Online-monitoring powierzchni podczas wirblenia gwintów
Projekt badawczy IFW dotyczący określania jakości powierzchni już podczas procesu wirblenia gwintów.
Wirblenie gwintów jest powszechnie stosowaną metodą wytwarzania gwintów. W niniejszym artykule przedstawiono rozwój metody do określania jakości powierzchni już podczas procesu wirblenia gwintów. Metoda ta jest opracowywana wspólnie przez Instytut Technologii Wytwarzania Uniwersytetu w Hanowerze oraz firmę Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG w ramach projektu kooperacyjnego.
Napędy gwintowe dosłownie napędzają gospodarkę. Stosowane są w różnych branżach, takich jak maszyny narzędziowe, pojazdy, a także w technice dźwigowej i transportowej. Aby zapewnić ich prawidłowe działanie, napędy gwintowe muszą spełniać ścisłe tolerancje produkcyjne. Oprócz przestrzegania tolerancji geometrycznych, kluczowe dla efektywnego zastosowania napędu gwintowego jest zapewnienie powierzchni o zdefiniowanych właściwościach tribologicznych.
Geometria gwintu ma duży wpływ na zakres zastosowania napędu gwintowego. Gwinty trapezowe są na przykład stosowane do przenoszenia dużych obciążeń, ponieważ dzięki głębokim powierzchniom gwintu mogą przenosić duże siły. Jeśli obciążenie występuje tylko w jednym kierunku, jak ma to miejsce w przypadku pras śrubowych, stosuje się gwinty piłowe. Produkcja gwintów trapezowych i piłowych zazwyczaj odbywa się za pomocą procesu wirblenia gwintów. Powody są dwa: po pierwsze, zazwyczaj małe serie produkcyjne, a po drugie, korzystne właściwości powierzchniowe, które powstają w wyniku tego procesu.
Na Obrazie 2 przedstawiona jest kinematyka procesu wirblenia. Podczas procesu produkcji jakość powierzchni przy wirbleniu jest głównie determinowana stanem zużycia narzędzia oraz precyzją położenia ostrzy. Obecnie jednak monitorowanie zużycia narzędzia lub jakości powierzchni w trakcie procesu nie jest możliwe. Po pierwsze, powierzchnia gwintu jest trudno dostępna ze względu na swoje położenie, a po drugie, rotacja narzędzia i obrabianego detalu w trakcie procesu utrudnia zbieranie danych pomiarowych.
Z tych powodów kontrola jakości powierzchni na maszynie odbywa się obecnie jedynie losowo, w oparciu o doświadczenie personelu. Aby uniknąć odrzutów i zapewnić wysoką jakość napędów gwintowych, w ramach wspólnego projektu pomiędzy firmą Bornemann Gewindetechnik GmbH a Instytutem Technologii Wytwarzania i Obrabiarek (IFW) Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze ma zostać opracowany system pomiarowy do równoległego monitorowania jakości powierzchni gwintów trapezowych w trakcie procesu produkcji.
Proces wirblenia
Aby przeanalizować zadanie pomiarowe, należy najpierw przyjrzeć się kinematyce procesu produkcji. Podczas wirblenia gwintów powierzchnia gwintu jest wytwarzana przez połączony ruch wirbelka i obrabianego detalu (por. Obraz 2). Na wirbelku zazwyczaj znajduje się od trzech do ośmiu ostrzy, równomiernie rozmieszczonych wokół obwodu, które odwzorowują kontur jednego zwoja gwintu.
Oprócz kinematyki procesu produkcji, na wybór metody pomiarowej wpływa również późniejsze zastosowanie. Ponieważ kontakt między nakrętką a śrubą gwintową w optymalnym przypadku odbywa się na całej powierzchni bocznej gwintu, konieczne jest zarejestrowanie całej powierzchni gwintu, aby móc ocenić jakość.
Rotacja obrabianego detalu podczas procesu wyklucza zarówno metody taktylne, jak i optyczne metody o małym zakresie pomiarowym do rejestracji powierzchni, ponieważ do uchwycenia całej powierzchni bocznej gwintu konieczny byłby dodatkowy ruch czujnika. Odpowiednia metoda pomiarowa musi umożliwiać rejestrację całej powierzchni gwintu w jednym cyklu pomiarowym. W tym celu przewidziana jest monochromatyczna kamera przemysłowa.
