Ziel der Entwicklung
Die Oberflächenbeschaffenheit von Maschinenelementen ist oft funktionsrelevant. Eine unerwünschte Eigenschaft ist der sogenannte Drall. Dabei handelt es sich um mikroskopische Oberflächenstrukturen, die dazu führen, dass Schmiermittel bei Rotation der Welle in axialer Richtung transportiert werden. Drall kann somit zur Leckage oder dem Trockenlaufen einer Dichtung führen.
Ein optisches Prüfgerät, mit dem Makrodall detektiert werden kann, ist unter dem Namen „Shaft Twist Tester“ (STT) bekannt. Das Prinzip hinter dem Gerät ist die Beugung des Laserlichts an den periodischen Makrodrallriefen. Bei einem drallfreien Werkstück ist ein einzelner Reflex zu sehen, bei Vorhandensein von Makrodrall dagegen zeigt sich ein Beugungsmuster aus mehreren Linien. Bisher muss bei diesem System das Streulichtbild vom Nutzer selbst interpretiert werden. Ziel des Projekts war daher die Entwicklung einer automatischen Softwareauswertung des Streulichtbildes, um die subjektive Bewertung zu ersetzen und die Handhabung zu vereinfachen. Um diese Softwareauswertung zu ermöglichen, war auch eine Anpassung der Hardware nötig, da das Prüfteil für eine quantitative Auswertung genau platziert sein muss.
Vorteile und Lösungen
Im Rahmen des Projekts wurde der optische Aufbau der (Beleuchtungs- und Abbildungsoptik) optimiert, um einen möglichst großen Messbereich hinsichtlich der Drallperioden abzudecken. Dazu wurde die Abbildungsoptik austauschbar gestaltet, um verschiedene Abbildungsmaßstäbe zu ermöglichen.
Im Rahmen des Projekts wurde auch untersucht, ob die Integration eines Deflexions- bzw. Triangulationssensors als unterstützende Sensorik eine bessere Überwachung der Positionierung und Charakterisierung von Formabweichungen ermöglicht. Dies stellte sich jedoch nicht als praktikabel heraus. Stattdessen wurde das Gerät als Tischgerät mit Prismenauflage konzipiert, wodurch die genaue Positionierung des Prüfteils sichergestellt ist. Der optische Aufbau ist verschiebbar gelagert wird mittels einer Feder an das Prüfteil herangedrückt, damit Prüfteile verschiedener Durchmesser untersucht werden können, ohne den Aufbau dafür anpassen zu müssen.
Um ein reproduzierbares und quantitatives Ergebnis zu erhalten, wurden Algorithmen entwickelt und getestet, die verschiedene Aspekte des Streulichtbildes auswerten (Beugungslinien zur Makrodrallcharakterisierung, Intensitätsschwankungen in Umfangsrichtung als Indiz für Formabweichungen/Rattermarken, Überlapp mit dem vorherigen Bild, Intensitätsverteilung zur Bestimmung des Abbildungsmaßstabs).
Basierend auf diesen Algorithmen wurde eine Anwendersoftware entwickelt, welche die Drallprüfung entweder punktuell oder entlang der gesamten Dichtringgegenlauffläche erlaubt. Zur Untersuchung entlang der gesamten Gegenlauffläche wird das Prüfteil per Hand rotiert. Dies ist möglich, da der Überlapp zwischen aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt wird und die Rotation daher nicht gleichmäßig sein muss. Die Untersuchung entlang des kompletten Umfangs eines Prüfteils von 50 mm Durchmesser ist damit in ca. 15 Sekunden möglich.
Als Ergebnis des Projekts entstand ein Prototyp, mit dem sich Makrodrall und Rattermarken verlässlich detektieren lassen. Durch die schnelle und einfache Handhabung eignet er sich für eine 100-%-Kontrolle in der Fertigung.
Zielgruppe und Zielmarkt
Der hier entwickelte Prototyp dient der Qualitätskontrolle von geschliffenen Wellen. Die Maschinenbaubranche ist daher der primäre Zielmarkt, insbesondere die Hersteller von Antriebstechnik und deren Zulieferer. Der Shaft Twist Tester, welcher ebenfalls bei INNOVENT entwickelt wurde und die Grundlage der hier beschriebenen Entwicklung bildet, ist in der Branche bekannt. Hier bestehen die Anknüpfpunkte für die Verwertung der Ergebnisse des Projekts. Zur Serienfertigung soll der Transfer der Ergebnisse an ein geeignetes Unternehmen stattfinden.
