Inhalt

1  Einleitung  4

2  Prozessüberwachung in der Zerspanung  5

3  Aufnahme von Prozessinformationen  12

4  Körperschall und Acoustic- Emission.  15

4.1  Körperschall  15

4.2  Schallemission.  15

4.3  Acoustic-Emission  16

5  Entstehung von akustischer Emission bei der Zerspanung  16

6  Sensortechnik zur Aufnahme von Körperschall.  19

8  Signalverarbeitung und Signalanalyse  21

8.1  Methoden zur Signalverarbeitung und Störungsidentifikation  21

8.2  Signalverarbeitung und Kennwertermittlung  21

8.3  Kenngrößen und Auswertestrategien zur Analyse der Sensorausgangssignale  23

9  Analyse von Körperschallsignalen.  27

9.1  Aufnahme und Analyse von Prozessäußerungen.  27

9.2  Analyse gemessener Körperschallsignale im Zeitbereich.  27

9.3  Analyse gemessener Körperschallsignale im Frequenzbereich  29

9.4  Waveletbasierte Signalanalyse  29

10  Störungsidentifikation  31

10.1  Toleranzbänder, Schwellen und Grenzwerte  32

10.2  Mustererkennungs- und Klassifizierungsverfahren  34

10.3  Modellbasierte Verfahren.  36

11  Bewertung der Strategien zur Störungsidentifikation  38

12  Nutzung der Schallemissionsanalyse zur Prozessüberwachung  41

13  Zukünftige Entwicklungen  46

13.1  Datenaufnahme.  46

13.2  Datenverarbeitung  48

13.3  Analyse.  48

13.4  Zusammenführung von Sensoren.  49

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14 Zusammenfassung............................................................................................................ 51

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1 Einleitung

Die heutige Fertigungstechnik ist durch hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten und -genauigkeiten geprägt. Der Einsatz der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung leistet heute einen wichtigen Beitrag zur Sicherung ihrer Wettbewerbsfähigkeit. Moderne

Produktionseinrichtungen sind mit schnellen, leistungsfähigen Werkzeugmaschinen und Komponenten, wie Motorspindeln als auch Hochleistungswerkzeugen und -schneidstoffen, ausgerüstet. Sie nutzen die enormen Fortschritte im Bereich der Automatisierungstechnik, um die Produktivität unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte weiter zu erhöhen. Die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit führt zu hohem Verschleiß bzw. zu hoher Belastung von Werkzeug und Maschine und verlangt vielfältige Maßnahmen zur Prozessüberwachung und -regelung, Diagnose und Instandhaltung, um Störungen und Ausfälle möglichst zu vermeiden.

Um das Ziel einer hohen Produktivität zu erreichen, müssen die Maschinenstillstandzeiten minimiert und eine hohe Prozesssicherheit während der beaufsichtigten und unbeaufsichtigten Bearbeitung erreicht werden.

Die zu überwachenden Vorgänge können sich zum einen auf den Prozess und zum anderen auf die Maschine beziehen. Aus diesem Grund müssen sowohl der Prozess, d. h. Werkzeug und Werkstück, als auch wichtige Maschinenkomponenten beobachtet werden[Ver04]. Die Überwachung des Prozesses hat das Ziel, eine möglichst hohe Prozesssicherheit zu gewährleisten. Die Prozesssicherheit beinhaltet, dass die vorgegebene Produktqualität eingehalten und Prozessstörungen (z. B. Werkzeugbruch) verhindert, bzw. beseitigt werden [Wec01].

Dennoch sind derzeit nur ca. 10% der Maschinen mit Überwachungseinrichtungen ausgerüstet. Ursache für die geringe Verbreitung der Systeme sind vor allem die weit vom Zerspanprozess entfernt angebrachten Sensoren und damit verbunden die geringe Zuverlässigkeit der Ereignisinterpretation und das Auslösen von Fehlalarmen. Aber auch die aufwändige Nachrüstung und das Fehlen einheitlicher Schnittstelle zur Maschine und zur Steuerung sind wichtige Gründe für die fehlende Akzeptanz bei den Anwendern[Ada97]. Ziel dieser Arbeit ist den heutigen Stand der Technik bezüglich der Prozessüberwachung mittels Körperschall und des eventuellen Einsatzes von Multifunktionssensoren bei der Zerspanung zu ermitteln.

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2 Prozessüberwachung in der Zerspanung

Innerhalb der Prozessüberwachung wird der Prozessablauf aus technologischer Sicht betrachtet. Ziel dabei ist: den Zerspanprozess in einem gewünschten Zustand zu führen. Die Aufgabe der Überwachung besteht darin, den gegenwärtigen Zustand eines Prozesses oder Systems zu erfassen, anhand charakteristischer Merkmale mit dem Sollzustand zu vergleichen, unerwünschte oder unerlaubte Zustände zu erkennen und entsprechende Maßnahmen (Alarmmeldung, Abschalten) einzuleiten, um Schäden oder Unfälle zu verhindern. Die Diagnose baut auf der Überwachung auf, wertet Fehlersymptome aus und klassifiziert die Schwere des Fehlers. Ergebnis der Diagnose ist die Kenntnis der Ursache, des Typs, des Ortes und der Größe des Fehlers [Reu01]. Es können folgende Stufen der Überwachung unterschieden werden (Bild 2.1): Grenzwert-Überwachung: Direkt messbare Größen werden im Hinblick auf das •

Überschreiten von Toleranzen geprüft und es werden Alarmmeldungen ausgegeben. Automatischer Schutz: Bei gefährlichen Prozesszuständen leitet eine •

Grenzwertüberschreitung automatisch eine geeignete Gegenmaßnahme ein, um den Prozess in einen sicheren Zustand zu überführen.

