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Die
Erfindung betrifft eine technische Lösung zur Erwärmung
von Bauteilen aus Metall, insbesondere zur Erwärmung von
definierbaren Abschnitten an Blechteilen und ähnlichen
Objekten.
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Für
zahlreiche Anwendungen der Blechbearbeitung ist es notwendig, sowohl
an flächigen als auch länglichen Blechteilen auftretende
Formabweichungen zu beseitigen. Diesbezügliche Vorrichtungen
und Verfahren sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 696 12 225 T2 ,
DE 20 2004 009 261
U1 und
DE
102 31 430 B4 bekannt. Die letztgenannte Fundstelle betrifft
ein Verfahren zur Umformung von dünnwandigen Werkstücken,
wobei eine automatische Umformung von dünnen Blechen in
einen Sollzustand beschrieben wird. Die Bearbeitung erfolgt dabei
hämmernd mittels eines Hammerbärantriebes, der
an einer gesteuerten Handhabungseinrichtung angebracht ist. Formabweichungen
der Blechteile werden zunächst mittels Sensoren erfasst und
auf Grundlage der ermittelten Werte wird nachfolgend unter Nutzung
eines mathematischen Modells die Handhabungseinrichtung angesteuert.
Derart konventionelle Richtverfahren werden zunehmend durch Verfahren
mit gezielter Erwärmung des jeweiligen Bauteils ersetzt.
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So
ist aus
DE 100 14
741 C1 ein Verfahren zum mehrstufigen Richten eines Metallbauteils
an mindestens zwei Richtpunkten bekannt, bei dem Kenngrößen über
die Verformung des zu richtenden Bauteils während des Richtvorganges
adaptiv mit mehreren sequentiell abgearbeiteten Richtpunkten angepasst
werden. Dieses Verfahren nutzt bekannte Werkstoff- und Werkstückkenngrößen
und passt die entsprechenden Kennlinien im Prozess anhand der detektierten
Prozessabweichungen an den Richtpunkten werkstückspezifisch
an.
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In
DE 197 38 976 A1 wird
eine Vorrichtung zum thermischen Richten eines Bauteils aus Metall beschrieben,
wobei hier ein sog. Wärmekopf automatisch auf vorzugsweise
glatten länglichen Bauteilen verschoben wird. Die notwendige
Ansteuerung erfolgt manuell oder halbautomatisch.
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Gegenstand
von
DE 195 14 285
C1 ist eine Vorrichtung zum Umformen von Werkstücken
mit Laserdiodenstrahlung unter Verwendung von Diodenlaser-Arrays.
Hierbei werden verschiedene Varianten für den Wärmeeintrag
mit Laserdioden und deren spezifische Anordnung für jeweils
verschiedene spezielle Werkstückgeometrien beschrieben.
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Aus
DE 198 04 577 C2 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Richten von Formabweichungen
von Einfallstellen in Blechwerkstoffen bekannt, die z. B. beim Tiefziehen
von Karosseriebauteilen auftreten können. Die thermische
Energie wird mittels eines Arrays von Diodenlasern eingebracht.
Durch die einzeln ansteuerbaren Laserdioden ist eine geometrische
Anpassung der Wärmeeinbringung in das jeweilige Bauteil
möglich.
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Schließlich
beschreibt
DE 195
22 642 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Richten
metallischer Bauteile, wobei die gezielte Wärmeeinbringung mittels
eines indirekten Plasmalichtbogens realisiert wird. Gemäß den
Darlegungen in dieser Druckschrift ergeben sich somit gegenüber
anderen thermischen Richtverfahren eine geringere Beeinflussung
der Werkstoffeigenschaften, ein geringerer Energieaufwand und eine
geringere Abwärme. Das Verfahren bedingt jedoch eine sehr
präzise Positionierung des Plasmalichtbogens über
dem Bauteil sowie eine genaue zeitliche Prozessführung
und weist einen hohen Werkzeugverschleiß auf.
