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Sensors and Diagnostic Systems in Forming Machines
Sensors and Diagnostic Systems in Forming Machines E. Doege ( l ) , K.-H. Schomaker, T. Brendel; Universitat Hannover, lnstitut fur Umformtechnik und Umformmaschinen/Deutschland Received on January 15,1992 Summary New optical sensors and standard sensors for the measurement of tool accuracy, acceleraticn, forcs and distance get more important for process automation in forming machines. Together with a diagnostic system based on a process control computer it is possible to analyse the production system in regard to workpiece quality, process, macnine and tool. Examples of a diagnostic system for monitoring a high speed blanking press with optoelectronic sensors and a diagnostic system for monitoring the machine process in deep drawing are represented.
Key Words: Forming, blanking, deep-drawing, sensors, process monitoring, optical measurement Ausgangssituatlon Der Einsatz der Mikroelektronik ist auch in der Umformtechnik ein wichtiges Element zur Realisierungvon gberwachungs- und SteuerungsaufgaDen geworden. Das Ziel moderner Produktionsmethodensind kontinuierlich erfaBbare Produktionsabllufe, die nur noch wenige regulierende Eingriffe des Menschen bedlirfen. Voraussetzung daffir sind obewachungssysteme, die in der Lage sind. auftretende Fehler in der Fertigungsanlage oder im Prozef3 zu lokalisieren und zu beschreiben / l / . 1
horizontale Verlagerung 2 Stand der Technlk Grundlage flir die Realisierung dieser Forderung sind Sensoren, die dem Bediener oder der automatischen Steuerung der Anlage zuverllssige Informationen uber den Anlagen- bzw. ProzeAzustandvermitteln. Mit steigender Komplexitatdes Prozesses oder mit zunehmender Fertigungsgeschwindigkeit wird die herkhmliche Sensortechnik an ihre Grenzen gefijhrt. so daB nach Alternativen bei der Aufnahme bestimmter MeBgroBen gesucht werden muO.
-
2.1 Sensortechnik Optoelektronlsche MeOtechnik Aufgrund der Anforderung von hoher Genauigkeit bei gleichzeitig hoher MeOdynamik wird das Einsatzgebietvon optoelektronischen Sensoren in der dimensionellen MeOtechnik stetig grBOer /3/. Neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet, die hier beschriebenwerden, sind Meflanordnungen mit positionsempfindlichen Detektoren, 2.6. Triangulationssensoren, das PSD-Meflsystemzur Verlagerungsmessung und MeOanordnungen mit Interferometer.
-
PSD MeRanordnung zur Bestimmung der horizontalen StoBelverlagerung Ein Grund fOr Produktionsunterbrechungenbeim Scherschneiden auf Schnellauferpressensind dynamische Vorgange, beispielsweiseunzulassig hohe horizontale Verlagerungen des Oberwerkzeuges relativ zum Unterwerkzeug. Wahrend heutzutage Maschinen bis zu 18M) HCibe/min verfiigbar sind. ist die meOtechnische Erfassung rnit herkdmmlicher Sensortechnik nur bis ca. 600 Hiibe/min m6glich. Die besonderen Anforderungen an das MeOsystemsind: hohe Dynamik; funktionstuchtig bei Schwingungen a > 500 m/s2; geringe Baugrohe. 2.1.1
Konventionell gemessene horizontaleVerlagerungssignale
zum anderen die vollstandige raumliche Trennung mischen Sensorelemen! und MeBelektronik bewshrt. Fur den industriellen Einsatz mu0 das Mensystem bei weitgehender Wartungsfreiheit einfach handhabbar sein . Diese Randbedingungen haben eine besondere Bedeutung. da Vorbehalte in der industriellen Praxis gegenliber optischen Systemen bestehen /3/. Beschreibung des MeBprlnzlps Die Messung der horizontalen Werkzeugverlagerung erfolgt mit einer MeBanordnung, bestehend aus einer am Oberwerkzeug befestigten Lichtquelle und einem positionsempfindlichenDetektor am UntewerkDie Lichtquelle besteht im einfachsten Fall aus einer IRED zeug oder einer LEO.Der Detektor besteht aus einer analogen PSD in der Bauform eines IC.
(w).
horizontale Verlagerung !
r4--
b
-_____
q---+ Werkzeug Werkzeug
5G
A
I
'
I
, 1
--I
7 Die Messung der horizontalen StoOelverlagerungerfolgt konventionell rnit einem MeOlineal, zu dem beruhrende oder berOhrungslose Wegaufnehmer die Distanz bestimmen. Das MeOlineal ist konstruktionsbedingtinstabii (- > Schwingungen); eine notwendige steife MeBanordnung wird beschrankt durch einen kompakten Arbeitsraum der Schneidpressen.
horizontaleVerlagerung
7
Vertagerungsmefisystem (Lichtquelle und PSD)
i '
kW!J
zeigt einige gemessene horizontale Verlagerungssignale;das dargestellte Zeitintervallwurde rnit zunehmender Hubzahl verklirzt. Die Schwingungen. die sich bedingt durch die Sensoranbringung,dem Nutzsignal uberlagern, nehmen mit zunehmender Hubzahl signifikant zu. Heutzutage sind Maschinen vemgbar, bei denen Hubzahlen bis zu 1800 Hirbejmin mdglich sind; Verlagerungsmessungen in diesem Hubzahlbereich sind rnit der konventionellen MeOmethode nicht moglich.
Die Schockbeschleunigungenam Werkzeug bei der pldtzlichen Blechtrennung betragen a > 500 ms-'. Die notwendige Meaelektronik mu6 aus Grirnden der Funktionssicherheitvom Werkzeug entkoppelt sein. In der Praxis haben sich zum einen federnd gelagerte Elektronikplatinenund
Annals of the CIRP Vol. 41/1/1992
Optoelektronsiches System zur Messung der horizontalen Werkzeugverlagerungan Schneidpressen Lichtquelle und Detektor lassen sich in Wirrfeln rnit 30 mm Kantenlange unterbringen und unmittelbar am Werkzeug befestigen. Dieses firhrt zu einer auOerst steifen Verbindung Werkzeug-Sensor rnit sehr hohen Eigenfrequenzen. Die geringe Masse erlaubt es. das System zur kurdrisrigen Messung an Produktionswerkzeugendurch Klebung zu befestigen. Neue Moglichkeiten zur schnellen Diagnose vor Ort sind somit moglich.
323
D3 die Anzahl der Hell-Dunkel-Ubergiingevon der Geschwindigkeit des MeSreflektors abhangt. ist das MeOsystem in der Geschwindigkeitdurch die Auswerteelektronik limitiert / 5 / . Bei herkdmmiichenSystemen sind maximale Geschwindigkeitenvor, 1,s m/s mbglich, was fur die StoRel-
wegmessmg an Umformmaschinen ausreichend is: (ausgenommen Schnellaufer-Schneidpressen). Eigene Untersuchungen haben gezeigt. daB StdRelwegmessungenan Umformpressen prinzipiell mittels eines Interferometersmdglich sind Die hohen Kosten fOr solch ein MeBsystem behindert jedoch einen vermehrten Einsatz der MeOmethode.
u).
Prinzipieller Aufbau einer PSD
w)
besteht aus lichtempfindlichemSubDie Detektorflkhe der PSD strat. dessen Stromstarke bei angelegter Gieichspannungvorn Frequenzinhait der Lichtquelleund der LichdleckgroBe abhangt. Durch die Anordnung der Elektroden und der normierten Schwerpunktberechnungsind die resultierendenStrdme unabhangig von einer Verkleinerung oder Vergofierung des projizierten Lichmecks aufgrund einer Abstandsanderung zwischen Lichtquelle und Detektor. Lediglich die seitliche Verlagerung Whrt LU einer Anderung der resultierenden Positionsinformation.Die MeOunsicherheit des ausgefOhrten Systemes betragt < 4 pm bei einer Grenzfreauenz von 30 kHz.
3 Oiagnosesysterne fur die Blechverarbeitung 3.1 Beschreibung der Hardware Die Klasse der transienten bzw. zyklisch-transientenProzeRdaten ist charakteristisch fOr umformtechnischeProzesse. Irn GegensaQ zu den quasistatischen Prozessen treten zeitlich begrenzte Datenfolgen auf. Fur die Rea!isierung eines Diagnosesystems fOr einen technischen ProzeB ist ein Realzeitrechner erforderlich. Die Hardware des ProzeRrechnersystems erfcllt diese Anforderungen und besteht aus folgenden wichtigen Einzelbaugruppen: - VME-Rechnersystem im 19 Zoll-Gehause; 12 Slots Wr VME-Busplatinen VME-CPU-Karte mit 68020 Prozessor.68881 Coprozessor fCN arithmetische Funktionen; Systemtakt 12 MHz; 3 MB RAM ohne Waitzyklen. VME-ISCAN: 12 Bit A/D-Wandler; 16 differentielle Eingangskanle synchron 26 kHz Abtastfrequenz; Prozessor 68010: programmierbareVerstarkung fGr jeden Kanal; Abtastrate und Abtastmodus programmierbar; externe Triggerung mdglich. - EpromresidentesBetriebssystemRTOS-UH rnit PEARL Programmiersprache und 680~~-Assembler; Echtzeit-/Multitasking/Multiuserbetriebssystem.
MeBanordnung mit CCD-Elementen Haupteinsatzbereichvon CCD-Eiementen in der ProzeRi3berwachung ist die Bilderkennungund -verarbeitung. Ein CCD-Element besteht aus einer groBen Anzahl von lichtempfindlichen Pixeln in einem Feld. die einzeln adressiert und ausgelesen werden kdnnen. Nach der digitalen Signakerarbeitung kdnnen 2.6. WerkstOckfehler erkannt und evtl. weitere MaRnahmen eingeleitet werden 141.
-
lnterferometrlsche Messungen Seit wenigen Jahren werden auf dem Markt Sensoren zur Abstandsmessung auf Basis eines Interferometers (Micheison-Prinzip)angeboten. Diese Systeme erfordern eine kohlrente und monochromatische Lichtquelle (Laser) und ein justiertes Reflektorsystem. Zur Abstandsmessung
3.1 Konzept des Diagnosesystems
StoRel
Die Diagnose der Fertigungsanlage"Schnellauferpresse"kann auf Basis der hubzahlabhangigen Kennwerte der Maschinendynamik, wie StdBelkippung, horizontale/vertikale Veriagerung und der Analyse des Stdssel-
Oberwerkzeug Tripelreflektor am Oberwerkzeug
~ _ _ ~
Pressentisch
! Laserlichtquelle He-Ne-Laser
, ,
Interface
I
Benutzer
__ ____ Diagnose- und Signalverarbeit ungssoftware
__
I
---i
I
- SoftwareseitigeSignalaufbereitungt - digitale Bandsperre, Filter etc. - reitabh. Signale -> kurbelwinkelabhlngige Signale
Unterwerkzeug
I
\
Uml&kspiegel am Unterwerkzeug
\
\
Detektor und Verstarkerelektronik
\
Linearteilstrahler am Unterwerkzeug Messaufbau zur interferometrischenStoOelwegmessung wird ein Reflektor eines "Armes' des Interferometersam zu messenden Objekt befestigt. Durch Anderung des Spiegelabstandes lndert sich die Phasenlage des interferierendenLichtes und Whrt zu HELL-DUNKELLibergangen, die detektien und gezlhlt werden kdnnen. Die Anzahl n der HELL-DUNKEL-ubergangeist abhlngig von der Strecke s des beweglichen Spiegels und der Wellenlhge X der Lichtquelle rnit der Beziehung n = 2 s /A.
