Aufbau einer Steuerungserweiterung zur geregelten Kompensation von Fehlern der Ringgeometrie beim Radial-Axial Ringwalzen durch Bildverarbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Beim Radial-Axial Ringwalzen werden nahtlose, ringförmige Bauteile hergestellt. Das Formspektrum reicht dabei von scheiben- bis hin zu hülsenförmigen Bauteilen mit rechteckigem oder profiliertem Querschnitt. Dabei können trotz langjährigem Forschungsaufwand auch heutzutage immer noch Fehler im Prozess auftreten. Um fehlerbehaftete Ringe noch in den zulässigen Toleranzbereich zu überführen, werden alle zu walzenden Ringe mit einem Aufmaß versehen, welches mit der dem Umformprozess nachgelagerten spanenden Bearbeitung wieder entfernt wird und auf diese Weise ggf. vorliegende Fehler eliminiert oder zumindest reduzieren zu kann. Die herkömmliche Sensorik moderner Ringwalzanlagen erfasst die Geometrie des Rings während des Prozesses an wenigen Punkten mit mechanischen oder laseroptischen Sensoren. Dabei können jedoch keine Fehler direkt erfasst und gemessen werden. Dieser Abschlussbericht legt die Ergebnisse des Forschungsvorhabens „Aufbau einer Steuerungserweiterung zur geregelten Kompensation von Fehlern der Ringgeometrie beim Radial-Axial Ringwalzen durch Bildverarbeitung“ dar. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist die automatisierte Vermeidung auftretender Prozess- und Formfehler am Beispiel des Ringkletterns und der Unrundheit. Hierzu wurde zunächst eine Katalogisierung der Fehlereinflussparameter und bestehender Walzstrategien zur Vermeidung der fokussierten Fehler durchgeführt. Nach der theoretischen Konzeption und Entwicklung der Regelkreise diente der zu Beginn des Projektes entstandene Katalog als Basis für die anschließende experimentelle Erprobung der Einflussgrößen. Als zu untersuchende Faktoren für das Phänomen des Ringkletterns konnten die Einstellhöhe des Walztisches, die Höhendifferenz der Zentrierrollen, die Drehzahldifferenz bzw. Vertrimmung der Axialwalzen sowie die Verlagerung des Ringes in Bezug auf die Maschinenlängsachse identifiziert werden. Insbesondere den konstruktiven bzw. geometrischen Einflussfaktoren der Tischhöhe und der Zentrierrollenhöhendifferenz konnte mithilfe der statistischen Versuchsplanung ein besonders großer Effekt auf die Kletterneigung eines Ringes nachgewiesen werden. In weiteren Versuchsreihen konnte ebenfalls der Effekt der Prozessparameter der Axialwalzenvertrimmung und der Ringverlagerung ohne die überdeckenden Effekte der geometrischen Faktoren quantifiziert werden. Die aus diesen Informationen abgeleitete Gegenwalzstrategie der invertierten Vertrimmung der Axialwalzen konnte aufgrund einer verzögerten Überarbeitung der Steuerungsschnittstelle zunächst nur statisch, also nicht reaktiv, getestet werden, zeigte jedoch bereits eine Reduzierung der maximalen Kletterhöhe um 56 %. Die Effektivität der alleinigen Verlagerung des Ringes zur Vermeidung des Klettern im Radialwalzspalt konnte nicht statistisch signifikant belegt werden. Hinsichtlich der Entstehung der Unrundheit konnte dargelegt werden, dass die theoretische Annahme über zu große radial eingeleitete Kräfte auf den Ring eine deformierende Wirkung haben. Die Kräfte können sowohl über eine schlecht abgestimmte Verfahrstrategie des Axialgerüstes, als auch über die Zentrierrollen eingeleitet werden. In beiden Fällen kann jedoch nach Korrektur der negativen Einflussnahme der Effekt über eine stückweise Verlagerung von 1-2 Grad zu größten Teilen minimiert und abhängig von der Walzphase und der restlichen Walzzeit in Einzelfällen auch vollständig beseitigt werden. Auf Seiten des Bildverarbeitungssystems konnte die Softwarearchitektur vollumfassend umgesetzt werden. Der Entwurf des Vermessungsalgorithmus konnte innerhalb des Projektes deutlich hinsichtlich der Wiederholgenauigkeit, Geschwindigkeit, Bildverarbeitungsoperatoren und Stabilität verbessert werden und somit eine verlässliche Detektion von Prozess- und Formfehlern im Radial-Axial Ringwalzen sichergestellt werden. Lediglich auf Seiten der SPS stehen noch einige Arbeiten aufgrund der verzögerten Überarbeitung der Steuerungsschnittstelle aus. Die Kamera konnte jedoch bereits erfolgreich über eine Ethernet-Verbindung in die Steuerung integriert werden. Die Implementierung der Regelkreise unter Berücksichtigung der Prozessstabilität konnte bereits umfassend vorbereitet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Measurement of rings via image processing during and after radial-axial ring rolling. In: Applied Mechanics and Materials (Vol. 794), S. 136–143, 2015
Husmann, S.; Husmann, T.; Meier, H.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.794.136) - Determination of Influencing Factors on Ring Climbing in Radial-Axial Ring Rolling via Design of Experiments. In: Advanced Materials Research, Bd. 1140, S. 19–26, 2016
Husmann, S.; Kuhlenkötter, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1140.19) - An Approach to Develop an Algorithm to Detect the Climbing Height in Radial-Axial Ring Rolling. In: AIP Conf. Proc., Bd. 1896, S. 190017-1 - 190017-6
Husmann, S.; Hohmann, M.; Kuhlenkötter, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5008230) - Investigation for an Automated Avoidance of Ring Climbing in Radial-Axial Ring Rolling. In: Procedia Engineering 207, S. 1242–1247, 2017
Husmann, S.; Kuhlenkötter, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.877)
