WO2001042707A2 - Verfahren und vorrichtung zur formoptimierenden bearbeitung einer gasflasche - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur formoptimierenden bearbeitung einer gasflasche Download PDF

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WO2001042707A2
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shape
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measuring
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Martin Kesten
Manfred Benz
Christian Gloeckner
Rainer Von Dem Esche
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Messer Griesheim Gmbh
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    • G05B2219/37269Ultrasonic, ultrasound, sonar

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for shape-optimizing processing of a gas bottle
  • TRG compressed gases
  • pressurized gas containers are pressurized gas cylinders made of steel and aluminum for compressed, liquefied or dissolved gases with a maximum full pressure of up to 200 bar. Users are increasingly demanding pressurized gas containers with a maximum full pressure of up to 300 bar. These 300 bar pressurized gas containers are also made of steel or aluminum In special applications, corrosion-resistant stainless steel is also used
  • Composite gas cylinders consist of a seamless metal liner, which over a substantial part of its length is wrapped with composite fibers made of glass, carbon, aramid or wire is aramid and carbon fibers are lighter than glass fibers, with the same or higher strength properties and good impact strength
  • BESTATIGUNGSKOPIE DE-A 197 21 128 provides for the 200 bar compressed gas cylinders in circulation to be used for the production of 300 bar composite cylinders.
  • the time-consuming production of new liners for the 300 bar composite cylinders can be avoided, and instead of having to dispose of the 200 bar compressed gas cylinders in circulation, they are sent for sensible recycling.
  • Post-processing that optimizes the shape is particularly suitable for gas bottles with walls that must have a constant or varying minimum wall thickness over the course of the gas bottle.
  • a certain safety margin must be specified when manufacturing the walls. This in turn has the consequence that the gas cylinders made from the pipes can have a weight after completion that that of a gas bottle with a consistently optimal wall thickness, namely the minimum wall thickness, significantly exceeds.
  • Post-processing is generally not carried out, since this has to be individually adapted for each gas bottle and the effort involved is considered to be economically unsustainable.
  • the known devices for mechanical, shape-optimizing processing of workpieces include a processing unit for shape-changing, z. B. machining, machining. These include lathes in which a gas bottle can be clamped and processed using a tool controlled by a numerical control.
  • the aforementioned object is achieved by a method for the shape-optimizing processing of gas bottles, which have at least in a partial area two mutually opposite interfaces, the distance between the interfaces, seen perpendicular to the first interface, at least in places exceeding a predetermined minimum distance and the second interface of a shape-changing processing is accessible, solved, in which the coordinates of a plurality of measurement points belonging to the first interface are measured, a plurality of base points determining a desired course of the second interface is determined, the location vector of each base point being determined by the vector sum of the location vectors of one of the measurement points and an as The amount of the vector having at least the minimum distance, oriented perpendicular to the first interface and pointing in the direction of the second interface, is given by the shape of the second interface work is brought to its target course.
  • the first and second interfaces can be the inner and the outer surface of a wall of a gas bottle that is accessible for processing. which must have a minimum wall thickness.
  • a gas bottle is, for example, tubular in its cylindrical part, the wall thickness of which should be constant and as close as possible to the minimum wall thickness.
  • the course of the outer interface is shaped as parallel as possible to that of the inner interface.
  • the result of such post-processing will usually be a non-circular tube in its cylindrical part, which, however, has a largely constant and optimal wall thickness. Then neither the inner nor the outer interface of the tube wall are smoothly cylindrical.
  • the first interface does not have to have a free surface, but can e.g. B. also the ascertainable with the measuring unit used interface between two massive parts of a gas bottle.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that a program for the numerical control of a machine for shape-changing machining of the second interface is generated directly from the multiplicity of base points.
  • the base points should be set as close as possible.
  • a numerical control is then carried out, e.g. B. has a spline or nurs approximation, able to control a tool for shape-changing machining of the second interface with sufficient accuracy. If the density is sufficiently high, the minimum wall thickness to be observed can be selected as the distance between the measuring point and the associated base point, or with a small safety margin of, for example, 1%.
  • the required high measuring point density especially in the case of large gas cylinders, can lead to long measuring times which are economically problematic.
  • boundary conditions can be abandoned, e.g. B. that the distance of the target surface to each of the measuring points corresponds at least to the minimum wall thickness.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that in one area of the gas bottle to be processed the second interface is machined while the coordinates of the measuring points are measured in another area.
  • a measuring unit is provided for measuring interfaces of the gas bottle to be processed.
  • the measuring unit can also be used to determine the geometric properties of the gas bottle that are only used to determine the optimal shape of an interface to be processed.