324
- Merkmalsextraktion - Diagnose mit iiberwiegend heuristischen Methoden
- Modifikation der Wissensbasis durch Wissenserwerb (Lernen)
- Statistik - Schwachstellenanalyse - Fehlerstatistik
i i ~
- Dokumentation nach DIN 31053 - ~-1
Konzept des Diagnosesystems
wegverlaufes vorgenommen werden. Diese Kennwerte sind reprlsentative ZustandsgrdBen Wr die Presse und die eingesetzten Werkzeuge /2/. Beispielsweise wird die Standmenge von Werkzeugen neben der Abhan-
.
gigkeit von Werkstiick und Werkzeug entscheidend vom dynamischen Verhalten einer Presse beeinflufit. Die Bestimmung der aktuellen dynamischen Kennwerte 1st eine Grundlage fur die Maschinenirberwachungund den Betrieb eines Online-Diagnosesystems fur schnellaufende Schneidpressen. Schneidpressen mit Hubzahlen > la0 Hirbe/min erfordern eine schnelle Hardware und cptimierte Auswertung der Mendaten, um schnell auf Prozefistbrungen reagieren zu kbnnen. Ein Eingreifen in den laufenden SchneidprozeO ist nicht m6glich.Das entwickelte Konzept des Diagnosesystems wird in dargestellt. Hierzu werden die GrbBen StBRelweg, Horizontaier StBRelweg (=Versatz). PreRkraft und Kurbelwinkeleinzeln oder korreliert ausgewertet. Folgende aus MeRsignalen abgeieitete GroRen werden als Eingangsdaten &r ein Diagnosesystemfiir Schneidpressen herangezogen: Merkmalaruooe 1 - Eintauchtiefe Hubhohe - max. vertikale StbOelverlagerung - vertikale Steifigkeit Maximalkraftbeim Schneiden und beim Stempelrirckzug - Kurbelwinkel bei Kraftanstieg, Maximalkraft. BiechabriR, Kippungsmaximum, Verlagerungsmaximum horizontal Umformzeit - Umformarbeit lsthubzahl zur eingestellten Hubzahl
-
-
Merkmalaruooe 2 Signalverlaufe von vertikalerjhorizontaler StBRelverlagerung. Stdsselkippung. und Kraft-Weg-Verlauf.
-
Die erste Gruppe besteht aus Zahlenwerten, die fir jeden Paramter Maschine / Werkzeug / Werkstkk gespeichert werden kbnnen. Der Speicherbedarf hierfur ist im Unterschied zu den Merkmalen der Gruppe 2 gering. Da die Datenmengendurch die Periodizitat in kurzen lntervallengron ist. kann in kuner Zeit ein ProzeRmustervektor aus den Merkmalen gebildet werden. In der Praxiserprobungist angestrebt, die Datenmenge durch Reduzierung der Merkmale zu verkleinern, um zusatzlich Rechnerleistung zu optimieren.
In der zweiten Gruppe sind Merkmale. die aus einer groReren Anzahl von Werten besteht und folglich fcr eine Langzeitspeicherungwenig geeignet sind. Diese Merkmale eignen sich vor allem fGr die Trenduberwachung, zumal die ProzeRrechnerhardware geschwindigkeitsmlRig nicht in der Lage ist, diese Merkmale fur jeden Arbeitshub zu extrahieren.
3.3 Sottwarestruktur des Diagnosesystems In m !ist das Diagnosemoduleines am lnstitut fiir Umformtechntk und Umformmaschinen ers!ellten Diagnosesystems dargestellt. Die Software zur ProzeRdatenverarbeitung besteht aus drei Moduln. die die Daten des AjD-Wandlers beziehungsweise der vorhergehenden Module weiterverarbeiten. Jedes dieser Module steht firr eine Verarbeitungsphase oder -stufe. die aus einem Programmrumpf und einer erlernten bzw. zu erlernenden Struktur bestehen. Die Flexibiiitat der Verarbeitungss o h a r e ist im Bereich der Blechumformungbesonders wichtig, da in einer Presse unterschiedlicheWerkzeuge mit sehr unterschiedlichen Prozendaten verwendbar sein miissen. Eine Abstimmung des Programmsystems auf eine EinzelkombinationPresse-Werkzeug ist in der industriellen Fertigung aus wirtschaftlichen Griinden nicht akzeptierbar. Die Gewinnung der Regeln und der Aufbau von Vergleichsstrukturen erfolgt bei der gewahlten Systemkonzeptiondurch interaktivenAustausch von lnformationen zwischen Benutzer und Maschine. Dieser Vorgang stellt die Lernphase des Systems dar. Die Lernphase wird in drei Schrirte unterteilt, wobei die erste Stufe mit dem Lernen von Regeln und Vergleichsmustern zur Merkrnalextraktion beginnt. Die Lernphase der dritten Stufe unterscheidet sich von der der ersten beiden, da sie im normalen Betrieb des Systems als 'ruhend" angesehen werden kann und nicht beendet ist. Sie wird durch das Auftreten unbekannter Zustande oder den Benutzerhinweis auf eine falsche Diagnose aktiviert. Auf diese Weise ist es mdglich, daO nicht alle Systemzustande des zu uberwachenden Systems bei der Aktivierung der uberwachungsfunktion bekannt sein mussen. Sie werden erst bei einem lingeren Einsatz einer Presse/Werkzeugkombination ermittelt.