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Trotz
der Vielzahl bekannter technischer Lösungen besteht weiterhin
Entwicklungsbedarf, um insbesondere einen für die jeweilige
Kontur der Bauteiloberfläche hinsichtlich Temperatur und
Ausrichtung optimalen Wärmeeintrag zu gewährleisten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine technische Lösung
zur gezielten Erwärmung von Bauteilen aus Metall zu schaffen,
die insbesondere für Blechteile und ähnliche Objekte
eine schnelle und präzise Beseitigung von Formabweichungen ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird gelöst, indem die Vorrichtung aus einer Steuereinheit
für die Wärmeeinbringung mit einem auf den Wirkbereich
eines zu erwärmenden Abschnittes einer Bauteiloberfläche
ausgerichteten Düsenkopf, aus einem Abstandssensor mit
einem auf den Wirkbereich des zu erwärmenden Abschnittes
ausgerichteten Sichtfeld und aus einem auf den Wirkbereich des zu
erwärmenden Abschnittes ausgerichteten kontaktlosen Thermometer
besteht, wobei der Abstandssensor und das kontaktlose Thermometer
mit einem Steuerungsmodul für das Gesamtsystem in Wirkverbindung
stehen. Weiterhin werden verfahrenstechnische Merkmale vorgeschlagen,
die – ebenso wie mehrere vorteilhafte Ausgestaltungen der
Vorrichtung gemäß den Unteransprüchen – im
Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird eine technische Lösung zur
gezielten Erwärmung von Bauteilen aus Metall geschaffen,
die insbesondere für Blechteile und ähnliche Objekte
eine schnelle und präzise Beseitigung von Formabweichungen
ermöglicht. Eine derartige Vorrichtung – auch
als Richtkopf zu bezeichnen – kann in verschiedenartig
ausgestaltete Handhabungssysteme integriert werden, z. B. in 6-Achs-Roboter
oder Mehrachsportale.
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Einsatzgebiete
der Vorrichtung sind das thermische Richten mittels Gas-Sauerstoffflamme
von metallischen Bauteilen mit einem Verzug, der bei thermischer
und/oder mechanischer Behandlung entsteht. Typischerweise tritt
ein derartiger Verzug bei Schweißbaugruppen auf. Beispielhafte
Anwendungen sind die Dünnblechbearbeitung, wie die Beplankung
von Bahnwaggons sowie das Schweißen von Unterbodenbaugruppen
für Schienenfahrzeuge und die Beplankung von Schiffsbaukörpern.
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So
erfolgt das Richten im Dünnblechbereich oftmals über
den Einsatz einer Lochplatte als Niederhalter. Hierbei muss eine
große Anzahl von Richtpunkten in möglichst kurzer
Zeit bei möglichst gleichen Eigenschaften gesetzt werden.
Für die Automatisierung wird nunmehr eine Vorrichtung (Richtkopf) vorgeschlagen,
die eine überwachte und geregelte Einbringung von Wärmeenergie
am Richtpunkt ermöglicht. Ein derartiger Richtkopf wird
mittels eines Handhabungssystems und eines integrierten Abstandsmesssystems
schnell und exakt positioniert. Die Wärmeeinbringung wird
mittels eines Infrarotdetektors durch die Richtflamme hindurch gemessen und
mittels einer Flammregulierung bzw. einer mechanischen Wegnahme
der Flamme gesteuert.
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Mit
einer geeigneten Steuerung können mit diesem Richtkopf
beliebige Wärmefiguren in ein Bauteil eingebracht werden,
wodurch ein freies Richten auf beliebigen Bauteiloberflächen
und Geometrien möglich wird. Folglich können definierte
und wiederholbare Wärmefiguren in die Bauteile eingebracht werden.
Durch die Temperaturmessung an der Richtstelle können Temperaturen,
die zu Materialumwandlungen oder zu Aufschmelzungen führen,
vermieden werden.
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Es
ist eine exakte Ausrichtung des Brenners zur Richtstelle möglich.
Mittels der am Richtkopf angebrachten Sensorik können Ungenauigkeiten
bei der Positionierung vermieden und Positionskorrekturen bei der
Verformung von Bauteilen bei der Erwärmung bzw. Abkühlung
durchgeführt werden. Zudem können Kollisionen
während der Zustellung des Richtkopfes zur Richtposition
vermieden werden.
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Weiterhin
kann eine Protokollierung des Temperaturverlaufes sowohl für
die Erwärmungsals auch für die Abkühlungsphase
erfolgen. Zusätzlich können Bauteilverformungen
erfasst und protokolliert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1 den
grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Seitenansicht
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2 eine
Variante zur konkreten räumlichen Anordnung der Baugruppen
der Vorrichtung in perspektivischer Darstellung
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3 eine
Modifizierung der Vorrichtung gemäß 1 mit
zusätzlichen Baugruppen
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Die
in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung ist zur Erwärmung
von Bauteilen aus Metall geeignet. Eine bevorzugte Anwendung ist
die Erwärmung von definierbaren Abschnitten an Blechteilen und ähnlichen
Objekten, wobei ein solcher Abschnitt der Bauteiloberfläche 7 aus
der Zeichnung ersichtlich ist.
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1 zeigt
den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung. Diese besteht
aus einer Steuereinheit 4 für die Wärmeeinbringung.
