Vermessung von Stranggießanlagen. Ausführlicher Messbericht.

Bei der Vermessung von Stranggießanlagen gilt es besonderen Herausforderungen zu beachten. In erster Linie gilt dies für die hohen geforderten Genauigkeiten in hohen Messvolumen. Beengte oder nur schwer zugängliche Messstellen erfordern die gesamte Erfahrung und Aufmerksamkeit des Messpersonals. Aber auch die Umgebungsbedingungen, die geprägt sind durch starke Temperaturschwankungen, Baustellenatmosphäre sowie vorkommende Erschütterungen durch noch in Produktion befindliche Anlagenteile, erschweren die Messdurchführung. Gemäß unserer Erfahrungen ist bei der Erfassung der Geometrie von Stranggießanlagen oder ihrer Komponenten ein klassisches Messverfahren (Theodolit, Nivelliergerät und/oder Schnurgerüsten) zeitaufwendig und auch fehleranfällig. Zusätzlich ist nicht sicherzustellen, ob ein klassisches Messverfahren und -hilfsmittel in der Lage ist, die zur Funktionserfüllung erforderliche Messgenauigkeit überhaupt sicher zu stellen. sigma3D hat zur Durchführung einzelner Messaufgaben verschiedene Messkonzepte entwickelt und durch eigene Softwarelösungen umgesetzt. Die Messkonzepte sind jeweils durch weltweite Patente geschützt. Unser Messverfahren zur Vermessung einer Stranggießanlage wurde Ende 2005 zum ersten Mal in einem führenden internationalen Industrieunternehmen erfolgreich angewendet. Grundlegend für das Messkonzept ist der Einsatz von 3D-Laser-Trackern und die Ausstattung der Segmente mit Referenzpunkten, über die Anlagenmessung auf Lage der Führungsrollen und damit auf die Passline zugerechnet wurde. In diesem Fall konnten wir die Stranggießanlage in 16 Stunden ohne Entfernen der Oberrahmen vermessen werden (bei klassischer Messmethode ca. 14 Tage und mehr).

Konzept zur Selbstreferenzierung

Für alle Berührpunkte der Führungsrollen können, z. B. aus dem Rollenplan der Anlage, die nominellen Zeichnungswerte in Form von x, y und z Koordinaten ermittelt werden. Diese Koordinaten liegen dann in einem nominellen Anlagenkoordinatensystem vor. Über die bereits beschriebene überbestimmte 3D-Transformation lassen sich die Koordinaten der Ist-Messung und die Soll-Koordinaten zur Deckung bringen. Die
Restabweichungen in x, y und z lassen sich für jeden Rollenberührpunkt in eine radiale (dR), eine tangentiale (dT) und eine seitliche (dy) Abweichung umrechnen und stehen für die Fehlstellung jeder einzelnen Rolle innerhalb der Anlage. Bei dieser Vorgehensweise sind keine zusätzlichen Festpunkte in der Anlage nötig, welche die Solllage der Segmente definieren. Die Selbstreferenzierung bietet die wesentlichen

Vorteile:

Sollen z. B. nur die Segmente 3 bis 7 vermessen werden, kann die 3D-Transformation derart ausgeführt werden, dass die Segmente 2 und 8 auch angemessen werden und nur über sie das Koordinatensystem definiert und gefunden wird. Die Segmente 3 bis 7 werden dann optimal zwischen den beiden benachbarten Segmenten eingepasst. Würden in diesem Falle externe Festpunkte verwendet, werden zwar die Segmente 3 bis 7 richtig zueinander eingestellt. An den Übergängen zu 2 und 8 kann es aber zu deutlichen Abweichungen kommen, wenn die Lage der Festpunkte ungenau ist oder auch messtechnisch nur ungenau messbar ist (Einsatz von Schnurgerüsten und Messgenauigkeit im Bereich 0,1 mm). Neben der Einpassung zwischen benachbarte Segmente können auch Einpassungen zur Kokille oder auch zu den Pilzen zur Aufnahme der Mutterschablone für die Kokillenausrichtung durchgeführt werden.

Bei der Umsetzung des Konzeptes im August und September 2005 konnte eine Stranggießanlage in nur 16 Stunden vermessen werden. Das dabei entdeckte Verbesserungs- und Optimierungspotential wird diese Messzeiten in Zukunft reduzieren. Die Transfermessungen wurden im August an Ersatzsegmenten der Anlage durchgeführt. Es wurde ca. ein Arbeitstag für zwei bis drei Segmente benötigt. Direkt nach der Anlagenmessung konnte das Messergebnis in Form eines Diagramms (Abbildung 8) dargestellt werden. Die erforderlichen Justierbeträge wurden in einer Liste ausgegeben. Die unterschiedlichen Farben stellen dabei jeweils die vier Berührpunkte je Rollenreihe dar. Auf der waagerechten Achse von links nach rechts sind die einzelnen Rollen in Gießrichtung angeordnet und auf der vertikalen Achse die Abweichungen vom Gießradius dR aufgetragen. Die Auswertungen der verschiedenen Redundanzen ergaben folgende Ergebnisse:

  1. Redundanzen im Referenzpunktfeld: Aus den Mehrfachmessungen des Festpunktfeldes ergab sich eine Standardabweichung von 0,08 mm für eine einmal gemessene Koordinatenrichtung
  2. Referenzpunkte am Segment: Im Rahmen verschiedener Justierschritte bei der Anlagenmessung wurden die Segmente mehrmals vermessen. Als Redundanz wurde jeweils nur die radiale Richtung der Segmente ausgewertet, da die seitliche und tangentiale Richtung bei mit Vektorstab gemessenen Punkte Ungenauigkeiten von ~ 1 mm aufweisen. Nach den Möglichkeiten des Messgerätes waren hier maximal ± 0,2 mm also eine Spanne von 0,4 mm zu erwarten (Abbildung 10). Nachforschungen vor Ort haben ergeben, dass unebene Auflageflächen des Segmentes in der Anlage einen wesentlichen Einfluss auf diesen Wert haben, da das Segment bei der Montage entsprechend verspannt worden ist.
  3. Redundanzen durch direkte Referenzpunktmessungen und Punktmessungen mit Vektorstab: Wiederholt wurden Referenzpunkte in der Anlage direkt und mit Vektorstab gemessen. Diese Messungen sind dabei
    nicht immer direkt hintereinander, sondern häufig auch von verschiedenen Standpunkten und an verschiedenen Messtagen durchgeführt worden. Die Auswertung der Doppelmessungen ergibt in radialer Richtung eine maximale Differenz von + 0,29 mm und eine minimale Differenz von – 0,20 mm; als Standardabweichung ergibt sich 0,12 mm.
  4. Wiederholte Messung der Rolle 1 des Segmentes 1: Die Rolle 1 des Segmentes 1 wird einerseits durch die Referenzpunkte des Segmentes bestimmt, andererseits durch die Messung mit Adapter durch die Kokille. Es ergeben sich zwischen diesen Messungen radiale Abweichungen von 0,17 mm auf der linken Seite bzw. 0,27 mm auf der rechten Strangseite.

Ausblick – weitere Entwicklungen

Die Untersuchungen der Transfermessungen haben aufgezeigt, dass die Ausrichtung der Führungsrollen im Segmentausrichtstand mit Schablonen mit einer Standardabweichung von 0,22 mm erfolgt. Die Standardabweichung besagt, dass 68,3 % der Messwerte in das Intervall ± 0,22 mm fallen. Die Standardabweichung wurde im Rahmen einer Vergleichsmessung ermittelt. Es ist bekannt, dass bei solchen Messvergleichen alle Beteiligten mit besonderer Sorgfalt arbeiten. Im Tagesgeschäft dürften die erzielbaren Genauigkeiten mit Schablonenmessungen daher eher mit noch geringerer Genauigkeit anzusetzen sein.

Die Transfermessungen mit Laser-Tracker sind genau und nur in einem sehr geringen Maße abhängig vom Faktor Mensch. Wird für die Aufgabe der Ausrichtung von Führungsrollen an einem Segment mit Laser-Tracker eine einfache Software entwickelt, kann diese Aufgabe von einem entsprechend geschulten Mitarbeiter übernommen werden, der bisher die Schablonenmessungen durchgeführt hat. Bei dieser Messung könnten auch die Referenzpunkte des Segmentes vermessen werden.

Durch einen solchen Laser-Ausrichtstand wird es möglich, jede Rolle innerhalb des Segmentes hochgenau zu vermessen und zu justieren. In Verbindung mit der Anlagenmessung entsteht ein durchgängiger messtechnischer Prozess zur Ausrichtung des kompletten Rollenteppiches in der Anlage mit einem digitalen Datenfluss. Zurzeit wird ein Konzept für einen solchen Laser Ausrichtstand entwickelt. Damit soll die Ausrichtarbeit in der Werkstatt unter Verbesserung der Zuverlässigkeit beschleunigt werden.