidkantenausbrüche und Verschleiß
 Überwachen von Rattern

45
Q

Räumwerkzeug

A
  1. Besteht aus mehreren Räumwerkzeugdetails mit unterschiedlichen Werkzeugparametern -> Werkzeuge für große Räumnuten in Turbinenscheiben können bis zu 30m lang sein
  2. Die Kosten für einen Werkzeugsatz bewegen sich in der Größenordnung von mehreren 10k€ -> Bedarf an Informationen über den Werkzeugzustand im Fertigungsprozess
46
Q

Kraftsignal im Frequenzbereich

A
  1. Peaks bei niedrigen Frequenzen
    o Abhängig von Prozessparametern
    o Zahneingriffsfrequenz
  2. Peaks bei hohen Frequenzen
    o Unabhängig von Schnittparametern
    o Systemfrequenzen der Maschine (zu Beginn der Versuche durch Impulsanregung identifiziert)
47
Q

Kraftsignal im Zeit- und Frequenzbereich - Schneidkantenüberwachung: Beschädigte Schneide

A

Zeitbereich
 Kraftsignal: Schwingungen durch beschädigte Schneide deutlich erkennbar, Wirkleistung zeigt keine Auffälligkeiten

Frequenzbereich
 Signifikanter Peak bei Systemeigenfrequenz von 580Hz

48
Q

Kraftsignal im Zeit- und Frequenzbereich - Schneidkantenüberwachung: Ausgebrochene Schneide

A

Kraftsignal:
Zahneingriffe deutlich erkennbar, Scheidausbruch verursacht starken Signalanstieg

Leistungssignal: Zahneingriffe weniger gut erkennbar, Ausbruch verursacht Signalanstieg

49
Q

Korrelation von Verschleiß und Schnittkraft - Anstieg der Schnittkraft mit… (3)

A

 Steigendem Zahnsprung
 Höherer Schnittgeschwindigkeit (geringfügige Abhängigkeit)
 Wachsendem Verschleiß

-> Schnittkraft zeigt eindeutige Korrelation zum Verschleißzustand des Werkzeugs

50
Q

Korrelation zwischen Verschleiß und Wirkleistung

A

Mit wachsendem Verschleiß über die Einsatzzeit des Werkzeugs ist ein Ansteigen der Wirkleistung zu erwarten

51
Q

Korrelation zwischen Verschleiß und Wirkleistung - Anstieg des Leistungsbedarfs mit…

A

 Steigendem Zahnsprung
 Höherer Schnittgeschwindigkeit
 Wachsendem Verschleiß (mittlerer Anstieg der Wirkleistung 5-10%)

52
Q

Definition Messkette

A

Folge von Elementen eines Messgerätes, die den Weg des Messsignals von der Erfassung der Messgröße bis zur Ausgabe bildet.

53
Q

Aufgaben der Messkette

A
  1. Signalkonditionierung
  2. Datenerfassung
  3. Filterung
54
Q

Signalkonditionierung

A
  • wandelt bei Bedarf die analogen Sensorsignale von einer elektrischen Größe in eine andere elektrische Größe um
  • führt bei Bedarf eine analoge Signalvorverarbeitung durch
  • passt die Messsignale den Restriktionen seitens der Datenerfassungshardware an
55
Q

Signalkonditionierung

A
  • wandelt bei Bedarf die analogen Sensorsignale von einer elektrischen Größe in eine andere elektrische Größe um
  • führt bei Bedarf eine analoge Signalvorverarbeitung durch
  • passt die Messsignale den Restriktionen seitens der Datenerfassungshardware an
56
Q

Datenerfassung

A
  • wandelt die analogen Messsignale in digitale Messsignale
  • skaliert die digitalen Messsignale entsprechend des Übertragungsverhaltens von Sensor und Signalkonditionierung
  • speichert die Messdaten in einem passenden Datenformat auf einem Datenträger
57
Q

Signalkonditionierung - Wandlung

A

Ausgangsgröße des Sensors und Eingangsgröße der Messhardware stimmen nicht überein

