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Mikroumformen

Kontrollierte Präzision einer Mikroumformmaschine

| Autor / Redakteur: Hendrik Tetzel und Annika Bohlen / Stéphane Itasse

Wie präzise eine Mikroumformmaschine bei hochdynamischer Beanspruchung tatsächlich arbeitet, hat das BIAS untersucht.
Wie präzise eine Mikroumformmaschine bei hochdynamischer Beanspruchung tatsächlich arbeitet, hat das BIAS untersucht. (Bild: BIAS)

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Die fortschreitende Miniaturisierung ist in vielen Bereichen des täglichen Lebens beobachtbar. Die Fertigung von Bauteilen für mikro-mechatronische Systeme stellt die Hersteller vor zunehmend größere Herausforderungen hinsichtlich der Toleranzen.

Für Forschungszwecke befindet sich am BIAS (Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH) eine mit Lineardirektmotoren angetriebene Mikroumformmaschine, die zur Herstellung kleinster Bauteile eingesetzt wird. Die absolute Positioniergenauigkeit der Umformmaschine ist mit 3 μm nachgewiesen. Doch wie verhält sich eine solche Maschine bei hochdynamischer Beanspruchung im Betrieb? Kann von einer idealen Verfahrbewegung der Achsen ausgegangen werden?

Kraftmessungsbasierte Beschleunigungsmessung in der Mikroumformmaschine soll Präzision klären

Mittels einer kraftmessungsbasierten Beschleunigungsmessung wurde versucht, diese Fragen zu beantworten. Hierbei soll das Verhalten des Steuerungssystems und der Maschine bei maximaler Belastung betrachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Lageregelung die vorgegebenen Achspositionen innerhalb der gegebenen Messunsicherheit nach jeweils der gleichen Zeit reproduzierbar erreicht. Jedoch wählt die Geschwindigkeitsregelung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung und der jeweiligen Lage unterschiedliche Beschleunigungsraten, um den Sollwert zu erreichen.

Um Informationen über das Beschleunigungsverhalten der linear-direktangetriebenen Pressenachse zu erlangen, wird eine Masse anstelle des Umformstempels im Werkzeughalter montiert (Bild 2) und die in der Bewegung auftretenden Kräfte werden aufgezeichnet. Für die Versuche werden die Startposition der Achse (s1 bis s5), die Bewegungsrichtung (nach unten (s1, s2 und s3) beziehungsweise nach oben (s4 und s5), sowie die Zielgeschwindigkeit variiert. Es werden entsprechend alle Zielgeschwindigkeiten mit allen Startpositionen kombiniert. Die Hubhöhe und die Prüfmasse bleiben bei allen Versuchen konstant. Alle Hübe werden zwecks stochastischer Absicherung zehnmal geprüft.

Prüfmasse zentrisch durch eine starre Verbindung an Piezo-Kraftsensor befestigt

Gesteuert wird die Mikroumformmaschine durch eine Sinumerik 840D von Siemens. Die Lageregelung der Maschinenachsen wird durch Siemens-Simodrive-Einheiten dargestellt. Diese sind den Strom- und Geschwindigkeitsregelkreisen untergeordnet, eine Ruckbegrenzung ist definiert. Die maximale Beschleunigung der Achsen soll bedingt durch das Wegmesssystem auf 100 m/s² seitens der SPS begrenzt werden.

Die Prüfmasse wird zentrisch durch eine starre Verbindung an einem Piezokraftsensor für Zug- und Druckkräfte (Kistler Typ 9217A) befestigt. Der Kraft­sensor ist direkt mit der Maschinenachse verbunden. Das elektrische Signal des Piezokraftsensors wird mit einem Ladungsverstärker (Kistler Typ 5015A) in ein Analogsignal umgesetzt, welches durch einen Analogeingang (NI 9223) erfasst wird. Simultan wird an einem digitalen Eingangsmodul (NI 9411) der zurückgelegte Stempelweg inkrementell (Schrittweite Δi = 5 μm) erfasst. Beide Eingänge werden mit einer maximalen Aufnahmefrequenz von 1 MHz abgetastet.

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