ENTWICKLUNG EINES SENSORSYSTEMS ZUR IN- PROZESS ERMITTLUNG DER WERKSTÜCKFORMÄNDERUNG FÜR WIRKMEDIENBASIERTE FERTIGUNGSVERFAHREN

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1 ENTWICKLUNG EINES SENSORSYSTEMS ZUR IN- PROZESS ERMITTLUNG DER WERKSTÜCKFORMÄNDERUNG FÜR WIRKMEDIENBASIERTE FERTIGUNGSVERFAHREN H. Ermert 1, O. Keitmann-Curdes 1, H. Meier 2, P. Knoll 2 1 Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik, Ruhr-Universität Bochum; 2 Lehrstuhl für Produktionssysteme, Ruhr-Universität Bochum Zusammenfassung Mittels Ultraschall sollen die sich einstellenden Zwischenkonturen während eines Hochdruck-Blechumformprozesses abgebildet werden. Um die dafür zu entwickelnden Rekonstruktionsalgorithmen testen zu können, mussten zunächst Werkzeuge und Softwareumgebungen geschaffen werden, um die Schallausbreitung zu simulieren. Bei der Auswahl des geeigneten Simulationstools muss beachtet werden, welche Anforderungen an die Simulation und die Rekonstruktion in Bezug auf die Geschwindigkeit und die Genauigkeit gestellt werden. Sowohl für die Simulation als auch für die Rekonstruktion wurden bisher zwei verschiedene Verfahren erprobt. Vor allem im Hinblick auf die Echtzeitfähigkeit soll die Rekonstruktion im Rahmen weiterer Untersuchungen auf ihre Einsatzfähigkeit getestet werden. Erste Experimente haben ergeben, dass die Simulationsergebnisse für die Erprobung der Rekonstruktionsalgorithmen geeignet sind, und dass die Rekonstruktion von einfachen Blechkonturen bereits in der Realität durchgeführt werden kann. 1 Einführung Mit Hilfe der Ultraschalltechnik soll der Fortschritt der Umformung eines Blechs im Prozess der Hochdruckumformung untersucht werden. Bei diesem Projekt werden dazu die Ressourcen der Lehrstühle für Hochfrequenztechnik (HFT, Prof. Ermert, Bochum) und Produktionssysteme (LPS, Prof. Meier, Bochum) kombiniert. Am HFT sind bereits Verfahren zur Konturdetektion z. B. bei Gefäßen (Ultraschall von außen durch die Haut bzw. von innen appliziert durch einen Katheter) entwickelt worden, so dass dieses Knowhow genutzt werden kann. Das vorliegende Problem unterscheidet sich jedoch von medizinischen Fragestellungen dadurch, dass das abzubildende Blech eine hochreflektierende Grenzschicht für Ultraschallwellen darstellt, während sich menschliches Gewebe als ein Gemenge von Einzelstreuern charakterisieren lässt. Bild 1 beschreibt den prinzipiellen Aufbau des geplanten Sensor-Systems, wobei zu beachten ist, dass bei diesem Abbildungsverfahren ein großes Gewicht auf der Verwendung von a priori-wissen liegt. So ist bei jedem Abbildungsvorgang bekannt, wie

2 die Ausgangsposition und die Endposition (Matrize) des Blechs sind, und wie die Blechkontur zum Zeitpunkt der vorherigen Abbildung ausgesehen hat. Ausgangsposition Zwischenposition Endposition Matrize Blech A priori Wissen & Objektmodell Wirkmedium Sensorplatte Bildgebung Bild 1: Schematischer Aufbau des Sensorsystems. Die Bildgebung basiert auf den Ultraschallsignalen und der Verwendung von a priori-wissen. Durch die Gutachter der DFG wurden bei der Genehmigung des Projekts Auflagen gemacht, die zu veränderten Arbeitspaketen geführt haben. Die Vorgehensweise in diesem Projekt gliedert sich nun wie folgt: Konstruktion und Aufbau von zwei Versuchseinrichtungen Simulation der zu erwartenden Ultraschallsignale mit zwei Methoden Entwurf von zwei Rekonstruktionsverfahren Durchführen von Experimenten 2 Ergebnisse 2.1 Simulation Um die zu entwickelnden Rekonstruktionsalgorithmen testen zu können, und einen Überblick über die zu erwartenden Phänomene zu erhalten, war es notwendig, die Möglichkeit zur Simulation von Schallsignalen zu schaffen. Für die Simulation der Schallausbreitung zur Blechoberfläche und zurück boten sich zwei Verfahren an, die parallel realisiert wurden. Jedes dieser Verfahren besitzt spezielle Vorteile und erst die Kombination beider Verfahren bietet eine optimale Simulationsumgebung. Bei der quasi-optischen Simulation (siehe Bild 2) wird von einer strahlenphysikalischen Ausbreitung des Schalls ausgegangen. Durch die Betrachtung von

