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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fertigung einer
Feder aus einem Rund- oder Vierkantstahldraht, der zu einer Schraubenfeder oder
Kegelfeder gewickelt wird, sowie einer Feder aus Flachstahl, der
zu einer Schraubenfeder gewickelt wird, auch bekannt unter dem Namen
Evolutfeder, gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Während nach
dem frühesten
Stand der Technik eine Steuerung der Fertigung von Schraubenfedern
lediglich mittels Schrauben und Nocken möglich war, bedient sich die
später
entwickelte Technik einer numerischen Steuerung zur Steuerung von
Motoren, die durch eventuelle Encoder oder ähnliche Geräte rückgekoppelt sind, um sowohl
die Bewegung der Balken mit Drahtführungskopf, die zur Bestimmung
des Durchmessers der Feder dienen, als auch das Werkzeug zu steuern,
das die gewünschte
Steigung der Feder bestimmt. Nachfolgend ist mit Durchmesser der
Feder der Außendurchmesser
der Feder gemeint.
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Eines
der Probleme, die es bei der Fertigung von Federn zu lösen gilt,
ist es, die Fertigung während
des Herstellungsprozesses steuern zu können, indem Korrekturmaßnahmen
durchgeführt
werden, damit die Fertigung wieder innerhalb der vorgeschriebenen
Toleranz erfolgen kann, ohne die Fertigung anzuhalten, um stets
die gewünschte
Länge der Feder
zu erhalten. Dieses Problem wurde teilweise von Vorrichtungen gelöst, bei
denen nunmehr anerkannt wurde, dass es erforderlich ist, die Endlänge und
Lage der Feder mittels Kameras, mit induktiven Sensoren oder ähnlichen
Mitteln zu messen. Auf der Grundlage der Messung der Endlänge und
Lage der Feder kann auf zwei verschiedene Arten in den Herstellungsprozess
eingegriffen werden. Bei einem rein mechanischen System, d. h. ohne
numerische Steuerung, wirkt das System direkt auf einen Motor ein, der,
unter Betätigung
einer Schraube, die Länge
der nächsten
Feder ändert
und die Feder aussortiert, bei der zuvor festgestellt wurde, dass
die Toleranz nicht eingehalten wurde. Bei Maschinen mit numerischer Steuerung,
wie aus der
WO 99/32244
A1 (nächstliegender
Stand der Technik) bekannt, wird ein numerisches Steuerungssignal übertragen,
das die Aufgabe hat, auf eben diesen Motor und diese Schraube einzuwirken
und damit während
der Fertigung auf die Feder einzugreifen.
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Aus
der
DE 100 63 786
A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen
einer Schraubenfeder bekannt, bei der bzw. dem das Licht als gepulstes
Licht ausgegeben wird, um Vibrationen bei der Fertigung zu kompensieren.
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Aus
der
US 6 445 813 B1 ist
eine Vorrichtung zur Untersuchung von Leiterplatten bekannt, die
einen Encoder umfasst, der den mittels eines Förderbandes zurückgelegten
Weg der Leiterplatte erfasst und gleichzeitig die Aufnahme jeder
Leiterplatte mittels einer Videokamera mit zeilenartigem CCD-Sensor
anstößt.
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Aus
der
DE 200 80 319
U1 ist eine Videokamera bekannt, bei der die Hauptfunktionen
in der Hauptrechnersoftware implementiert werden, und die eine Linse
aufweist, mit der Licht auf einem CCD-Sensor fokussiert wird. Vollbilder
können
mit 640×480
Pixeln dargestellt werden. Die Videokamera umfasst in einer Ausführungsform
auch einen IEEE 1394 Fire-Wire-Anschluß.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Fertigung von Schraubenfedern
zu schaffen, die eine präzisere
Bildaufzeichnung der Feder während
der Herstellung gestattet und gleichzeitig den Rechenaufwand für die Auswertung
der Bildaufzeichnungen minimiert.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs
1 gelöst
Bei der Vorrichtung entsprechend der Erfindung werden, Durchmesser,
Länge und
Steigung der Feder während
der Fertigung überprüft, um den
derzeitigen Präzisionsanforderungen
an die Fertigung gerecht zu werden, die verlangen, dass alle geometrischen
Parameter der Feder ständig überprüft werden.