  • An example here is the determination of the course of the inner surfaces of walls of a gas bottle, the outer interface of which has to be reworked in order to produce an optimal wall thickness course. A procedure suitable for this is set out above with reference to the method according to the invention.
  • the device according to the invention can also be designed such that the processing unit is provided for machining. Furthermore, the device according to the invention can be designed such that the measuring unit comprises an ultrasonic sensor. An ultrasonic sensor is particularly suitable, with a measurement of the course of successive interfaces, e.g. B. to determine the outer and inner boundary surface of a wall.
  • the device according to the invention can be designed such that a control unit for numerically controlling the processing unit is provided.
  • the device according to the invention can also be designed such that the control unit and the measuring unit are linked to one another in terms of data processing technology in such a way that data obtained from the measuring unit can be used immediately or after it has been processed for the automatic generation of a control program for numerical control of the processing unit.
  • the data processing technology link between the measuring unit and the control unit enables fully automatic post-processing.
  • the device according to the invention can also be designed such that the processing unit and measuring unit can be used simultaneously. In this case, the processing unit would follow the measuring unit. As a result, a considerable amount of time can be saved.
  • FIG. 1 a lathe with measuring unit, processing unit and control unit,
  • FIG. 2a a compressed gas cylinder to be optimized in its shape in the lateral cross section
  • FIG. 2b the compressed gas bottle according to FIG. 2a in axial cross section
  • FIG. 3 a section of a target surface interpolated on the basis of base points of the interface to be machined
  • Figure 4 the target area according to Figure 3 with a processing path for a
  • FIG. 1 schematically shows a lathe in which a gas bottle 1 to be optimized in shape is clamped.
  • the gas bottle 1 can be rotated in a controlled manner about its longitudinal axis via a motor, which is not shown separately here.
  • a running rail 2 and a drive shaft 3 are mounted parallel to the longitudinal axis of the gas bottle 1, via which the travel unit 4 of an ultrasonic sensor 5 known per se and the travel unit 6 of a cutting tool 7 can be moved along the high-pressure pipe 1.
  • the tool 7 can also be moved relative to the displacement unit 6 by means not shown here.
  • the motor for rotating the gas bottle 1 as well as the travel units 4 and 6 and the axial position of the tool 7 relative to the longitudinal axis of the gas bottle 1 can be controlled with a control unit 8.
  • Ultrasonic sensor 5 and the travel unit 6 of the tool 7 can form a unit or can be attached so as to be movable separately from one another. In the latter case, two drive shafts 3 must be provided.
  • FIG 2a shows an example of the shape of the gas bottle 1 to be optimized in the lateral cross section, Figure 2b in the axial cross section.
  • the tube wall 9 is considered uneven both in the longitudinal direction and in the circumferential direction due to manufacturing tolerances. However, it never falls below the minimum wall thickness provided for the use of gas bottle 1. However, the minimum wall thickness is significantly exceeded in many areas of gas bottle 1, which is disadvantageous for the Total weight of gas bottle 1 affects.
  • a shape-optimized subsequent processing of the gas bottle 1 is intended to achieve the most uniform possible thickness of the tube wall 9 along the entire gas bottle 1, which essentially corresponds to the minimum wall thickness without falling below this.
  • the gas bottle 1 clamped in the lathe is first measured with the ultrasonic sensor 5.
  • the ultrasonic sensor 5 With the ultrasonic sensor 5, the coordinates of its outer surface 10 and its inner surface 11 can be determined at any point on the tube wall 8.
  • a fine water jet 13 is directed onto the tube wall 8 of the gas bottle 1 via a nozzle 12 and an ultrasound is emitted onto the tube wall 8 via the water jet 13 via a sound generator (not shown separately here).
  • the ultrasonic waves are reflected both on the outer surface 10 and on the inner surface 11 and then registered in the ultrasonic sensor 4.
  • Both the distance of the outer surface 10 and the distance of the inner surface 11 from a specific reference point of the ultrasonic sensor 5 can be determined from the transit times. However, only the course of the inner surface 11 is decisive for the method concerned here.
  • the measuring points can be distributed helically on the inner surface 11.
  • the gas bottle 1 is rotated by a certain angle about its longitudinal axis after each measurement and at the same time the travel unit 4 of the ultrasonic sensor 5 is advanced by a certain distance.
  • the coordinates of the measuring points on the inner surface 11 are now used to determine base points which are decisive for the desired course of the outer surface 10.
  • the location vectors of the base points result from adding to the location vector of each measurement point a vector oriented at the associated measurement point perpendicular to the inner surface 11 and pointing to the outer surface 10, the amount of which corresponds at least to the minimum wall thickness.