Bild 2.1: Arten von Prozessüberwachung

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Überwachung mit Fehlerdiagnose: Aus messbaren Größen werden Merkmale gerechnet, •

Symptome erzeugt, eine Fehlerdiagnose durchgeführt und Entscheidungen für Gegenmaßnahmen getroffen.

Zur Störungserkennung müssen dem System Grenzwerte vorgegeben werden, wodurch es in die Lage versetzt wird, einen kritischen oder instabilen System- oder Prozesszustand von einem Stabilen zu unterscheiden (Bild 2.2). Ausgangspunkt für die Güte, mit der aufgetretene Fehler erkannt werden können, ist das vorhandene Wissen über den fehlerfreien Zustand. Das Wissen, wie sich ein Fehler auf den Prozess auswirkt, ermöglicht die Identifikation dieses Fehlers. Die Wissensbasis besteht aus heuristischem und analytischem Wissen und bildet das Fundament einer Diagnose.

Gegenüber der Steuerungsdiagnose, bei der die Funktion einer Vielzahl von Maschinenkomponenten kontrolliert und gegenüber unerlaubten Zuständen überwacht wird, reduziert sich bei der Überwachung von Zerspanprozessen der Aufwand erheblich. Die Überwachung bestimmter Bearbeitungen erfordert nur das Erkennen und Diagnostizieren weniger und in der Regel voneinander unabhängiger Fehler. Der Fehlerort beschränkt sich auf die Zerspanstelle. Somit ergibt sich aus der Fehlererkennung auch die Fehlerdiagnose mit Fehlertyp und -ort, jedoch kann die Fehlerursache noch unbekannt sein. Das bedeutet, dass sich nicht immer eine klare Abgrenzung zwischen Prozessüberwachung und -diagnose ziehen lässt.

Bild 2.2: Störungserkennung

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Daraus folgt, dass auch wenn Auswertestrategien die Funktionalität der Überwachung mit Fehlerdiagnose vollständig beinhalten, wird in der Fertigungstechnik der übliche Begriff der Prozessüberwachung verwendet.

Die Signalerfassung bei der Prozessüberwachung kann intermittierend oder kontinuierlich erfolgen (Bild 2.3). Nur eine kontinuierliche, maschineninterne Messung eignet sich für die

zeitkritische Aufgabe der Überwachung der Prozesssicherheit von Zerspanprozessen. Während der Hauptzeiten werden größtenteils mit indirekten Messverfahren Prozesssignale erfasst und ausgewertet. Auf erkannte Ereignisse kann schnell reagiert und somit Folgeschäden durch Störungen im Prozess verhindert werden [Ket96, Suw99, Ver04]. In der spanenden Fertigung ist die Kenntnis des Prozesszustands direkt an der Wirkstelle während der Bearbeitung von zentraler Bedeutung. In der Regel ist der Prozesszustand an der Schneide unbekannt. Besonders bei hohen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten fällt einer zuverlässigen Überwachung eine besondere Bedeutung zu [Sch89a]. In der industriellen Praxis werden zur Erhöhung der Ausbringung alle technologischen Möglichkeiten, auch die mit modernen Schneidstoffen einwendbaren Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, voll genutzt. Dabei werden manchmal auch Grenzen erreicht oder überschritten und erhöhte Störungsrisiken eingegangen [Vöh90, Ver04].

Bild 2.3: Verfahren zur Prozessüberwachung nach [Jan93, Mic76]

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Ziel beim Einsatz der Prozessüberwachung in der spanenden Fertigung ist es, während der Bearbeitung auftretende Störungen wie Kollisionen, Werkzeugbrüche, Werkzeugverschleiß und Prozessinstabilitäten zuverlässig und schnell zu erkennen sowie kritischen Situationen durch geeignete Reaktionen zu begegnen. Damit tragen Überwachungssysteme dazu bei, teure Folgeschäden und damit verbundene Ausfallzeiten der Maschinen zu vermeiden sowie Prozesssicherheit und Fertigungsqualität sicherzustellen. Weiterhin ist eine sichere und zuverlässig arbeitende Prozessüberwachung wesentliche Voraussetzung zur Erhöhung des Automatisierungsgrads und Reduzierung des Personalbedarfs [Reu01, Ver04]. Ein Überwachungssystem beeinflusst einen störungsfreien Bearbeitungsprozess nicht, bei tolerierbaren Fehlern erfolgt eine Fehlermeldung. Zunächst unkritische Prozessabweichungen werden protokolliert ohne den Prozess anzuhalten. Treten kritische Zustände im Zerspanprozess auf, müssen sie automatisch möglichst schnell und richtig erkannt werden und die Maschine muss sofort darauf reagieren [Bro00, Ver04]. Das nächste Bild zeigt die wichtigsten Ziele der Prozessüberwachung (Bild 2.4):

Bild 2.4: Ziele der Prozessüberwachung [Tön88, Wol95, Ver04, Reh99]

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Überwachungssysteme können dazu beitragen, diese Ziele zu erreichen, indem sie es ermöglichen die in Bild 2.5 dargestellten häufigsten Störungsarten zuverlässig und

schnell zu erkennen.

