Онлайн-мониторинг поверхности при вихревой обработке резьбы
Исследовательский проект IFW по определению качества поверхности уже в процессе вихревой обработки резьбы.
Вихревая обработка резьбы является широко распространенным методом изготовления резьб. В данной работе представлена разработка метода определения качества поверхности уже в процессе вихревой обработки резьбы. Этот метод разрабатывается в рамках совместного проекта Института производственной техники Университета Ганновера и компании Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG.
Винтовые передачи в буквальном смысле приводят в движение экономику. Они используются в различных вариантах исполнения, например, в станках, транспортных средствах, а также в подъемной и конвейерной технике. Для обеспечения их функциональности винтовые передачи изготавливаются с высокими требованиями к допускам. Помимо соблюдения геометрических допусков, необходимо обеспечить поверхность с заданными трибологическими свойствами, что является ключевым условием для эффективного использования винтовой передачи.
Геометрия резьбы оказывает значительное влияние на область применения винтовой передачи. Например, трапецеидальная резьба используется для перемещения больших нагрузок, поскольку ее глубокие резьбовые грани позволяют передавать значительные силы. Если высокая нагрузка действует преимущественно в одном направлении, как, например, в винтовых прессах, применяются пиловидные резьбы. Производство трапецеидальных и пиловидных резьб в большинстве случаев осуществляется методом вихревой обработки резьбы. Основными причинами этого являются, с одной стороны, небольшие серийные объемы производства, а с другой – благоприятные свойства поверхности, достигаемые в процессе обработки.
На рисунке 2 представлена кинематика процесса вихревой обработки резьбы. В ходе производственного процесса качество поверхности при вихревом нарезании резьбы в значительной степени определяется состоянием износа и точностью положения режущих кромок. Однако на данный момент мониторинг износа инструмента или состояния поверхности в процессе обработки невозможен. Во-первых, резьбовая грань из-за своего расположения трудно доступна для измерений, а во-вторых, вращение как инструмента, так и заготовки во время обработки затрудняет сбор измерительных данных.
По этим причинам контроль качества поверхности на станке в настоящее время проводится только выборочно, на основе опыта обслуживающего персонала. Чтобы избежать брака и обеспечить высокое качество винтовых передач, в рамках совместного проекта компании Bornemann Gewindetechnik GmbH и Института производственной техники и станков (IFW) Лейбниц-Университета Ганновера разрабатывается измерительная система для параллельного мониторинга качества поверхности трапецеидальных резьб в процессе обработки.
Вихревая обработка резьбы
Для анализа измерительной задачи необходимо сначала рассмотреть кинематику производственного процесса. При вихревой обработке резьбы поверхность резьбы формируется за счет комбинированного движения вихревого резцедержателя и заготовки (см. рисунок 2). На вихревом резцедержателе обычно располагается от трех до восьми равномерно распределенных по окружности режущих кромок, которые формируют контур витка резьбы.
Помимо кинематики производственного процесса, на выбор метода измерения влияет и последующее применение резьбы. Поскольку в идеальном случае контакт между резьбовой гайкой и ходовым винтом должен происходить по всей поверхности резьбовой грани, для оценки качества необходимо зарегистрировать всю поверхность резьбовой грани.
Вращение заготовки во время процесса исключает применение как тактильных методов, так и оптических методов с небольшим измерительным полем для регистрации поверхности, поскольку для полного сканирования резьбовой грани потребовалось бы дополнительное движение датчика. Подходящий метод измерения должен обеспечивать фиксацию всей поверхности резьбовой грани в рамках одного измерительного процесса. Для этой цели предусмотрено использование монохромной промышленной камеры.
В качестве подтверждения работоспособности системы были засняты изображения резьбы с поверхностями, соответствующими требованиям (i.O.), и поверхностями, выходящими за пределы допустимых требований (n.i.O.). На рисунке 3 представлены изображения поверхностей трапецеидальных резьб TR 65×7 и TR 80×10. Из-за различий в характеристиках поверхности поведение отражения света на них значительно отличается. Соответственно, распределение оттенков серого на изображениях изменяется в зависимости от качества поверхности.
Из схематически представленной гистограммы видно, что амплитуда максимального значения у резьб с n.i.O.-поверхностью значительно снижается по сравнению с резьбами, имеющими i.O.-поверхность. При различных размерах резьбы изменение максимального значения серого уровня проявляется по-разному. Чтобы использовать измененное поведение отражения для мониторинга поверхности, необходимо определить границу между i.O.- и n.i.O.-поверхностью, даже при изменении размера резьбы.
Вызовы, связанные с условиями съемки
Применение обработки изображений в производственном процессе требует надежного и воспроизводимого различения между n.i.O.- и i.O.-поверхностями. Для обеспечения точной дифференциации необходимо выявить и проанализировать факторы, влияющие на процесс съемки.
Выявленные факторы, влияющие на получаемое изображение, представлены в виде диаграммы Ишикавы на рисунке 4. Целевой параметр (красным) для обработки изображений — это шероховатость. Регулируемые параметры (зеленым) при съемке включают, среди прочего, время экспозиции и направление освещения. Эти параметры должны быть настроены таким образом, чтобы при заданных граничных условиях (оранжевым), таких как, например, скорость вращения заготовки, обеспечивалось четкое изображение поверхности. Граничные условия, которые не могут быть скомпенсированы за счет регулирования параметров съемки, должны учитываться другими мерами, например, защитным кожухом камеры от загрязнений.
Выявленные факторы влияния были изучены в экспериментальной установке на станке, чтобы обеспечить максимально контролируемую настройку регулируемых параметров. На основе полученных изображений в настоящее время разрабатывается алгоритм обработки изображений, основанный на различиях в уровнях серого между поверхностями.
Перспективы
На основе контролируемой настройки параметров в настоящее время разрабатывается оптимизированная для процесса измерительная система. Данная система обеспечит возможность использования алгоритма обработки изображений непосредственно в ходе вихревой обработки резьбы. Представленный метод мониторинга поверхности является частью комплексной системы контроля качества при вихревом нарезании резьбы. На следующем этапе будут введены в эксплуатацию как представленная система, так и дополнительная система для регистрации геометрических параметров резьбы на вихревой установке. Далее будет разработан алгоритм контроля качества, позволяющий проводить онлайн-оценку качества на основе измеренных данных. В дальнейшем, на основе полученного состояния качества, будут сформированы рекомендации по корректировке процесса для операторов.
Благодарности
Исследовательский проект «Онлайн-мониторинг качества при вихревой обработке резьбы – Quali-Wirb» финансируется Федеральным министерством экономики и защиты климата Германии (BMWK) в рамках Центральной программы инноваций для среднего бизнеса (ZIM) на основании решения Бундестага Германии и курируется Объединением промышленно-исследовательских ассоциаций «Отто фон Герике» (AiF). IFW и партнер по сотрудничеству Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG выражают благодарность за финансовую поддержку данного проекта.
B. Denkena, H. Klemme, N. Klages
Институт производственной техники и станков (IFW)
Лейбниц-Университет Ганновер