DE4217007A1

DE4217007A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Sicherung der Produktqualität

Info

Publication number: DE4217007A1
Application number: DE4217007A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Dr Grabner
Original assignee: Institut Dr Friedrich Foerster Pruefgeraetebau GmbH and Co KG
Current assignee: Institut Dr Friedrich Foerster Pruefgeraetebau GmbH and Co KG
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1993-11-25
Also published as: US5576967A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Produktqualität einer Produktionsanlage.

Es ist bekannt, die von einer Produktionsanlage produzierten Gegenstände kontinuierlich zerstörungsfrei zu überprüfen. Dabei werden Wirbelstrom-, Streufluß-, Ultraschall-, Röntgen- und andere physikalische Wirkprinzipien verwendet. Üblicher weise erzeugen die Prüfsysteme analoge Prüfsignale. Diese werden auf Monitoren dargestellt, um die Produktqualität ab lesen zu können. Üblicherweise wird ein Schwellenwert angege ben, bei dessen Über- bzw. Unterschreiten ein Alarm oder eine sonstige Fehlermeldung erzeugt wird. Häufig werden auch die Überschreitungen der Grenzwerte gezählt und die Anzahl von Überschreitungen als Qualitätsmaß oder Fehlermaß verwendet.

Bei diesen bekannten Verfahren kann jeweils nur berücksich tigt werden, ob ein Schwellenwert überschritten ist oder nicht. Es können daher kleinere Signale, die unterhalb der festgelegten Schwellenwerte liegen, nicht berücksichtigt wer den. Es wird daher ein Teil des Informationsgehalts der Prüfsignale nicht berücksichtigt. So kann z. B. ein langsamer Anstieg von Fehlern vor Erreichen des Schwellenwerts nicht erfaßt oder verfolgt werden. Gerade dieses Verhalten wäre aber von großer Bedeutung, wenn man das zukünftige Verhalten beschreiben will, also beispielsweise sagen können will, daß in Kürze möglicherweise die Produktionsanlage fehlerhaft ar beiten wird. Beispielsweise lassen sich die sich häufig nur in der Struktur des sogenannten Störsignals abbildenden ge ringfügigen Rauhigkeitsunterschiede der Materialoberflächen oder unterschiedliche chemische Zusammensetzungen nicht er kennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, daß eine empfindlichere und objektive Aussage über die Qualität und die Veränderung der Qualität des Produkts ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung schlägt ebenfalls eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vor.

Die Erfindung ermöglicht es, durch Berücksichtigung auch kleinster Signalamplituden und deren Schwankungen eine hohe Empfindlichkeit bei der Qualitätsprüfung zu erreichen und schafft die Möglichkeit, objektiv aus der Statistik des Prüf signals abgeleitete Zahlenwerte als qualitätsbeschreibende Kenngrößen, auch Merkmale genannt, herzuleiten. Diese in di gitaler Form vorliegenden Merkmale machen es möglich, die Produktqualität auch zeitlich zu verfolgen und so Änderungen der Produktqualität in ihrem Trend festzuhalten. Eine statis tische Auswertung der Merkmale ist ebenfalls möglich. Durch das Vorliegen der Merkmale ist eine leichte Kopplung an ei nen Computer, beispielsweise an einen übergeordneten Prozeß rechner möglich. Die Ergebnisse lassen sich als Balkendia gramm oder in sonstiger Weise auf einen Monitor darstellen, ggf. direkt im Vergleich mit einem Sollvektor.

Die Erfindung schlägt in Weiterbildung vor, daß die Amplitu denhäufigkeitsverteilung vor dem Ableiten der Merkmale loga rithmiert wird. Auf diese Weise läßt sich die Bedeutung von Ereignissen mit geringer Häufigkeit, die aber große Fehler darstellen, besser hervorheben.

In Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß die Merkmale durch abschnittsweise Integration der Amplitudenhäufigkeitsvertei lung bestimmt werden. Diese Integration kann durch Summenbil dung über Bereiche der Häufigkeitsverteilung mit bestimmten Grenzen erfolgen. Diese Grenzen können je nach Art der Anla ge, des Überwachungsproblems und der gewünschten Genauigkeit festgelegt oder auch verändert werden.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Amplitudenver teilung während der Auswertung der Merkmale zwischengespei chert wird. Damit ist dann eine kontinuierliche Anzeige möglich, wobei immer dann, wenn eine neue Auswertung erfolgt ist, das Bild an dem Bildschirm umschaltet.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß der ermittelte Merkmalsvektor optisch bzw. graphisch angezeigt wird, insbe sondere zusammen mit einem Sollvektor.

Was bislang für die Verarbeitung eines einzelnen Prüfsignals angegeben wurde, läßt sich insbesondere auch in gleicher Weise für zwei oder auch mehr Prüfsignale durchführen. Eine Multiplexer-Einrichtung kann dafür sorgen, daß alle Prüfsig nale quasi gleichzeitig verarbeitet und angezeigt werden kön nen.

Die Erfindung schlägt in Weiterbildung vor, daß zusätzlich mindestens ein den Zustand der Produktionsanlage darstellen des Prozeßsignal erfaßt und in gleicher Weise verarbeitet wird wie das Prüfsignal. Es ist auch denkbar, ein Verfahren zur Überwachung der Produktionsanlage ausschließlich mit Prozeßsignalen durchzuführen, die in ähnlicher Weise verar beitet werden wie dies oben für das Produktsignal beschrieben wurde.

Erfindungsgemäß kann in Weiterbildung vorgesehen sein, daß der Merkmalsvektor des Prüfsignals und der Merkmalsvektor des Prozeßsignals statistisch ausgewertet, überprüft und auf Vor liegen von Korrelationen untersucht werden. Auf diese Weise wird es möglich, nach Gemeinsamkeiten in den Merkmalsvektoren zu suchen, um ggf. auf diese Weise die Fehlerursachen direkt finden und in ihrem Frühstadium beseitigen zu können.

Als Prozeßsignal können beispielsweise Vibrationen, Tempera turen oder auch Stromaufnahmen verwenden werden.

Die Erfindung schlägt in Weiterbildung vor, daß die Merkmals vektoren gespeichert und aus einem Vergleich eine Aussage über einen Trend abgeleitet wird.

Beispielsweise kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, über eine bestimmte Losgröße für jedes Merkmal den Mittelwert und die Standardabweichung zu ermitteln und festzuhalten. Wenn es sich bei dem Produkt, dessen Qualität überwacht werden soll beispielsweise um ein Blech handelt, so wird die Größe bzw. Länge des Bleches als Losgröße verwendet. Man hat dann auf grund der Speicherung dieser genannten Werte eine dem Blech direkt zugeordnete Aussage über die Qualität des Bleches, die als Herstellungsprotokoll ausgedruckt und dem Abnehmer des Blechs mitgegeben werden kann. Der Empfänger des Bleches er hält also nicht nur eine Aussage, daß das Blech die erforder liche Qualität aufweist, sondern auch eine Aussage über die Abweichungen von dem Sollwert über die gesamte Größe des Blechs.

In nochmaliger Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß eine derartige Ermittlung über größere Abstände durchgeführt wird, um daraus eine Aussage über die Prozeßfähigkeit der Vorrich tung zu machen. Diese Abstände können beispielsweise groß ge genüber der Losgröße sein.

Zur besonders einfachen Ablesemöglichkeit kann vorgesehen sein, daß dann, wenn der Wert eines Merkmals einen bestimmten Grenzwert überschreitet, der auf dem Bildschirm als Balken dargestellte Merkmalswert anders angezeigt wird, beispiels weise durch eine Änderung einer Schraffur oder eines Grautons des Balkens, insbesondere aber durch einen Farbumschlag in eine auffällige Farbe. Sobald der Wert wieder unterschritten wird, erfolgt eine Änderung der Anzeige in umgekehrter Rich tung.