  • a security surcharge of e.g. B. 1% to 5% minimum wall thickness can be provided. It is now possible to enter the base points directly into a program for numerically controlling the tool 7 for machining the outer surface 10, if the density of the measurement points and thus that of the base points has been chosen sufficiently for this and the control 8 z. B. has a spline approximation.
  • the base points on the outer surface 10 likewise essentially form a spiral.
  • the helix of the base points corresponds to the machining path of the tool 7.
  • the machining path typically has a machining feed of 0.2 mm per revolution of the gas bottle 1.
  • approximately 360 base points distributed over the circumference would be necessary.
  • 1,800,000 measuring points would result. Since the realizable measurement speed is limited, particularly in the case of ultrasound measurement, such a procedure is often not economically justifiable in the case of workpieces of this size. This procedure will therefore preferably be carried out for smaller workpieces.
  • the base points can no longer be used directly to generate a program for numerically controlling the machining. Instead, the base points are used to generate a mathematical surface which approximates the ideal course of the outer surface 10 with sufficient accuracy.
  • the base points are marked with Vy.
  • a target surface 14 determined mathematically by approximation which is shown in detail in FIG. 3 with solid lines, then reproduces the target profile of the outer surface 10.
  • FIG. 4 shows an example of a machining path 15 that is on the Target surface 14 is located and can be in spline or polynomial format. When viewed across the entire gas bottle 1, the path is essentially helical.
  • the deviations of the desired surface 14 from a round shape shown in FIGS. 3 and 4 serve to illustrate that the inner surface 11 can also deviate considerably from a cylindrical shape. After processing, the inner surface 11 and
  • Outer surface 10 is out of round and ideally parallel to one another with respect to the central axis of the gas bottle 1.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur formoptimierenden Bearbeitung von Gasflaschen (1) vorgestellt. Die Vorrichtung verfügt neben einer Bearbeitungseinheit (7) zur z.B. spanenden Bearbeitung der Gasflasche (1) über eine Messeinheit (5), mit der die geometrische Form der Gasflasche (1) vermessen werden kann. Die Vermessung kann z.B. dazu dienen, festzustellen, in welchen Bereichen der Gasflasche (1) noch eine Nachbearbeitung stattfinden muss. Die Vorrichtung kann auch für das erfindungsgemäße Verfahren zur formoptimierenden Bearbeitung von Gasflaschen (1) dienen, welche zumindest in einem Teilbereich zwei einander gegenüberliegende Grenzflächen (10, 11) aufweisen, wobei deren Abstand zueinander, senkrecht zur ersten Grenzfläche (11) gesehen, zumindest stellenweise einen vorgegebenen Mindestabstand überschreitet und die zweite Grenzfläche (10) einer formverändernden Bearbeitung zugänglich ist. Bei diesem Verfahren werden die Koordinaten einer Vielzahl von zur ersten Grenzfläche (11) gehörenden Messpunkten festgestellt, eine den Sollverlauf der zweiten Grenzfläche (10) bestimmende Vielzahl von Basispunkten aus den Koordinaten der Messpunkte und dem gegebenen Mindestabstand ermittelt und anschließend die zweite Grenzfläche (10) durch formverändernde Bearbeitung auf ihren Sollverlauf gebracht. Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft für die Nachbearbeitung von Druckgasflaschen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur formoptimierenden Bearbeitung einer Gasflasche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur formoptimierenden Bearbeitung einer Gasflasche
In derartigen Gasflaschen werden Gase und Gasgemische gelagert und transportiert Nach der Druckbehalterverordnung sind dies Behalter, in denen bei 15°C ein höherer Überdruck als 1 bar entstehen kann Über den Stand der Sicherheitstechnik hinsichtlich Werkstoff, Herstellung, Berechnung, Ausrüstung, Kennzeichnung,