Der Steuereinheit 4 ist ein Düsenkopf 5 zugeordnet,
der auf den Wirkbereich 6 eines zu erwärmenden
Abschnittes der Bauteiloberfläche 7 ausgerichtet
ist. Dieser Düsenkopf 5 kann alternativ als ein
integrierter oder ein flexibel montierbarer Gas-Sauerstoffbrenner
ausgestaltet werden.
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Weiterhin
umfasst die Vorrichtung einen Abstandssensor 1, dessen
Sichtfeld S1 auf den Wirkbereich 6 des zu erwärmenden
Abschnittes der Bauteiloberfläche 7 ausgerichtet
ist. Als Abstandssensor 1 wird vorzugsweise ein Lasertriangulationssensor
verwendet.
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Ferner
weist die Vorrichtung ein kontaktloses Thermometer 2 auf,
das ebenfalls auf den Wirkbereich 6 des zu erwärmenden
Abschnittes der Bauteiloberfläche 7 ausgerichtet
ist. Dieses kontaktlose Thermometer 2 ist vorzugsweise
ein Infrarotdetektor mit begrenztem Spektralbereich (Pyrometer).
Die räumliche Zuordnung der Baugruppen zueinander ist auch
aus 2 ersichtlich.
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Abstandssensor 1 und
kontaktloses Thermometer 2 stehen mit einem Steuerungsmodul 10 für das
Gesamtsystem in Wirkverbindung. Das Steuerungsmodul 10 regelt
den Abstand der Vorrichtung (Richtkopf) zur Richtstelle, die Temperaturführung (Einschalten,
Abschalten und Wegführen der Brennerflamme), den Abkühlvorgang
(sofern Kühlung integriert) und die Beaufschlagung eines
eventuell vorgesehenen Niederhalters (siehe 3).
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Der
Vorrichtung ist weiterhin ein Schutz- und Absorptionsblech 8 zugeordnet.
Dieses Blech 8 weist eine derart definierte Oberfläche
auf, dass sich ein Emissionsgrad von nahezu exakt ”1” ergibt.
Dabei ist das Schutz- und Absorptionsblech 8 im direkten
Reflektionsbereich des optischen Sichtfeldes S2 des als Infrarotdetektor
ausgestalteten kontaktlosen Thermometers 2 angeordnet.
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Die
Messung der Temperatur vom Schutz- und Absorptionsblech 8 erfolgt
mit einem Kontaktthermometer 9. Die hiermit ermittelte
Temperatur wird zur Berechnungskorrektur der im Infrarotdetektor
ermittelten Oberflächentemperatur genutzt.
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Das
vorzugsweise als Infrarotdetektor ausgestaltete kontaktlose Thermometer 2 und
das Kontaktthermometer 9 stehen mit einer Messelektronik 3 zur
Temperaturmessung in Wirkverbindung. Mit dieser Messelektronik 3 erfolgt
eine Aufnahme der Temperaturen und eine diesbezügliche
Datenvorverarbeitung.
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Die
Vorrichtung kann verschiedenartig weiter ausgestaltet werden. So
ist eine steuerbare Wärmeerzeugung vorgesehen. Weiterhin
sind die Baugruppen der Vorrichtung derart mechanisch schwenkbar,
dass die Wärmewirkung gezielt aus dem Wirkbereich 6 entfernt
werden kann. Hierbei sind die weiterhin auf den Wirkbereich 6 ausgerichteten
Messsysteme entweder nicht schwenkbar oder alternativ auch schwenkbar
ausgestaltet.
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3 zeigt
eine Modifizierung der Vorrichtung mit einem am Handhabungssystem
befestigten Niederhalter 11 für den Richtbereich.
Der mechanische Niederhalter 11 ist hier in Ringausführung
gestaltet, jedoch sind andere Konturen ebenfalls möglich.
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Außerdem
ist gemäß 3 ein zusätzliches Kühlsystem 12 vorgesehen,
das vorzugsweise als Luftkühlung ausgestaltet ist.
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Bei
Anwendung dieser Vorrichtung zur Erwärmung von Bauteilen
aus Metall wird zur Kalibrierung der Temperaturmesseinrichtung ein
kontaktloses Kalibrierthermometer verwendet, das während der
Kalibrierung auf eine genormte Oberfläche (spezielle Lackierung
oder dergleichen) des zu erwärmenden Bauteils im vergleichbaren
Temperaturbereich ausgerichtet ist. Dies erfolgt beispielsweise durch
Ausrichtung des Kalibrierthermometers auf der Rückseite
eines dünnen Bleches bei genormter Oberfläche.
Ebenso kann die Ausrichtung des Kalibrierthermometers in unmittelbarer
Nähe des Thermometers der Vorrichtung bei genormter Oberfläche
erfolgen.
