ZUR MESSUNG DER ROHRINNENKONTUR

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Umformen von Flachprodukten in Schlitzrohre oder Rohrvorprodukte, umfassend wenigstens ein Innenumformwerkzeug für das zumindest schrittweise Umformen des Flachproduktes in radialer Richtung des zu erzeugenden Schlitzrohr- oder Rohrvorprodukt- Querschnitts sowie wenigstens ein Außenformwerkzeug zur Umformung des Flachprodukts von außen.

Die Herstellung insbesondere dickwandiger Rohre, beispielsweise für Pipeline- Anwendungen oder dergleichen, erfolgt üblicherweise durch schrittweises Umformen von Flachprodukten zu einem so genannten Schlitzrohr. In einem ersten Fall werden Bleche spiralförmig so gewickelt, dass ihre Seitenkanten aneinander anliegen und durch Einbringen einer spiralförmigen Schweißnaht ein Rohr mit rundem Querschnitt erzeugt wird. In einem alternativen Herstellungsprozess erfolgt die schrittweise Umformung von Flachprodukten über ihre gesamte Länge zu einem zuletzt rohrförmigen Produkt mit im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt, welches schließlich durch Einbringen einer Längsnaht aus einem Schlitzrohr oder Rohrvorprodukt zu einem Rohr wird.

Die Umformung des Flachprodukts erfolgt üblicherweise ebenfalls in zwei Schritten, wobei eine erste Umformung zu einem Vorprodukt mit einer Kontur führt, die eine Abfolge von Polygonen entspricht. Eine nahezu kreisrunde Kontur des Querschnitts wird dann in einem zweiten Schritt mittels eines Expanders erreicht.

Mittels eines Freibiegestempels und üblicherweise zwei Gegenlagern oder Unterwerkzeugen, beispielsweise in der Form von Unterbalken, wird das Flachprodukt in dem o. g. ersten Umformschritt lokal umgeformt und durch Hintereinanderschaltung vieler derartiger Umformoperationen die letztendlich gewünschte Form des Werkstücks erlangt.

Der Fachmann spricht in diesem Zusammenhang üblicherweise von einer zweidimensionalen "Kontur" der Rohrquerschnitte und einer dreidimensionalen "Form" des gesamten Rohres, Schlitzrohres oder Rohrvorproduktes. Diese Umformung erfolgt hierbei häufig anhand von Erfahrungswerten des Bedienpersonals, wobei die Positionierung der Flachprodukte bei der Umformung sowie die Einstellung der jeweiligen Umformgrade in jedem Abschnitt viel Erfahrung voraussetzt. Dieser Vorgang wird umso komplexer, wenn Stahlgüten mit verschiedener Festigkeiten und entsprechend unterschiedlichem Umformverhalten zu Schlitzrohren umgeformt werden sollen. Eine industrielle Fertigung derartiger Schlitzrohre stellt daher aufgrund von mehreren Störgrößen, wie beispielsweise Blechdicken- und Chargenschwankungen sowie der Rückfederung nach der Umformung einen ausgesprochen komplexen Prozess dar.

Eine Vorrichtung zum Herstellen von Rohren aus derartigen Blechtafeln ist beispielsweise in der DE 102 32 098 B4 mit dem Titel "Vorrichtung zum Herstellen von Rohren aus Blechtafeln" beschrieben.

Es besteht daher in der Fachwelt der Wunsch, derartige komplexe Umformprozesse soweit wie möglich automatisieren zu können und gleichzeitig Rohrquerschnitte mit einer geringst möglichen Abweichung von der gewünschten Kontur, vorzugsweise Rundheit des Querschnitts, schließlich auch der gewünschten Form über die gesamte Länge, herstellen zu können, um zum einen allen Qualitätsanforderungen des Marktes zu genügen und zum anderen den nachfolgenden Schweißprozess nicht zu erschweren. Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Umformen von Flachprodukten in Schlitzrohre oder Rohrvorprodukte zur Verfügung zu stellen, welche eine ständige Überprüfung und schließlich auch Automatisierung des Umformvorgangs selbst weitestgehend unabhängig von der Dicke und den Materialeigenschaften des umzuformenden Flachproduktes ermöglichen. Diese Aufgabe wird im erfindungsgemäßen Sinne mit einer Vorrichtung, umfassend die Merkmale des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren, umfassend die Merkmale des Anspruchs 14, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen definiert.

