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Die
Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Qualitätskontrolle
bei Werkzeugmaschinen, insbesondere bei Werkzeugmaschinen, die automatisiert
unterschiedliche Fertigungsaufträge abarbeiten.
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Werkzeugmaschinen
verwenden Werkzeuge, die nach einem Rüstvorgang und/oder
in regelmäßigen Abständen auf Justage
und Verschleiß kontrolliert werden, damit kein Ausschuss
produziert wird.
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Bislang
werden solche Prüfungen zur Qualitätskontrolle
am sog. Rüstmuster durchgeführt. Das Rüstmuster
ist ein Exemplar der ersten, angefertigten Charge des benötigten
Fertigungsteils.
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Zur
Qualitätskontrolle wird dem Stand der Technik folgend das
Rüstmuster komplett vermessen. Dabei kann bei Flachmaterialien
(wie Blechen oder Tafelwaren) ein Gerät wie z. B. in
DE29707985U1 beschrieben verwendet
werden. Mit dem dort beschriebenen Messgerät wird im Durchlichtverfahren
die Rüstmuster-Kontur mit einem telezentrischen Objektiv
und einem bildgebenden Flächensensor (CCD-Kamera) als IST-Daten
erfasst. In einem zweiten Schritt werden diese IST-Daten mit den
SOLL-Daten aus der Fertigungsauftragsdatenbank verglichen, und die
Abweichungen dargestellt.
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Ein
Bediener erkennt Abweichungen und kann anhand seines Fachwissens
und der Maschinen-Einrichtedaten die Ursachen bestimmen und sie
danach abstellen. Dieses Vorgehen ist unabhängig vom Herstellverfahren
des Rüstmusters (Stanzen, Nibbeln, Lasern, Wasserschneiden,
...) anwendbar und für Flachmaterialien (wie Blechzuschnitte
oder Tafelwaren) erprobt.
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Durch
die Weiterentwicklung der Fertigungsmöglichkeiten, insbesondere
bedienerloses Fertigen von Großaufträgen, Flexibilisierung
der Fertigungsdurchläufe, Reduzieren von Losgrößen,
Fertigung auch von Einzelstücken auf Bestellung, ist in
der betrieblichen Praxis das gleichzeitige Fertigen mehrer, verschiedener
Fertigungsteile aus einem Werkstück eingeführt
worden. Dabei sind jedoch Nachteile entstanden, wie z. B.:
- • Bei dem Fertigen mehrer verschiedener
Fertigungsteile aus einem Werkstück- ist nach dem Rüsten
für jedes Fertigungsteil eine separate Rüstmusterkontrolle
notwendig. Insbesondere bei kleinen Losgrößen
ist der Aufwand zur Qualitätskontrolle größer
als der Aufwand zur Fertigung. Es hat sich aber gezeigt, dass auf
diese Kontrolle nicht verzichtet werden kann, ohne dass es zu nicht
mehr akzeptablen Fehlern in der Fertigung kommt.
- • Bei der bedienerlosen Fertigung mit großen
Stückzahlen ist der Werkzeugverschleiß wie dem
Stumpfwerden oder Abbrechen von Werkzeugschneiden oder die Dejustage
von Betriebsparametern bei Laserschneid- oder Wasserstrahlanlagen
ein kostenträchtiges Problem, welches nur personalintensiv
durch Bediener erkannt und behoben werden kann.
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Anhand
dieser Situation wurde erkannt, dass eine Weiterentwicklung der
Qualitätskontrolle für die betrachteten Werkzeugmaschinen
notwendig ist, die die zuverlässige Fertigung verschiedener
Fertigungsteile aus einem Werkstück umfassend kleine Losgrößen
bei verringertem Aufwand bereitstellt.
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Weiterhin
wurde erkannt, dass eine Weiterentwicklung der Qualitätskontrolle
für die betrachteten Werkzeugmaschinen notwendig ist, die
die zuverlässige Fertigung von Fertigungsteilen bei verringerten
Personalaufwand bereitstellt.
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Es
hat sich gezeigt, dass die erfinderische Lösung für
dieses Problem bereits im Grundprinzip hohe Entwicklungspotentiale
für die betrachtete Gruppe von Werkzeugmaschinen beinhaltet.
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Wesentlich
für das vorliegende Verfahren ist die Anfertigung eines
Referenzteils anstatt eines Rüstmusters. Das Referenzteil
ist durch eine Kombination von jeweils einem repräsentativen
Bearbeitungsvorgang pro Werkzeug gekennzeichnet. Das Ergebnis des
Bearbeitungsvorgangs wird in IST-Daten erfasst. Die IST-Daten werden
unter Erzeugung von Fehlerbildern mit SOLL-Daten, beispielsweise
Werkzeugspezifikationen oder Toleranzvorgaben, verglichen. Die Fehlerbilder
werden analysiert, Abweichungen werden qualitativ unter Zuordnung
der Ursache bewertet und die Ursache wird nachfolgend beseitigt.
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Die
angesprochenen Fehlerbilder lassen sich alle mittels einer optischen
Auswertung erzeugen. Durch eine weitere Analyse lassen sich die
Ursachen der Fehler zuordnen, sowie geeignete Abstellmaßnahmen
einleiten. Damit ist die Hauptaufgabe des Bedieners nicht mehr die
Vollkontrolle aller Rüstmuster und die Stichprobenkontrolle
bei langlaufenden Fertigungsaufträgen, sondern er wird
erst zur Störungsbehebung gerufen, nachdem die erfinderische
Qualitätskontrolle in Wechselwirkung mit der Werkzeugmaschinensteuerung
eine zu Ausschuss führende Abweichung festgestellt hat.
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Eine
besondere erfinderische Ausprägung ist die selbstständige
Korrektur von Justagedaten oder auch dem Austausch von defekten
Werkzeugen, bis hin durch Substitution durch ein für die
zu erstellende Kontur äquivalentes Werkzeug durch die Werkzeugmaschinensteuerung.
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Neben
der maschinenintegrierten optischen Messung ist die Auswertung und
Fehlerbildanalyse Teil der Erfindung.