3 diskreten Ultraschallstrahlen ist es möglich, diese Simulation sehr schnell durchzuführen. Sie ist damit gut geeignet für die iterative Anpassung von Simulationsparametern, wobei die Simulation für verschiedene Parameter immer wieder durchgeführt werden muss. Ebenso kann mit diesem Verfahren sehr einfach der Einfluss Bild 2: Grundlage für die Berechnung der Laufzeiten in der quasi-optischen Simulation. Es werden dabei alle Kombinationen von Sendeelement Blechkonturabschnitt Empfängerelement betrachtet. Die räumlichen Strahlungscharakteristiken der Ultraschallwandler sowie die Reflexionseigenschaften der Blechkontur werden zusätzlich berücksichtigt, um die einzelnen Empfangsschallsignale zu erhalten ,00 0,04 1,0 0,8 z[mm] t[ms] 0,08 0,12 0,6 0,4 0 0,16 0, x [mm] 0, Empfänger 0,0 Bild 3: Beispiel für die wellenphysikalische Simulation mit einem Ultraschallsender (ο), 16 Ultraschallempfängern ( ) und einer parabelförmigen Blechkontur (links). Es wird zunächst der Schalldruck auf der Blechkontur berechnet. Dieses Ergebnis ist anschließend die Grundlage für die Simulation der Signale an den 16 Empfängern (rechts).

4 der Charakteristiken der Sensoren und der Blechoberfläche untersucht werden. Die Vereinfachungen in dem dieser Simulation zugrunde liegenden Modell bedingen jedoch eine geringere Genauigkeit im Vergleich zu dem anschließend vorgestellten wellenphysikalischen Modell. Bei diesem wellenphysikalischen Modell auf der Basis des Huygens schen Prinzips (siehe Bild 3) ist es möglich, die bei der Ausbreitung von akustischen Wellen auftretenden Effekte der Beugung und der Interferenz zu berücksichtigen. Durch diese Vorgehensweise sind die Ergebnisse genauer als bei der strahlenoptischen Simulation, wobei die Genauigkeit zu Lasten der Rechenzeit bei der Simulation geht. Dieses Verfahren ist sehr gut geeignet für die abschließende Überprüfung aller Simulationsparameter im Hinblick auf eine bestmögliche Übereinstimmung mit der Realität. Beide Simulationsverfahren wurden für die erste Erprobung zunächst in 2,5D realisiert. 2.2 Rekonstruktion Im Rahmen der bisherigen Arbeiten wurden zwei verschiedene Verfahren entworfen, die aus einer gegebenen Schalldruckverteilung (simuliert oder gemessen) den Verlauf der Blechkontur rekonstruieren. Im weiteren Verlauf dieses Projekts werden ggf. noch weitere Verfahren erprobt, um anschließend das für die gegebene Fragestellung am besten geeignete Verfahren bzw. die am besten geeignete Kombination verschiedener Verfahren zu finden. Zurzeit werden folgende Verfahren betrachtet: Allgemeine synthetische Apertur-Verfahren Stützpunktberechnung durch datenbasierte Verfahren (siehe Bild 4) Parameterschätzung durch bildpunktbasierte Verfahren (siehe Bild 5) Bild 4: Anhand der Ultraschallsignale werden möglich Reflektorpositionen im Raum berechnet (große Punkte, links). Durch eine Gewichtung ist es danach möglich, nur die Reflektorpositionen zu markieren, die tatsächlich Beiträge zu den Ultraschallsignalen geliefert haben. Die Tangenten an den entsprechenden Stützpunkten bilden dann die jeweiligen Abschnitte der Blechkontur (rechts). 2.3 Experimente Es wurde bereits ein experimenteller Aufbau entworfen (siehe Bild 6), mit dem erste Experimente in Bezug auf die Empfangseigenschaften der Ultraschallwandler und auf die Rekonstruktion der Blechkontur möglich sind. Dabei wird zur Zeit ein fester Sendewandler und ein bewegter Empfangswandler benutzt, der an verschiedenen Empfängerpositionen platziert wird.