Die spanende Fertigung ist durch die Interaktion von Werkzeugmaschine, Werkzeug und Werkstück in einem Bearbeitungsprozess gekennzeichnet. Störungen können von jedem dieser vier Bereiche ausgehen. Zusätzlich hat das Fertigungsumfeld mitunter bedeutenden Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Neben nicht steuerbaren Einflussfaktoren, wie etwa plötzlichen Temperaturveränderungen in der Umgebung einer Werkzeugmaschine, sind so auch grundsätzlich kontrollierbare Einflüsse, z.B. aus dem Bereich der Bearbeitungsplanung und -Steuerung, häufig Ursache für das Auftreten von Prozessstörungen. Zur Erhöhung der Funktionalität von Überwachungssystemen kann das frühzeitige Einbeziehen der Einflussfaktoren und Ursachen in die Strategien zur Prozessüberwachung

Bild 2.5: Arten und Ursachen von Prozessstörungen nach [Reh99]

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von großer Bedeutung sein. Viele der bestehenden Systeme weisen an dieser Stelle Defizite auf. Sie sind im Falle von Störungsmeldungen des Überwachungsgeräts nicht in der Lage, weitreichende Plausibilitätskontrollen durchzuführen, um die Gefahr von Fehlalarmen zu verringern oder angepasste Reaktionen einzuleiten [Reh99].

Mit kommerziellen Systemen ist es heute möglich, einige der Störungsarten zuverlässig zu erkennen. Hierbei handelt es sich in der Regel um Sensorbasierte Systeme, die als Zusatzbaugruppen in Verbindung mit beliebigen Steuerungen und Maschinen eingesetzt werden können [Bro00, Ver04].

Bild 2.6 zeigt verschiedene aktuelle Entwicklungstendenzen auf dem Sektor der

Prozessüberwachung in der spanenden Fertigung. Die unterschiedlichen hier aufgeführten Aspekte, die von der Verbesserung der Sensorik und Erhöhung der Funktionalität über einfache Bedienbarkeit bis zur Reduzierung der Systemkosten reichen, entstammen in der Regel Forderungen von Systemanwendern und deuten an, welche Maßnahmen zu einer Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von Prozessüberwachungsgeräten führen können.

Dabei wird von einem "idealen" Überwachungssystem erwartet, möglichst alle Systembestandteile und Handlungsabläufe, die zur Prozessüberwachung benötigt werden, maschinennah in die Produktionsabläufe einzubinden. Verlangt werden benutzerfreundliche und vom Endanwender in der Produktion als Komplettsystem zu nutzende Bearbeitungsmaschinen mit eingebundenen Überwachungsfunktionalitäten.

Bild 2.6: Anforderungen an Überwachungssysteme [Reh99]

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Durch funktionssichere, nicht störungsanfällige und wirtschaftliche Überwachungssysteme soll eine Steigerung der Zielgrößen Prozesssicherheit und Produktivität in der spanenden Fertigung erzielt werden. Diese vielfach verkündeten Ansprüche an Überwachungssysteme implizieren jedoch für sich betrachtet häufig Lösungen, die zum großen Teil nur schwer zu kombinieren sind [Reh99].

Insbesondere vor dem Hintergrund, dass Prozessüberwachungssysteme für eine Vielzahl von Fertigungsprozessen unter Variation von Werkzeugen und Schneidstoffen, Werkstoffen und Werkstückgeometrien auf verschiedenen Werkzeugmaschinen einsatzfähig sein müssen, wird eine umfassende Erfüllung der in Bild 2.6 beschriebenen Forderungen äußerst schwierig. Für eine flexible online-Prozessüberwachung bei der Fertigung kleiner und mittlerer Losgrößen, die Gegenstand dieser Arbeit ist, trifft dies umso mehr zu. Bezüglich der Auswahl geeigneter Überwachungsmethoden für das Störungsmanagement der APZ ergeben sich daher ähnliche Zielkonflikte, deren Lösung ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist [Reh99].

Die Recherchen orientieren sich am Aufbau einer konventionellen Messkette für eine prozessbegleitende, sensorgestützte Prozessüberwachung (Bild 1.7). Ausgehend von der Auswahl und Applikation von Sensoren zur Aufnahme relevanter Prozessäußerungen, werden Methoden zur Signalverarbeitung und Störungsindentifikation diskutiert [Reu01].

Bild 2.7: Komponenten und Methoden zur Prozessüberwachung

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