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Die
Erfindung beinhaltet die Betrachtung der werkzeugbedingten Fehler
vor und in Intervallen während der Produktion. Die Fehlerquote
die aus der fehlerhaften Umsetzung der Konstruktions-Vorgabe in
die CNC-Programme herrührt hat sich als mittlerweile überraschend
vernachlässigbar gezeigt. Daher ist es ausreichend, die
Qualitätsprüfung des fertigen Produktes auf die
Qualitätsprüfung der Werkzeug-Wirkung zu verlagern. Überraschend
ist die Entdeckungsquote von Werkzeugverschleiß bei erfindungsgemäßer
Werkzeugüberprüfung sogar höher, da auch
dann der Werkzeugverschleiß festgestellt wird, wenn der
defekte Teil der Kontur bei dem Rüstmuster nicht zum Einsatz
kommt.
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Gemäß der
Erfindung wird für jedes Werkzeug zu Beginn eines Fertigungszyklus
eine Formgebung bzw. Kontur an einem Referenzteil z. B. mit einem
telezentrischen Objektiv und einem Punkt- oder linienbildenden Sensor
oder einem bildgebenden Flächensensor (CCD-Kamera) als
IST-Daten erfasst. So kann z. B. mit fest ausgerichteter Kamera
mit fest dazu angeordnetem Linienprojektor und bewegtem Referenzteil,
oder mit beweglichem Linienprojektor bei fest angeordneter Kamera
und Referenzteil, oder mit beweglicher Kamera bei fest angeordnetem
Musterprojektor und Referenzteil, ein Referenzteil dreidimensional
erfasst werden. In einem zweiten Schritt werden diese IST-Daten
mit den SOLL-Daten, die z. B. von der CNC-Werkzeugmaschinensteuerung
oder dem Fertigungsauftrag stammen, verglichen und die Abweichungen
festgestellt. Je nach Art des Fertigungsverfahrens liegen unterschiedliche
Fehlerbilder vor, die nach einer Analyse zugeordnet (entdeckt) werden
können, worauf eine Reaktion in der Steuerung der Werkzeugmaschine
ausgelöst wird.
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Konkret umfasst das Verfahren in einer
Ausführungsform folgende Schritte:
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Zu
Beginn eines Fertigungszyklus wird ein unbearbeitetes Werkstück
als Referenzteil positioniert. Dieses Referenzteil kann auch als
ein Teilbereich des Werkstücks des geplanten Fertigungsauftrages
ausgeführt sein. Im Folgenden wird von Referenzbereich
gesprochen.
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In
dem Referenzbereich wird eine konturbildende Bearbeitung mit den
ausgewählten Werkzeugen durchführt. Die Auswahl
kann dabei entweder schon bei der Erstellung des Fertigungsauftrages
vorgegeben werden, indem die zu prüfenden Merkmale bei
jedem Werkstück wiederholt werden, oder können
von der Werkzeugmaschine anhand der Werkzeugliste zusammengestellt
und angeordnet werden, bis hin zur Auswahl anhand von statistischen
Qualitätskriterien für jedes verwendete Werkzeug
und der selbstständigen Positionierung der Werkzeuge im
Prüfbereich. Die verwendeten Werkzeuge, Werkzeugmaschinen
und ggf. die notwendigen Vorgabeparameter zur Konturerstellung werden
für die spätere Auswertung der gespeichert. Zur Vereinfachten
Auswertung können die jeweiligen Prüfmerkmale
gespeichert und bei der Auswertung berücksichtigt werden.
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Zur
Herstellung eines oder mehrerer Fertigungsteile aus einem Werkstück
(mit vorzugsweise exakt bekannter Geometrie) wird für alle
Koordinatensysteme ein Bezugspunkt im Werkstück definiert,
als Ursprung eines werkstückbezogenen Koordinatensystems,
dem Werkstückkoordinatensystem. Dann werden mit dem oder
den Werkzeugköpfen der Werkzeugmaschine eine oder mehrere
Bearbeitungen durchgeführt. Der Werkzeugkopf und das Werkstück
befinden sich in einem absoluten, rechtwinkligen Koordinatensystem,
dem Weltkoordinatensystem.
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Dabei
bewegen sich die jeweiligen Werkzeugköpfe und das Werkstück
relativ zueinander, entlang von rechtwinkligen Bewegungsachsen.
Jedes Element, welches gegenüber dem Weltkoordinatensystem
bewegt wird, hat ein eigenes Koordinatensystem, das Bewegungskoordinatensystem.
Die Achsen dieser Koordinatensysteme sind üblicherweise
parallel zueinander. In bestimmten Fällen können
auch unterschiedliche Koordinatensysteme wie ein polares Koordinatensystem
(Winkel, Radius), Verwendung finden. Es versteht sich, dass diese
Koordinatensysteme durch Transformation der jeweiligen Daten ineinander überführt
werden können. Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel
wird im Weiteren von einem rechtwinkligen Koordinatensystem ausgegangen.
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Zur
Herstellung eines oder mehrerer Fertigungsteile aus einem Werkstück
(mit vorzugsweise exakt bekannter Geometrie) wird wie bereits erwähnt
für alle Koordinatensysteme ein Bezugspunkt im Werkstück
definiert, als Ursprung des Werkstückbezogenen Koordinatensystems,
dem Werkstückkoordinatensystem. Aufgrund der Positionierung
des Werkstücks in der Werkzeugmaschine zu Beginn der Fertigung
kann der Referenzpunkt des Weltkoordinatensystems vom Werkstückkoordinatensystem
abweichen. Ebenso kann bei Dejustagen oder auch durch das Bewegungsspiel
bedingt, der jeweilige Referenzpunkt der Bewegungskoordinatensysteme
vom Weltkoordinatensystem und auch zueinander abweichen.
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Für
eine exakte Fertigung von Teilen, deren komplette Kontur hergestellt
wird, muß die Abweichung der Bewegungskoordinatensysteme
zueinander vernachlässigbar sein. Wenn Teile der Werkstücks
zur Bearbeitung einer eindeutigen Positionierung im Weltkoordinatensystem
bedürfen (z. B. Werkstückrand gleich Rand eines
Fertigungsteiles), dann muß auch sichergestellt werden,
daß die Abweichung des Referenzpunkte in allen Koordinatensystemen
zueinander vernachlässigbar ist (absolute Genauigkeit).
