Stabilisierung von Rauheitskennwerten durch Ausblenden von Strdaten

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    16-Mar-2017

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STEIGENDE ANFORDERUNGEN AN DIE RAUHEITSMESSUNGIn den vergangenen Jahren wurde eine Vielzahl von Fertigungsverfahren ent-wickelt, um den steigenden Anforderun-gen an Oberflchen von Zylinderlaufbah-nen in Verbrennungsmotoren gerecht zu werden. So werden Laufbahnen heute serienmig mit Lasern belichtet [1] bezie-hungsweise strukturiert [2], porenhaltige Spritzschichten gehont [3] oder Mikro-materialausbrche gezielt freigelegt [4]. Im Allgemeinen setzt man heute das tak-tile Tastschnittverfahren ein, um derar-tige Oberflchen zu beurteilen. Vor allem die Kennwerte der Rk-Gruppe (Rpk, Rk, Rvk) nach DIN EN ISO 13565-2 [5], wel-che Aussagen bezglich des Spitzenan-teils (Rpk), des Plateaus (Rk) und des lrckhaltevolumens (Rvk) der Oberfl-che ermglichen, werden zur Charakte-risierung herangezogen [5]. Allerdings stellt der Trend zur Mikrostrukturierung die konventionelle Rauheitsmesstechnik vor neue Herausforderungen. So werden teilweise Strukturen wie Poren oder Lun-ker im Rauheitsschrieb dargestellt, die durch den Fertigungsprozess nur mar-ginal oder gar nicht beeinflussbar sind. Man kann mit einer Rauheitsmessung oft nur den Zustand der finalen Ober-flche beurteilen, nicht aber den Fer-tigungsprozess an sich. Des Weiteren beeinflussen derartige Strukturen die ohnehin schon natrliche Streuung der Oberflchenkennwerte signifikant. Um eine sinnvolle Beurteilung der Fer-tigungsprozesse zu erreichen, kann man eine 3D-Rauheitsmessung der Oberflche anstreben. Dies fhrt zu Herausforde-rungen wie der detaillierten Analyse der verwendeten Messsysteme [6] und geeig-neter 3D-Kennwerte [7]. Man kann aber auch die konventionelle Rauheitsmess-technik nutzen und die enthaltenen Strstrukturen (beispielsweise Poren, Lunker, Materialausbrche) ausblenden, um eine adquate Auswertung anhand der bekannten und etablierten Rk-Gruppe [5] vorzunehmen. Dazu kann man mehr-fach die Oberflche messen und heuris-tisch versuchen, keine ungewnschten Strukturen zu ermitteln, oder eine Aus-wertung anstreben, die entsprechende Strukturen fr die Kennwertberechnung vernachlssigt. Eine solche Auswertung AUTORENDIPL.-ING. (FH) SEBASTIANPEHNELTist Mitarbeiter in der Prfmittelplanung fr Aggregate bei der Audi AG in Ingolstadt.DIPL.-ING. (FH) PETER DOLLINGERist Leiter der Technologieplanung Aggregate/EMotoren bei der Audi AG in Ingolstadt.PROF. DR.-ING. JRG SEEWIGist Leiter des Lehrstuhls fr Messtechnik und Sensorik (MTS) der Technischen Universitt Kaiserslautern.DIPL.-ING. MATTHIAS EIFLERist Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fr Messtechnik und Sensorik (MTS) der Technischen Universitt Kaiserslautern.STABILISIERUNG VON RAUHEITSKENNWERTEN DURCH AUSBLENDEN VON STRDATENBei der Rauheitsmessung von gehonten Oberflchen, beispielsweise Zylinderlaufbahnen, treten in den Mess-daten immer wieder einzelne signifikante Oberflchenstrukturen als Strstellen auf, die die Rauheitskennwerte massiv beeinflussen knnen. Daher werden in der Industrie gezielt Strstellen aus den Messdaten ausgeblendet, was bisher allerdings nach subjektiven Bewertungskriterien erfolgt. Der Lehrstuhl fr Messtechnik und Sensorik der Technischen Universitt Kaiserslautern