DE3934236A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der geometrie eines koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geometrie eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse für einen Bearbeitungsdurchlauf, wobei das Werkstück in der Schmiedepresse zur Bearbeitung verschoben und in vorbestimmter Weise um die Längsachse gedreht wird.

Aus der DE 37 23 825 A1 ist ein Verfahren zum Recken eines metallischen Werkstückes in einer Schmiedepresse bekannt, wobei das Werkstück vor der jeweiligen Reckung oder dem Biß zwischen dem Obersattel und dem Untersattel der Schmiedepresse in Werkstück-Streckrichtung unter Einbeziehung der während der Verformung gemessenen Längung des Werkstückes jeweils nur soweit versetzt wird, daß der Bißrand des jeweils vorhergehenden Bisses am Werkstück innerhalb der Sattelränder zu liegen kommt. Zur Messung der Längung des Werkstückes wird dabei als Vorrichtung ein Reckgradmesser verwendet, der über ein am freien Ende des Werkstückes lösbar angeordnetes Meßseil mit dem Werkstück verbunden ist. Das bekannte Verfahren mit der dazugehörigen Vorrichtung hat den Nachteil, daß lediglich die Längung eines Werkstückes während des Bearbeitungsvorganges über eine Prozeßsteuerung mit Prozeßrechner berücksichtigt werden kann, während die wichtige Querschnittsveränderung eines bearbeiteten Werkstückes bei der Prozeßsteuerung nicht einbezogen wird.

Weiterhin sind herkömmliche Meßverfahren bekannt, bei denen der Querschnitt eines Werkstückes am vermeintlichen Ende des Bearbeitungsprozesses mit einer Meßzange gemessen wird. Abgesehen von der Ungenauigkeit eines solchen Meßverfahrens, eignet sich dieses Meßverfahren nicht für eine Prozeßsteuerung eines Bearbeitungsvorganges und auch nicht für schwer zugängliche Werkstücke.

Darüber hinaus ist aus der DE 34 14 500 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung der Profile von ungleichmäßigen Objekten bekannt, wobei das Profil des Materials durch eine optische Meßstrecke hindurchgeführt wird, die um das den Lichtstrahl der Meßstrecke zumindest teilweise unterbrechende Material rotiert. Durch Bestimmung des unterbrochenen Lichtstrahls wird mit Hilfe von geeigneten Mitteln die Profilform ermittelt. Dadurch ist zwar eine Kontrolle der Profilform sowie die Einhaltung geforderter Spezifikationen möglich, aber ein automatischer Bearbeitungsablauf ist damit nicht steuerbar.

Weiter ist aus der DE 32 19 389 A1 ein optisch-elektrisches Meßverfahren zur Erfassung von unrunden Querschnitten strangartiger Gegenstände und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt, wobei ein Lichtstrahl, der eine Parallel- Verschiebungsbewegung innerhalb eines Meßfeldes erfährt, von einem im Meßfeld befindlichen Gegenstand dabei für eine bestimmte, von der Größe des Querschnitts in der Abtastrichtung abhängige, meßbare Zeit abgeschattet wird. Bei unveränderlicher Orientierung des Querschnitts des zu untersuchenden Gegenstandes bezogen auf die Umgebung erfolgt die Abtastung in mehreren unterschiedlichen Richtungen entweder durch Verschwenken des gesamten Meßsystems um eine zur Längsachse des Gegenstandes parallele Achse oder durch Einsammeln von Meßwerten vermittels mehrerer unterschiedlich ausgerichteter Meßsysteme, die dann stillstehend ausgebildet sind. Das bekannte Meßverfahren erfaßt zwar unrunde Querschnitte, aber für die Berücksichtigung bei der Steuerung eines Bearbeitungsablaufs ist es nicht geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geometrie eines Werkstücks in einer Schmiedepresse zu schaffen, wodurch in einfacher Weise der Querschnitt des Werkstücks erfaßt und bei der vollautomatischen Prozeßsteuerung eines Bearbeitungsvorganges berücksichtigt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise die Oberfläche in Ebenen senkrecht zur Verschieberichtung des Körpers fortlaufen über den Umfang abgetastet wird, daß die abgetasteten Daten einem vorbereiteten programmierten Rechner übermittelt werden, daß die übermittelten Daten im Rechner mit Hilfe eines auf der Volumenkonstanzbedingung beruhenden Programms so umgesetzt werden, daß die aktuelle Geometrie des Werkstücks erfaßt wird.