Die von der Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung ist so auf gebaut, daß sie die eingangs genannten Verfahrensschritte durchführen kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung er geben sich aus den Ansprüchen, der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeich nung. Die Ausführungsform beschreibt die Anwendung des Ver fahren bei dem Überwachen der Qualität des Produkts einer Drahtwalzstraße, wobei das Prüfsignal beispielsweise als Wirbelstromsignal erzeugt wird. Dies ist aber nur ein mögli ches, bevorzugtes Anwendungsbeispiel, das im Hinblick auf andere Arten von Produktionsanlagen im Rahmen der Erfindung abgeändert werden kann. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

Fig. 2 in zeitgestrecktem Maßstab den Verlauf des Prüf signals;

Fig. 3 die Amplitudenhäufigkeitsverteilung des Prüfsignals;

Fig. 4 die logarithmierte Amplitudenhäufigkeitsverteilung des Prüfsignals;

Fig. 5 die Summenhäufigkeitswerte der Verteilung über bestimmte Bereiche;

Fig. 6 eine mögliche graphische Anzeige eines Merkmalsvek tors im Vergleich zu einem Sollvektor;

Fig. 7 eine dreidimensionale Darstellung der Merkmalsvek toren über einen bestimmten Zeitraum.

Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild die Anwendung des Ver fahrens an einer Drahtwalzstraße, mit der ein Draht herge stellt wird. Letzter Teil dieser Drahtwalzstraße ist ein Walzgerüst 1, das der Draht 2 verläßt. Der Draht 2 wird dann durch eine Wirbelstromdurchlaufspule 3 hindurchgeführt und anschließend gekühlt. In der Wirbelstromspule 3 wird ein Prüfsignal aufgrund eines gemessenen Wirbelstroms erzeugt. Zu der Wirbelstromspule gehört das Prüfgerät 4. Das erzeugte Prüfsignal bzw. die erzeugten Prüfsignale liegen in Form eines analogen Spannungssignals vor. Dieses analog vorliegende Spannungssignal wird über eine Multiplexereinheit 5 an einen Analogdigitalwandler 6 gelegt. In diesem wird das Signal di gitalisiert. Anschließend gelangt es an einen Signalprozes sor 7, der die Auswertung und Verarbeitung des Prüfsignals durchführt. Der Signalprozessor ist mit einem Computer 8 ver bunden, der zur Steuerung und Durchführung weiterer Vorgänge verwendet werden kann. Insbesondere enthält der Computer ein Datensichtgerät 9 und eine weitere Ausgabeeinheit 10. Auf dem Bildschirm 9 läßt sich das Prüfsignal in der von der Erfin dung vorgeschlagenen Form darstellen, insbesondere im Ver gleich mit einem Sollqualitätssignal. Es ist selbstverständ lich möglich, über eine entsprechende Programmierung des Com puters dafür zu sorgen, daß auch Merkmalsvektoren anderer Prüfsignale oder sonstige statistische Angaben angezeigt wer den können.

Für weitere Zwecke kann vorgesehen sein, daß sich die Ergeb nisse auch ausdrucken lassen, beispielsweise mit Hilfe der Ausgabeeinheit 10.

Fig. 2 zeigt nun den Verlauf des Prüfsignals als Spannung gegenüber der Zeit. Die geringen Abweichungen gegenüber einer erkennbaren Normallinie stellen den fehlerfreien Draht dar, während Ausschläge nach beiden Seiten Fehlerstellen anzeigen.

Fig. 3 zeigt die von dem Signalprozessor 7 ermittelte Häu figkeitsverteilung, wobei auf der Abszisse der Meßwert des Prüfsignals aufgetragen ist, also beispielsweise eine Span nung in Volt, während die Ordinate die Anzahl der Amplituden innerhalb der Meßzeit darstellt. Wie nicht anders zu erwarten ist, liegt ein scharfes Maximum der Häufigkeitsverteilung bei dem Wert, der dem fehlerfreien Draht entspricht. Es ist aber zu sehen, daß beidseits des steilen Abfalls noch kleine loka le Spitzen vorhanden sind, die eine Fehlererscheinung anzei gen können. Um diese Ereignisse, die selten auftreten, aber einen Fehler kennzeichnen, deutlicher berücksichtigen zu können, bildet der Signalprozessor den Logarithmus der Häu figkeitsverteilung, der in Fig. 4 dargestellt ist.

