Titel:

Bewerten von Verrundungen von Innenbohrungskanten mittels maschinellem Lernen unter Nutzung von Vibrationsdaten oder dergleichen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verrunden von Innenbohrungskanten sowie ein System zum Bewerten von Verrundungen von Innenbohrungskanten einer Common-Rail Komponente, Einspritzdüse oder dergleichen.

Stand der Technik

Kraftstoffeinspritzsysteme für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, etwa sogenannte Common-Rail-Systeme, umfassen kraftstoffführende Bauteile, die mit einem Innendruck von üblicherweise bis zu 1600 bar beaufschlagt werden. Dieser Innendruck ist weiterhin starken Schwankungen unterworfen. An derartige Bauteile werden demnach hohe Festigkeitsanforderungen gestellt.

Beispielsweise ist aus EP 1 435 454 Al ein innendruckbelastetes Bauteil bekannt, das einen vertikalen Zuströmkanal zur Anbindung an einen Kraftstoffhochdruckspeicher sowie einen hiervon quer abzweigenden horizontalen Anschlusskanal zum Anschluss eines Injektors oder dergleichen aufweist. Dabei bilden ein horizontaler Anschlusskanal und ein Zuströmkanal einen Verschneidungsbereich aus, in dem sich ein Querschnitt ergibt, der zu geringeren lokalen Beanspruchungen führt.

Es ist weiterhin bekannt, scharfe Kanten an Innenbohrungen derartiger Bauteile zu verrunden, um Kerbwirkungen und folglich einer Beschädigung der Bauteile zu verhindern. Zum Verrunden kann beispielsweise ein elektrochemisches Bearbeitungsverfahren (ECM) verwendet werden, wobei die bearbeiteten Bohrungen üblicherweise mit einem Endoskop geprüft werden. Bei einem ECM- Verfahren wird eine Elektrode in die Innenbohrung des Bauteils eingeführt und es wird ein leitfähiges Elektrolyt durch die Innenbohrung gefördert. Durch Einwirkung eines elektrischen Stroms wird Material abgetragen und die Verrundung entsteht. Das ECM-Verfahren weist dabei üblicherweise drei Phasen auf. In einer ersten Phase, in der die Innenbohrung gereinigt bzw. vorgespült wird, wird das Elektrolyt mit einem hohen Druck durch die Innenbohrung gefördert, um sie von Partikeln von der Innenseite zu befreien. In einer zweiten Phase, die die eigentliche ECM-Bearbeitung ist, wird durch einen elektrischen Strom zwischen einer Elektrode und dem Werkstück Material abgetragen. Bei einer nachfolgenden, dritten Phase wird das Elektrolyt erneut durch die Innenbohrung gefördert, um eine Reinigung durchzuführen.

Offenbarung der Erfindung

Um eine aufwändige Sichtprüfung mittels Endoskop einzusparen oder zu reduzieren ist der Einsatz von maschinellen Lernverfahren bekannt. Ziel ist dabei, zuverlässig anhand von Prozessdaten aus dem ECM-Verfahren eine Vorhersage treffen zu können, ob die Verrundung von Innenkanten ausreichend ist. Die Prozessdaten können etwa Strom- und Volumenstromkurven umfassen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Prozessdaten gelegentlich nicht vollständig oder nicht ausreichend sind, um eine zuverlässige Vorhersage zu treffen.

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verrunden von Innenbohrungskanten einer Common-Rail Komponente vorzuschlagen, bei dem eine Qualität der Verrundung anhand von Prozessdaten besser beurteilt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen. Es wird ein Verfahren zum Verrunden von Innenbohrungskanten einer Common- Rail Komponente, aufweisend die Schritte des Spülens einer Innenbohrung mit einer Elektrolytlösung bei einer elektrochemischen Bearbeitung (ECM), des Erfassens von Vibrationen und/oder Körerschall in der Common-Rail Komponente im Bereich der betreffenden Innenbohrung mittels mindestens einer Vibrationserfassungseinrichtung über mindestens einen vorbestimmten Zeitraum während des Spülens, des Filterns von erfassten Vibrationsdaten zum Erhalten von Vibrationsmerkmalen mit Hilfe eines Transientensignals, einer Fouriertransformation, Autokorrelationen, Wavelet-Transformation oder dergleichen und des Auswertens dieser Vibrationsmerkmale unter Verwendung zumindest eines maschinell angelernten Klassifikators, um die Qualität der Verrundung in der Innenbohrung zu bewerten.

