Transkript

1 3D analýza pohybu 3D optické měřicí technologie pro dynamickou analýzu lisovacích strojů Měřicí systém: PONTOS Klíčová slova: tváření plechů, optimalizace procesů tváření, MFU, analýza vodicích lišt, náklon a tuhost stroje, dynamické chování nástroje, tváření, spojování, lisování, stříhání, ohýbání, tažení. Hlavní dopad na kvalitu vyrobených prvků během tváření na mechanických lisech mají dynamické výrobní procesy. Tuhost stroje, odchylky vodicích lišt, stejně jako vycentrování a úhlové pozice beranu, to všechno zde hraje klíčovou úlohu. Prováděním analýz systémem PONTOS, bezkontaktním kamerovým systémem pro měření 3D optických deformací, se životnost nástroje značně zvyšuje. Výsledkem je optimalizace výrobních procesů a snížení nákladů. 1

2 3D analýza pohybu / vývoj součástí (nástroje, optimalizace procesu) Optické měřicí technologie pro dynamickou analýzu lisovacího stroje Měřicí systém: PONTOS Klíčová slova: tváření plechů, optimalizace procesů tváření, MFU, analýza vodicích lišt, náklon a tuhost stroje, dynamické chování nástroje, tváření, spojování, lisování, stříhání, ohýbání, tažení. Některé výrobní procesy vyžadují při tváření detailnější analýzy než ty, které jsou běžně známé. 3D optická měření umožňují kontrolovat tvar a rozměry tvářecích nástrojů a plechových částí během zkoušky nástroje. Úspěšná výroba však nezávisí jen na geometrii nástroje. Ne vždy je vinou tvářecích nástrojů skutečnost, že není možné vyrobit díly optimálních parametrů. Dynamické procesy mají také hlavní vliv na kvalitu dokončených výrobků. Tyto procesy tváření mohou být 3D deformačním měřicím systémem v reálném čase analyzovány. 3D optický systém PONTOS je tak velmi vhodný pro měření deformací a analýzu dynamiky tvářecích strojů. Stereo kamerový systém zobrazuje odchylky (např. vodicích lišt), stejně jako centrování, úhlové pozice či tuhost stroje. 2

3 Deformace základové desky může být změřena a velikost zdvihu upravena. Tím se zvyšuje životnost nástrojů, optimalizují se výrobní procesy a snižují celkové výrobní náklady. Systém pro měření dynamických deformací PONTOS je přenosný 3D optický měřicí systém, který měří souřadnice v prostoru a posuvy diskrétních bodů. Systém se skládá ze 2 kamer, stativu a počítače (Obr. 1) Před samotným měřením jsou body nebo plochy měřeného objektu identifikovány samolepícími a tepelně odolnými diskrétními body. (Obr. 2) Obr.1: Systém PONTOS pro 3D optické analýzy - 2 kamery, stativ, počítač (běžné komponenty pro měření). Obr. 2: PONTOS, samolepící diskrétní body. Měřicí hlava systému PONTOS je volně upevněná na stativu před měřeným objektem. Systém může být libovolně spuštěn a nahrává obrázky pro jeden nebo i více zátěžových stavů. Stereo kamerový systém je schopný identifikovat jakékoliv množství diskrétních bodů současně v oblasti měřícího prostoru, a to s maximální přesností (Obr.3 a Obr.4). Systém PONTOS je virtuálně samo-monitorující, přesnost kalibrace je kontrolována při každém měření. Obr.3: Princip měření systémem PONTOS, prostorové 3D online měření pozic a posunutí bodů, vektory 3D posunutí. Obr.4: Online měření deformace větrné elektrárny. PONTOS umožňuje analýzu vibrací, frekvencí, kroucení, ohýbání, rychlosti, zrychlení a trajektorie. 3

4 Díky vysokorychlostním kamerám používaných při měření je také možné měřit rychlé procesy a pohybové sekvence, například během testování ve větrných tunelech nebo crash-testech.(obr. 5) Obr.5: PONTOS vysokorychlostní měření deformací během crash-testu. Online analýza vektorů posunutí a trajektorie. Pozice a pohyby prvků, které nemohou být měřeny přímo (například zakrytá část nebo břit nástroje), jsou měřeny prostřednictvím adaptérů. Jakákoliv skupina bodů tak může být nejdříve definována jako adaptér a potom podle toho kalibrována. (Obr. 6) Obr.6: PONTOS měření břitu nástroje použitím adaptéru (skupina kalibrovaných bodů), vizualizováno pomocí jednoduchých tvarů. Probíhá-li měření online, software Pontos může při deformační analýze automaticky vyhodnocovat zaznamenané snímky v reálném čase. Pro vyhodnocování pozic a posunutí jsou k dispozici různé typy reportů. 3D vektory posuvu a diagramy jsou využívány pro monitorování deformací (krut, ohyb atp.) v reálném čase a pro zjišťování hodnot vibrací, rychlostí a zrychlení. Výsledky měření a analýzy mohou být exportovány jako PDF soubory nebo jako obrázky, videa a diagramy. (Obr.7) 4