In Fortführung der Erfindung wird nach einem weiteren Merkmal der Erfin­ dung die jeweils erfaßte aktuelle Geometrie des Werkstücks im Rechner so verarbeitet, daß ein folgender Umformschritt mit vorbestimmten programmierten Schmiedeparametern eingeleitet wird. Bei diesem Verfahren ist besonders vorteilhaft, daß die aktuelle Geometrie des Werkstücks laufend erfaßt wird, so daß diese Stellgröße bei der automatischen Prozeßsteuerung eines Bearbeitungsvorganges stetig einbezogen werden kann. Dadurch läßt sich der vollautomatische Bearbeitungsprozeß eines Werkstückes so optimal steuern, daß die bearbeiteten Werkstücke am Ende des Bearbeitungsprozesses höchsten Qualitätsanforderungen hinsichtlich Bearbeitung und Maßgenauigkeit genügen.

Für die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Nähe des Bearbeitungsbereiches des Werkstücks ein Träger angeordnet ist, daß der Träger um das Werkstück mit einer definierten Geschwindigkeit rotierend angebracht ist und daß an der Innenfläche des Trägers verteilt an zwei oder mehreren Stellen jeweils benachbart angeordnete Strahl-Sender und Strahl-Empfänger installiert sind. Die kontinuierliche Messung erfolgt dabei besonders betriebssicher und störunanfällig mittels als Laservorrichtungen ausgebildeter Strahl-Sender und Strahl-Empfänger, die an der Innenfläche des Trägers angebracht sind, der vorteilhafterweise als Ring ausgebildet und verfahrbar oder schwenkbar an einem Aufnehmer angeordnet ist. Darüber hinaus ist der Ring mit einer Kühleinrichtung für Strahl-Sender und Strahl-Empfänger ausgerüstet. Durch das berührungslose Meßsystem wird erreicht, daß besonders betriebssicher und völlig verschleißfrei gearbeitet werden kann, wobei mit äußerst geringen Meßzeiten höchste Meßgenauigkeiten erzielt werden.

Die Zeichnungen von Ausführungsbeispielen und ein Flußdiagramm dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen die

Fig. 1 und 2 Ausführungsbeispiele von Meßvorrichtungen und die

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Meßvorrichtung in Zuordnung zu einer Schmiedepresse, und ergänzend hierzu die

Fig. 4 einen Ausschnitt einer Seitenansicht in größerem Maßstab teils im Schnitt.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm.

Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein als Ring 13 ausgebildeter Träger um ein Werkstück 10 angeordnet. Dabei ist es nicht erforderlich, daß das Werkstück 10 mittig angeordnet ist, sondern es kann vielmehr auch eine exzentrische Lage einnehmen. An zwei oder (wie in der Fig. 1 punktiert dargestellt ist) mehreren gleichmäßig verteilt liegenden Stellen an der Innenfläche 14 des Ringes 13 sind jeweils benachbart angeordnete Strahl-Sender 11 und Strahl-Empfänger 12 installiert. Dabei sind die Strahl-Sender 11 und Strahl-Empfänger 12 vorteilhafterweise als Laservorrichtungen ausgebildet. Die Laservorrichtungen bestehen im wesentlichen aus einer Laserkanone, die den Laserstrahl emittiert, der an der Auftreffstelle der Oberfläche des Körpers 10 gebrochen und auf den Laser-Empfänger zurückgeworfen wird.

Der Ring 13 ist um das Werkstück 10 mit einer definierten Geschwindigkeit in Pfeilrichtung rotierend angebracht. Dazu ist der Ring 13 an einem Aufnehmer 15 angeordnet, der verfahrbar oder schwenkbar an einem Tragbalken 16 einer ansonsten nicht dargestellten Einrichtung befestigt ist.

Da die Meßvorrichtung in einer Umgebung mit hohen Temperaturen und hoher Wärmestrahlung durch das glühende Schmiedestück arbeitet, ist es vorteilhaft den Ring 13 mit einer Kühlvorrichtung auszurüsten, durch die der Ring 13 selbst und die Strahl-Sender 11 und die Strahl-Empfänger 12 gekühlt sind. Dabei kann die Kühleinrichtung mit einem Kühlmedium beaufschlagt sein, das vorzugsweise aus Druckluft oder Wasser besteht.

