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EFB-Forschungsbericht Nr. 224

Optimierte Werkzeugfertigung, Einarbeitung und Verschleißkontrolle durch 3D-Datenerfassung mittels optischer Messtechnik

EFB224.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing.Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Bernd Sann, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM), Universität Hannover, Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing.E.h. Reimund Neugebauer, Dr. Petra Aswendt, Dipl.-Phys. Frank Wolf, Dipl.-Ing. Sören Gärtner, Dr.Matthias Förster, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), Chemnitz

75 Seiten (Sw 51, teils farbige Abb., 7 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-181-9

Preis (Digital) EUR 45,00

Preis (Print) EUR 50,30

Zusammenfassung

Die Fertigung von Karosseriewerkzeugen ist ein besonders zeit- und kostenintensiver Bestandteil in der Prozesskette der Blechteilherstellung. Im Werkzeugbau und in der Einarbeitung kommen derzeit zumeist taktil arbeitende Messsysteme zum Einsatz. Mit Hilfe optischer Messverfahren lassen sich hier bedeutende Einsparpotentiale schaffen.

Das Fraunhofer Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik hat im Rahmen des Vorhabens umfassende Untersuchungen zur schnellen und kompletten Vermessung von Gussrohlingen durchgeführt. Ziel war es, vor der sich anschließenden Werkzeuggrundbearbeitung die 3D-Geometrie des Gusskörpers mit einer Genauigkeit von +/- 1 mm zu bestimmen. Dazu wurde ein Vorgehen entwickelt, wie mittels phasenmessender Sensoren die Nachteile bisheriger Lösungen hinsichtlich Messzeit und Anwenderfreundlichkeit überwunden werden können. An einem Styropor Gießmodell der Firma KUKA für ein IHU-Werkzeug mit der Größe 2 m x 1 m x 0,5 m wurde die Funktionalität des entwickelten Verfahrens erprobt und nachgewiesen. Am IWU steht im Ergebnis des Projektes eine Messzelle als Prototypsystem zur Verfügung.

Das Ziel des Institutes für Umformtechnik und Umformmaschinen war der Einsatz eines optischen Messsystems zur Dokumentation des Einarbeitungsprozesses und zur Verschleißerfassung. Es wurde untersucht, wie und wo eine optische Vermessung in den Prozessablauf integriert werden kann. Die Zusammenhänge zwischen Messgenauigkeit, Messzeit und Umgebungsbedingungen wurden ermittelt. Weiterhin wurden Vorgehensweisen zur Rückführung der Messdaten in CAD-Daten erstellt. Mit Hilfe eines Verschleißprüfstandes wurde der Werkzeugverschleiß simuliert und optisch vermessen. Durch die Vermessung von Praxiswerkzeugen und Bauteilen wurden die Ergebnisse verifiziert.

Das Forschungsvorhaben „Optimierte Werkzeugfertigung, Einarbeitung und Verschleißkontrolle durch 3D-Datenerfassung mittels optischer Messtechnik“ wurde unter der Fördernummer AiF 13231BG von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 224 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Abstract

Producing tools for car bodies is a very time-consuming and cost-intensive element within the process chain of sheet metal components. At present, tactile measuring systems are predominantly applied for tool design and construction and during the try-out phase. Significant economization can be achieved with the aid of optical measurement methods.

Within the scope of the project, the Fraunhofer Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (Fh IWU) (Fraunhofer Institute of Machine Tools and Metal Forming) has carried out extensive research for a fast and complete measurement of casted blanks. The aim was to determine the threedimensional geometry of the casted blank with an accuracy of +/- 1 mm before the milling of the tool. With phase-measuring sensors, a proceeding has been developed to overbear the previous disadvantages respecting measuring period and user-friendliness.

The functionality has been tested and proved with a Styrofoam casted model (supplied by KUKA enterprise) for a Hydroforming-tool measuring 2 m x 1 m x 0.5 m. The resulting prototype measuring cell is available at the FH IWU.

The aim of the Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) (Institute of Metal Forming and Metal Forming Machine Tools) was the application of optical measuring systems to document the try-out phase and the wearing of tools. It was determined where and how to integrate optical measurement into the process flow. The correlations of precision of measurement, measurement period and external conditions were defined. Furthermore, methods to refeed the measuring data into CAD-data were found. By means of benchmark tests the wearing of tools was simulated and measured optically. Verification in practice took place by measuring tools and components.
The objectives of the project were reached.

Inhalt

1. Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.1.1 Werkzeugbau
1.1.2 Einarbeitung und Produktion
1.2 Zielstellung
TZ 1: Entwicklung einer Messzelle zur Erfassung der Gussrohlingsgeometrie (Fh IWU).10
TZ 2: Dokumentation der Einarbeitung und Verschleißerfassung (IFUM)
2. Vorgehen im Projekt
2.1 Entwicklung einer Messzelle zur Erfassung der Gussrohlingsgeometrie (Fh IWU)
2.2 Dokumentation der Einarbeitung und Verschleißerfassung (IFUM)
3. Ergebnisse zur Gussteilvermessung
3.1 Optomechanisches Konzept
3.1.1 Vergleich von Lösungsvarianten
3.1.2 Grundprinzip der phasencodierten Photogrammetrie
3.1.3 Mess- und Kalibrierstrategie
3.1.4 Entwurf des Messaufbaus
3.2 Prototypsystem zur Gussteilvermessung
3.2.1 Messzelle
3.2.2 Kalibriernormale
3.2.3 Softwarekomponenten
3.3 Leistungsmerkmale des Prototypsystems
3.3.1 Verifikation der Messgenauigkeit an Standardgeometrien
3.3.2 Verifikation am Gussmodell
4. Leitfaden zur Einarbeitungsdokumentation und Verschleißerfassung
4.1 Grundlagen der einsetzbaren optischer Messtechnik
4.2 Prozessabläufe beim Anwender
4.3 Festlegung der Anforderungen an die Messtechnik
4.4 Vorstellung des verwendeten Messsystems
4.4.1 Vorgehensweise bei einer Vermessung
4.5 Exemplarische Vermessung zur Festlegung optimaler Randbedingungen
4.5.1 Untersuchung der Umgebungseinflüsse
4.5.2 Überprüfung der Messgenauigkeit
4.5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse der exemplarischen Vermessungen
4.6 Dokumentation der Einarbeitung
4.6.1 Optische Vermessung der Bauteile und Werkzeuge
4.6.2 Nutzung der erfassten Daten
4.6.3 Vergleich zwischen CAD-Kontur und Punktewolken
4.6.4 Nachkonstruktion anhand der Punktewolken im CAD-System
4.6.5 Rückführung der optischen Messdaten in CAD-Daten im CAD-System
4.6.6 Rückführung der optischen Messdaten in CAD-Daten über Fremdsoftware
4.6.7 Einarbeitungsdokumentation im Praxiseinsatz
4.7 Verschleißerfassung im Fertigungsprozess
4.7.1 Exemplarische Untersuchung des Verschleißforschritts
4.7.2 Ergebnisse der exemplarischen Verschleißuntersuchungen
4.7.3 Verschleißerfassung im Praxiseinsatz
5. Zusammenfassung und Ausblick
6. Literaturverzeichnis