Der Spannungsbereich wird nun in einzelne Bereiche aufge teilt, beispielsweise in den Bereich von a nach b in Fig. 4. Über diese Bereiche erfolgt nun jeweils eine Integration der Häufigkeitsverteilung, und die sich daraus ergebenden Werte nämlich die Häufigkeitswerte innerhalb der Bereiche, sind in Fig. 5 dargestellt. Diese in Fig. 5 dargestellten Werte stellen nun die Merkmale des Prüfsignals dar. Man kann durch Auswahl der Größe der Bereiche, über die integriert wird, die Zahl der Merkmale und damit die Genauigkeit definieren. Dies kann je nach Einzelfall und Erfordernissen durchgeführt wer den. Die den Amplituden der Balken in Fig. 5 entsprechenden Werte stellen somit die Komponenten des Merkmalsvektors dar. Auf dem Datensichtgerät 9 der Fig. 1 können nun diese Merk male jeweils eines Vektors beispielsweise als Balkendiagramm dargestellt werden, siehe Fig. 6. In Fig. 6 stellen die etwas breiteren freibleibenden Balken die Merkmale des Vek tors des Prüfsignals dar, während zum Vergleich etwas schma ler und schraffiert die Merkmale eines Sollvektors darge stellt sind. Fig. 6 könnte beispielsweise direkt das auf einem Monitor erscheinende Bild sein. In Fig. 6 beschreiben die rechts zu sehenden Merkmale einen Fehler.

Die Merkmalsvektoren werden mit gewissem zeitlichen Abstand graphisch dargestellt. Es ist nun möglich, aufgrund des Vor liegens der Merkmale als Zahlen die Merkmalsvektoren mit ge ringem Aufwand zu speichern und dadurch einen Trend darzu stellen. Eine derartige Darstellung ist in Fig. 7 versucht, wo der rechts zu sehende Pfeil 11 die positive Zeitachse dar stellen soll. Es sind also einzelne Merkmalsvektoren als Balkendiagramme von hinten nach vorne fortlaufend darge stellt. Es läßt sich auf einen Blick feststellen, daß die Merkmalsvektoren zum Zeitpunkt T1, T4 und T5 Fehler abbilden.

Was in Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 7 für die Merkmals vektoren des Prüfsignals dargestellt und beschrieben wurde, läßt sich auch für Prozeßsignale durchführen, d. h. für Signa le, die sich aus irgendeinem Zustand der Produktionsanlage ableiten lassen. Dies ist in Fig. 1 schematisch dadurch dar gestellt, daß auch ein Prüfgerät 12 für das Walzgerüst darge stellt ist. Dieses Prozeßsignal wird in gleicher Weise mit ähnlichen Einrichtungen 13 bis 15 aufbereitet und dem Compu ter 8 zugeführt. Wenn man über eine gewisse Zeit auch Merk malsvektoren von Prozeßsignalen speichert und statistisch bewertet, so kann man die Signale auf eine Korrelation zwi schen Prozeßsignalen und Prüfsignalen untersuchen. Es ist auf diese Weise möglich, zu untersuchen, welche Prozeßsignale und Prüfsignale zusammenhängen. Dann kann man ggf. auf einen ur sächlichen Zusammenhang schließen.

