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Inline-Überwachung des Blechbeschnitts

Forscher des Instituts für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) der Universität Hannover gingen zusammen mit Solving3D und Volkswagen der Frage nach, ob sich der Laserbeschnitt von Blechbauteilen mit Hilfe optischer Sensoren überwachen lässt. Dafür sollten Nullposition und -lage des zu beschneidenden Bauteils auf dem Maschinentisch der Laserstrahlanlage sowie etwaige Abweichungen der Ist- von der Soll-Geometrie detektiert werden. Das zu entwickelnde System sollte sich zudem für den Inline-Einsatz eignen.

Tiefgezogene Bauteile weisen Bereiche in ihrer Soll-Geometrie auf, die ausgeschnitten werden müssen. Diese notwendige Beschnittoperation schließt sich im Normalfall als Bearbeitungsschritt an den Umformprozess an und stellt somit eine Standardoperation im Rahmen der Blechumformung dar [DOE-10]. Der Beschnitt wird entweder mit mechanisch wirkenden Werkzeugen oder unter Zuhilfenahme von Laserstrahlung realisiert. Der Blechbeschnitt per Laserschneidanlage wird industriell bei komplexen Schnittgeometrien und in Kleinserien eingesetzt. Bei Kleinserien entfällt damit das recht teure mechanisch wirkende Werkzeug. Für den Einsatz des Lasers bei komplexen Geometrien sprechen zwei Gründe: Erstens ist die Bahnplanung für den Laser einfacher als die entsprechende Konstruktion des mechanisch wirkenden Werkzeugs, zweitens sind diese letztgenannten Werkzeuge in ihrer Wirkrichtung begrenzt [DOE-10].

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Als problematisch sind beim Laserbeschnitt Rück- und Auffederungsvorgänge zu sehen, da sie zu einer Abweichung des Bauteils von der Soll-Geometrie und gegebenenfalls auch zu einer Zerstörung des Laserkopfes führen können. Denn die Bahnplanung für den Laserbeschnitt beruht zunächst auf der Soll-Geometrie. Damit kann sich eine Bahn ergeben, die zu einer Kollision zwischen Laserkopf und dem von den Solldaten abweichenden Bauteil führt, zumal die Bahn in den meisten Fällen einen konstanten Arbeitsabstand (abhängig von Optik und Leistung des Lasers) zwischen Bauteil und Laserkopf aufweist, um einen optimalen Energieeintrag in das Bauteil zu gewährleisten.

Derzeit sind für diese Problematik Lösungen im Einsatz, bei denen das zu beschneidende Werkstück in die Soll-Geometrie gezwungen wird (vergleiche Abb. 1). Bei dieser Variante wird die Zwangslage beispielsweise mit Gestellen und Klammern realisiert. Nachteilig ist bei solchen Lösungen, dass sie Bauteil-individuell zu erstellen sind, was bei Kleinserien und komplexen Bauteilgeometrien entsprechend aufwendig und kostenintensiv ausfallen kann. Weiterhin ist je nach Bauteileigenart immer noch ein Auffedern nach der Beschnittoperation möglich, da mit Hilfe der Spanneinrichtung kein Zwang auf die gesamte Fläche ausgeübt werden kann.

Aufgrund der oben beschriebenen Problematik wurden deshalb im Rahmen eines Forschungsprojekts zwei unterschiedliche Detektionsaufgaben abgeleitet:

1. Ausrichtung des Bauteils (aufgespannt) im Wirkraum der Laserstrahlanlage: Diese erste Messung ersetzt die Verankerung der Gestelle und damit verbunden die genaue Ausrichtung des Bauteils auf dem Werkzeugtisch. Auf der Grundlage dieser Messung wird die geplante Laserbahn transversal und rotatorisch verändert, also die Lage der Bahn im Raum an die Gegebenheiten angepasst.

2. Bestimmung der Ist-Geometrie nach dem Tiefziehprozess: Aufbauend auf dieser Information kann eine mögliche Kollision des Laserkopfes mit dem Bauteil vermieden werden. Dabei wird die Bahn, die auf idealen CAD-Daten (Soll-Geometrie) beruht, in ihren Ausprägungen auf der Grundlage der Ist-Geometrie verändert. Beachtet werden muss, dass die Schnittgeometrien in Bezug auf das Bauteil an die richtige Stelle verortet werden.

Diese beiden Detektionsvorgänge müssen vor dem Beginn der Schnittoperation durchgeführt werden. Darüber hinaus gehend erscheinen Messungen während des Prozesses sinnvoll, besonders wenn aus der Blechgeometrie mehrere, nicht zusammenhängende Bereiche ausgeschnitten werden. Auf diese Weise kann der möglicherweise auftretende Effekt von Eigenspannungen (Auffederung), die durch den Beschnittprozess selbst freigesetzt werden, überwacht werden.

Methoden zur Detektion von Lage und Orientierung

Für eine übergreifende und komplette Messung von Lage und Orientierung eignen sich bildgebende Verfahren, die gut automatisierbar und damit grundsätzlich auch inlinefähig sind. Die berührungslose Bestimmung der Lage in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden (6DOF) und die Erfassung der Realgeometrie eines Bauteils können mit unterschiedlichen Verfahren gemessen werden. Einen guten Überblick über die drei gängigen Verfahren gibt Bauer [BAU-07], die nachfolgend erklärt werden.

Die Erfassung von Merkmalen in Bildern erfolgt mittels Bestimmung (3D-Koordinaten) von mindestens drei räumlich verteilt und nicht auf einer Raumgeraden liegenden Bauteilmerkmalen (etwa Bohrungen und/oder Ecken) mit anschließender Berechnung der Transformationsparameter zwischen den entsprechenden Merkmalen am Bauteil in einer vorgegebenen Soll-Lage (CAD-Daten) [WOL-06]. Das Verfahren erfordert einen hohen Kontrast an den Merkmalen, der ideal durch eine diffuse Hintergrundbeleuchtung erzielt werden kann. Besonders gut eignen sich Bauteile, die in einer der drei Dimensionen deutlich kleiner sind als in den anderen beiden (beispielsweise gebogene Rohre oder Platten, Wannen geringer Tiefe).

Bei Nutzung der Messung durch Bildvergleich wird das Bauteil in Soll-Lage in den Bildraum projiziert und anschließend mit dem aufgenommenen Bild verglichen. Durch Variation der translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade des Modells und anschließende Neuprojektion kann ein Minimum der Abweichung zwischen projiziertem und aufgenommenem Bild berechnet werden. Die sich dabei ergebenden Werte für die sechs räumlichen Freiheitsgrade sind die gesuchten Abweichungen von der Soll-Lage und können direkt zur Bahnkorrektur eines werkzeugführenden Roboters genutzt werden. Das Verfahren setzt eine gute Kenntnis der Reflexionseigenschaften der Oberflächen des Bauteils sowie eine geeignete Modellierung der Lichtquellen voraus. Sehr gut geeignet für dieses Verfahren sind Bauteile mit ausgeprägter 3D-Charakteristik und vielen Durchbrüchen, die in den Aufnahmen zu deutlich sichtbaren Kanten führen. Diese Merkmale sollten über das Bauteil verteilt vorliegen.

Im Rahmen der Erfassung der 3D-Oberfläche wird diese komplett aufgenommen. Daran schließt sich ein Vergleich der Oberfläche in Ist-Lage mit dem 3D-Modell des Bauteils in Soll-Lage an. Dafür werden die Werte für Rotations- und Transformationsparameter variiert, und der sich anschließende Ausgleich ergibt die gesuchten Abweichungen. Das Verfahren ist für nahezu alle Bauteilgeometrien geeignet, wobei für die Bestimmung der rotatorischen Parameter das Bauteil in allen drei Dimensionen eindeutig identifizierbar sein muss: So ist die Orientierung einer idealen Kugel unbestimmt, die eines Würfels mehrdeutig.

Eine Zusammenfassung der Merkmale der drei vorgenannten Methoden liefert Tabelle 1. Da sich die direkte Erfassung der 3D-Oberfläche als flexibelstes Verfahren darstellt, wurde es für die Messungen ausgewählt. Dafür stehen derzeit die drei folgenden optischen Methoden zur Verfügung.

Methoden zur Erfassung der 3D-Oberfläche

Auf die zu messende Bauteiloberfläche werden definierte Muster oder Streifen projiziert, die mit Hilfe von 3D-Flächensensoren aus mindestens zwei Richtungen erfasst werden (so genannte Musterprojektion). Die verfügbaren Geräte besitzen in der Regel einen Musterprojektor und eine oder mehrere Kameras für die Aufnahme des projizierten Musters von der Oberfläche des Bauteils. Komplexe und/oder große Bauteile können in der Regel nicht mit einer einzigen Aufnahme des Flächensensors erfasst werden, so dass weitergehende Maßnahmen zu treffen sind (mehrere Messeinrichtungen, exakte Positioniereinrichtungen oder Ähnliches) [DEM-11].

Bei der Laserlinientriangulation wird mit Hilfe von 2D-Profilsensoren beziehungsweise Lasertriangulationssensoren die Schnittlinie zwischen einer projizierten Laserebene und der Bauteiloberfläche mit einer Kamera erfasst. Lage und Orientierung der Kamera sind bekannt, so dass ein Oberflächenprofil erfasst werden kann. Die große Tiefenschärfe des Lasers erlaubt zuverlässige und genaue Tiefenmessungen; darüber hinaus liefert das Verfahren auch robuste Messungen auf sehr dunklen und leicht reflektierenden Oberflächen aufgrund der Bündelung der Lichtenergie. Für die Erfassung der gesamten Geometrie eines Bauteils ist eine Relativbewegung zwischen Bauteil und Sensor notwendig, sodass für jedes Bauteil eine spezielle Bahn vorzusehen ist und die Exaktheit dieser Bewegung sich auf die Messgenauigkeit des Systems auswirkt [DEM-11].

Insbesondere für größere, komplexe Bauteile bietet sich ein weniger häufig eingesetztes Verfahren, das Lasermarking, an. Dabei werden Kameras (mindestens zwei in allgemeiner Stereoanordnung) fest in der Anlage montiert und eine rechtwinklig zur Stereobasis ausgerichtete Laserlinie wird parallel zur Stereobasis über das Bauteil bewegt. Mit Hilfe von Filtern kann dann die Messpunktaufnahme auf den Bereich der Laserlinie fokussiert werden. Das Messvolumen wird dabei über die Anzahl der Kameras und die Länge der Linearachse skaliert. Außer den Kameras werden keine weiteren Messinstrumente benötigt, und die Genauigkeit der Linearachse hat keinerlei Auswirkung auf die Messgenauigkeit eines solchen Systems. Die Vorteile des 3D-Flächensensors bezüglich der einfachen Handhabung beziehungsweise dem Aufwand beim Anpassen auf Änderungen beim Bauteil werden mit der geringeren Fremdlichtempfindlichkeit und dem größeren Einsatzspektrum in Bezug auf die Oberflächenbeschaffenheit des Bauteils kombiniert (siehe Tabelle 2), weswegen diese Variante für die oben beschriebenen Messaufgaben ausgewählt wurde [DEM-11].

Validierung

Die angedachte Methodik wurde vom IFUM gemeinsam mit der Solving3D GmbH umgesetzt, wobei als Validierungsobjekt ein Bauteil der Volkswagen AG eingesetzt wurde (vergleiche Abb. 2 und 3). Für die Umsetzung wurde die Software Cassini von Solving3D verwendet. Die wesentlichen Elemente des Demonstrators waren zwei Stereokamerasysteme (USB UI-1240SE, Auflösung 1280 x 1024 Pixel; USB UI-2220SE, Auflösung 768 x 576 Pixel) sowie ein Laser Klasse 2M (Z15M18B-F635-lr30, Z-Laser Germany).

In einem ersten Validierungsschritt sind mit einer von der Volkswagen AG zur Verfügung gestellten Schablone inklusive aufgespanntem Bauteil Messaufnahmen bei der Solving3D GmbH durchgeführt worden. In diesem Rahmen sind eine Verschiebung und eine Rotation (inklusive Kippung) des Bauteils gegenüber der ebenfalls aufgenommenen Nullposition im Wirkraum der Anlage derart aufgenommen worden, dass sie reproduziert werden konnten. Die Ergebnisse der Messung wurden der Volkswagen AG für eine Validierung als File von sechs Vektoren (jeweils drei für Translation und Rotation) zur Verfügung gestellt. Aufgrund dieser Messungen lässt sich zukünftig die Laserbahn beim Blechbeschnitt auf Basis der Ist-Geometrie nach dem Tiefziehprozess errechnen – nicht mehr aufbauend auf einer idealisierten Soll-Geometrie.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben ZBG298 ‚Optische Sensoren bei Beschnittoperationen‘ der Forschungsvereinigung EFB – Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V., Hannover, wurde über die Allianz Industrie Forschung (AiF) im Rahmen des Initiativprogramms ‚Zukunftstechnologien für kleine und mittlere Unternehmen‘ (Zutech) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Prof. Dr.-Ing. B.-A. Behrens und Dipl.-Ing. T. Vieregge (beide IFUM), Dr.-Ing. B.-M. Wolf (Solving3D GmbH) und M. Eng. (FH) M. Brauer (Volkswagen AG)

Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Leibniz Universität Hannover, Garbsen Tel. 0511/7622329, http://www.ifum.uni-hannover.de Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Tobias Vieregge

Solving3D GmbH , Garbsen Tel. 05131/9079720, http://www.solving3d.de


Literatur:
[BAU-07] Bauer, N.(Hrsg.): Handbuch zur Industriellen Bildverarbeitung – Qualitätssicherung in der Praxis, 1. Auflage 2007, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart

[DEM-11] Demant, C. u. a.: Industrielle Bildverarbeitung: Wieoptische Qualitätskontrolle wirklich funktioniert, Springer Verlag, Heidelberg, Berlin, 2011

[DOE-10] Doege, E.; Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen, 2. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2010

[WOL-06] Wolf, B. M.: Photogrammetrische Bestimmung von Bohrungen für industrielle Anwendungen, in: Photogrammetrie Laserscanning Optische 3D-Messtechnik – Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2006, Luhmann/Müller (Hrsg.), Wichmann Verlag, Heidelberg, Seiten 26-31

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