Online oppervlaktebewaking tijdens het wervelen van schroefdraad
IFW-onderzoeksproject om de oppervlaktekwaliteit tijdens het wervelen van de draad te bepalen.
Het wervelen van draden is een veelgebruikt proces voor de productie van draden. Dit artikel beschrijft de ontwikkeling van een methode voor het bepalen van de oppervlaktekwaliteit tijdens het wervelen van draden. Het proces wordt gezamenlijk ontwikkeld door het Instituut voor Productietechniek van de Universiteit van Hannover en Bornemann Gewindetechnik GmbH und Co KG in een samenwerkingsproject.
Schroefaandrijvingen drijven de economie aan in de ware zin van het woord. Ze worden in verschillende vormen gebruikt in bijvoorbeeld gereedschapsmachines, voertuigen en in hef- en transporttechniek. Om hun functie te garanderen, zijn schroefaandrijvingen onderhevig aan strenge productietoleranties. Naast het voldoen aan de geometrische toleranties is het garanderen van een oppervlak met gedefinieerde tribologische eigenschappen een voorwaarde voor het efficiënte gebruik van een schroefaandrijving.
De geometrie van de schroefdraad heeft een sterke invloed op het toepassingsgebied van de draadaandrijving. Trapeziumdraad wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het verplaatsen van zware lasten, omdat de diepe schroefdraadflanken het mogelijk maken om grote krachten over te brengen. Als de belasting slechts in één richting groot is, zoals bij schroefpersen, wordt zaagtapschroefdraad gebruikt. Trapezium- en zaagdraden worden meestal gemaakt met behulp van het schroefdraadwervelproces. De redenen hiervoor zijn enerzijds de over het algemeen kleine batchgroottes en anderzijds de gunstige oppervlakte-eigenschappen die het proces oplevert.
Figuur 2 toont de proceskinematica van het wervelproces. Tijdens het fabricageproces wordt de kwaliteit van het oppervlak tijdens het wervelen voornamelijk bepaald door de slijtage en de positienauwkeurigheid van de snijkanten. Het is momenteel echter niet mogelijk om de slijtage van het gereedschap of het oppervlak tijdens het proces te controleren. Enerzijds is de schroefdraadflank moeilijk te bereiken vanwege zijn positie en anderzijds bemoeilijkt de rotatie van het gereedschap en het werkstuk tijdens het proces de registratie van meetgegevens.
Om deze redenen wordt een controle van de oppervlaktekwaliteit van de machine momenteel alleen steekproefsgewijs uitgevoerd op basis van de empirische kennis van het personeel. Om uitval te voorkomen en een hoge kwaliteit van de draadspindels te garanderen, moet in een gezamenlijk project tussen Bornemann Gewindetechnik GmbH en het Instituut voor Productietechnologie en Gereedschapsmachines (IFW) van de Leibniz Universiteit Hannover een meetsysteem worden ontwikkeld voor de procesparallelle bewaking van de oppervlaktekwaliteit van trapeziumschroefdraad.
Het wervelende proces
Om de meettaak te analyseren, moet eerst rekening worden gehouden met de kinematica van het productieproces. Bij het wervelen van de draad wordt het draadoppervlak gecreëerd door een gecombineerde beweging van de draaiende rotor en het werkstuk (zie afbeelding 2). Op de vortexgyroscoop bevinden zich meestal tussen de drie en acht snijkanten die gelijkmatig over de omtrek zijn verdeeld, die de contouren van een schroefdraad in kaart brengen.
Naast de kinematica van het productieproces heeft ook de daaropvolgende toepassing invloed op de te kiezen meetmethode. Aangezien het contact tussen de draadmoer en de loden spindel idealiter over de gehele schroefdraadflank wordt gemaakt, is het noodzakelijk om het gehele schroefdraadflankoppervlak te registreren om de kwaliteit te kunnen beoordelen.
De rotatie van het werkstuk tijdens het proces sluit zowel tactiele methoden als optische methoden met een klein meetbereik voor oppervlaktedetectie uit, omdat er extra beweging van de sensor nodig zou zijn om de hele flank vast te leggen. Een geschikte meetmethode moet het mogelijk maken om de gehele schroefdraadflank in één meetproces te detecteren. Hiervoor is een monochrome industriële camera gepland.
