Luft- und Körperschall-Analyse mit KI in der Produktion

Die Geräuschanalyse im Fertigungsprozess von Produkten ist eine bewährte Maßnahme zur Qualitätssicherung. Mit Hilfe des Körperschalls sind Rückschlüsse über den Gleichlauf und die Montagegüte von sich bewegenden Systemen möglich. Eine Beurteilung der Klangqualität, also ob ein Geräusch als angenehm und typisch oder als ungewohnt und störend empfunden wird, kann nur anhand des Luftschalls ermittelt werden. Testsysteme auf Körperschallbasis sind in der Produktion bereits im Einsatz. Um Geräuschmuster im Luftschall zu erkennen, sind jedoch neue Verfahren im Fertigungsprozess zu etablieren.

Eine neue Generation akustischer Testsysteme von GÖPEL electronic soll den Anforderungen der Kunden gerecht werden, die Ihre Produktion ergänzend zum Körperschall auch auf Basis von Luftschall akustisch analysieren wollen. Die objektive Analyse der Produkte durch vorgegebene mathematische Algorithmen wird in  der neuen Generation durch eine subjektive Bewertung mittels psychoakustischer Messmethoden und künstlicher Intelligenz erweitert. Störgeräusche in der Fertigung haben  durch die Verwendung von KI keinen wesentlichen Einfluss mehr auf die Akustikanalyse.

Akustikanalyse Kopfhöher
Soundwave

Schallanalyse im Fertigungsprozess

Bisher können aufgrund der lauten Umgebungsgeräusche in der Produktion kaum geeignete Testverfahren mit dem Luftschall durchgeführt werden. Deshalb werden die meisten Prozessüberwachungen über den Körperschall realisiert. Durch geeignete technologische Maßnahmen, wie der Entkopplung der Fertigungsanlage und der Ankopplung von Körperschallsensoren, wird sichergestellt, dass nur die im Prüfling entstehenden Schwingungen aufgezeichnet und analysiert werden.

In der Regel lassen sich bei diesem Messverfahren nur ungedämpfte Strukturen mit motori-schen Antrieben überwachen, die einen Rückschluss auf deren Montage oder mechatroni-schen Teilbaugruppen zulassen. Natürlich besteht auch die Möglichkeit, den Prüfling über die Stromaufnahme oder den Spannungsverlauf auszuwerten.

Diese Sichtweise interessiert hauptsächlich die Hersteller zur Optimierung ihrer eigenen Fertigungsprozesse. Häufig sind durch diese Überwachung maßgebliche Fehler in der Produktion zu finden, die auch Kundenanforderungen beeinflussen. Ein Nachweis der akustischen Eigenschaften von abgekoppelten oder gefederten Teilsystemen ist jedoch schwierig.

So kann zum Beispiel die Analyse der akustischen Eigenschaften eines gepolsterten Fahr-zeugsitzes oder einer weichgefederten Laufschiene eines Fensterrollladens auf Basis von Körperschall kaum gelingen. Der Endkunde entscheidet hier über die Qualität anhand des Komforts und auch durch das vom Prüfling erzeugte Geräuschmuster. Beides bestimmt den Anreiz zum Kauf des Produktes. Eine Kontrolle der Prüflinge hinsichtlich dieser subjektiven Merkmale muss letztendlich durch Luftschallanalyse erfolgen. Dieser Test war bisher nur mit hohem Aufwand möglich.

Testsystem für den Einsatz in lauter Umgebung

Um die Anforderungen von Herstellern und Endkunden zu erfüllen, hat GÖPEL electronic das Testsystem CARoLINE entwickelt, welches nun in der vierten Generation verfügbar ist. Die Erweiterung der Signalkonditionierungskassetten auf 8 Eingangskanäle bietet die Möglichkeit einer Kombination aus Körper- und Luftschallanalysen. Auf der Frontseite der CARoLINE 4 Kassette befinden sich Anzeigen für Systemstatus und Datenaufzeichnung. Über einen Kopfhöreranschluss mit Lautstärkeregler ist es möglich, während der Messung das akustische Signal des Prüflings mitzuhören. Auf der Rückseite befinden sich die 8 Eingangskanäle für Körper- bzw. Luftschallsensoren sowie weitere Anschlüsse für analoge Eingangssignale. Für Vergleichsmessungen kann ein Shaker angeschlossen werden. Die Datenaufzeichnung erfolgt über eine PCI-DAQ-Karte im PC oder über eine autonome, interne Datenerfassung mit Ethernet-Ankopplung. Innerhalb der PC-Umgebung übernimmt ein Softwaretreiber die Signale und übergibt diesen Datenstrom dem Analyseprogramm

