Kraft an Stufenpressen wird örtlich aufgelöst gemessen

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Leibniz Universität Inst. für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)

Das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung des neuen Kraftsensors lag jedoch auf der Messung der Kraftverteilung über den Werkzeugumfang beziehungsweise der Auflagefläche des Werkzeugs. Künftig sollen zudem asymmetrische Werkzeugbelastungen aufgespürt werden und durch den Maschinenbediener beseitigt werden können. Diese Werkzeugbelastungen spiegeln sich zwar nur unwesentlich in dem gemessenen Gesamtkraftverlauf wider, können dauerhaft aber die Werkzeuge schädigen und eine ungenügende Produktgüte herbeiführen. Diese Mehrinformation erhöht die Aussagekraft des Prozessüberwachungssystems und erweitert somit das Spektrum der potentiell detektierbaren Prozessfehler.

Kraftsensor gliedert sich in acht Einzelsegmente

Bei dem neu entwickelten Kraftsensor wird, wie auch bei üblichen Verfahren zur Kraftmessung, die induzierte Dehnung eines individuell an die jeweilige Werkzeugstufe angepassten Federkörpers als Messgröße genutzt. Um jedoch die Gesamtkraft ortsaufgelöst erfassen zu können, wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode-(FEM) Simulation eine Federkörpergeometrie entworfen, die sich aus acht radial angeordneten Einzelsegmenten zusammensetzt. Unter Berücksichtigung der Maße des vorgesehenen Einbauraums in den Werkzeugstufen strebt der Sensor eine Geometrie an, die eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Sensorsegmente reduziert. Somit wird eine homogene Verteilung der elastischen Dehnung der Dehnungsmessstreifen-(DMS) Applikationsfläche (Bild 2) gewährleistet.

Neben der Geometrie des Federkörpers ist dessen Material für die Eigenschaften des Kraftsensors von entscheidender Bedeutung. Als Hauptanforderungen an den Federkörperwerkstoff wurden unter anderem ein geringes plastisches Kriechverhalten, eine hohe Festigkeit sowie eine gute chemische Beständigkeit definiert. Der gewählte Federstahl eignet sich aufgrund der hervorragenden Eigenschaften sehr gut für die Verwendung als Federkörper für die Kraftmessung. Dieser Werkstoff erfüllt alle Anforderungen und ist im Auslieferungszustand gut spanend bearbeitbar.

Messkette mit 40-Kanal-Wechselspannungsverstärker

Um Prozesskräfte in fünf Stufen eines Versuchswerkzeugs örtlich aufgelöst messen zu können, wurde eine Messkette auf Basis einer eigens für diesen Zweck entwickelten Verstärkerschaltung aufgebaut. Kern der Messkette ist ein 40-Kanal-Wechselspannungsverstärker, der eine stabile Speisespannung erzeugt und die Ausgangsspannung der DMS möglichst rauschfrei verstärken kann. Zudem wurde ein Messprogramm in der Entwicklungsumgebung Labview implementiert. Somit können die Kraftsignale aus den örtlich aufgelöst messenden Kraftmessringen so quantifiziert werden, dass die Erschließung der darin enthaltenen Mehrinformation gegenüber einer Messung allein der Gesamtkraft für die Prozessüberwachung möglich wird. Wie eine solche Messkette schematisch aufgebaut ist, zeigt Bild 3.

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