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Diese
Vorrichtung kann zur Schätzung der optimalen Einstellparameter
des kontaktlosen Thermometers zur direkten Messung der Oberflächentemperatur
der Bauteile im Erwärmungsprozess verwendet werden. Außerdem
kann die Vorrichtung zur Schätzung eines Kennfeldes zur
Bestimmung der Oberflächentemperatur aus den Messdaten
des eingesetzten kontaktlosen Thermometers verwendet werden.
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Die
gemessenen Temperaturen eines Pyrometers sind direkt vom Emissionsgrad
der beobachteten Oberfläche abhängig. Bei Einsatz
von Pyrometern mit eng begrenzten Spektralbereichen auf Metallen
hat sich gezeigt, dass der Emissionsgrad zudem noch von der Temperatur
der Oberfläche abhängt. Um die Temperatur auf
einer Metalloberfläche zu messen, muss deshalb die gemessene
Temperatur über dem gesamten Temperaturverlauf korrigiert werden.
Dazu wird in der Kalibrierungsphase ein Temperatur-Emissionsgrad-Verlauf
aufgenommen, der in der Arbeitsphase zur Korrektur der angezeigten
Temperatur genutzt wird. Mit dieser Korrektur können so
die Temperaturen von sich schnell erwärmenden Metallen
(200 bis 300 K/s) zuverlässig gemessen werden.
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Die
Kalibrierung erfolgt mit zwei baugleichen Pyrometern. Während
das erste Pyrometer auf die Metalloberfläche eines dünnen
Bleches des entsprechenden Materials im Wirkpunkt des Brenners ausgerichtet
ist, wird das zweite Pyrometer auf die Rückseite des Bleches
bei einem bekannten Emissionsgrad der Oberfläche ausgerichtet.
Bei einer synchronen Aufnahme der beiden Messwerte lassen sich so entsprechende
Emissionsgradverläufe in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur
des Metalls bzw. vom Detektorsignal aufnehmen.
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Die
Korrektur erfolgt im einfachsten Fall für eine bestimmte
Metalloberfläche durch einen Kennlinienverlauf des Emissionsgrades
in Abhängigkeit vom Detektorsignal. Die reale Oberflächentemperatur
lässt sich dann über den Zusammenhang von Detektorsignal,
Emissionsgrad und Umgebungstemperatur bestimmen. Eine andere Möglichkeit
ist die Abbildung des direkten Zusammenhangs des Temperaturverlaufes
vom Detektorsignal unter Beachtung der Umgebungsbedingungen in einem
Kennfeld. Im einfachsten Fall lässt sich im Pyrometer der
Emissionsgrad für eine gewünschte Grenztemperatur
festlegen. Während des Richtvorgangs kann so eine exakte
und ausreichend schnelle Temperaturüberwachung an der Wirkstelle
erfolgen. Zugleich kann der Abkühlvorgang durch eine passive
oder aktive Luftkühlung überwacht werden.
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Der
Abstandssensor ermöglicht eine gezielte Annäherung
des Richtbrenners an die Bauteiloberfläche und zusätzlich
eine Abstandsregelung beim Erwärmungsvorgang. Somit können
Bauteilverformungen ausgeglichen werden. Zudem kann während
und nach dem Erwärmungsvorgang die Richtwirkung begutachtet
werden.
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- 1
- Abstandssensor/Lasertriangulationssensor
- 2
- Messkopf
des Infrarotdetektors mit begrenztem Spektralbereich/Pyrometer mit
integrierter Temperaturmessung
- 3
- Messelektronik
für das Pyrometer
- 4
- Steuereinheit
für die Wärmeeinbringung
- 5
- Düsenkörper
für einen Brenngas-Sauerstoff-Brenner
- 6
- Wirkbereich
- 7
- Bauteiloberfläche
- 8
- Schutz-
und Absorptionsblech
- 9
- Temperaturmesssystem
für das Schutz- und Absorptionsblech
- 10
- Steuerungsmodul
für das Gesamtsystem
- 11
- mechanischer
Niederhalter
- 12
- Luftkühlung
- S1
- prinzipieller
Verlauf des optischen Strahlenganges des Lasertriagulationssensors
- S2
- prinzipieller
Verlauf des optischen Strahlenganges des Pyrometers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69612225
T2 [0002]
- - DE 202004009261 U1 [0002]
- - DE 10231430 B4 [0002]
- - DE 10014741 C1 [0003]
- - DE 19738976 A1 [0004]
- - DE 19514285 C1 [0005]
- - DE 19804577 C2 [0006]
- - DE 19522642 A1 [0007]