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Dokumentenidentifikation EP1839767 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001839767
Titel Verfahren zur Qualitätssicherung beim Walzen eines Rundprofils
Anmelder SMS Meer GmbH, 41069 Mönchengladbach, DE
Erfinder Sauerland, Martin, 41068 Mönchengladbach, DE
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LT, LU, LV, MC, MT, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 26.03.2007
EP-Aktenzeichen 070061346
EP-Offenlegungsdatum 03.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse B21B 37/16(2006.01)A, F, I, 20070904, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung beim Walzen eines Rundprofils, insbesondere eines Stabes oder Drahtes aus Stahl, in einer mehrgerüstigen, von einem übergeordneten Rechnersystem gesteuerten und / oder geregelten Walzstraße.

Das Walzen von Rundprofilen, insbesondere von Stäben oder von Draht, erfolgt in bekannter Weise in einem entsprechenden Walzwerk. Die Qualität des Walzens wird dabei hinter dem Walzwerk überprüft. Hierzu ist es bekannt, den Durchmesser des gewalzten Stabes oder Drahtes - gegebenenfalls über eine Anzahl verschiedener Umfangswinkel - zu ermitteln und daraufhin zu überprüfen, ob die gemessenen Werte, also die Ist-Werte, innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen.

Es ist dabei nicht oder nur bedingt bzw. nur mit entsprechender Erfahrung von Fachleuten möglich, aus den gemessenen Durchmessern über dem Umfang des Profils auf walzbedingte Fehler zu schließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in verbesserter Weise aus den hinter dem Walzwerk gemessenen Daten des gewalzten Rundprofils auf walzbedingte Fehlerquellen zu schließen. Dies soll möglichst automatisch, ohne Rückgriff auf das Beurteilungsvermögen von Fachleuten, möglich werden. Damit soll eine Verbesserung der Qualität des Walzguts und eine Erhöhung der Ausbringleistung des Walzwerks ermöglicht werden. Weiterhin sollen automatisiert Walzfehler identifiziert und klassifiziert werden, wie beispielsweise eine Gerüstüberfüllung oder Gerüstunterfüllung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß vor Beginn der Fertigung des Rundprofils mindestens ein Muster eines Profilstückes mit typischen, echten Walzfehlern im statischen Zustand vermessen wird und die Musterfehler in normierter Form im Rechnersystem abgespeichert werden, wobei ein einzelner Profilquerschnitt oder im Falle von Rauschen ein gemittelter Profilquerschnitt in Polarkoordination abgespeichert und normiert wird, und während der Fertigung des Rundprofils eine Ähnlichkeitsanalyse derart durchgeführt wird, daß der normierte Musterquerschnitt fortlaufend mit ermittelten Querschnitten des aktuell gewalzten Rundprofils korreliert wird, wonach beim Vergleich mit den Musterfehlern festgestellte Ähnlichkeitsabweichungen eine einen Eingriff in den Walzprozeß auslösende Warnfunktion auslösen, vorzugsweise auf einem Bedienungsmonitor. Es wird bei der Ähnlichkeitsanalyse somit im wesentlichen die Übereinstimmung des aktuellen Querschnitts mit einem Muster-Fehlerquerschnitt ermittelt. Die Korrelation bzw. Faltung kommt ohne mathematisches A-Priori-Wissen und zugehörige mathematische Modelle aus. Hiermit lassen sich folglich auch mathematisch nur schwer oder gar nicht beschreibbare Fehler bestimmen. Somit ist es lediglich erforderlich, den Musterfehler mit einer hinreichenden Anzahl Stützwerte zu vermessen und den gesamten Verlauf abzuspeichern. Dieser Musterdatensatz wird dann später während der Messung mit den aktuellen Querschnittsdaten korreliert bzw. mathematisch gefaltet.