Mit der vorliegenden Erfindung können gleichzeitig
Durchmesser, Länge
und Steigung der Feder korrigiert werden. Ein erster Motor steuert
die Bewegung der Mittel, die die gewünschte Verformung des Drahtes
bewirken und im allgemeinen bekannte Balken mit Drahtführungsköpfen aufweisen (wobei
ein Motor bei Maschinen mit numerischer Steuerung bereits vorhanden
ist und ansonsten bei herkömmlichen
Maschinen ergänzt
werden kann, falls noch nicht vorhanden), um den Durchmesser der
Feder zu ändern
oder einen fehlerhaften Verlauf der Fertigung zu korrigieren, wobei
ein zweiter Motor dem ersten Motor zugeordnet ist und von diesem
gesteuert wird, um ein weiteres Mittel zur Führung des in Bearbeitung befindlichen
Drahtes zu steuern, im allgemeinen eine halbkreisförmige Spindel,
und wobei ein dritter Motor für
die Steuerung der Vorwärts- und
Rückwärtsbewegung
des Steigungswerkzeugs zur Änderung
der Steigung der Feder vorgesehen ist. Somit kann in einem bestimmten
Moment während des
Herstellungsprozesses ein bereits gefertigter Teil der Feder gemessen
werden, um vorauszusehen, wie diese am Ende der Fertigung aussehen
wird. Die Vorrichtung wirkt auf zwei Motoren, den ersten und dritten,
ein, um die Fertigung des restlichen Teils der Feder derart zu ändern, dass
sich eine Feder mit geometrischen Eigenschaften innerhalb der vorgegebenen
Toleranz ergibt. Zur Durchführung
dieser Steuerung weist die Vorrichtung einen elektronischen Rechner
(PC) und eine elektronische Karte auf, die einander zugeordnet sind
und entsprechend einer dafür
vorgesehenen Software und einem Algorithmus arbeiten, der einfach
aus der einschlägigen
Literatur abgeleitet ist, die verschiedene Techniken zur Bildanalyse
vorschlägt,
Techniken, die im wesentlichen als sog. "enhancement/thresholding"-Technik und edge "fitting"-Technik identifiziert werden. Die erste
dieser Techniken wird zur Definition unseres Algorithmus verwendet,
da sie sich dank der einfachen Berechnung (es müssen keine imaginären Zahlen verwendet
werden) als schneller und leichter zu implementieren erweist. Bibliographische
Referenzen: Rosenfeld A., Kak, A. C. "Digital picture processing", Academic Press
1982 sowie Horn B. K. P., Backman B. L. "using synthetic images to register real
images with surface models",
MIT Artificial Intelligence Laboratory Memo, 437, 1977.
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Der
gewählte
Algorithmus wurde zur Bestimmung aller Bereiche des Bildes entwickelt,
in denen ein Übergang
von weiß nach
schwarz vorliegt, wodurch sich somit eine Folge von Punkten ergibt,
die das Profil der Feder darstellen: durch Auswerten der Maxima
und Minima werden die Spitzen der Windungen der Feder bestimmt,
die sich an den Punkten (X1, Y1), (X2, Y2), (X3, Y3) (X4, Y4) usw.
befinden, und durch Analyse der Position der Punkte weiter rechts
im Bild wird die Länge
der Feder bestimmt. Zur Bestimmung der Durchmesser der Feder führt die Software
folgende Operationen durch: für
jeweils zwei obere aufeinander folgende Maximumpunkte sucht die
Software – sofern
vorhanden – einen
unteren Minimumpunkt, vorausgesetzt, dessen Abszisse befindet sich
zwischen den Abszissen der oberen Punkte. Sie berechnet den mittleren
Punkt zwischen den beiden oberen Maxima und verbindet ihn mit dem
unteren Minimum; die Verbindung zwischen diesen beiden Punkten,
d. h. ihr Abstand voneinander, ist der Durchmesser der geprüften Windung.
