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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Ofen für die thermochemische Behandlung eines oder mehrerer, mit einer Markierung ausgestatteter metallischer Werkstücke.
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DE 10 2012 207 897 A1 offenbart einen Brennofen für Dentalkeramik, der mit einer Bildleseeinheit ausgerüstet ist. Die Bildleseeinheit ist dafür eingerichtet, einen ausgedruckten oder auf einem Bildschirm, beispielsweise in der Anzeige eines Mobiltelefons dargestellten Aktivierungscode zu lesen und die darin enthaltene Information an die Steuerung des Brennofens zu übergeben.
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Fahrzeuge bestehen aus zahlreichen Komponenten, die teilweise sicherheitsrelevant sind und deren Versagen Auswirkungen auf Insassen und Außenstehende haben kann. Daher werden sowohl der Fertigungsprozess der betreffenden Komponenten wie auch die Fahrzeugmontage zunehmend überwacht, um die Ursache für ein kritisches Versagen ermitteln zu können. Jedoch nicht nur bei sicherheitsrelevanten Komponenten, sondern auch im Bereich des Antriebsstrangs und der Bordelektronik steigt die Zahl der Komponenten, bei denen Betriebsdaten, insbesondere Ausfallraten und Lebensdauer mit Produktionsdaten korreliert und für kontinuierliche Verbesserung genutzt werden. Um für ausgewählte metallische Komponenten bzw. Werkstücke, wie beispielsweise Zahnräder, den Fertigungsprozess besser überwachen zu können, wurde vor wenigen Jahren die Direktmarkierung (direct part marking, abgekürzt DPM, https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_part_marking) eingeführt. Hierbei wird auf oder in der Oberfläche des Werkstücks eine permanente Markierung erzeugt mittels diverser Methoden wie beispielsweise Drucken, Prägen, Ätzen, Erosion, Ritzen und insbesondere Lasermarkieren. Die Direktmarkierungen umfassen alphanumerische Zeichen sowie ein- oder zweidimensionale grafische Codes wie beispielsweise Barcode, Codablock, Code 49, PDF417, QR-Code, DataMatrix, MaxiCode und Aztec-Code.
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Im Allgemeinen erfolgt die Produktion im Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbau seriell, d. h. in einer Fertigungslinie wird aus Rohmaterial oder einem Halbzeug in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten eine Komponente, wie beispielsweise ein Zahnrad hergestellt. Hierbei sind die Stationen, an denen die einzelnen Verfahrensschritte ausgeführt werden, auch räumlich aneinander gereiht, um Transportwege und -zeiten möglichst kurz zu halten.
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Eine Ausnahme hiervon bilden Verfahren zur thermochemischen Behandlung von metallischen Werkstücken, wie das Einsatzhärten mittels Kohlen- und/oder Stickstoff, das in der Automobil-, Flugzeug- und Maschinenbauindustrie eine wichtige Rolle spielt. Die Dauer der etablierten thermochemischen Behandlungsverfahren beträgt in der Regel mehrere Stunden. Zudem ist der dabei anfallende Energiebedarf beträchtlich. Um die thermochemische Behandlung wirtschaftlich durchzuführen, werden größere Produktionschargen mit bis zu einigen Hundert Werkstücken simultan prozessiert. Bedingt durch die großen Produktionschargen ist die thermochemische Behandlung nicht nahtlos in die im Übrigen serielle Fertigung integrierbar und wird vorzugweise in gesonderten Produktionsstätten oder bei externen Dienstleistern im Lohnauftrag durchgeführt. Dementsprechend werden die zu behandelnden Werkstücke bis zur Ansammlung einer Produktionscharge in Zwischenlägern aufbewahrt. Bedingt durch die nichtserielle Logistik großer Produktionschargen und die Auslagerung aus der regulären Fertigung sind in der thermochemischen Behandlung Bemühungen, die eine Rückverfolgbarkeit von Einzelteilen gewährleisten, bisher unterblieben.