Das zum Vermessen des Musterprofilstückes im statischen Zustand eingesetzte Meßgerät muß in der Lage sein, den Profilquerschnitt hinreichend genau als Radienprofil über den Drehwinkel zu erzeugen. Dabei wird vor Beginn der Fertigung des Rundprofils wie folgt vorgegangen:

  1. a) Messen des Profilradiusses (r) für eine Anzahl Winkelstellungen (&phgr;) über den Umfang des Rundprofils bei mindestens einem Rundprofil mit definierter Fehlwalzung (F);
  2. b) Während der Fertigung des Rundprofils:
    • b1) Messen des Profilradiusses (r) für eine Anzahl Winkelstellungen (&phgr;) über den Umfang des Rundprofils am gefertigten Rundprofil;
    • b2) Bilden eines Näherungsverlaufs für den Radius (r) über den Umfangswinkel (&phgr;) und die Achsrichtung (z) des gefertigten Rundprofils gemäß der Beziehung: r N IST ϕ Z = r 0 IST Z + r 3 × cos 3 ( ϕ + ϕ 0 ) - r 6 × cos ( 6 ϕ + ϕ 0 ) ,

      mit:
      r0 IST(Z):
      Verlauf des Radius über der Achsrichtung z für die Fehlwalzung (F),
      r3:
      Radienanteil der dritten Ordnung,
      r6:
      Radienanteil der sechsten Ordnung,
      &phgr;0:
      Winkelkonstante;
    • b3) Abspeichern des Näherungsverlaufs rN IST(&phgr;, z) für das gefertigte Rundprofil;
  3. c) Durchführung eines Vergleichs des für das gefertigte Rundprofil ermittelten Näherungsverlaufs (rN IST(&phgr;, z)) mit dem mindestens einen Näherungsverlauf (rNF(&phgr;, z)) der Fehlwalzung.

Es wird hierbei vorgeschlagen, daß vor der das Ähnlichkeitsmaß darstellenden Korrelation, vorzugsweise Kreuzkorrelation, der aktuell ermittelte Profilquerschnitt ebenfalls normiert und abgespeichert wird.

Bevorzugt werden die in Schritt c) ermittelten Unterschiede zwischen dem für das gefertigte Rundprofil ermittelten Näherungsverlauf und dem mindestens einen Näherungsverlauf der Fehlwalzung graphisch dargestellt.

Da die hohe Temperatur des gewalzten Profils infolge der Wärmedehnung eine Verfälschung hervorruft, ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Messung des Profilradiusses nach Schritt b1) die Temperatur des vermessenen Rundprofils ermittelt wird. Dabei wird bevorzugt vorgesehen, dass die bei der Temperatur gemessenen Werte auf eine Normtemperatur, vorzugsweise bei 20°C, rückgerechnet werden.

Die Messung des Profilradiusses nach Schritt a1) und b1) kann nach einem Vorschlag der Erfindung berührungslos mittels Lasermessung erfolgen. Die Messung des Profilradiusses nach Schritt a1) und b1) erfolgt dabei mit Vorteil für mindestens 36 gleichmäßig verteilte Umfangswinkelpositionen, bevorzugt für 180 gleichmäßig verteilte Umfangswinkelpositionen.

Die Ermittlung der Radienanteile r3 und r6 gemäß obiger Formel erfolgt bevorzugt mittels einer Fourier-Transformation, insbesondere mit der Fast-Fourier-Transformation.

Für Auswerte- und Dokumentationszwecke hat es sich bewährt, dass weiterhin der minimale und/oder der maximale Durchmesser des Rundprofils, bezogen auf seine Gesamtlänge, gemessen und gespeichert wird. Weiterhin kann mindestens eine Angabe zur Ovalität des Rundprofils gemessen und gespeichert werden.

Die Messung nach obigem Schritt b) erfolgt vorzugsweise nach dem Walzen in einem Maßwalzblock.

Der Vergleich nach obigem Schritt c) zwischen dem Näherungsverlauf und dem mindestens einen Näherungsverlauf der Fehlwalzung kann mit einer Kreuz-Korrelationfunktion oder mit einer Kreuz-Covarianzfunktion erfolgen.

Die Erfindung ermöglicht damit eine effektive Qualitätssicherung in einer Walzwerkanlage für Rundprofile, insbesondere in Stab- oder Drahtwalzwerken, wobei ein vorhandenes und handelsübliches Profilmessgerät eingesetzt wird. Erfindungsgemäß wird dieses in der erläuterten Weise zu einem Qualitätssicherungsmodul erweitert, das eine autarke Beurteilung der Messergebnisse ermöglicht.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung des nachfolgenden Ausführungsbeispiels.

Hinter dem Walzwerk wird eine Messung des Radiusses bzw. des Durchmessers des gewalzten Profils vorgenommen, wobei die Messung über eine Anzahl Winkelstellungen um den Umfang herum erfolgt.

