Ein grundlegender Aspekt der Qualität von Produkten ist deren Funktionsfähigkeit während einer Mindestlebensdauer. Anhand von Materialparametern können der Zustand eines Produktes beurteilt und die Lebenserwartung abgeschätzt werden. Die akustisch-vibrometrische Materialprüfung stellt ein zuverlässiges Verfahren zur Messung der relevanten Materialparameter dar.
Dipl.-Ing. Georg Wirth,
Material- und Verarbeitungsfehler können mit der akustisch-vibrometrischen Materialprüfung während des Produktionsprozesses sicher erkannt und die Auslieferung von mangelhaften Produkten vermieden werden. Wie das nachfolgende Beispiel zeigt, arbeitet das PNA System erfolgreich für die Materialprüfung in der Produktion eines großen Glühlampenherstellers.
Vibrationsuntersuchung
Der hohe Sicherheitsstandard in der Automobilindustrie sowie die angespannte Wettbewerbslage erhöhen immer mehr die Qualitätsforderungen an die Zulieferer von Komponenten und Baugruppen. Insbesondere sicherheitsrelevante und stark beanspruchte Bauteile müssen vor Auslieferung einer hundertprozentigen Kontrolle bestehen, da keine Mängel an den Teilen toleriert werden. Solche Komponenten sind beispielsweise Leuchtmittel für Scheinwerfer und Schlussbeleuchtungen bei Kraftfahrzeugen. Trotz intensiver Bemühungen, neuartige Leuchtmittel mit hoher Lebenserwartung am Markt zu etablieren, wird die Glühlampe nahezu ausschließlich als Leuchtmittel in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Vibrationen der Antriebsaggregate insbesondere von Einzylindermotoren in Motorrädern und Fahrbahnunebenheiten führen zu einer enormen Schwingungsanregung des Lampenkörpers. Abhängig von den Resonanzeigenschaften der Einzelkomponenten der Glühlampe fällt diese in Folge der Schwingungsanregung vorzeitig aus. Vibrationsuntersuchungen der Automobilindustrie an H4-Glühlampen zeigen einen Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften des Lampenkörpers und der Lebenserwartung der Lampe. Durch Analyse der Resonanzeigenschaften auf Basis einer akustisch-vibrometrischen Messtechnik kann dadurch die Lebenserwartung von H4-Glühlampen beurteilt werden.
Grundlagen der akustischen Materialprüfung
Mechanische Strukturen besitzen charakteristische dynamische Eigenschaften, die von Form und Material abhängig sind. Identische Objekte besitzen gleiche Eigenschaften. Hingegen bewirken Abweichungen der Form oder Strukturänderungen des Materials Änderungen der dynamischen Eigenschaften. Werden die Strukturen angeregt, breiten sich im Material Schwingungen aus, die als Körperschall bezeichnet werden. Dabei sind in Festkörpern unterschiedliche Schwingungstypen möglich, die an Kanten, Grenzflächen und Materialinhomogenitäten ineinander übergehen. Das schwingende Gebilde steht dabei in Wechselwirkung mit seiner Umgebung und regt mit ihm in Verbindung stehende Materialien zu Schwingungen an. Diese sind abhängig von den Steifigkeiten der Kontaktierungsstellen, deren Dämpfungen sowie den Massenverhältnissen. Die Analyse der Werkstücke wird somit stets durch äußere Störungen beeinflusst. Die Realisierung eines zuverlässigen Prüfsystems setzt daher detaillierte Kenntnisse von der Produktionsumgebung voraus, um geeignete Entkopplungsmaßnahmen treffen zu können.
Die dynamischen Eigenschaften von Strukturen werden mit Hilfe von Resonanzfrequenzen, Dämpfungen und Eigenformen beschrieben. Dabei stellen die Eigenformen die Verteilung der Schwingungsamplituden auf der Strukturoberfläche dar. Zu ihrer Ermittlung ist eine flächenhafte Messung der gesamten Strukturoberfläche oder zumindest charakteristischer Bereiche notwendig. Dies erfordert aber eine aufwendige Sensorik und Auswertung und ist für eine Serienprüfung nicht effizient. Resonanzfrequenzen und Dämpfungen können durch Auswahl geeigneter Messpunkte an einzelnen Stellen bestimmt werden.
Die zur Messung der dynamischen Eigenschaften notwendige Anregung der Prüflinge erfolgt bei der Materialprüfung extern, da im allgemeinen keine Eigenanregung möglich ist. Hierbei muss eine geeignete Lagerung auf dem Prüfplatz gewählt werden, um die Dämpfungseigenschaften der Prüflinge nicht zu beeinflussen.