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Die
Bearbeitung wird mit dem ausgewählten Werkzeugkopf durchgeführt,
der das jeweilig zu prüfende Werkzeug enthält.
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Bei
einer Stanze wird mit dem ausgewählten Werkzeug eine Stanzung,
eine Prägung oder eine Kombination davon durchgeführt.
Bei Prägungen mit großem Umformgrad kann es erforderlich
sein, diese in mehreren Bearbeitungsschritten durchzuführen.
Dabei kann jede Bearbeitungsstufe anschließend geprüft
werden.
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Dieses
Vorgehen ist z. B. für alle Schneid-Werkzeuge verwendenden,
konturgebenden Fertigungsverfahren anwendbar, die ein oder mehrere,
auch wechselbare Werkzeuge vorsehen, wie z. B. Stanzen und Nibbler,
aber auch Hobel und andere. Übertragbar ist dieses Verfahren
z. B. auch auf rotierende Werkzeuge wie Bohrer und Fräser.
Bei anderen Fertigungsverfahren wie z. B. bei einem Laser wird mindestens
ein Schnitt oder eine geschlossene Kontur erzeugt.
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Dieses
Vorgehen ist z. B. für alle Trennverfahren geeignet, die
ohne Schneiden arbeiten, wie Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden,
Drahterodieren, Brennschneiden, usf..
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Wenn
mehr als ein Werkzeugkopf eingesetzt wird, wird/werden mit jedem
Werkzeugkopf eine/mehrere Bearbeitung/en ausgeführt, die
eine Aussage über das jeweilig verwendete Koordinatensystemzugänglich
machen.
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Die
durch die jeweiligen Bearbeitung z. B. erzeugte Kontur spiegelt
den Zustand des Werkzeugs sowie die Ausrichtung des Werkzeugkopfes
in seinem Koordinatensystem wieder (IST-Daten).
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Die
IST-Daten werden mit einer optischen Aufnahmeeinheit maßstäblich
erfasst. Die Aufnahmeeinheit ist hier oberhalb der Werkstückoberfläche
angeordnet. Die Beleuchtung des Messbereichs erfolgt im Auflichtverfahren
(Beleuchtung auf der gleichen Seite vom Werkstück wie die
Kamera) oder vorteilhafter Weise im Durchlichtverfahren. Die so
erfasste IST-Kontur wird in IST-Daten gespeichert und der Auswertung
zur Verfügung gestellt.
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Zur
optionalen Erfassung von 3-dimensionalen Konturdaten wie bei Prägungen
kann neben der Aufnahmeeinheit ein LASER-Linienprojektor angeordnet
werden, der entlang einer vorbestimmten, relativ zum Objektiv bekannten
Bahn beweglich ist, so dass für beliebige Oberflächenpunkte
des Werkstücks Positionskoordinaten bezogen auf ein definiertes
Koordinatensystem mit Mitteln der digitalen Informationsverarbeitung
unter Anwendung trigonometrischer Verfahren mittels einer Auswerteeinheit
zu bestimmen sind. Diese Daten werden ebenfalls als IST-Daten gespeichert.
Dieser Vorgang wird nach Bedarf wiederholt.
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Vor
der Auswertung wird die zu erzeugende Kontur (SOLL-Daten) bestimmt
und zusammen mit den für die Fertigung erforderlichen Vorgabewerten
zur späteren Verarbeitung abgespeichert. Die SOLL-Kontur stammt
entweder direkt aus Kontur-Daten aus dem Fertigungsauftrag oder
aus Konturdaten, die die Werkzeugmaschine zur Verfügung
stellt, oder wird aus Fertigungsprogrammdaten unter Verwendung von
Werkzeugbezeichnung und Arbeitsparametern gemäß der
vorgegebenen Gestaltung des Prüfbereichs im Referenzteil
erzeugt. Diese SOLL-Kontur wird optional in gleicher Weise für
die Höhenmessung erzeugt.
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Die
Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit, die zunächst
das Bearbeitungskoordinatensystem festlegt, indem es die IST-Geometrie
der ermittelten Konturen als Menge von in Bezug auf ein Koordinatensystem
definierten Punkten beschreibt, wobei das Koordinatensystem so gewählt
ist, dass jeweils zwei Punkte auf der Oberfläche des Werkstücks,
die eine Gerade festlegen, die parallel zur X-Achse des Maschinentischs (Weltkoordinatensystem)
ist, gleiche Y-Koordinaten aufweisen.
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Für
jedes auszuwertende Prüfmerkmal werden dann für
das Werkzeug oder die Bearbeitung zunächst die IST-Daten
mit den Soll-Daten so gut wie möglich zur Deckung gebracht,
indem die Auswerteeinheit die IST-Ggeometrie und SOLL-Geometrie
in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert, wobei die dabei verwendeten
Transformationen so gewählt werden, dass beide Transformationen
Translationen darstellen und dass die Summe der Quadrate des jeweils
kürzesten Abstands eines Punktes zur Sollgeometrie über
alle ermittelten Punkte der IST-Geometrie minimal ist, wobei dieses
Verfahren im folgenden als Best-Fit-Algorithmus bezeichnet wird.
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Im
Anschluss werden die Messdaten bezüglich Ausreißer
bereinigt, indem die Auswerte-Einheit während der Anwendung
des Best-Fit-Algorithmus einzelne Punkte als Ausreißer
identifiziert, deren Anzahl im Vergleich zur Mächtigkeit
der Gesamtpunktmenge klein ist und die einen übermäßig
großen kleinsten Abstand zur SOLL-Geometrie aufweisen,
und diese Ausreißer aus der Gesamtpunktmenge entfernt.
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Anschließend
werden die Daten verglichen und entsprechend der verwendeten Werkzeuge
und ggf. der zusätzlich gespeicherten Prüfmerkmale
bewertet.
