Rationelle, auf die jeweilige Produktgruppe zugeschnittene Prüfsysteme spielen bei modernen Fertigungsprozessen eine immer größere Rolle.

Der Tischprüfstand für die Geräusch- und Funktionsprüfung von EC-Antrieben ist schnell umrüstbar und eignet sich so auch für die Prüfung kleinerer Losgrößen.

© RTA Akustik + Prüftechnik

Die akustische Qualitätskontrolle, bei der das Klangbild eines Prüflings analysiert und daraus auf Fehler geschlossen wird, lässt sich mittlerweile gut in automatisierte Produktionslinien integrieren und mit weiteren Prüfeinrichtungen kombinieren, zum Beispiel für einen elektrischen Funktionstest. Entsprechend ausgelegt eignen sich solche Prüfplätze dann nicht nur für die Integration in vollautomatisierte Produktionslinien, sondern durchaus auch als manuelle Prüfplätze für die Qualitätskontrolle bei kleineren Losgrößen.

Die Firma ebm-Papst mit Sitz in St. Georgen entwickelt und fertigt Lüfter und Motoren für sehr viele unterschiedliche Einsatzbereiche. Hierzu gehören beispielsweise die EC-Motoren der Baureihe ECI 63. Diese sind für Anwendungen ausgelegt, die von der Antriebslösung präzise Regelbarkeit, hohe Dynamik und eine lange Lebensdauer auch bei Volllastbetrieb verlangen. Ein typischer Einsatzbereich für die kompakten EC-Antriebe sind Operationstische, die sich in nahezu alle denkbaren Richtungen verstellen lassen, und so quer durch alle chirurgischen Disziplinen eine optimale Patientenlagerung ermöglichen.

Die Antriebseinheiten der Verstellachsen müssen dabei sehr hohen Qualitätsanforderungen genügen, weshalb jeder Einzelne von ihnen in St. Georgen nach der Fertigung auf „Herz und Nieren" geprüft wird. Diese Aufgabe übernimmt das Prüfsystem Prodias2000 der Firma RTE Akustik + Prüftechnik, das die EC-Antriebe automatisch auf Geräusch und Funktion prüft. Dabei erfassen Sensoren die Schwingungen der zu prüfenden Produkte.

Mit den gemessenen Funktions- und Sicherheitsmerkmalen wie Drehzahl, Stromaufnahme oder Hochspannungsfestigkeit wird gleichzeitig die funktionale und akustische Qualität der Antriebe beurteilt; schließlich vergleicht das Prüfsystem die Messwerte objektiv mit eingelernten Gutmustern.

Akustisches Prüfverfahren erkennt auch minimale Abweichungen

Die Kombination des bei Antrieben obligatorischen elektrischen Funktionstests mit einem akustischen Prüfverfahren erwies sich als sinnvoll, weil sich auf diese Weise akustisch Fehler erkennen lassen, die ein reiner Funktionstest nicht aufspüren kann. Messwerte wie Strom, Drehmoment, Winkel oder Drehzahl ermöglichen keine Analyse der Eigenschaften des kompletten Antriebssystems. Sie geben beispielsweise keinen Aufschluss über die Qualität der Getriebeverzahnung oder die Lagerfluchtung.

Hier wird das akustische Prüfverfahren zum unersetzlichen Helfer. Es „hört" auch kleinste Abweichungen vom Sollzustand. Damit lassen sich zum Beispiel minimale Fehler in der Getriebeverzahnung ebenso aufdecken, wie jede auch noch so geringe Lagerunwucht, welche sich im späteren Betrieb verkürzend auf die Lebensdauer auswirken könnte. Solche Fehler wären bei einer zusammengebauten Antriebseinheit mit anderen Methoden nicht mehr auffindbar.