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Zudem war es in der Vergangenheit nicht möglich, beständige Markierungen anzubringen, die den hohen Prozesstemperaturen bei der thermochemischen Behandlung widerstehen und erkennbar bleiben.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren für die thermochemische Behandlung von markierten metallischen Werkstücken zu schaffen, bei dem Verfahrensparameter in einer jedem Werkstück zuordenbaren Weise aufgezeichnet werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren für die thermochemische Behandlung eines oder mehrerer, mit einer Markierung ausgestatteter metallischer Werkstücke in einem Ofen mit mehreren Behandlungskammern, einem Handhabungssystem für Chargenträger, einer elektronischen Steuerung, Sensoren für die Erfassung von Verfahrensparametern, einem elektronischen Speicher und einem Bildverarbeitungssystem mit einer oder mehreren Kameras, umfassend die Schritte
- (a) Anordnen eines oder mehrerer Werkstücke auf einem Chargenträger, wobei mehrere Werkstücke in einer Lage positioniert werden;
- (b) Erfassung der Markierung jedes Werkstücks mittels des Bildverarbeitungssystems; und
- (c) thermochemische Behandlung der auf dem Chargenträger angeordneten Werkstücke, wobei mittels Sensoren gemessene Verfahrensparameter elektronisch erfasst werden.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass
- - das Verfahren einen Schritt (d) umfasst, in dem die Markierung jedes Werkstücks elektronisch gespeichert wird;
- - das Verfahren einen Schritt (e) umfasst, in dem von Sensoren erfasste Verfahrensparameter elektronisch gespeichert werden;
- - Markierungen der Werkstücke an eine externe Empfangseinheit übermittelt werden;
- - von Sensoren erfasste Verfahrensparameter an eine externe Empfangseinheit übermittelt werden;
- - Schritt (b) nach Schritt (a) und Schritt (c) nach Schritt (b) ausgeführt wird;
- - Schritt (a) nach Schritt (b) und Schritt (c) nach Schritt (a) ausgeführt wird;
- - Schritt (d) unmittelbar nach Erfassung der jeweiligen Markierung oder zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt wird;
- - Schritt (e) unmittelbar nach Erfassung des jeweiligen Verfahrensparameters oder zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführt wird;
- - in Schritt (d) die Markierung als Bilddatei gespeichert wird;
- - in Schritt (d) die Markierung in dekodierter Form gespeichert wird;
- - in Schritt (d) die Markierung als Bilddatei und in dekodierter Form gespeichert wird;
- - in Schritt (c) ein oder mehrere Verfahrensparameter in regelmäßigen Zeitabständen von 1 Millisekunde bis 1 Stunde erfasst und in Schritt (e) als Zeitreihe gespeichert werden;
- - in Schritt (a) 2 bis 100, 2 bis 50 oder 2 bis 20 Werkstücke auf dem Chargenträger angeordnet werden;
- - die Werkstücke die gleiche Gestalt und Abmessungen aufweisen;
- - in Schritt (a) die Werkstücke, bezogen auf eine vertikale Raumrichtung derart auf dem Chargenträger angeordnet werden, dass ein zwischen der vertikalen Raumrichtung und einer Vorzugsachse jedes Werkstücks eingeschlossener Winkel ≤ 10 Grad ist;
- - Steuerungsparameter elektronisch gespeichert werden;
- - Markierungen und Verfahrensparameter in miteinander verknüpfter Weise gespeichert werden;
- - Markierungen, Verfahrensparameter und Steuerungsparameter in miteinander verknüpfter Weise gespeichert werden;
- - vorgegebene Markierungen und Steuerungsparameter in verknüpfter Weise in der Steuerung oder in dem elektronischen Speicher des automatisierten Ofens hinterlegt sind, die von dem Bildverarbeitungssystem erfasste Markierung eines oder mehrerer Werkstücke einer Charge einer, in der Steuerung oder dem elektronischen Speicher hinterlegten Markierung zugeordnet und die verknüpften Steuerungsparameter für die Steuerung der thermochemischen Behandlung der Werkstücke verwendet werden;
- - eine von dem Bildverarbeitungssystem erfasste Markierung eines oder mehrerer Werkstücke einer Charge an ein externes System, wie beispielsweise ein Manufacturing Planning and Control System (MPC) übertragen und von dem externen System kommunizierte, auf die betreffende Markierung bezogene Steuerungsparameter für die Steuerung der thermochemischen Behandlung der Werkstücke verwendet werden;
- - in Schritt (b) der Chargenträger mit den Werkstücken in dem Handhabungssystem angeordnet ist;
- - in Schritt (b) der Chargenträger mit den Werkstücken mittels des Handhabungssystems durch das Sichtfeld der mindestens einen Kamera des Bildverarbeitungssystems bewegt wird;
- - in Schritt (b) jedes Werkstück manuell in dem Sichtfeld einer Kamera des Bildverarbeitungssystems positioniert und die Markierung des Werkstücks von dem Bildverarbeitungssystem erfasst wird;
- - in Schritt (b) eine Kamera des Bildverarbeitungssystems manuell derart positioniert wird, dass jedes Werkstück in dem Sichtfeld der Kamera positioniert und die Markierung des Werkstücks von dem Bildverarbeitungssystem erfasst wird;
- - der Chargenträger nach Schritt (b) und vor Schritt (c) in dem Handhabungssystem angeordnet wird;
- - in Schritt (a) die Werkstücke manuell oder automatisiert auf dem Chargenträger abgelegt werden;
- - nach Schritt (a) und vor Schritt (c) die Position jedes Werkstücks mittels des Bildverarbeitungssystems erfasst wird;
- - nach Schritt (a) und vor Schritt (c) die Position jedes Werkstücks relativ zu dem Chargenträger mittels des Bildverarbeitungssystems erfasst wird;
- - in dem Bildverarbeitungssystem ein Referenzbild des Chargenträgers hinterlegt ist;
- - nach Schritt (a) und vor Schritt (c) die Position jedes Werkstücks relativ zu dem Chargenträger mittels des Bildverarbeitungssystems anhand eines gespeicherten Referenzbildes des Chargenträgers erfasst wird;
- - die Position jedes Werkstücks elektronisch gespeichert wird;
- - Markierungen, Verfahrensparameter und Positionen der Werkstücke in miteinander verknüpfter Weise gespeichert werden;
- - Markierungen, Verfahrensparameter, Steuerungsparameter und Positionen der Werkstücke in miteinander verknüpfter Weise gespeichert werden;
- - das Verfahren einen Schritt umfasst, in dem Lasermarkierungen auf einem oder mehreren Werkstücken mittels eines Lasermarkierungssystems erzeugt werden;
- - das Verfahren einen Schritt umfasst, in dem Lasermarkierungen auf einem oder mehreren Werkstücken mittels eines manuell geführten Lasermarkierungssystems erzeugt werden;
- - das Verfahren einen Schritt umfasst, in dem Lasermarkierungen auf einem oder mehreren Werkstücken mittels eines automatisch geführten Lasermarkierungssystems erzeugt werden;
- - von der elektronischen Steuerung des Ofens alphanumerische, binäre oder grafische Codes für die Lasermarkierung von Werkstücken an ein mit dem Ofen verbundenes Lasermarkierungssystem übergeben werden;
- - auf den Werkstücken erzeugte Lasermarkierungen, Verfahrensparameter und Positionen der Werkstücke in miteinander verknüpfter Weise gespeichert werden;
- - auf den Werkstücken erzeugte Lasermarkierungen, Verfahrensparameter, Steuerungsparameter und Positionen der Werkstücke in miteinander verknüpfter Weise gespeichert werden;
- - der Chargenträger als Palette, Korb oder Gestell ausgebildet ist;
- - der Chargenträger als rechteckige Palette ausgebildet ist mit einer Rechteckdiagonale von 40 bis 200 cm; und/oder
- - der Chargenträger aus einem temperaturbeständigen Material, wie Karbonfaserverstärktem Grafit (CFC) gefertigt ist.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ofen für die thermochemische Behandlung von markierten metallischen Werkstücken bereitzustellen, der dafür eingerichtet ist, Verfahrensparameter in einer jedem Werkstück zuordenbaren Weise aufzuzeichnen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ofen für die thermochemische Behandlung markierter metallischer Werkstücke mit mehreren Behandlungskammern, einem Handhabungssystem für Chargenträger, einer elektronischen Steuerung, Sensoren für die Erfassung von Verfahrensparametern, einem elektronischen Speicher und einem Bildverarbeitungssystem mit einer oder mehreren Kameras, wobei
- - die Steuerung mit den Sensoren verbunden und dafür eingerichtet ist, von Sensoren erfasste Verfahrensparameter in dem elektronischen Speicher abzulegen;
- - das Bildverarbeitungssystem dafür eingerichtet ist, eine auf den Werkstücken angebrachte Markierung zu detektieren; und
- - die Steuerung mit dem Bildverarbeitungssystem verbunden und dafür eingerichtet ist, von dem Bildverarbeitungssystem detektierte Markierungen der Werkstücke zu übernehmen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ofens sind dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Steuerung dafür eingerichtet ist, von dem Bildverarbeitungssystem detektierte Markierungen der Werkstücke in dem elektronischen Speicher abzulegen;