Die Berechnung wird für
die nächsten
Windungen wiederholt und erfolgt umgekehrt: für jeden zweiten unteren Minimumpunkt
wird der obere Maximumpunkt innerhalb der ersten beiden gesucht.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
umfasst Folgendes:
- – Antriebsrollen zum Vorschieben
eines vorgewählten
Federstahldrahtes gegen – ein
Steigungswerkzeug, welches die Steigung der Feder bestimmt, und
gegen Mittel, die die gewünschte Verformung
des Federstahldrahtes bewirken,
- – ein
erster und ein zweiter Motor, die die Mittel antreiben, und
- – ein
dritter Motor, der das Steigungswerkzeug antreibt,
- – eine
Videokamera mit einem zweidimensionalen Sensor, welches den Federstahldraht
beobachtet;
- – die
Kombination eines Computers und einer elektronischen Steuerkarte,
die der Videokamera zugeordnet sind, wobei der Computer ferner eine Software
für Bildanalyse
aufweist, die in der Lage ist, alle Pixel des aufgenommenen Bildes
zu erfassen und mit einem geeigneten Algorithmus alle geometrischen
Formen der Feder zu messen und sie in Dimensionswerte umzuwandeln,
um diese mit den Nennwerten zu vergleichen und, in Kenntnis der
Abweichungen von den Nennwerten, einen oder mehrere der drei Motoren
zu aktivieren, um nach Bedarf eine Korrektur der charakteristischen
Abmessungen der Feder, nämlich
Durchmesser, Steigung und Länge
der Feder, durchzuführen;
- – wobei
die Videokamera derart positioniert ist, um die Bilder des Federstahldrahtes
in dem Bereich aufzunehmen, in dem die Formung der Feder beginnt,
und
- – wobei
die Korrektur der charakteristischen Abmessungen der Feder bereits
an der in Arbeit befindlichen Feder durchgeführt wird, wobei nach Bedarf
eine oder mehrere der charakteristischen Abmessungen der Feder korrigiert
werden,
- – eine
Infrarotlichtquelle zum Beleuchten des Bereiches, in dem die Bilder
der Feder von der Videokamera aufgenommen werden, wobei das Einschalten
der Infrarotlichtquelle direkt von einer im Computer enthaltenen
Software gesteuert wird, welcher einen Stromimpuls in einem Moment
aussendet, in dem ein Bild der Feder in dem Bereich aufgenommen
werden soll, und
- – eine
Anzahl von winkelversetzten Referenzmarken, die auf einem Rad vorgesehen
sind, das sich mit dem Vorschub des Federstahldrahtes dreht, um
entsprechend viele Bilder der Feder in dem Bereich, jeweils in einem
unterschiedlichen Zeitpunkt ihrer Fertigung, aufnehmen zu können, wobei
die von den Referenzmarken gelieferten Signale der elektronischen
Steuerkarte über
einen Sensor für
die Steuerung der Motoren zugeführt werden,
und wobei der Sensor einen in der Videokamera enthaltenen Auslöser aktiviert.
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Weiterhin
umfasst die Vorrichtung gemäß Ausgestaltungen
der Patentansprüche
2 bis 5 und 8 vorzugsweise Folgendes:
- – mindestens
eine Linse, die das Sichtfeld für
der Videokamera definieren kann; und
- – ein
Infrarotfilter zwischen der Linse und dem Bereich der Feder oder
zwischen der Linse
und einem CCD-Sensor oder dem CMOS-Sensor
der Videokamera (CCD = charge coupled device, CMOS = complementary
metal Oxide semiconductor);
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Die
Infrarotlichtquelle ist vorzugsweise ein Prisma aus einem transparenten
und reflektierenden Material, derart, dass das von einer oder mehreren LEDs,
die diesem zugeordnet sind, ausgesendete Licht von einer seiner
Seiten her eintritt, an einer seiner Innenwände abprallt und aus einer
anderen Wand austritt und dadurch direkt die gesamte Bearbeitungsoberfläche gleichmäßig beleuchtet.
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Es
wird daran erinnert, dass es bei einigen Vorrichtungen nach dem
Stand der Technik nicht notwendig ist, Auslösereferenzmarken vorzusehen,
da der richtige Moment für
die Bildaufnahme vom Computer der Maschine selbst gewählt wird.
Das erhaltene Bild, ähnlich
einem gerade ausgelösten
Foto, wird an den Computer geschickt, der die Pixel gemäß einem
Algorithmus verarbeitet, der einfach aus Algorithmen abgeleitet
ist, die von der Literatur des entsprechenden Technikgebietes geliefert
werden, und der das Pixelsignal in dimensionale Maße umwandelt.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
detailliert erläutert,
das in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt ist, von denen
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1 eine
Seitenansicht der Vorrichtung, und
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2 ein
Diagramm ist.
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1 zeigt
eine Maschine 15 für
die Fertigung von Federn mit einem optischen Gerät in Form einer Videokamera 1 mit
einer Fire Wire Schnittstelle und mit 320×240 Pixeln, einer Linse 2,
die je nach Abmessungen der zu fertigenden Feder 3 das
optimale Sichtfeld festlegt, und ein Infrarotfilter 6,
der zwischen der Linse 2 und dem CCD-Sensor 7 der
Videokamera angeordnet ist. Eine Infrarotlichtquelle 8 in
Form eines Plexiglasprismas mit zwei Infra rot-LEDs 9 wird
pulsartig von der Software gesteuert, die einen Stromimpuls aussendet,
der die Lichtquelle in dem Moment einschaltet, in dem der Draht 3 aufgenommen
werden soll (die verwendeten Lichtquellen nach dem Stand der Technik,
die aus einer weißen,
opaken, von Lampen hintergrundbeleuchteten Oberfläche bestehen,
haben den Nachteil, dass ihre Oberfläche leopardenfleckenartig,
d. h. mit ungleichmäßig hellen
Flecken ausgeleuchtet ist; mit der vorliegenden Lichtquelle hingegen
ist das Sichtfeld vollkommen gleichmäßig).
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Das
Problem, den Draht in den unterschiedlichen Momenten der Fertigung
aufzunehmen, wird über
die Vielzahl von Referenzmarken 10 gelöst, die auf einem Rad 11 vorgesehen
sind, das sich mit dem Vorschub des Drahtes 3 über den
mit Drahtvorschubrollen 13 verbundenen Riemen 12 dreht.
Das den Auslöser
der Kamera aktivierende Signal wird über den Näherungssensor 14 gesendet,
der die Referenzmarken 10 nacheinander wahrnimmt.
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Der
Auslöser
liefert das elektronische Eingangssignal an die Kamera, die den
Beginn der Belichtung der CCD-Sensor 7 steuert. Das erhaltene Bild
wird an den PC geschickt, der die Pixel in Windowsumgebung gemäß dem gewählten Algorithmus verarbeitet,
der das Pixelsignal in dimensionale Maße umwandelt. Eine elektronische
Steuerkarte (SCM) für
die Steuerung der Motoren ist in der Lage, die Aussortiermittel
auf der Grundlage der in der Software angegebenen Maße gemäß den drei
in der Software eingestellten Genauigkeitsgraden, gut, hoch, niedrig,
zu steuern.
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Der
PC und die elektronische Karte sind einander zugeordnet, um die
darstellten Aufgaben durchzuführen,
und sind untereinander und mit anderen Organen der Vorrichtung mittels
Leitungen verbunden, die in der Zeichnung der Einfachheit halber mit
W bezeichnet sind. Die Rollen 13 werden von einem nicht
dargestellten Motor bewegt, um den Draht 3 gegen die Köpfe der
beiden Stäbe
mit Drahtführungskopf 16 zu
schieben; der Draht 3 wird durch plastische Verformung
kreisförmig
um sich selbst gewickelt, auch unter Einwirkung des halbkreisförmigen Dorns 17,
der in seiner Position relativ zum in Bearbeitung befindlichen Draht 3 über den
zweiten Motor 18 eingestellt werden muss, dessen Gewindewelle 19 im
Eingriff mit einem Gewindestab 19a ist, der mit dem Dorn
selbst verbunden ist. Der Draht 3 muss stets den Dorn tangieren.
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Um
den Durchmesser der Feder zu ändern, muss
auf den ersten Motor 25 eingewirkt werden, der eine Schraube 26 betätigt, die
durch Vor- und Zurückstellen
eines Hebels 27 die Annäherung
oder Entfernung der Stäbe
mit dem Drahtführungskopf 16 relativ zu
dem in Bearbeitung befindlichen Draht 3 bewirkt, eine Bewegung
der Stäbe,
die der Verschiebung des halbkreisförmigen Dorns 17 in
einer der beiden vertikalen Richtungen zugeordnet sein muss, wie
oben erwähnt.
Die einwandfreie Bewegung des zweiten Motors 18 wird von
der Software je nach Bewegung des Motors 25 gesteuert.
Das Steigungswerkzeug 20 in Form einer entsprechend konischen
Klinge, das von der Schraube 21 und dem dritten Motor 22 bewegt
wird und keilförmig
ist, wird zwischen der ersten Windung und dem Draht eingekeilt;
je mehr es eingekeilt wird, desto mehr spreizt es den Draht, wodurch die
Steigung der Feder bestimmt wird. Wenn die Formgebung der Feder
abgeschlossen ist, schneidet die von der Nocke 24 bewegte
Schneidemaschine 23 den Draht 3 ab.