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Als
Maß hierzu werden hier verwendet:
- • der
Flächenschwerpunkt mit seinen Koordinaten,
- • die Abweichung der IST-Kontur längs einer
SOLL-Kontur mit den lokalen Differenzabständen,
- • die aus den lokalen Differenzabständen nach
den Regeln der Oberflächenrauhigkeit Rz berechnete Kantenrauhigkeit,
- • normierte Abweichungsgrößen wie
die Standardabweichung für die gesamte Kontur und für
Kreisbögen und Streckenabschnitte der SOLL-Kontur,
- • die Flächenträgheitsachsen,
- • Ausgleichsgeraden längs von geraden Kanten,
- • Ausgleichskreisbögen längs von
Kreisbögen,
- • die Fläche der SOLL- und IST Konturen und
auch
- • das Höhenprofil einer Fläche oder
Teilen davon.
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Als
Grenzwerte können die Form- und Lagetoleranzen nach DIN
für die jeweiligen Herstellverfahren angewendet werden,
sofern nicht andere Toleranzvorgaben festgelegt sind.
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Die
Auswertung unterteilt sich im vorliegenden Beispiel dementsprechend
in mehrere Gruppen, die in den folgenden Tabellen übersichtlich
dargestellt sind.
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So
können bei Detektion der Fehlerbilder folgende Gruppen
gebildet werden:
- Gruppe 1 – Position Werkzeugkopf
und Werkstück zum Weltkoordinatensystem
- Gruppe 2 – Position von Werkzeugköpfen zueinander
- Gruppe 3 – Position von Werkzeugen im Werkzeugkopf
- Gruppe 4 – Konturfehler von Bearbeitungsvorgängen
mit Stanzen u. ähnlichem
- Gruppe 5 – Konturfehler von Bearbeitungsvorgängen
mit Lasern u. ä.
- Gruppe 6 – Konturfehler beim Prägen
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In
der folgenden Aufstellung erkennt man, dass die Erkennung der Fehler
nicht sofort zu einem Benutzereingriff (meist verbunden mit einen
Maschinenstillstand und erneutem Rüsten) verbunden ist,
sondern dass automatisierte Korrekturen des Bearbeitungsparameters
das störungsfreie Weiterführen der Produktion
ermöglichen.
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Gruppe 1 – Position Werkzeugkopf
und Werkstück zum Weltkoordinatensystem
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Hierbei
werden die IST-Meßwerte mit dem Weltkoordinatensystem verglichen,
welches zuvor oder über gleichzeitig beobachtete Markierungen
von der Aufnahmeeinheit zur Kalibrierung eingemessen wurde. Bei
der Verwendung von Werkstückkanten wird der Schnittpunkt
von den Ausgleichsgeraden zweier Werkstückkanten, verwendet,
bei Konturen im Werkstück der Flächenschwerpunkt.
| Fehlerbild | Entdeckung | Reaktion |
| Position
Werkstück zum Weltkoordinatensystem | Kontur
verschoben zur SOLL-Position
(hier: Werkstückkante) | Werkstück
neu positionieren Benutzereingriff erforderlich |
| Position
Werkzeugkopf zum Weltkoordinatensystem | Kontur
verschoben zur SOLL-Position
(hier: Kontur im Werkstück) | Achsenverschiebung
des Bewegungskoordinatensystems |
| Achsspiel,
Umkehrspiel | Eine
aus mehreren Bewegungsrichtungen heraus gefertigte Kontur weicht
für je Bewegungsrichtung vom Sollwert ab | Achsspielkorrektur
des Bewegungskoordinatensystems |
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Gruppe 2 – Position von Werkzeugköpfen
zueinander
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Die
Abweichung der Bewegungskoordinatensysteme beider Werkzeugköpfe
zueinander wird gemessen. Von den SOLL- und IST – Konturen
werden nur die Flächenschwerpunkte verwendet.
| Fehlerbild | Entdeckung | Reaktion |
| Relative
Position der Werkzeugköpfe zueinander | Jedem
Werkzeugkopf wird sein Bewegungskoordinatensystem zugeordnet, bei
dem die Lage des Referenzpunktes nicht identisch ist. | Korrektur
der Achsenverschiebung für ein oder mehrere Bewegungskoordinatensysteme;
zusätzlich möglich:
Überprüfung
von Fehlerbildern nach Gruppe 1 |
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Gruppe 3 – Position von Werkzeugen
im Werkzeugkopf
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Die
Abweichung der Position mehrer Werkzeuge in einem Bearbeitungskopf
zueinander wird gemessen. Von den SOLL- und IST – Konturen
werden nur die Flächenschwerpunkte verwendet.
| Fehlerbild | Entdeckung | Reaktion |
| Position
der Werkzeuge zueinander | Der
IST-Abstand der Flächenschwerpunkte eines oder mehrer Werkzeuge
zueinander weicht vom SOLL-Wert ab. | Achskorrektur
für das/die Werkzeuge für die Bearbeitung (sofern diese
nur einzeln eingreifen)
Rüstvorgang wiederholen Benutzereingriff
erforderlich |
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Gruppe 4 – Konturfehler von Bearbeitungsvorgängen
mit Stanzen u. ähnlichem
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Die
Flächengröße, deren Ausrichtung und die – auch
abschnittweise – Abweichung von IST-Kanten von den SOLL-Kanten
oder der Kantenrauhigkeit wird zur Fehlerbildanalyse verwendet.
