Montag, 6. März 2023 · 0 min read
Automatische Schallintensitätsmessung an Ladern
Die manuelle Messung mittels Schallintensitätssonde oder Flügelrad-Anemometer für eine hohe Anzahl an Messpunkten ist zeitraubend und ineffektiv. Die wichtigsten Gründe, die für eine automatisierte Messung sprechen, sind eine gute Reproduzierbarkeit, Zeiteinsparungen für andere Messungen und eine verbesserte Ergebnisanalyse.
Andererseits besteht die größte Herausforderung in der Steuerung des kollaborativen Roboters. Für die automatischen Intensitätsmessungen bei Doosan Bobcat wird weitgehend das DAQ-System von Dewesoft zusammen mit der DewesoftX-Software und dem Schallintensitäts-Software-Plugin verwendet.
Das Unternehmen Bobcat
Der Name Bobcat steht nahezu gleichbedeutend für kleine Kompaktlader, Bagger und Traktoren. Bobcat ist Branchenführer bei Entwicklung und Herstellung von Kompaktmaschinen für Bauwesen, Landschaftsbau, Landwirtschaft, Grundstückspflege, Industrie und Bergbau.
Das Unternehmen wurde 1947 in North Dakota, USA gegründet und gehört heute zur Doosan-Gruppe. Doosan ist ein weltweit führender Anbieter von Baumaschinen, Motoren und Maschinenbau sowie von Lösungen für die Wasser- und Stromversorgung.
Die Fertigungsbetriebe von Bobcat befinden sich in den USA, China und der Tschechischen Republik. Die Zentrale von Bobcat EMEA (Europa, Mittlerer Osten und Afrika) ist in einem modernen Campus im tschechischen Dobris angesiedelt und umfasst eine Fertigungsstätte, ein Innovationszentrum sowie ein Schulungszentrum (Bobcat Institute).
Schallintensitätsmessung
Die Schallintensität oder auch Schallstärke bezeichnet die Energie, die Schallwellen pro Flächeneinheit in einer Richtung senkrecht zu dieser Fläche übertragen. Die SI-Intensitätseinheit, einschließlich der Schallintensität, ist Watt pro Quadratmeter (W/m2).
Die Schallintensität entspricht nicht der physikalischen Größe des Schalldrucks. Das menschliche Gehör reagiert empfindlich auf Schalldruck, der mit der Schallintensität zusammenhängt. In der Unterhaltungsaudioelektronik werden die Pegelunterschiede als „Intensitätsunterschiede“ bezeichnet, doch die Schallintensität ist eine spezifisch definierte Größe, die von einem einfachen Mikrofon nicht erfasst werden kann.
Der Schallintensitätspegel (SIL) oder akustische Intensitätspegel ist ein logarithmischer Ausdruck der Schallintensität in Bezug auf einen Referenzwert. Er wird als LI bezeichnet und in den Einheiten Neper, Bel und Dezibel (dB) angegeben.
Messaufbau
Diese Anwendung machte sich die große Vielseitigkeit der Dewesoft DAQ-Systeme zunutze. Die Spannung des akustischen Signals aus der Schallintensitätssonde Typ 3599 von Brüel & Kjær wurde durch das Polarisationsspannungs-Modul Typ 12AB von G.R.A.S. in die Ausgangsspannung umgewandelt. Das akustische Signal wurde mit der Motordrehzahl und zahlreichen anderen Parametern aus dem CAN-Bus-Signal der Maschine synchronisiert. Die akustische Messung wurde in einem reflexionsarmen Raum durchgeführt.
Automatische Schallintensitätsmessung am Bobcat-Lader mit Roboterarm
Die zweite Anwendung war eine Luftdurchflussmessung mittels Flügelrad-Anemometer (Höntzsch – TS26/16GE-mn40A/125/p0/ZG1). Das analoge Ausgangssignal aus dem mobilen Auswertegerät des Flügelrad-Anemometers wurde mit der Umgebungstemperatur abgespeichert.
Die Kommunikation mit dem kollaborativen Roboter erfolgte über 3 Analogeingänge und 1 Analogausgang.
Datenerfassungssystem:
SIRIUS Datenerfassungssystem, Modell SIRIUSi-8xACC-8xAO – 8-Kanal-Analogeingang IEPE/Spannung, 8-Kanal-Ausgang Spannung
SIRIUS Datenerfassungssystem, Modell SIRIUSi-8xSTG+ – 8 Analogkanäle, 8 Zählerkanäle
Sensoren:
Brüel & Kjær Intensitätssonde Typ 3599
G.R.A.S. Polarisationsspannungs-Modul Typ 12AB
Höntzsch Flügelrad-Anemometer- TS26/16GE-mn40A/125/p0/ZG1
Software:
Beschreibung des Messvorgangs
Die gewählte Sonde, die in der Halterung am Ende des Roboterarms fixiert war, wurde über ein vorgegebenes Messgitter positioniert. Bei der Anwendung mit der Schallintensitätssonde wurde das einfache rechteckige Messgitter parallel zur Messfläche benutzt. Die Bewegungslinie definiert sich aus dem Ausgangspunkt und der jeweiligen Zunahme an der X- und Y-Achse.
