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ToolSpy

Machine Vision System zur Werkzeugverschleißmessung
ToolSpy

Im Rahmen der Fräsbearbeitung können Prozessstörungen auftreten, die sich an den gefertigten Bauteilen widerspiegeln. Einen erheblichen Einfluss haben hierbei Abweichungen durch Verschleiß der eingesetzten Fräswerkzeuge. Die Erfassung des Werkzeugzustandes während der Bearbeitung liefert deshalb wertvolle Informationen für eine Prozessüberwachung sowie beim Einfahren der Prozesse [1].

Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt, geb. 1961, ist Inhaber des Lehrstuhls für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement und Mitglied des Direktoriums des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen sowie als Leiter der Abteilung Mess- und Qualitätstechnik des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer IPT. Dipl.-Ing. René Hermes, geb. 1978, ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement des WZL und Spezialist auf dem Gebiet industrielle Bildverarbeitung.

Um gezielte und nachhaltige Maßnahmen zur Prozessoptimierung einleiten zu können, müssen die Abweichungen am Werkzeug nicht nur qualitativ bekannt sein, sondern auch quantitativ ermittelt werden. Dies erfordert direkte Messungen an den eingesetzten Werkzeugen. Zu diesem Zweck wurde am Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen ein Machine Vision System Namens ToolSpy entwickelt, welches eine schnelle und bedienerunabhängige Verschleißmessung direkt in der Fertigung ermöglicht und somit eine automatisierte Variante der derzeitigen Messtechnik mittels Messmikroskop darstellt.
Messgrößen
Eine der häufigsten Ursachen für Störungen in der spanenden Fertigung ist der Werkzeugverschleiß. Verschleißursachen sind mechanischer Abrieb, Diffusionsvorgänge, Aufbauschneidenbildung und Verzunderung [2]. Meist treten mehrere dieser Verschleißerscheinungen gleichzeitig an den Werkzeugschneiden auf. Klassischer Weise werden zur Bestimmung der Standzeit eines Werkzeugs der Freiflächenverschleiß und der Kolkverschleiß herangezogen. Der Freiflächenverschleiß bildet sich an den Freiflächen von Haupt- und Nebenschneide. An diesen Flächen gleitet die Werkstückoberfläche vorbei und hinterlässt deutliche Markierungen. Ihre Ausdehnung in Schnittrichtung wird als Verschleißmarkenbreite VB bezeichnet (Bild 1).
Durch den Freiflächenverschleiß kommt es zu einer vergrößerten Reibzone zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück, so dass die lokalen Temperaturen und die Zerspankräfte ansteigen. Diese zunehmende Belastung der Schneide erhöht die Gefahr der plastischen Verformung des Schneidkeils und kann zu regenerativem Rattern und zu Werkzeugbruch führen. In Folge dessen kommt es, bedingt durch die Geometrie des Schneidkeils, zu einem Schneidkantenversatz. Dieser Effekt tritt sowohl in Richtung der Freifläche (SVa), als auch in Richtung der Spanfläche (SVg) auf, wodurch es zu einer schlechten Oberfläche sowie zu Maßabweichungen am Werkstück kommt.
Der Kolkverschleiß wird durch seine Ausdehnung (Kolkmittenabstand KM, Kolklippenbreite KF und Kolkbreite KB) und vor allem durch die Kolktiefe (KT) charakterisiert. Ein zunehmender Kolkverschleiß schwächt die Schneidkante und bewirkt in der Regel einen größeren effektiven Spanwinkel, so dass sich die Zerspankräfte verringern. Mit zunehmendem Kolkverschleiß wächst die Gefahr des Schneidenausbruchs (Bild 1) [2].
Kostenpotenziale
In der betrieblichen Praxis lassen sich die dargestellten Kennwerte zur Beschreibung des Werkzeugverschleißes bisher kaum mit vertretbarem Aufwand ermitteln.
Die Werkzeugstandzeit wird daher, wenn überhaupt, anhand von Messungen des Freiflächenverschleißes bewertet, da dieser leichter zu erfassen ist. Dementsprechend orientieren sich auch die Richtwerte für die Standzeit am maximal zulässigen Freiflächenverschleiß. Je nach Schneidstoff werden VBmax-Werte im Bereich von 0,2–1,5 mm empfohlen [3]. Meist werden diese Verschleißmessungen jedoch nur in der Werkzeugaufbereitung oder beim Prozesseinfahren vorgenommen, wobei Messlupen und Messmikroskope die für diesen Zweck nach wie vor am häufigsten eingesetzten Messmittel darstellen.