Prüfung und Betrieb der Druckgasbehalter sowie Errichtung, Prüfung und Betrieb der Fullanlagen geben die technischen Regeln Druckgase (TRG) Auskunft Die TRG unterscheiden Gase und Gasgemische nach ihrem chemischen und physikalischen Verhalten und legen die zu verwendenden Druckgasbehalter einschließlich ihrer Ausrustungsteile, deren Pruffπsten, die Fullfaktoreπ und Fulldrucke fest
Die gebräuchlichsten Druckgasbehalter sind Druckgasflaschen aus Stahl und Aluminium für verdichtete, verflüssigte oder geloste Gase mit einem maximalen Fulldruck bis 200 bar Zunehmend werden von den Anwendern Druckgasbehalter mit einem maximalen Fulldruck bis 300 bar verlangt Diese 300 bar-Druckgasbehalter werden ebenfalls aus Stahl oder Aluminium gefertigt Für besondere Anwendungsfalle kommt auch korrosionsbeständiger Edelstahl zum Einsatz
Um das Gewicht derartiger 300 bar-Druckgasflaschen zu verringern, werden in neuerer Zeit Verbundgasflaschen (Kompositflaschen) von den Gaseherstellerπ eingesetzt Verbundgasflaschen bestehen aus einem nahtlosen Metall-Liner, welcher über einen wesentlichen Teil seiner Lange mit Verbundfasern aus Glas, Kohlenstoff, Aramid oder Draht umwickelt ist Aramid- und Kohle-Fasern sind leichter als Fasern aus Glas, mit gleichen oder höheren Festigkeitseigenschaften und guter Schlagzähigkeit
BESTATIGUNGSKOPIE In der DE-A 197 21 128 ist vorgesehen, die im Umlauf befindlichen 200 bar- Druckgasflaschen für die Herstellung von 300 bar-Kompositflaschen einzusetzen. Dadurch kann die aufwendige Neuanfertigung von Linern für die 300 bar- Kompositflaschen vermieden werden, und anstatt die im Umlauf befindlichen 200 bar-Druckgasflaschen entsorgen zu müssen, werden diese einer sinnvollen Weiterverwertung zugeführt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß in der Europäischen Union derzeit etwa 30 Millionen 200 bar-Druckgasflaschen im Umlauf sind, von denen ein großer Teil für eine Wiederverwertung in Form eines Liners einer 300 bar- Druckgasflasche geeignet ist.
Um aus einer Druckgasflasche einen Liner mit vorgegebener Endform herzustellen, kann eine mechanische Nachbearbeitung der Druckgasflaschen sinnvoll oder erforderlich sein, selbst wenn die Druckgasflasche in Teilbereichen bereits die gewünschte Endform aufweist. Nachzuarbeitende Gasflaschen können jedoch aufgrund von Fertigungstoleranzen nicht unerhebliche Unterschiede zueinander aufweisen, obwohl die Endform dieselbe sein soll. Ohne eine auf die jeweilige Gasflasche abgestimmte individuelle Steuerung der Bearbeitungseinheit würde das Werkzeug möglicherweise auch Bereiche der Gasflasche abfahren, die bereits die gewünschte Form aufweisen. Dies bedeutet einen unproduktiven Zeitaufwand, der insbesondere bei großen Gasflaschen erheblich sein kann.
Eine formoptimierende Nachbearbeitung kommt insbesondere bei Gasflaschen mit Wänden in Betracht, die eine konstante oder über den Verlauf der Gasflasche variierende Mindestwandstärke aufweisen müssen. Je nach Produktionsverfahren ist es oftmals nicht möglich, die Wände genau mit Mindestwandstärke herzustellen. So gelingt es z. B. bei langen Rohrleitungen, die eine konstante Wandstärke aufweisen müssen, in der Regel nicht, die innere und äußere Grenzfläche des Rohre absolut parallel zueinander herzustellen. Schwankungen in der Wandstärke sind die Folge. Damit aufgrund dieser Schwankungen die Mindestwandstärke nicht unterschritten wird, muss ein gewisser Sicherheitszuschlag bei der Fertigung der Wände vorgegeben werden. Dies hat wiederum die Konsequenz, dass die aus den Rohren gefertigten Gasflaschen nach Fertigstellung ein Gewicht aufweisen können, das dasjenige einer Gasflasche mit durchgehend optimaler Wandstärke, nämlich der Mindestwandstärke, erheblich überschreitet. Eine Nachbearbeitung erfolgt in der Regel nicht, da diese für jede Gasflasche individuell angepasst werden muss und der diesbezügliche Aufwand als wirtschaftlich nicht tragbar betrachtet wird.
Die bekannten Vorrichtungen zur mechanischen, formoptimierenden Bearbeitung von Werkstücken umfassen eine Bearbeitungseinheit zur formverändernden, z. B. spanenden, Bearbeitung. Hierzu gehören Drehmaschinen, in die eine Gasflasche eingespannt werden kann und mittels eines durch eine numerische Steuerung kontrollierten Werkzeuges bearbeitet wird.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen eine auf jede Gasflasche individuell angepasste, formoptimierende Bearbeitung mit vertretbarem Aufwand möglich ist.