Jako dowód funkcjonalności zarejestrowano obrazy gwintów o powierzchniach mieszczących się w wymaganiach (i.O.) oraz gwintów o powierzchniach poza wymaganiami (n.i.O.) za pomocą kamery. Obrazy powierzchni gwintu trapezowego TR 65×7 oraz gwintu trapezowego TR 80×10 przedstawiono na Obrazie 3. Ze względu na różne właściwości powierzchniowe, zachowanie odbicia światła z powierzchni jest bardzo różne. Rozkład wartości szarości obrazu zmienia się w zależności od jakości powierzchni.
Z schematycznie przedstawionego histogramu wynika, że amplituda maksymalnej wartości dla gwintów o powierzchni n.i.O. w porównaniu do gwintów o powierzchni i.O. znacząco się zmniejsza. Dla różnych rozmiarów gwintów zmiana maksymalnej wartości szarości jest różnie wyraźna. Aby móc wykorzystać zmienione zachowanie odbicia światła do monitorowania powierzchni, konieczne jest zdefiniowanie granicy pomiędzy powierzchniami i.O. a n.i.O. także w przypadku zmiany rozmiaru gwintu.
Wyzwania związane z warunkami rejestracji
Zastosowanie przetwarzania obrazów w procesie produkcji wymaga pewnej i powtarzalnej rozróżnialności pomiędzy powierzchniami n.i.O. i i.O. Aby umożliwić precyzyjne rozróżnienie, konieczne jest zidentyfikowanie i przeanalizowanie czynników wpływających na rejestrację obrazu.
Zidentyfikowane czynniki wpływające na rejestrowany obraz zostały przedstawione w diagramie Ishikawy na Obrazie 4. Celem przetwarzania obrazu (czerwony) jest chropowatość. Parametry ustawienia (zielony) podczas rejestracji obrazu to m.in. czas naświetlania oraz kierunek naświetlania. Parametry te muszą być tak ustawione, aby przy zadanych warunkach brzegowych (pomarańczowy), takich jak np. prędkość obrotowa detalu, uzyskać wyraźny obraz powierzchni. Warunki brzegowe, które nie mogą zostać skompensowane przez parametry ustawienia, muszą być wyrównane innymi środkami, takimi jak np. zabudowa kamery w celu ochrony przed zanieczyszczeniami.
Zidentyfikowane czynniki wpływające zostały zbadane w ramach układu próbnego w maszynie narzędziowej, aby możliwie jak najlepiej kontrolować ustawienia parametrów. Na podstawie zarejestrowanych obrazów opracowywany jest obecnie algorytm przetwarzania obrazu, który bazuje na różnicach wartości szarości powierzchni.
Perspektywy
Na podstawie kontrolowanej regulacji parametrów ustawienia opracowywany jest obecnie system pomiarowy zoptymalizowany pod kątem procesu. Dzięki temu zapewnione będzie, że algorytm będzie mógł być stosowany również w trakcie procesu wirblenia. Przedstawiony system monitorowania powierzchni jest częścią systemu do kontroli jakości podczas wirblenia gwintów. W kolejnym kroku uruchomione zostaną zarówno przedstawiony system, jak i dodatkowy system do rejestracji geometrycznych parametrów gwintów na maszynie do wirblenia. Następnie opracowany zostanie algorytm monitorowania jakości do oceny jakości w czasie rzeczywistym na podstawie danych pomiarowych. Na podstawie uzyskanego stanu jakości później będą opracowywane zalecenia dla operatorów.
Podziękowania
Projekt badawczy „Online-Qualitätsüberwachung beim Gewindewirbeln – Quali-Wirb” jest dofinansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Ochrony Klimatu (BMWK) na podstawie uchwały Bundestagu w ramach Centralnego Programu Innowacyjnego dla MŚP (ZIM) i nadzorowany przez Wspólnotę Związków Przemysłowo-Badawczych „Otto von Guericke” (AiF). Instytut IFW oraz współpracujący partner Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG dziękują za wsparcie finansowe w ramach tego projektu.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Instytut Technologii Wytwarzania i Obrabiarek (IFW)
Uniwersytet Leibniza w Hanowerze