- - die Steuerung dafür eingerichtet ist, von dem Bildverarbeitungssystem detektierte Markierungen der Werkstücke an eine externe Empfangseinheit zu übermitteln;
- - die Steuerung dafür eingerichtet ist, von Sensoren erfasste Verfahrensparameter an eine externe Empfangseinheit zu übermitteln;
- - die Steuerung ausgebildet und eingerichtet ist für elektronische Datenkommunikation mit einem externen System, wie beispielsweise einem Manufacturing Planning and Control System (MPC);
- - die Steuerung mit einer Schnittstelle für elektronische Datenkommunikation mit einem externen System, wie beispielsweise einem Manufacturing Planning and Control System (MPC) ausgerüstet ist;
- - die Steuerung dafür eingerichtet ist, das Bildverarbeitungssystem zu steuern;
- - die Steuerung ein Steuerungsprogramm umfasst, das dafür eingerichtet ist, eine von dem Bildverarbeitungssystem erfasste Markierung eines oder mehrerer Werkstücke einer Charge einer, in der Steuerung oder dem elektronischen Speicher hinterlegten Markierung und damit verknüpften Steuerungsparametern zuzuordnen und die Steuerungsparameter für die Steuerung der thermochemischen Behandlung der Werkstücke zu verwenden;
- - die Steuerung ein Steuerungsprogramm umfasst, das dafür eingerichtet ist, eine von dem Bildverarbeitungssystem erfasste Markierung eines oder mehrerer Werkstücke einer Charge an ein externes System, wie beispielsweise ein Manufacturing Planning and Control System (MPC) zu übertragen und von dem externen System kommunizierte, auf die betreffende Markierung bezogene Steuerungsparameter für die Steuerung der thermochemischen Behandlung der Werkstücke zu verwenden;
- - die Steuerung dafür eingerichtet ist, Steuerungsparameter in dem elektronischen Speicher abzulegen;
- - der elektronische Speicher ein Bestandteil bzw. Modul der Speicherung ist;
- - der elektronische Speicher in die Speicherung integriert ist;
- - das Bildverarbeitungssystem dafür eingerichtet ist, die Position von auf einem Chargenträger angeordneten Werkstücken zu bestimmen, und die Steuerung dafür eingerichtet ist, die von dem Bildverarbeitungssystem ermittelten Positionen der Werkstücke in dem elektronischen Speicher abzulegen;
- - die mindestens eine Kamera des Bildverarbeitungssystems, derart eingerichtet und angeordnet ist, dass ihr Sichtfeld eine Diagonale von ≥ 20 cm, ≥ 40 cm, ≥ 60 cm, ≥ 80 cm oder ≥ 100 cm hat;
- - die mindestens eine Kamera des Bildverarbeitungssystems mit einem elektronischen Bildsensor, wie beispielsweise einem CCD- oder CMOS-Chip mit ≥ 1 Megapixel, ≥ 2 Megapixel, ≥ 3 Megapixel, ≥ 4 Megapixel oder ≥ 5 Megapixel ausgerüstet ist;
- - die mindestens eine Kamera des Bildverarbeitungssystems ein Objektiv umfasst mit einer numerischen Apertur NA mit NA ≥ 0,087, NA ≥ 0,174, NA ≥ 0,259, NA ≥ 0,342, NA ≥ 0,423 oder NA ≥ 0,5;
- - die mindestens eine Kamera des Bildverarbeitungssystems, derart eingerichtet und angeordnet ist, dass für die optische Auflösung bzw. den minimalen Abstand dmin zwischen zwei getrennt abbildbaren Objektpunkten im Sichtfeld der Kamera die Bedingung dmin ≤ 300 µm, dmin ≤ 250 µm, dmin ≤ 200 µm, dmin ≤ 150 µm, dmin ≤ 100 µm oder dmin ≤ 50 µm erfüllt ist;
- - das Bildverarbeitungssystem zwei, drei, vier oder mehr Kameras umfasst;
- - das Bildverarbeitungssystem mehrere Kameras mit voneinander verschiedenem Sichtfeld umfasst;
- - das Bildverarbeitungssystem dafür eingerichtet ist, ein- und zweidimensionale grafische Codes zu dekodieren;
- - das Bildverarbeitungssystem dafür eingerichtet ist, einen Chargenträger zu erkennen;
- - das Handhabungssystem dafür gestaltet und eingerichtet ist, in einem Ladebereich einen Chargenträger mit Werkstücken aufzunehmen, wobei eine oder mehrere Kameras des Bildverarbeitungssystems in dem Ladebereich angeordnet sind;
- - der Ofen ein Lasermarkiersystem für die Markierung von Werkstücken umfasst;
- - das Lasermarkiersystem eine optische Strahlführung umfasst;
- - das Lasermarkiersystem eine mechanische Strahlführung umfasst;
- - das Lasermarkiersystem eine mechanische und optische Strahlführung umfasst;
- - die Steuerung mit dem Lasermarkiersystem verbunden und dafür eingerichtet ist, alphanumerische, binäre oder grafische Codes für die Markierung von Werkstücken an die Lasermarkiereinrichtung zu übertragen;
