Prüfung von Oberflächenfehlern an der Kurbelwelle: Vollständige visuelle Inspektion der Haupt- und Pleuellager mit Endoskop-Detektion

Übersicht

Kurbelwellen sind komplexe rotierende Komponenten mit mehreren Lagern, Gegengewichten, Flanschbereichen, Keilnuten und inneren Bohrungen. Ein zuverlässiges Inspektionssystem muss daher nicht nur sichtbare Oberflächenfehler abdecken, sondern auch tiefe oder innere Bereiche, die mit herkömmlichen externen Kameras nicht effektiv inspiziert werden können.

Die Kurbelwellen-Visionsinspektionslösung von Big Bird Industrial kombiniert mehrere Area-Scan-Kameras, maßgeschneiderte Endoskope, robotergestützte Positionierung, maschinelles Sehen auf Basis von Deep Learning sowie Rückverfolgbarkeit durch Codierung. Das System dient der Inspektion von Oberflächenfehlern an Kurbelwellen, der Verifikation der Durchdringung von Entlastungsbohrungen in Gegengewichten, dem Nachweis von Fremdkörpern innerhalb von Zentrierlöchern sowie dem Auslesen von Produktidentifikationscodes.

Für die genannte Anwendung beträgt der angegebene Inspektionszyklus 48 Sekunden; die tatsächliche Taktdauer ist je nach Werkstück und Inspektionsanforderungen konfigurierbar.

1. Warum die Kurbelwelleninspektion herausfordernd ist

Die Kurbelwelle ist ein zentrales Komponente des Antriebsstrangs und wandelt die Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um. Ihre Geometrie ist stark dreidimensional: Hauptzapfen und Pleuelzapfen verteilen sich entlang der Welle und sind über Kurbelbacken und Gegengewichte miteinander verbunden.

Je nach Kurbelwellenkonstruktion kann die Inspektion folgende Bereiche umfassen:

• Hauptzapfen
• Pleuelzapfen
• Lange Zapfen
• Flanschzapfen
• Flanschflächen
• Schlüssennuten
• Zentrierbohrungen
• Ausgleichsgewichts-Auslichtungsbohrungen
• Kleine Stirnflächen

Obwohl viele dieser Bereiche ähnliche metallische Oberflächen aufweisen, können die potenziellen Fehler signifikant variieren. Typische Prüfziele umfassen:

• Schlagmarken
• Krähenfüße
• Flecken
• Abriebstellen
• INHALTE
• Risse
• Schwarze Zunder- oder Schwarzhautbereiche
• Materialmangel
• Öl- oder Wasserkontamination

Die Herausforderung wird größer, weil eine Kurbelwelle ein rotierendes Bauteil mit mehreren Prüfwinkeln ist. Eine herkömmliche stationäre Kameraanlage kann möglicherweise keine ausreichende Abdeckung aller erforderlichen Oberflächen gewährleisten. Das Prüfsystem erfordert daher koordinierte Bewegung und mehrwinkelige Bildaufnahme.

Seitliche Durchdringung der Ausgleichsgewichts-Auslichtungsbohrungen

Ein besonders wichtiges Prüfmerkmal ist die seitliche Durchdringung der Ausgleichsgewichts-Auslichtungsbohrungen.

Entlastungsbohrungen werden bearbeitet, um das Kurbelwellengleichgewicht einzustellen und unnötige Masse zu reduzieren. Durchbricht eine Bohrung in eine angrenzende Fläche oder Wand, kann dies die lokale strukturelle Integrität beeinträchtigen und einen potenziellen Spannungskonzentrationsbereich erzeugen.

Da dieser Fehler von außen oft schwer zu erkennen ist, ermöglicht eine Inspektion von innen mittels maßgeschneiderter Endoskope eine geeignetere Erkennungsmethode.

2. Inspektionslösung: Multikamera-Vision + maßgeschneiderte Endoskope

Das Kurbelwellen-Inspektionssystem nutzt mehrere Bildgebungsverfahren, um sowohl externe Oberflächen als auch schwer zugängliche innere Bereiche abzudecken.

Der veröffentlichte Inspektionsumfang umfasst:

QR-Code-Integrität

Das System prüft, ob der QR-Code der Kurbelwelle vollständig und lesbar ist; dies bildet die Grundlage für die Produktidentifikation und die Rückverfolgbarkeit in nachgelagerten Prozessen.