Zum Abspeichern übertragen wird zu jedem gewalzten Stab ein Telegramm mit statistischen Daten zum Stab. Im Telegramm können auch Kennwerte und Fehlerklassifizierungen enthalten sein. Die Abstimmung über den endgültigen Inhalt des Telegramms erfolgt erst dann, wenn nach den Erstmessungen von Probestählen feststeht, welche Kennwerte am zuverlässigsten und aussagefähigsten sind, um Kennwerte zu haben, die über mögliche Walzfehler Aussagen erlauben.

Es werden dabei jedenfalls der minimale und der maximale Stabdurchmesser, bezogen auf die Gesamtlänge des Stabes, sowie Angaben zur Ovalität des Rundstabes in das Telegramm aufgenommen.

Weiterhin ist es möglich, den Online-Datenstrom an die zentrale Software, d. h. an die rechnergestützte Walzwerkssteuerung, zu senden.

Für die Kommunikation mit der zentralen Software werden Parametrierungen des Profilmessgeräts vorgenommen. Optional werden die erweiterten Analysen auf einem zusätzlichen Rechner, der über ein Netzwerk an das bestehende Gerät angeschlossen ist, visualisiert.

Die Vermessung des Stabes erfolgt unmittelbar hinter dem Maßwalzblock. Am Ort der Messung, ca. 1 Meter hinter dem Auslauf des Maßwalzblocks, laufen die Stäbe in etwa mit konstanter Stabmitte durch das Messgerät. Das mit berührungsloser Laser-Messtechnologie arbeitende Messgerät liefert zyklisch die vollständige Querschnittsinformation zum gerade durchlaufenden Stab; dies erfolgt quasi in Echtzeit.

Dabei wird jeder zyklisch ermittelte und angezeigte Stabquerschnitt aus 180 hochgenau bestimmten Einzelradien gebildet, d. h. die geforderte Auflösung in Umfangsrichtung beträgt dann 2°. Die so gelieferte Querschnittsinformation lässt Schlüsse auf die aktuelle Walzqualität zu. Rückschlüsse auf die Füllsituation der Gerüste - wie Unterfüllung oder Überfüllung -, auf den Walzenversatz, auf die Dreiecksbildung und auf andere Walzfehler, egal ob symmetrischer oder unsymmetrischer Natur, werden online während des Walzens sichtbar gemacht.

Die vollständige Datenübertragung an das hier beschriebene Datenanalysetool ermöglicht es, zusätzliche charakteristische Kennwerte zur Fehlerklassifizierung zu ermitteln.

In das Durchmesser-Messgerät ist ein Temperatur-Messgerät integriert, um mit der aktuellen Temperatur bei bekannter Schrumpfung die Stabgeometrie auf das Kaltmaß (bei 20 °C als Referenz) umzurechnen.

Es wird beispielsweise ein heißer, glühender Rundstab mittels des an sich bekannten Laser-Scanverfahren vermessen. Zum Einsatz kommt ein Durchmesser-Messgerät, das mit sechs gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Laserscanmikrometern ausgestattet ist, um bis zu 95 mm bei einem Messfeld von 120 mm messen zu können. Das Gerät wird in schwenkbarer Ausführung mit den Betriebsmodi "Fixposition", "Scan" und "Dauerschwenken" vorgesehen.

Spezielle Auswertungen ermöglichen es, folgende Walzfehler sicher und eindeutig zu erfassen, anzuzeigen und zu quantifizieren:

  • die Dreiecksbildung bzw. Ovalität oder analog Hexagon;
  • den Walzenversatz (symmetrisch und unsymmetrisch);
  • eine Unterfüllung und Überfüllung (symmetrisch und unsymmetrisch, die Unterfüllung systembedingt nur eingeschränkt, da konkave Stellen nicht erkannt werden können);
  • Walzenausbrüche (abhängig von der Walzgeschwindigkeit und der Fehlerausdehnung entlang des Stabes).

Darüber hinaus lassen sich die Positionen und Winkel der Kaliber genau ermitteln und ausgeben bzw. anzeigen.

Eine bevorzugte Ausführung mit Schwenkrahmen erhöht im Schwenkbetrieb die Erwartungstreue der Messergebnisse, vor allem bei Walzenversatz und bei gleichzeitigen Füllfehlern.