- - das Bildverarbeitungssystem dafür eingerichtet, in dem Sichtfeld der mindestens einen Kamera befindliche Werkstücke zu erkennen, deren Position zu bestimmen und an die Steuerung zu übergeben;
- - die Steuerung mit dem Lasermarkiersystem verbunden und dafür eingerichtet ist, die Position von Werkstücken an die Lasermarkiereinrichtung zu übertragen;
- - der Ofen eine oder mehrere Schleusenkammern umfasst;
- - der Ofen eine oder mehrere Abschreckkammern umfasst;
- - der Ofen eine oder mehrere Heizkammern umfasst;
- - der Ofen eine Transferkammer umfasst, wobei die Schleusenkammer, die Abschreckkammer und jede der Heizkammern mit der Transferkammer verbunden ist;
- - die eine oder mehreren Abschreckkammern für die Abschreckung mit einem Gas, wie beispielsweise Stickstoff bei Drücken von 1 × 105 bis 20×105 Pa gestaltet und eingerichtet sind;
- - der Ofen eine oder mehrere Kammern umfasst, die als Schleusen- und Abschreckkammer gestaltet und eingerichtet sind;
- - der Ofen Stromversorgungen für die separate Beheizung einer oder mehrerer Behandlungskammern umfasst;
- - der Ofen Massenflussregler für die Regelung von in eine oder mehrere Behandlungskammern jeweils zugeführten Gasflüssen umfasst;
- - der Ofen Thermoelemente für die Messung der Temperatur in einer oder mehreren Behandlungskammern umfasst;
- - der Ofen Pyrometer für die Messung der Temperatur von Werkstücken umfasst;
- - der Ofen Sensoren für die Messung des Gasdrucks in einer oder mehreren Behandlungskammern umfasst;
- - der Ofen eine oder mehrere Vakuumpumpen umfasst;
- - der Ofen Gasventile umfasst;
- - das Handhabungssystem dafür gestaltet und eingerichtet ist, einen Chargenträger mit Werkstücken in jede der Behandlungskammern einzubringen und aus jeder der Behandlungskammern zu entnehmen;
- - eine oder mehrere Kameras des Bildverarbeitungssystems vor einer Schleusenkammer oder vor einer Schleusen- und Abschreckkammer angeordnet sind; und/oder
- - eine oder mehrere Kameras des Bildverarbeitungssystems in einer Schleusenkammer oder in einer Schleusen- und Abschreckkammer angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und der hierfür eingerichtete Ofen ermöglichen eine autarke, von einer übergeordneten Prozesslogistik und Fertigungslinie unabhängige Aufzeichnung und Zuordnung thermochemischer Verfahrensparameter für jedes Werkstück. Das Verfahren und der Ofen sind so konzipiert, dass die Verfahrensparameter in zuordenbarer Weise aufgezeichnet werden, unabhängig davon, ob eine Werkstückcharge automatisch oder manuell zusammengestellt wird. Die Verwendung eines Chargenträgers mit vorgegebener Gestalt, insbesondere einer Palette, eines Korbes oder Gestells in Verbindung mit einer einlagigen Anordnung der Werkstücke gewährleistet, dass die Markierung jedes Werkstücks für das automatisierte Bildverarbeitungssystem gut sichtbar und erkennbar ist.
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Der Zeitbedarf für die automatisierte Erfassung sämtlicher auf einem Chargenträger gruppierter Werkstücke ist gering und beträgt wenige Sekunden. Zudem sind Bedienfehler, die bei Operator-geführter bzw. manueller Erfassung, z. B. bei Verwendung eines manuellen Barcodelesers auftreten, ausgeschlossen.
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In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Markierung“ ein oder mehrere Schriftzeichen und/oder Zahlen sowie ein- und zweidimensionale grafische Codes, wie beispielsweise Barcode, Codablock, Code 49, PDF417, Matrix-Code, QR-Code, DataMatrix, MaxiCode und Aztec-Code.
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In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Verfahrensparameter“ mittels Sensoren gemessene physikalische Zustände, wie beispielsweise den Gasdruck in einer Behandlungskammer oder die Temperatur eines Werkstücks. In der Regel werden Verfahrensparameter als Zeitreihen erfasst, wobei der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen des jeweiligen Verfahrensparameters im Bereich von 1 Millisekunde bis 1 Stunde liegt.
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In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Steuerungssparameter“ durch die elektronische Steuerung und das Steuerungsprogramm vorgegebene Zustände und Parameter des Behandlungssystems, wie beispielsweise Schalter- und Ventilstellungen oder Heizströme.