3.3.1 Auswertestrategien zur MeRsignalverarbeitung
In den Labor- und Praxisversuchen hat sich gezeigt. daR ~r die verschiedenen Mensignale unterschiedlicheAuswertestrategien angandt werden mussen, um eine sichere Diagnose zu gewihrleisten. Die 2.6. wahrend zwei verschiedener Tiefziehvorgangengemessene Niederhaiterkraftkann z.B. den selben Maximalwert erreichen, hat aber unterschiedliche Kraftanstiegsgradienten,die auf Maschinenstbrungenhinweisen konnen. Folgende Bewertungskrierien wurden in das Diagnosesystem als Moduln eingebunden, und stehen firr alle aufgenommenen Signalverlaufe, sowohl einzeln, als auch in ihrer Kombination zur Verfiigung und konnen bei Bedarf zugeschaltet werden: Maximalwer! des MeRsignals - Differenz der Mensignale im Maximum - Abweichung des Maximalwertes des Mensignals von dem vorgegebenen Referenzwert . Berechnung des Fllchenintegrals der MeRkurve Abweichung des lntegralwertesvon dem vorberechneten Referenzwert Flankensteigungin einem beliebigen Signalsegment - Berechnung der Umformzeit - Haufigkeitsverteilungder Differenzabweichungen des MeRsignals von den Referenzdaten. ~
~
Stufe 1
Stufe 2
Stufe 3
Hypothesen
Referenzmerkmal-
Merkmalextraktion + Referenzmuster
1
I
Merkmalextraktor
I
I Hypothesemodul
Klassifikator
I I I
I I I Diagnosemodul 1
I
I
Prozessmusterfunktionen
Prozessmerkmalvektor
Prozesszustandvektor
Softwareaufbau des Diagnosemoduls
~
3.3.2 Klassifizierung der MeRsignale Voraussetzung fur die Klassifizierung einer Maschinenmessungmit Fehlerbeschreibung ist die Abweichung eines Signalverlaufs aus dem Toleranzband, das durch obere und untere Signalreferenzkurve gebildet wird. zeigt ein MeRsignal. das mit dem Diagnosesystem an einer Ziehpresse analysiert wurde. Dargestellt wird die Abweichung des Krattverlaufes im Druckpunkt eines BlechhalterstbOels vom Toieranrband (stbrungsfreier ProzeO) bei fehlerhafter Produktion. Die Toleranzbander werden in der Lernphase des Systems durch eine definierte Anzahl von Messungen ermittelt. Solange sich alle gemessenen Signalverlaufe innerhalb der entsprechendenToleranzbander befinden. kann von einem storungsfreien Maschinecrzustand ausgegangen werden. Treten Abweichungen auf, ordnet der Rechner auf Basis im bekannter Fehlerklassifizierungendie entsprechende Diagnosemeldungzu oder forden vom Bediener eine neue Fehlerbeschreibung an. Bei den Versuchen an der Karosseriepresse wahrend der Produktion hat es sich als nicht sinnvoll erwiesen, dern System wahrend einer "planmaRigen Lernphase" m i Hilfe von definiert vorgegebenen St6reinflussen 'Fehler Muster" mitzuteilen. Um die iaufende Produktion nicht zu beein-
325
Kraftverlauf wahrend des Ziehvorgangs Druckpunkt Blechhalter/ZiehstoBel
tel urn sichere Aussagen fiber Werkzeugzustandoder Maschinenzus:and zu geben. Die bisherigen Erfahrungenbeim Einsatz von optoelektronischen Sensoren in der lndustrie haben gezeigt. daB diesem Sensortyp auf Grund seines berchrungslosen MeOprinzips. seiner hohen Genauigkeit und seiner groOen Dynamik eine bedeutende Rolle zukommt. Durch den Einsatz von CNC- oder SPS-Steuerungen wird es fercer m o p lich, Oaten aus der ProzeOOberwachungals Eingangsinformationenfirr die Steuerung zu verwenden, um eine gute WerkstOckqualitPbei erhdhter Ausbringung zu erreichen. Durch die Integration der Systemkede ProzeBuberwachung. Maschinendiagnoseund ProzeRsteuerung w r d die moderne Urnformmaschine kompletiert
m.
Literatur:
0.2 Krafwerlauf bei Produktionsstdrung und Toleranzband firr storungsfreie Produktion trachtigen. wurde der umgekehrte Weg realisiert. Das System lernt zunachst wahrend der laufenden Produktion "ideaie Gut Muster". In der anschlieRenden Diagnosephase stellt das System nun Abweichungen von den 'Gut Mustern" als "Fehler Mustef fest und fragt deren Unache zur Diagnose ab. In dieser Form wird bei jedem Auftreten einer Stdrung von dem Bediener des Gesamtsystems eine Diagnosemeldung abverlangt und abgespeichert, die zukirnftig im Falle einer Wiederholung dieser Stdrung ausgegeben wird. Auf diese Weise konnte das Hypothesemodul des Systems permanent erweitert werden.