Aufgrund des Vorliegens von Merkmalsvektoren in digitalisier ter Form lassen sich statistische Auswertungen der unter schiedlichsten Art durchführen. Durch die Ermittlung und Aufzeichnung der Mittelwerte und Standardabweichungen aller Merkmale für eine bestimmte Losgröße, die je nach Werkstück gewählt wird, lassen sich Aussagen über die Qualität des Werkstücks machen, die weit über die Beantwortung der Frage hinausgehen, ob die Qualität ausreicht oder nicht. Dem Bezie her eines Werkstücks, beispielsweise eines Bleches einer be stimmten Größe, kann ein Qualitätsprotokoll mitgegeben wer den, aus dem er die Qualität praktisch an jeder Stelle des Bleches ersehen kann. Durch Mittelwertbildungen und Berech nungen von Standardabweichungen über längere Zeiträume läßt sich eine Aussage über die Prozeßfähigkeit der Herstellungs anlage durchführen, d. h. eine Aussage darüber, ob die Produk tionsanlage in der Lage ist, die Produktqualität zu erfüllen. Es lassen sich auf diese Weise Grundlagen dafür ermitteln, ob und ggf. auch welche Korrekturmaßnahmen an der Produktionsan lage durchgeführt werden müssen, damit im Endergebnis ein qualitativ hochwertiges Produkt gewährleistet wird.

Claims

1. Verfahren zur Überwachung der Produktqualität einer insbesondere kontinuierlich arbeitenden Produktionsan lage, bei dem

1.1 mindestens ein Prüfsignal für das Produkt erzeugt wird,
1.2 das Prüfsignal digitalisiert wird,
1.3 aus dem digitalisierten Prüfsignal eine Häufigkeitsver teilung bestimmt wird,
1.4 aus der Häufigkeitsverteilung Merkmale für die Produkt qualität abgeleitet werden,
1.5 die Merkmale zu einem Merkmalsvektor zusammengefaßt wer den, und
1.6 der Merkmalsvektor zur Bestimmung der Produktqualität mit einem Sollvektor verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Amplitudenhäufig keitsverteilung vor dem Ableiten der Merkmale logarith miert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Merkmale durch abschnittsweise Integration der Amplitudenhäufig keitsverteilung bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Integration durch Summenbildung über Bereiche der Häufigkeitsverteilung mit bestimmten Grenzen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Grenzen der Be reiche verändert werden können.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Meßwerte zwischengespeichert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der ermittelte Merkmalsvektor optisch bzw. graphisch angezeigt wird, inbesondere zusammen mit dem Sollvektor.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mit Hilfe eines Multiplexers (5, 13) gleichzeitig Merkmalsvektoren mehrerer Prüfsignale bestimmt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein den Zustand der Produktionsanlage darstellendes Prozeßsignal erzeugt und in ähnlicher Wei se bearbeitet wird wie das Prüfsignal.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Merkmalsvektor des Prüfsignals und der Merkmalsvektor des Prozeßsignals korrelativ verknüpft werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Merkmalsvektoren laufend gespeichert werden und aus dem Vergleich der Merkmalsvektoren untereinander ei ne Aussage über einen Trend abgeleitet wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für jedes Merkmal über eine bestimmte, insbesondere einstellbare, Losgröße der Mittelwert und die Standard abweichung ermittelt und festgehalten werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für jedes Merkmal über große zeitliche Abstände der Mit telwert und die Standardabweichung ermittelt und festge halten werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem dann, wenn ein Merkmalswert einen voreingestellten Wert überschreitet, eine Änderung der Anzeige des Merkmals erfolgt, insbesondere eine Änderung der Farbe des darge stellten Balkens.

15. Vorrichtung zur Überwachung der Produktqualität einer Produktionsanlage, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit

15.1 einem Prüfgerät (4) zum Erzeugen eines Prüfsignals für das Produkt,
15.2 einem Signalprozessor (7),
15.3 einem Analogdigitalwandler (6, 14),
15.4 einem Multiplexer (5, 13),
15.5 einer Logarithmierschaltung sowie
15.6 einer Auswerteinrichtung sowie
15.7 einer Anzeigeeinrichtung für das ausgewertete Prüfsig nal.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei dem der Signalprozes sor (7) zwei im Wechsel betriebene Speicher für das Meßsignal und/oder die Amplitudenhäufigkeitsverteilung des Prüfsignals aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16 mit einem Anschluß für einen Computer (8).

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, mit einem Anschluß für eine optische und/oder akustische Frühwarneinrichtung.