und Audi haben einen neuen Algorithmus entwickelt, der Strstellen nach objektiven Kriterien ausblendet und so die Stabilitt der Rauheitskenngren erhht.ENTWICKLUNG MESS- UND PRFTECHNIK52Mess- und Prftechnikwird hier vorgestellt. Dabei knnen durch die Implementierung des Filters zur robusten Ausbruchunterdrckung durch Flchenintegration gezielt Strstel-len bei bekannten Oberfl chen entfernt werden. Die Auswertung des Restprofi ls erfolgt dann anhand der Rk-Gruppe [5]. GEGENSTAND DER ENTWICKLUNGIm Fokus der Untersuchung stand die Laufbahnoberfl che des Zylinderkurbel-gehuses eines Reihen-Vierzylindermo-tors mit einer Diamant-Fluidstrahl-Gltt-honung (FG-Honung) [4]. In aller Regel fi nden sich in bis zu einem Drittel der Rauheitsschriebe Ausbrche, die eine Beurteilung des reinen Honprozesses ver-flschen. Ein solcher Rauheitsschrieb ist in (oben) dargestellt. Hier kann festge-stellt werden, dass es zwei Riefen gibt, die deutlich aus dem gehonten Profi l ausreien. Aufgrund der Tatsache, dass beispielsweise der Rvk-Wert nur mit einer sehr geringen Anzahl an Profi lpunkten ermittelt wird, fhren solche Ausreier zu einer enormen Verflschung des Kennwerts.Mit herstellerspezifi scher Software ist es heute bereits mglich, bestimmte An -teile aus den Profi ldaten zu eliminieren. Problematisch ist dabei, dass man Daten eliminiert, ohne die Statistik der Oberfl -che zu bercksichtigen [8]. Diese Tatsa-che bot den Anlass, ein Filter zu entwi-ckeln, welches automatisch und werker-unabhngig die Strstrukturen aus dem Profi l entfernt und eine adaptive Unter-drckung von Ausreierstellen gewhr-leistet. In (unten) ist ersichtlich, dass das gezeigte Profi l einen groen Flchen-anteil von Poren aufweist und so die Flchen der Strstellen eindeutig hervor-treten. Folgend werden zwei Anstze zur Unterdrckung von Ausreiern vor-gestellt, welche in der Industrie schon an gewendet werden. Danach wird ein neuer, verbesserter Ansatz vorgestellt. Beispielhaftes Honprofi l: Profi l (oben) und Riefenfl che (unten) 04I2014 75. Jahrgang 53Mess- und PrftechnikSTAND DER TECHNIKAn einem Beispiel der Mahr GmbH wird eine Mglichkeit zur Riefenunterdrckung aufgezeigt, welche bereits in der Praxis genutzt wird [8]. Dabei wird nach der Definition eines bestimmten Fensters eine Filterung der Oberflche ausgefhrt. Parameter des Filters sind seine Fenster-breite und -hhe. Der Bediener kann ent-scheiden, inwieweit Poren oder Aufwrfe fr die Auswertung be rcksichtigt wer-den sollen oder nicht. An schlieend wird die Oberflche an den definierten Stellen manipuliert. Ein Beispiel bei der Ermitt-lung von Rz wird in [8] dargestellt. Der Rz-Wert ohne die Ausblendung der Poren betrgt 6,89m. Werden die Poren, wie durch die rote Filterlinie dargestellt, nicht fr die Auswertung bercksichtigt, ergibt sich ein Rz-Wert von 4,46 m.Grundlage dieser Filtermethode ist die manuelle Ausfhrung des Vorgangs durch einen Bediener. Hierdurch kommt es mglicherweise zur Anwendung von subjektiven Bewertungskriterien sowie zur Vernachlssigung der Statistik der Oberflche. Die Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH bietet ebenfalls ein Filter-verfahren zur Strdatenausblendung an, [9]. Dabei wird das Profil ausgerichtet und anschlieend eine robuste Filterung im Welligkeits- und Rauheitsprofil aus-gefhrt [9]. Im Rauheitsprofil wird eine Parallele