Als bewijs van de functie werden schroefdraad met oppervlakken binnen de eisen (OK) en schroefdraad met oppervlakken buiten de eisen (NOK) met de camera opgenomen. De afbeeldingen van de oppervlakken van een TR 65×7 trapeziumvormige draad en een TR 80×10 trapeziumvormige draad worden weergegeven in figuur 3. Door de verschillende oppervlakte-eigenschappen is het reflectiegedrag van de oppervlakken heel verschillend. De grijswaardeverdeling van het beeld verandert dus met de oppervlaktekwaliteit.
Uit het schematisch weergegeven histogram is te zien dat de amplitude van de maximale waarde aanzienlijk is verminderd voor schroefdraad met een NOK oppervlak in vergelijking met die met een OK oppervlak. Bij verschillende schroefdraadmaten is de verandering in de grijswaarde maximaal anders. Om het veranderde reflectiegedrag te kunnen gebruiken voor oppervlaktebewaking, is het daarom noodzakelijk om de grens tussen OK en NOK-oppervlak te kunnen definiëren, zelfs als de schroefdraadmaat wordt gewijzigd.
Uitdagingen van de toelatingsvoorwaarden
De toepassing van beeldverwerking in het productieproces vereist een betrouwbaar en herhaalbaar onderscheid tussen NOK en OK oppervlakken. Om een nauwkeurig onderscheid mogelijk te maken, is het noodzakelijk om de beïnvloedende variabelen bij het verkrijgen van afbeeldingen te identificeren en te analyseren.
De geïdentificeerde beïnvloedende variabelen op het vastgelegde beeld worden weergegeven in een Ishikawa-diagram in figuur 4. De doelvariabele (rood) van beeldverwerking is ruwheid. De controlevariabelen (groen) bij het maken van foto’s zijn de belichtingstijd en de belichtingsrichting. De controlevariabelen moeten zo worden ingesteld dat er een duidelijk beeld van het oppervlak wordt gegenereerd onder de gegeven randvoorwaarden (oranje), zoals de werkstuksnelheid. Randvoorwaarden die niet door de controlevariabelen kunnen worden gecompenseerd, moeten wel worden gecompenseerd door andere maatregelen, zoals de behuizing van de camera tegen besmetting.
De geïdentificeerde beïnvloedende variabelen werden onderzocht in een testopstelling in een bewerkingsmachine om de controlevariabelen zo gecontroleerd mogelijk te kunnen bijstellen. Met de verkregen beelden wordt momenteel een beeldverwerkingsalgoritme ontwikkeld op basis van de grijswaardeverschillen van de oppervlakken.
Uitzicht
Op basis van de gecontroleerde variabele aanpassing wordt momenteel een voor het proces geoptimaliseerde meetopstelling ontwikkeld. De structuur zorgt ervoor dat het algoritme ook tijdens het wervelproces gebruikt kan worden. Het gepresenteerde oppervlaktebewakingssysteem maakt deel uit van een systeem voor kwaliteitsbewaking bij het wervelen van draden. In de volgende stap zullen het gepresenteerde systeem en een ander systeem voor het registreren van de geometrische draadparameters in gebruik worden genomen op de wervelmachine. Daarna volgt de ontwikkeling van een algoritme voor kwaliteitsmonitoring voor de online evaluatie van kwaliteit op basis van meetgegevens. Met behulp van de vastgestelde kwaliteitsvoorwaarde worden later aanbevelingen voor actie voor de operators afgeleid.
Dankzegging
Het onderzoeksproject „Online-Qualitätsüberwachung beim Gewindewirbeln – Quali-Wirb“ wordt gefinancierd door het Bondsministerie van Economische Zaken en Klimaatactie (BMWK) op basis van een besluit van de Duitse Bondsdag in het kader van het Centrale Innovatieprogramma voor het MKB (ZIM) en onder toezicht van de Duitse Federatie van Industriële Onderzoeksverenigingen “Otto von Guericke” (AiF). Het IFW en de samenwerkingspartner Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG willen u bedanken voor de financiële steun aan dit project.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Instituut voor Productietechniek en Gereedschapsmachines (IFW)
Leibniz Universiteit Hannover