| Fehlerbild | Entdeckung | Reaktion |
| Kein
Stanzhub ausgeführt | Keine
IST-Fläche vorhanden | Bearbeitungsparameter
prüfen Werkzeug tauschen Bedienereingriff |
| Stanzhub
nicht vollständig ausgeführt | Keine
IST-Fläche vorhanden | Bearbeitungsparameter
prüfen Werkzeug tauschen Bedienereingriff |
| Werkzeug
verdreht eingebaut | Abschnittsweise
Abweichungen liegen über dem Grenzwert, und die Flächenträgheitsachsen
sind in der Ausrichtung von Haupt- und Nebenachse um einen Winkel
gedreht. Nach einer Rotation der IST-Kontur um diesen Winkel, ergibt
die erneute Berechnung der Abschnittsweisen Abweichungen keine Grenzwertüberschreitungen | Werkzeug
drehen (Bedienereingriff) |
| Falsches
Werkzeug eingebaut | Abschnittsweise
Abweichungen liegen über dem Grenzwert, und die Flächenträgheitsachsen
sind in der Ausrichtung von Haupt- und Nebenachse um einen Winkel
gedreht. Nach einer | Werkzeug
tauschen Bedienereingriff |
| | Rotation
der IST-Kontur um diesen Winkel, ergibt die erneute Berechnung der
abschnittsweisen Abweichungen noch immer Grenzwertüberschreitungen | |
| Werkzeug
teilweise abgebrochen | Die
abschnittweise Abweichung für mindestens einen Bereich
ist deutlich größer als der Grenzwert, alle anderen
Werte innerhalb des Grenzwertes | Werkzeug
tauschen Bedienereingriff |
| Schnittkanten
nicht mehr scharf | Die
abschnittweise Abweichung überschreitet in einem oder mehreren
Abschnitten den Grenzwert, oder die Kantenrauhigkeit überschreitet
den Grenzwert | Werkzeug
tauschen Bedienereingriff |
Gruppe 5 – Konturfehler von Bearbeitungsvorgängen
mit Lasern u. ä.
| Fehlerbild | Entdeckung | Reaktion |
| Kein
Schnitt ausgeführt | Keine
IST-Fläche vorhanden | Bearbeitungsparameter
prüfen Bedienereingriff |
| Bahnkorrektur | Die
abschnittsweise Abweichungen für gleich ausgerichtete Konturkanten
sind gleich groß. | Justage
der Bearbeitungsparameter: Die Bahnlage des Lasers muß für
diese Bewegungsrichtung entsprechend dem Mittelwert dem Mittelwert
der abschnittweisen Abweichungen verschoben werden. Bedienereingriff |
| Schnittkanten
nicht mehr scharf | Die
abschnittweise Abweichung überschreitet in einem oder mehreren
Abschnitten den Grenzwert, oder die Kantenrauhigkeit überschreitet
den Grenzwert | Bearbeitungsparameter
prüfen Bedienereingriff |
| Schnitt
zu breit/schmal | Die
Breite eines geraden Schnittes liegt Ausserhalb der Vorgabewerte
für die Bearbeitungsmaschine. | Bearbeitungsparameter
prüfen Bedienereingriff |
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Gruppe 6 – Konturfehler beim
Prägen
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Die
Höhenkontur wird durch Abstandsmessungen von bestimmt.
Das so festgestellte Höhenprofil wird für das
jeweilige eingesetzte Werkzeug geprüft. Dabei kann die
Prüfung für den oder die kennzeichnenden Punkt
und/oder Flächen festgelegt werden. Die Abweichungsprüfung
erfolgt über die Abstandsdifferenz der Punkte oder der
Flächenmittelwerte.
| Fehlerbild | Entdeckung | Reaktion |
| Keine
Prägung durchgeführt | IST-Kontur
ist eben | Fertigungsparameter
korrigieren Werkzeug tauschen Bedienereingriff |
| Prägung
unzureichend ausgeführt | IST-Kontur
weicht von der SOLL-Kontur abschnittsweise von dem Grenzwert in
geringem Maß ab. | Fertigungsparameter
korrigieren Bedienereingriff |
| Falsches
oder defektes Prägewerkzeug verwendet | IST-Kontur
weicht abschnittsweise ungleichmäßig von der SOLL-Kontur
ab, die Abweichungen sind wesentlich größer als der
Abstandsgrenzwert | Werkzeug
tauschen Bedienereingriff |
| Prägung
verdreht | IST-Kontur
weicht von SOLL-Kontur ab. Nach einer Rotation um einen Winkel (und
neuem Überlagern von SOLL- und IST-Kontur) liegen die Abweichungen
Winkel innerhalb der Grenzwerte. | Werkzeug
drehen (Bedienereingriff) |
| Rissbildung
beim Prägen | Der
IST-Konturverlauf der Höhe weicht an einer Stelle stark
von den Grenzwerten ab. | Fertigungsparameter ändern
Bedienereingriff |
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Der
Ablauf und Einzelheiten der Erfindung wird an weiteren Beispielen
verdeutlicht werden:
An einer CNC Werkzeugmaschine (50)
mit einem Laserkopf (31) und einem Stanzkopf (32)
ist am Bearbeitungstisch (20) eine Aufnahmeeinheit (11)
angebracht. Unterhalb der Aufnahmeneinheit (11) ist im
Bearbeitungstisch (20) ein Durchbruch (12), und
darunter wiederum die Beleuchtungseinheit (13). Die Werkstücktafel (51)
wird mit Haltern am Balken (21) gehalten und bewegt. Die
Werkzeugmaschine (50) hat ein Werkzeugmagazin mit Werkzeugen
(22) für den Stanzkopf, die vor einem Fertigungsauftrag
manuell oder automatisch in das Werkzeugmagazin eingerüstet
werden, und während des Fertigungsauftrags von einem Werkzeugwechsler
(23) dem Werkzeugkopf (32) zugeführt
werden.
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Die
Aufnahmeeinheit (11) besteht aus einem bildgebenden Flächensensor
(CCD-Kamera, 61), einem telezentischen Objektiv (62)
und einem drehbaren Laserlinienprojektor (63), sowie einem
im Gehäuse (11) untergebrachte Auswerteeinheit
(64). Diese ist mit der Steuerung der CNC-Werkzeugmaschine
(41) und der Fertigungsauftragsverwaltung des Betriebs
verbunden.
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Im
ersten Beispiel wird das Vorgehen für einen Fertigungsauftrag
mit mehreren Fertigungsteilen auf einem Werkstückzuschnitt
erläutert, mit dem Stanz-/Nibbel – Werkzeugkopf
(32).
