Ein in Frankreich entwickeltes bildverarbeitungsgestütztes System setzt für die Auswuchtung von Kurbelwellen neue Maßstäbe. In nur 37 Sekunden wird ein digitalisiertes, auf den hundertstel Millimeter genaues 3D-Modell einer Kurbelwelle erstellt. Mit der darauf basierenden Simulation der Nachbearbeitungsschritte kann die optimale Bearbeitungsachse definiert und im Voraus bestimmt werden, ob die Kurbelwelle auch ausgewuchtet werden kann.

Kurbelwellen, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden, wandeln die lineare Hubbewegung der Motorkolben in eine Drehbewegung um und leiten diese an das Getriebe weiter. Schon eine geringe Unwucht, die durch Fertigungsschwankungen entstehen kann, führt bei steigender Drehzahl zu Lagerbelastungen und Vibrationen. Deswegen ist eine Auswuchtung erforderlich. Dazu werden die Kurbelwellen auf eine hohe Rotationsgeschwindigkeit gebracht. Mit Hilfe der dabei entstehenden Vibrationen wird die überschüssige Masse entlang ihrer Achse bestimmt, um festzulegen, an welchen Stellen Materialüberschüsse später durch Bohren oder Fräsen entfernt werden müssen. „Diese traditionellen Messsysteme können durch die Nutzung von 3D-Bildverarbeitungstools erheblich verbessert werden“, erklärt Olivier Bommart, Vertriebsmanager bei Videometric. Seit mehreren Jahren entwickelt das auf 3D-Vision-Systeme spezialisierte Unternehmen innovative Lösungen für den Automotive-Bereich. Mehrere Monate arbeiteten die französischen 3D-Spezialisten im Forschungslabor an einer neuen Auswuchtmethode für Kurbelwellen. Im Mittelpunkt stand dabei der Digitalisierungsprozess. Dieser musste so ausgelegt sein, dass auch komplexe Kurbelwellen innerhalb des aktuellen Industriestandards in 45 Sekunden zu 100 % digitalisiert und ausgewertet sind. Gleichzeitig sollten mit der neuen Methode auch die Schwachpunkte der traditionellen Systeme behoben werden. „Bei den herkömmlichen Systemen können Bearbeitungsschritte notwendig sein ohne die Sicherheit, dass die Kurbelwelle am Ende perfekt ausgewuchtet ist. Im schlimmsten Fall steht am Ende des Bearbeitungsprozesses eine noch immer schlecht ausgewuchtete Kurbelwelle, die nur verschrottet werden kann, weil Teiledefekte nicht frühzeitig genug erkannt wurden. Das ist Zeit- und Geldverschwendung“, erläutert Bommart.

In 37 Sekunden ein komplettes 3D-Modell
Die von Videometric entwickelte Methode wird derzeit auf einem bildverarbeitungsgestützten GigE-System, das u.a. aus 32 Industriekameras, 16 LED-Beamern und mehreren Computern besteht, realisiert. Es digitalisiert eine Kurbelwelle hochpräzise in nur 37 Sekunden. Dazu ist ein Set aus je acht versetzt montierten Karbonfaserarmen auf die Oberfläche der Kurbelwellen ausgerichtet. An jedem Arm sind ein LED-Beamer und zwei digitale VGA-Kameras der TX-Serie von Baumer befestigt. Durch die sequentielle Ansteuerung der Beamer wird ein alternierendes, sinusförmiges Streifenmuster aus nichtkohärentem Licht mit variierender Intensität auf die Kurbelwellenoberfläche projiziert. Die Sequenz der verzerrten geometrischen Streifenmuster wird von den Kameras mit 60 Bilder/s erfasst. Um ein vollständiges 3D-Modell zu erhalten, wird die Kurbelwelle dreimal, jeweils nach einer Drehung um 120°, „gescannt“. „Wir setzen keine hochauflösenden Kameras ein, da sie eine sehr große Datenmenge erzeugen und damit das Bildaufnahmetempo verlangsamen würden. Stattdessen erhalten wir bei einer Auflösung von 640 x 480 Pixel nur 300 Kilobytes große Graustufenbilder, die wir über GigE schnell zur Verarbeitung an den PC senden können“, erklärt Bommart. „Die bewährten Kameras der TX-Serie bieten sich für diese Anwendung an, denn sie kombinieren die VGA-Auflösung mit einer hohen Bildrate und niedrigem Rauschen.

Bildverarbeitung auf den hundertstel Millimeter genau
Für die Bildverarbeitung nutzt das französische Entwicklungsunternehmen eine interne proprietäre leistungsstarke Software, die verschiedenste Algorithmen zur Digitalisierung, 3D-Verarbeitung, Volumenkalkulation und zum CAD-Vergleich beinhaltet. Für jeden Arm werden zuerst die aufgenommenen Bilder zu einer 3D-Punktwolke verarbeitet, die aus über 1,6 Millionen Punkten bestehen kann. Abhängig von der Komplexität der Kurbelwelle werden insgesamt zwischen 11 und 20 Millionen 3D-Punkte erfasst. Aus den 16 Punktwolken wird im anschließenden Verarbeitungsprozess ein engmaschiges auf den hundertstel Millimeter genaues 3D-Modell der gesamten Kurbelwelle erstellt. Dieses wird mit dem in der Datenbank hinterlegten CAD/CAM-Herstellermodell verglichen, um eventuelle Formfehler zu lokalisieren. Die Abweichungen zwischen den beiden Modellen werden über die Berechnung des jeweiligen Trägheitsmomentes kenntlich gemacht und Materialüberschüsse oder -defizite farbig gekennzeichnet. Eine anschließende Simulation der notwendigen Nachbearbeitungsschritte ermittelt, ob eine Auswuchtung erfolgreich wäre. Dazu wird das Trägheitsmoment sowie die Masseverteilung nach einem Bearbeitungsschritt bestimmt. Bei einer positiven Rückmeldung wird die ideale Bearbeitungsachse an die weiterverarbeitende Maschine ausgegeben. Fehlerhafte Teile können so noch vor der Weiterbearbeitung und damit anfallenden Bearbeitungskosten ausgeschleust werden.
Die neue Methode führt zu einer besseren Produktqualität und höheren Profitabilität. Der aktuelle Prototyp liefert in nur 37 Sekunden einen 100 %igen 3D-Scan und eine Auswucht-Analyse der Kurbelwelle. Damit wird der aktuelle Industriestandard für den Einsatz in einer Produktionslinie unterschritten, aber die gleiche Genauigkeit wie bei traditionellen Systemen erreicht. Da Kurbelwellen in ihrer Form recht komplex sein können, kann die Anzahl der Arme flexibel angepasst werden. Darüber hinaus ist der Einsatz der Methode auch für andere Arten von rotierenden Teilen denkbar.