Um Bearbeitungswerkzeuge optimal zu nutzen bedarf es nicht nur einer genauen Einschätzung des aktuellen Verschleißzustandes, sondern auch einer Prognose über die verbleibende Reststandzeit. Wie Untersuchungen belegen, ist die Standzeit eine Zufallsgröße, die in guter Näherung einer logarithmischen Normalverteilung folgt. Dennoch zeigt jedes Werkzeug ein etwas anderes charakteristisches Verschleißverhalten, wie es in Bild 2 dargestellt ist. Nach einem anfangs degressiv zunehmenden Verschleiß erfolgt der Übergang in einen linearen Kurvenverlauf. Mit dem Eintreten von progressivem Verschleiß kündigt sich schließlich das Standzeitende des Werkzeugs an.
Der reale Verschleißverlauf eines flexibel eingesetzten Werkzeugs (Einzel- und Kleinserienfertigung) entspricht jedoch nicht der idealisierten Werkzeugverschleißkurve. Die reale Standzeitkurve der meisten Werkzeuge setzt sich stückweise aus den jeweiligen Elementen idealisierter Standzeitkurven zusammen. Bei der Abschätzung der Standzeit verbleibt also immer ein gewisses Risiko, ob das prognostizierte Standzeitende mit dem tatsächlichen Standzeitende zusammenfällt.
Einer prozessintermittierenden Werkzeugverschleißmessung kommen damit im Wesentlichen drei Schlüsselfunktionen zu:
  • Erleichterung bei der Prognose des Standzeitverhaltens durch schnelle Bereitstellung der Verschleißmessgrößen.
  • Reduzierung der durch frühzeitigen Werkzeugbruch entstehenden Nacharbeits-/Ausschusskosten.
  • Senkung der Betriebskosten für eine dem Fertigungsprozess nachgelagerte Messtechnik, da diese durch einen stabilen und überwachten Prozess nicht mehr oder zumindest nicht mehr in dem Umfang benötigt wird.
Verschleißmessung mit IBV
Für eine automatisierte Messung des Werkzeugverschleißes kommen taktile Messverfahren nicht in Betracht, da die verschlissene Schneide eine Freiformfläche darstellt, die gerade im Verschleißbereich aufgrund der kleinen Abmessungen nur sehr ungenau taktil gemessen werden kann. Die Werkzeugverschleißmessung ist also – in Fortsetzung der bisherigen manuellen Messungen – eine Sichtprüfaufgabe im Auflichtverfahren, für deren automatisierte Realisierung sich ein Bildverarbeitungssystem anbietet [4].
Eine automatisierte Verschleißmessung an Fräswerkzeugen erfordert aufgrund des großen auf dem Markt erhältlichen Werkzeugspektrums ein flexibles Messsystem. Aus diesen Gründen wurde am WZL eine an die verschiedenen Fräsergeometrien sowie an das Reflexionsverhalten der unterschiedlichen Schneidstoffe und Beschichtungen eine optimal angepasste Beleuchtungseinheit entwickelt. Durch die Aufnahme zweier, unter verschiedenen Beleuchtungseinstellungen aufgenommener Bilder, ermöglicht es diese Beleuchtungseinheit, den Verschleißbereich an den Umfangsschneiden von Fräswerkzeugen softwaretechnisch zu segmentieren und zu messen.
Zum einen wird ein voll ausgeleuchtetes Schneidenbild aufgenommen. Hierfür kommen ein mit High-Brightness-LEDs bestücktes Halb-Ringlicht sowie eine Dunkelfeldbeleuchtung (zwei seitlich angeordnete LED-Arrays und ein LED-Array auf der Oberseite) zum Einsatz. Durch die dichte Packung des Halb-Ringlichtes kann dem Auflicht ein diffuser Charakter verliehen werden, der es ermöglicht, ein annähernd reflexionsfreies Bild der Schneide aufzunehmen. Dieses Bild dient später der Kantendetektion. Zum anderen wird ein rein seitlich beleuchtetes Schneidenbild aufgenommen. Dieses wird später für die Merkmalextraktion sowie die Verschleißmessung benötigt.
Bei der eingesetzten Kamera handelt es sich um eine 8 Bit monochrom CCD-Kamera mit einer effektiven Sensorgröße von horizontal 752 und vertikal 582 Pixeln. In Kombination mit einer Optik mit festem Fokus kann eine Auflösung von ± 4,6 µm realisiert werden. Für eine flexible Messung des Werkzeugverschleißes gemäß den Vorgaben der Norm ist des Weiteren eine Aktorik entwickelt worden, die eine automatische Positionierung von Kamera und Beleuchtung je nach vorliegender Werkzeuggeometrie (Durchmesser, Länge und Schneidenanzahl) erlaubt. Für die automatisierte Messung des vorliegenden Verschleißes sind drei bewegliche Achsen in der Messstation notwendig (Bild 3).
Nach dem Einsetzen des Werkzeugs in einer HSK 63A Werkzeugaufnahme wird das Werkzeug unter der Angabe des Werkzeugdurchmessers in der Benutzeroberfläche anhand einer automatischen Werkzeuglängendetektion positioniert. Anschließend findet eine automatische Schneidenerkennung statt, so dass die einzelnen Schneiden nacheinander automatisch aufgenommen werden.
Die Bilddatenauswertung der einzelnen Schneiden geschieht mittels digitaler Bildverarbeitung. Der Kern dieser Auswertung ist die zugrunde liegende Bildverarbeitungskette, welche einem typischen Aufbau folgt [5].
Nach der Bildaufnahme erfolgt im Rahmen der Vorverarbeitung eine Werkzeugkantendetektion. Für eine optimale Messung des Verschleißbereiches ist die Kenntnis der vorliegenden Werkzeugkontur unabdingbar. Durch einen an die Werkzeugverschleißproblematik angepassten Kantendetektionsalgorithmus ist es möglich, die im Bild vorliegenden Werkzeugkanten (Hauptschneide und Eckenradius) zu erkennen und somit die Werkzeugschneide vom Hintergrund zu separieren.
Anschließend erfolgt eine automatische Verstärkung der Bildinformationen, um Bildstörungen zu dämpfen sowie den Dynamikbereich des Systems bestmöglich auszunutzen. Dieser Bildverarbeitungsschritt ist notwendig, da das seitlich beleuchtete Schneidenbild, welches die eindeutigen Verschleißinformationen enthält, sehr viel dunkler ist als das voll ausgeleuchtete Schneidenbild, aus dem sich die Verschleißinformationen jedoch nicht robust separieren lassen. Die geringe Helligkeit des seitlich beleuchteten Bildes resultiert aus der geringen Blendenöffnung. Diese wird benötigt, um eine große Schärfentiefe zu realisieren, die wiederum erforderlich ist, um auch größere Eckenradien sicher zu detektieren.
Durch die seitliche Beleuchtungsstrategie kommt es neben der Reflexion des Verschleißbereiches teilweise zu Störreflexionen einzelner grob texturierter Oberflächenbereiche, wie sie bei längerer Einsatzzeit der Werkzeuge entstehen. Diese können durch eine intelligente Elimination (Morphologische Operationen und eine Blob-Analyse) entfernt werden [5]. Dieser Schritt stellt sicher, dass der anschließenden Merkmalextraktion nur Informationen übergeben werden, bei denen es sich um den Werkzeugverschleißbereich handelt. Nur eine präzise und robuste Segmentierung des Verschleißbereichs ermöglicht eine fehlerfreie Weiterverarbeitung. Die Zusammenfassung der Verschleißinformationen (Blobs) zu einem einzigen Bereich erfolgt über eine aktive Kontur (Snake-Algorithmik).
Nach der Segmentierung wird im Rahmen der Verschleißklassifikation eine statistische Bewertung des Werkzeugaußenkontur- und des Verschleißkonturverlaufes durchgeführt. Aufgrund der bei einem Bruch vorliegenden sehr ungleichmäßigen Außen- und Verschleißkontur ist es möglich, eine bildverarbeitungsgestützte Klassifikation von Bruch und Freiflächenverschleiß ohne Expertenwissen zu realisieren.
Bei vorliegendem Freiflächenverschleiß kann anhand der pixelbasierten Beschreibung des Verschleißgebietes eine messtechnische Auswertung erfolgen. Für die rechnerische Bestimmung mit einem Bildverarbeitungssystem ist insbesondere die Verschleißfläche AVB geeignet. Eine Ableitung der in der Normung vorgeschriebenen Größen VBmax und VB kann anschließend aus der Größe AVB erfolgen [3].