Die Analysen der aufgenommenen Signale können, wie bereits bei den bisherigen CARoLINE-Versionen, über mathematischen Standardfunktionen erfolgen. Zusätzlich sind nun auch Luftschallaufzeichnungen möglich. Durch die Analyse der Luftschalldaten können die Nachteile der Körperschallanalyse kompensiert werden. Die Schwierigkeit liegt dabei darin, eine Luftschallanalyse zu realisieren, die unabhängig vom Störschall in den Werkhallen zuverlässig funktioniert.

GÖPEL electronic bietet über das maschinelle Lernen hier einen alternativen Ansatz zu den akustischen Abschirmungen, die zurzeit für Luftschalluntersuchungen nötig sind. Das Verfahren verbindet die bisherigen mathematischen Berechnungsfunktionen mit der Erhebung der Datensätze zur Klassifizierung von spezifischen Merkmalen und Geräuschmustern. Während der Produktionszyklen bilden nun die ermittelten akustischen Aufzeichnungen eine Basis für die Merkmalsermittlung, wobei die vorhandenen Störgeräusche ebenfalls aufgezeichnet werden. Diese Datensätze sind die Voraussetzung einer genauen Voraussage von subjektiv bestimmten Klassifikatoren. Klare und deutlich ausgeprägte Geräusche sind nicht mehr abhängig vom Frequenzgang oder von Schwankungen in der Drehzahl, sondern nur noch von der Auswahl, also einer Annotation, der aufgetretenen Störungen im Produkt. Detaillierte mathematische Kenntnisse über die Ermittlung der Fehlgeräusche sind somit nicht mehr notwendig. Sie müssen lediglich im aufgenommenen Audiosignal herauszuhören sein.

Im Zusammenhang mit CARoLINE 4 werden Tools angeboten, die den Prozess des maschinellen Lernens unterstützen. Mit AnEKa (AI Annotation Tool) können die Daten annotiert werden, um eine Analyse der akustischen Signale für die Entwicklung der Klassifikatoren vorzubereiten. Das Tool dient zum Anhören der aufgenommenen Prüflingsdaten und Zuordnen der Fehlergeräusche. Das erfolgt durch Auswahl und Benennung von Bereichen direkt im Audiosignal. Für diese Arbeiten sind keine professionellen Akustiker mehr notwendig.

Im Anschluss können die annotierten Daten mit MaLen (AI Model Handling Tool) für die Er-zeugung, Weiterentwicklung und Evaluation von Klassifikationsmodellen verwendet werden. In der schematischen Darstellung werden die notwendigen Arbeitsschritte gezeigt, um ein Modell mit Hilfe des maschinellen Lernens zu erzeugen und anschließend in der Produktion anzuwenden.

  1. Aufnahme der Audiodaten vom Prüfling.
  2. Annotation und Bereichsauswahl der Fehlgeräusche in den Daten.
  3. Trainieren eines Modells anhand der selektierten Daten.
  4. Einsatz des Klassifikators in CARoLINE.

Unabhängig davon können auch bereits erstellte Modelle über einen Dialog direkt in die CARoLINE–Umgebung eingebunden werden.

Fazit

CARoLINE 4.0 verbindet bewährte mathematische Verfahren wie auch die Anwendung von KI.  Damit ist eine effektive akustische Überprüfung des Fertigungsprozesses mit Körper- und Luftschall möglich, die sowohl den Anforderungen der Hersteller als auch denen der Endkunden entspricht.

Erstellt von Jens Jäger, GÖPEL electronic GmbH | | Künstliche Intelligenz
×
Haben Sie Fragen?

Wir helfen Ihnen gerne!

GÖPEL electronic GmbH