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Das Bildverarbeitungssystem des erfindungsgemäßen Ofens umfasst
- - eine oder mehrere lichtoptische Kameras mit jeweils einem oder mehreren elektronischen Bildsensoren, wie beispielsweise CCD- oder CMOS-Sensoren;
- - einen oder mehrere Mikroprozessoren und/oder Grafikprozessoren;
- - Software für die Erkennung und Erfassung von Mustern, wie Schriftzeichen, Zahlen und ein- und zweidimensionalen grafischen Codes, wie beispielsweise Barcode, Codablock, Code 49, PDF417, QR-Code, DataMatrix, MaxiCode und Aztec-Code.
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Zweckmäßig umfasst die Software des Bildverarbeitungssystems ein Programm oder Unterroutinen für die Erkennung von Mustern, wie alphanumerischen Zeichen und ein- und zweidimensionalen grafischen Codes in Bildern mit strukturiertem Hintergrund.
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Vorzugsweise umfasst die Software des Bildverarbeitungssystems zudem ein Programm oder Unterroutinen für die Dekodierung von ein- und zweidimensionalen grafischen Codes und deren Wandlung in alphanumerische Zeichenfolgen. Hierbei wird eine durch Dekodierung ermittelte alphanumerische Zeichenfolge in einem beliebigen Binärformat, wie beispielsweise im ASCII-Format dargestellt.
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Die Markierung eines Werkstücks wird als Bilddatei und/oder in dekodierter Form gespeichert. Hierbei bezeichnet der Begriff „Bilddatei“ ein digitalisiertes Bild einer Markierung, d. h. eine digitale Datei oder einen digitalen Datensatz mit Bildpunkten (Pixel) und jedem Bildpunkt (Pixel) zugeordneten Farb- oder Grauwerten. Der Begriff „dekodierte Form“ bezeichnet eine digitale Datei oder einen digitalen Datensatz mit alphanumerischen Zeichen, die anhand eines digitalisierten Bildes einer Markierung durch optische Zeichenerkennung oder Dekodierung ermittelt worden sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Bildverarbeitungssystem eine oder mehrere Lichtquellen, wie beispielsweise LED-Leuchten und Halogenlampen. Vorzugsweise ist die mindestens eine Lichtquelle in die mindestens eine Kamera des Bildverarbeitungssystems integriert.
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In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff „Sichtfeld“ einer Kamera ein quaderförmiges Raumvolumen, in dem Gegenstände gemäß den Gesetzen der geometrischen Optik hinreichend scharf auf einen elektronischen Sensor der Kamera, insbesondere einen CDD- oder CMOS-Chip abgebildet werden. Bei vorgegebener Größe und Abstand (Bildweite) des Bildsensors von einem Kameraobjektiv mit vorgegebener Brennweite und Blende sind die Abmessungen des quaderförmigen Sichtfeldes durch die bekannten Linsengleichungen für den horizontalen und vertikalen Sichtwinkel, die Gegenstandsweite und die Schärfentiefe festgelegt (siehe z.B. https://de.wikipedia.org/wiki/Sichtfeld und https://de.wikipedia.org/wiki/Schärfentiefe).
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In der vorliegenden Erfindung bezeichnet der auf eine Anordnung mehrerer Werkstücke auf einem Chargenträger bezogene Begriff „Lage“ eine Positionierung, bei welcher ein lotrechter Abstand des Massenmittelpunkts jedes Werkstücks von einer Bezugsebene ≤ 100 mm, ≤ 50 mm und insbesondere ≤ 20 mm ist. Vorzugsweise ist die Bezugsebene im Wesentlichen horizontal derart orientiert, dass ein senkrecht zur Bezugsebene stehender Normalvektor mit einer vertikalen Raumrichtung einen Winkel von ≤ 10 Grad einschließt. In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bezugsebene im Wesentlichen vertikal derart orientiert, dass ein senkrecht zur Bezugsebene stehender Normalvektor mit einer vertikalen Raumrichtung einen Winkel im Bereich von 80 bis 100 Grad einschließt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt
- 1 eine schematische Ansicht eines Ofen für die thermochemische Behandlung von metallischen Werkstücken;
- 2 ein Blockschema mit einer elektronischen Steuerung und einem Bildverarbeitungssystem.
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Der in 1 schematisch gezeigte Ofen 1 umfasst mehrere Behandlungskammern (2, 4), eine Transferkammer 3, ein mehrgliedriges Handhabungssystem (6, 7, 8) und ein Bildverarbeitungssystem mit einer oder mehreren Kameras 10. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens 1 ist die erste Behandlungskammer 2 als Schleusen- und Abschreckkammer eingerichtet und umfasst eine Umwälzeinrichtung, insbesondere einen Rotor, mittels dessen ein Abschreckgas, wie Stickstoff umgewälzt werden kann.
