DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Konzipierung einer Tauchtechnik-Anlage für hohe Prüfempfindlichkeiten

D. Gohlke, W. Gieschler, K. Matthies, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin
R. Haß, IBT Ingenieurbüro für Technische Informatik, Ober-Ramstadt
Kontakt: K. Matthies, D. Gohlke

Zusammenfassung

Die zunehmende Auslegung von Werkstoffen und Bauteilen bis dicht an ihre Leistungsgrenzen erfordert von Seiten der zerstörungsfreien Prüfung eine zunehmende Steigerung ihrer Nachweisempfindlichkeit sowie eine Verbesserung ihrer Analysemöglichkeiten. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, wurde eine 7-achsige mit bürstenlosen (AC)-Servomotoren und linearen Servoverstärkern sowie ungetakteten Netzteilen ausgerüstete Tauchtechnik-Anlage aufgebaut, die sich durch eine hohe Störfreiheit auszeichnet und so sehr hohe Prüfempfindlichkeiten gestattet.

Berichtet wird über das Konzept sowie über eine neue zukunftweisende modular aufgebaute Steuer- und Auswerte-Software.

Keywords
Ultraschallprüfung, Hochleistungs-Werkstoffe, großes Prüfvolumen, Tauchtechnik, minimale Störungen, hohe Prüfempfindlichkeit (ERG ³ 20 µm), modular aufgebaute Steuer- und Auswerte-Software

Einleitung

In der heutigen Zeit werden Werkstoffe, Bauteile und Bauteilgruppen in der Konstruktion bzw. in der Auslegung immer öfter bis dicht an ihre Leistungsgrenzen eingesetzt. Um in der Qualitätssicherung bzw. Qualitätskontrolle diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist insbesondere in der zerstörungsfreien Prüfung eine zunehmende Steigerung der Nachweisempfindlichkeit sowie eine Verbesserung ihrer Analysemöglichkeiten erforderlich.

Neben der Prüfempfindlichkeit muss, bedingt durch die immer komplexer werdenden Formen der Prüfstücke, auch die Anzahl der Freiheitsgrade, in Verbindung mit der Möglichkeit einen Prüfkopf entsprechend der Kontur eines Prüfstückes zu verfahren, steigen.

Die Vergangenheit hat außerdem gezeigt, dass in immer kürzeren Abständen eine Steuer- und Auswertesoftware, bedingt durch die fortschreitende Rechnertechnik, aber auch durch eine Veränderung der Anforderungen, erneuert werden muss. Dies ist immer mit hohen Kosten verbunden. Abhilfe schafft ein modulares Konzept, das auf einem Client- Server-Modell basiert. Je nach Prüfaufgabe benutzt das aufgerufene Programm (Client) die Dienste der installierten Module (Server). Eine Funktionserweiterung oder -anpassung ist daher, wenn eine einheitliche Struktur aller Module benutzt wird, sehr einfach möglich.

Abb 1: Tauchtechnik-Anlage für hohe Prüfempfindlichkeiten

Prüfempfindlichkeit

Eine mögliche Erhöhung der Empfindlichkeit ist gerade bei Tauchtechnik-Anlagen, da die auszuwertenden Echos (Eintritts- und Fehlerecho) sehr stark differieren können (bis zu 60-80 dB), direkt von einer Reduzierung der elektrischen Störungen abhängig. Somit ist die Wahl der richtigen Antriebstechnik, da diese für die Größe der elektrischen Störungen in einem besonderen Maße verantwortlich ist, von entscheidender Bedeutung.

Zur Antriebstechnik gehören nicht nur die Motoren, sondern auch die Regelverstärker und die Stromversorgung. Alle drei Komponenten können, bei falsch gewählter Technik, sehr starke elektrische Störungen verursachen. So ist es heute fast üblich, sogenannte Schaltnetzteile wegen ihres geringen Gewichtes einzusetzen. Diese erzeugen aber starke Oberwellenanteile, die sich dann im Ultraschallverstärker wiederfinden lassen und so eine Reduzierung des Signal/Stör-Abstandes verursachen. Das gleiche gilt auch für die Regelverstärker. Sogenannte Puls-Weiten-Modulations (PWM)-Verstärker sind durch ihre kleine Bauweise, ihren hohen Wirkungsgrad und ihren niedrigen Preis nicht zu schlagen, aber durch den ebenfalls sehr hohen Oberwellenanteil den sie erzeugen, reduzieren sie in einem besonders starken Maße den Signal/Stör-Abstand. Abhilfe schafft in beiden Fällen nur die Verwendung von rein analogen Baugruppen mit den Nachteilen der Baugröße und des Preises.