58
Q

Signalkonditionierung - Verstärkung

A

Ausgangsbereich des Sensors und Eingangsbereich der Messhardware stimmen nicht überein

Dämpfung: Verstärkung mit Faktor < 1

59
Q

Signalkonditionierung - Offsetkorrektur

A

Entfernen von nicht relevanten statischen Anteilen aus dem Messsignal

60
Q

Signalkonditionierung - Linearisierung

A

Konvertierung eines nichtlinearen Eingangssignals in ein lineares Ausgangssignal

Möglichkeiten der Linearisierung:
- Numerische Linearisierung nach der Datenerfassung
- Kompensation durch analoge Schaltungen vor der Datenerfassung

61
Q

Filterung - Definition und Anwendungsbereiche

A

Filter sind Schaltungen mit vorgeschriebenem Frequenzgang, der bestimmte Frequenzbereiche unterdrückt und andere bevorzugt überträgt.

Anwendungsbereiche
- Rauschunterdrückung in bestimmten Frequenzbereichen
- Vermeidung von Aliasing
- Betrachtung ausgewählter Frequnzbereiche

62
Q

Filterarten

A

Tiefpassfilter
Lassen alle Signale unterhalb der Grenzfrequenz passieren

Hochpassfilter
Lassen alle Signale oberhalb der Grenzfrequenz passieren

Bandpassfilter und Bandsperrfilter
Kombinationen aus Hoch- und Tiefpassfilter, durch die nur ein bestimmter Frequenzbereich durchgelassen oder gesperrt wird.

63
Q

Aliasing

A

Folge der Unterabtastung

  • Die Abtastfrequenz ist der kritischste Parameter beim Digitalisieren
  • Eine zu langsame Abtastung verursacht einen Aliasing-Effekt

–> Nyquist-Shannon Abtasttheorem: Ein kontinuierliches, bandbegrenztes Signal, mit einer Maximalfrequenz fmax muss mit der doppelten Frequenz fs abgetastet werden, damit
man aus den so erhaltenen Abtastwerten die zeitkontinuierliche Funktion fehlerfrei rekonstruieren kann.

64
Q

Datenerfassung: Zwei verpflichtende Eigenschaften

A
  • Erfüllung des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems
  • Konditionierung analoges Signal befindet sich im Eingangsbereich der A/D-Wandler-Hardware
65
Q

Datenerfassung - 3 Aufgaben

A
  • Abtasten
  • Quantisieren
  • Codieren
66
Q

Abtasten

A

Zeitliche Diskretisierung des kontinuierlichen Signals, bestimmt die Samplerate

67
Q

Quantisieren

A

Zuordnung von analogen Eingangsbereichen zu einem digitalen Ausgangszustand bestimmt die Auflösung

68
Q

Codieren

A

Ordnet jedem Ausgangszustand einen eindeutigen digitalen Wert zu, der durch einen Code bestimmt wird

69
Q

Signalverarbeitung - Aufgaben (9)

A
  • Skalierung
  • Offsetkorrektur
  • Driftkorrektur
  • Mittelung
  • Glättung
  • Erstellung eines Kurvenzugs aus Messpunkten
  • Integration
  • Berechnung von Kennwerten
  • Berechnung des Frequenzspektrum
70
Q

Signalverarbeitung - Offset- und Driftkorrektur

A
  • Statische Verspannung eines mechanischen Systems kann zu einem Offset (Verschiebung des Amplitudenachsenabschnitts) führen
  • Thermische Ausdehnung können zu Drifts in Signalen führen
71
Q

Signalverarbeitung - Mittelung

A

Reduktion der Messdaten
-> Arithmetische Mittelung der Messpunkte über eine definierte Wertzeanzahl

72
Q

Signalverarbeitung - Glättung

A

Korrektur von Ausreißern
–> Gleitende Mittelung der Messpunkte über eine definierte Anzahl von Messwerten

73
Q

Signalverarbeitung - Erstellung eines Kurvenzugs aus Messpunkten

A

Direkte Verbindung
Die Messpunkte werden direkt durch gerade Linien verbunden

Lineare Regression
Die Messpunkte werden durch eine Gerade angenähert

Spline-Interpolation
Die Messpunkte werden mit Hilfe eines Polynoms verbunden

74
Q

Signalverarbeitung - Berechnung von Kennzahlen

A

In der Signalanalyse werden mit Hilfe der deskriptiven Statistik Kennzahlen berechnet, um die Grundgesamtheit von Messwerten zu verdichten und eine Interpretation zu ermöglichen.