Seitliche Durchdringung der Ausgleichsgewichts-Auslichtungsbohrungen

Maßgeschneiderte Endoskope dienen der Inspektion der inneren Geometrie von Entlastungsbohrungen sowie der Erkennung einer unzulässigen Durchdringung in angrenzende Bereiche.

Fremdkörpererkennung im Zentrierloch

Der innere Zustand des Kurbelwellen-Mittellochs kann auf Fremdkörper oder Verunreinigungen untersucht werden, die von einer externen Kamera möglicherweise nicht sichtbar sind.

Inspektion kleiner Stirnflächen

Die kleinen Stirnflächen langer Wellenabschnitte können auf Folgendes untersucht werden:

• Schlagmarken
• Krähenfüße
• Flecken
• Verschleiß
• INHALTE
• Risse
• Schwarze Zunderhaut
• Materialmangel
• Öl- und Wasserkontamination

Flanschinspektion

Der Flanschbereich kann ebenfalls in das Sichtinspektionsprogramm einbezogen werden, um festgelegte Oberflächendefekte zu identifizieren.

Wellenabschnitts- und Keilnuteninspektion

Das System kann die Oberflächen von:

• Hauptzapfen
• Pleuelzapfen
• Lange Zapfen
• Flanschzapfen
• Schlüssennuten

Dieser Mehrbereichsansatz ermöglicht es, das Inspektionsprogramm entsprechend der tatsächlichen Kurbelwellengeometrie und den vom Kunden festgelegten Akzeptanzkriterien zu konfigurieren.

3. Kamera- und Hardwarekonfiguration

Das referenzierte System verwendet eine Kombination aus hochauflösenden Flächen-Scan-Kameras und maßgeschneiderten Endoskopen.

Bildsystem

• flächen-Scan-Kameras mit 5 MP: 2 Einheiten
• flächen-Scan-Kameras mit 20 MP: 12 Einheiten
• Maßgeschneiderte Endoskope: 3 Sätze
• Großflächige Lichtquellen: 1 Satz
• Leistenlichter: 2 Sätze

Die externen Kameras liefern hochauflösende Bilder der sichtbaren Kurbelwellenoberflächen, während die Endoskope die Inspektionsfähigkeit in Bereiche wie Zentrierbohrungen und Entlastungsbohrungen erweitern.

Vision und Steuerung

Das System integriert:

• QR-Code-Lesung
• Maschinelles Sehen zur Qualitätsprüfung
• Deep-Learning-Algorithmen
• Prüfbarkeit und Rückverfolgbarkeit
• Analyse von Inspektionsdaten
• Vom Benutzer definierte Inspektionsbereiche
• Fernansicht von Inspektionen

Das Steuerungssystem verwendet zwei Industrie-PCs von Advantech (AAEON) gemäß der veröffentlichten Gerätekonfiguration.

Robotergestützte Positionierung

Kollaborative Roboter-Konfigurationen können Marken umfassen, darunter:

• Elite Robots
• SIASUN
• Han's Robot
• JAKA

Der Roboter bewegt das Bildgebungssystem oder koordiniert die Inspektionsposition entsprechend dem programmierten Inspektionspfad.

4. Technische Spezifikationen

Die folgenden Spezifikationen basieren auf den öffentlich zugänglichen Produktinformationen des referenzierten Inspektionssystems.

Die Zykluszeit von 48 Sekunden ist ein veröffentlichter Anwendungswert und keine allgemeingültige Zykluszeitgarantie. Die tatsächliche Zykluszeit ist anhand der Kurbelwellengeometrie, der Anzahl der Prüfpunkte, der Kameraausstattung, des Roboterpfads und der erforderlichen Prüfkriterien zu berechnen.

5. Wichtige Aspekte bei der Auswahl eines Kurbelwellen-Vision-Inspektionssystems

5.1 Prüfmerkmale nach Lage definieren

Kurbelwellen weisen zahlreiche Prüfbereiche auf, wobei verschiedene Bereiche unterschiedliche Fehlerkriterien haben können.