Das Prüfsystem
Gemäß den Forderungen des Lampenherstellers wurde der Prüfplatz als Handarbeitsplatz realisiert. Zur Bestimmung des Resonanzverhaltens wird die Glühlampe in eine Haltevorrichtung eingespannt, die mit einem elektromechanischen Schwingungserreger arbeitet. Die konventionelle Methode der Schwingungsanregung durch sukzessive Anregung aller Frequenzen im charakteristischen Frequenzband (sweep) konnte aus Taktzeitgründen nicht realisiert werden. Die einzelnen, zum Teil sehr schmalbandigen Resonanzfrequenzen können in der zur Verfügung stehenden Analysezeit nur mit geringer Energie angeregt werden. Dies bewirkt eine ungenügende Amplitudenerhöhung der charakteristischen Frequenzen. Daher wurde eine spezielle impulsförmige Anregungsfunktion gewählt, die alle Frequenzen im charakteristischen Frequenzband mit gleicher Amplitude nahezu gleichzeitig anregt, während die übrigen Frequenzen nicht angeregt werden. Die Theorie der Fourier-Transformation ergibt, dass die Anregung eines solchen rechteckförmigen Spektrums durch die Zeitfunktion erreicht wird.
Das Schwingungsverhalten der Glühlampe wird während des Anregungsvorganges mit einem Compact Laser Vibrometer berührungslos gemessen. Dies ermöglicht die direkte Bestimmung der Resonanzfrequenzen des Glühwendelrahmens und des Reflektors durch den Glaskolben der Glühlampe hindurch. Zusätzlich ist die Überwachung der Ausrichtung des Prüflings im Prüflingsträger durch Einsatz des Laser Vibrometers möglich. Anhand der Intensität des reflektierten Laserstrahls kann der Prüfling justiert und bei Fehlschlag auf einen groben Fehler in der Geometrie der Glühlampe rückgeschlossen werden.
Schwingungserreger und Sensor sind am Handarbeitsplatz montiert und stellen zusammen mit der Glühlampe ein gekoppeltes System dar. Durch geeignete Dämpfungsmaßnahmen und entsprechend abgestimmte Masseverhältnisse wurde das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems so eingestellt, dass die Resonanzfrequenzen der einzelnen Komponenten die Messung im charakteristischen Frequenzband nicht beeinflussen.
Die Auswertung der Messdaten erfolgt mit dem Prüfsystem Quick Check. Neben der konventionellen elektrischen und der Schwingungsmesstechnik bietet dieses System die Möglichkeit, die Vorteile der Laservibrometrie erfolgreich einzusetzen, da die spezifischen Eigenschaften dieser Messtechnik im System berücksichtigt werden. Die gewonnenen Schwingungsmessgrößen werden per PCI-Einsteckkarte von einem PC erfasst. Neben hoher Präzision und Verfügbarkeit ist mit dieser Komponente eine Skalierbarkeit des Systems gegeben. Die softwaretechnische Anbindung ist in LabView realisiert. Die Kombination bietet den Vorteil, dass sich bei eventuellen Änderungswünschen die gesamte Palette an NI-Karten ohne Programmänderung nutzen lässt.
Die Entscheidung, ob ein Teil auzusortieren ist oder nicht, wird dem Prüfer am Arbeitsplatz durch eine Ampelanzeige eindeutig signalisiert. Darüber hinaus erlaubt Quick Check eine detaillierte Darstellung jeder Messung am Bildschirm des Prüfrechners.
Anhand des Klassifikationsergebnisses und des Vibrationssignals können Mängel in der Messgüte schnell entdeckt werden. Mit dem Spektrogramm kann der Prüfverantwortliche die Messkette beurteilen und erkennen, ob sich Materialeigenschaften grundlegend ändern. Auch Chargenschwankungen lassen sich feststellen. Die Trendanalyse gibt Auskunft über die letzten 100 Messungen. Das Prüfsystem Quick Check sorgt so für eine zuverlässige Qualitätsprüfung.
Ein kurzes Eingreifen in das Prüfsystem ist lediglich bei Wechsel des Lampentyps notwendig. Durch produkttypabhängige Verwaltung aller Parameter ist eine Adaption des Messsystems auf bereits angelernte Lampentypen durch Eingabe der spezifischen Kennnummern schnell und einfach möglich. Neue Lampentypen können leicht angelernt und die entsprechenden Parameter in der Datenbank abgelegt werden.
Weitere Informationen A QE 504
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