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Der
Fertigungsauftrag besteht aus einer Blechtafel (70) mit
drei unterschiedlichen Fertigungsteilen (71 (11 Stück), 72 (16
Stück), 73 (21 Stück)). Zur Herstellung
des Fertigungsauftrags werden folgende Stempel benötigt,
die exemplarisch für ein Bauteil (73) dargestellt
sind. Ein Referenzteil mit dem Prüfbereich wird hergestellt,
in dem der zum Einsatz kommende Stempel angeordnet ist. Diese Anordnung
kann ebenfalls automatisiert erfolgen. Ein Beispiel für
die Prüfweise ist in 6 dargestellt.
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Es
ist aber auch möglich – wie in 5 gezeigt – dass
die Tafel 70 den Prüfbereich 80 enthält.
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- 101
- Rund
4.1
- 102
- Rund
6.4
- 103
- Spezialwerkzeug
- 104
- Quadrat
15
- 105
- Langl
13.0 × 9.5
- 106
- Langl
20.0 × 10.0
- 107
- Recht
31.0 × 3.0
- 108
- Recht
25.0 × 5.0
- 109
- Recht
60.0 × 6.0
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Gemäß der
Erfindung wird nun als Referenzbereich der Prüfbereich
(80) auf der Blechtafel (70) Werkzeug für
Werkzeug vermessen.
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Es
werden nun die Prüfungen auf Fehlermerkmale der Gruppen
2 und 4 durchgeführt. Wäre eine Prägung
enthalten, würde auf gleiche Weise die Analyse auf Fehlermerkmale
der Gruppe 6 durchgeführt.
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In
diesem Beispiel wurde davon ausgegangen, daß durch eine
regelmäßig durchgeführte Kontrolle der Fehler „Achsspiel"
aus der Gruppe 1 nicht relevant ist.
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Daher
wurde auf das zweifache verwenden eines Werkzeuges beim Erstellen
des Probebereichs verzichtet.
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Da
alle Teile von den Werkzeugen hergestellt werden, ist ein Bezug
zum Weltkoordinatensystem nicht erforderlich. Aufgrund dieser Voraussetzungen
wird auf eine Prüfung der Fehlermerkmale nach Gruppe 1
verzichtet.
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Bei
Abweichungen werden für jedes Werkzeug einzeln die benannten
Reaktionen durchgeführt.
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In
einem zweiten Beispiel wird die Herstellung eines Teiles sowohl
mit dem Stanzkopf als auch mit dem Laserkopf dargestellt.
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Zur
Prüfung wird an einer Werkstückkante ein Prüfbereich
nach 7 von beiden Werkzeugköpfen durch abwechselnde
Bearbeitung hergestellt.
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Dieser
Prüfbereich hat eine bestimmte Anordnung der Konturen.
Wenn diese wie im vorliegenden Fall standarisiert und in einer Datenbank
abgelegt sind, so kann die Auswerteeinheit allein aus dem Vergleich
des aktuellen Prüfbereichs mit dem Standard-Prüfbereich
diesen identifizieren, weil die Konturabweichungen bei Identität überall
klein sind.
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Mit
diesem Prüfbereich können die Fehleranalysen der
Gruppen 1, 2 und 5 durchgeführt werden.
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Bei
einer Werkstückplatine (90) liegt in einer aus
den beiden Kanten (91, 92) gebildeten Ecke ein
Prüfbereich, der einen Laserschnitt (93), eine
Laserinnenkontur (94), und große Kreislöcher
von der Laserbearbeitung und kleine Kreislöcher von der
Stanzbearbeitung enthält, die zum einen zur Kontrolle des
Achs-/Umkehrspiels diagonal angeordnet sind (Laser: 95,
Stanze: 96), sowie eine Anordnung der Kreislöcher
zur Kontrolle der Relativposition des Laserwerkzeugkopfs (97)
und des Stanzwerkzeugkopfs (98) zueinander.
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Anhand
der Analyse der Lage Kanten (91) und (92) und
der Kreislöcher (95, 96) können
alle Fehlermerkmale der Gruppe 1 erkannt werden. Mit den Analyse
der Kreislöcher (97, 98) kann das Fehlermerkmal der
Gruppe 2 erkannt werden. Und durch die Analyse der Konturen (93, 94)
der Laserbearbeitung können die Fehlerbilder der Gruppe
5 erkannt werden.
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In
einem dritten Beispiel ist eine Tellerprägung (99)
dargestellt. Die Höhenmessung erfolgt bei dieser Linienmessung
durch den Mittelpunkt. Durch Vergleich des Höhenprofils
der IST-Kontur mit dem der SOLL-Kontur können die Merkmale
der Gruppe 6 erkannt werden, insbesondere wenn dieser Vergleich
nicht nur für die beschriebene Linie durch den Mittelpunkt
erfolgt, sondern parallel dazu wiederholt wird. In einem vierten
Beispiel ist die Auswertung für Fehlermerkmale der einzelnen
Gruppen beschrieben.
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Beispielhaft ist aus Gruppe 1 das Achsspiel
dargestellt:
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Ein
Stanzwerkzeug, ein LASER-schneidendes oder ein Wasserstrahl-schneidendes
Werkzeug bringt nacheinander zwei Konturen in den Prüfling
ein, der Art, dass die Relativposition des Werkzeugs zum Werkstück
hergestellt wurde, in dem bei der ersten Kontur die Achsen aus einer
der beiden möglichen Richtungen kommend verfahren werden
und bei der zweiten Kontur die Achsen aus jeweils der entgegengesetzten
Richtungen kommend verfahren werden. Die Auswerteeinheit ermittelt
unter Umgehung des Best-Fit-Algorithmus die Positionen der beiden
hergestellten IST- Konturen, und bestimmt unter Verwendung eines
Weltkoordinatensystems die Relativpositionen der beiden Istgeometrien
bezüglich der einen und der anderen Achse des Koordinatensystems,
und vergleicht diese Werte mit den Sollwerten für beide
Positionen. Im Normalfall gibt es keine Abweichung für
die Positionswerte beider Bearbeitungen. Bei einem Fehlerfall dem
Fachmann bekannt, daß je Bewegungsrichtung für
jede Bewegungsachse eine Abweichung auftreten kann, wie sie sich
aus der zuvor beschriebenen Vergleich der SOLL- und IST- Positionen
je Bewegungsrichtung ergeben. Die Differenz der SOLL- und IST-Position
je Bewegungsrichtung wird der Werkzeugmaschinensteuerung übergeben,
damit diese im Fehlerfall eine Änderung der Justageparameter
vornimmt. Eine Anzeige des Prüfergebnisses und ein Hinweis
an den Bediener direkt durch die Auswerteeinheit sind ebenfalls
als Option vorgesehen.