Speziell kann wie folgt vorgegangen werden, woraus sich auch die Funktionalitäten des vorgeschlagenen Systems ergeben:

In der Stabmessstelle wird bereits das Stabprofil sowie die Messguttemperatur über der gemessenen Länge ermittelt. Im Hintergrund laufen die nachfolgenden Berechnungen permanent ab und führen zu den unten genannten Zusatz-Ergebnissen und Visualisierungen der Ergebnisse.

Die längsgewalzten Stäbe zeigen bedingt durch das Herstellungsverfahren mit dem Finish-Block in 3-Walzentechnik mehr oder weniger stark ausgeprägte Außenstrukturen. D. h. die Stäbe weichen in ihren Konturen vom idealen Zylinder ab. Derartige Strukturen können mit den aus der Rohrtechnik bekannten Methoden der Ordnungsanalyse charakterisiert werden.

Zusätzlich zu den vorgenannten grundsätzlichen Umformstrukturen können "echte" Walzfehler auftreten, wie

  • Kaliber-Überfüllung,
  • Kaliber-Unterfüllung und
  • Walzenversatz.

Alle Fehler können mit der 3-Punkt-Symmetrie oder unsymmetrisch auftreten. Der Walzenversatz kann überlagert zur Kaliber-Über- bzw. -Unterfüllung auftreten.

Lässt man die "echten" Walzfehler außer Acht, so lässt sich für eine Ordnungsanalyse aus der 3-Walzen-Umformtechnologie abgeleitet folgendes vereinfachtes Modell für den Stabquerschnitt in Polarkoordinaten angeben: r ϕ Z = r 0 Z + r 3 × cos 3 ( ϕ + ϕ 0 ) - r 6 × cos ( 6 ϕ + ϕ 0 ) ,

mit ri: Radien. Es wird gemäß der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen - und hierin liegt eine wesentliche erfindungsgemäße Erkenntnis - dass die 2. und die 4. Ordnung aus vorhergehenden Umformprozessen im Fertigprodukt in keiner relevanten Größe vorliegen.

Das vorgenannte Modell kann prinzipiell für jeden Querschnitt, der vom Messgerät standardmäßig geliefert wird, über die sog. LMS-Methoden (Least Mean Square-Methode) bestimmt werden.

Hieraus lassen sich dann Kennwerte, wie die Triangularität beschreiben, z. B. als Dreieckigkeitsmaß r 3 q / r 0 q × 100 %

mit r3q und r0q als Mittelwerte der oben genannten Radien r3 und r0.

Analog hierzu lässig sich ein Hexagonalmaß definieren als r 6 q / r 0 q × 100 %

mit r6q und r0q als Mittelwerte der oben genannten Radien r6 und r0. Die Mittelungen sind dabei stets über sinnvolle Filetbereiche durchzuführen.

Um den Rechenaufwand und damit die Prozessorauslastung reduzieren zu können, besteht die Möglichkeit, der Berechnung nur jeden 2., 3., usw. Querschnitt zuzuführen.

Die "echten" Walzfehler werden erfindungsgemäß mit Ähnlichkeitsanalysen ermittelt. Für diese Ähnlichkeitsanalysen werden Muster in normierter Form für typische echte Walzfehler im System gespeichert.

Der Anwender des Systems stellt gewalzte Produkte zur Verfügung, die derartige typische Walzfehler aufweisen. Jedes dieser Musterstücke wird im statischen Zustand vom Messgerät vermessen. Ein einzelner Stabquerschnitt oder - falls Rauschen auftritt - ein gemittelter Stabquerschnitt wird in Polarkoordinaten abgespeichert und normiert.

Die Ähnlichkeitsanalyse läuft darauf hinaus, dass dieser normierte Musterquerschnitt fortlaufend mit Querschnitten des aktuellen Stabes kreuzkorreliert wird. Vor der Korrelation wird der aktuelle vermessene Querschnitt ebenfalls normiert. Der zu korrelierende Stabquerschnitt muss von Impulsen befreit sein, da sonst die Fourier-Transformation, die der Kreuzkorrelation zugrunde liegt, falsch bestimmt würde.

In Testreihen wird ermittelt, ab welchem Grad der Ähnlichkeit (in Prozent) ein Fehleralarm ausgelöst wird.

Ferner wird während eines Tests geprüft, ob man mit der Kreuz-Korrelationfunktion oder mit der Kreuz-Covarianzfunktion arbeitet.