in einem definierten Abstand (n-fache Standardabweichung) zur Abszisse im Oberflchenprofil verscho-ben. Die Schnittpunkte zwischen dieser Parallelen und dem Profil stellen die Detektionsschwelle fr Ausreier aus dem Profil dar [9]. Ausgehend von den so detektierten Schnittpunkten wird der Schnittpunkt mit der Abszisse gesucht. Die ermittelten Strstellen werden an -schlieend entfernt und linear inter poliert, bevor die Kennwertberechnung durch-gefhrt wird [9]. Nachteil dieses Verfah-rens ist, dass es primr auf die Tiefe der Strdaten reagiert. Die Signifikanz von Strdaten wird jedoch hufig durch ihre Flche charakterisiert und nicht durch ihre Tiefe. Neben dieser M glichkeit kann auerdem eine morpho logische Filterung aus der Konturmesstechnik eingesetzt werden, um Strdaten zu eliminieren [10].BESCHREIBUNG DES ENTWICKELTEN ALGORITHMUSGrundstzlich gilt, dass jeder Rauheits-kennwert eine statistische Streuung in Abhngigkeit der Feinstruktur der Ober-flche aufweist [11]. Der Fertigungspro-zess, der zur Erzeugung der Oberflche eingesetzt wird, prgt die charakteris-tischen Eigenschaften der Oberflche wesentlich. Es kann weiterhin festge-stellt werden, dass die Werte von Rvk und Rpk auf realen Oberflchen beson-ders stark streuen, da zu Ihrer Ermitt-lung nur ein sehr geringer Anteil der Profildaten genutzt wird [11]. Daher ist es sinnvoll, eine Stabilisierung von Rvk-Werten auf realen Oberflchen herbei-zufhren und dabei etwaige Ausbrche beziehungsweise Ausreier aus dem Datensatz zu eliminieren. Dies ist, wie zuvor beschrieben, derzeit schon mg-lich, allerdings kommen hier teilweise eher subjektive Bewertungskriterien zum Einsatz. Der hier neu vorgestellte Algo-rithmus zur robusten Ausbruchunter-drckung durch Flchenintegration hin-gegen arbeitet nach objektiven Kriterien. Ein detaillierterer Ablauf des Algo-rithmus ist in dargestellt. Nach der Berechnung des Rauheitsprofils unter Anwendung eines robusten Profilfilters nach ISO/TS 16610-31 [12] wird der Fl-cheninhalt (Ai) jeder einzelnen Riefe er -mittelt. Anschlieend erfolgt die Sortie-rung der Einzelflcheninhalte Ai. Nach der Ermittlung des ursprnglichen Rvk-Werts wird eine Elimination der grten Riefe ausgefhrt. Danach wird der Rvk-Wert erneut berechnet. Die relative n -derung des Rvk-Werts zeigt, inwieweit Ausreier bereits eliminiert worden sind. Fr diese nderung wird ein Schwell-wert vorgegeben. Wird dieser Schwell-wert erreicht, kann die Lsung als kon-vergiert angesehen werden, andernfalls wird ein weiterer Iterationsschritt ben-tigt. Hierbei wird die neue grte Riefe ausgeblendet und eine erneute Berech-nung des Rvk-Werts ausgefhrt. Nachfolgend soll der Algorithmus an einem Beispiel erlutert werden. Bei dem Profil aus (oben) werden die Riefenfl-chen ermittelt, welche in (unten) dar-gestellt sind. Die Riefenflchen werden nach ihrer Gre sortiert, was in (oben) dargestellt ist. In (Mitte) ist der zugeh-rige Rvk-Wert nach Elimination der jewei-ligen Riefen gezeigt. Wie in (unten) Beispiel der Filtermethode der Mahr GmbH [8] Beispiel der Filtermethode der Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH [9]ENTWICKLUNG MESS- UND PRFTECHNIK54ersichtlich ist, nimmt die nderung des Rvk-Werts mit absteigender Riefengre sehr schnell ab. Nach Entfernung der zweiten Riefe in diesem Beispiel wird der vorgegebene Schwellwert bereits