スレッドワーリング中のオンライン表面モニタリング
糸巻き工程における表面品質を決定するIFW研究プロジェクト。
スレッドワーリングはスレッド製造のために広く使用されているプロセスである。本稿では、スレッドワーリング工程における表面品質を決定する方法の開発について述べる。このプロセスは、ハノーファー大学生産工学研究所とBornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KGとの共同プロジェクトである。
スクリュードライブは、本当の意味で経済を動かしている。工作機械、自動車、リフティングやコンベア技術など、さまざまな形で使用されています。その機能を保証するために、スクリュードライブは厳しい製造公差にさらされています。スクリュードライブを効率的に使用するためには、幾何公差の遵守に加えて、明確なトライボロジー特性を持つ表面を確保することが必須条件となります。
ねじ山の形状は、ねじ駆動の適用領域に強い影響を与えます。例えば、台形ねじ山は、深いねじ山形状が大きな力を伝達することを可能にするため、重い荷重を移動させるために使用されます。スクリュープレスのように、一方向にのみ大きな負荷がかかる場合は、のこぎりねじが使用されます。台形ねじとのこぎりねじは、通常、ねじ切り工程で製造される。その理由は、一般的にロットサイズが小さいことと、この工程で得られる良好な表面特性です。
図2は、ワーリングプロセスのプロセス運動学である。製造プロセスにおいて、ワーリング中の表面の品質は、主に摩耗の状態と刃先の位置精度によって決定される。しかし、現在のところ、工具の摩耗や加工中の表面を監視することはできません。一方では、ねじ山形状はその位置のために到達が困難であり、他方では、加工中の工具と工作物の回転が測定データの記録を困難にしている。
こうした理由から、機械の表面品質は現在、担当者の経験に基づいてランダムにチェックされているに過ぎない。不合格品の発生を防ぎ、スクリュードライブの高品質を確保するため、Bornemann Gewindetechnik GmbHとライプニッツ大学ハノーバー校生産工学・工作機械研究所（IFW）の共同プロジェクトは、台形ねじの表面品質を工程と並行して監視する測定システムの開発を目的としています。
ボルテックス・メソッド
測定課題を分析するためには、まず製造工程の運動学的特性を考慮する必要がある。ねじの旋削加工では、ねじの表面は旋削ジャイロスコープとワークの複合運動によって作られる（図2参照）。旋回ジャイロスコープには通常3～8個の切れ刃があり、円周上に均等に配置されている。
製造工程の運動学に加えて、その後のアプリケーションも選択すべき測定方法に影響を与えます。ねじナットとねじスピンドルの接触は、理想的にはねじ山形状全体で行われるため、品質を評価するためにはねじ山形状全体を記録する必要があります。
加工中にワークピースが回転するため、触覚方式も、表面検出のための測定範囲が狭い光学方式も除外されます。適切な測定方法は、1回の測定工程でねじ山全体を検出できなければなりません。モノクロの工業用カメラがこの目的に適しています。
機能証明として、表面が要求値内（OK）のねじと要求値外（NOK）のねじがカメラで記録された。TR65×7の台形ねじとTR80×10の台形ねじの表面の画像を図3に示す。表面の性質が異なるため、表面の反射挙動は大きく異なる。したがって、画像のグレー値分布は表面の質によって変化する。
模式的なヒストグラムは、最大値の振幅が、n.i.O.表面のねじ山では、i.O.表面のものに比べて著しく減少していることを示している。グレー値の最大値の変化は、ねじのサイズによって異なる。変化した反射挙動を表面モニタリングに利用できるようにするためには、ねじのサイズが変わっても、O.O.表面とN.O.O.表面の境界を定義できるようにする必要がある。
入学条件による課題
製造工程における画像処理の応用には、n.i.O.表面とi.O.表面の確実で再現性のある識別が必要である。正確な識別を可能にするためには、画像取得時に影響する変数を特定し、分析する必要があります。
撮影された画像に影響を与える変数として特定されたものが、図4の石川ダイアグラムに示されている。画像処理のターゲット変数（赤）は粗さである。画像取得の制御変数（緑）には、露光時間と露光方向が含まれます。制御変数は、ワーク速度のような与えられた境界条件（オレンジ色）の下で、表面の鮮明な画像が生成されるように設定されなければなりません。制御変数で補正できない境界条件は、汚染からカメラを保護するなど、他の手段で補正する必要があります。
特定された影響変数は、制御変数を可能な限り制御された方法で調整できるように、工作機械のテストセットアップで分析された。現在、記録された画像を使用して、表面のグレイ値の違いに基づく画像処理アルゴリズムを開発中である。
展望
現在、このプロセスに最適化された測定セットアップが、制御された操作変数の調整に基づいて開発されている。このセットアップにより、渦巻き加工中にもアルゴリズムを使用できるようになる。今回発表した表面モニタリングシステムは、糸ワーリング品質モニタリングシステムの一部である。次のステップでは、紹介したシステムと、ワーリングマシンの幾何学的な糸パラメータを記録するための別のシステムを稼動させる予定である。続いて、測定データに基づくオンライン品質評価のための品質監視アルゴリズムを開発する。決定された品質状態は、後にオペレーターへの推奨事項を導き出すために使用される。
謝辞
この研究プロジェクト「糸旋回のオンライン品質モニタリング-Quali-Wirb」は、ドイツ連邦議会の決定に基づき、ドイツ連邦経済・気候保護省（BMWK）が中小企業のための中央革新プログラム（ZIM）の一環として資金を提供し、ドイツ産業研究団体連合会「オットー・フォン・ゲーリッケ」（AiF）が監督している。IFWとその協力パートナーであるBornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KGは、このプロジェクトにおける財政的支援に感謝したい。
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
生産工学・工作機械研究所（IFW）
ライプニッツ大学ハノーファー校