Eine Common-Rail Komponente kann insbesondere einen Hochdruckspeicher umfassen, der auch als Kraftstoffverteilerrohr oder „Rail“ bezeichnet wird. Injektoren sind mit dem Hochdruckspeicher über Hochdruckanschlüsse verbindbar, welche eine quer zu einer Haupterstreckungsrichtung des Hochdruckspeichers verlaufende Strömungsrichtung aufweisen, und werden aus dem Hochdruckspeicher mit Kraftstoff versorgt. Es sind weitere Komponenten in Form von Ventilen oder Injektorenkörpern denkbar.

Unter einem Klassifikator kann ein Algorithmus zum automatischen Durchführen eines Klassifikationsverfahrens verstanden werden. Der Klassifikator könnte durch einen maschinellen Lernvorgang dazu trainiert sein, zwischen zumindest zwei verschiedenen Klassen zu unterscheiden, welche vorliegend als „nicht ausreichend verrundet“ und „ausreichend verrundet“ verstanden werden könnten. Das Trainieren kann etwa durch überwachtes Lernen während eines laufenden Betriebs des Klassifikators erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert im Allgemeinen auf einem herkömmlichen ECM-Verfahren. Dies bedeutet, dass die vorangehend dargestellten, im Stand der Technik üblichen drei Phasen der Bearbeitung durchgeführt werden. Nach einer Vorspülung wird die eigentliche Bearbeitung mit Materialabtrag durchgeführt und ein Nachspülprozess schließt sich an, um die betreffende Innenbohrung zu reinigen. Ein Fokus liegt hier jedoch in der Bewertung der Qualität der Verrundung in der Innenbohrung. Hierzu können Strom- und Volumenstromkurven während der ECM-Bearbeitung, insbesondere in der Bearbeitungsphase oder der Nachspülphase, wie im Stand der Technik üblich ebenso herangezogen werden. Besonders vorteilhaft ist indes die Erfassung von Vibrationen in der Common-Rail Komponente im Bereich der betreffenden Innenbohrung mittels mindestens einer Vibrationserfassungseinrichtung.

Ist die betreffende Innenbohrung nicht richtig verrundet, wird die darin strömende Flüssigkeit einer starken Umlenkung unterworfen, was zur Ausbildung von Turbulenzen innerhalb der Innenbohrung führt. Hierdurch können Vibrationen entstehen, die die betreffende Common-Rail Komponente zu Schwingungen anregen. Diese können erfasst und bei der Bewertung der Qualität der Verrundung berücksichtigt werden. Die Erfassung kann mittels einem oder mehreren Vibrationserfassungseinrichtungen durchgeführt werden. Die gelieferten Schwingungsdaten können auf eine geeignete Weise gefiltert werden, um eine Auswertung zu ermöglichen. Hierdurch wird einem bereits vorhandenen maschinellen Lernprozess zumindest ein weiterer Klassifikator bereitgestellt, der die Bewertung der Verrundung ermöglicht. Durch die im Stand der Technik völlig unbekannte Berücksichtigung von Vibrationsmerkmalen bei der Bewertung der Qualität der Verrundung kann eine deutlich höhere Präzision erreicht werden.

Die mindestens eine Vibrationserfassungseinrichtung könnte an der Common- Rail Komponente und/oder an einer ECM-Elektrode befestigt werden. Es ist besonders sinnvoll, die entsprechenden Messstellen so nah wie möglich an der betreffenden Innenbohrung anzuordnen. Beispielsweise könnte eine Vibrationserfassungseinrichtung direkt an dem Hochdruckspeicher angeordnet sein. Es könnte eine zentrale Messstelle in dem Hochdruckspeicher von Vorteil sein. Ist eine Anordnung an dem Hochdruckspeicher beim Ausführen des ECM- Verfahrens nicht durchführbar, sollte der Abstand zu dem Hochdruckspeicher so gering wie möglich sein und insbesondere höchstens 15 cm betragen.

Die mindestens eine Vibrationserfassungseinrichtung kann ein Laser-Vibrometer umfassen, sodass das Erfassen von Vibrationsdaten berührungslos an mindestens einem Abschnitt der Common-Rail Komponente erfolgt. Ein Laser- Vibrometer kann eine Laserlichtquelle umfassen, die auf die Oberfläche des Common-Rail Komponente gerichtet wird. Bei einer vibrationsbedingten Bewegung der Oberfläche verschiebt sich aufgrund des Doppler- Effekts die Frequenz des zurückgestreuten Laserlichts und kann zum Erhalten von Frequenz und Amplitude ausgewertet werden. Es kann besonders sinnvoll sein, das Laser-Vibrometer gezielt auf mehrere Abschnitte der betreffenden Komponente nacheinander zu richten, um einen vollständigeren Datensatz über das Vibrationsverhalten der Komponente zu generieren. Das Verwenden eines Laser-Vibrometers erhöht die Flexibilität bei der Bewertung der Verrundungsqualität und erfordert keine mechanische Interaktion mit der betreffenden Komponente.

Es ist jedoch auch denkbar, dass die mindestens eine Vibrationserfassungseinrichtung einen Piezo- oder Beschleunigungssensor umfasst, der mechanisch mit der Common-Rail Komponente verbunden wird. Die Kosten für die Vibrationserfassungseinrichtung könnten dadurch gesenkt werden und die Komponente könnte für die Bewertung der Verrundungsqualität einen eigens dafür vorgesehenen Flansch oder anderen vorbereiteten oder markierten Flächenabschnitt aufweisen, auf dem die Vibrationserfassungseinrichtung anbringbar ist. Die mindestens eine Vibrationserfassungseinrichtung kann beispielsweise aufgeklebt und nach Beendigung des Verfahrens wieder vollständig abgelöst werden.

Es ist vorteilhaft, wenn Vibrationsmerkmale durch eine Fourier-Transformation und/oder durch eine Wavelet-Transformation aus transienten Vibrationsdaten extrahiert werden. Der Schritt des Filterns umfasst demnach in dieser Ausführungsform eine Fourier-Transformation, eine Autokorrelation und/oder eine Wavelet-Transformation. Insbesondere die Wavelet-Transformation ist in der Lage, eine verbesserte Auflösung bei unterschiedlichen Schwingungsfrequenzen zu erreichen, indem etwa bei niedrigeren Schwingungsfrequenzen eine bessere Frequenzauflösung und bei höheren Schwingungsfrequenzen eine bessere Zeitauflösung. Die einzelnen Messdaten können in kurze zeitlich aufeinander folgende Abschnitte unterteilt und durch die Fourier-Transformation, insbesondere eine Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT) oder eine Fast- Fourier-Transformation oder eine Wavelet-Transformation verarbeitet werden. Die einzelnen Abschnitte können etwa eine Länge von 1 bis 10 s umfassen. Durch die Verarbeitung können im Zeit- und/oder Frequenzbereich signifikante Vibrationsmerkmale erhalten werden, welche sich als Klassifikatoren für das maschinelle Lernen eignen.

Es ist dennoch denkbar, dass Vibrationsmerkmale zusätzlich direkt aus transienten Vibrationsdaten extrahiert werden. Diese können etwa Schwingungsamplituden umfassen.

Das Auswerten der Vibrationsmerkmale könnte zusätzlich unter Verwendung zumindest eines weiteren maschinell angelernten Klassifikators durchgeführt werden, wobei der weitere Klassifikator auf Strom- oder Volumenstromverläufen während des Spülens und/oder in einer vorhergehenden ECM- Bearbeitungsphase basiert. Das Bewerten einer Verrundungsqualität durch ein im Stand der Technik bekanntes, auf maschinellem Lernen basierendes Verfahren, kann demnach durch zusätzliche Klassifikatoren, die aus den erfassten Vibrationen resultieren, erweitert und gestützt werden.

