Development and evaluation of a measuring concept for bearing dimensions

Abstract

MIBA AG develops and produces function-critical components for use along the entire energy value chain. These include plain bearing shells of various dimensions, materials, and properties, as well as different component geometries and manufacturing processes. For quality control purposes, the most important dimensions of the bearing shells are currently measured manually in random samples and compared with the required dimensions and tolerances from the technical drawings. The aim of this work is to develop an efficient, robust, and automated approach to measuring the key bearing dimensions using machine vision to ensure the quality requirements of each individual bearing shell. Machine vision is introduced by reviewing the existing literature on the subject. Two-dimensional, three-dimensional, and tactile measurement methods are described and compared from the research publications. The 2D methods include image-generating processes such as single cameras, which do not provide depth information for static recordings. Three-dimensional digital models can be created by using multiple cameras, structured light, or laser scanners, which allow measurement in three spatial directions. While these methods are non-contact, tactile sensors need to make contact with the part surface to generate a model of the part dimensions. Cameras, snapshot sensors (using structured light), lasers and tactile concepts were identified from the literature as the four most important and relevant concepts. Practical tests were carried out with a camera, a snapshot sensor and laser scanners and the recording procedure, the setup, the measurement software implemented in MATLAB and the results are presented in the thesis. The tactile concept is described theoretically due to the high financial acquisition costs. Delivering the most accurate results, the laser measurement method was chosen for further investigations.Based on the first measurements, the most important criteria for a mounting device of the bearing shells were identified in order to increase the quality and comparability of the measurements. A polyamide mounting device was developed using 3D printing, allowing repeatable and identical positioning for bearings ranging in diameter from 10 cm to 22 cm. Two laser scanners, the developed mounting device and a motorized linear axis were used for validation measurements and the construction of the final concept. The linear axis is required to move the bearing through the scan lines of the lasers to build up a digital 3D model of individual measurement points, a point cloud, layer by layer. The developed MATLAB algorithm consists of translations, rotations, and shears. These transformations are performed based on the parameters of a linear curve fitting calculation of the lateral surfaces of a calibration part recorded together with the bearing. Therefore, a MATLAB function, a linear regression analysis, and the RANSAC algorithm are applied and compared as linear fitting methods. These operations are used to align the separately acquired laser scanner point clouds and combine them into a single point cloud model. Five dimensions of the digital point model of the bearing are then compared with the desired dimensions and evaluated. Validation measurements were taken to verify the repeatability and accuracy of the measurements.The concept and algorithm developed are considered as basis for further measuring stations and automations that can be implemented in MIBA AG's production lines for the measurement and quality inspection of bearing shells.

Die MIBA AG entwickelt und produziert funktionskritische Komponenten für die Anwendung entlang der gesamten Energie-Wertschöpfungskette. Unter anderem Gleitlagerschalen in verschiedenen Dimensionen, Materialien und Eigenschaften sowie voneinander abweichenden Geometrien und Herstellungsverfahren. Für die Qualitätskontrolle werden derzeit bei Stichproben die wichtigsten Abmessungen der Lagerschalen händisch vermessen und mit den geforderten Maßen und Toleranzen aus den technischen Zeichnungen abgeglichen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen effizienten, robusten und automatisierten Ansatz zur Vermessung der wichtigsten Lagermaße durch den Einsatz von maschinellem Sehen zu entwickeln, um so die Qualitätsansprüche jeder einzelnen Lagerschale sicherzustellen. In die Thematik des maschinellen Sehens wird anhand einer Literaturrecherche zum Stand der Technik eingeleitet. Aus den Publikationen der Recherche werden zweidimensionale, dreidimensionale und taktile Methoden für die Messaufnahme beschrieben und gegenübergestellt. Zu den 2D-Methoden zählen bildgenerierende Verfahren wie einzelne Kameras, welche bei statischen Aufnahmen keine Tiefeninformationen liefern. Durch die Aufnahme mit mehreren Kameras, die Verwendung von strukturiertem Licht oder Laserscannern können dreidimensionale Modelle erstellt werden, welche Messungen in drei Raumrichtungen ermöglichen. Während diese Methoden kontaktlos funktionieren, müssen taktile Sensoren einen Kontakt mit der Bauteiloberfläche herstellen, um ein Modell der Bauteilabmessung zu generieren. Als die vier wichtigsten und relevantesten Konzepte wurden Kameras, Snapshot-Sensoren (Einsatz von strukturiertem Licht), Laser und taktile Konzepte aus der Literatur identifiziert. Mit Kameras, einem Snapshot-Sensor und Laserscannern wurden praktische Versuche durchgeführt und im Rahmen der Arbeit wird jeweils auf die Vorgehensweise, den Aufbau, die implementierte Messsoftware in MATLAB und die Ergebnisse eingegangen. Das taktile Konzept wird aufgrund des hohen finanziellen Anschaffungsaufwands theoretisch beschrieben. Aufgrund der genausten Ergebnisse wurde die Laser-Messmethode für die weiteren Untersuchungen ausgewählt.Auf Basis der ersten Messungen wurden die wichtigsten Kriterien für eine Halterung der Lagerschalen erarbeitet, welche die Qualität sowie die Vergleichbarkeit der Messaufnahmen erhöhen sollte. Mittels 3D-Druck wurde eine Polyamid-Halterung entwickelt, welche eine wiederholbare und gleiche Positionierung für Lager mit Durchmesser von 10 cm bis 22 cm ermöglicht. Für Validierungsmessung und den Aufbau des finalen Konzepts wurden zwei Laserscanner, die entwickelte Halterung sowie eine motorisierte Linearachse verwendet. Die Linearachse wird benötigt, um das Lager durch die Scan-Linie des Lasers zu bewegen und so Schicht für Schicht ein digitales 3D Modell bestehend aus einzelnen Messpunkten, eine Punktewolke, aufzubauen. Der entwickelte MATLAB Algorithmus besteht aus Translationen, Rotationen und Scherungen. Diese Transformationen werden auf Basis der Parameter einer linearen Ausgleichsrechnung der mitgemessenen Kalibrierteil-Seitenflächen durchgeführt, wobei hierfür eine MATLAB Funktion, eine lineare Regressionsanalyse und der RANSAC Algorithmus verwendet und gegenübergestellt wurden. Durch diese Operationen werden die von den Laserscannern separat erfassten Punktwolken ausgerichtet und zu einem Modell zusammengefügt. Anschließend werden fünf Maße des digitalen Punktemodells des Lagers mit den gewünschten Dimensionen abgeglichen und ausgewertet. Anhand von Validierungsmessungen wurde die Wiederholbarkeit und Genauigkeit der Messungen überprüft.Das entwickelte Konzept und der Algorithmus sind die Grundlage für Messstationen oder Automatisierungen, die in den Fertigungslinien der MIBA AG zur Vermessung von Lagerschalen implementiert werden können.