5 Die ersten Experimente haben gezeigt, dass die Rekonstruktion von Blechkonturen aus gemessenen Ultraschallsignalen möglich ist (siehe Bild 7). m -0,5-0,3-0,1 0,1 0,3 0, b [mm] z [mm] x [mm] Bild 5: Parameterschätzung durch bildpunktbasierte Verfahren. Die Blechkontur wird aus Geradenstücken zusammengesetzt, die jeweils durch die Parameter Steigung m und Achsenabschnitt b beschrieben werden. Links zu sehen ist eine Karte, die Geraden (mit den entsprechenden Parametern m und b) ein Maß für das Vorhandensein in der Kontur zuordnet (je heller, desto wahrscheinlicher). Aus dieser Karte kann die Kontur durch z. B. Schwellwertverfahren bestimmt werden (rechts, das Ergebnis stellt die rekonstruierte Kontur zu dem Beispiel in Bild 3 dar). Computer Verfahreinheit (3D) Signalempfänger Verfahreinheit Signalgenerator Sensorhalterungen US- Wandler Blech US- Wandler Beispielblecempfänger Signal- (Oszilloskop) Signalgenerator (DFG- Leihgabe) Bild 6: Schema des Experimentalaufbaus (links) und Bild der technischen Realisation

6 -z x y Zeit [µs] Empfänger m -0,5-0,3-0,1 0,1 0, b [mm] (rechts) z [mm] x [mm] Bild 7: Experimenteller Nachweis der prinzipiellen Rekonstruierbarkeit der Blechkontur: Ebenes Blech mit Knick (2,5 D, oben links), Zeitverlauf der Schallsignale aufgetragen über alle Empfangswandler (vgl. Bild 3, oben rechts), Wahrscheinlichkeitskarte (vgl. Bild 5, unten links) und rekonstruierte Kontur (unten rechts) 3 Zusammenfassung und Ausblick Es wurde gezeigt, dass Ultraschall-Feldverteilungen nach der Reflexion an Blechkonturen simuliert werden können. Mit den Ergebnissen der Simulation bzw. mit gemessenen realen Schallsignalen kann die Rekonstruktion von Blechkonturen durchgeführt werden. Die Genauigkeit der Rekonstruktion wird durch die Anzahl und die Positionierung der Sensoren festgelegt. Erste Experimente haben die Simulationsergebnisse belegt und die prinzipielle Rekonstruktion von Blechkonturen in der Realität bestätigt. Sowohl die Simulation als auch die Rekonstruktion stellen momentan Zwischenergebnisse dar, an deren Qualität kontinuierlich gearbeitet wird. Im weiteren Verlauf dieses Projekts wird die Erweiterung der Software auf drei Dimensionen durchgeführt. Die bestehende Software wird dabei weiter optimiert. Es wird eine Hochdruckzelle in Betrieb genommen, um Sensoren auf ihre Funktion unter hohen Drücken zu untersuchen, die ebenfalls im Rahmen

7 weiterer Arbeiten hergestellt werden. Daneben werden Versuche mit einem nahezu realisierten zweiten Versuchsaufbau durchgeführt werden, bei dem zwei Sensoren unabhängig voneinander, automatisiert und kollisionsfrei verfahren werden können.