5 fusamrnenfassung Die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellungvon Blechteilen kann durch ProzeOOberwachung und Automatisierungvon mdglichst vielen Teilbereichen einer Anlage verbessert werden. Dabei ist festzustellen, daB die Automatisierung der eigentlichen Umformung mit der dazugehorigen WerkstOckhandhabungin vielen Bereichen schon lange Stand der Technik ist. Der heute immer stgrker auftretendeTrend zu kleinen LosgrbOen, sei es aus GrOnden einer 'Just-in-time'-Fenigung oder wegen einer grooen Teilevielfalt, mingt aber dazu. auch fOr kleinste LosgrdOen, wirtschaftliche Problemlosungen zu entwickeln. In Verbindung mit der zunehmenden Automatisierung von hydraulischen und mechanischen Pressen durch EinsaQ von Steuer- und Regeleinrichtungen kommt der ProzeBirberwa-
Zukunft: Verknirpfung von Diagnose und Maschinensteuerung
ProzeOuberwachung Zukirnftige intelligente Maschinensysteme chung und -diagnose eine immer grdBere Bedeutung zu 151. Diagnosebzw. Oberwachungssysteme. die auf der Basis von Signalauswertung geeigneter Sensoren an Maschine oder Werkzeug arbeiten, sind Hilfsmit-
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Doege, E..Brendel. T., 1991. Verfirgbarkeit von Tiefziehpressenverbessern mit Diagnosesystemen, Bander Bleche Rohre. VoI. 32,No. 3: pp. 45 50
-
Doege, E., Silberbach, G., 1990, Influence of Various Machine Tool components on Workpiece Ouality, Annals of the ClRP 39/1/1990. pp. 209 - 212 Hellwig, W., 1986, Sensortechnik an Stanzmaschinen, Schweizer Maschinenmarkt. No. 28, pp. 29 33
-
Takesa, K., Sato, H., Tani. Y., 1984, Measurement of Diameter using Charge Coupled Device (CCD). Annals of the ClRP 11/1/1984, pp 377 - 381 Ulbers, G., 1989, A Sensor for Dimensional Metrology with an Interferometer in lntregrated Optics Technology, Vortragsmanuskript der lnterkama 1989, DOsseldorf Vdhringer, K.-D., 1990, Anforderungen an die Blechumformung aus der Sicht des Automobilbaus. Seminar "Neuere Entwicklungen in der Blechumformung'. Fellbach, pp. 1 - 16
Key Words: Forming, blanking, deep-drawing, sensors, process monitoring, optical measurement Ausgangssituatlon Der Einsatz der Mikroelektronik ist auch in der Umformtechnik ein wichtiges Element zur Realisierungvon gberwachungs- und SteuerungsaufgaDen geworden. Das Ziel moderner Produktionsmethodensind kontinuierlich erfaBbare Produktionsabllufe, die nur noch wenige regulierende Eingriffe des Menschen bedlirfen. Voraussetzung daffir sind obewachungssysteme, die in der Lage sind. auftretende Fehler in der Fertigungsanlage oder im Prozef3 zu lokalisieren und zu beschreiben / l / . 1
horizontale Verlagerung 2 Stand der Technlk Grundlage flir die Realisierung dieser Forderung sind Sensoren, die dem Bediener oder der automatischen Steuerung der Anlage zuverllssige Informationen uber den Anlagen- bzw. ProzeAzustandvermitteln. Mit steigender Komplexitatdes Prozesses oder mit zunehmender Fertigungsgeschwindigkeit wird die herkhmliche Sensortechnik an ihre Grenzen gefijhrt. so daB nach Alternativen bei der Aufnahme bestimmter MeBgroBen gesucht werden muO.
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2.1 Sensortechnik Optoelektronlsche MeOtechnik Aufgrund der Anforderung von hoher Genauigkeit bei gleichzeitig hoher MeOdynamik wird das Einsatzgebietvon optoelektronischen Sensoren in der dimensionellen MeOtechnik stetig grBOer /3/. Neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet, die hier beschriebenwerden, sind Meflanordnungen mit positionsempfindlichen Detektoren, 2.6. Triangulationssensoren, das PSD-Meflsystemzur Verlagerungsmessung und MeOanordnungen mit Interferometer.
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PSD MeRanordnung zur Bestimmung der horizontalen StoBelverlagerung Ein Grund fOr Produktionsunterbrechungenbeim Scherschneiden auf Schnellauferpressensind dynamische Vorgange, beispielsweiseunzulassig hohe horizontale Verlagerungen des Oberwerkzeuges relativ zum Unterwerkzeug. Wahrend heutzutage Maschinen bis zu 18M) HCibe/min verfiigbar sind. ist die meOtechnische Erfassung rnit herkdmmlicher Sensortechnik nur bis ca. 600 Hiibe/min m6glich. Die besonderen Anforderungen an das MeOsystemsind: hohe Dynamik; funktionstuchtig bei Schwingungen a > 500 m/s2; geringe Baugrohe. 2.1.1
Konventionell gemessene horizontaleVerlagerungssignale
zum anderen die vollstandige raumliche Trennung mischen Sensorelemen! und MeBelektronik bewshrt. Fur den industriellen Einsatz mu0 das Mensystem bei weitgehender Wartungsfreiheit einfach handhabbar sein . Diese Randbedingungen haben eine besondere Bedeutung. da Vorbehalte in der industriellen Praxis gegenliber optischen Systemen bestehen /3/. Beschreibung des MeBprlnzlps Die Messung der horizontalen Werkzeugverlagerung erfolgt mit einer MeBanordnung, bestehend aus einer am Oberwerkzeug befestigten Lichtquelle und einem positionsempfindlichenDetektor am UntewerkDie Lichtquelle besteht im einfachsten Fall aus einer IRED zeug oder einer LEO.Der Detektor besteht aus einer analogen PSD in der Bauform eines IC.
(w).
horizontale Verlagerung !
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7 Die Messung der horizontalen StoOelverlagerungerfolgt konventionell rnit einem MeOlineal, zu dem beruhrende oder berOhrungslose Wegaufnehmer die Distanz bestimmen. Das MeOlineal ist konstruktionsbedingtinstabii (- > Schwingungen); eine notwendige steife MeBanordnung wird beschrankt durch einen kompakten Arbeitsraum der Schneidpressen.
horizontaleVerlagerung
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Vertagerungsmefisystem (Lichtquelle und PSD)
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zeigt einige gemessene horizontale Verlagerungssignale;das dargestellte Zeitintervallwurde rnit zunehmender Hubzahl verklirzt. Die Schwingungen. die sich bedingt durch die Sensoranbringung,dem Nutzsignal uberlagern, nehmen mit zunehmender Hubzahl signifikant zu. Heutzutage sind Maschinen vemgbar, bei denen Hubzahlen bis zu 1800 Hirbejmin mdglich sind; Verlagerungsmessungen in diesem Hubzahlbereich sind rnit der konventionellen MeOmethode nicht moglich.