Die vorgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren zur formoptimierenden Bearbeitung von Gasflaschen, welche zumindest in einem Teilbereich zwei einander gegenüberliegende Grenzflächen aufweisen, wobei der Abstand der Grenzflächen zueinander, senkrecht zur ersten Grenzfläche gesehen, zumindest stellenweise einen vorgegebenen Mindestabstand überschreitet und die zweite Grenzfläche einer formverändernden Bearbeitung zugänglich ist, gelöst, bei dem die Koordinaten einer Vielzahl von zur ersten Grenzfläche gehörenden Messpunkten gemessen werden, eine einen Sollverlauf der zweiten Grenzfläche bestimmende Vielzahl von Basispunkten ermittelt wird, wobei der Ortsvektor jedes Basispunktes durch die Vektorsumme aus den Ortsvektoren eines der Messpunkte und einem als Betrag mindestens den Mindestabstand aufweisenden, senkrecht zur ersten Grenzfläche ausgerichteten und in Richtung auf die zweite Grenzfläche weisenden Vektor gegeben ist, die zweite Grenzfläche durch formverändernde Bearbeitung auf ihren Sollverlauf gebracht wird.
Bei der ersten und zweiten Grenzfläche kann es sich um die innere und die einer Bearbeitung zugängliche äußere Fläche einer Wandung einer Gasflasche handeln, die eine Mindestwandstärke aufweisen muss. Eine solche Gasflasche ist z.B. in ihrem zylindrischen Teil rohrförmig, deren Wandstärke konstant und möglichst nahe der Mindestwandstärke sein soll. Damit dies erreicht wird, wird durch die Nachbearbeitung der Verlauf der äußeren Grenzfläche möglichst parallel zu dem der inneren Grenzfläche geformt. Das Ergebnis einer solchen Nachbearbeitung wird in der Regel in ihrem zylindrischen Teil ein unrundes Rohr sein, das jedoch eine weitgehende konstante und optimale Wandstärke aufweist. Dann sind also weder die innere noch die äußere Grenzfläche der Rohrwandung glatt zylindrisch.
Die erste Grenzfläche muss keine freie Oberfläche, sondern kann z. B. auch die mit der eingesetzten Messeinheit feststellbare Grenzfläche zwischen zwei massiven Teilen einer Gasflasche sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass aus der Vielzahl der Basispunkte unmittelbar ein Programm zur numerischen Steuerung einer Maschine zur formverändernden Bearbeitung der zweiten Grenzfläche erzeugt wird. Hierfür sind die Basispunkte möglichst dicht zu legen. Anhand dieser Basispunkte ist dann eine numerische Steuerung, die z. B. über eine Spline- oder Nurbs- Approximation verfügt, in der Lage, mit hinreichender Genauigkeit ein Werkzeug zur formverändernden Bearbeitung der zweiten Grenzfläche zu steuern. Bei einer hinreichend hohen Dichte kann als Abstand zwischen Messpunkt und zugehörigem Basispunkt die einzuhaltende Mindestwandstärke genau oder mit einem nur geringen Sicherheitsaufschlag von beispielsweise 1 % gewählt werden.
Bei einer solchen Vorgehensweise kann allerdings die erforderliche hohe Messpunktdichte insbesondere bei großen Gasflaschen zu in wirtschaftlicher Hinsicht problematischen, langen Messzeiten führen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die Dichte der Messpunkte drastisch zu reduzieren und so zu verfahren, dass aus der Vielzahl von Basispunkten durch Approximation eine Sollfläche berechnet wird, die den Sollverlauf der zweiten Grenzfläche wiedergibt und aus der Sollfläche ein Programm zur numerischen Steuerung einer Maschine zur formverändernden Bearbeitung der zweiten Grenzfläche erzeugt wird. Um einem Unterschreiten der Mindestw3ndstärke aufgrund von Approximationsungenauigkeiten vorzubeugen, können Randbedingungen aufgegeben werden, z. B. dass der Abstand der Sollfläche zu jedem der Messpunkte mindestens der Mindestwandstärke entspricht. Es kann je nach gewählter Messpunktdichte auch sinnvoll sein, für den Abstand zwischen Messpunkt und zugehörigem Basispunkt zum Mindestabstand einen hinreichenden Sicherheitsaufschlag zu addieren.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt werden, dass in einem Bereich der zu bearbeitenden Gasflasche die zweite Grenzfläche formverändernd bearbeitet wird, während in einem anderen Bereich noch die Koordinaten der Messpunkte gemessen werden.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art umfassend eine Bearbeitungseinheit zur formverändernden Bearbeitung einer Gasflasche wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Messeinheit zur Vermessung von Grenzflächen der zu bearbeitenden Gasflasche vorgesehen ist.
Damit ist es möglich, die Gasflasche in der zur Bearbeitung dienenden Vorrichtung zunächst zu vermessen. Hierdurch kann z. B. festgestellt werden, an welchen Stellen die Gasflasche noch nicht die gewünschte Form aufweist. Auf diese Weise kann eine Qualitätsprüfung unmittelbar mit der eventuell notwendigen Nachbearbeitung verknüpft werden. Die Messeinheit kann auch dazu eingesetzt werden, geometrische Eigenschaften der Gasflasche zu bestimmen, die erst zur Festlegung der optimalen Form einer zu bearbeitenden Grenzfläche dienen. Beispielhaft ist hier die Bestimmung des Verlaufs der Innenflächen von Wänden einer Gasflasche, deren äußere Grenzfläche zur Herstellung eines optimalen Wandstärkeverlaufs nachbearbeitet werden muss. Eine hierfür geeignete Verfahrensweise ist oben anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens dargelegt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Bearbeitungseinheit zur spanenden Verarbeitung vorgesehen ist. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass die Messeinheit einen Ultraschallsensor umfasst. Ein Ultraschallsensor ist insbesondere hervorragend geeignet, mit einer Messung den Verlauf hintereinander liegender Grenzflächen, z. B. die äußere und innere Grenzfläche einer Wand zu bestimmen.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass eine Steuerungseinheit zur numerischen Steuerung der Bearbeitungseinheit vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Steuerungseinheit und die Messeinheit datenverarbeituπgstechnisch derart miteinander verknüpft sind, dass von der Messeinheit gewonnene Daten unmittelbar oder nach ihrer Verarbeitung zur automatischen Erzeugung eines Steuerprogramms zur numerischen Steuerung der Bearbeitungseinheit verwendbar sind. Durch die datenverarbeitungstechnische Verknüpfung der Messeinheit mit der Steuereinheit wird eine vollautomatische Nachbearbeitung möglich.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, dass Bearbeitungseinheit und Messeinheit gleichzeitig einsetzbar sind. Die Bearbeitungseinheit würde in diesem Fall der Messeinheit folgen. Hierdurch kann ein erheblicher Zeitgewinn erreicht werden.
Im Folgenden werden anhand von Figuren eine vorteilhafte Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Es zeigt schematisch
Figur 1: eine Drehbank mit Messeinheit, Bearbeitungseinheit und Steuereinheit,
Figur 2a: eine in seiner Form zu optimierende Druckgasflasche im seitlichen Querschnitt, Figur 2b: die Druckgasflasche gemäß Figur 2a im axialen Querschnitt,
Figur 3: ausschnittsweise eine anhand von Basispunkten der zu bearbeitenden Grenzfläche interpolierte Sollfläche und
Figur 4: die Sollfläche gemäß Figur 3 mit Bearbeitungspfad für ein
Werkzeug.
Figur 1 zeigt schematisch eine Drehbank, in der eine in ihrer Form zu optimierende Gasflasche 1 eingespannt ist. Über einen hier nicht gesondert dargestellten Motor ist die Gasflasche 1 um ihre Längsachse kontrolliert drehbar. Parallel zur Längsachse der Gasflasche 1 sind eine Laufschiene 2 und eine Antriebswelle 3 angebracht, über die die Verfahreinheit 4 eines an sich bekannten Ultraschallsensors 5 und die Verfahreinheit 6 eines spanenden Werkzeuges 7 entlang dem Hochdruckrohr 1 verfahren werden können. Zur Bearbeitung der Gasflasche 1 ist das Werkzeug 7 zudem über hier nicht dargestellte Mittel auch relativ zur Verfahreinheit 6 bewegbar. Mit einer Steuereinheit 8 sind der Motor zur Drehung der Gasflasche 1 sowie die Verfahreinheiten 4 und 6 sowie die relativ zur Längsachse der Gasflasche 1 gesehen axiale Position des Werkzeuges 7 steuerbar. Die Verfahreinheit 4 des
Ultraschallsensors 5 und die Verfahreinheit 6 des Werkzeuges 7 können eine Einheit bilden oder getrennt voneinander beweglich angebracht werden. In letzterem Falle müssen zwei Antriebswellen 3 vorgesehen sein.
Im Folgenden ist eine vorteilhafte Verfahrensweise zur formoptimierenden
Bearbeitung der Gasflasche 1 dargestellt. Figur 2a zeigt beispielhaft die in ihrer Form zu optimierende Gasflasche 1 im seitlichen Querschnitt, Figur 2b im axialen Querschnitt. Die Rohrwand 9 ist sowohl in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung betrachtet aufgrund von Fertigungstoleranzen ungleichmäßig. Sie unterschreitet jedoch an keiner Stelle die für die Anwendung der Gasflasche 1 vorgesehene Mindestwandstärke. Allerdings wird die Mindestwandstärke in vielen Bereichen der Gasflasche 1 deutlich überschritten, was sich nachteilig auf das Gesamtgewicht der Gasflasche 1 auswirkt. Durch eine formoptimierende nachträgliche Bearbeitung der Gasflasche 1 soll eine möglichst gleichmäßige Stärke der Rohrwand 9 entlang der gesamten Gasflasche 1 erreicht werden, die im wesentlichen der Mindestwandstärke entspricht, ohne diese zu unterschreiten.
Hierzu wird die in die Drehmaschine eingespannte Gasflasche 1 zunächst mit dem Ultraschallsensor 5 vermessen. Mit dem Ultraschallsensor 5 können an jedem beliebigen Punkt der Rohrwand 8 die Koordinaten ihrer Außenfläche 10 und ihrer Innenfläche 11 bestimmt werden. Hierzu wird über eine Düse 12 ein feiner Wasserstrahl 13 auf die Rohrwand 8 der Gasflasche 1 gerichtet und über einen hier nicht gesondert dargestellten Schallgeber ein Ultraschall über den Wasserstrahl 13 auf die Rohrwand 8 gegeben. Die Ultraschallwellen werden sowohl an der Außenfläche 10 als auch an der Innenfläche 11 reflektiert und anschließend im Ultraschallsensor 4 registriert. Aus den Laufzeiten kann sowohl der Abstand der Außenfläche 10 als auch der Abstand der Innenfläche 11 von einem bestimmten Bezugspunkt des Ultraschallsensors 5 festgestellt werden. Für das hier betroffene Verfahren ist allerdings allein der Verlauf der Innenfläche 11 maßgeblich.
Die Messpunkte können sich wendeiförmig auf der Innenfläche 11 verteilen. Hierfür wird die Gasflasche 1 nach jeder Messung um einen bestimmten Winkel um ihre Längsachse gedreht und gleichzeitig die Verfahreinheit 4 des Ultraschallsensors 5 um eine bestimmte Strecke vorgeschoben. Auf diese Weise erhält man Informationen über die Koordinaten von Messpunkten auf der Innenfläche 11 der gesamten Rohrwand 8. Die Koordinaten der Messpunkte auf der Innenfläche 11 werden nun herangezogen, um Basispunkte zu ermitteln, die maßgeblich für den Sollverlauf der Außenfläche 10 sind. Die Ortsvektoren der Basispunkte ergeben sich daraus, dass zu dem Ortsvektor eines jeden Messpunktes ein am zugehörigen Messpunkt senkrecht zur Innenfläche 11 ausgerichteter, auf die Außenfläche 10 weisender Vektor addiert wird, dessen Betrag zumindest der Mindestwandstärke entspricht. Für den Betrag des Vektors kann, falls dies für notwendig erachtet wird, ein Sicherheitszuschlag von z. B. 1 % bis 5 % Mindestwandstärke vorgesehen werden. Es ist nun möglich, die Basispunkte unmittelbar einem Programm zur numerischen Steuerung des Werkzeuges 7 zur Bearbeitung der Außenfläche 10 einzugeben, wenn die Dichte der Messpunkte und damit die der Basispunkte hierfür hinreichend gewählt ist und die Steuerung 8 z. B. über eine Spline-Approximation verfügt.
Entsprechend der wendeiförmigen Verteilung der Messpunkte auf der Innenfläche 11 bilden die Basispunkte auf der Aussenfläche 10 ebenfalls im wesentlichen eine Wendel. Die Wendel der Basispunkte entspricht dem Bearbeitungspfad des Werkzeuges 7. Der Bearbeitungspfad weist typischerweise einen Bearbeitungsvorschub von 0,2 mm pro Umdrehung der Gasflasche 1 auf. Für eine zur unmittelbaren Erzeugung eines numerischen Steuerprogramms hinreichende Dichte wären etwa 360 über den Umfang verteilte Basispunkte notwendig. Bei einer 1 m langen Gasflasche 1 würden dann 1.800.000 Messpunkte resultieren. Da insbesondere bei der Ultraschallmessung die realisierbare Messgeschwindigkeit begrenzt ist, ist ein solches Vorgehen bei derart ausgedehnten Werkstücken wirtschaftlich oft nicht vertretbar. Diese Verfahrensweise wird daher bevorzugt bei kleineren Werkstücken durchzuführen sein.
