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EFB-Forschungsbericht Nr. 388

Einsatzpotential einer örtlich aufgelöst messenden Umformkraftsensorik und Qualifizierung zu einem Prozessüberwachungssystem

efb388

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Thomas Nitschke, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Prof.Dr.-Ing. Eduard Reithmeier, M. Sc. Yinan Li, Institut für Mess- und Regelungstechnik der Leibniz Universität Hannover

74 Seiten (sw, 45 teils farbige Abb. )

ISBN: 978-3-86776-431-5

Preis (Digital) EUR 49,41

Preis (Print) EUR 61,82

Zusammenfassung

Bei der Fertigung von umformtechnisch hergestellten Produkten spielt die Prozessüberwachung eine zunehmend wichtigere Rolle. Durch die Kenntnis der Höhe der Umformkraft können Fehler im Produktionsablauf frühzeitig erkannt und die Maschine zum Schutz vor Beschädigungen automatisch gestoppt werden.

Die bisher eingesetzten Systeme zur Prozessüberwachung können die hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit nur begrenzt erfüllen. Die häufig angewandte Kraftmessung im Nebenschluss erlaubt keine genaue Angabe der absoluten Umformkraft, da die Kraftwerte durch eine mögliche exzentrische Krafteinleitung sowie durch Fertigungsfehler der im Kraftfluss befindlichen Teile verfälscht werden können.

In einem vorangegangenen Forschungsprojekt (IGF 15341 N/1) wurde daher eine Kraftsensorik entwickelt und gebaut, die im Krafthauptfluss integriert ist und in der Lage ist neben der Gesamtkraft auch die örtliche Verteilung der Gesamtkraft zu messen.
Das Ziel dieses Projektes war es, das Potential einer örtlich aufgelöst messenden Umformkraftsensorik hinsichtlich des Einsatzes für die Prozessüberwachung zu untersuchen.

Hierfür wurde ein fünfstufiges Versuchswerkzeug konstruiert und gebaut, welches die Möglichkeit zur gezielten Einbringung von Prozessfehlern bietet. Des Weiteren wurde bei der Werkzeugkonstruktion ein entsprechender Einbauraum zur Integration der segmentierten Kraftsensoren in jeder Stufe berücksichtigt. Die segmentierten Kraftsensoren wurden gemäß den werkzeugseitigen Vorgaben konstruiert, mittels FEM-Simulation optimiert und gefertigt.

Weiterhin wurden unterschiedliche auf mathematische Algorithmen basierende Ansätze zur Detektion von Prozessfehlern in die neu entwickelte Messsoftware integriert. Anhand von praktischen Versuchen wurde die Tauglichkeit der örtlich aufgelösten Kraftmessung für die Prozessüberwachung nachgewiesen und das Spektrum der potentiell detektierbaren Prozessfehler erweitert.
Das Ziel dieses Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Einsatzpotential einer örtlich aufgelöst messenden Umformkraftsensorik und Qualifizierung zu einem Prozessüberwachungssystem“ wurde unter der Fördernummer AiF 17060N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 388 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
1     Zusammenfassung
2     Einleitung und Problemstellung
3     Stand der Technik
3.1     Maschinensicherung und Prozesskontrolle
3.2     Messungen zur Prozesscharakterisierung
3.3     Spezielle Vorarbeiten
4     Forschungsziele und Lösungsweg
5     Aufbau des mehrstufigen Versuchswerkzeuges
6     Entwurf und Fertigung der segmentierten  Kraftmessringe
6.1     Federkörperwerkstoff
6.2     Geometrieoptimierung mittels FEM-Simulation
6.3     Applikation der DMS sowie Integration in das Werkzeug
7     Entwurf und Aufbau der Messtechnik
7.1     Entwicklung des 40-Kanal Verstärkers
7.2     Optimierung der Messeinrichtung
7.3     Digitalisierung des Messsignals
7.4     Entwicklung der Messsoftware
7.5     Kalibrierung der Messkette
8     Funktionsanalyse unter Laborbedingungen
8.1     Einfluss exzentrischer Krafteinleitung
8.2     Einfluss des Sensorabstandes von der Krafteinleitung
9     Sensitivitätsanalyse
10     Entwicklung eines Prozessfehler-Detektionssystems
10.1     Vorverarbeitung
10.2     Merkmalsextraktion
10.3     Klassifikation
10.3.1     Künstliche neuronale Netze
10.3.2     Ausführung des Backpropagation-Algorithmus
10.4     Anwendung des neuronalen Netzes
10.5     Parallelisierung des Programms
11     Ergebnisse
11.1     Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse
11.2     Innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
12     Literaturverzeichnis