Die an sich vorteilhafte Verwendung eines einfachen geschlossenen Ringes als Träger von Strahl-Sendern und Strahl-Empfängern, wie dies im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit dem Ring 13 vorgesehen ist, ist mit dem Nachteil behaftet, daß die Meßvorrichtung nicht ohne weiteres entfernt werden kann, somit längere Zeit oder ständig der Wärmestrahlung ausgesetzt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist daher ein Aufnehmer 25 vorgesehen, der aus einem an einem Tragbalken 26 befestigten Basisteil 25 B und einem schwenkbar an diesem befestigten Deckelteil 25 D besteht. Verbunden sind das Basisteil 25 B und das Deckelteil 25 D über einen Bolzen 27, um den das Deckelteil 25 D mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit 28 geschwenkt werden kann. In dem Aufnehmer 25 sind Schlitten 23 als Träger von Strahl-Sendern 21 und Strahl-Empfängern 22 angeordnet, die in Führungen 29 translatorisch zu den vier Rahmenteilen hin- und hergehend beweglich sind. Bei geöffnetem Deckelteil 25 D kann die gesamte Meßvorrichtung aus dem Bereich belastender Wärmestrahlung ausgebracht werden, obgleich sich das Werkstück 20 noch in Schmiedeposition befindet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer aus dem Bereich belastender Wärmestrahlung ausbringbaren Meßvorrichtung zeigen die Fig. 3 und 4, die zugleich die Zuordnung der Meßvorrichtung zu einer Schmiedepresse zeigen. Als Träger von zwei Strahl-Sendern 31 und zwei Strahl- Empfängern 32 ist hier ein Ringsektor 33 vorgesehen, der das Werkstück 30 nicht voll sondern nur zu etwa 240° bis 270° umschließt. Dieser Ringsektor 33 ist in einem Aufnehmer 35 drehbar gelagert, der das Werkstück 30 ebenso wie der Ringsektor 33 nicht voll umschließt. Der Ringsektor 33 ist mit einem aus seiner Lagerung im Aufnehmer 35 vorstehenden Kranz 33 K versehen, der eine Außenverzahnung aufweist, in die ein Zahnrad 37 eingreift. Getragen ist der Aufnehmer 35 von einem Gestänge 36, welches über eine Kopfplatte 38 mit dem Aufnehmer 35 verbunden ist. An der Kopfplatte 38 befestigt ist ein Getriebemotor 39, dessen Abtriebswelle das Zahnrad 37 trägt, so daß über den Getriebemotor 39, das Zahnrad 37 und den Zahnkranz 33 K der Ringsektor 33 im Aufnehmer 35 gedreht werden kann. Die zu einem Meßvorgang erforderliche Drehung erfolgt insbesondere aus der in Fig. 3 dargestellten Ausgangsstellung heraus um jeweils 90° in beiden entgegengesetzten Richtungen, so daß das Werkstück 30 bei einem Meßvorgang auf seinem gesamten Umfang abgetastet wird. Das den Aufnehmer 35 mit dem Ringsektor 33, den Strahl-Sendern 31 und den Strahl-Empfängern 32 tragende Gestänge 36 ist in Führungsstücken 40 drehfest aber längsverschiebbar geführt. Die Führungsstücke 40 sind Bestandteil einer Tragplatte 41, die auch eine Kolben-Zylinder-Einheit 42 trägt, deren Kolbenstange 43 mit dem Gestänge 36 verbunden ist. Mit der Tragplatte 41 ist die Meßvorrichtung am oberen festen Joch 44 einer Schmiedepresse befestigt. Die Schmiedepresse im Ausführungsbeispiel ist eine Laufzylinderpresse, d. h. eine Presse, die in ihrem oberen Joch 44 einen Laufzylinder 45 führt, dessen Kolben 46 sich an einem Brückenstück 47 abstützt und der ein oberes Werkzeug 48 trägt, das mit einem unteren Werkzeug 49 zusammenwirkt. Das untere Werkzeug 49 ist auf einem unteren Joch 50 befestigt, welches über Säulen 51 mit dem oberen Joch 43 den Pressenrahmen bildet.

Es empfiehlt sich, an beiden Seiten der Schmiedepresse je eine Meßvorrichtung anzubringen, so daß der einlaufende Querschnitt A _M und der auslaufende Querschnitt A _{M + 1} gemessen werden kann. Von besonderer Bedeutung ist die Anordnung von zwei Meßvorrichtungen zu beiden Seiten der Presse, wenn diese mit zwei Manipulatoren zusammen­ arbeitet und das Werkstück in beiden Durchlaufrichtungen bearbeitet, wobei dann die Meßvorrichtungen entsprechend der Durchlaufrichtung abwechselnd den einlaufenden Querschnitt A _M und den auslaufenden Querschnitt A _{M + 1} messen.