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Aus Gruppe 2:
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Mit
einem Stanzwerkzeug und ein LASER-schneidendes Werkzeug werden mit
einem bekannten Abstand parallel zu den beiden Achsen des Maschinentischs
eine Kontur mit dem Stanzwerkzeug und eine Kontur Laserwerkzeug
eingebracht. Dabei werden bei jeder Werkzeuganwendung diese bestimmten,
bekannten Positionen aus einer festgelegten Anfahrrichtung angefahren.
Die Auswerteeinheit erstellt die IST-Konturen aller Konturen. Für
die Konturen der beiden Werkzeuge werden dann die jeweiligen Koordinatensysteme
aus der Lage und Ausrichtung der Konturen ermittelt. Dabei sind
die Verwendung von mehreren möglichst rechtwinklig und
achsparallel liegenden Konturen je System vorteilhaft. Bezogen auf
das Koordinatensystem eines der Werkzeuge oder der Werkzeuge zum
Weltkoordinatensystem kann nun die Abweichung aus der Differenz der
SOLL-Daten und der IST-Daten berechnet werden. Vor der Anwendung
eines jeweiligen Mittels wird dabei die Relativposition des Mittels
zum Werkstück hergestellt, indem beide Achsen beide Male
von einer bestimmten der beiden möglichen Richtungen kommend
verfahren werden, die Auswertungseinheit unter Umgehung des Best-Fit-Algorithmus
die Positionen der beiden aus der Anwendung der Mittel resultierenden
Istgeometrieen bestimmt unter Verwendung eines Koordinatensystems,
dessen beiden Achsen jeweils parallel zu den Achsen des Maschinentischs
verlaufen, und die Relativpositionen der beiden Istgeometrieen bezüglich
der einen und der anderen Achse separat bestimmt, und die Auswertungseinheit
die Abweichung dieser Relativpositionen von den bekannten relativen
Sollpositionen berechnet und ausgibt.
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Aus Gruppe 4:
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Dass
kein Stanzhub ausgeführt wird, wenn keine Ist-Geometrie
festgestellt werden kann.
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Ein
allgemeiner Konturfehler liegt vor, wenn der größte
vorkommende kleinste Abstand eines Punktes der Istgeometrie zur
Sollgeometrie ermittelt wird und wenn dieser ermittelte Wert größer
ist als ein zuvor definierter Schwellwert (Grenzwert). In diesem
Fall ist für den Punkt die Abweichung größer
als toleriert. Das Ergebnis der Prüfung wird der Werkzeugmaschine
mitgeteilt, die eine Änderung veranlasst. Das Ergebnis
kann durch die Auswerteeinheit gespeichert und für spätere
Qualitätsauswertungen zur Verfügung gestellt werden.
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Die
weitere Auswertung der Abstandsdifferenzen nach den bei Gruppe 4
angegebenen Regeln zur Entdeckung erlaubt die differenzierte Zuordnung
der Fehlerbilder.
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Aus der Gruppe 5:
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Die
Bahnkorrektur kann z. B. bei einem LASER-schneidenden oder wasserstrahlschneidendes
Werkzeug geprüft werden, indem der Mittelwert der kleinsten
Abstände aller Punkte der Istgeometrie zur Sollgeometrie
bestimmt wird, und dieser vorzeichenlose Wert mit einem Vorzeichen
versehen wird, das positiv ist, wenn die von der Istgeometrie eingeschlossene
Fläche größer ist als die von der Sollgeometrie
eingeschlossene Fläche, und das negativ ist, wenn die von
der Istgeometrie eingeschlossene Fläche kleiner ist als
die von der Sollgeometrie eingeschlossene Fläche, und dieser
Wert ausgegeben wird. Dieser mittlere Abstand, für jede
Koordinatenachse berechnet, ist das Maß, mit dem die Kontur
fehlerhaft hergestellt wird. Diese Differenz wird der Werkzeugmaschine
mitgeteilt, die eine Änderung bewirkt. Die Auswerteeinheit
kann hierbei die vorhergehend geschilderten Aktionen veranlassen
(Maschinenstopp, Speicherung von Qualitätsrelevanten Daten,
Visualisierung oder Ausdruck des Prüfergebnisses, Veranlassen
eines Bedienereingriffs).
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Die
Schnittbreite und die Schnittgüte können geprüft
werden, indem ein einzelner gerader Schnitt in das Werkzeugstück
eingebracht wird, die Auswerteeinheit unter Umgehung der Anwendung
des Best-Fit-Algorithmus, ohne Vorhandensein einer Sollgeometrie
sowie unter Verwerfung der Punkte der Istgeometrie, die im Bereich
des Anschnitts und des Schnittendes liegen, die Punkte der Istgeometrie
in zwei Klassen teilt, die den beiden entstandenen Schnittkanten
entsprechen, zu den beiden Klassen von Punkten das Paar paralleler Geraden
ermittelt, deren Summe der Quadrate der Abstände der Punkte
der Klasse zur jeweils zugehörigen Geraden minimal ist,
und den Abstand der Geraden untereinander als Schnittbreite sowie
das zweifache der Standardabweichung der Abstände der Punkte
der beiden Klasse zu der ihr zugeordneten Geraden als Nahrung für
die Rauhtiefe ermittelt und ausgibt.