unterschritten. Ablauf des vorgestellten Algorithmus Vorgehen beim Algorithmus: Riefenflchen nach Gre sortiert (oben), Rvk-Werte sortiert (Mitte), nderung des Rvk-Werts (unten) 04I2014 75. Jahrgang 55Ihr Entwicklungspartner fr Einzelteile Aufl adesysteme Gesamtmotoren Alternative Antriebe : Gasmotoren Von der Konzept-entwicklung bis zum Auf bau des Prototypen sowie Tests und Messungen fr hohe Anforderungen.www.btd.beAvenue de Norvge 6 B-4960 MALMEDY - BELGIENTel. : +32 / (0) 80 79 15 50info@btd.beIhr Entwicklungspartner fr Einzelteile Aufl adesysteme Gesamtmotoren Alternative Antriebe : Gasmotoren Von der Konzept-entwicklung bis zum Auf bau des Prototypen sowie Tests und Messungen fr hohe Anforderungen.www.btd.beAvenue de Norvge 6 B-4960 MALMEDY - BELGIENTel. : +32 / (0) 80 79 15 50info@btd.beIhr Entwicklungspartner fr Einzelteile Aufl adesysteme Gesamtmotoren Alternative Antriebe : Gasmotoren Von der Konzept-entwicklung bis zum Auf bau des Prototypen sowie Tests und Messungen fr hohe Anforderungen.www.btd.beAvenue de Norvge 6 B-4960 MALMEDY - BELGIENTel. : +32 / (0) 80 79 15 50info@btd.beIhr Entwicklungspartner fr: Gesamtmotoren: Otto-, Diesel- Gas- und alternative Antriebe Einzelteile Innovative Aufladesystemevon der Konzeptentwicklung bis zum Aufbau des Prototypen sowie Tests und Messungen frhohe AnforderungenDie entfernten Ausbrche werden fr die nachfolgende Berechnung der Rau-heitskenngren nicht mehr bercksich-tigt. Somit werden die Rauheitskennwerte unter der Annahme ermittelt, dass die Oberflche nicht durch Ausbrche ver-flscht worden ist. Eine analoge Anwen-dung kann auch erfolgen, wenn die Aus-reier in Form von Spitzenwerten (Peaks) auftreten. Somit kann ebenfalls eine Korrektur des Rpk-Werts erfolgen. Nach der hier gezeigten Filterung der Oberfl-che knnen wie gewohnt alle Rauheits-kennwerte ermittelt werden. ANWENDUNG BEI REALEN MESSDATEN Wie nachfolgend gezeigt wird, hat die Auswertung einen wesentlichen Einfluss auf die berechneten Kennwerte. Dabei wird derselbe Datensatz mit verschiede-nen Auswertestrategien untersucht und die errechneten Rk-Parameter (Rpk, Rk, Rvk) werden verglichen. Die Ergebnisse der verschiedenen Auswertestrategien sind in dargestellt. Zunchst wird das Sonderfilterverfahren nach DIN EN ISO 13565-1 [13] angewendet. Es ist zu erken-nen, dass das Profil und somit die Rau-heitskennwerte verflscht werden, da das Sonderfilter Aufwrfe im Bereich der groen Riefe erzeugt. Da die Riefe, die als Ausreier angesehen werden kann, bercksichtigt wird, ergibt sich auch ein stark verflschter Wert fr Rvk.Die zweite Auswertung erfolgt nach ISO/TS 16610-31 [12]. Man erkennt, dass durch die robuste Gaussfilterung zunchst eine stabilere Ermittlung des Rpk-Werts ermglicht wird. Der Rvk-Wert hingegen wird durch den Ausreier weiterhin stark beeinflusst.Bei der dritten Auswertung wird zu -stzlich zum robusten Profilfilter noch der vorgestellte Algorithmus zur robusten Ausbruchunterdrckung durch Flchen-integration angewendet. Im Ergebnis ist ersichtlich, dass sich nun anhand der robusten Kennwertermittlung von Rvk und Rpk der Honprozess unabhngig von stochastisch auftretenden Strdaten beurteilen lsst.ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICKEine Unterdrckung von Strdaten wird in der Industrie (beispielsweise bei der Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH und der Mahr GmbH) bereits durchgefhrt, hat in der jetzigen Form jedoch Nachteile bei der Anwendung. Es ist zu erwarten, dass derartige Verfahren weitere Verbreitung finden werden, da sie wirtschaftliche Vorteile bieten.In diesem Beitrag wird ein verbesserter Algorithmus vorgestellt, der eine Un ter -drckung von Strdaten nach objektiven Bewertungskriterien gewhrleistet. Dies fhrt bei vielen Messungen zu einer Zeitersparnis, da diese nicht erneut durch- Auswertestrategien fr Messdaten mit HonriefenENTWICKLUNG MESS- UND PRFTECHNIK56DOWNLOAD DES BEITRAGSwww.springerprofessional.de/MTZREAD THE ENGLISH E-MAGAZINEorder your test issue now: springervieweg-service@springer.comgefhrt werden mssen, sondern die Kor rektur der unerwnschten Abwei-chungen im Auswertevorgang erfolgt. Eine serienmige Auswertung und Gegenberstellung der Kennwerte wird bereits durchgefhrt. Das Auswerte modul zur robusten Ausreierunter drckung durch Flchen integrale auf Basis des vorgestellten von Audi und dem Lehr-stuhl fr Messtechnik und Sensorik der Technischen Universitt Kaiserslautern MTS entwickelten Algorithmus ist in der Programmiersprache C++ erstellt worden und kann herstellerunabhngig zur Rauheitsmessung von Zylinderlauf-bahnen eingesetzt werden. LITERATURHINWEISE[1] Lindner, H. et al.: Przisionsbearbeitung von Graugu-Zylinderlaufbahnen von Verbrennungs kraft-maschinen mit UV-Photonen. Abschlussbericht, Frderkennzeichen 13N6865 und 13N6927, 1999[2] Flores, G. et al.: Funktionsgerechte Endbear-beitung von Zylinderbohrungen aus Gusseisen. In: MTZ 68 (2007), Nr. 3, S. 181 ff.[3] Barbezat, G.; Schmid, J.: Plasmabeschichtungen von Zylinderkurbelgehusen und ihre Bearbeitung durch Honen. In: MTZ 62 (2001), Nr. 4, S. 314 ff.[4] Seck, E.; Strobel, J.: Diamant-Fluidstrahl-Gltt-honung Ein neues Verfahren zur Bearbeitung der Zylinderlaufbahnen von Kurbelgehusen aus Grau-guss. In: MTZ 62 (2001), Nr. 2, S. 184 ff.[5] DIN EN ISO 13565-2: Geometrische Produkt-spezifikationen (GPS) Oberflchenbeschaffenheit: Tastschnittverfahren, Teil 2: Beschreibung der Hhe mittels linearer Darstellung der Materialanteilkurve. April 1998[6] Pehnelt, S. et al.: Vergleichende Untersuchung optischer Oberflchenmessgerte mit einem Chirp-Kalibriernormal. In: Technisches Messen 78 (2011), S. 457 ff.[7] Pehnelt, S. et al.: Topografiebeurteilung von Zylin-derlaufbahnen. In: MTZ 74 (2013), Nr. 4, S. 320 ff.[8] Mahr GmbH: Interne Information zur Software-option Spezialporenfilter. 2012[9] Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH: Interne Information zur Softwareoption Porenfilter. 2007 [10] Volk, R.; Ville, J. F.: Filters for contour mea-surement. 10. Internationale Konferenz Metrology and Properties of Engineering Surfaces. Saint Etienne (Frankreich), 2005[11] Seewig, J.: The Uncertainty of Roughness Parameters. In: Sensor 2013, S. 291-296[12] ISO/TS 16610-31: Geometrische Produkt-spezifikation (GPS) Filterung, Teil 31: Robuste Profilfilter: Gausssche Regressionsfilter. 2011[13] DIN EN ISO 13565-1: Geometrische Produkt-spezifikationen (GPS), Oberflchenbeschaffenheit Tastschnittverfahren, Teil 1: Filterung und allge-meine Messbedingungen. 1997 04I2014 75. Jahrgang 57www.avl.com/ast ASTMarketing@avl.comCalibration engineers just got a head-start.SIMULATE ANYWHERE.AVL CRUISE M

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