Weiterhin wird berücksichtigt, ob das Ergebnis der Ähnlichkeitsanalyse eindeutig genug ist und ob unter Umständen zusätzliche Merkmale für eine eindeutige Fehler-Identifikation erforderlich sind. Denkbar wären folgende Merkmale, die parallel auftreten:

  • Überfüllung: Hohe Ähnlichkeit mit dem Muster "Überfüllung"; Querschnittsfläche gegenüber Nennmaß erhöht; FFT (Fast-Fourier-Transformation) über dem Querschnitt liefert merkliche Amplituden deutlich oberhalb der 6. Ordnung.
  • Unterfüllung: Hohe Ähnlichkeit mit dem Muster "Unterfüllung"; Querschnittsfläche erniedrigt.
  • Walzenversatz: Hohe Ähnlichkeit mit dem Muster Walzenversatz; Verteilung der Radien besitzt eine erhöhte Schiefe (statistischer Wert).

Insgesamt können damit folgende Kennwerte mittels des Messgeräts und entsprechender nachfolgender Auswertung stabbezogen ermittelt und angezeigt werden:

  • Mittlerer Stabdurchmesser;
  • Maximaler Stabdurchmesser;
  • Minimaler Stabdurchmesser,
  • Durchmesser der 6 Hauptachsen,
  • Stabquerschnitt (minimal, maximal, mittel),
  • Ovalität (minimal, maximal, mittel),
  • Dreieckigkeitsmaß,
  • Hexagonalmaß,
  • Überfüllung (ggf. optisch am Monitor dargestellt durch Farbumschlag),
  • Unterfüllung (ggf. optisch am Monitor dargestellt durch Farbumschlag),
  • Walzenversatz (ggf. optisch am Monitor dargestellt durch Farbumschlag) und
  • Schiefe bzw. Wölbung,
wobei sich verschiedene, gleichzeitig auftretende Fehlerarten als Merkmalsvektor M erfassen lassen, was eine vorteilhafte Fehlerklassifizierung ermöglicht.

Die Visualisierung der Zusatz-Ergebnisse erfolgt zusammen mit den Stabmesswerden wie folgt:

Die Kurven für den maximalen, den minimalen und den mittleren Durchmesser werden online während des Stabdurchlaufs aufgenommen und dargestellt, sofern dies nicht zuviel Rechenleistung erfordert. Die Grenzwerte für den Stabdurchmesser (z. B. R DIN) werden als waagrechte Linien in das Längsprofil eingeblendet. Der Prozentwert wird direkt an die Linie geschrieben. Die Temperatur ist zusätzlich als Linie mit Zusatzskalierung einblendbar.

Gleichzeitig wird der Stabquerschnitt dargestellt. Hier werden die Grenzwerte (z. B. R DIN) als Kreise dargestellt. Wichtig für die Querschnittsdarstellung ist, dass der Stabquerschnitt auf dem Monitor immer in gleicher Größe dargestellt und bei Durchmesserwechsel nur anders beschriftet wird. Variiert dargestellt wird die Abweichung vom Normalradius. Diese Abweichung kann in Stufen gespreizt, d. h. gezoomt werden.

In einem Feld "Aktuelle Messdaten" werden während des Durchlaufs lesbar, also nicht zu schnell wechselnd, die aktuell kommenden Werte angezeigt, z. B. max., min. und etwas größer der mittlere Durchmesser und die Temperatur. Nach dem Durchlaufen stehen dort die entsprechenden Mittelwerte.

Aus den 180 Einzelradien über dem Umfang müssen alle 100 ms dazu die entsprechenden Werte laufend ermittelt werden. Ferner kann fortlaufend über Integration über alle 180 Werte die Querschnittsfläche bestimmt und angezeigt werden.

Unter den Grafiken kann (z. B. links) eine kleine Ministatistik vorgesehen werden, die die wesentlichen Kennwerte für den letzten Stab enthält. Neben dem maximalen, minimalen und mittleren Durchmesser sowie der minimalen, maximalen und mittleren Ovalität werden hier auch das Dreieckigkeit- und das Hexagonalmaß angezeigt.

Daneben werden in symbolischer Form evtl. Walzfehler wie Unterfüllung, Überfüllung, Walzenversatz und Walzenausbruch angezeigt.

Schlägt nach einer Warnung (z. B. in gelb dargestellt) das auf der Anzeige zu sehende Symbol von grün (Zustand o. k.) nach rot (Fehler) um, kann z. B. per Mausklick das Fehlermaß, also der prozentuale Ähnlichkeitswert zum Fehler des zugrunde liegenden Musterstücks, angezeigt werden.