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Unter
der Voraussetzung, dass sich durch Veränderung der Drehbewegungen
der Motoren 25 (und damit folglich des Motors 18)
und des Motors 22 in festgelegten Kombinationen Federformen
erhalten lassen, die nicht notwendigerweise zylindrisch sind, sondern
konisch, bikonisch, evolutartig usw. sind, lässt sich mit der Vorrichtung
die Fertigung einer Feder intermittierend, zu vorgegebenen Zeitpunkten oder
ständig
steuern, um einzugreifen, indem die Geometrie verändert wird,
bevor die Feder fertig ist, damit die Toleranz wieder eingehalten
wird. Als Variante wird die Feder im wesentlichen in ihrer gesamten Länge aufgenommen,
kurz bevor sie geschnitten wird; unter Analyse der aufgenommenen
Bilder werden alle geometrischen Parameter gemessen, um ggf. im
richtigen Moment auf die Fertigung der nächsten Feder einzugreifen,
indem die Parameter entsprechend geändert werden, wobei auf die
Referenzmarken 10 Bezug genommen wird, damit die Vorrichtung
in der Lage ist, in vorbestimmter Reihenfolge auf die Motoren 25, 18 und 22 einzugreifen.
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Die
Vorrichtung kann eine Verbindung zu einem Steuerzentrum aufweisen,
das beispielsweise in einem Büro
der Produktionsabteilung eines Werkes untergebracht ist, so dass
die Fertigung nicht vom in dieser Abteilung beschäftigten
Personal, sondern in diesem Zentrum überwacht werden kann.
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2 ist
eine Darstellung in der kartesischen Ebene der Kamera des Umrisses
einer konischen Schraubenfeder mit der Achse A-A, wobei in der kartesischen
Ebene mit 0 deren Nullpunkt und mit X und Y die jeweiligen Achsen
bezeichnet sind. Ein Punkt P1 mit den Koordinaten X1 und Y1 und
P2 mit den Koordinaten X2 und Y2 sind die Maximumpunkte der beiden
ersten oberen Windungen, die vom Algorithmus der Software ermittelt
wurden, Punkt 3 mit den Koordinaten X3 und Y3 und P4 mit den Koordinaten X4
und Y4 sind die unteren; Pm1 mit den Koordinaten Xm1 und Ym1 stellt
den mittleren Punkt zwischen P1 und P2, Pm2 mit den Koordinaten
Xm2 und Ym2 den mittleren Punkt zwischen P3 und P4 dar, während XL
die maximale Länge
der Feder relativ zum Punkt 0 der X-Achse ist.
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In
der Figur ist die graphische Darstellung nur für zwei Windungen angegeben;
bei der Fertigung der Feder wird die Berechnung natürlich auf sämtliche
im kartesischen Feld der Kamera sichtbaren Windungen ausgeweitet.
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Die
endgültige
Formel, ausgehend von P3, lautet:
Xm1 = (X1 + X2)/2 ergibt
die x-Koordinate des mittleren Punkts zwischen P1 und P2,
Ym1
= (Y1 + Y2)/2 ergibt die y-Koordinate des mittleren Punkts zwischen
P1 und P2,
Dx = Xm1 – X3
ergibt das ΔX
zwischen dem errechneten mittleren Punkt Pm1 und P3,
Dy = Ym1 – Y3 ergibt
das ΔY zwischen
dem errechneten mittleren Punkt Pm2 und P3,
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Unter
Anwendung des Satzes von Pythagoras zwischen Pm1 und P3 wird der
Abstand zwischen diesen beiden Punkten ermittelt, der den Durchmesser
der Feder darstellt: Durchmesser 1 = √(Dx2 + Dy2)
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Die
endgültige
Formel für
die Anwendung, ausgehend von P2, lautet:
Xm2 = (X3 + X4)/2
ergibt die x-Koordinate des mittleren Punktes zwischen P3 und P4
Ym2
= (Y3 + Y3)/2 ergibt die y-Koordinate des mittleren Punktes zwischen
P3 und P4
Dx = Xm2 – X2
ergibt das ΔX
zwischen dem errechneten mittleren Punkt Pm2 und P2,
Dy = Ym2 – Y2 ergibt
das ΔY zwischen
dem errechneten mittleren Punkt Pm2 und P2.
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Unter
Anwendung des Satzes von Pythagoras zwischen Pm2 und P2 wird der
Abstand zwischen diesen beiden Punkten ermittelt, der den Durchmesser
der Feder darstellt: Durchmesser 2 = √(Dx2 + Dy2)