Aus der zeitlichen Folge des Aussendens und Empfangens der Laserstrahlen in Verbindung mit der Erfassung der jeweiligen Dreh- oder Verschiebe­ stellung der Sender und Empfänger wird die Kontur und aus dieser durch Planimetrierung die Größe (Flächeninhalt) des vermessenen Querschnitts in einer ersten Rechenstufe ermittelt. Das Ergebnis einer hinter der Presse an dem soeben verformten Werkstück vorgenommenen Messung wird in einer zweiten Rechenstufe in Beziehung zu einer Messung gesetzt, die vor dem Verformungsschritt durchgeführt wurde und unmittelbar aus einem Meßergebnis abgeleitet oder aus einem Speicher vorausgegangener Meßergebnisse entnommen wird. In Verbindung mit der Ausgangslänge, die sich aus der ersten auf das Schmiedewerkzeug aufgelegten Länge (L _x ) und der Summe der Manipulatorvorschübe (S _{m 1} bis S _mn ) des Schmiedevorgangs ergibt und in einem die Prozeßdaten verarbeitenden Rechner ermittelt wird, wird aus dem Verhältnis der Querschnitte die neue aktuelle Länge des Werkstücks in einem auf der Volumenkonstanzbedingung basierenden Programm berechnet. In den Abständen der Querschnittsmessungen werden deren aktuelle Ergebnisse (Querschnittsgröße, Hauptabmessungen, d. h. Höhe, Breite bzw. Durchmesser) den Abschnitten der aktuellen Länge zugeordnet und belegen so die aktuelle Geometrie des Werkstücks, die in einen Datenspeicher aufgenommen und/oder auf einem Bildschirm oder ausgedruckt dokumentiert werden können.

Die Dokumentation der aktuellen Geometrie des Werkstücks ist außer zur Ergebnisüberprüfung geeignet, Basiswerte für nachfolgende Schmiedevor­ gänge zu liefern, die eingegeben in Rechner der automatischen Prozeßsteuerung dienen können.

Das Flußdiagramm nach Fig. 5 erläutert den automatisch gesteuerten Prozeßablauf, ausgehend von einem ersten Durchgang des Werkstücks mit dem Stich-Nr. M = 1. Auf der Basis des Ausgangsquerschnitts A _(M) , der für den ersten Stich eingegeben oder durch eine vorlaufende Querschnitts­ messung ermittelt wird, erfolgt die Berechnung des Stichplans in einem für Stichplanoptimierung programmierten Rechner. Durch das Stichplan­ optimierungsprogramm werden insbesondere die Eindringtiefe des Werkzeugs in das Werkstück, die Größe des Manipulatorschritts und die Manipulatorposition so festgelegt, daß innerhalb mehrerer aufeinander­ folgender Schmiededurchgänge eine möglichst gleichmäßige Durchschmiedung des Werkstücks erreicht wird, wie dies aus der erwähnten DE 37 23 825 A1 (Fig. 6) bekannt ist. Die im Stichplan vorgegebenen Daten werden zu dessen Durchführung an die Pressen- und Manipulatorsteuerung übermittelt. Mittels eines Datenerfassungsrechners wird aus den Istwerten der Manipulatorschritte S _{m 1} bis S _mn zusammen mit dem Wert l _x der Istwert der verformten Ausgangslänge L ₁ und weiter aus der Querschnittserfassung der Mittelwert der Querschnitte A ₂ nach der Verformung im ersten Durchgang bestimmt. Aus dem Verhältnis des Querschnitts A ₁ zum Mittelwert der Querschnitte A ₂ wird auf der Volumenkonstanzbedingung aus der Ausgangslänge L ₁ die Länge L ₂ nach dem ersten Durchgang errechnet.