Die Schockbeschleunigungenam Werkzeug bei der pldtzlichen Blechtrennung betragen a > 500 ms-'. Die notwendige Meaelektronik mu6 aus Grirnden der Funktionssicherheitvom Werkzeug entkoppelt sein. In der Praxis haben sich zum einen federnd gelagerte Elektronikplatinenund
Annals of the CIRP Vol. 41/1/1992
Optoelektronsiches System zur Messung der horizontalen Werkzeugverlagerungan Schneidpressen Lichtquelle und Detektor lassen sich in Wirrfeln rnit 30 mm Kantenlange unterbringen und unmittelbar am Werkzeug befestigen. Dieses firhrt zu einer auOerst steifen Verbindung Werkzeug-Sensor rnit sehr hohen Eigenfrequenzen. Die geringe Masse erlaubt es. das System zur kurdrisrigen Messung an Produktionswerkzeugendurch Klebung zu befestigen. Neue Moglichkeiten zur schnellen Diagnose vor Ort sind somit moglich.
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D3 die Anzahl der Hell-Dunkel-Ubergiingevon der Geschwindigkeit des MeSreflektors abhangt. ist das MeOsystem in der Geschwindigkeitdurch die Auswerteelektronik limitiert / 5 / . Bei herkdmmiichenSystemen sind maximale Geschwindigkeitenvor, 1,s m/s mbglich, was fur die StoRel-
wegmessmg an Umformmaschinen ausreichend is: (ausgenommen Schnellaufer-Schneidpressen). Eigene Untersuchungen haben gezeigt. daB StdRelwegmessungenan Umformpressen prinzipiell mittels eines Interferometersmdglich sind Die hohen Kosten fOr solch ein MeBsystem behindert jedoch einen vermehrten Einsatz der MeOmethode.
u).
Prinzipieller Aufbau einer PSD
w)
besteht aus lichtempfindlichemSubDie Detektorflkhe der PSD strat. dessen Stromstarke bei angelegter Gieichspannungvorn Frequenzinhait der Lichtquelleund der LichdleckgroBe abhangt. Durch die Anordnung der Elektroden und der normierten Schwerpunktberechnungsind die resultierendenStrdme unabhangig von einer Verkleinerung oder Vergofierung des projizierten Lichmecks aufgrund einer Abstandsanderung zwischen Lichtquelle und Detektor. Lediglich die seitliche Verlagerung Whrt LU einer Anderung der resultierenden Positionsinformation.Die MeOunsicherheit des ausgefOhrten Systemes betragt < 4 pm bei einer Grenzfreauenz von 30 kHz.
3 Oiagnosesysterne fur die Blechverarbeitung 3.1 Beschreibung der Hardware Die Klasse der transienten bzw. zyklisch-transientenProzeRdaten ist charakteristisch fOr umformtechnischeProzesse. Irn GegensaQ zu den quasistatischen Prozessen treten zeitlich begrenzte Datenfolgen auf. Fur die Rea!isierung eines Diagnosesystems fOr einen technischen ProzeB ist ein Realzeitrechner erforderlich. Die Hardware des ProzeRrechnersystems erfcllt diese Anforderungen und besteht aus folgenden wichtigen Einzelbaugruppen: - VME-Rechnersystem im 19 Zoll-Gehause; 12 Slots Wr VME-Busplatinen VME-CPU-Karte mit 68020 Prozessor.68881 Coprozessor fCN arithmetische Funktionen; Systemtakt 12 MHz; 3 MB RAM ohne Waitzyklen. VME-ISCAN: 12 Bit A/D-Wandler; 16 differentielle Eingangskanle synchron 26 kHz Abtastfrequenz; Prozessor 68010: programmierbareVerstarkung fGr jeden Kanal; Abtastrate und Abtastmodus programmierbar; externe Triggerung mdglich. - EpromresidentesBetriebssystemRTOS-UH rnit PEARL Programmiersprache und 680~~-Assembler; Echtzeit-/Multitasking/Multiuserbetriebssystem.
MeBanordnung mit CCD-Elementen Haupteinsatzbereichvon CCD-Eiementen in der ProzeRi3berwachung ist die Bilderkennungund -verarbeitung. Ein CCD-Element besteht aus einer groBen Anzahl von lichtempfindlichen Pixeln in einem Feld. die einzeln adressiert und ausgelesen werden kdnnen. Nach der digitalen Signakerarbeitung kdnnen 2.6. WerkstOckfehler erkannt und evtl. weitere MaRnahmen eingeleitet werden 141.
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lnterferometrlsche Messungen Seit wenigen Jahren werden auf dem Markt Sensoren zur Abstandsmessung auf Basis eines Interferometers (Micheison-Prinzip)angeboten. Diese Systeme erfordern eine kohlrente und monochromatische Lichtquelle (Laser) und ein justiertes Reflektorsystem. Zur Abstandsmessung
3.1 Konzept des Diagnosesystems
StoRel
Die Diagnose der Fertigungsanlage"Schnellauferpresse"kann auf Basis der hubzahlabhangigen Kennwerte der Maschinendynamik, wie StdBelkippung, horizontale/vertikale Veriagerung und der Analyse des Stdssel-
Oberwerkzeug Tripelreflektor am Oberwerkzeug
~ _ _ ~
Pressentisch
! Laserlichtquelle He-Ne-Laser
, ,
Interface
I
Benutzer
__ ____ Diagnose- und Signalverarbeit ungssoftware
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I
---i
I
- SoftwareseitigeSignalaufbereitungt - digitale Bandsperre, Filter etc. - reitabh. Signale -> kurbelwinkelabhlngige Signale
Unterwerkzeug
I
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Uml&kspiegel am Unterwerkzeug
\
\
Detektor und Verstarkerelektronik
\
Linearteilstrahler am Unterwerkzeug Messaufbau zur interferometrischenStoOelwegmessung wird ein Reflektor eines "Armes' des Interferometersam zu messenden Objekt befestigt. Durch Anderung des Spiegelabstandes lndert sich die Phasenlage des interferierendenLichtes und Whrt zu HELL-DUNKELLibergangen, die detektien und gezlhlt werden kdnnen. Die Anzahl n der HELL-DUNKEL-ubergangeist abhlngig von der Strecke s des beweglichen Spiegels und der Wellenlhge X der Lichtquelle rnit der Beziehung n = 2 s /A.