Vor der Gerätekonstruktion sollte die Prüfspezifikation klar festlegen:

• Welche Oberflächen müssen inspiziert werden
• Welche Defektarten müssen erkannt werden
• Zulässige und unzulässige Zustände
• Erforderliche Bildauflösung
• Ob Rückverfolgbarkeit erforderlich ist

Dies reduziert wiederholte Algorithmus-Anpassungen während der Inbetriebnahme.

5.2 Bewertung der Zugänglichkeit von Tiefbohrungen

Bei der Fremdkörperinspektion in Zentralbohrungen und bei der Seitenpenetrationsinspektion von Entlastungsbohrungen geht es nicht allein um die Kameraauflösung.

Das Projekt sollte bewerten:

• Bohrdurchmesser
• Bohrtiefe
• Innengeometrie
• Zugänglichkeit des Endoskops
• Erforderlicher Sichtwinkel
• Beleuchtungsbedingungen

Eine maßgeschneiderte Endoskop-Konfiguration ist möglicherweise erforderlich, wenn der Inspektionsbereich nicht direkt durch eine externe Kamera eingesehen werden kann.

5.3 Code-Lesung als separaten Leistungsindikator behandeln

Die QR-Code-Inspektion ist unmittelbar mit der Produkt-Rückverfolgbarkeit verknüpft.

Daher sollte die Code-Lesung unabhängig von der Fehlererkennung validiert werden, einschließlich:

• Leseerfolgsrate
• Code-Standort
• Oberflächenbeschaffenheit
• Kontrast
• Markierungsqualität
• Zusammenhang zwischen Codedaten und Inspektionsergebnissen

5.4 Den 48-Sekunden-Takt validieren

Die Inspektion vieler Bereiche innerhalb eines Zyklus erfordert parallele Bildaufnahme und optimierte Roboterbewegung.

Während der Systemintegration sollte die Zykluszeitberechnung Folgendes umfassen:

1. Werkstück-Beladung
2. Positionierung
3. Roboterbewegung
4. Bilderfassung
5. Algorithmusverarbeitung
6. Code-Lesung
7. Ergebnisausgabe
8. Werkstückentladung

Die veröffentlichte Zykluszeit von 48 Sekunden ist daher als Referenz für eine spezifische Anwendung und nicht als fester Wert für jede Kurbelwelle zu betrachten.

6. Tiefenlernbasierte Bildverarbeitung für mehrere Kurbelwellendefektarten

Die Kurbelwelleninspektion umfasst Defektkategorien mit deutlich unterschiedlichen visuellen Merkmalen. Eine einzelne herkömmliche regelbasierte Bildverarbeitungsmethode mag für jeden Inspektionspunkt möglicherweise nicht ausreichend sein.

Die referenzierte Lösung nutzt eine tiefenlernbasierte maschinelle Bildverarbeitung zusammen mit Inspektionsbereichen, die entsprechend verschiedener Kurbelwellenbereiche definiert sind.

Für praktische Projekte sind ausreichende Defektbeispiele sowohl für das Training als auch für die Validierung wichtig.

Dies gilt insbesondere für Defekte wie:

• INHALTE
• Schwarze Zunderhaut
• Oberflächenkratzer
• Schlagmarken
• Verschleiß
• Materialmangel

Die Probenvorbereitung ist oft eine der wichtigsten Phasen eines Machine-Vision-Projekts. Das System benötigt repräsentative Beispiele sowohl für in Ordnung befindliche Produkte als auch für verschiedene Arten von NG-Zuständen, um zuverlässige Prüfkriterien zu etablieren.

7. Big Bird Industrial – Maschinenvisionsprüfkapazitäten

Harbin Big Bird Industrial Co., Ltd. (Big Bird Industrial), ehemals Harbin Shimada Big Bird Industrial Co., Ltd., bietet integrierte Lösungen für präzise industrielle Reinigung und Maschinenvisionsprüfung im Automobil- und Präzisionsfertigungsbereich.

Das Maschinenvisionsgeschäft ist nach spezialisierten Prüfbereichen strukturiert, darunter:

• Orient See – dimensionale und geometrische Prüfung
• Surface See – Oberflächenfehlerprüfung
• Assembly See – Montageprüfung und Poka-Yoke
• Inner See – Prüfung von Bohrungen und Innenwänden
• Paint See – Prüfung von Lackoberflächenfehlern
• Algorithm & Software Platform – Bildverarbeitungsalgorithmen und Softwaresysteme

Für Kurbelwellenanwendungen kann Surface See die Inspektion von Oberflächenfehlern außen übernehmen, während Inner See für Inspektionsanforderungen an innenliegenden Bohrungen und schwer zugänglichen Bereichen eingesetzt werden kann.

