Thema der Masterarbeit

Optimierung der Schneistrahlerfassung beim Hochdruckwasserabrasivinjektorstrahlschneiden

Hintergrund und Ziele

Die optische Schneidstrahlerfassung dient als Messinstrument für einen aktiven Regelkreis. Dieser soll zum selbstständigen Ausgleich eventueller Schneidfehler während des laufenden Schneidprozesses eingesetzt werden. Die Auslegung des Regelkreises und des Messinstrumentes wurden bereits in vorangegangenen Projekten vorgenommen. Diese Masterarbeit zielt auf die Optimierung des erstellten Konzeptes ab. Die Optimierung des Regelkreises wird parallel in einem weiteren Masterprojekt bearbeitet.

Regelgröße

Abb.1: Jetlag-Fehler [1]

Die zu erfassende Regel-größe ist der Jetlag-Fehler, dieser wird auch als Strahl-nachlauf oder Schleppfehler bezeichnet. Bei diesem Fehler treten deutlich sicht-bare Rillen im Querschnitt der zu bearbeitenden Fläche auf. Diese Rillen entstehen durch die Schneidstrahl-ablenkung während der Bearbeitung. Der Strahlaus-trittspunkt an der Werkstückunterkante läuft dem Strahleintrittspunkt an der Werkstückoberkante hinterher. Dieser Effekt resultiert aus dem Energieverlust des Schneidstrahls, beim durchdringen des Materials. Der Energieverlust ist in der Tatsache begründet, dass der Wasserstrahl sich stets den Weg des geringsten Widerstands sucht. Daher weicht der Wasserstrahl mit zunehmender Materialtiefe immer stärker in den schon geschnittenen Schnittspalt aus. In Abbildung 1 ist dieser Effekt abgebildet. Dieser Effekt tritt vor allen Dingen bei der Bearbeitung von harten Materialien auf, die mit einer hohen Vorschubgeschwindigkeit bearbeitet werden. [2]

Funktionsweise

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Umsetzung und Optimierung eines Konzeptes zur optischen Schneidstrahlerfassung mit Auswertung der Strahlablenkung zur Erzeugung eines kontinuierlichen Korrekturwertes für die Roboterbahnsteuerung. Dies soll zur Folge haben, dass eine signifikante Qualitätssteigerung auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten erreicht wird. Damit könnte nicht nur die Qualität verbessert werden sondern auch die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden. 

Die Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau des Konzepts. Der Aufbau besteht aus dem Roboter, der Firma Mitsubishi Electric, an dem der Schneidkopf angebracht ist.

Als Messinstrument dient eine Infrarotkamera der Firma Optris, mittels der Kamera wird der Schneidprozess optisch erfasst. Die gewonnenen Bilder werden anschließend mittels der erstellten Mustererkennungssoftware ausgewertet. Die Schnittstelle zwischen dem Roboter und dem PC bildet der Controller, mit dem auch der Roboter gesteuert wird. Auf dem PC befinden sich die Mustererkennungssoftware, zur Auswertung der gelieferten Messdaten, sowie die Roboterbahnregelung.

Die Kamera ist auf einer Linearachse angebracht, diese folgt parallel dem Schneidkopf bzw. dem Schneidstrahl sodass sich der Schneidstrahl in der Bildmitte befindet. Dies ist notwendig für die entsprechende Auswertung des Bildmaterials.

Die Bilder der Infrarotkamera werden zunächst in Graustufen umgewandelt. Für die Bestimmung des Jetlags ist die Detektion der Werkstückoberkante, der Werkstückunter-kante,  des Strahleintrittspunktes und des Strahlaustrittspunktes erforderlich. Die Werkstückunterkante wird manuell vorgegeben. Die Werkstückoberkante wird mittels der Suche nach Helligkeitssprüngen detektiert. Der Strahleintritts- und Austrittspunkt wird durch eine Kombination aus Maximum- und Schwerpunktsuche ermittelt. Da sich die Auswertung bisher auf einen linearen Schnitt beschränkt, gleicht der Jetlag dem Abstand zwischen den beiden Lotgeraden in Strahlein- und Strahlaustrittspunkt. Die Differenz der x-Koordinaten der beiden Punkte ergeben folglich den Wert des Jetlags in der Einheit Pixel.  Die Roboterbahnregelung ist mit einem PID Regler ausgestattet. [3]

Die Jetlagwerte werden dem Regler übergeben und ein entsprechendes Stellsignal wird an den Roboter übermittelt. Mit dieser Vorgehensweise kann aktiv in den Prozess eingegriffen werden. Eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit kann somit bei der Bearbeitung von sehr harten Materialien vermieden werden. Derzeit sind lediglich eindimensionale Schnitte auswertbar, die Auswertung im zweidimensionalen Raum erfordert die Implementierung einer weiteren Kamera.

Abb.2: Schematischer Aufbau des Konzeptes für die Roboterbahnregelung [3]

Ergebnisse

Für die Bewertung der durchgeführten Optimierungen wurden Schneidversuche durchgeführt. Die erzeugten Werkstücke wurden durch eine optische Überprüfung bewertet. Außerdem wurde die Funktionsweise der Mustererkennung analysiert um die korrekte Auswertung des Schneidstrahls zu überprüfen. Die Funktionsweise wurde mittels der Visualisierung am PC beobachtet, Abweichungen konnte durch die entsprechende Programmierung schnell erkannt werden. Die Erkennung des Schneidstrahls sowie der anderen erforderlichen Bereiche funktioniert, allerdings wird die Detektion durch Sprühnebel und Spritzwasser beeinträchtigt. Sobald Spritzwasser in den Aufnahmebereich gelangt kann der Schneidstrahl nicht korrekt detektiert werden. Daher ist es erforderlich den Erfassungsbereich so gut wie möglich vor Spritzwasser abzuschirmen bzw. die Entstehung von Spritzwasser zu vermeiden.

Die Bewertung der erzeugten Oberflächen hat deutlich gezeigt, dass eine Qualitätsverbesserung erzielt werden kann. Allerdings erst, wenn der Schneidkopf seine maximale Neigung von 10° erreicht hat. In der Abbildung 3 sind verschiedene Schnittflächen abgebildet. Es ist deutlich zu erkennen, dass zu Beginn noch deutliche Ausbrüche an der Werkstückunterkante entstanden sind.

Abb.3: Querschnitt der bearbeiteten Fläche bei verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten

Ausblick

In der dritten Projektphase ist geplant die Strahldetektion weiter zu optimieren. Ebenfalls wird eine alternative Kameraanbringung angestrebt um den Versuchsaufbau zu vereinfachen.

Ein vollkommen neuer Ansatz soll ebenfalls betrachtet werden. Die Kameraansteuerung kann über ein Prozessinterface erfolgen. Es soll untersucht werden ob diese alternative Kameraansteuerung für diesen Anwendungsfall geeignet ist und ein Grobkonzept erstellt werden.

Literaturverzeichnis

[1] Amrhein, M.: Konzeptentwicklung und Aufbau eines Prototypen für eine Abrasivwasserstrahl – Feinschneidanalge, Aschaffenburg, Hochschule Aschaffenburg, 2010

[2] Kolb, M: Wasserstrahlschneiden: Materialbearbeitung mit einem Hochdruckwasserstrahl, Verl. Moderne Industrie, 2006; ISBN: 3937889477

[3] te Kaat, A.: Optische Schneidstrahlerfassung und Auswertung beim Hochdruckwasserabrasivstrahlschneiden, Aschaffenburg, Hochschule Aschaffenburg, 2012

Stand: 18.05.2015