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EFB-Forschungsbericht Nr. 541

Prozessbegleitende Bauteilvermessung in Stufenpressen

efb-541

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dr.-Ing. Richard Krimm, M. Sc. André Höber, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

84 Seiten (sw, 44 teils farbige Abb., 8 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-598-5

Preis (Digital) EUR 54,00

Preis (Print) EUR 68,00

Zusammenfassung

Bei der umformtechnischen Herstellung kleiner Bauteile wie Hülsen, Sicherungskappen, Lampenfassungen, Batterien, Präzisionsteilen mit mehreren Passflächen mit hohem Umformgrad auf Stufenpressen in hohen Stückzahlen verursachen Schwankungen der Bauteilmaße mitunter hohe Ausschussquoten. Dies verursacht hohe Kosten aufgrund von Mehrfachproduktion und Qualitätssicherung. Mit der frühzeitigen Erkennung von Fehlteilen könnten daher nicht nur eine hinreichende Gutteilquote erreicht, sondern auch die Produktionskosten langfristig gesenkt werden.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde ein Konzept zur prozessbegleitenden Bauteilkontrolle erarbeitet. Dieses kann als abschließende Messstufe direkt in den Produktionsprozess eingegliedert werden.

Hierzu wurde eine exemplarische Messaufgabe für ein rotationssymmetrisches Messingbauteil definiert, das in einer Stufenpresse produziert wird. Um die Anforderungen an das spätere Messsystem zu quantifizieren, wurden die Umgebungsbedingungen und Störgrößen im Produktionsprozess in der benannten Stufenpresse erfasst.

Hierbei wurden der Bauraum, die Temperatur, die Beölung, die Schwingungen, die Lichtverhältnisse und prozessspezifische Gegebenheiten wie die Hubdauer betrachtet. Darüber hinaus wurden in Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss weitere Rahmenbedingungen wie die Messauflösung und die Gesamtkosten erarbeitet.

Anhand der ermittelten Anforderungen wurde ein zur Erfüllung der Messaufgabe geeignetes Konzept erarbeitet und anschließend ein entsprechender Laborprüfstand aufgebaut.

Dieser diente dazu, den Einfluss der Störgrößen Beölung, Schwingungen und Temperatur auf die Entstehung von Messfehlern zu ermitteln und hieraus wiederum Maßnahmen zur Kompensation oder mindestens Reduzierung des Störeinflusses abzuleiten. Hierzu wurden die Störgrößen gezielt einzeln hervorgerufen und Messungen durchgeführt.

Eine in LabVIEW programmierte Messsoftware ermöglicht die automatisierte Auswertung der Messwerte. Dieser wurde entsprechend der erarbeiteten Messmethodik ein Algorithmus hinterlegt, mit dessen Hilfe die festgelegten Bauteilmerkmale ermittelt und nicht maßhaltige Bauteile direkt identifiziert werden können.

Abschließend wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Robustheit des Messkonzepts in der Praxis zu ermitteln.
Hierbei wurde zum einen der Einfluss von Parametern auf entstehende Messfehler evaluiert, auf die der Anwender im späteren Einsatz in der Presse in der Regel keinen Einfluss mehr hat. Hierzu zählen beispielsweise die Positioniergenauigkeit des Messobjekts oder die Einbaulage des Sensors.
Darüber hinaus wurde das Messsystem unter produktionsnahen Bedingungen getestet, indem die relevantesten Störgrößen Temperatur, Beölung und Schwingungen in Kombination hervorgerufen und Messungen durchgeführt wurden.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Prozessbegleitende Bauteilvermessung in Stufenpressen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19904N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 541 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In the production of small components such as sleeves, safety caps, lamp sockets, batteries, precision parts with several fitting surfaces with a high degree of deformation on progressive presses in large quantities, deviations in component dimensions cause high failure rates. This causes high costs due to multiple production and quality assurance. Early detection of defective parts would therefore not only achieve a sufficient quality quota but also reduce production costs in the long term.

In the presented research project, a concept was developed in order to achieve an in-process monitoring of the component quality.
This concept can be directly integrated into the production process as a final measuring stage. For this purpose, an exemplary measuring task was defined for a rotationally symmetrical brass component which is produced in an industrial stage press.

In order to quantify the requirements for the measuring system, the environmental conditions and disturbances in the production process were measured.

The construction space, temperature, lubrication, vibrations, lighting conditions and process-specific conditions such as stroke duration were taken into account. In addition, further basic conditions such as the measurement resolution and the total costs were worked out in co-operation with the committee accompanying the project.

Based on the identified requirements, a suitable concept was developed and a laboratory test stand was set up. It was used to analyse the influence of the disturbances oiling, vibrations and temperature on the occurrence of measurement errors and to define appropriate compensation steps or at least achieve a reduction of the disturbance influence. For this purpose, the disturbances were caused individually and measurements were carried out.

A measurement software programmed in LabVIEW enables the automated evaluation of the measured values. In accordance with the developed measurement procedure, an algorithm was stored in this software, with the help of which the defined component characteristics can be determined and non-conforming components can be directly identified.

Finally, a sensitivity analysis was carried out to determine the robustness of the measurement concept in practical use. On the one hand, the influence of parameters on measurement errors that occur was evaluated, on which the user usually has no influence in later use in the press. These include, for example, the positioning accuracy of the measured object or the installation position of the sensor.

In addition, the measuring system was tested under conditions close to production by combining the relevant disturbances temperature, oiling and vibrations and carrying out measurements.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Qualitätssicherung
2.2 Sensoren
2.2.1 Konfokal-chromatischer Sensor
2.2.2 Laser-Profil-Sensor
2.2.3 Induktiver Sensor (Wirbelstrom)
2.2.4 Kapazitiver Sensor
2.2.5 Charge Coupled Device – Bildsensor (CCD-Sensor)
2.2.6 Optisches Präzisionsmikrometer
2.2.7 Pneumatischer Messdorn
2.3 Messsystemanalyse (MSA)
3 Klärung der Anforderungen
4 Anforderungen an die Messtechnik
4.1 Temperaturbeständigkeit
4.2 Beölungsresistenz
4.3 Schwingungsresistenz
4.4 Messzeitfenster
4.5 Bauraum
4.6 Sonstige Anforderungen
4.7 Fazit
5 Konzeptionierung des Messverfahrens
5.1 Wahl eines geeigneten Sensorsystems
5.2 Messmethodik
5.3 Messstufenkonzept
5.4 Fazit
6 Laborprüfstand
6.1 Temperatur
6.2 Schwingungen
6.3 Beölung
6.3.1 Schlupf
6.3.2 Oberflächenreflexionsgrad
6.4 Fazit
7 Messsoftware
8 Sensitivitätsanalyse
8.1 Außermittige Messung
8.2 Messwinkel
8.3 Produktionsnahe Umgebungsbedingungen
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis