Erkennung von Einschnürungen an Blechformteilen durch optische Systeme

Im Rahmen des Forschungsthemas wurden theoretische, analytische und experimentelle Untersuchungen zur Schaffung und Erprobung eines aufgabenspezifisch flexiblen Oberflächeninspektionssystems für Einschnürungen an Blechformteilen durchgeführt. Dabei standen die anwendungsbezogene Systemauswahl und die prozessnahen Einsatzkriterien unter den Bedingungen der Umformtechnik im Vordergrund.
Ausgehend von werkstofftechnischen Betrachtungen wurden zunächst Möglichkeiten zur Abschätzung der Einschnürverhaltens untersucht. Flachzug- und Beulversuchsproben erlauben eine Vorhersage des werkstoffabhängigen Versagensfalleintrittes. Eine Vorausberechnung der minimal zulässigen Blechdicke sGl im Bereich der Gleichmaßdehnung definiert dabei eine technologische Grenze vor der Einschnürungsbildung. Viele Werkstoffe besitzen jedoch eine Dehnreserve nach diesem Wert, deren Bewertung im Spannungs-Dehnung Diagramm Aussagen über den lokalen Einschnürbeginn liefern. Als Kriterien werden dabei die Kurvenverläufe im Bereich nach der Gleichmaßdehnung ϕ91 bis zur Bruchdehnung A sowie das Streckgrenzenverhältnis herangezogen.
Eine Sammlung von einschnürungsbehafteten Werkstücken aus laufender Industrieproduktion und Versuchsbetrieb diente der Analyse von Einschnürungsformen und Ableitung von Anforderungen für einen praxisnahen Einsatz. Durch die konventionelle Fehlervermessung an ausgesuchten Werkstücken konnten quantitative Aussagen bezüglich möglicher Auswerteparameter gemacht werden. Die maximal auftretende Einschnürtiefe im Bereich einer 3D-Oberfläche wurde für eine optische Vermessung als geeignet befunden.
Die Entwicklung praxisrelevanter optischer Inspektionssystemtechnik für Oberflächen ist auf dem Gebiet der strukturierten Beleuchtung am weitesten fortgeschritten. Es wurden deshalb Komponenten für ein Bildverarbeitungssystem mit Streifenprojektion ausgewählt, verknüpft und zunächst als lauffähige Laborvariante installiert. Die Auswertung basiert auf der Methode der kodierten Lichtansatzes, speziell einer Kombination von Gray-Code und Phasen-Shift. Aus dem ermittelten 3D-Datensatz der Oberfläche lassen sich aufgabenbezogen beliebige Punkte auslesen und in Auswertestrategien verarbeiten. Nach der Anpassung an die Problematik der Erkennung von Einschnürungen an Blechformteilen und die Schaffung geeigneter Verarbeitungs- und Auswertemodi wurden experimentelle Untersuchungen zu Systemkalibrierung, Messtoleranzen, Messfeldgrößen, Auflösungen, Sensorausrichtung, Einstellparameter und Ausleuchtung durchgeführt. Dazu diente das Referenzteil „Sickenblech“.
Mit dem Einfluss von Schmiermittelschichten begannen die umformspezifischen Untersuchungen.
Es zeigte sich eine zunehmende Beeinflussung des Messergebnisses bei Erhöhung der Schmierstoffmengen. Konsistenz und Auftragsart waren dabei maßgeblicher als chemische Zusammensetzung und Lichtdurchdringung. Durch die vorhandenen Produktabhängigkeiten wird ein Test im konkreten Einsatzfall immer empfohlen. Bezüglich Prüflingsmaterial und -Oberflächen bestehen lediglich bei stark reflektierenden Objekten erhöhte Anforderungen bei der Systemeinstellung. Eine abschließende Durchführung von Dauermessungen brachte Systemteleranzen und dokumentierte die Eignung für größere Stückzahlen.
Nach dem Laborstadium wurde das Oberflächeninspektionssystem im praxisnahen Betrieb getestet. Die Installation im Werkzeugraum einer hydraulischen Presse mit Vielpunktzieheinrichtung im Versuchsfeld des IWU Chemnitz und der Einbau eines Versuchswerkzeuges („Behälterhälfte“) gewährleistete ein Wirken möglichst vieler Faktoren. Der Festlegung des zu überwachenden Messteiles folgten Justlage und Kalibriervorgang direkt am eingebauten Werkzeug. Dies lieferte Richtzeiten für das Rüsten des Systems. Nach Funktionsbereitschaft wurden schwerpunktmäßig Anlagen-, Prozeß- und Umfeldeinflüsse auf das Maßergebnis untersucht. Dabei zeigte sich kaum eine Beeinträchtigung durch die Umformmaschine und ihre Aggregate. Das System wies nur eine sehr geringe Schwingungsempfindlichkeit aus. Ebenso verhielt es sich mit Fremdeinflüssen, wie künstlicher Beleuchtung. Problematisch wird dagegen die Fixierung des Werkstückes zum Vermessen der Einschnürung.
Eine ständig veränderte Position infolge Blechauffederungen beim Abstreifen vom Stempel, Blechhaltervibration und Verzicht auf werkzeugseitige Lagebestimmung in Maßposition führte zu großen Meßwertschwankungen. Als Schlußfolgerung daraus muß für hohe Genauigkeit der Messung und sehr kleine Meßwerte eine geringe Positioniertoleranz des Werkstückes gesichert werden. Eine generelle Vermessung außerhalb des Werkzeugraumes, beispielsweise in einer Ablagestation, ist zu empfehlen.
Die Kopplung des Inspektionssystems mit dem Maschinentakt war nur im Rahmen der benötigten Aufnahmezeit möglich. Eine weitere Verringerung ist technisch realisierbar, führt aber zu lnformationsverlusten, welche die geforderten Genauigkeiten und Lagebewertungen einer beginnenden lokalen Einschnürung nicht mehr ermöglichen.
Die durchgeführten Untersuchungen fanden unter speziellen Bedingungen statt, die bei einem potentiellen Nutzer in andere Form vorhanden sind. Die genaue Analyse der Maßaufgabe und der Einsatzbedingungen ist deshalb entscheidend für die benötigte Systemkonfiguration, zugehörige Genauigkeitsforderungen an das Maßergebnis und optimale Auswertestrategien.
Die Arbeit schließt mit der Darstellung des Leistungsbildes und Ausblicken auf Möglichkeiten im Rahmen einer industriellen Nutzung.