Die zugrunde liegenden Fehlerschwellen müssen für den Benutzer zugänglich und veränderbar sein. Die Standardschwellen werden während der Inbetriebnahme der Anlage festgelegt.

Sofern nicht schon in der Standardvisualisierung vorhanden, ist es möglich, die Messdaten in Form von Trend- und Histogramm-Darstellungen zu repräsentieren.

Es kann gegebenenfalls erforderlich sein, die gemessenen Radienwerte vor der weiteren Verarbeitung vorzuverarbeiten. Hierfür können die nachfolgenden Verfahren zur Anwendung kommen.

Die Interpolation bei Messwertaussetzern kann standardgemäß immer durchgeführt werden. Es kann aber grundsätzlich auch in den Filteroptionen diese Interpolation weggeschaltet werden, um dem Anwender auf diese Art und Weise z. B. einen Eindruck über die Qualität der Messung zu geben, d. h. der Anwender kann beim Abwählen der Funktion im Messdatenverlauf die Fehlstellen bzw. Aussetzer sehen.

Es kann grundsätzlich vorgesehen werden, dass bei Messwertaussetzern die Fehlstelle durch

  • den Vorgängerwert,
  • den Sollwert,
  • den linearen Interpolationswert,
  • den Polynom-Interpolationswert (ggf.) oder
  • den Spline-Interpolationswert
substituiert werden soll. Bei der linearen Interpolation werden einfach zwei gültige Werte per Gerade miteinander verbunden. Standardgemäß kann die Spline-Interpolation vorgesehen werden.

Durch fortlaufende Bildung von Kurzzeitmittelwerten über eine ungerade Anzahl von Werten kann auf einfache Art und Weise eine Glättung bzw. Tiefpassfilterung durchgeführt werden. Im Ultraschallbereich wird so etwas häufig durchgeführt und auch als statistische Entstörung bezeichnet.

Der errechnete Kurzmittelwert sollte immer der Intervallmitte zugeordnet werden. Ein- und Ausschwingvorgänge müssen berücksichtigt werden (s. hierzu auch die Maximalwertfilterung der Temperaturwerte).

Wichtig ist dabei, vor einer fortlaufenden Mittelwertbildung die Messwertaussetzer unbedingt zu beseitigen, weil sonst Pseudoschwinger im Messdatenverlauf erzeugt werden.

Die exponentielle Mittelung stellt einen weiteren einfachen Algorithmus für die Glättung bzw. Tiefpassfilterung bereit. Die Berechnung jedes gefilterten bzw. geglätteten Wertes ergibt sich dabei zu: x n * = 1 - q x n + q x n - 1 * x n * = x n + 1 - x n - 1 * ,

wobei es zwei äquivalente Definitionen gibt. q oder q' sind Gewichtungsfaktoren zwischen 0 und 1, die mit * indizierten Werte geglättete Werte. Je größer q, desto stärker ist die Filterwirkung.

Ein Beispiel für die Filterung eines Sprungs mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren ist in der Figur als Kurve zur exponentiellen Mittelung dargestellt.

Im vorliegenden Falle des Ausführungsbeispiels werden Fourier-Analysen nur auf komplette Querschnitte angewandt. Da immer auf einen vollständigen Umlauf angewendet, können durch die periodische Fortsetzung des "Signals" durch die FFT (Fast Fourier Transformation) keine unstetigen Sprünge auftreten, die das Ergebnis verfälschen würden.

Daher ist eine Fensterung bei der FFT über den vollständigen Umfang nicht erforderlich.

Normierungen werden erforderlich, wenn die Stabquerschnitte mit den abgelegten Mustern mit definierten (Walz-)Fehlern hinsichtlich Ähnlichkeit untersucht werden sollen. Als Beispiel hierfür sei die Kreuz-Korrelation (KKR) zwischen MusterQuerschnitt und Ist-Stabquerschnitt genannt.

Um vergleichbare Ähnlichkeitsmaße zu erhalten, wird die auf 100 % normierte Musterfunktion mit dem aktuellen ebenfalls auf 100 % normierten Stabquerschnitt kreuzkorreliert.

Danach wird das Maximum der Kreuzkorrelation ermittelt. Bei völliger Übereinstimmung wäre das Ergebnis 1, also 100 % Ähnlichkeit.