Diese Kombination ermöglicht die Integration verschiedener Inspektionstechnologien entsprechend der Geometrie und den Qualitätsanforderungen des Antriebskomponenten.

FAQ

Warum muss eine Durchdringung der Ausgleichsgewichts-Entlastungsbohrung an der Seitenfläche erkannt werden?

Entlastungsbohrungen dienen der Auswuchtung der Kurbelwelle und der Reduzierung unnötiger Masse. Falls beim Bearbeitungsprozess eine Bohrung in eine benachbarte Wand oder Fläche durchbricht, kann die lokale Struktur beeinträchtigt werden, und der betreffende Bereich kann zu einer potenziellen Spannungskonzentrationsstelle werden.

Da der Fehler möglicherweise von außen nicht sichtbar ist, kann ein Endoskop zur Inspektion des inneren Bereichs verwendet werden.

Kann ein einzelner Bildverarbeitungsalgorithmus alle Arten von Kurbelwellen-Oberflächenfehlern erkennen?

Nicht unbedingt.

Kurbelwellendefekte können sich hinsichtlich Form, Textur, Kontrast und Lage erheblich unterscheiden. Deep-Learning-Algorithmen können für verschiedene Defektkategorien und Inspektionsbereiche konfiguriert werden; eine zuverlässige Leistung hängt jedoch stark von repräsentativen Trainings- und Validierungsstichproben ab.

Defekte wie Einschlüsse und schwarze Zunderbildung können besonders stark von Material- und Oberflächeneigenschaften abhängen, weshalb die Stichprobensammlung einen wichtigen Bestandteil des Projekts darstellt.

Können wirklich so viele Inspektionsbereiche in 48 Sekunden abgedeckt werden?

Das referenzierte System nutzt mehrere parallel arbeitende Kameras, wobei unterschiedliche Kameras verschiedenen Inspektionsbereichen zugeordnet sind. Eine robotergestützte Positionierung kann das Bildaufnahmesystem zudem an die erforderlichen Inspektionspositionen bewegen.

Die veröffentlichte Zykluszeit von 48 Sekunden bezieht sich auf die referenzierte Anwendung. Die tatsächliche Taktdauer ist anhand der spezifischen Kurbelwelle, des Inspektionsumfangs, des Roboterpfads und der Bildverarbeitungsanforderungen zu berechnen.

Können Öl- oder Wasserkontaminationen fälschlicherweise als Oberflächendefekt interpretiert werden?

- Ja, das ist es.

Öl und Wasser können Reflexionen, dunkle Bereiche oder andere visuelle Muster erzeugen, die bestimmten Oberflächenfehlern ähneln können. Sie werden daher in dem genannten System als spezifische Prüfziele aufgeführt.

Bildalgorithmen können Merkmale wie Form und Position nutzen, um verschiedene Zustände zu unterscheiden. Bleibt jedoch zu viel Öl oder Wasser am Werkstück zurück, kann eine Vorreinigung oder ein Vorblasen stromaufwärts die visuelle Störung vor der Inspektion verringern.

Fazit

Die Sichtprüfung von Kurbelwellen ist nicht allein eine Frage der Installation einer hochauflösenden Kamera. Die komplexe Geometrie von Kurbelwellen erfordert eine Kombination aus Mehrwinkel-Bildgebung, robotergestützter Positionierung, maßgeschneiderten Endoskopen, Deep-Learning-Algorithmen und Rückverfolgbarkeitsfunktionen.

Für Außenzapfen, Flanschflächen und Keilnuten bietet die Mehrkameraprüfung eine breite Flächenabdeckung. Für Zentrierbohrungen und Gegengewichts-Ausgleichsbohrungen ermöglicht die Endoskopie eine Erweiterung der Maschinenvision in Bereiche, die herkömmliche externe Kameras nicht direkt beobachten können.

Für die genannte Anwendung bietet das System einen veröffentlichten Prüfzyklus von 48 Sekunden; die endgültige Konfiguration und der Takt werden durch die spezifische Kurbelwellengeometrie und die Prüfanforderungen bestimmt.