Im erfindungsgemäßen Sinne sind wenigstens eine Lichtquelle, beispielsweise eine Superluminiszenzdiode oder eine Weißlichtquelle und wenigstens ein Empfänger mit zumindest einem Umformwerkzeug verbunden und dienen zur Messung der Schlitzrohr- oder Rohrvorprodukt-Innenkontur. Verwendung findet im erfindungsgemäßen Sinne jedes optische Messgerät, umfassend eine Lichtquelle und einen Empfänger. Bevorzugt wird jedoch, wenn das Messgerät eine Laserquelle und einen Laserdetektor umfasst.

Hierdurch wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die mit besonders genau arbeitenden Mitteln eine hochpräzise Überprüfung der jeweiligen Umformschritte bis hin zur schlussendlichen Überprüfung der Kontur des gesamten Querschnitts, vorzugsweise der Form des Schlitzrohrs oder Rohrvorprodukts erlaubt. Die Messung erfolgt überdies schnell und kann bauraumsparend in üblicherweise verwendeten Rohrformpressen der eingangs beschriebenen Art integriert werden, ohne den Umformvorgang selbst zu stören. Abhängig von den Messergebnissen kann schließlich jeder lokale, schrittweise Umformvorgang oder der gesamte Umform- prozess vorzugsweise online und vollautomatisiert durchgehend überprüft werden und ggf. eine Nachjustierung erfolgen. Eine solche bevorzugte Automatisierung des Umformprozesses insgesamt, bei der eine ständige Nachverfolgung der Ergebnisse einzelner Umformschritte erfolgt, erlaubt eine effiziente Verfahrensführung und eine sehr viel kontrolliertere Umformung der Ausgangsmaterialien zu umgeformten Blechstrukturen mit definierten Konturen oder Formen als die bisher praktizierte Umformung anhand von Erfahrungswerten des Anlagenbetreibers. Abweichungen können schließlich viel schneller und genauer kompensiert und die umgeformten Blechstrukturen wesentlich zuverlässiger und genauer hergestellt werden. Dies führt schließlich zu einem geringeren Ausschuss bei der Produktion und demzufolge auch zu einer Kostenersparnis, nicht zuletzt auch aufgrund eines geringeren Personalbedarfs.

Da die Steuerung und Regelung regelmäßig anhand der Ergebnisse einzelner Umformschritte oder des gesamten Umformprozesses erfolgt, können zudem Störgrößen wie Materialschwankungen oder Ungenauigkeiten bei der Vorabmodellierung des Prozesses unverzüglich kompensiert werden.

Die Lichtquelle projiziert hierfür Lichtstrukturen, insbesondere Punkte, Linien oder Muster auf die Innenoberfläche des zumindest teilweise umgeformten Flachproduktes. Diese Lichtstruktur kann besonders bevorzugt örtlich und / oder zeitlich verändert werden. Die Detektion und Auswertung der gestreuten Lichtstruktur erfolgt durch einen Empfänger und vorzugsweise mit einer geeigneten Steuerungseinheit, wodurch dann die Bestimmung der (zweidimensionalen) Kontur und überaus bevorzugt auch der (dreidimensionalen) Form des Schlitzrohres oder Rohrvorprodukts ermöglicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Innenumformwerkzeug ein Teil eines Umformschwerts einer Rohrformpresse ist. Bei diesem Umformprozess, dessen einzelne Schritte im Wesentlichen in Figur 1 dargestellt sind, senkt sich das Umformschwert, speziell das mit dem Schwert verbundene Werkzeug hubweise auf ein Flachprodukt, welches üblicherweise auf zwei Gegenlagern aufliegt ab. Die Um- formung erfolgt dann abhängig von dem Abstand der Gegenlager zueinander, der Kontur des Umformschwerts selbst sowie dem Hub des Umformschwerts. Die Umformung erfolgt schrittweise zu der gewünschten Querschnittkontur oder Form des Schlitzrohres oder Rohrvorprodukts.

Vorzugsweise können auch der Abstand der Gegenlager zueinander oder die Relativpositionen vom Umformschwert und Gegenlagern zueinander sowie deren Biegung über die Länge des Schlitzrohres oder Rohres veränderbar sein, um hierdurch das Umformergebnis gezielt zu beeinflussen.

Gerade bei diesem Umformprozess, der aus einer Vielzahl hintereinander geschalteter Umformvorgänge zusammengesetzt ist, kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zum Einsatz, da die lokalen Umformungen, insbesondere Krümmungen vor allem nach Beendigung des Umformvorganges und Anheben des Umformschwerts vom umgeformten Flachprodukt besonders einfach und sicher ermittelt werden können.

Es ist überdies bevorzugt, wenn wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens ein optischer Empfänger in einer gemeinsamen Sensorik integriert sind. Hierdurch wird ein modulartiger Aufbau der Messapparatur insgesamt und der Bauraum sparende Einsatz besonders vorteilhaft unterstützt oder umgesetzt. Im Ergebnis verbleibt eine Vorrichtung, bei der die Lasersensorik so platzsparend am Umform- werkzeug angebracht werden kann, dass eine Behinderung des Umformvorgangs gänzlich unterbleibt.

Besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der jeweils eine Lichtquelle und jeweils ein Empfänger, vorzugsweise je eine integrierte Sensorik, an jeder Seite des Umformschwerts angebracht sind. Überaus bevorzugt wird in diesem Zusammenhang, wenn die Lichtquelle, vorzugsweise gemeinsam mit dem Empfänger, drehbar an dem Innenumformwerk- zeug angebracht sind. Hierdurch wird vorrichtungsseitig ermöglicht, dass eine einzelne Lichtquelle jeweils zumindest für den halben Schlitzrohr- oder Rohrvorprodukt-Querschnitt die gewünschten Messergebnisse erfassen kann.

Besonders bevorzugt wird eine Vorrichtung, bei der das am Schwert angeordnete Umformwerkzeug einen oder mehrere Schlitze oder Bohrungen aufweist, durch die hindurch der Lichtstrahl auch im Bereich der lokalen Umformung selbst auf die Innenoberfläche des Werkstücks auftreffen kann. Hierdurch wird eine genaue Bestimmung von Kontur und / oder Form des Werkstücks ggf. auch während des Umformvorgangs selbst ermöglicht.

Somit wird eine Vorrichtung geschaffen, die mit besonders einfachen Mitteln und ohne die Bauform des Innenumform Werkzeugs, insbesondere des Umformschwerts, abändern zu müssen, eine Messung des gesamten Querschnitts des zu erzeugenden Produkts erlaubt.

Bevorzugt wird, wenn mehr als zwei Lichtquellen und Empfänger, vorzugsweise die Sensorik der oben beschriebenen Art, vorzugsweise äquidistant über die Länge des Schlitzrohrs oder Rohrvorprodukts verteilt angeordnet sind. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass sowohl die Rundheit der Stirnflächen als auch die Qualitätsanforderungen an die Qualität des Rohres über dessen Länge sicher eingehalten werden. Bei der Herstellung eines Schlitzrohres mit 18 Meter Länge kommen üblicherweise etwa 15 Umformwerkzeuge, angeordnet an einem gemeinsamen Umform schwert, zum Einsatz. Über diese Länge verteilt kann mit drei vorzugsweise äquidistant zueinander angeordneten Messgeräten die Kontur oder Form des umgeformten Flachproduktes mit ausreichender Genauigkeit über die gesamte Länge des Schlitzrohres bestimmt werden. Während im Bereich der Stirnflächen des Rohres eine möglichst genau Rundheit gefordert wird, um ein Verschweißen zweier Rohre aneinander ohne vorherige Konturanpassungen zu erlauben, sind über die Länge des Rohres nur geringe Normabweichungen von dieser vorgegebenen Form, die sogenannte Ovalität, zulässig.

