Konventionelle Methoden, mit denen der Verschleiß von Schleifscheiben beurteilt wird, haben alle den gleichen Nachteil: Die Scheiben müssen zum Messen ausgebaut werden. Diesen Stress kann sich der Anwender sparen, wenn er für diese Messaufgabe ein Bildverarbeitungs-System einsetzt.
Ralf Nonn ist Mitarbeiter an der Universität Kaiserslautern
Durch die steigenden Prozessorleistungen und fallenden Hardwarepreise vergrößern sich die Anwendungsfelder der digitalen Bildverarbeitung ständig. Speziell in der Automatisierung ist es inzwischen selbstverständlich, dass Bilder digital erfasst, verarbeitet und analysiert werden, um die Qualität der gefertigten Produkte zu sichern. Vision-Systeme werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt. Es lassen sich Zündkerzen und Schraubverschlüsse ebenso prüfen wie Kekse oder Topfpflanzen. Die Analyse von Schleifscheibenoberflächen ist wegen der mikroskopischen Abmessungen der Szene etwas Besonderes und daher nicht ganz so einfach.
Das Schleifen wird nach DIN 8590 als Trennverfahren bezeichnet. Je nach Art der Trennung werden diese Verfahren weiter unterteilt. Aufgrund der zufälligen Verteilung der Körner auf der Schleifscheibenoberfläche gehört das Schleifen zu den Verfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden.
Da die Schleifstoffe ständig verbessert werden, lassen sich in den meisten Fertigungsprozessen die Vor- und Feinbearbeitung zusammenfassen. Bei den hochharten Schleifstoffen Diamant und CBN werden die Körner vom so genannten Bindegewebe zusammengehalten – meist einem keramischen oder metallischen Stoff im Verbund.
An die Oberflächenbeschaffenheit der Schleifscheiben werden hohe Anforderungen gestellt, denn die Qualität der Bearbeitung wird maßgeblich durch die Anzahl der Körner auf der Schleifscheibe bestimmt. Während des Betriebs kommt es zu Kornabsplitterungen, bei denen sich die Form des Schleifkorns verändert. Weiterhin werden durch die enormen Kräfte, die auf das Korn wirken, die Körner gelockert. Im weiteren Einsatz lösen sich die Körner ganz aus dem Bindegewebe, und es kommt zum Kornausbruch. Mit der Zahl der Körner nimmt aber auch die Qualität der bearbeiteten Werkstückoberfläche ab.
Rauheit der Oberfläche lässt sich nicht Pi mal Daumen prüfen
Im Rahmen eines Projekts an der Universität Kaiserslautern wurde der Verschleiß von Schleifscheiben mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung bestimmt. Die Motivation für dieses Projekt lag auf der Hand: Andere Verfahren, wie beispielsweise der subjektive visuelle Eindruck oder der Tastvergleich mit einem Muster bekannter Rauheit, sind sehr ungenau.
Im Wesentlichen gibt es drei objektive Verfahren, mit denen sich die Oberflächenbeschaffenheit von Schleifscheiben bestimmen lässt:
– Beim Abdruckverfahren dient der Abdruck der Oberfläche auf einem Abdruckstoff als Negativ der Oberfläche.
– Im Tastschnittverfahren fährt eine Nadel die Oberfläche ab. Mit Hilfe eines induktiven Wegaufnehmers wird die Höhe der Nadel bestimmt.
– Die Wirkrautiefenermittlung bildet die Oberfläche auf ein Probestück ab, aus dem dann die Ergebnisse gewonnen werden.
Alle genannten Verfahren haben einen gemeinsamen Nachteil: Um den Verschleißzustand zu bestimmen, muss die Scheibe erst ausgebaut werden. Das wiederum hat mehrere Nachteile. So kann die Maschine während der Kontrolle nicht produzieren. Zudem wird die Position der Scheibe durch den Aus- und Einbau zwangsläufig verändert, was Qualitätsunterschiede der Produkte zur Folge haben kann. Gründe genug, ein Verfahren zur Hand zu haben, mit dem der Zustand der Schleifscheibe in der Schleifmaschine bestimmt werden kann – in kurzer Zeit und ohne großen Aufwand.
Das Vision-System, mit dem die Schleifscheiben untersucht werden, liefert mehrere Bilder für die Auswertung. Dazu wird die Scheibe von unterschiedlichen Richtungen aus beleuchtet, denn eine einzige Beleuchtungsrichtung kann wegen des Schattenwurfs der Körner nur bedingt Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit der Schleifscheibe geben. Die Anlage wird über einen PC bedient. Über Schrittmotoren lassen sich die gewünschten Beleuchtungswinkel anfahren. Die CCD-Kameras sind so ausgelegt, dass in jedem eingestellten Winkel ein Bild aufgenommen werden kann.
Körner müssen nicht mehr von Hand ausgezählt werden
Neben der Beleuchtungsrichtung lässt sich auch die Beleuchtungsintensität differenzieren. Für eine objektive Beurteilung der Schleifscheibe ist ein Bild notwendig, das sich aus mehreren Aufnahmen zusammensetzt. Diese wiederum werden mit verschiedenen Beleuchtungswinkeln und – intensitäten aufgenommen. In der Praxis sieht das dann folgendermaßen aus: In einem Bild lassen sich bestimmte Bereiche der Oberfläche gut analysieren, während andere zu hell oder zu dunkel erscheinen und somit nicht differenziert werden können. Über weitere Teile der Oberfläche kann aus dieser Beleuchtungsrichtung gar keine Aussage getroffen werden. Deswegen sind mehrere Aufnahmen notwendig. Sammelt man die Information aller Bilder und fügt sie softwaretechnisch zusammen, dann ergibt sich ein aussagekräftiges Gesamtbild der Oberfläche.
Mit Hilfe einer so genannten Segmentierung werden die Körner vom übrigen Bildinhalt getrennt und anschließend beschrieben. Besonders interessant sind Zahl und Größe der Körner. In der Sprache der Bildverarbeitung sind dies so genannte Merkmale, die am Ende eine Klassifizierung ermöglichen: Ist die Scheibe noch zu gebrauchen oder muss sie ausgewechselt werden?
Alle nötigen Arbeitsschritte erfolgen automatisch, nachdem die Bilder aufgenommen wurden. Im Gegensatz zum Abdruckverfahren, bei dem die Körner von Hand ausgezählt werden müssen, ist der Aufwand mit der Vision-Lösung ungleich geringer. Relevante Bilder lassen sich zudem in beliebigen Dateiformaten speichern und können für spätere Auswertungen wieder geladen werden.
Die Forscher haben ein klares Ziel vor Augen: Bereits erste Veränderungen an den Körnern oder im angrenzenden Bindegewebe sollen vom Vision-System automatisch erkannt werden. Denn aus der Kornform und dem Zustand des angrenzenden Bindegewebes lässt sich der Verschleiß der Schleifscheibe ableiten. Für jedes Korn ließe sich abschätzen, wie lange es noch vom Bindegewebe gehalten wird. Gestützt auf Erfahrungswerte, könnte so das System rechtzeitig vorschlagen, die Schleifscheibe zu wechseln.
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