Statt der KKR kann auch die Kreuz-Covarianzfunktion (KCF) verwendet werden. Die KCF ist die KKF der mittelwertfreien Einzelgrößen.

Zu der Analyse der gemessenen Radien sei folgendes angemerkt:

Die Least-Mean-Square-Approximationen (LMS) werden in der Literatur auch als Fitting-Methoden oder Levenberg-Marquardt-Methode bezeichnet. Der Grundgedanke ist dabei, einen die Messwerte annähernden Modellansatz derart zu variieren, dass die Summe der Abstandsquadrate minimal wird.

Mit ihnen wird eine Näherung an das Stab-Strukturmodell möglich.

Diese sog. Fitting-Methoden sind in zahlreichen Software-Toolboxen enthalten. Sie können vorliegend auf die über den (Umfangs-)Winkel erhaltenen Radienprofile angewendet werden.

Der Ansatz für den 3-Walzen-Finish-Block ist oben genannt.

Zu Details der LMS-Fittingmethoden für die Bestimmung der Amplituden in vorgenannten Gleichungen wird z. B. auf die Publikation von Sedgewick "Algorithmen" hingewiesen.

Wird - wie vorgesehen - für die Analysen die Standard-FFT verwendet, so müssen vor der Anwendung die entsprechenden Vorverarbeitungen durchgeführt werden, d. h.

  • Extraktion geeigneter Wertebereiche,
  • Fensterung (s. hierzu die obigen Ausführungen).
  • Auffüllen mit Nullen, so dass der expandierte Datensatz 2n Werte enthält und
  • Umrechnung bezüglich der Ordnung.

Für das Analyse-Intervall werden sinnvollerweise stets die Werte eines vollen Querschnitts, also einer vollen Drehung von 360°, verwendet.

Die Fourier-Analysen sind gebräuchlich in der Nachrichten- und Messtechnik, wo sie im Allgemeinen aber auf Zeitsignale angewandt werden. Für die Analyse der Durchmesser-Radienverläufe müssen folgende Analogien berücksichtigt werden:

Zeit t <=>
Drehwinkel ϕ
Frequenz f <=>
Ordnung 360°/ϕ
Signal x(t) ⇔
Radius r(ϕ)
Periode Tp ⇔
Periodenwinkel 8, z.B. bei Ordnung 3 ist &thgr;=120°
Frequenz fp ⇔
Ganzzahlige Ordnung 360°/&thgr;

Zur Kreuz-Korrelationsfunktion (KKF) sei folgendes angemerkt: Die KKF ist definiert als &PHgr; X Y = IFFT FFT x k FFT * { y k }

Die KCF ist praktisch das Gleiche, nur dass diese auf mittelwertfreie x(k) und y(k) angewendet wird.

Die weiter oben genannten Merkmale wie Ähnlichkeitswerte, Abweichungen der Stabfläche von Nennwert, Kennwerte der Statistik zur Radienverteilung, z. B. die Schiefe usw., können zu mehrdimensionalen Merkmalsvektoren zusammengefasst werden.

Geht man zunächst davon aus, dass jedem Walzfehler (wie Überfüllung, Walzenversatz usw.) jeweils drei Kennwerte zugeordnet werden können, so zeigt jeder Merkmals-Vektor für jeden Stab auf einen bestimmten Punkt im Raum.

Für die Stäbe mit den Musterfehlern, die während der Testphase aufgenommen werden, gibt es auch jeweils einen Punkt in diesem dreidimensionalen Merkmalsraum. Liegt der aktuelle Merkmalsvektor nahe genug am Mustervektor, z. B. für die Überfüllung, so kann man den aktuellen Stab als fehlerhaft mit Überfüllung klassifizieren.

Um Herauszufinden, wie groß die "Nähe" ist, kann eine virtuelle Hülle um den Raumpunkt des Fehlervektors gelegt werden. Danach läuft das darauf hinaus, zu jedem aktuellen Merkmalsvektor den Abstand zu den Musterfehlervektoren zu bestimmen. Kleinster Abstand bedeutet größte Fehlerwahrscheinlichkeit. In den meisten Fällen wird man dabei außerhalb aller Fehlerhüllen bleiben und der Stab ist dann in Ordnung, jedenfalls, was seine Form anbelangt.

Die Absolutmaße werden separat betrachtet.