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- Merkmalsextraktion - Diagnose mit iiberwiegend heuristischen Methoden
- Modifikation der Wissensbasis durch Wissenserwerb (Lernen)
- Statistik - Schwachstellenanalyse - Fehlerstatistik
i i ~
- Dokumentation nach DIN 31053 - ~-1
Konzept des Diagnosesystems
wegverlaufes vorgenommen werden. Diese Kennwerte sind reprlsentative ZustandsgrdBen Wr die Presse und die eingesetzten Werkzeuge /2/. Beispielsweise wird die Standmenge von Werkzeugen neben der Abhan-
.
gigkeit von Werkstiick und Werkzeug entscheidend vom dynamischen Verhalten einer Presse beeinflufit. Die Bestimmung der aktuellen dynamischen Kennwerte 1st eine Grundlage fur die Maschinenirberwachungund den Betrieb eines Online-Diagnosesystems fur schnellaufende Schneidpressen. Schneidpressen mit Hubzahlen > la0 Hirbe/min erfordern eine schnelle Hardware und cptimierte Auswertung der Mendaten, um schnell auf Prozefistbrungen reagieren zu kbnnen. Ein Eingreifen in den laufenden SchneidprozeO ist nicht m6glich.Das entwickelte Konzept des Diagnosesystems wird in dargestellt. Hierzu werden die GrbBen StBRelweg, Horizontaier StBRelweg (=Versatz). PreRkraft und Kurbelwinkeleinzeln oder korreliert ausgewertet. Folgende aus MeRsignalen abgeieitete GroRen werden als Eingangsdaten &r ein Diagnosesystemfiir Schneidpressen herangezogen: Merkmalaruooe 1 - Eintauchtiefe Hubhohe - max. vertikale StbOelverlagerung - vertikale Steifigkeit Maximalkraftbeim Schneiden und beim Stempelrirckzug - Kurbelwinkel bei Kraftanstieg, Maximalkraft. BiechabriR, Kippungsmaximum, Verlagerungsmaximum horizontal Umformzeit - Umformarbeit lsthubzahl zur eingestellten Hubzahl
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Merkmalaruooe 2 Signalverlaufe von vertikalerjhorizontaler StBRelverlagerung. Stdsselkippung. und Kraft-Weg-Verlauf.
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Die erste Gruppe besteht aus Zahlenwerten, die fir jeden Paramter Maschine / Werkzeug / Werkstkk gespeichert werden kbnnen. Der Speicherbedarf hierfur ist im Unterschied zu den Merkmalen der Gruppe 2 gering. Da die Datenmengendurch die Periodizitat in kurzen lntervallengron ist. kann in kuner Zeit ein ProzeRmustervektor aus den Merkmalen gebildet werden. In der Praxiserprobungist angestrebt, die Datenmenge durch Reduzierung der Merkmale zu verkleinern, um zusatzlich Rechnerleistung zu optimieren.
In der zweiten Gruppe sind Merkmale. die aus einer groReren Anzahl von Werten besteht und folglich fcr eine Langzeitspeicherungwenig geeignet sind. Diese Merkmale eignen sich vor allem fGr die Trenduberwachung, zumal die ProzeRrechnerhardware geschwindigkeitsmlRig nicht in der Lage ist, diese Merkmale fur jeden Arbeitshub zu extrahieren.
3.3 Sottwarestruktur des Diagnosesystems In m !ist das Diagnosemoduleines am lnstitut fiir Umformtechntk und Umformmaschinen ers!ellten Diagnosesystems dargestellt. Die Software zur ProzeRdatenverarbeitung besteht aus drei Moduln. die die Daten des AjD-Wandlers beziehungsweise der vorhergehenden Module weiterverarbeiten. Jedes dieser Module steht firr eine Verarbeitungsphase oder -stufe. die aus einem Programmrumpf und einer erlernten bzw. zu erlernenden Struktur bestehen. Die Flexibiiitat der Verarbeitungss o h a r e ist im Bereich der Blechumformungbesonders wichtig, da in einer Presse unterschiedlicheWerkzeuge mit sehr unterschiedlichen Prozendaten verwendbar sein miissen. Eine Abstimmung des Programmsystems auf eine EinzelkombinationPresse-Werkzeug ist in der industriellen Fertigung aus wirtschaftlichen Griinden nicht akzeptierbar. Die Gewinnung der Regeln und der Aufbau von Vergleichsstrukturen erfolgt bei der gewahlten Systemkonzeptiondurch interaktivenAustausch von lnformationen zwischen Benutzer und Maschine. Dieser Vorgang stellt die Lernphase des Systems dar. Die Lernphase wird in drei Schrirte unterteilt, wobei die erste Stufe mit dem Lernen von Regeln und Vergleichsmustern zur Merkrnalextraktion beginnt. Die Lernphase der dritten Stufe unterscheidet sich von der der ersten beiden, da sie im normalen Betrieb des Systems als 'ruhend" angesehen werden kann und nicht beendet ist. Sie wird durch das Auftreten unbekannter Zustande oder den Benutzerhinweis auf eine falsche Diagnose aktiviert. Auf diese Weise ist es mdglich, daO nicht alle Systemzustande des zu uberwachenden Systems bei der Aktivierung der uberwachungsfunktion bekannt sein mussen. Sie werden erst bei einem lingeren Einsatz einer Presse/Werkzeugkombination ermittelt.