5 Obr. 7: Report měření systémem PONTOS, 3D vektory posunutí jsou vizualizovány pro každý deformační krok. Jako výstup real-time analýzy jsou kromě reportu také diagramy a videa. Příprava systému PONTOS na měření středního objektu trvá obvykle méně než jednu hodinu. Systém může být rychle a flexibilně adaptován na různé velikosti měřících objemů, v rozsahu od pohlednice až po větrnou elektrárnu. Tím tento systém může nahradit konvenční extenzometry, LVDT a akcelerometry. PONTOS je kompletně nový systém, který je také použitelný pro měření rychlosti. Dynamické analýzy lisovacích strojů Tváření je jeden z nejkomplexnějších procesů ve výrobě, a to vzhledem k velkému počtu používaných tvářecích kroků a moderních lisovacích nástrojů. Při výrobě velmi kvalitních kovových komponentů hraje zásadní roli znalost základních vlastností kovových polotovarů, používaných při tváření, stejně jako přesnost geometrie a velmi vysoká jakost povrchu matric. Pro optimální nastavení parametrů stroje, jako je například správné nastavení síly přidržovače, velikosti zdvihu, lisovací síly lisu a tažné raznice, jsou potřebné odborné znalosti. Z tohoto důvodu může trvat delší dobu, než bude nová kovová součást odpovídat správné kvalitě. Drahé tvářecí nástroje mohou mít netypicky krátkou životnost a vyrábět součástky nižší kvality. Tyto problémy však vždy nesouvisí jen s vadnými tvářecími nástroji, u kterých je možné rychle zkontrolovat tvar nebo přesnost rozměrů 3D skenováním, ale jsou ovlivňovány i výrobními parametry nebo vzájemným statickým a dynamickým působením lisu a nástroje (deformace, vibrace, zpětný ráz beranu atd.). Další problémy mohou být vyřešeny v průběhu samotného procesu tváření, a to dynamickou analýzou. Konvenčními měřicími technikami je velmi obtížné vyhodnotit rychlé a složité pohyby s požadovanou přesností. Proto je pro tento účel velmi vhodný 3D optický měřicí systém. Systém PONTOS poskytuje detailní měření složitých a velmi rychlých postupů, které jsou typické pro procesy tváření. 5

6 Cíle měření Pro zjištění původu příčin a optimalizaci procesu tváření, který je založen na hydraulickém tlaku, bylo důležité zaměřit se na dvě základní otázky. První zahrnovala statickou analýzu tuhosti stroje, měření průhybu a náklonu příčníku, základové desky a rámu stroje po dobu působení síly. Úlohou bylo změřit deformace způsobené centrickým a excentrickým umístěním polotovaru. Druhá se týkala zjištění dynamické tuhosti stroje, což bylo následně provedeno online analýzou procesu tváření. Úlohou nebylo jen zjistit průhyb beranu, tažných raznic a matrice, ale také jejich rychlost a vibrace. Samostatně byl měřen zpětný zdvih beranu. Postup měření Mobilní 3D optický systém PONTOS lze jednoduše integrovat do existujícího testovacího prostředí a umístit před měřený stroj. (Obr. 8) Samo-monitorující systém dodává spolehlivá a přesná data i při ztížených pracovních podmínkách. Obr. 8: Nastavení systému PONTOS ve výrobě. Obr. 9: Příprava na měření, komponenty určené pro měření statické a dynamické deformace jsou označeny diskrétními body. Diskrétní samolepící body jsou aplikovány na komponenty, jako je základová deska, lisovací deska, příčník, přidržovač, beran, raznice a matrice, individuálně. Stroj se nastaví do výchozí pozice, která reprezentuje referenční stav před zahájením statické i dynamické analýzy. 6