Bei größeren Werkstücken ist es also sinnvoll, die Dichte der Messpunkte deutlich zu reduzieren. In diesem Fall können die Basispunkte nicht mehr unmittelbar zur Erzeugung eines Programms zur numerischen Steuerung der Bearbeitung dienen. Stattdessen werden die Basispunkte zur Erzeugung einer mathematischen Fläche herangezogen, welche den Idealverlauf der Außenfläche 10 hinreichend genau nähert. In Figur 3 sind die Basispunkte mit Vy gekennzeichnet. Eine mathematisch durch Approximation ermittelte Sollfläche 14, die in Figur 3 ausschnittsweise mit durchgezogenen Strichen dargestellt ist, gibt dann den Sollverlauf der Außenfläche 10 wieder. Durch den oben erwähnten Sicherheitsaufschlag zur Mindestwandstärke bei der Ermittlung der Basispunkte und/oder durch geeignete Randbedingungen für die Approximation kann ein Unterschreiten der Mindestwandstärke vermieden werden. Die durch Polynome beschriebene Sollfläche 14 dient als Grundlage für die Erstellung eines Programms zur numerischen Steuerung der Bearbeitung der Außenfläche 10. Figur 4 zeigt beispielhaft einen Bearbeitungspfad 15, der auf der Sollfläche 14 liegt und im Spline- oder Polynomformat vorliegen kann. Über die gesamte Gasflasche 1 betrachtet, ist der Pfad im wesentlichen wendeiförmig. Die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Abweichungen der Sollfläche 14 von einer runden Form dienen zur Verdeutlichung, dass auch die Innenfläche 11 erheblich von einer Zylinderform abweichen kann. Nach der Bearbeitung sind Innenfläche 11 und
Außenfläche 10 bezüglich der Mittelachse der Gasflasche 1 unrund und idealerweise parallel zueinander.
Für das oben genannte Beispiel einer 1 m langen Gasflasche 1 genügen für das Verfahren mit Berechnung einer Sollfläche 14 weniger als 40.000 Messpunkte, was gegenüber der zuerst beschriebenen Verfahrensweise einer Messzeitreduzierung um mehr als den Faktor 45 entspricht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur formoptimierenden Bearbeitung einer Gasflasche (1 ), welche zumindest in einem Teilbereich zwei einander gegenüberliegende
Grenzflächen (10,11 ) aufweist, wobei der Abstand der Grenzflächen (10,11 ) zueinander, senkrecht zur ersten Grenzfläche (11 ) gesehen, zumindest stellenweise einen vorgegebenen Mindestabstand überschreitet und die zweite Grenzfläche (10) einer formverändernden Bearbeitung zugänglich ist, bei dem a) die Koordinaten einer Vielzahl von zur ersten Grenzfläche (11 ) gehörenden Messpunkten gemessen werden, b) eine einen Sollverlauf der zweiten Grenzfläche (10) bestimmende Vielzahl von Basispunkten ermittelt wird, wobei der Ortsvektor jedes Basispunktes durch die Vektorsumme aus den Ortsvektoren eines der
Messpunkte und einem als Betrag mindestens den Mindestabstand aufweisenden, senkrecht zur ersten Grenzfläche (11 ) ausgerichteten und in Richtung auf die zweite Grenzfläche (10) weisenden Vektor gegeben ist, c) die zweite Grenzfläche (10) durch formverändernde Bearbeitung auf ihren Sollverlauf gebracht wird.
2 Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus der Vielzahl der Basispunkte unmittelbar ein Programm zur numerischen Steuerung einer Maschine zur formverändernden Bearbeitung der zweiten Grenzfläche (10) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus der Vielzahl von Basispunkten durch Approximation eine Sollfläche (14) berechnet wird, die den Sollverlauf der zweiten Grenzfläche (10) wiedergibt.
4. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Sollfläche (14) ein Programm zur numerischen Steuerung einer Maschine zur formverändernden Bearbeitung der zweiten Grenzfläche (10) erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der zu bearbeitenden Gasflasche (1 ) die zweite Grenzfläche (10) formverändernd bearbeitet wird, während in einem anderen Bereich noch die Koordinaten der Messpunkte gemessen werden.
6. Vorrichtung zur formoptimierenden Bearbeitung einer Gasflasche (1 ), umfassend eine Bearbeitungseinheit (7) zur formverändernden Bearbeitung der Gasflasche (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinheit (5) zur Vermessung von Grenzflächen (10,11 ) der zu bearbeitenden Gasflasche (1 ) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungseinheit (7) zur spanenden Verarbeitung vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (5) einen Ultraschallsensor umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit (8) zur numerischen Steuerung der Bearbeitungseinheit (7) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (8) und die Messeinheit (5) datenverarbeitungstechnisch derart miteinander verknüpft sind, dass von der Messeinheit (5) gewonnene Daten unmittelbar oder nach ihrer Verarbeitung zur automatischen Erzeugung eines Steuerprogramms zur numerischen
Steuerung der Bearbeitungseinheit (7) verwendbar sind.
1. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Bearbeitungseinheit (7) und Messeinheit (5) gleichzeitig einsetzbar sind.
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