Optische Schnittkantenmessung und automatisierte Kenngrößenermittlung
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Jan Jocker, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover
116 Seiten - 65,00 EUR (sw, 92 teils farbige Abb., 15 Tab.)
ISBN 978-3-86776-427-8
Zusammenfassung
Beim Ausschneiden oder Lochen von Werkstücken aus Blechen mittels Scherschneidens entstehen Schnittkanten, welche charakteristische geometrische Merkmale aufweisen. Die Qualität der Schnittkanten ist ein wesentliches Merkmal zur Bewertung der Produktqualität. Zum Beispiel kann Schnittgrat an den Kanten von Gehäusen, die aus geschnittenen Blechen hergestellt werden, zu Schnittverletzungen oder zur Beschädigung von Kabeln oder Schläuchen führen, welche durch die Gehäusewand geführt sind.
In anderen Fällen können die Schnittflächen von Schnittkanten als Funktionsflächen ausgeführt sein, zum Beispiel als Träger von Dichtungen oder als Lagersitze. Aufgrund von Werkzeugverschleiss, Verlagerungen des Pressenstößels und anderen Einflüssen weicht die Geometrie der Schnittkanten von der angestrebten idealen Form mit maximalem Glattschnittanteil und ohne Schnittgrat ab.
Eine Kontrolle der Schnittkantenqualität in Intervallen ist daher notwendig, um das Einhalten geforderter Toleranzen zu gewährleisten und Nachbesserungen des Prozesses vorzunehmen sowie die Produktion von Ausschussteilen zu vermeiden. Eine standardisierte Charakterisierung und Qualitätsbewertung von Schnittkanten erfolgt in der Praxis anhand von Schnittflächenkenngrößen, welche in der VDI-Richtlinie 2906 definiert sind.
Die Verfahren zur Schnittkantenmessung und zur Bestimmung der Schnittflächenkenngrößen, die dem Stand der Technik entsprechen, sind vergleichsweise kosten- und zeitaufwändig. Für blechverarbeitende Betriebe, welche mehrheitlich zu der Gruppe der kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU) gehören, bringt dies wirtschaftliche Nachteile mit sich. Das Ziel des hier beschriebenen Forschungsprojekts war es daher, ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit deren Hilfe die Schnittkantenmessung einfach, schnell und kostengünstig durchgeführt werden kann.
Der verfolgte Lösungsansatz ist die berührungslose Messung der Schnittkanten mittels eines laseroptischen Wegsensors sowie die automatisierte Ermittlung der Schnittflächen-kenngrößen mit Hilfe eines zu programmierenden Algorithmus.
Hierzu wurde eine Messvorrichtung konzipiert und gebaut, bei der mit Hilfe eines laseroptischen Wegsensors der Abstand zwischen der Probenoberfläche und dem Sensor gemessen wird. Der Wegsensor ist auf einer Linearachse angebracht, welche manuell verfahren werden kann. Der Vorschub der Linearachse wird mittels eines zweiten Wegsensors bestimmt, so dass der Abstand zwischen dem Blech und dem laseroptischen Wegsensor in Abhängigkeit von dessen Position entlang der Linearachse gemessen werden kann. Somit kann das Profil der zu untersuchenden Probenoberfläche als zweidimensionaler Schnitt dargestellt werden.
Die Probe wird hierzu in einer drehbaren Spannvorrichtung befestigt und in mehreren Schritten, zwischen denen die Probe gedreht wird, von mehreren Seiten aus gemessen. Im vorliegenden Abschlussbericht wird die entwickelte Messvorrichtung beschrieben und dessen Validierung anhand von Ergebnissen, die mittels alternativer Messverfahren gewonnen wurden, dokumentiert.
Des Weiteren wird eine im Vorhaben erstellte Software beschrieben, mittels welcher die aus unterschiedlichen Winkeln zwischen dem Wegsensor und der Schnittkante aufgenommenen Messwertkurven automatisch zusammengeführt und hinsichtlich der Schnittflächenkenngrößen ausgewertet werden.
Zur Validierung des entwickelten Algorithmus wurden die Schnittflächenkenngrößen von Schnittkanten an verschiedenen Praxisbauteilen sowohl mittels der neu entwickelten Vor-richtung als auch mit Hilfe metallografischer Schliffbilder bestimmt. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Übereinstimmung. Die entwickelte Lösung ermöglicht das Durchführen von Schnittkantenmessungen sowie die automatisierte Kenngrößenermittlung binnen weniger Minuten. Die Kosten für die benötigte Hardware liegen bei weniger als 10.000 Euro.
Die Ziele des Projekts wurden erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Optische Schnittkantenmessung und automatisierte Kenngrößenermittlung“ wurde unter der Fördernummer AiF 16501N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 385 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
1 Einleitung und Problemstellung
2 Stand der Technik
2.1 Scherschneiden
2.2 Schnittflächenkenngrößen
2.3 Schnittkantenmessung
2.4 Laseroptische Wegsensoren
2.5 Zusammenführung von Kurven (Curve Matching)
2.5.1 Berechnung der Signatur
2.5.2 Vorbereiten der Kurven
2.5.3 Ähnlichkeitsanalyse
2.5.4 Registrierung
2.5.5 Kurven vereinen
3 Forschungsziele und Lösungsweg
3.1 Forschungsziele
4 Projektbezogene Vorversuche
5 Vorrichtung zum Messen der Schnittkantengeometrie
5.1 Anforderungen an die Messvorrichtung
5.2 Messverfahren und Auswahl eines geeigneten optischen Sensors
5.3 Konzeption der Messvorrichtung
5.4 Messvorrichtung für die optische Schnittkantenmessung
5.5 Validierung des Messverfahrens
5.5.1 Rauschen, Störanfälligkeit und Reproduzierbarkeit
5.5.2 Messungen an einem Kalibriernormal
5.5.3 Messungen an Schnittkanten von Blecherzeugnissen
6 Softwareprogramm zur Durchführung von Schnittkantenmessungen und zur automatisierten Kenngrößenermittlung
6.1 Benutzeroberfläche
6.2 Abfrage der Sensoren und Speichern der Messwerte
6.3 Aufbereitung der Messdaten
6.4 Automatische Kurvenzusammenführung
6.5 Automatische Kenngrößenermittlung
6.6 Validierung des Algorithmus zur Kenngrößenermittlung
6.7 Zusammenfassung der Validierung des Algorithmus zur automatischen Kenngrößenermittlung
7 Ergebnisse und Ausblick
8 Literaturverzeichnis