Bevorzugt wird, wenn die Lichtquelle, vorzugsweise gemeinsam mit dem Empfänger, höhenverstellbar an dem Innenumformwerkzeug angebracht ist. Dies wird insbesondere bei Rohrformpressen mit Umformschwertern besonders vorteilhaft die Flexibilität der Vorrichtung bei der Umformung von Flachprodukten in Schlitzrohre mit unterschiedlichem Rohrquerschnitt erhöhen. Die Höhenverstellung der Lichtquelle und des Empfänger erfolgt dabei idealerweise so, dass die Lichtquelle im Wesentlichen in der Nähe des Mittelpunkts des schlussendlichen Rohrquerschnitts angeordnet ist, wodurch die Messung insbesondere eines fertig hergestellten Rohrquerschnitts nach dem letzten Hub des Umform Schwerts erleichtert wird..

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Empfänger mit einer Steuerungseinheit für den Umformprozess verbunden. Diese Steuerungseinheit führt ganz besonders bevorzugt einen Sollwert-Istwert-Abgleich für die einzelnen Messungen durch und gibt Korrekturwerte für zumindest das Innen- Umformwerkzeug, ggf. auch ein oder mehrere Außenwerkzeuge, basierend auf diesem Sollwert-Istwert-Abgleich aus. Die Sollwerte kann die Steuerungseinheit dabei einem hierfür vorgesehenen Speicher entnehmen, die Korrekturwerte für die Ansteuerung des Innen-Umformwerkzeugs werden wiederum als Ergebnis eines anhand der gemessenen Istwerte korrigierten Modells für den Umformvorgang ausgegeben.

Hierdurch wird schließlich, wie eingangs bereits erwähnt, ganz besonders bevorzugt eine vollautomatisierte Umformung des Flachprodukts in ein Schlitzrohr oder Rohrvorprodukt durch die Steuerung und Regelung mittels der Steuerungseinheit ermöglicht. Verfahrensseitig ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und der Empfänger mit dem Innenumformwerkzeug verbunden sind und die bis dahin erzeugte Umformung, vorzugsweise lokale Krümmung, die durch das Innenumformwerkzeug am Flachprodukt bewirkt wurde, zumindest während des Umformvorgangs erfasst wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Erfassung der Kontur oder der Form des Flachprodukts über den Umformvorgang selbst hinaus fortgeführt wird, um hierdurch auch Rückfederungen des vorab umgeformten Materials vollständig erfassen zu können. Bevorzugt wird insbesondere, wenn die Lichtmessung bis zu einer Sekunde nach Beendigung des Umformvorgangs, somit nach Beendigung des Kontakts des Innen-Umformwerkzeugs mit dem Flachprodukt, andauert. Überaus bevorzugt wird eine Dauer der Lichtmessung, die zwischen 0,5 und 1 Sekunde länger als der tatsächliche Umformvorgang ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung der durch die Umformung erzeugte Kontur oder Form des Flachprodukts mittels des Triangulations-Verfahrens. Hierbei wird in einer dem Fachmann bekannten Weise ein Lichtstrahl auf ein Werkstück gerichtet. Der vom Werkstück gestreute Lichtstrahl wird dann von einem Objektiv auf einem ortsaufgelösten Empfänger, bspw. einer CCD-Zeile, abgebildet. Abhängig von der Position des auf dem Empfänger abgebildeten Lichtpunkts wird der Abstand der Werkstück-Innenoberfläche zum Empfänger bestimmt. Hierdurch wird ein besonders einfaches und beherrschbares Verfahren zur Ermittlung des Istwertes des Umformwegs zur Verfügung gestellt. Aus einer Vielzahl zueinander benachbarter Messpunkte kann dann auf dem gleichen Weg auch die Kontur oder Form des umgeformten Flachprodukts hergeleitet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt wie die oben bereits eingehend diskutierte erfindungsgemäße Vorrichtung besonders bevorzugt eine Sensorik, die während des Messvorgangs so gedreht wird, dass der Laser die Verformung jedes einzelnen Umformschritts bis hin zur Kontur oder Form des gesamten Schlitzrohr- oder Rohrvorprodukt-Querschnitts erfassen kann. Besonders bevorzugt wird dies dann erreicht, wenn jeweils eine Lichtquelle und ein Empfänger an jeder Seite des In- nen-Umformwerkzeugs, vorzugsweise des Umformschwerts, so angebracht sind, dass sie so drehbar angebracht sind, dass jeweils zumindest der halbe Rohr- oder Rohrvorprodukt-Querschnitt mittels der Sensorik erfasst werden kann.