Zusammen mit den Querschnittsbestimmungen A ₂ ergibt sich die aktuelle Geometrie des Werkstücks nach dem ersten Durchgang. Diese die Geometrie kennzeichnenden Daten werden als Basisdaten für den nächstfolgenden Durchgang (Stich-Nr. (M + 1)) verwendet und können im übrigen über Bildschirm ausgewiesen oder über Drucker dokumentiert werden, wobei die Querschnitte A als Einzelwerte und/oder als Mittelwerte angegeben werden können. Da bei jedem Durchlauf von der aktuellen Geometrie ausgegangen wird, ist eine Fehlersummierung aus mehreren Durchläufen ausgeschlossen, mit dem Ergebnis hoher Güte und Maßgenauigkeit. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, Abweichungen der Ist-Werte von den der Stichplanberechnung zugrundegelegten Soll-Werten zur Programm­ korrektur zu benutzen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Bestimmen der Geometrie eines metallischen Werkstückes (10, 20, 30), in einer Schmiedepresse für einen Bearbeitungsdurchlauf, wobei das Werkstück (10, 20, 30) in der Schmiedepresse zur Bearbeitung verschoben und in vorbestimmter Weise um die Längsachse gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Oberfläche in Ebenen senkrecht zur Verschieberichtung des Werkstücks (10, 20, 30) fortlaufend über den Umfang abgetastet wird, daß die abgetasteten Daten einem vorbereiteten programmierten Rechner übermittelt werden, daß die übermittelten Daten im Rechner mit Hilfe eines auf der Volumen­ konstanzbedingung beruhenden Programms so umgesetzt werden, daß die aktuelle Geometrie des Werkstücks (10, 20, 30) erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige erfaßte aktuelle Geometrie in einem Rechner so verarbeitet wird, daß ein folgender Umformschritt mit vorbestimmten programmierten Schmiedeparametern eingeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (10, 20, 30) in zeitlich gleichen Abständen von zwei oder mehr um das Werkstück gleichmäßig verteilten Laserstrahlen aus als Strahlvorrichtungen (11, 21, 31) ausgebildeten Laserkanonen abgetastet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus der zeitlichen Folge des Aussendens und Empfangens der Laserstrahlen die Geometrie des Werkstücks (10, 20, 30) über die Kontur seiner Oberfläche erfaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Oberfläche des Werkstücks (10, 20, 30) in einer zentrischen oder exzentrischen Lage abgetastet und die Geometrie des Werkstücks (10, 20, 30) erfaßt wird.

6. Vorrichtung zum Bestimmen der Geometrie eines Werkstücks in einer Schmiedepresse für einen Bearbeitungsdurchlauf, wobei das Werkstück in der Schmiedepresse zur Bearbeitung verschoben und in vorbestimmter Weise um die Längsachse gedreht wird, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Bearbeitungsbereiches des Werkstücks (10, 30) ein Träger angeordnet ist, daß der Träger um das Werkstück (10, 30) mit einer definierten Geschwindigkeit rotierend angebracht ist und daß an der Innenfläche (14) des Trägers an zwei oder mehreren gleichmäßig um das Werkstück verteilten Stellen jeweils benachbart angeordnete Strahl-Sender (11, 31) und Strahl-Empfänger (12, 32) installiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als Ring (13) ausgebildet ist, daß der Ring (13) verfahrbar oder schwenkbar an einem Aufnehmer (15) angeordnet ist und daß Strahl-Sender (11) und Strahl-Empfänger (12) als Laser­ vorrichtungen ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahl-Sender (21) und die Strahl-Empfänger (22) von Schlitten (23) getragen werden, die translatorisch tangential zu einem Umkreis des Werkstücks (20) in Führungen (29) eines zweiteiligen Rahmens (25) bewegbar sind, die Teile (25 B, 25 D) des Rahmens (25) durch ein Scharnier (Bolzen 27) verbunden und der Rahmen durch ein Stellmittel (Kolben-Zylinder-Einheit 28) zu öffnen und zu schließen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger als Ringsektor (33) ausgebildet ist, der wie der ihn tragende Aufnehmer (35) nach unten geöffnet das Werkstück (30) nur zu 240° bis 270° umschließt und daß der Aufnehmer (35) mit dem Ringsektor (33) in einer Führung (Führungsstücke 40) senkrecht beweglich (Kolben-Zylinder-Einheit 42) und aus dem Bereich des Werkstücks (30) anhebbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung (Führungsstücke 40) am Festteil (oberes Joch 44) der Presse befestigt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Kühleinrichtungen zur Kühlung der Strahl-Sender (11, 21, 31) der Strahl-Empfänger (12, 22, 32) und der diese tragenden Bauteile (Ring 13, Schlitten 23, Ringsektor 33, Aufnehmer 15, Rahmen 25, Aufnehmer 35) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung mit Druckluft oder Wasser beaufschlagt ist.