Einsatzszenarien
Für den effizienten Einsatz der automatisierten Verschleißmessung in der Fertigung sind im Wesentlichen zwei Szenarien denkbar [4]:
Szenario 1
Eine fertigungsintegrierte Messinsel, die den Mitarbeitern zur Verfügung steht. Diese wird parallel zur Bearbeitung durch die Bediener beschickt und ermöglicht anschließend eine automatisierte und reproduzierbare Klassifikation und Messung der Werkzeuge ohne notwendiges Expertenwissen. Die maschinennahe Nutzung ermöglicht zum einen ein schnelles Einfahren neuer Zerspanprozesse, zum anderen aber auch eine Vermeidung von unvorhergesehenem Werkzeugbruch im späteren Fertigungsablauf. Ein weiterer Einsatzort der Messinsel liegt in der Werkzeugaufbereitung, um über die weitere Verwendung von bereits im Einsatz gewesenen Werkzeugen zu entscheiden. Durch die Messung ist es an dieser Stelle möglich, Vorgaben für ein verschleißangepasstes Nachschleifen der Werkzeuge zu bestimmen. Vor allem im Bereich teurer Schneidstoffe (z.B. PKD oder CBN) sind hier große Kostenpotenziale auszuschöpfen.
Szenario 2
Ein vollautomatisiertes Verschleißmesssystem, welches direkt am Werkzeugmagazin einer Werkzeugmaschine appliziert wird. Hierfür muss die Messzelle jedoch gegen Staub, Späne und Ölnebel geschützt werden. Durch eine automatisierte Bestückungseinheit, welche beispielsweise aus zwei Linearachsen und einem pneumatischen Greifer besteht, wird das Werkzeug in bestimmten Intervallen, in seiner Nebenzeit, der automatisierten Werkzeugverschleißmessung zugeführt. Um Messfehler zu vermeiden ist es jedoch unbedingt notwendig, das zu messende Werkzeug vor der Einwechselung in die Messstation mittels einer Druckluft- oder Bürsteneinheit von Spänen und Kühlschmierstoffresten zu reinigen. Anschließend wird das Werkzeug in die der Geometrie entsprechenden Messpositionen verfahren und gemessen. Die notwendige Information über den Werkzeugdurchmesser kann direkt von der Maschinensteuerung zur Verfügung gestellt werden.
Welche der aufgezeigten Szenarien sinnvoll eingesetzt werden kann, hängt vom betrachteten Fertigungsprozess, der Fertigungsorganisation sowie den zu produzierenden Losgrößen des Unternehmens ab. Im WZL wurde exemplarisch das Szenario einer fertigungsintegrierten Messinsel umgesetzt (Bild 4).
Untersuchungen haben gezeigt, dass durch das am WZL entwickelte Machine Vision System ToolSpy eine Werkzeugverschleißmessung mit einer Messunsicherheit von 8 µm ermöglicht werden kann. Vergleichbare Untersuchungen mit einem Messmikroskop erbrachten eine Unsicherheit von 40 µm, die insbesondere auf den beim Messmikroskop vorliegenden großen Bedienereinfluss zurückzuführen ist. Die benötigte Messzeit für die Messung einer Werkzeugschneide liegt mit dem vorgestellten ToolSpy-System bei 10 Sekunden, was deutlich unterhalb der Messdauer einer Schneide am Messmikroskop liegt.
Teile der Entwicklungsarbeiten wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 368, Autonome Produktionszellen, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Literatur
[1] Pfeifer, T.: Fertigungsmesstechnik. 2. Aufl. München: Oldenbourg Verlag, 2001
[2] König, W.; Klocke, F.: Fertigungsverfahren. Bohren, Drehen, Fräsen. 7. Aufl. Berlin: Springer Verlag, 2002
[3] Norm ISO 8688–1 (Mai 1989). Tool life testing in milling. Part 1: Face milling.
[4] Pfeifer, T.; Schmitt, R.; Hermes, R.: Automatisierte Werkzeugverschleißmessung. In: Pfeifer, T.; Schmitt, R. (Hrsg.): Autonome Produktionszellen. Berlin: Springer Verlag, 2006, S. 210–229
[5] Jähne, B. et al.: Digitale Bildverarbeitung. 6. Aufl. Berlin: Springer Verlag, 2005
Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH, Aachen
QE 530
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