Besonders bevorzugt wird eine Ausgestaltung der Vorrichtung und des Verfahrens, die eine permanente Drehung der Sensorik um die eigene Drehachse, somit über 360° hinaus, erlauben. Hierdurch kann der Antrieb für die Sensorik besonders einfach ausgelegt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einigen Figuren näher erläutert. Während Figur 1 generell den Stand der Technik beschreibt, sind die Figuren 2 bis 5 bevorzugte Ausgestaltungsformen der Erfindung zu entnehmen, die jedoch nicht dazu geeignet sind, den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist, in irgendeiner Weise einzuschränken.

In den Figuren ist

Figur 1 eine zeichnerische Darstellung einzelner Arbeitsschritte eines Umformprozesses zur Herstellung eines Schlitzrohres aus einem Flachprodukt,

Figur 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lichtsensorik zum Einbau an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Figur 4 eine Prinzipskizze für das erfindungsgemäß verwendete Triangulations-Verfahren, und

Figur 5 ein schematisches Flussdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren.

Figur 1 zeigt in acht Arbeitsschritten a) bis h) die Umformung eines Flachprodukts 1 in ein Schlitzrohr oder Rohrvorprodukt 2 mit im Wesentlichen runden Querschnitt. In Schritt a) wird das Flachprodukt 1 mit bereits vorumgeformten Kantenbereichen 1a, 1 b dargestellt. Die Kantenbereiche 1a, 1 b werden üblicherweise außerhalb der Rohrformpressen vorab umgeformt. Wie Schritt b) zeigt, beginnt der Umformvorgang in der Rohrpresse durch Einfädeln des Flachprodukts 1 zwischen zwei Gegenlager 4a, 4b und das Umformschwert 3. Das Umformschwert 3 wiederum kann hubweise im Wesentlichen senkrecht auf das Flachprodukt 1 hin zwischen die beiden Gegenlager 4a, 4b verschoben werden. Im Zusammenwirken der Gegenlager 4a, 4b sowie des eigentlichen Umformwerkzeugs 3a des Umformschwerts 3 erfolgt dann die Einbringung lokaler Umformungen in das Flachprodukt 1. Während in den Arbeitsschritten a) bis d) die Umformung der ersten Seite des Flachprodukts zu einem Schlitzrohr-Querschnitt erfolgt, wird in den Schritten e) bis h) die schrittweise Umformung der rechten Seite des Flachprodukts 1 zu einem Schlitzrohr 2 dargestellt. Beide Umformprozesse erfolgen üblicherweise als Aneinanderreihung einer Vielzahl von lokalen Umformschritten von den Seitenkanten 1 a, 1 b aus nach innen.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umformung eines Flachprodukts 1 zu einem Schlitzrohr 2 in der Form einer üblichen Rohrformpresse mit Gegenlagern 4a, 4b und einem Umformschwert 3, an dessen Kopfende das eigentliche Umform Werkzeug 3a angebracht ist. Figur 2 zeigt den letzten Schritt der Umformung. Am Schaft des Umformschwerts 3 sind links und rechts jeweils eine La- sersensorik 5a, 5b angebracht, über die die Messung der Kontur des Querschnitts des Rohrs 2 insgesamt erfolgen kann. Während die Lasersensorik 5a, 5b in ihrer Gesamtheit höhenverstellbar entlang des Pfeils A am Umformschwert 3 angebracht ist, bezieht sich