Analog zu den vorangegangen Ausführungen betrifft die Erfindung ferner ein System zum Bewerten von Verrundungen von Innenbohrungskanten einer Common-Rail Komponente, aufweisend eine Recheneinheit, und mindestens eine mit der Recheneinheit gekoppelte Vibrationserfassungseinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, insbesondere beim Spülen einer Innenbohrung mit einer Elektrolytlösung bei einer elektrochemischen Bearbeitung (ECM) Vibrationen in der Common-Rail Komponente im Bereich der betreffenden Innenbohrung mittels der mindestens einen Vibrationserfassungseinrichtung über mindestens einen vorbestimmten Zeitraum zu erfassen, erfasste Vibrationsdaten zum Erhalten von Vibrationsmerkmalen zu filtern, und Vibrationsmerkmale unter Verwendung zumindest eines maschinell angelernten Klassifikators auszuwerten, um die Qualität der Verrundung in der Innenbohrung zu bewerten.

Die mindestens eine Vibrationserfassungseinrichtung könnte ein Laser- Vibrometer umfassen, sodass das Erfassen von Vibrationsdaten berührungslos an mindestens einem Abschnitt der Common-Rail Komponente erfolgt. Die Recheneinheit könnte zudem ferner dazu ausgebildet sein, das Auswerten der Vibrationsmerkmale zusätzlich unter Verwendung zumindest eines weiteren maschinell angelernten Klassifikators durchzuführen, wobei der weitere Klassifikator auf Strom- oder Volumenstromverläufen während des Spülens und/oder in einer vorhergehenden ECM-Bearbeitungsphase basiert.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Common-Rail Komponente;

Figur 2 eine Gegenüberstellung von Innenkanten einer Bohrung ohne und mit Verrundung;

Figur 3 eine schematische, blockbasierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 4 ein Diagramm mit Volumenstrom- und Vibrationsdaten; und

Figur 5 eine schematische Ansicht von Vibrationsmerkmalen.

Figur 1 zeigt eine Common-Rail Komponente in Form eines Hochdruckspeichers eines Common-Rail Systems. An der Komponente 2 sind mehrere Anschlüsse 4 vorgesehen, welche jeweils eine Bohrung 6 aufweisen, die sich quer zu einer Haupterstreckungsrichtung x der Komponente 2 in das Innere der Komponente 2 erstrecken. Sie enden jeweils in einer Drosselbohrung 8, die in einer vergrößerten Schnittdarstellung gezeigt ist. An der Drosselbohrung 8 sind Innenbohrungskanten 10 vorhanden, die durch ein ECM-Verfahren zu verrunden sind. Hierzu ist beispielhaft eine Elektrode 12 vorgesehen, die in die Komponente 2 gesetzt ist. Die Bohrungen 6 und 8 werden während des ECM-Verfahrens von einer Elektrolytlösung durchspült. Liegt zwischen der Elektrode 12 und der Komponente 2 eine Spannung an, wird mittels der Elektrolytlösung Material an umströmten Flächen abgetragen.

An einer Oberfläche der Komponente 2 ist eine Vibrationserfassungseinrichtung 13 angeordnet, die dazu ausgebildet ist, eine Vibration an der Oberfläche zu erfassen. Die Vibrationserfassungseinrichtung 13 ist mit einer Recheneinheit 11 verbunden, die die erfassten Vibrationsdaten empfängt bzw. erfasst und folglich zur Durchführung des weiter nachfolgend beschriebenen Verfahrens verwenden kann. Die Vibrationserfassungseinrichtung 13 und die Recheneinheit 11 können folglich ein System zum Bewerten von Verrundungen von Innenbohrungskanten 10 darstellen.

In Figur 2 wird in einem linken Teil der Zeichnungsebene dargestellt, dass nicht verrundete Innenbohrungskanten 10 zu Turbulenzen beim Durchströmen mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Kraftstoff, entstehen können. In einem rechten Teil der Zeichnungsebene sind die Innenbohrungskanten 10 jeweils verrundet, sodass die Strömung an den Oberflächen der Bohrungen 6 und 8 anliegt. Es ist sinnvoll, zum Gewährleisten einer gleichmäßigen, harmonischen Strömung die Verrundung der Innenbohrungskanten 10 zu prüfen. Dies wird durch ein Verfahren erreicht, das in Figur 3 dargestellt wird.

