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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Prozessüberwachung in der Zerspanung
3 Aufnahme von Prozessinformationen
4 Körperschall und Acoustic- Emission
4.1 Körperschall
4.2 Schallemission
4.3 Acoustic-Emission
5 Entstehung von akustischer Emission bei der Zerspanung
6 Sensortechnik zur Aufnahme von Körperschall
7 Signalverarbeitung und Signalanalyse
7.1 Methoden zur Signalverarbeitung und Störungsidentifikation
7.2 Signalverarbeitung und Kennwertermittlung
7.3 Kenngrößen und Auswertestrategien zur Analyse der Sensorausgangssignale
8 Analyse von Körperschallsignalen
8.1 Aufnahme und Analyse von Prozessäußerungen.
8.2 Analyse gemessener Körperschallsignale im Zeitbereich
9.3 Analyse gemessener Körperschallsignale im Frequenzbereich
8.4 Waveletbasierte Signalanalyse
9 Störungsidentifikation
9.1 Toleranzbänder, Schwellen und Grenzwerte
9.2 Mustererkennungs- und Klassifizierungsverfahren
9.3 Modellbasierte Verfahren
10 Bewertung der Strategien zur Störungsidentifikation
11 Nutzung der Schallemissionsanalyse zur Prozessüberwachung
12 Zukünftige Entwicklungen
12.1 Datenaufnahme
12.2 Datenverarbeitung
12.3 Analyse
12.4 Zusammenführung von Sensoren
13 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Studienarbeit ist die Ermittlung des aktuellen Stands der Technik bezüglich der Prozessüberwachung mittels Körperschall sowie die Untersuchung des potenziellen Einsatzes von Multifunktionssensoren in spanenden Fertigungsprozessen zur Erhöhung der Prozesssicherheit.
- Grundlagen der Prozessüberwachung und deren technologische Bedeutung
- Körperschall- und Schallemissionsanalyse als Verfahren zur Störungserkennung
- Signalverarbeitungsmethoden, einschließlich Zeit- und Frequenzbereichsanalyse sowie Wavelet-Transformation
- Strategien zur Störungsidentifikation: Grenzwerte, Mustererkennung und modellbasierte Ansätze
- Zukünftige Entwicklungen hinsichtlich Sensorik, Datenverarbeitung und Sensorfusion
Auszug aus dem Buch
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].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Bedeutung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, die Notwendigkeit der Prozessüberwachung zur Steigerung der Prozesssicherheit und die Zielsetzung der Arbeit.
2 Prozessüberwachung in der Zerspanung: Erläutert die grundlegenden Stufen der Überwachung und definiert den Übergang von Überwachung zur Fehlerdiagnose.
3 Aufnahme von Prozessinformationen: Analysiert relevante Messgrößen und physikalische Sensoren, die bei der Zerspanung eingesetzt werden.
4 Körperschall und Acoustic- Emission: Definiert die Begriffe Körperschall, Schallemission und Acoustic-Emission sowie deren physikalische Ursachen.
5 Entstehung von akustischer Emission bei der Zerspanung: Erläutert die Quellen der Schallemission an der Wirkstelle des Zerspanprozesses.
6 Sensortechnik zur Aufnahme von Körperschall: Beschreibt die Anforderungen an Sensoren in rauen Produktionsumgebungen und unterschiedliche Sensortypen.
7 Signalverarbeitung und Signalanalyse: Behandelt die Signalvorverarbeitung, Transformationen sowie etablierte statistische Kenngrößen.
8 Analyse von Körperschallsignalen: Geht auf die Differenzierung von Signaleinflüssen und Methoden der Signalzerlegung im Zeit- und Frequenzbereich ein.
9 Störungsidentifikation: Detailliert die verschiedenen methodischen Ansätze zur Erkennung von Prozessstörungen.
10 Bewertung der Strategien zur Störungsidentifikation: Vergleicht unterschiedliche Verfahren im Hinblick auf deren industrielle Anwendbarkeit und Akzeptanz.
11 Nutzung der Schallemissionsanalyse zur Prozessüberwachung: Bewertet die Schallemissionsanalyse in der industriellen Praxis im Vergleich zu anderen Methoden.
12 Zukünftige Entwicklungen: Gibt einen Ausblick auf Miniaturisierung, Sensorfusion und neue Analysestrategien.
13 Zusammenfassung: Fasst die wesentlichen Erkenntnisse der Literaturrecherche und der technologischen Analyse zusammen.
Schlüsselwörter
Prozessüberwachung, Zerspanung, Körperschall, Acoustic-Emission, Schallemission, Signalverarbeitung, Störungsidentifikation, Sensorik, Signalmerkmale, Waveletanalyse, Prozesssicherheit, Verschleißerkennung, Modellbasierte Verfahren.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt den aktuellen Stand der Technik bezüglich der Prozessüberwachung in der spanenden Fertigung unter Nutzung von Körperschallsensoren.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Sensorik zur Körperschallaufnahme, die Methoden der Signalverarbeitung und die verschiedenen Strategien zur Störungsidentifikation während des Zerspanprozesses.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Ermittlung des Stands der Technik zur Prozessüberwachung mittels Körperschall und die Evaluierung potenzieller Multifunktionssensoren für die industrielle Anwendung.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Basis der Arbeit bildet eine umfassende Literaturrecherche, die verschiedene signalanalytische und klassifizierende Ansätze zur Störungserkennung (z.B. Zeitbereich, Frequenzbereich, Wavelet-Transformation) vergleicht.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Erläuterung der physikalischen Grundlagen, die Beschreibung der Sensortechnik, die detaillierte Darstellung von Analyse- und Auswertestrategien sowie deren Bewertung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Prozessüberwachung, Körperschall, Schallemissionsanalyse, Signalverarbeitung, Mustererkennung, Störungsidentifikation und Prozesssicherheit.
Warum sind Schallemissionssensoren in der Industrie beliebt?
Sie zeichnen sich durch vergleichsweise geringe Kosten für die Sensorik und Auswerteelektronik aus und ermöglichen eine relativ flexible Montage an Werkzeugmaschinen.
Welche Herausforderung besteht bei der Nutzung von KI-Methoden wie neuronalen Netzen?
Ein zentrales Hindernis ist die fehlende Transparenz der Entscheidungsfindung sowie der hohe Aufwand zur Generierung der benötigten Trainingsdaten.
Warum eignen sich modellbasierte Verfahren oft nur bedingt für die Online-Überwachung?
Sie erfordern komplexe Rechenoperationen in Echtzeit und sind sehr empfindlich gegenüber stochastischen Signaleinflüssen, was die Zuverlässigkeit im industriellen Umfeld erschwert.
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- Andriy Panchenko (Author), 2006, Prozessüberwachung mit Körperschall in der Zerspanung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/67392
