Online-overvågning af overfladen under gevinddrejning
IFW-forskningsprojekt for at bestemme overfladekvaliteten under trådhvirvlingsprocessen.
Trådhvirvling er en meget anvendt proces til fremstilling af tråd. Denne artikel beskriver udviklingen af en metode til bestemmelse af overfladekvaliteten under gevindhvirvlingsprocessen. Processen udvikles i fællesskab af Institut for Produktionsteknik ved universitetet i Hannover og Bornemann Gewindetechnik GmbH und Co KG i et samarbejdsprojekt.
Skruedrev driver økonomien i ordets egentlige forstand. De bruges i forskellige former i f.eks. værktøjsmaskiner, i køretøjer og i løfte- og transportteknik. For at sikre deres funktion er skruedrev underlagt snævre produktionstolerancer. Ud over at overholde de geometriske tolerancer er det en forudsætning for effektiv brug af en snegledrev at sikre en overflade med definerede tribologiske egenskaber.
Gevindets geometri har stor indflydelse på gevinddrevets anvendelsesområde. For eksempel bruges trapezformede gevind til at flytte tunge belastninger, da de dybe gevindflanker gør det muligt at overføre store kræfter. Hvis belastningen kun er høj i én retning, som f.eks. i skruepresser, bruges savgevind. Trapez- og savgevind fremstilles normalt ved hjælp af gevindhvirvlingsprocessen. Årsagerne til dette er på den ene side de generelt små seriestørrelser og på den anden side de gunstige overfladeegenskaber, der er resultatet af processen.
I Figur 2 er proceskinematikken for virvlingsmetoden illustreret. Under fremstillingsprocessen bestemmes overfladekvaliteten ved virvling primært af slidtilstanden og positionens præcision af skærene. Overvågning af værktøjsslid eller overfladens tilstand er dog i øjeblikket ikke mulig under processen. Dels er gevindflanken vanskelig at tilgå på grund af dens placering, og dels gør rotationen af værktøj og emne under processen det vanskeligt at indsamle måledata.
Af disse grunde udføres kontrol af overfladekvaliteten på maskinen i øjeblikket kun stikprøvevis baseret på personalets erfaringsviden. For at undgå fejlproduktion og sikre en høj kvalitet af gevinddrevene skal der derfor udvikles et målesystem til procesparallel overvågning af overfladekvaliteten af trapezgevind i et fælles projekt mellem Bornemann Gewindetechnik GmbH og Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) ved Leibniz Universitet Hannover.
Hvirvelmetoden
For at analysere måleopgaven skal kinematikken i bearbejdningsprocessen først overvejes. Ved gevindhvirvling fremstilles gevindoverfladen gennem en kombineret bevægelse af hvirvelhjulet og emnet (jf. figur 2). På hvirvelhjulet er der normalt mellem tre og otte skær, jævnt fordelt over omkredsen, som afbilder konturen af en gevindgang.
Ud over kinematikken i bearbejdningsprocessen har den senere anvendelse også en indflydelse på den målemetode, der skal vælges. Da kontakten mellem gevindmøtrik og gevindspindel ideelt set sker over hele gevindflanken, er det nødvendigt at registrere hele gevindflankens overflade for at kunne vurdere kvaliteten.
Rotationen af emnet under processen udelukker både taktile metoder og optiske metoder med et lille måleområde til overfladeregistrering, da en yderligere bevægelse af sensoren ville være nødvendig for at registrere hele flanken. En egnet målemetode skal muliggøre registrering af hele gevindflanken i én måleproces. Til dette formål anvendes et monokromt industrikamera.
Som funktionsbevis blev gevind med overflader inden for kravene (i.O.) og gevind med overflader uden for kravene (n.i.O.) optaget med kameraet. Billederne af overfladerne på et trapezgevind TR 65×7 samt et trapezgevind TR 80×10 er vist i billede 3. På grund af de forskellige overfladeegenskaber varierer refleksionsadfærden markant. Gråværdsfordelingen i billedet ændrer sig således med overfladekvaliteten.
Det skematisk viste histogram viser, at amplituden af maksimalværdien for gevind med n.i.O.-overflade reduceres markant sammenlignet med gevind med i.O.-overflade. Ved forskellige gevindstørrelser er ændringen i gråværdimaksimum forskelligt udtalt. For at kunne anvende det ændrede refleksionsadfærd til overfladeovervågning er det derfor nødvendigt at kunne definere grænsen mellem i.O.- og n.i.O.-overflader, selv ved ændrede gevindstørrelser.
Udfordringer ved optagebetingelser
Anvendelsen af billedbehandling i bearbejdningsprocessen kræver en sikker og reproducerbar differentiering mellem n.i.O.- og i.O.-overflader. For at muliggøre en præcis adskillelse er det nødvendigt at identificere og analysere de påvirkningsfaktorer, der opstår under billedregistreringen.
De identificerede påvirkningsfaktorer for det registrerede billede er vist i et Ishikawa-diagram i billede 4. Målvariablen (rød) for billedbehandlingen er ruheden. Indstillingsparametrene (grøn) ved billedoptagelsen omfatter bl.a. eksponeringstid og eksponeringsretning. Disse parametre skal justeres således, at der under de givne rammebetingelser (orange), såsom emnets omdrejningshastighed, opnås et klart billede af overfladen. Rammebetingelser, der ikke kan kompenseres gennem indstillingsparametrene, skal håndteres med andre foranstaltninger, såsom indkapsling af kameraet for at beskytte mod forurening.
De identificerede påvirkningsfaktorer blev undersøgt i en forsøgsopstilling i en værktøjsmaskine for at kunne justere indstillingsparametrene så kontrolleret som muligt. Med de optagne billeder udvikles der i øjeblikket en billedbehandlingsalgoritme baseret på gråværdiforskellene i overfladerne.
Perspektiv
På basis af den kontrollerede justering af indstillingsparametrene udvikles der i øjeblikket en procesoptimeret måleopstilling. Denne opstilling sikrer, at algoritmen også kan anvendes under selve hvirvelprocessen. Det præsenterede system til overfladeovervågning er en del af et samlet system til kvalitetskontrol ved gevindhvirvling. I næste trin vil det beskrevne system samt et yderligere system til registrering af de geometriske gevindeparametre blive taget i drift på hvirvelmaskinen. Herefter vil der blive udviklet en kvalitetsovervågningsalgoritme til online-evaluering af kvaliteten baseret på måledata. Med udgangspunkt i den bestemte kvalitetsstatus vil der senere blive afledt handlingsanbefalinger til operatørerne.
Takksigelse
Forskningsprojektet „Online-kvalitetsovervågning ved gevindhvirvling – Quali-Wirb“ finansieres af Forbundsministeriet for Økonomi og Klimabeskyttelse (BMWK) som en del af det Centrale Innovationsprogram for SMV’er (ZIM) baseret på en beslutning fra den tyske forbundsdag og administreres af Arbejdsfællesskabet for Industrielle Forskningsforeninger „Otto von Guericke“ (AiF). IFW og samarbejdspartneren Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG takker for den økonomiske støtte til dette projekt.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Institut for Produktionsteknik og Værktøjsmaskiner (IFW)
Leibniz Universitet Hannover