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Die Behandlungskammern 4 sind als Heizkammern ausgebildet und jeweils mit ein, zwei oder mehr elektrischen Heizelementen ausgerüstet. Vorzugsweise sind die Heizkammern 4 in vertikaler Richtung gestapelt bzw. in einer vertikalen Reihe angeordnet. Jede der Heizkammern 4 umfasst eine, in 1 nicht gezeigte Aufnahme für einen mit Werkstücken 9 beladenen Chargenträger.
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Der Ofen 1 umfasst einen, in 1 nicht gezeigten Vakuumpumpstand, der dafür eingerichtet ist, die Behandlungskammern (2, 4) und die Transferkammer 3 auf einen Druck im Bereich von weniger als 10000 Pa zu evakuieren. Im Weiteren ist der Ofen 1 mit einer, in 1 nicht gezeigten Gasversorgung verbunden, um die Schleusen- und Abschreckkammer 2 mit Stickstoff und jede der Heizkammern 4 mit einem Trägergas, wie Argon und einem oder mehreren Stickstoff- und/oder Kohlenstoff-haltigen Behandlungsgasen zu versorgen bzw. zu spülen.
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Die Schleusen- und Abschreckkammer 2 ist an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils mit einer vakuumdichten Tür 5 oder einem vakuumdichten Schieber 5 ausgerüstet. Desweiteren ist jede der Heizkammern 4 mit einer Tür oder einem Schieber 5' ausgerüstet, die als gewöhnliche oder als vakuumdichte Türen oder Schieber ausgebildet sind.
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Das Handhabungssystem (6, 7, 8) umfasst zwei Manipulatoren 6 und 8, die jeweils mit einer horizontal verfahrbaren Halterung bzw. einem Tisch für einen Chargenträger ausgerüstet sind. Vorzugsweise umfasst die horizontal verfahrbare Halterung der Manipulatoren (6, 8) einen als Teleskopschlitten ausgebildeten Linearantrieb. Mittels der horizontal verfahrbaren Halterung des Manipulators 6 kann ein Chargenträger mit Werkstücken 9 auf einer Ablage 7 abgelegt und mittels der horizontal verfahrbaren Halterung des Manipulators 8 aufgenommen werden. Im Weiteren kann mittels des Manipulators 8 ein Chargenträger mit Werkstücken 9 in eine der Heizkammern 4 geladen oder daraus entnommen werden.
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Der in der Transferkammer 3 angeordnete Manipulator 8 ist mit einem in vertikaler Richtung verfahrbaren Linearantrieb ausgerüstet, mit dem die horizontal verfahrbare Halterung des Manipulators 8 vor jeder der Heizkammern 4 positionierbar ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Ofens 1 ist auch die Manipulatoren 6 mit einem in vertikaler Richtung verfahrbaren Linearantrieb ausgerüstet, der es ermöglicht, die horizontal verfahrbare Halterung des Manipulators 6 in vertikaler Richtung variabel zu positionieren.
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In dem in 1 gezeigten Betriebszustand ist ein Chargenträger mit Werkstücken 9 auf der horizontal verfahrbaren Halterung des Manipulators 6 angeordnet bzw. abgelegt. Oberhalb des ersten Manipulators 6 ist die mindestens eine Kamera 10 des Bildverarbeitungssystems angeordnet. Das Sichtfeld bzw. der Sichtwinkel der Kamera 10 ist durch gestrichelte Linien 11 gekennzeichnet. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens 1 erfasst das Sichtfeld 11 der mindestens einen Kamera 10 den gesamten Chargenträger bzw. alle auf dem Chargenträger abgelegten Werkstücke 9.
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Der Ofen 1 umfasst eine oder mehrere elektronische Steuerungen und diverse mit der mindestens einen Steuerung verbundene Stellglieder und Sensoren. Nachfolgend sind beispielhaft einige Stellglieder und Sensoren aufgelistet
- - Stromversorgungen für die Beheizung jeder der Heizkammern 4;
- - Massenflussregler für die Regelung der jeder Heizkammer 4 zugeführten Gasflüsse;
- - Thermoelemente für die Messung der Temperatur in den Heizkammern 4;
- - Pyrometer für die Messung der Temperatur von Werkstücken 9;
- - Sensoren für die Messung des Gasdrucks in den Behandlungskammern (2, 3, 4);
- - eine oder mehrere Vakuumpumpen;
- - Gasventile.