Zwar könnte die akustische Qualitätskontrolle prinzipiell auch ein Mitarbeiter übernehmen - vor nicht all zu langer Zeit war dies durchaus üblich beziehungsweise Stand der Technik. Macht sich ein defekter Antrieb durch lautes Klappern oder Brummen bemerkbar, ist das menschliche Ohr hierfür durchaus ein geeignetes „Prüfinstrument". Anders sieht es bei minimalen Abweichungen vom Sollzustand aus. Und selbst das geschulteste Ohr arbeitet zudem immer subjektiv, liefert nie genau reproduzierbare Ergebnisse und tut sich bei häufigeren Produktwechseln schwer.

Eine objektive Qualitätsaussage lässt sich so demnach keinesfalls garantieren. Hinzu kommt, dass solch subjektiv gewonnene Ergebnisse nicht dokumentierbar sind. Hier kann das automatische Prüfsystem weitere Vorteile ausspielen, denn alle Messergebnisse - sowohl die der akustischen als auch der elektrischen Prüfung - werden automatisch dokumentiert. Dabei sind nicht nur Aussagen über den einzelnen Prüfling möglich, sondern auch über die gesamte Fertigungsqualität. Trends sind so frühzeitig erkennbar.

Prüfstandsanpassung innerhalb weniger Sekunden

Da die EC-Antriebe in unterschiedlichen Varianten und vergleichsweise kleinen Losgrößen produziert werden, erfolgte der Aufbau des Prüfstands modular. Je nach zu prüfendem Antriebstyp lässt sich innerhalb weniger Sekunden das entsprechende Modul mit der passenden Motorhalterung einsetzen. Ein Umrüsten auf eine andere Antriebsvariante ist damit jederzeit einfach und schnell möglich. Ist der Prüfstand für die aktuell zu kontrollierenden Antriebe eingerichtet, werden die Prüflinge nacheinander manuell eingelegt und per Schnellspannsystem befestigt.

Im Anschluss an die vorgeschaltete Initialisierung des Antriebes über CANopen startet die komplette Prüfung, welche maximal 45 Sekunden dauert. Dazu wird zunächst über die im Prüfsystem integrierte Auftragsverwaltung ein Fertigungsauftrag ausgewählt. In diesem ist die zu prüfende Variante aus Motor und Getriebe hinterlegt. Das Prüfsystem hat damit alle relevanten Informationen, weiß also, um welchen Antriebstyp es sich handelt und welche zuvor eingelernten Gutmuster Grundlage für die Bewertung der Mess-Ergebnisse sind.

Nach erfolgreicher VDE-Sicherheitsprüfung wird jeder Antrieb entsprechend der hinterlegten Vorgaben im Leerlauf und unter Last sowohl elektrisch als auch akustisch geprüft. Da sich die Drehzahl der Antriebe während der Prüfung ändert und Drehzahlrampen durchfahren werden, wurde das akustische Prüfverfahren entsprechend modifiziert.

Das heißt: Die während des Tests von den zwei im Prüfstand integrierten Körperschallsensoren gemessenen Schwingungen werden nicht nur im Zeit- und Frequenzbereich bewertet. Bei einer klassischen Spektralanalyse mit konstanter Abtastfrequenz gäbe es nämlich Schwierigkeiten, weil die drehzahlabhängigen Frequenzen ihre Lage im Spektrum ändern. Dies lässt sich aber mit einer drehwinkelsynchronen Signalabtastung oder Ordnungsanalyse vermeiden.

Ist der Prüfling im einfachsten Fall ein Motor ohne nachgeschaltetes Getriebe, wird die Ordnungsanalyse auf die Drehzahl des Motors bezogen. Dies bedeutet, dass Fehler wie „Unwucht" und „Exzentrizität" auf Ordnung 1 abgebildet werden. Alle Schwingungen mit einem Vielfachen der Drehzahl werden den höheren Ordnungen zugeordnet (2. Ordnung, 3. Ordnung usw.). Das Messergebnis der akustischen Prüfung wird also von einer Drehzahländerung nicht beeinträchtigt.