Grundsätzlich kann der genannte Lernprozess auch automatisiert werden. Ein Verfahren, mit dem das bewerkstelligt werden kann, sind neuronale Netze.

In jedem Fall wird die Qualitätssicherung durch die ermöglichte Ähnlichkeitsanalyse gewährleistet optional bzw. bevorzugt ergänzt und erweitert durch eine Ordnungsanalyse sowie Fehlerklassifizierung aufgrund von Merkmalsvektoren.


Anspruch[de]
Verfahren zur Qualitätssicherung beim Walzen eines Rundprofils, insbesondere eines Stabes oder Drahtes aus Stahl, in einer mehrgerüstigen, von einem übergeordneten Rechnersystem gesteuerten und / oder geregelten Walzstraße, das die Schritte aufweist:

dadurch gekennzeichnet,

daß vor Beginn der Fertigung des Rundprofils mindestens ein Muster eines Profilstückes mit typischen, echten Walzfehlern im statischen Zustand vermessen wird und die Musterfehler in normierter Form im Rechnersystem abgespeichert werden, wobei ein einzelner Profilquerschnitt oder im Falle von Rauschen ein gemittelter Profilquerschnitt in Polarkoordination abgespeichert und normiert wird, und während der Fertigung des Rundprofils eine Ähnlichkeitsanalyse derart durchgeführt wird, daß der normierte Musterquerschnitt fortlaufend mit ermittelten Querschnitten des aktuell gewalzten Rundprofils korreliert wird, wonach beim Vergleich mit den Musterfehlern festgestellte Ähnlichkeitsabweichungen eine einen Eingriff in den Walzprozeß auslösende Warnfunktion auslösen.
Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß vor der das Ähnlichkeitsmaß darstellenden Korrelation der aktuell ermittelte Profilquerschnitt ebenfalls normiert und abgespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die ermittelten Unterschiede zwischen dem für das gefertigte Rundprofil ermittelten Näherungsverlauf und dem mindestens einen Näherungsverlauf der Fehlwalzung graphisch dargestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass bei der Messung des aktuellen Profilquerschnitts, insbesondere des Profilradiusses (r), die Temperatur (T) des Rundprofils gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die bei der Temperatur (T) gemessenen Werte auf eine Normtemperatur (T0), vorzugsweise bei 20°C, rückgerechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Ermittlung des Profilquerschnitts berührungslos mittels Lasermessung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Messung des Profilquerschnitts für mindestens 36 gleichmäßig verteilte Umfangswinkelpositionen (&phgr;) erfolgt, bevorzugt für 180 gleichmäßig verteilte Umfangswinkelpositionen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Ermittlung der Radienanteile (r3, r6) des Profilquerschnitts 1 mittels einer Fourier-Transformation, insbesondere mit der Fast-Fourier-Transformation, erfolgt oder das mathematische Modell über Fitting-Methoden an den aktuellen Querschnitt angenähert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass weiterhin der minimale und/oder der maximale Durchmesser des Rundprofils, bezogen auf seine Gesamtlänge, gemessen und gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass weiterhin mindestens eine Angabe zur Ovalität des Rundprofils gemessen und gespeichert wird und Kennwerte zur Dreiecksbildung oder Hexagonalität ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Messung nach dem Walzen des Rundprofils in einem Maßwalzblock erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Vergleich zwischen dem Näherungsverlauf (rN IST(&phgr;, z)) des aktuellen Profilquerschnitts und dem mindestens einen Näherungsverlauf (rNF(&phgr;), z)) der Fehlwalzung mit einer Kreuz-Korrelationfunktion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Vergleich zwischen dem Näherungsverlauf (rN IST (&phgr;, z)) des aktuellen Profilquerschnitts und dem mindestens einen Näherungsverlauf (rNF(&phgr;, z)) der Fehlwalzung mit einer Kreuz-Covarianzfunktion erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet,

daß Fehler aufgrund einer falschen Kalibrierung, wie Unterfüllung, Überfüllung oder Walzversatz, durch eine Ordnungsanalyse charakterisiert bzw. beschrieben sowie abgespeichert und mit Musterkurven verglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,

dadurch gekennzeichnet,

daß jedem Walzfehler mindestens zwei Kennwerte zugeordnet werden, die mathematisch als aktueller Merkmalsvektor erfaßt sowie zur Fehlerklassifizierung mit dem Mustervektor für den entsprechenden Fehler verglichen werden.






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