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Aus
Gruppe 6 wird ein Formabweichungsfehler erkannt, wenn der ermittelte,
größte vorkommende kleinste Abstand eines Punktes
der Istgeometrie zur Sollgeometrie größer ist,
als ein zuvor definierter Schwellwert (Grenzwert). Dann liegt einer
der Fehlerfälle vor, die durch eine weitere Auswertung
der Abstandsdifferenzen nach den bei Gruppe 6 angegebnen Regeln
zur Entdeckung die differenzierte Zuordnung der Fehlerbilder erlaubt.
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Ob
eine Prägung unzureichend ausgeführt worden ist,
kann auch ermittelt werden, indem die Ebene bestimmt wird, deren
Summe der Quadrate der Abstände der Punkte der Istgeometrie
minimal ist, und deren Position nicht durch die Anwendung des Werkzeugs
beeinflusst wurden, und sodann den größten Abstand
eines Punktes der Istgeometrie zu dieser ermittelten Ebene als Prägetiefe
ermittelt und die Abweichung vom zusammen mit der Sollgeometrie
vorgegebenen Soll-Prägetiefe vorzeichenbehaftet ausgibt.
Auf diese Weise ist die größte Prägetiefe
zuverlässig festgestellt. Bei Abweichungen kann dann eine
der beschriebenen Reaktionen ausgelöst werden.
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Mit
diesen Mitteln und den allgemeinen Methoden der optischen Bildverarbeitung
können die Reaktionen aus der Kenntnis der SOLL- und IST-Daten
erreicht werden.
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In 9 ist die Auswertung und Fehlererkennung
grafisch vereinfacht dargestellt. Im ersten Teil des Beispiels ist
die Soll-Kontur ein Kreis (9a). Die
Aufnahmeeinheit bestimmt die Konturpunkte, von denen nur einige
beispielhaft dargestellt sind. (9b). Diese
werden zu der Sollkontur so angeordnet, dass die Abstände
der Istkontur-Messpunkte zur Sollkontur für alle Messpunkte
gering ist (9c).
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Für
jeden Messpunkt der Istkontur wird nun gemäß dem
für dieses Werkzeug geltenden Grenzwert überprüft,
ob der nächstliegende Punkt er Sollkontur innerhalb dieses
Entfernungsradius liegt. In 9d ist der
Grenzwert als gestrichelter Kreis um jeden Messwert dargestellt.
Die jeweils nächstliegenden Punkte sind mit einem Pfeil
markiert. In diesem Beispiel liegen alle Punkte innerhalb der Toleranz.
Wenn das für alle anderen Messpunkte auch gilt, kann das
Werkzeug so verwendet werden.
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In
dem zweiten Teil des Beispiels ist der Fall dargestellt, dass die
Soll-Kontur nach 9e hergestellt werden soll.
Durch einen Fehler, z. B. beim Rüsten für den
Folgeauftrag, wird jedoch das in 9a dargestellte Werkzeug
verwendet. Die damit erzeugten Messpunkte sind wieder in 9b beispielhaft
dargestellt. Die beschriebene Zuordnung zur Sollkontur mit den Istwerten
wird wie zuvor besprochen ausgeführt. Das Ergebnis ist
in diesem Beispiel wegen der einseitig fehlenden Fläche
eine Verschiebung in diese Richtung (9f).
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Wiederum
wird bei den Messwerten geprüft, ob der jeweils nächstliegende
Punkt der Sollkontur (Pfeil in 9g) innerhalb
der Grenzwerte (gestrichelte Kreise in 9g) liegt.
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Dies
ist für einen dargestellten Punkt nicht der Fall. Die Prüfung
ist negativ. Das Werkzeug kann so nicht verwendet werden.
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Abschließend
wird in 10 ein Überblick über
das Gesamtverfahren und in 11 ein
Ausschnitt aus dem Gesamtverfahren betreffend die optische Erfassung
und Fehlerbestimmung an einem Referenzteil dargestellt. Man erkennt,
dass sich der Verfahrensablauf in Form eines automatisierten Verfahrens
zur verbesserten Qualitätskontrolle in die Fertigung mittels
bekannter Werkzeugmaschinen leicht integrieren lässt.
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- 11
- Aufnahme-Einheit
- 12
- Durchbruch
im Tisch der Werkzeugmaschine
- 13
- Beleuchtungseinheit
- 20
- Bearbeitungstisch
- 21
- Balken
mit Blechhaltern zum Bewegen vom Blech
- 22
- Werkzeugmagazin
(Stanzwerkzeuge)
- 23
- Werkzeugwechsler
- 31
- Laserkopf
(Laserschneiden)
- 32
- Stanzkopf
(Stanzen, Prägen)
- 41
- Bedienpult
mit Maschinensteuerung
- 50
- Werkzeugmaschine
- 51
- Werkstücktafel
- 61
- Kamera
- 62
- telezentrisches
Objektiv
- 63
- Linienprojektor
- 64
- Auswerteeinheit
- 70
- Blechtafel
- 71
- Teil
1
- 72
- Teil
2
- 73
- Teil
3
- 80
- Prüfbereich
im Referenzbereich bzw. Referenzteil
- 90
- Werkstückplatine
- 91
- Kante
- 92
- Kante
- 93
- Laserschnitt
- 94
- Laserinnenkontur
- 95
- Kreislöcher
zur Achsspielkontrolle (Laser)
- 96
- Kreislöcher
zur Achsspielkontrolle (Stanze)
- 97
- Kreislöcher
zur Kontrolle der Relativposition (Laser)
- 98
- Kreislöcher
zur Kontrolle der Relativposition (Laser)
- 99
- Tellerprägung
- 101
- Stanzwerkzeug,
Rund 4.1
- 102
- Stanzwerkzeug,
Rund 6.4
- 103
- Stanzwerkzeug,
Aussenradius
- 104
- Stanzwerkzeug,
Quadrat 15
- 105
- Stanzwerkzeug,
Langloch 13.0 × 9.5
- 106
- Stanzwerkzeug,
Langloch 20.0 × 10.0
- 107
- Stanzwerkzeug,
Rechteck 31.0 × 3.0
- 108
- Stanzwerkzeug,
Rechteck 25.0 × 5.0
- 109
- Stanzwerkzeug,
Rechteck 60.0 × 6.0
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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