Online sledování povrchu během víření závitu
Výzkumný projekt IFW zaměřený na stanovení kvality povrchu během procesu víření nití.
Víření závitů je široce používaný proces výroby závitů. Tento článek popisuje vývoj metody pro stanovení kvality povrchu během procesu víření nití. Tento proces vyvíjejí společně Institut výrobního inženýrství na Univerzitě v Hannoveru a společnost Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG v rámci projektu spolupráce.
Šroubové pohony pohánějí ekonomiku v pravém slova smyslu. V různých podobách se používají například v obráběcích strojích, ve vozidlech a ve zdvihací a dopravní technice. Aby byla zajištěna jejich funkce, podléhají šroubové pohony přísným výrobním tolerancím. Kromě dodržení geometrických tolerancí je předpokladem efektivního využití šroubového pohonu zajištění povrchu s definovanými tribologickými vlastnostmi.
Geometrie závitu má velký vliv na oblast použití pohonu závitu. Například lichoběžníkové závity se používají pro pohyb těžkých břemen, protože hluboké boky závitu umožňují přenos velkých sil. Pokud je zatížení vysoké pouze v jednom směru, například u šroubových lisů, používají se pilové závity. Trapézové a pilové závity se obvykle vyrábějí procesem víření závitů. Důvodem jsou jednak zpravidla malé série a jednak příznivé povrchové vlastnosti, které z tohoto procesu vyplývají.
Obrázek 2 ukazuje kinematiku procesu víření. Během výrobního procesu je kvalita povrchu při víření dána především stavem opotřebení a polohovou přesností řezných hran. V současné době však není možné sledovat opotřebení nástroje nebo povrchu během procesu. Jednak je boční okraj závitu vzhledem ke své poloze obtížně dosažitelný a jednak rotace nástroje a obrobku během procesu ztěžuje záznam měřených dat.
Z těchto důvodů se kvalita povrchu na stroji v současné době kontroluje pouze namátkově na základě zkušeností pracovníků. Aby se předešlo zmetkům a zajistila se vysoká kvalita šroubových pohonů, vyvíjí se v rámci společného projektu společnosti Bornemann Gewindetechnik GmbH a Institutu výrobního inženýrství a obráběcích strojů (IFW) na Leibniz Universität Hannover měřicí systém pro paralelní procesní sledování kvality povrchu trapézových závitů.
Vírová metoda
Pro analýzu úlohy měření je třeba nejprve zvážit kinematiku výrobního procesu. Při víření závitů vzniká povrch závitu kombinovaným pohybem vířicího gyroskopu a obrobku (viz obr. 2). Na vířivém gyroskopu je obvykle tři až osm řezných hran, rovnoměrně rozmístěných po obvodu, které kopírují obrys závitu.
Kromě kinematiky výrobního procesu má na výběr metody měření vliv také následná aplikace. Protože kontakt mezi závitovou maticí a závitovým vřetenem probíhá v ideálním případě po celém boku závitu, je nutné zaznamenat celý povrch boku závitu, aby bylo možné posoudit kvalitu.
Otáčení obrobku během procesu vylučuje hmatové metody i optické metody s malým rozsahem měření pro detekci povrchu, protože k detekci celého boku by byl nutný další pohyb senzoru. Vhodná měřicí metoda musí umožnit detekci celého boku závitu během jednoho měřicího procesu. K tomuto účelu je určena monochromatická průmyslová kamera.
Jako důkaz funkce byly kamerou zaznamenány závity s povrchy v souladu s požadavky (OK) a závity s povrchy mimo požadavky (NOK). Snímky povrchů lichoběžníkového závitu TR 65×7 a lichoběžníkového závitu TR 80×10 jsou zobrazeny na obrázku 3. Vzhledem k rozdílným vlastnostem povrchu je chování povrchů při odrazu velmi odlišné. Rozložení hodnot šedi na snímku se proto mění v závislosti na kvalitě povrchu.
Ze schematického histogramu je patrné, že amplituda maximální hodnoty je u závitů s povrchem NOK výrazně nižší než u závitů s povrchem OK. Změna maximální hodnoty šedi je u různých velikostí závitů různá. Aby bylo možné využít změněné chování odrazu pro monitorování povrchu, je proto nutné, aby bylo možné definovat hranici mezi povrchem OK a NOK i při změněné velikosti závitu.
Problémy vyplývající z požadavků na přijetí
Použití zpracování obrazu ve výrobním procesu vyžaduje spolehlivé a opakovatelné rozlišení mezi povrchy NOK a OK Aby bylo možné přesné rozlišení, je nutné identifikovat a analyzovat ovlivňující proměnné během pořizování obrazu.
Identifikované proměnné ovlivňující zachycený snímek jsou zobrazeny v Ishikawově diagramu na obrázku 4. Cílovou proměnnou (červená) pro zpracování obrazu je drsnost. Řídicími proměnnými (zeleně) pro pořízení snímku jsou doba expozice a směr expozice. Řídicí proměnné musí být nastaveny tak, aby byl vytvořen jasný obraz povrchu za daných okrajových podmínek (oranžová), jako je rychlost obrobku. Okrajové podmínky, které nelze kompenzovat řídicími proměnnými, je třeba kompenzovat jinými opatřeními, například uzavřením kamery proti znečištění.
Identifikované ovlivňující proměnné byly analyzovány na zkušebním zařízení v obráběcím stroji, aby bylo možné co nejkontrolovaněji nastavit řídicí proměnné. V současné době se na základě zaznamenaných snímků vyvíjí algoritmus zpracování obrazu založený na rozdílech hodnot šedi povrchů.
Outlook
V současné době se vyvíjí nastavení měření optimalizované pro tento proces na základě řízeného nastavení manipulované veličiny. Toto nastavení zajišťuje, že algoritmus lze použít i během procesu víření. Představený systém monitorování povrchu je součástí systému monitorování kvality pro víření závitů. V dalším kroku bude představený systém a další systém pro záznam geometrických parametrů nití na vířicím stroji uveden do provozu. Poté bude následovat vývoj algoritmu monitorování kvality pro online vyhodnocování kvality na základě naměřených dat. Zjištěný stav kvality bude později využit k odvození doporučení pro obsluhu.
Poděkování
Výzkumný projekt „Online sledování kvality při víření nití – Quali-Wirb“ je financován německým Spolkovým ministerstvem hospodářství a ochrany klimatu (BMWK) v rámci Centrálního inovačního programu pro malé a střední podniky (ZIM) na základě rozhodnutí německého Spolkového sněmu a je řízen Německým svazem průmyslových výzkumných sdružení „Otto von Guericke“ (AiF). IFW a jeho kooperační partner Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG děkují za finanční podporu tohoto projektu.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Institut výrobního inženýrství a obráběcích strojů (IFW)
Leibnizova univerzita Hannover