75
Q

Signalverarbeitung - Verschiedene Kennzahlen (4)

A

Extremwerte
Größter und kleinster Wert innerhalb eines Signals oder Signalabschnitts

Mittelwerte
Arithmetischer Mittelwert über ein Signal oder einen Signalabschnitt

Spannweite
Abstand zwischen den Extremwerten des Signals oder Signalabschnitts

Schiefe
Maß für die Anzahl der Messpunkte über bzw. unter dem Mittelwert

76
Q

Wie “genau” ist meine Messung? - Voraussetzungen für die Beantwortung dieser Frage sind Kenntnisse über:

A

Prozessparameter
- Aufgabenstellung
- Umwelteinflüsse

Qualität der eingesetzten Hardware
- Kalibrierung
- Linearität
- Rauschen

Versuchsrandbedingungen
- Justage
- Auswertung

77
Q

Messfehler

A

Differenz zwischen dem gemessenen Wert x und dem tatsächlichen Wert x0

78
Q

Einteilung der Messfehler

A

Grob Fehler
- Grundsätzlich zu verhindern

Systematische Fehler
- In Amplitude, Vorzeichen und Zeitpunkt bekannt und vorhersagbar und somit nicht korrigierbar nur beschreibbar

79
Q

Systematischer Messfehler: Dynamischer Messfehler

A

Entstehen durch die zeitliche Verzögerung zwischen Messgrößen und Messwert.

-> Ursache sind Trägheit oder Laufzeiten im Messsystem

80
Q

Zufällige Fehler

A

Ursache
Messtechnisch nicht erfassbare Änderungen der Geräte und der Umwelt

  • Zufällige Fehler lassen sich durch Verteilungsfunktionen und durch statistische Kennwerte erfassen Die Erfassung ist umso besser, je größer die Zahl der zur Verfügung stehenden Einzelwerte ist
  • Zufällige Fehler sind nicht kompensierter, sie sind lediglich beschreibbar
81
Q

Messfehler - Festlegung des Stichprobenumfangs; Faktoren (3)

A

Sicherheit z
Mit welcher Wahrscheinlichkeit entsprechen die Werte der Stichprobe der Grundgesamtheit?

Varianz
Wie groß sind die Unterschiede in meinen Messergebnissen?

Absoluter Fehler
Welchen Fehler kann ich akzeptieren?

82
Q

T-Test

A

Konfidenz des Mittelwerts eines Stichprobe

Überprüft, ob der Mittelwert der Stichprobe von dem Erwartungswert der Grundgesamtheit signifikant unterscheidet.

83
Q

F-Test

A

Konfidenz der Varianz zweier Stichproben

Überprüft, ob sich die Varianzen zweier normalverteilter Stichproben signifikant voneinander unterscheiden

84
Q

F-Test

A

Konfidenz der Varianz zweier Stichproben

Überprüft, ob sich die Varianzen zweier normalverteilter Stichproben signifikant voneinander unterscheiden

85
Q

Messfehler - Fehlerfortpflanzung

A

Fehler aller Einzelkomponenten gehen in das Messergebnis ein!

  • Die Messkette ist nur so gut wie ihr schwächstes Glied
  • Zufällige/nichtkorrelierende Einzelfehler können pythagoräisch addiert werden
  • Der Fehler dy eines Messergebnisses y = f(x1,x2,…,xn) berechnet sich aus den Fehleranteilen dx1, dx2,…, dxn der Einzelgrößen x1,x2,…,xn

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