Das Verfahren zum Verrunden der Innenbohrungskanten 10 der Common-Rail Komponente 2 weist den Schritt des Spülens 14 der Innenbohrung 8 mit einer Elektrolytlösung bei einer elektrochemischen Bearbeitung (ECM) auf. Dies kann insbesondere eine erste Phase oder eine dritte Phase eines ECM-Prozesses sein, da hierbei mit signifikant hohem Druck und Durchfluss gearbeitet wird. Bei einem ersten Spülvorgang ohne elektrochemischem Abtrag wird lediglich die Elektrolytlösung durch die Innenbohrung 8 gespült, um diese zu reinigen. Hiernach schließt sich eine zweite Phase an, bei der unter Einsatz elektrischen Stroms Material mittels der Elektrolytlösung abgetragen wird. In einer dritten Phase wird ohne elektrochemischen Abtrag erneut eine Spülung durchgeführt, um eine Nachreinigung zu erreichen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Schritt des Spülens 14 des erfindungsgemäßen Verfahrens der dritten Phase entspricht. Es kann jedoch auch sinnvoll sein, einen ECM-Bearbeitungsvorgang mehrere Male durchzuführen und zumindest teilweise während der ersten Phase das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

Beim Spülen 14 oder direkt während der ECM-Bearbeitung wird das Erfassen 16 von Vibrationen in der Common-Rail Komponente 2 im Bereich der betreffenden Innenbohrung 8 mittels mindestens einer Vibrationserfassungseinrichtung 13 über mindestens einen vorbestimmten Zeitraum durchgeführt. Erfasste Vibrationsdaten werden anschließend gefiltert 18, um Vibrationsmerkmale zu erhalten. Schließlich werden die Vibrationsmerkmale unter Verwendung zumindest eines maschinell angelernten Klassifikators ausgewertet 20, um die Qualität der Verrundung in der Innenbohrung 8 zu bewerten. Wird dabei festgestellt, dass die Verrundung noch nicht ausreichend ist, kann die ECM- Bearbeitung noch einmal durchgeführt werden 22, um dann erneut die Verrundung zu prüfen.

In Figur 4 wird in einem Diagramm beispielhaft ein Volumenstromverlauf (oberer Teil des Diagramms) und ein Vibrationsverlauf (unterer Teil des Diagramms) in drei Phasen eines ECM-Bearbeitungsverfahrens gezeigt. Eine erste Phase 24, die Spülphase, wird von einer zweiten Phase 26, die Materialabtragphase und einer dritten Phase 28, die Nachspülphase, gefolgt. Die erste Phase 24 und die dritte Phase 28 sind von einem recht hohen Volumenstrom und einer vergleichsweise geringen Vibration gekennzeichnet. Die zweite Phase 26, in der ein Materialabtrag erfolgt, weist einen recht geringen Volumenstrom, jedoch stärkere Vibrationen auf. Gemäß dem Stand der Technik können unter anderem die Volumenstromdaten aus der zweiten Phase für die Beurteilung der Verrundung verwendet werden. Erfindungsgemäß werden jedoch aus einer der beiden Spülphasen 24 bzw. 28 Vibrationsdaten verwendet, um ein auf maschinellem Lernen basierendes Bewerten der Verrundung durchzuführen. Wie in einem im linken Teil der Zeichnungsebene dargestellten Ausschnitt ersichtlich kann ein kurzer Zeitabschnitt von beispielsweise 2 s verwendet werden. Nach dem Filtern 18 lassen sich Vibrationsmerkmale 30 untersuchen. Figur 5 zeigt schließlich beispielhaft verschiedene Vibrationsmerkmale 30, die etwa unterschiedliche Amplituden, kleinste, mittlere, durchschnittliche, maximale Frequenzen und dergleichen zeigen. Wie vorstehend erwähnt, werden mathematische Merkmalen/Kenngrößen aus der Fourier-Transformation, Wavelet-Transformation, Autokorrelation extrahiert und unterschiedlichen

Merkmalen beispielsweise gewisse Koeffizienten aus der Autokorrelation, Anzahl an Peaks oder dergleichen zugeordnet. Aus zirka 1500 extrahierten Merkmalen werden in der Praxis dann gewöhnlich 20-30 Merkmale verwendet.