die durch den Pfeil B dargestellte Drehbewegung nicht auf das gesamte Gehäuse der Lasersensorik 5a, 5b, sondern vielmehr lediglich auf Einzelbestandteile der Lasersensorik 5a, 5b, insbesondere die (nicht dargestellte) Laserquelle und den (nicht dargestellten) Lasersensor. Mittels der Drehbewegung und ggf. auch unterstützt durch die Höhenverstellung kann ein Überstreichen dann geformten des gesamten Querschnitts des Schlitzrohres 2 durch die von der Laserquelle emittierten Laserstrahlen 6 erreicht werden.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lasersensorik 5 zum Anbau an ein (nicht dargestelltes) Umformschwert. Die Lasersensorik 5 umfasst als Hauptbestandteile einen Antriebsmotor 9, ein Winkelmessgerät 10, eine Laserquelle 7 sowie einen Lasersensor 8, wobei die Laserquelle 7 zusammen mit den Lasersensor 8 den erfindungsgemäßen Triangulationssensor bilden.. Sämtliche dieser Bestandteile 7-10 der Lasersensorik 5 sind in einem Gehäuse integriert und können über eine Schnittstelle 11 sicher mit dem (nicht dargestellten) Umformschwert verbunden werden. Die Lasersensorik 5 wird über die Schnittstelle 11 zudem so beabstandet von dem (nicht dargestellten) Umformschwert angebracht, dass der von der Laserquelle 7 emittierte Laserstrahl vorzugsweise kontinuierlich den gesamten bis dahin umgeformten Umfang des (nicht dargestellten) Schlitzrohrquerschnitts überstreichen kann.

In Figur 4 wird das Messprinzip des Triangulations-Verfahrens schematisch kurz dargestellt. Ein aus einer Laserquelle 7 emittierter Laserstrahl 6 trifft schematisch angedeutet entweder an der Pos. 1 oder an der Pos. 2 auf die Innenoberfläche eines umzuformenden oder bereits lokal umgeformten Flachprodukts 1 auf. Die von der Innenoberfläche gestreuten Laserstrahlen werden von einem Objektiv 12 auf den Empfänger 12 abhängig von der Position der Innen-Oberfläche des Flachprodukts 1 zur Laserquelle 7 auf unterschiedlichen Punkten Ρ1 ', P2" auf den Detektor, der Bestandteil der Sensorik 8 ist, abgebildet. Die Position Ρ1 ', P2' auf dem Detektor des Lasersensors 8 erlauben somit einen direkten Rückschluss auf die Position der Innenoberfläche des Flachprodukts P1 , P2 in Bezug auf die Laserquelle 7.

In Figur 5 schließlich ist ein schematisches Flussdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ausgehend von dem Rezept zur Herstellung eines Rohrtyps, in das Werkzeugdaten und Werkstückdaten eingehen, erfolgt die Fertigung als Abfolge von Einzelschritten. Anschließend oder online werden das Werkstück oder zumindest einzelne Einformungen mittels des erfindungsgemäßen Systems vermessen. Hieraus erfolgt dann die Ermittlung etwaiger Korrekturgrößen des Modells für den oder die Folgeschritt(e). Es erfolgt im An- schluss die Beantwortung der Frage, ob dieser letzte Schritt, nämlich die Ermittlung von Korrekturgrößen, durchgeführt wurde. Falls ja, wird das fertige und maßhaltige Schlitzrohr ausgegeben. Falls nein, erfolgt eine Rückführung in die Fertigung zur weiteren Durchführung des Umformvorgangs.