Aus den zuvor gemachten Bemerkungen ergibt sich hinsichtlich der Motortechnik, dass auf Schrittmotore verzichtet werden sollte. Hier stellen Servomotore die bessere Lösung dar. Insbesondere der bürstenlose (AC)-Servomotor zeichnet sich durch eine hohe Störfreiheit und eine hohe Dynamik aus. Das Prinzip dieses Motortyps ist der Abb. 2 zu entnehmen, aus der auch erkennbar ist, dass dieser Motor drei Regelverstärker benötigt, also sehr kostenintensiv ist.

Abb 2: Prinzip des bürstenlosen Servomotors

Manipulation

Abb 3: Beispiel für eine Bedienmaske zur Steuerung einer Anlage mit 7 Freiheitsgraden

Bedingt durch die immer komplexer werdenden Formen der Prüfstücke, muss auch die Anzahl der Freiheitsgrade steigen, um einen möglichen hohen Prüfaufwand (Umspannen der Prüfstücke etc.) zu reduzieren (Abb. 3). Eine moderne Anlage sollte aber auch in der Lage sein, einen Prüfkopf entsprechend der Kontur eines Prüfstückes zu verfahren. Dies erfordert eine entsprechende Berücksichtigung bei der Konzipierung der Antriebstechnik und der Steuersoftware.

Software

Die Software einer Ultraschall-Prüfanlage sollte so konzipiert sein, dass zukünftige Erweiterungen der Messdaten-Aufnahme, -Auswertung und -Präsentation ohne änderung der bestehenden Programmstruktur gewährleistet sind. Diese Vorgabe erzwingt, dass die für eine Prüfung erforderlichen Software-Module über eindeutige und abfragbare Programm-Funktionen verfügen. Für die technische Umsetzung bietet sich daher eine Client-Server-Architektur an (Abb. 4).

Abb 4: Aufbau einer modularen Software

Das Konzept der Client-Server-Architektur geht davon aus, dass ein Software-Modul Dienste bereitstellt (Server), die von Programmen (Clients) auf einem lokalen Rechner oder innerhalb eines Netzwerkes genutzt werden. Den Programmen soll mittels dieser Technik die Möglichkeit gegeben werden, einen allgemeingültigen Zugriff auf die Peripherie zu realisieren, ohne diese direkt auf Hardwareebene anzusprechen. Letztlich soll diese objektorientierte Strategie helfen, Programme zu modularisieren und die Wartung bestehender, sowie die Aufnahme neuer Module zu erleichtern. Gerade dieser Punkt gewinnt zunehmend an Bedeutung, da immer kürzere Lebenszyklen der PC-Hardware zu Problemen bei der Wartung von Prüfanlagen führen können.

Um dieses Ziel zu erreichen, muss ein Interface zur Verfügung gestellt werden, das einem Programm (Client) die Möglichkeit gibt, Server auf einem lokalen Rechner oder im Netzwerk zu identifizieren und sich je nach Bedarf der Dienste dieser Einheit zu bedienen. Zu berücksichtigen ist, dass auch mehrere Programme gleichzeitig auf die Peripherie zugreifen dürfen. Das erzwingt einen "Object Sharing"-Mechanismus, wie er auf Betriebssystemebene von der Dateiverwaltung bekannt ist (differenzierbare Schreib- und/oder Leserechte). So kann zum Beispiel ein Messgerät von mehr als einem Programm gelesen, jedoch nur von einem programmiert werden.

Einen weiteren Vorteil bietet das Einbinden des lokalen Netzwerkes. Dadurch können beispielsweise rechenintensive Module auf Rechner im Netzwerkverbund ausgelagert werden. Die überwachung der Prüfung ist ebenfalls nicht an den Messplatz-Rechner gebunden.

Schlussbemerkung

Bei der Realisierung der Anlage stellte heraus, dass kein Hersteller entsprechender Anlagen in der Lage war, das vorgeschlagene Konzept umzusetzen. So musste dies in Eigenregie erfolgen, also Kauf aller benötigten Einzelkomponenten, Entwicklung und Fertigung nicht zu beschaffender Teile sowie die Montage der kompletten Anlage. Dabei zeigte sich, wie schwierig solch ein "Unternehmen" ist, auch wenn die benötigte Fachkompetenz und Werkstattkapazität vorhanden war. Es sollte sich also niemand dazu hinreißen lassen, "mal schnell" solch eine Anlage aufzubauen. Im Zweifelsfall ist es immer besser und billiger die Fachkompetenz von Herstellern zu nutzen und gemeinsam nach den besten Kompromissen zu suchen, die sie - die Hersteller - in der vorgegebenen Zeit auch umsetzen können.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net