7 Výsledky měření statické tuhosti stroje Jak jsme se již zmiňovali, příprava systému PONTOS na měření trvá méně než jednu hodinu. Na základě obdržených snímků může být okamžitě provedena analýza a vyhodnocení, které mohou být kdykoliv následně změněny. Výsledky ze statické zátěžové analýzy jsou graficky znázorněny na obr.10. Zatížení ve středu nevykazuje téměř žádné vychýlení, zatímco zatížení ve vzdálenosti 10% od středu způsobuje patrné naklonění lisovací desky a příčníku. Pro vykompenzování pohybu pevných bodů se předpokládá, že základová deska je stabilní. Systém PONTOS umožňuje nahrávat analogové signály sil a synchronizovat je s daty optického měření. To garantuje, že deformace jsou měřeny se správným vstupním parametrem, neboť posuvné síly se mohou diametrálně lišit od skutečných nárazových sil. Obr.10: Analýza statické deformace, sklon lisovací desky a příčníku při zatížení ve středu (vlevo) a ve vzdálenosti 10% od středu (vpravo). Pro vykompenzování pohybu pevných bodů se předpokládá, že základová deska je stabilní. Analogové měření obvykle vykazuje rozdíly mezi posuvnými a skutečnými nárazovými silami a je synchronizováno s optickým deformačním měřením. Analýza statického zatížení také zaznamenala průhyb základové desky. (Obr. 11) Obr. 11: Analýza statické deformace (průhybu lisovací desky při zatížení ve středu). 7

8 Systém PONTOS umožňuje opticky měřit deformace a současně nahrávat analogové signály. Analýza tak zahrnuje i externě přiváděné signály sil způsobujících ohyb a náklon. Deformace stroje se proto neodvozují od teoretických sil, ale od skutečných, které byly zaznamenány v analogovém režimu. Výsledky měření dynamické tuhosti stroje Při analýze dynamické tuhosti stroje v reálném čase byla vedle měření pohybu jednotlivých částí analyzována i rychlost posunutí beranu, tažné raznice a přidržovače. (obr.12) Současně může být také sledován vliv sevření přidržovače a působení úderu střižníku (červená čára ve středu diagramu). Zde jsou jasně patrné nežádoucí kmity, což většinou vede k horší kvalitě výlisku a rychlejšímu opotřebení nástroje. Dynamická analýza přetvoření Obr. 12: Dynamická analýza přetvoření, měření pohybu tažnice a beranu v reálném čase (vlevo). Měření dráhy přidržovače a horní upínací desky (vpravo nahoře). Rychlost posunutí přidržovače (vpravo uprostřed). Rychlost posunutí horní upínací desky a střižného nástroje (diagram vpravo dole). Bezprostředně po úderu střižníku jsou k rozeznání jasné kmity, které jsou zodpovědné za horší kvalitu výlisku a rychlejší opotřebení nástroje. 8

9 Následně byla provedena analýza prohnutí horní upínací desky, přidržovače a dolní upínací desky v reálném čase. (Obr.13) Zde je nutné si povšimnout zřetelného efektu při zastavení přidržovače. V okamžiku úderu střižníku se lehce prohne pouze přidržovač. Dynamická analýza přetvoření Obr.13: Dynamická analýza přetvoření, měření pohybu horní upínací desky, přidržovače a dolní upínací desky v reálném čase (vlevo). Měření délky přidržovače a horní upínací desky (diagram vpravo nahoře). Prohnutí přidržovače (diagram vpravo uprostřed). Prohnutí dolní upínací desky (diagram vpravo dole). Závěr Na základě definovaných parametrů procesu získáme data, která mohou být používána pro analýzu rychlosti, ohybu a naklonění přidržovačů, beranů, matrice a tažných razníků během působení tlaku. To umožňuje analyzovat vibrace a kmitání a vypracovat záznam o tuhosti stroje při reálných tvářecích silách. Analyzování schopností stroje má zásadní význam pro odhad dalších postupů a k posouzení, zda je možné v budoucnu dosáhnout požadované kvality výlisků. Výsledky můžeme použít na optimalizaci budoucích tvářecích procesů, kdy je možné najít správnou kombinaci rychlosti, tlaku a tvářecích sil. Parametry procesu a vzájemné statické a dynamické působení lisu a nástroje jsou určujícími faktory pro opotřebení nástroje, 3D optická analýza pak pomáhá významně prodloužit životnost nástroje. Firma GOM děkuje za možnost realizace tohoto projektu firmě IFUM Hannover. 9