Die Messung wurde an jedem Knotenpunkt des Gitters gemäß ISO 9614-1 durchgeführt. Diese Methode ist zwar zeitaufwändiger als das Abtastverfahren gemäß ISO 9614-2, aber sie liefert präzisere und detailliertere Informationen.
Die Positionierung des kollaborativen Roboters wird über den Analogausgang des Dewesoft Datenerfassungssystems gestartet. Die Messung an jedem Punkt wird durch den Trigger-Kanal gesteuert. Dieser Kanal ist ein Analogausgang des kollaborativen Roboters.
Trigger-Pegel und Hysterese dieses Kanals wurden beim Setup definiert. Die Datenspeicherung startete für einen bestimmten Punkt, sobald das Triggersignal den definierten Pegel überschritt, und stoppte, wenn sich das Triggersignal unter diesen Pegel senkte. Das Zeitintervall wird durch die Länge des Analogsignals auf einem festgelegten Pegel bestimmt. Für den Verlauf der Bewegungslinie des Endpunkts stehen zwei Optionen zur Verfügung – „In eine Richtung“ oder „In beide Richtungen“. Siehe nachfolgende Abbildung 2.
Die Luftdurchflussmessung mit einem Flügelrad-Anemometer verlief fast identisch zur Schallintensitätsmessung. Die Luftdurchflussmessung wurde in der Nähe des Wärmetauschers oder anderer Oberflächen durchgeführt, die geneigt werden konnten. Das Messgitter wurde daher über 3 Eckpunkte definiert.
Mit diesem Setup kann jede geneigt verlaufende Ebene erzeugt werden. Die Initialisierung des Messvorgangs und das Setup des Trigger-Kanals funktioniert wie bei der Messung mit der Intensitätssonde. Die Raumkoordinaten der Endpunkte werden für das 2D-Koordinatensystem der Ebene neu berechnet. Die X- und Y-Koordinaten der Endpunkte werden als Analogsignal vom kollaborativen Roboter an Dewesoft gesendet.
Messergebnis
Das gemessene Schallfeld, das im Messungs-Setup von DewesoftX in Bild 2 angezeigt wird, hat ein Messgitter von 20x20 Punkten. Das Zeitintervall für jedes Segment betrug 15 Sekunden, was ausreichend für eine präzise Datenerfassung war. Die gesamte Messdauer betrug 1 Stunde und 40 Minuten. Eine manuelle Messung für eine derart hohe Anzahl an Messpunkten wäre fast unmöglich.
Die beste Option für die Analyse der akustischen Ergebnisse war die Bestimmung der kritischsten Frequenzbänder aus dem gesamten Schalldruckpegelspektrum und die anschließende Filterung der Schallfelder nach diesen Frequenzbändern.
Bei Verknüpfung des Schallbilds mit der gemessenen Oberfläche konnte anhand der akustischen Ergebnisse jede Schallquelle einzeln lokalisiert werden (Motor, Axialgebläse, Hydraulikpumpe usw.). Ziel dieser Methode war es, verschiedene Konstruktionsveränderungen präzise und reproduzierbar zu vergleichen.
Die Ergebnisse der Luftdurchflussmessung wurden in eine Microsoft-Excel-Vorlage exportiert. Diese Methode der Datenverarbeitung ermöglicht eine effiziente Automatisierung des Reportings nach der Messung. Der Workflow mit der erstellten Berichtvorlage wird in Abbildung 3 dargestellt.
Die Daten wurden durch die Messung des Luftdurchflusses in der Nähe des Wärmetauschers der Maschine erfasst. Die Werte der durchschnittlichen Luftgeschwindigkeit für jedes Segment wurden mit der Umgebungstemperatur, der Motordrehzahl aus dem CAN-Bus und der Drehzahl des Axialgebläses, die durch den optischen Sensor ermittelt wurde, synchronisiert.
Der Kennwert des Kühlsystems ist der durchschnittliche Massendurchfluss durch den Wärmetauscher. Dieser Wert basiert auf der durchschnittlichen Geschwindigkeit auf der gemessenen Oberfläche und der Luftdichte, die der gemessenen Lufttemperatur entspricht. Dieser Wert ist für die Validierung der CFD-Simulationen der Maschinenkühlung erforderlich. Das Geschwindigkeitsfeld konnte auch für einen schnellen Vergleich verschiedener Konstruktionsausführungen des Kühlerpakets der Maschine genutzt werden.
Erfahren Sie mehr über Schall- und akustische Messungen mit Dewesoft:
