Anwendungsbeispiel: 3D-Bewegungsanalyse. Optische Messtechnik zur Analyse von Rollwalzmaschinen

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1 Anwendungsbeispiel: 3D-Bewegungsanalyse Optische Messtechnik zur Analyse von Rollwalzmaschinen Messsystem: PONTOS Keywords: Analyse von Massivumformungsprozessen, Optimierung von Fertigungsprozessen, Analyse von Führungen, Antrieben, Steifigkeit, Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen, Verlängerung von Werkzeugstandzeiten Dynamische Prozesse haben bei der Umformung mit Werkzeugmaschinen einen hohen Einfluss auf die Qualität der Fertigteile. Hier spielen Maschinensteifigkeit, Auslenkung von Führungen und Antrieben, sowie Zentrierung und Winkellagen eine entscheidende Rolle. Durch eine Analyse mit dem berührungslosen Stereokamera-System PONTOS zur optischen dynamischen 3D-Verformungsmessung können Werkzeugstandzeiten erhöht und durch die Optimierung von Fertigungsprozessen Kosten gesenkt werden. GOM mbh Mittelweg Braunschweig Deutschland Phone Fax info@gom.com GOM International AG Bremgarterstrasse 89B 8967 Widen Schweiz Phone Fax international@gom.com GOM France SAS 10 Quai de la Borde - Bât A Ris Orangis Frankreich Phone Fax info-france@gom.com GOM UK Ltd Business Innovation Centre Coventry, CV3 2TX Großbritannien Phone Fax info-uk@gom.com GOM Branch Benelux Interleuvenlaan 15 E 3001 Leuven Belgien Phone Fax info-benelux@gom.com Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

2 3D-Bewegungsanalyse / Bauteilentwicklung (Werkzeug-maschinen, Prozessoptimierung) Optische Messtechnik zur Analyse von Rollwalzmaschinen Messsystem: PONTOS Keywords: Analyse von Massivumformungsprozessen, Optimierung von Fertigungsprozessen, Analyse von Führungen, Antrieben, Steifigkeit, Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen, Verlängerung von Werkzeugstandzeiten Manche Fertigungsprozesse in der Umformung erfordern trotz Erfahrung weiterführende Analysemethoden. Die optische 3D-Messtechnik hilft hier nicht nur bei der Form- und Maßhaltigkeitskontrolle der formgebenden Werkzeuge. Auch dynamische Prozesse, die bei der Umformung mit Werkzeugmaschinen einen hohen Einfluss auf die Qualität der Fertigteile haben, können mittels berührungsloser 3D-Messtechnik zielführend analysiert werden. Mit dem Stereokamera-System PONTOS zur optischen dynamischen 3D-Analyse kann eine mögliche Auslenkung von Führungen und Antrieben ebenso sichtbar gemacht werden, wie Zentrierung, Winkellagen und Maschinensteifigkeit. Durch eine anschließende Optimierung können Werkzeugstandzeiten erhöht, und die Kosten von Fertigungsprozessen gesenkt werden. Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

3 Dynamisches Deformations-Messsystem Das transportable optische Messsystem PONTOS, ermöglicht die räumliche Koordinaten- und Verschiebungsmessung von einzelnen Messpunkten. Das System besteht typischerweise aus einem Stereokamera-Sensor, Stativ und Rechner (Abb. 1). Die zu messenden Stellen auf dem Objekt werden vor dem Messvorgang mit selbstklebenden oder auch temperaturstabilen Messmarken gekennzeichnet (Abb. 2). Abb. 1: PONTOS System zur optischen dynamischen 3D-Analyse, Sensor, Stativ, Rechner, (typischer Messaufbau) Abb. 2: PONTOS Verbrauchsmaterial, selbstklebende Messmarken Der PONTOS Messkopf wird auf einem Stativ frei vor dem Messobjekt positioniert. Die Bildaufnahme des selbstüberwachenden Systems erfolgt flexibel getriggert für einen oder mehrere Last-/Bewegungszustände. Auf Basis der Stereokameratechnik können beliebig viele Messmarken im Raum mit einer Genauigkeit von typischerweise µm/m zeitgleich bestimmt werden (Abb. 3 und 4). Abb. 3: PONTOS Messprinzip, räumliche 3D Online-Messung von Positionen und Verschiebungen der Messmarken, 3D Verschiebungsvektoren. Abb. 4: Online-Verformungsmessung einer Windkraftanlage. Das PONTOS-System ermöglicht die Analyse von Vibrationen, Frequenzen, Verdrehung, Durchbiegung, Geschwindigkeit, Beschleunigung, sowie von Bewegungsbahnen. Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

4 Mit dem Einsatz von Highspeed-Kameras eignet sich das System auch zur Erfassung schneller Vorgänge und Bewegungsabläufe, z.b. bei Baueiluntersuchungen in Windkanal- oder in Crash-Test-Anlagen (Abb. 5). Abb. 5: PONTOS High-Speed, Verformungsmessung bei Crash-Test. Online-Analyse von Verbiebungsvektoren und Bewegungsbahnen. Positionen und Bewegungen komplexer Teile, die nicht direkt erfasst werden können (z.b. verdeckte Rohlinge oder Werkzeugspitzen, etc.), werden mittels Adaptern vermessen. Hierfür können beliebige Punktegruppen vorab als Adapter bestimmt und entsprechend kalibriert werden (Abb. 6). Abb. 6: PONTOS Messung der Bewegung einer Werkzeugspitze mittels Adapter (kalibrierte Punktegruppe), Visualisierung über Primitive. Durch die Online-Messung kann auch die Auswertung der aufgenommenen Highspeed-Bilder als Echtzeit-Verformungsanalyse automatisch mit der PONTOS-Software erfolgen. Für die Auswertung der Positionen und Verschiebungen der Messpunkte stehen verschiedene Reportmöglichkeiten zur Verfügung. Über 3D-Verschiebungsvektoren und Diagramme lassen sich Verformungen wie Torsion, Biegung, Auslenkung, etc. in Echtzeit verfolgen und Strukturschwingungen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen untersuchen. Die Reportausgabe kann als Pdf, aber auch in Form von Videos und Diagrammen erfolgen (Abb. 7). Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

5 Abb. 7: PONTOS Messbericht, die 3D-Verschiebungsvektoren können für jede Verformungsstufe im realen Kamerabild visualisiert werden. Zusätzlich können Echtzeit-Analysen als Diagramme und Videos erstellt werden. Der Aufbau des PONTOS Systems sowie die Anbringung der Messmarken mit einer Person, beschränkten sich typischerweise auf einen Zeitraum unter einer Stunde. Das variable System lässt sich dabei schnell und flexibel an verschiedene Messfeldgrößen von standardmäßig 0,5 x 0,4 m ² bis 2,5 x 2 m ² anpassen. Das optische PONTOS System zur dynamischen 3D-Analyse ersetzt somit herkömmliche Wegmesssysteme und Beschleunigungssensoren. Dynamische Analyse einer Rollwalzmaschine zur Gewindefertigung Das Gewindewalzen hat sich nicht nur in der Massenfertigung von Normschrauben durchgesetzt, sondern spielt auch in der Einzelanfertigung von hoch belastbaren und präzisen Befestigungs- und Bewegungsgewinden eine tragende Rolle. Durch Gewinderollen entstehen sehr genaue Geometrien von hoher Oberflächengüte. Denn die Kaltumformung führt zu höherer Belastbarkeit des Gewindes als bei spanabhebenden Fertigungsverfahren. Bei der Herstellung eines neuen Produktes haben die teuren Umformwerkzeuge (Gewindespindeln) manchmal jedoch untypisch kurze Standzeiten. Als Folge sind die gefertigten Teile zu oft von minderer Qualität. Um schnell hinter die Ursache solcher Probleme zu kommen, hilft oftmals nur die Analyse des dynamischen Umformprozess der Rollwalzmaschine im laufenden Betrieb. Die zumeist schnellen und räumlich komplexen Bewegungen können jedoch nur schwer mit herkömmlichen Messsystemen in der gewünschten Präzision analysiert werden. Hier sind neue optische Messsysteme klar im Vorteil. So kann das PONTOS-System nicht nur komplexe sondern auch schnelle Abläufe detailliert erfassen, welche bei Umformungsprozessen typischerweise auftreten. Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

6 Für die Ursachenforschung und Prozessoptimierung mussten in diesem Fall die Maschinensteifigkeit, d.h. die Lage der Rollwalzenachsen relativ zueinander und relativ zum Maschinenbett erfasst werden. Auch die Zustellung der Rollwalzen und deren absolute Winkelgeschwindigkeit wurden benötigt. Des Weiteren war die Position und Lage des Werkstückrohlings sowie dessen Umdrehungsgeschwindigkeit und Beschleunigung während des Umformprozesses zu bestimmen. Messablauf Das mobile optische PONTOS System lässt sich einfach in bestehende Prüfumgebungen integrieren und wurde vor der Rollwalzmaschine frei auf einem Stativ positioniert (Abb. 8). Das selbstüberwachende System erzeugt dabei auch unter kritischen Rahmenbedingungen, wie beim Einsatz im Produktionsumfeld, zuverlässige und präzise Daten. Abb. 8: PONTOS Messaufbau im Produktionsumfeld Auf den Rollwalzen, der Rollwalzenführung und auf dem Maschinenbett wurden selbstklebende Messmarken appliziert. Die Position des Werkstückrohlings sowie dessen räumliche Lage wurden mit Hilfe eines Adapters aufgenommen, welcher auf den Werkstückrohling appliziert wurde. Dieser Adapter wird vorab kalibriert, d.h. seine Lage relativ zur Achse des Bauteils durch mehrere kurze Aufnahmen vermessen. Danach wurde mit der Rollwalzmaschine eine Ausgangsposition angefahren und eine Messung aufgenommen, welche den Referenzzustand für die nachfolgenden Verschiebungsmessungen darstellt. Anschließend erfolgte die Bewegungsmessung an einem typischen Fertigungszyklus. Messergebnisse Die Vorbereitung und Durchführung der Messung beschränkten sich beim Einsatz einer Person auf einen Zeitraum unter einer Stunde. Die Auswertung und Analyse kann anhand der gewonnen Bilder sofort vor Ort erfolgen und auch später jederzeit beliebig variiert werden. Die Analyse des Prozesses ist im Folgenden auszugsweise grafisch dargestellt. Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)

7 Abbildung 9 beschreibt die 3D-Verschiebung der Rollwalzenführung. Hier ist neben dem Vorschub in X-Richtung auch deutlich eine vertikale Auslenkung aufgrund der einwirkenden Kräfte zu verzeichnen. Die Vektoren im Bild spiegeln die Verschiebung der Rollwalzenführung in der Y-Achse und der Z-Achse wieder. Die aktuelle Position des Werkstücks, während des Prozesses ist in Abbildung 10 dargestellt. Hier ist neben der anfänglichen Zentrierung des Werkstückrohlings auch der Vorschub in axialer Richtung zu erkennen. Die Winkellage des Werkstückrohlings relativ zum Koordinatensystem ist in Abbildung 11 zu sehen. Abb. 9: Horizontaler Vorschub und vertikale Verschiebung der Rollwalzenführung im Fertigungsprozess Abb. 10: Position des Werkstückmittelpunktes im Prozess. Messung mit Hilfe eines Adapters Abb. 11: Verkippung der Werkstückachse. Messung mit Hilfe eines Adapters Fazit Anhand der hier gewonnen Daten, welche ebenfalls unter weiteren definierten Prozessparametern durchgeführt wurden, konnte die Werkzeugstandzeit deutlich erhöht werden. Die Bestimmung der Maschinensteifigkeit, ermöglicht zudem die Abschätzung zukünftiger Prozesse hinsichtlich einer erzielbaren Bauteilqualität mit den gegebenen Maschinenparametern. Durch die mittels der Untersuchung durchgeführte Prozessoptimierung wurde der Ausschuss verringert und die Fertigteilqualität erhöht. Das bedeutet nicht zuletzt eine signifikante Reduzierung der Fertigungskosten. Copyright 2009 GOM mbh All rights reserved! Rev. A (de)