3.3.1 Auswertestrategien zur MeRsignalverarbeitung
In den Labor- und Praxisversuchen hat sich gezeigt. daR ~r die verschiedenen Mensignale unterschiedlicheAuswertestrategien angandt werden mussen, um eine sichere Diagnose zu gewihrleisten. Die 2.6. wahrend zwei verschiedener Tiefziehvorgangengemessene Niederhaiterkraftkann z.B. den selben Maximalwert erreichen, hat aber unterschiedliche Kraftanstiegsgradienten,die auf Maschinenstbrungenhinweisen konnen. Folgende Bewertungskrierien wurden in das Diagnosesystem als Moduln eingebunden, und stehen firr alle aufgenommenen Signalverlaufe, sowohl einzeln, als auch in ihrer Kombination zur Verfiigung und konnen bei Bedarf zugeschaltet werden: Maximalwer! des MeRsignals - Differenz der Mensignale im Maximum - Abweichung des Maximalwertes des Mensignals von dem vorgegebenen Referenzwert . Berechnung des Fllchenintegrals der MeRkurve Abweichung des lntegralwertesvon dem vorberechneten Referenzwert Flankensteigungin einem beliebigen Signalsegment - Berechnung der Umformzeit - Haufigkeitsverteilungder Differenzabweichungen des MeRsignals von den Referenzdaten. ~
~
Stufe 1
Stufe 2
Stufe 3
Hypothesen
Referenzmerkmal-
Merkmalextraktion + Referenzmuster
1
I
Merkmalextraktor
I
I Hypothesemodul
Klassifikator
I I I
I I I Diagnosemodul 1
I
I
Prozessmusterfunktionen
Prozessmerkmalvektor
Prozesszustandvektor
Softwareaufbau des Diagnosemoduls
~
3.3.2 Klassifizierung der MeRsignale Voraussetzung fur die Klassifizierung einer Maschinenmessungmit Fehlerbeschreibung ist die Abweichung eines Signalverlaufs aus dem Toleranzband, das durch obere und untere Signalreferenzkurve gebildet wird. zeigt ein MeRsignal. das mit dem Diagnosesystem an einer Ziehpresse analysiert wurde. Dargestellt wird die Abweichung des Krattverlaufes im Druckpunkt eines BlechhalterstbOels vom Toieranrband (stbrungsfreier ProzeO) bei fehlerhafter Produktion. Die Toleranzbander werden in der Lernphase des Systems durch eine definierte Anzahl von Messungen ermittelt. Solange sich alle gemessenen Signalverlaufe innerhalb der entsprechendenToleranzbander befinden. kann von einem storungsfreien Maschinecrzustand ausgegangen werden. Treten Abweichungen auf, ordnet der Rechner auf Basis im bekannter Fehlerklassifizierungendie entsprechende Diagnosemeldungzu oder forden vom Bediener eine neue Fehlerbeschreibung an. Bei den Versuchen an der Karosseriepresse wahrend der Produktion hat es sich als nicht sinnvoll erwiesen, dern System wahrend einer "planmaRigen Lernphase" m i Hilfe von definiert vorgegebenen St6reinflussen 'Fehler Muster" mitzuteilen. Um die iaufende Produktion nicht zu beein-
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Kraftverlauf wahrend des Ziehvorgangs Druckpunkt Blechhalter/ZiehstoBel
tel urn sichere Aussagen fiber Werkzeugzustandoder Maschinenzus:and zu geben. Die bisherigen Erfahrungenbeim Einsatz von optoelektronischen Sensoren in der lndustrie haben gezeigt. daB diesem Sensortyp auf Grund seines berchrungslosen MeOprinzips. seiner hohen Genauigkeit und seiner groOen Dynamik eine bedeutende Rolle zukommt. Durch den Einsatz von CNC- oder SPS-Steuerungen wird es fercer m o p lich, Oaten aus der ProzeOOberwachungals Eingangsinformationenfirr die Steuerung zu verwenden, um eine gute WerkstOckqualitPbei erhdhter Ausbringung zu erreichen. Durch die Integration der Systemkede ProzeBuberwachung. Maschinendiagnoseund ProzeRsteuerung w r d die moderne Urnformmaschine kompletiert
m.
Literatur:
0.2 Krafwerlauf bei Produktionsstdrung und Toleranzband firr storungsfreie Produktion trachtigen. wurde der umgekehrte Weg realisiert. Das System lernt zunachst wahrend der laufenden Produktion "ideaie Gut Muster". In der anschlieRenden Diagnosephase stellt das System nun Abweichungen von den 'Gut Mustern" als "Fehler Mustef fest und fragt deren Unache zur Diagnose ab. In dieser Form wird bei jedem Auftreten einer Stdrung von dem Bediener des Gesamtsystems eine Diagnosemeldung abverlangt und abgespeichert, die zukirnftig im Falle einer Wiederholung dieser Stdrung ausgegeben wird. Auf diese Weise konnte das Hypothesemodul des Systems permanent erweitert werden.
5 fusamrnenfassung Die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellungvon Blechteilen kann durch ProzeOOberwachung und Automatisierungvon mdglichst vielen Teilbereichen einer Anlage verbessert werden. Dabei ist festzustellen, daB die Automatisierung der eigentlichen Umformung mit der dazugehorigen WerkstOckhandhabungin vielen Bereichen schon lange Stand der Technik ist. Der heute immer stgrker auftretendeTrend zu kleinen LosgrbOen, sei es aus GrOnden einer 'Just-in-time'-Fenigung oder wegen einer grooen Teilevielfalt, mingt aber dazu. auch fOr kleinste LosgrdOen, wirtschaftliche Problemlosungen zu entwickeln. In Verbindung mit der zunehmenden Automatisierung von hydraulischen und mechanischen Pressen durch EinsaQ von Steuer- und Regeleinrichtungen kommt der ProzeBirberwa-
Zukunft: Verknirpfung von Diagnose und Maschinensteuerung
ProzeOuberwachung Zukirnftige intelligente Maschinensysteme chung und -diagnose eine immer grdBere Bedeutung zu 151. Diagnosebzw. Oberwachungssysteme. die auf der Basis von Signalauswertung geeigneter Sensoren an Maschine oder Werkzeug arbeiten, sind Hilfsmit-
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