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Die vorstehende Liste der Stellglieder und Sensoren ist weder abschließend noch ist zwingend jedes der genannten Stellglieder oder jeder der genannten Sensoren vorhanden. Der erfindungsgemäße Ofen 1 kann zudem andere, in der vorstehenden Liste nicht aufgeführte Stellglieder und Sensoren umfassen.
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Im regulären Betrieb werden in dem Ofen 1 zeitgleich asynchron mehrere Chargen mit Werkstücken 9 thermochemisch behandelt. Hierbei können die Verfahrensparameter und die Verfahrensdauer für die einzelnen Chargen gleich oder voneinander verschieden sein. Der Ofen 1 ermöglicht eine effiziente thermochemische Behandlung von Sequenzen mehrerer Chargen mit gleichen oder variierenden Verfahrensparametern.
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2 zeigt ein Blockschema mit einer elektronischen Steuerung 20, einem elektronischen Speicher 21, einem Bildverarbeitungssystem 30, Stellgliedern 40 und Sensoren 50. Der elektronische Speicher 21 ist als separate Einheit, beispielsweise als computergestützte Datenbank oder als Modul der Steuerung 20 ausgebildet und mit der Steuerung 20 verbunden. Im Weiteren sind das Bildverarbeitungssystem 30, die Stellglieder 40 und Sensoren 50 mit der Steuerung 20 verbunden. Die elektronische Steuerung 20 ist als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder als computergestützte Softwaresteuerung (Soft-SPS) ausgebildet.
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Das Bildverarbeitungssystem 30 umfasst eine oder mehrere Kameras 10 und ein oder mehrere digitale Bildanalysesysteme 31 mit einem oder mehreren Mikroprozessoren und/oder Grafikprozessoren sowie Bildanalyse-Software bzw. -Programme.
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Jede der Kameras 10 ist mit einem oder mehreren elektronischen Bildsensoren, wie einem CCD- oder CMOS-Chip ausgerüstet. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jede der Kameras 10 mit einem oder mehreren Mikro- und/oder Grafikprozessoren sowie Bildanalyse-Software ausgerüstet.
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Wie vorstehend erläutert, ist der erfindungsgemäße Ofen für die thermochemische Behandlung metallischer Werkstücke mit diversen Stellgliedern 40 und Sensoren 50 für die Erfassung von Verfahrensparametern ausgerüstet. Jedes der Stellglieder 40 und jeder der Sensoren 50 ist unmittelbar oder indirekt mit der Steuerung 20 verbunden.
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Die Steuerung 20 umfasst ein Steuerungsprogramm, das dafür eingerichtet ist von dem Bildanalysesystem 30 bereitgestellte Daten sowie von den Sensoren 50 übermittelte Messsignale zu registrieren und in verknüpfter Weise in dem elektronischen Speicher abzulegen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens ist die elektronische Steuerung 20 dafür eingerichtet, mittels der Sensoren 50 gemessene Verfahrensparameter mit vorgegebenen Ober- und Untergrenzen zu vergleichen und bei Überschreitung der Grenzwerte einen als „Qualitätsalarm“ bezeichneten Datensatz zu erzeugen und elektronisch zu speichern. Das Vorliegen eines oder mehrerer Qualitätsalarme führt nicht notwendigerweise dazu, dass die betreffenden Werkstücke als Ausschuss klassifiziert werden. Qualitätsalarme können jedoch als Anlass bzw. Indikator für eine erweiterte Prüfung der Werkstücke genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Qualitätsalarme elektronisch in einer mit der Markierung der Werkstücke verknüpften Weise gespeichert .
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens ist die elektronische Steuerung 20 eingerichtet für elektronische Datenkommunikation mit einem Manufacturing Planning and Control System (MPC), das in 2 mit der Bezugszahl 100 bezeichnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofen
- 2
- Behandlungskammer (insbesondere Schleusen- und Abschreckkammer)
- 3
- Transferkammer
- 4
- Behandlungskammer (insbesondere Heizkammer)
- 5
- vakuumdichte Tür oder vakuumdichter Schieber
- 5'
- Tür oder Schieber (ggf. vakuumdicht)
- 6
- Manipulator (Handhabungssystem)
- 7
- Ablage (Handhabungssystem)
- 8
- Manipulator (Handhabungssystem)
- 9
- Werkstücke
- 10
- Kamera
- 11
- Sichtfeld der Kamera
- 20
- elektronische Steuerung
- 21
- elektronischer Speicher
- 30
- Bildverarbeitungssystem
- 31
- Bildanalysesystem
- 40
- Stellglieder
- 50
- Sensoren (für die Messung von Verfahrensparametern)
- 100
- Manufacturing Planning and Control System
