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ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Umformmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12.
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Umformmaschinen sind Werkzeugmaschinen, die mit Hilfe geeigneter Werkzeuge aus Halbzeugen wie Draht oder Rohr oder dergleichen in einem automatischen Herstellungsprozess kleinere oder größere Serien von Formteilen oder einzelne Formteile mit teilweise komplexer Geometrie überwiegend durch Umformen erzeugen können. Bei einer Umformmaschine kann es sich beispielsweise um eine Biegemaschine zum Herstellen von zweidimensional oder dreidimensional gebogenen Biegeteilen aus Drahtmaterial oder Rohrmaterial oder um eine Federmaschine zur Herstellung von Druckfedern, Zugfedern, Schenkelfedern oder anderen federartigen Formteilen durch Federwinden oder Federwickeln handeln.
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Zur effizienten Herstellung großer Stückzahlen von Formteilen werden heutzutage hochproduktive computernumerisch gesteuerte, mehrachsige Umformmaschinen eingesetzt. Eine solche Umformmaschine hat mehrere steuerbare Maschinenachsen, ein Antriebssystem mit mehreren elektrischen Antrieben zum Antreiben der Maschinenachsen und eine Steuereinrichtung zur koordinierten Ansteuerung von Arbeitsbewegungen der Maschinenachsen in einem Herstellungsprozess gemäß einem für den Herstellungsprozess spezifischen, computerlesbaren Steuerprogramm.
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Bei der automatisierten Herstellung von zwei- oder mehrdimensional gebogenen Formteilen werden die Bewegungen der Maschinenachsen mit Hilfe der Steuereinrichtung koordiniert angesteuert, um an dem Werkstück durch plastisches Umformen eine oder mehrere bleibende Biegungen zu erzeugen. Handelt es sich bei den Formteilen um Federn, z.B. Schraubenfedern, entstehen u.a. Biegungen in Kombination mit Torsion in Form von Windungen oder Abschnitten von Windungen.
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Bei vielen Formteilen gibt es eine oder mehrere Biegungen, die als Bogen zwischen zwei an den Bogen angrenzenden Geradenabschnitten beschrieben werden können. Die relative Orientierung der Geradenabschnitte zueinander wird üblicherweise durch den Biegewinkel beschrieben. Gemäß einer gebräuchlichen Definition ist der Biegewinkel der Winkel zwischen den verlängerten Mittelachsen der angrenzenden Geradenabschnitte. Die Größe des Biegewinkels entspricht im idealisierten Fall dem Drehwinkel, den ein drehbares Biegewerkzeug zur Erzeugung der gewünschten Biegung zurücklegen muss, um in einem geraden Werkstückabschnitt den Bogen bzw. die Biegung durch Umformen zu erzeugen.
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Eine Biegung kann weiterhin durch einen Biegeradius charakterisiert werden, wobei der Biegeradius der Krümmungsradius eines kreisbogenförmigen Teils der Biegung ist. Biegeradius und Biegewinkel sind typische Geometrieparameter zur Charakterisierung von Biegungen derartiger Formteile.
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Beim Biegen metallischer Werkstoffe federt der umgebogene Geradenabschnitt in der Regel nach einem Biegevorgang aufgrund des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens um einen gewissen Winkelbetrag zurück, der meist als Rückfederungswinkel bezeichnet wird. Die Rückfederung wird üblicherweise dadurch kompensiert, dass das Werkstück bei der Biegeoperation über den für das fertige Biegeteil angestrebten Soll-Biegewinkel hinaus überbogen wird. Man versucht dabei, das Ausmaß des Überbiegens, das durch den Überbiegewinkel beschrieben werden kann, so zu steuern, dass nach der Rückfederung der gewünschte Soll-Biegewinkel vorliegt.
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Der erforderliche Überbiegewinkel hängt u.a. von Werkstoffparametern und Werkstückparametern ab und kann werkstückspezifisch berechnet werden, z.B. auf Basis von Parametern wie Durchmesser, Zugfestigkeit und E-Modul. In einem Speicher der Steuerung der Umformmaschine kann eine Kennlinie hinterlegt sein, die den funktionalen Zusammenhang z.B. zwischen einem am Werkstück gewünschten Biegewinkel (Soll-Biegewinkel) und dem zu seiner Erzeugung nötigen, von der Biegeachse zu fahrenden Drehwinkel (Zustellungswinkel) des entsprechenden Umformwerkzeugs angibt. Die Kennlinie kann zunächst aufgrund von Werkstück- und Werkstoffparametern berechnet werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus einem langgestreckten Werkstück, wie z.B. insbesondere aus einem Draht oder Rohr, durch Umformen mittels einer Umformmaschine kann dann so ablaufen, dass mindestens eine Kennlinie vorgegeben wird, die den funktionalen Zusammenhang zwischen einem Soll-Geometrieparameter des Formteils und einer zur Erzielung des Soll-Geometrieparameters einzustellenden Zustellung eines den Geometrieparameter beeinflussenden Umformwerkzeugs repräsentiert, und dass die Zustellung des Umformwerkzeugs bei einer produktiven Herstellung von Formteilen auf Basis der Kennlinie gesteuert wird.
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Bei vielen Umformmaschinen kann die Kennlinie vom Anwender bei Bedarf durch Eingabe von Korrekturwerten noch manuell angepasst werden. Der Bediener kann dazu ein hergestelltes Formteil, dessen Soll-Geometrie der Soll-Geometrie des später herzustellenden Formteils entspricht, mittels eine Lehre oder anderen Messhilfen vermessen und für geeignete Stützstellen der Kennlinie manuell Korrekturwerte eingeben, um eine verbesserte Kennlinie zu erzeugen, die bei einzurichtenden Teilen schneller zu Gutteilen führt.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2011 006 101 A1 beschreibt eine Biegemaschine, die es erlaubt, während des laufenden Biegeprozesses den aktuellen Ist-Wert des Biegewinkels aus der mittels eines Drehgebers erfassten Drehstellung eines Biegearms zu ermitteln. Bei manchen Ausführungsformen wird eine automatische Anpassung (Korrektur) der Kennlinie vorgenommen, wenn das Ergebnis der Messung zeigt, dass der auf Basis der aktuellen Kennlinie ermittelte Drehwinkel des Biegearms nicht mit ausreichender Genauigkeit zum gewünschten Soll-Biegewinkel führt. Es ergibt sich dadurch eine dynamisch veränderbare Kennlinie, wobei die Steuerung der Biegemaschine von jedem Biegevorgang für den darauf folgenden „lernen“ kann. Dadurch können beispielsweise allmähliche Änderungen von Werkstückeigenschaften kontinuierlich kompensiert werden.
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Das Problem der Rückfederung tritt prinzipiell auch bei der Erzeugung von Schraubenfedern auf. Der Durchmesser einer Federwindung sowie die Steigung der Feder können aufgrund des plastisch-elastischen Werkstoffverhaltens und anderer Einflussfaktoren (z.B. Werkzeugparametern) von den entsprechenden Sollwerten abweichen. Auch bei Federherstellungsmaschinen werden daher bei der Steuerung von Umformoperationen Kennlinien verwendet, die vom Bediener später noch manuell korrigiert werden können. Schraubenfedern oder Abschnitte von Schraubenfedern werden häufig über die Geometrieparameter Durchmesser und Steigung charakterisiert. Weitere Geometrieparameter sind z.B. die Anzahl von Windungen und die Federlänge.
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Die Ermittlung von Kennlinien ist in der Regel für den Bediener relativ aufwändig. Beispielsweise ist die Messung des Biegewinkels mit üblichen Messmitteln nicht einfach. Manchmal wird auf eine Korrektur bzw. Optimierung der von der Steuerung vorgegebenen Kennlinie(n) verzichtet und es wird stattdessen versucht, das der Steuerung zugrundeliegende Steuerprogramm zu ändern (z.B. durch Änderung von Zustellungswerten), um die erzielte Formteilgeometrie näher an die gewünschte Soll-Geometrie zu bringen.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Umformmaschine bereitzustellen, die bedienerfreundlich sind und auch bei komplexen Formteilgeometrien eine schnelle Einrichtung der Umformmaschine erlauben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Umformmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Gemäß einer Formulierung der beanspruchten Erfindung wird vor der produktiven Herstellung von (einem oder mehreren) Formteilen mit vorgegebener Soll-Formteilgeometrie eine automatisierte Kennlinienermittlungsoperation zur Ermittlung mindestens einer Ist-Kennlinie durchgeführt. Die Ist-Kennlinie ist eine Kennlinie, die die für eine exakte Formteilgeometrie erforderlichen Zustellungen des betroffenen Umformwerkzeugs in der Regel genauer beschreiben kann als eine aufgrund von Werkstoffparametern berechnete Kennlinie.
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Bei der automatisierten bzw. automatischen Kennlinienermittlungsoperation wird in einer ersten Referenz-Umformoperation mittels mindestens eines Umformwerkzeuges der Umformmaschine ein erster Messformteil-Abschnitt durch Umformen eines ersten Abschnitts des Werkstücks erzeugt. Der erste Messformteil-Abschnitt hat mindestens eine erste Biegung. Für die erste Referenz-Umformoperation wird das Umformwerkzeug, für welches die Kennlinie ermittelt werden soll, auf einen ersten Zustellungswert eingestellt. Der Zustellungswert kann beispielsweise die Position des Umformwerkzeuges und/oder eine Orientierung des Umformwerkzeuges bezogen auf ein geeignetes Referenz-Koordinatensystem beschreiben. Bei einem linear zustellbaren Umformwerkzeug kann der erste Zustellungswert als erster Zustellungsweg bezeichnet werden, bei einem rotativ zustellbaren Umformwerkzeug kann der erste Zustellungswert ein Zustellungswinkel sein.
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Der Begriff „Biegung“ bezeichnet hierbei allgemein eine durch Umformen erzeugte, von einer geradlinigen Form abweichende Form, und zwar unabhängig davon, auf welche Weise die Biegung erzeugt bzw. hergestellt wurde. Eine Biegung kann z.B. durch Biegen, Winden oder Wickeln von Draht oder Rohr erzeugt werden. Eine Biegung kann eine ebene Biegung sein. Es ist auch möglich, dass die Biegung einen Torsionsanteil aufweist (z.B. bei Federwindungen).
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Während und/oder nach der ersten Referenz-Umformoperation wird am ersten Messformteil-Abschnitt mindestens ein erster Ist-Geometrieparameter ermittelt, der die erhaltene Geometrie des ersten Messformteil-Abschnitts repräsentiert. Bei dem Geometrieparameter kann es sich abhängig von der Art des Formteils und/oder der Art des Messformteil-Abschnitts beispielsweise um einen Biegewinkel, einen Biegeradius, einen Windungsdurchmesser und/oder eine Steigung handeln.
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Unter Verwendung des (bei der ersten Referenz-Umformoperation eingestellten) ersten Zustellungswerts und des ersten Ist-Geometrieparameters, der zur Charakterisierung des Umformergebnisses dient, wird dann für die gewählte Kombination aus Umformwerkzeug und Geometrie und Material des Werkstücks eine Ist-Kennlinie ermittelt. Die Ist-Kennlinie kann aus einer vorher gültigen Kennlinie dadurch abgeleitet werden, dass für mindestens einen Stützpunkt der Kennlinie ein Korrekturwert ermittelt wird, um den ein dazugehöriger Wert der Kennlinie verändert werden muss, um von der vorherigen Kennlinie zur neuen Ist-Kennlinie zu gelangen. Die ermittelte Ist-Kennlinie kann somit eine vorher aktive Kennlinie ersetzen. In der Praxis kann die Erzeugung der Ist-Kennlinie so ablaufen, dass ein oder mehrere Korrekturwerte für die vorhandene Kennlinie ermittelt werden und diese so korrigiert wird, dass sie der Ist-Kennlinie entspricht.
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Nach Abschluss der automatisierten Kennlinienoperation erfolgt die Steuerung der Zustellung des Umformwerkzeuges bei einer folgenden produktiven Herstellung von einem oder mehreren Formteilen dann unter Verwendung der Ist-Kennlinie.
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Die mithilfe einer automatisierten Kennlinienermittlungsoperation ermittelte Ist-Kennlinie liefert in aller Regel Formteile, deren Ist-Geometrie näher an der gewünschten Soll-Geometrie der Formteile liegt als bei Verwendung einer auf Basis von Werkstoffparametern berechneten Kennlinie.
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Auf Seiten des Bedieners entfällt der Aufwand für eine manuelle Ermittlung einer Kennlinie, so dass der Einrichtungsprozess schneller und zielgerichteter als bisher ablaufen kann. Der Vorgang des Einrichtens kann wesentlich beschleunigt werden. Die automatisierte Kennlinienermittlungsoperation bringt im Vergleich zu herkömmlichen Vorgehensweisen in der Regel eine Verkürzung der Einrichtzeit, eine Vereinfachung des Einrichtprozesses und/oder eine Verringerung der Anzahl an Einrichtteilen. Gute Ergebnisse können systematisch und unabhängig von den Fähigkeiten des Bedieners erzielt werden.
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Es ist prinzipiell möglich, dass eine ausreichende Korrektur einer Kennlinie dadurch erreicht werden kann, dass lediglich ein einziger Messformteil-Abschnitt (der erste Messformteil-Abschnitt) durch Umformen erzeugt und vermessen wird, um daraus die Ist-Kennlinie bzw. einen Korrekturwert für eine vorhandene Kennlinie zu ermitteln. Dies kann z.B. dann ausreichen, wenn die vorhandene Kennlinie zwischen zwei vordefinierten Punkten verläuft, für die die Zuordnung zwischen Zustellungsweg und Geometrieparameter relativ gut bekannt ist. Beispielsweise kann ein Anfangspunkt einer Kennlinie so definiert sein, dass ein Zustellungswert von 0 einem Biegewinkel von 0° entspricht. Von diesem Anfangspunkt kann sich eine geradlinige Kennlinie bis zum Endpunkt erstrecken. Eine Korrektur der Kennlinie an einem einzigen zwischen Anfangspunkt und Endpunkt liegenden Stützpunkt kann bereits zu einer deutlichen Verbesserung der später gefertigten Formteilgeometrie führen.
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Bessere Ergebnisse und geringere Abweichungen von der angestrebten Soll-Geometrie zu fertigender Formteile können manchmal dadurch erreicht werden, dass nach der ersten Referenz-Umformoperation der Zustellungswert des Umformwerkzeugs von dem ersten Zustellungswert auf einen zweiten Zustellungswert geändert wird und dass danach mindestens ein zweiter Messformteil-Abschnitt mit mindestens einer zweiten Biegung durch Umformen des zweiten Abschnitts des Werkstücks in einer zweiten Referenz-Umformoperation mittels des gleichen Umformwerkzeugs erfolgt. Dabei ist das Umformwerkzeug dann auf den zweiten Zustellungswert eingestellt, der sich vom ersten Zustellungswert unterscheidet. In Analogie zum Vorgehen beim ersten Messformteil-Abschnitt wird dann der zweite Messformteil-Abschnitt vermessen, um mindestens einen zweiten Ist-Geometrieparameter zu ermitteln. Die Ermittlung der Ist-Kennlinie für die Kombination aus Umformwerkzeug und Werkstück kann dann unter Verwendung sowohl des ersten als auch des zweiten Zustellungswerts und des ersten und des zweiten Ist-Geometrieparameters erfolgen.
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Somit kann eine aktuelle Kennlinie bei Bedarf an zwei oder mehr zueinander beabstandeten Stützstellen korrigiert werden, wodurch häufig eine noch bessere Anpassung der Ist-Kennlinie an eine (in der Regel nicht zu erreichende) Ideal-Kennlinie möglich ist.
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Obwohl die Erzeugung bzw. Herstellung von einem einzigen oder zwei unterschiedlichen Messformteil-Abschnitten häufig ausreichen kann, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass mehr als zwei Messformteil-Abschnitte mit unterschiedlichen Zustellungswerten des Umformwerkzeugs nacheinander erzeugt und vermessen werden, um darauf basierend eine Ist-Kennlinie mit einer höheren Anzahl von korrigierten Stützstellen zu erhalten. Bei Versuchsserien hat sich herausgestellt, dass es in der Regel ausreichend ist, nicht mehr als zehn unterschiedliche Messformteil-Abschnitte zu erzeugen und zu vermessen. Größere Anzahlen sind jedoch nicht ausgeschlossen.
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Es hat sich herausgestellt, dass es in der Regel ausreichend ist, wenn eine einzige automatisierte Kennlinienermittlungsoperation der beschriebenen Art durchgeführt wird, um mit hoher Zuverlässigkeit im nachgeschalteten produktiven Prozess ein Formteil oder eine Serie von Formteilen herzustellen, die aufgrund ihrer im Toleranzbereich liegenden Ist-Geometrie als Gutteile angesehen werden können. Wenn das Ergebnis der ersten automatisierten Kennlinienoperation ausnahmsweise, beispielsweise aufgrund besonders hoher Qualitätsanforderungen, nicht ausreicht, kann nach einer ersten automatisierten Kennlinienermittlungsoperation mindestens eine zweite automatisierte Kennlinienermittlungsoperation zur Optimierung der in der ersten automatisierten Kennlinienermittlungsoperation ermittelten Ist-Kennlinie durchgeführt werden. Somit ist eine iterative Verbesserung mit zwei oder mehr Versuchen prinzipiell möglich. Ein Bediener kann die Anzahl der automatisierten Kennlinienermittlungsoperationen so wählen, dass eine durch eine weitere Kennlinienermittlungsoperation erzielte Verbesserung nicht mehr signifikant ist.
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Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, eine automatisierte Kennlinienermittlungsoperation durchzuführen. Bei einer Ausführungsform werden der erste Messformteil-Abschnitt und der zweite Messformteil-Abschnitt in einer Serie von Messoperationen zeitlich nacheinander mittels eines Messsystems vermessen, wobei zunächst der erste Messformteil-Abschnitt erzeugt und in einem Messbereich des Messsystems vermessen wird, danach der erste Messformteil-Abschnitt von einem zugeführten Werkstückabschnitt abgetrennt wird, und danach der zweite Messformteil-Abschnitt erzeugt und im Messbereich des Messsystems vermessen wird. Diese Variante kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn an der Umformmaschine ein Messsystem installiert ist, in dessen Messbereich die Messformteil-Abschnitte bei der Umformung gelangen können. Der Messbereich muss in der Regel nicht besonders groß sein, denn es reicht aus, wenn bei einer Biegung die Biegung selbst sowie angrenzende Geradenabschnitte im räumlichen Messbereich liegen. Sofern eine Umformmaschine bereits mit einem Messsystem ausgestattet ist, beispielsweise einem Kamerasystem, kann dieses gegebenenfalls für die Vermessungsoperation genutzt werden oder daran angepasst werden.
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Bei einer Ausführungsform werden Messformteil-Abschnitte zeitlich nacheinander mittels einer Kamera optisch vermessen. Eine einzige Kamera kann hierzu ausreichen.
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Bei einer anderen Variante wird mittels der Umformmaschine ein Messformteil erzeugt, welches den ersten Messformteil-Abschnitt und damit zusammenhängend mindestens einen zweiten Messformteil-Abschnitt aufweist. Danach wird das Messformteil von einem zugeführten Werkstückabschnitt abgetrennt und mittels eines Messsystems vermessen. Das Messformteil kann z.B. zwischen zwei und zehn geometrisch unterschiedliche Messformteil-Abschnitte aufweisen, die sich voneinander nur hinsichtlich des einen interessierenden Geometrieparameters (z.B. Biegewinkel, Biegeradius etc.) unterscheiden. Die Anzahl der unterschiedlichen Messformteil-Abschnitte bestimmt dabei die Anzahl möglicher Stützstellen zur Definition einer Ist-Kennlinie.
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Ein Messformteil zur Ermittlung einer Kennline hat bei vielen Ausführungsformen eine Gestalt, die sich prinzipiell von der Gestalt derjenigen Formteile unterscheidet, die später auf Basis der ermittelten Kennline im produktiven Prozess eingerichtet und gefertigt werden. Es kann sich um ein im Hinblick auf die Kennlinienermittlung optimiertes Formteil handeln, bei dem nur ein einziger Geometrieparameter (z.B. Biegeradius, Biegewinkel, Durchmesser oder Steigung) zwischen den unterschiedlichen Messformteil-Abschnitten stufenweise variiert. Es ist auch möglich, dass das Messformteil eine Gestalt hat, die derjenigen des nach Abschluss der Einrichtung herzustellenden Formteils (Einzelteil oder Serienteil) entspricht. Es ist auch möglich, ein Messformteil so zu gestalten, dass z.B. sowohl eine Kennlinie für den Biegewinkel als auch für den Biegeradius erstellt werden kann.
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Bei dem Messsystem zum Vermessen von Messformteilen mit mehreren unterschiedlichen Messformteil-Abschnitten kann es sich um ein der Umformmaschine zugeordneten, aber von der Umformmaschine gesondertes Messsystem handeln. Das Messsystem sollte in der Lage sein, an dem gegebenenfalls komplex verformten Messformteil alle Messformteil-Abschnitte, welche in unterschiedlichen Referenz-Umformoperationen erzeugt wurden, gleichzeitig oder jedenfalls in einem sehr kurzen Zeitintervall zu erfassen und entsprechende Daten in geeignetem Format an die Steuereinrichtung der Umformmaschine zu übertragen.
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Bei dem Messsystem kann es sich um ein dreidimensionales optisches Scannersystem handeln. Verwendbar sind beispielsweise optische Messzellen mit einer größeren Anzahl (z.B. drei oder mehr, insbesondere bis zu zehn oder mehr) hochauflösender Digitalkameras, mit deren Hilfe komplex dreidimensional gebogene Formteile in einem Messdurchgang präzise vermessen werden können. Mithilfe einer Komplettvermessung eines Messformteils mit zwei oder mehr unterschiedlichen Messformteil-Abschnitten können einige oder alle Stützstellen für die Bestimmung einer Ist-Kennlinie in kurzer Zeit mit hoher Präzision ermittelt werden.
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Eine häufige Aufgabenstellung für Umformmaschinen ist die Herstellung von Formteilen in Form von Schraubenfedern. Schraubenfedern sind bekanntlich Bauteile, die in zahlreichen Anwendungsbereichen in großen Stückzahlen und unterschiedlichen Ausgestaltungen benötigt werden. Schraubenfedern werden üblicherweise aus Federdraht hergestellt und je nach der bei der Nutzung vorliegender Belastung als Zugfedern oder Druckfedern oder Schenkelfeder ausgelegt. Die Federcharakteristik einer Schraubenfeder kann unter anderem dadurch beeinflusst werden, dass Abschnitte unterschiedlicher Steigung oder Steigungsverläufe gestaltet werden. Auch der Federdurchmesser kann konstant (bei zylindrischen Schraubenfedern) oder variabel sein (zum Beispiel bei kegelförmigen oder tonnenförmigen Schraubenfedern). Daher wird es angestrebt, bei der Herstellung von Schraubenfedern sowohl Federdurchmesser als auch Steigungen und/oder Steigungsverläufe sowie Federlänge und/oder Länge der Federabschnitte möglichst präzise zu erzeugen.
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Bei einer in diesem Zusammenhang besonders effizienten automatisierten Kennlinienermittlungsoperation wird zunächst ein erster Messformteil-Abschnitt mit einem ersten Durchmesser und einer ersten Steigung und dann ein zweiter Messformteil-Abschnitt mit dem gleichen ersten Durchmesser und einer zweiten Steigung erzeugt, die sich von der ersten Steigung unterscheidet. Der erste und der zweite Messformteil-Abschnitt können zusammenhängend in der gleichen Messfeder vorhanden sein oder aber in voneinander getrennten Elementen. Mithilfe dieser Messformteil-Abschnitte ist es möglich, für den ersten Durchmesser, welcher bei beiden Messformteil-Abschnitten identisch ist, eine Kennlinie für die Steigung zu erhalten, also den Zusammenhang zwischen der Zustellung eines die Steigung beeinflussenden Umformwerkzeuges und der damit erzielten Steigung beim ersten Durchmesser. Auf Basis dieser Werte können durch Extrapolation und/oder Interpolation auch Zwischenwerte für andere Steigungen zwischen oder jenseits der ersten und der zweiten Steigung ermittelt werden. Extrapolation und Interpolation können z.B. linear, mittels Polynomen oder Polynomzug durchgeführt werden.
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Die Steigung kann nicht nur direkt, sondern auch indirekt bestimmt werden, z.B. aus der Anzahl von Windungen und der Federlänge einer Feder.
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Eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit von Kennlinien lässt sich dadurch erzielen, dass außerdem ein dritter Messformteil-Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser und einer ersten Steigung und ein vierter Messformteil-Abschnitt mit dem gleichen zweiten Durchmesser und einer zweiten Steigung erzeugt wird, welche sich von der ersten Steigung unterscheidet. Der zweite Durchmesser unterscheidet sich dabei vom ersten Durchmesser.
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In Verbindung mit Daten, die für die Messformteil-Abschnitte mit dem ersten Durchmesser und unterschiedlichen Steigungen erhalten wurden, können dadurch gegenseitige Abhängigkeiten für mehrere Durchmesser ermittelt werden, so dass hier ein Übergang von einer einzelnen Kennlinie zu einem mehrere Kennlinien enthaltenden Kennfeld möglich ist.
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Die ersten und zweiten Steigungen, die bei den unterschiedlichen Durchmessern erzeugt werden, können identisch sein, wodurch sich eine vereinfachte Auswertung der Messdaten ergibt. Dies ist jedoch nicht zwingend, so dass sie auch unterschiedlich sein können.
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In analoger Weise können auch Kennlinien für andere Geometrieparameter ermittelt werden, z.B. eine Kennlinie für den Durchmesser bei vorgegebener Steigung. Dazu kann zunächst ein erster Messformteil-Abschnitt mit einer ersten Steigung und einem ersten Durchmesser und dann ein zweiter Messformteil-Abschnitt mit der gleichen ersten Steigung und einem zweiten Durchmesser erzeugt werden, der sich von dem ersten Durchmesser unterscheidet. Der erste und der zweite Messformteil-Abschnitt können zusammenhängend in der gleichen Messfeder vorhanden sein oder aber in voneinander getrennten Elementen. Mithilfe dieser Messformteil-Abschnitte ist es möglich, für die erste Steigung, welche bei beiden Messformteil-Abschnitten identisch ist, eine Kennlinie für den Durchmesser zu erhalten, also den Zusammenhang zwischen der Zustellung eines den Durchmesser beeinflussenden Umformwerkzeuges und dem damit erzielten Durchmesser bei der ersten Steigung. Auf Basis dieser Werte können durch Extrapolation und/oder Interpolation auch Zwischenwerte für andere Durchmesser zwischen oder jenseits des ersten und des zweiten Durchmessers ermittelt werden. Extrapolation und Interpolation können z.B. linear, mittels Polynomen oder Polynomzug durchgeführt werden.
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Die Steigung und der Durchmesser stehen hier für beispielhaft für bestimmte Geometrieparameter des Formteils. Analog können Kennlinien zu Abhängigkeiten zwischen anderen ersten und zweiten Geometrieparametern ermittelt werden.
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Gute Ergebnisse können häufig erzielt werden, wenn die automatisierte Kennlinienermittlungsoperation folgende Schritte aufweist: Erzeugen eines ersten Messformteil-Abschnitts mit einem ersten Durchmesser und einer ersten Steigung; Erzeugen eines zweiten Messformteil-Abschnitts mit einem zweiten Durchmesser und einer zweiten Steigung; Erzeugen eines dritten Messformteil-Abschnitts mit einem dritten Durchmesser und einer dritten Steigung; und Erzeugen eines vierten Messformteil-Abschnitts mit einem vierten Durchmesser und einer vierten Steigung, wobei jeder der Messformteil-Abschnitte eine andere Kombination aus Durchmesser und Steigung aufweist. Die ersten bis vierten Messformteil-Abschnitte können durch unterschiedliche Abschnitte ein und desselben Messformteils gebildet sein, welches auch als „Messfeder“ bezeichnet werden kann. Grundsätzlich wäre es auch möglich, die unterschiedlichen Messformteil-Abschnitte als voneinander getrennte Abschnitte zu fertigen und zu vermessen. In der Regel reichen genau vier Messformteil-Abschnitte für die zuverlässige Bestimmung eines Kennfeldes aus. Es können jedoch mehr als vier Messformteil-Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser und/oder Steigung erzeugt und vermessen werden.
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Eine einfache Auswertung zur Ermittlung der Kennlinie kann erfolgen, wenn mindestens zwei der Messformteil-Abschnitte nominell identische Durchmesser und unterschiedliche Steigung aufweisen und mindestens zwei der Messformteil-Abschnitte identische Steigung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Insbesondere kann ein Messformteil mit genau vier Messformteil-Abschnitten erzeugt werden, das so beschrieben werden kann, dass zwei der Messformteil-Abschnitte nominell identische Durchmesser und unterschiedliche Steigung aufweisen und zwei der Messformteil-Abschnitte identische Steigung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Die hier beschriebenen Messformteile mit einem oder mehreren Messformteil-Abschnitten können bezüglich ihrer Geometrie auf ihre Aufgabe bei der automatisierten Kennlinienermittlung optimiert sein. In der Regel haben die Messformteile eine deutlich andere Teilegeometrie als die bei der späteren produktiven Herstellung zu erzeugenden Formteile. Beispielsweise kann ein Messformteil zur Bestimmung einer Kennlinie für den Biegewinkel zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Biegungen mit unterschiedlichen Biegewinkeln haben, die den verfügbaren Biegewinkelbereich in ausreichend kleinen Schritten abdecken. Ein Messformteil kann auch für die Bestimmung einer Kennlinie für Biegewinkel optimiert sein, indem es zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr unterschiedliche Biegungen mit angrenzenden geraden Abschnitten hat, die aufgrund ihrer relativ großen Länge gut zu vermessen sind. Auch schraubenförmige Messformteile mit zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Federabschnitten unterschiedlicher Durchmesser und/oder unterschiedlicher Steigung sind möglich, insbesondere zur Vorbereitung der Fertigung von Schraubenfedern.
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Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des Verfahrens konfigurierte Umformmaschine. Die Umformmaschine weist eine Umformeinrichtung mit einem oder mehreren Umformwerkzeugen auf. In manchen, aber nicht in allen Fällen, sind noch eine Einzugseinrichtung zum Einziehen eines langgestreckten Werkstücks, insbesondere eines Drahts oder Rohrs, von einem Materialvorrat in den Bereich der Umformeinrichtung sowie eine Schnitteinrichtung zum Abtrennen eines fertigen Formteils von dem langgestreckten Werkstück nach Abschluss einer Umformoperation vorgesehen. Beispielsweise wird das Werkstück bei Rohrbiegemaschinen oder Zweikopfdrahtbiegemaschinen vor dem Biegen auf Länge abgeschnitten. Die Umformmaschine ist mit einem System zur automatisierten Kennlinienermittlung bzw. einem automatisierten Kennlinienermittlungssystem ausgestattet, welches dafür konfiguriert ist, eine automatisierte Kennlinienermittlungsoperation der in dieser Anmeldung beschriebenen Art auszuführen.
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Bei Nutzung der beanspruchten Erfindung können Kennlinien wesentlich schneller und genauer als bisher ermittelt und bei der Produktion berücksichtigt werden. Dadurch können Einrichtzeiten erheblich verkürzt werden, so dass das Ziel der Produktion bei mindestens gleichbleibender Qualität der Formteile schneller als bisher erreicht werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.
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1 zeigt eine schräg perspektivische Ansicht einer Federherstellungsmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem kamerabasierten Messsystem zur Verwendung bei einer automatisierten Kennlinienermittlungsoperation;
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2 zeigt in 2A, 2B und 2C schematisch die Erscheinungsbilder von drei unterschiedlichen Messformteil-Abschnitten mit unterschiedlichen Biegewinkeln für die Ermittlung einer Ist-Kennlinie bei einer automatisierten Kennlinienermittlungsoperation;
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3 zeigt in 3A schematisch ein Kennlinien-Diagramm für eine Biegeoperation eines Biegewerkzeugs, das neben dem Diagramm in 3B in schematischer axialer Ansicht gezeigt ist;
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4 zeigt in 4A schematisch ein Kennlinien-Diagramm für eine Windeoperation mithilfe des neben dem Diagramm in 4B gezeigten Biegewerkzeugs;
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5 zeigt in 5A schematisch ein Kennlinien-Diagramm für eine Federwindeoperation mithilfe des neben dem Diagramm in 5B gezeigten Windewerkzeugs;
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6 zeigt in 6A, 6B und 6C verschiedene beispielhafte Geometrien von Messformteilen;
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7 zeigt eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Messformteils in Form einer Messfeder zur Ermittlung einer Kennlinie für die Herstellung einer Schraubenfeder; und
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8 zeigt schematisch Stützpunkte in einem Kennfeld, welches mithilfe von Messungen an der Messfeder von 7 ermittelt werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die schrägperspektivische Ansicht von 1 zeigt einige konstruktive Elemente einer CNC-Federherstellungsmaschine 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Federherstellungsmaschine steht beispielhaft für eine Umformmaschine und ist als Schenkelfedermaschine ausgelegt, um in einem automatisierten Umformprozess aus Draht eine Vielzahl von Schenkelfedern oder anderer durch Biegen erzeugbare Formteile nominell gleicher Sollgeometrie durch Biegen und/oder Winden herzustellen.
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Auf einem Maschinengestell ist eine vertikal aufragende Maschinenvorderwand 110 aufgebaut. An der dem Bediener zugewandten Vorderseite der Maschinenvorderwand 110 befindet sich eine Umformeinrichtung 120 mit mehreren Umformwerkzeugen, deren Positionen und Bewegungen über eine computernumerische Steuereinrichtung 190 numerisch gesteuert werden. Die Umformwerkzeuge der Umformeinrichtung 120 sowie die Einrichtungen zum Halten und Bewegen der Umformwerkzeuge befinden sich im Arbeitsbereich der Federherstellungsmaschine an der Vorderseite der Maschinenvorderwand.
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Die Federherstellungsmaschine hat an der in 1 nicht sichtbaren Rückseite der Maschinenvorderwand eine mit Einzugswalzen ausgestattete Einzugseinrichtung, die aufeinanderfolgende Drahtabschnitte eines von einem Drahtvorrat kommenden und ggf. durch eine optionale Richteinheit geführten Drahtes D mit numerisch gesteuertem Vorschubgeschwindigkeitsprofil in horizontaler Richtung in den Bereich der Umformeinrichtung 120 einziehen bzw. zuführen kann. Der Draht wird austrittsseitig durch eine Drahtführung 130 hindurchgeführt und tritt in horizontaler Zuführrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Maschinenvorderwand aus.
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Während des Drahtumformprozesses wird der Draht mithilfe von numerisch gesteuerten Werkzeugen der Umformeinrichtung 120 zu einem Formteil mit einer oder mehreren Biegungen umgeformt. Nach Abschluss der Umformung wird das fertige Formteil mittels einer Schnitteinrichtung 140 durch einen senkrecht zur Drahtzuführeinrichtung verlaufenden Geradschnitt mittels eines Schnittwerkzeugs 142 vom zugeführten Draht abgetrennt.
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Zu den beim Umformen verwendbaren Werkzeugen gehören unter anderem ein Biegewerkzeug
150 und ein Windewerkzeug
160, deren Bewegung mithilfe geeigneter elektrischer Antriebe unter Kontrolle der numerischen Steuerung stehen. Das Schnittwerkzeug
142 wird ebenfalls numerisch gesteuert eingesetzt. Ein mögliches Ausführungsbeispiel einer Schenkelfedermaschine ist in der
DE 10 2007 031 514 A1 gezeigt, deren Offenbarung insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird.
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Die Umformmaschine ist mit einem kamerabasierten, optischen Messsystem 200 zur berührungslosen Echtzeiterfassung von Daten über die Geometrie eines aktuell hergestellten Formteils oder eines Abschnitts desselben ausgestattet. Das Messsystem hat eine CCD-Kamera 250, die Bilder oder Bildsequenzen über eine Schnittstelle an ein angeschlossenes Bildverarbeitungssystem liefern kann. Die Bilderfassung der Einzelbilder wird jeweils über Auslösesignale (Trigger) der Steuerung ausgelöst. Die Software für die Bildverarbeitung ist in einem Programmmodul untergebracht, welches mit der Steuereinrichtung 190 der Umformmaschine zusammenarbeitet bzw. in diese integriert ist.
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Die Kamera 250 ist so angebracht, dass ihr rechteckiges Bildfeld 252 (Bildererfassungsbereich, siehe 2) einen Teil eines aktuell gefertigten Formteils oder ein komplettes Formteil unmittelbar nach Austritt aus der Drahtführungseinrichtung 130 erfassen kann, bevor das Formteil vom zugeführten Draht abgetrennt wird.
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Diametral gegenüber der Kamera ist auf Höhe der Drahtführungseinrichtung 130 eine rechteckige Beleuchtungseinrichtung 260 angebracht, die zu den von der Steuerungseinrichtung vorgegebenen Messzeitpunkten als Reaktion auf Auslösesignale (Trigger) der Steuerung blitzartig aufleuchtet und eine Messung im Durchlicht ermöglicht. Auf der Seite der Kamera kann eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, um die Sichtbarkeit interessierender Details der Feder für die Messung zu verbessern.
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Das Biegewerkzeug 150 ist in 3B in einer axialen Ansicht parallel zu seiner linearen Verfahrachse 152 gezeigt. Das Biegewerkzeug hat ein bei der Umformoperation unbewegliches Innenteil 154 und ein dieses umschließendes Außenteil 156, das relativ zum Innenteil um die Achse 152 gesteuert drehbar ist. Das Innenteil trägt einen Biegedorn 153, am Außenteil ist ein Biegestift 155 befestigt, der an der dem Biegedorn gegenüberliegenden Seite des Drahts D anliegt. 3B zeigt das Biegewerkzeug in seiner Nullstellung, wobei der Biegedorn und der Biegestift an den Seiten des Drahts anliegen und der Draht geradlinig verläuft und nicht durch den Biegestift belastet ist. Die Drehung des Biegestifts entgegen dem Uhrzeigersinn führt zu einer Verbiegung des Drahts um den Biegedorn herum. Der Drehwinkel des Biegestifts ausgehend von der gezeigten Nullstellung wird durch einen entsprechenden Zustellungswert Z, nämlich den Drehwinkel des Biegestifts, beschrieben. Am Formteil wird eine Biegung erzeugt, die durch einen Biegewinkel BW (2) charakterisiert werden kann. Zu Beginn einer Biegeoperation wird das Biegewerkzeug durch Linearverschiebung auf den zugeführten und aus der Drahtführung herausragenden Draht zugestellt, bis die in 3B gezeigte Ausgangsstellung erreicht ist, in der das Biegewerkzeug in Eingriff mit dem zugeführten Draht steht. Durch Verdrehen des Biegestifts um den Zustellwinkel (Zustellungswert Z) wird dann die Biegung am Draht erzeugt.
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In einem Speicher der Steuereinrichtung 190 der Umformmaschine ist für jede Kombination aus einem Umformwerkzeug und dem Werkstückmaterial eine Kennlinie KL hinterlegt, die vorab auf Basis von Werkstoffparametern bzw. Werkstückparametern wie Festigkeit, E-Modul, Durchmesser etc. anhand von Rechenalgorithmen ermittelt wurde. Um zu einer genaueren Kennlinie (Ist-Kennlinie) zu kommen, kann für einen, wenige oder alle Kennlinienpunkte bzw. Stützstellen der Kennlinie ein Korrekturwert ermittelt werden und in die Kennlinie übernommen werden, so dass eine gegenüber der ursprünglichen Kennlinie verbesserte Ist-Kennlinie entsteht, die dann als Basis für die Steuerung bei der produktiven Herstellung von Formteilen dient.
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Die Umformmaschine ist mit einem automatisierten Kennlinienermittlungssystem ausgestattet, das dafür konfiguriert ist, vor einer produktiven Herstellung von Formteilen mit vorgegebener Soll-Formteilgeometrie eine automatisierte Kennlinienermittlungsoperation durchzuführen, um die oben erwähnte Ist-Kennlinie bzw. Korrekturwerte für die vorbelegte Kennlinie zu erzeugen.
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Im Beispielsfall ist die Steuerung so programmiert, dass die Umformmaschine nacheinander mehrere Messformteil-Abschnitte mithilfe des Biegewerkzeugs 150 fertigt, die unmittelbar danach jeweils durch das Messsystem bzw. die Kamera 250 vermessen werden, bevor ein Messformteil-Abschnitt mittels des Schneidwerkzeugs 142 vom zugeführten Draht abgetrennt wird.
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2 zeigt einige Phasen der automatisierten Kennlinienermittlungsoperation. In 1 ragt aus der Drahtführung 130 ein fertig gebogener Messformteil-Abschnitt 300 heraus, der nach Drehen bzw. Ausrichten in eine vertikale Ebene durch das Kamerasystem 250 vermessen wird, bevor er abgetrennt wird.
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Zur Durchführung einer automatisierten Kennlinienermittlungsoperation kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden. Zunächst wird ein Messformteil programmiert, an welchem alle Biegewinkel vorhanden sind, die für die Erstellung einer Kennlinie als Stützpunkte gewünscht sind. Dann wird die automatisierte Kennlinienermittlungsoperation in Gang gesetzt. Der Drahtvorschub schiebt zunächst den Draht vor, bis er die für die Biegeoperation vorgesehene Länge hat. Dann wird das Biegewerkzeug 150 in Eingriff mit dem Draht gebracht, um in einer ersten Referenz-Umformoperation einen ersten Messformteil-Abschnitt 300-1 mit einer ersten Biegung B1 zu erzeugen. Hierzu wird das Biegewerkzeug auf einen ersten Zustellungswert eingestellt, also einen bestimmten Drehwinkel, der nach der aktuellen Kennlinie zu dem gewünschten Biegewinkel führt. Der Draht wird während der Biegeoperation nicht vorgeschoben. Der Messformteil-Abschnitt hat dann die erste Biegung B1, die zwischen zwei geraden Abschnitten liegt (2A).
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Diese im Bildfeld 252 der Kamera liegende Situation wird mit der Kamera vermessen, wozu in Reaktion auf ein Triggersignal die Beleuchtungseinrichtung 260 kurz aufblitzt, um eine scharfe Abbildung des Messformteil-Abschnitts zu ermöglichen. Über die Bildverarbeitung wird aus dem erfassten Bild ein erster Ist-Geometrieparameter in Form des entsprechenden gemessenen ersten Biegewinkels ermittelt. Zeitgleich und/oder anschließend wird der erste Messformteil-Abschnitt 300-1 mittels des Schnittwerkzeugs vom zugeführten Draht abgetrennt.
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Danach wird der Zustellungswert des Biegewerkzeugs 150 auf einen zweiten Zustellungswert geändert, um einen größeren Biegewinkel zu erzeugen. Mit dieser Einstellung wird der in 2B gezeigte zweite Messformteil-Abschnitt 300-2 gebogen, der einen deutlich größeren Biegewinkel als der erste Messformteil-Abschnitt hat. Sobald das Biegewerkzeug außer Eingriff gebracht wird, erfolgt die Messung mit dem Kamerasystem, um einen zweiten Ist-Geometrieparameter in Form des entsprechenden gemessenen zweiten Biegewinkels zu ermitteln.
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Analog wird mit nochmals größerem Biegewinkel danach ein dritter Messformteil-Abschnitt 300-3 erzeugt, dessen Vermessung dann in analoger Weise einen dritten Ist-Geometrieparameter in Form des gemessenen dritten Biegewinkels liefert (2C).
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Bei dieser automatisierten Kennlinienermittlungsoperation dienen die jeweils eingestellten Drehwinkel des Biegestifts als bekannte Eingangsgrößen, nämlich als erster, zweiter, dritter etc. Zustellungswert. Die zugehörigen gemessenen Biegewinkel sind die davon abhängigen Größen, die es erlauben, den funktionalen Zusammenhang zwischen den eigentlich gewünschten Geometrieparametern bzw. Biegewinkeln und den zugehörigen Zustellungswerten zu ermitteln. Damit kann für die vorliegende Kombination aus Umformwerkzeug (Biegewerkzeug) und dem Werkstück (Draht) unter Verwendung der ersten, zweiten, dritten und weiteren Zustellungswerte (hier. Drehwinkel des Biegestifts) und der gemessenen Ist-Geometrieparameter (erster, zweiter, dritte etc. Biegewinkel) die Ist-Kennlinie ermittelt werden.
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Die Ist-Kennlinie kann in die Steuerung übernommen werden, indem die vorher vorhandene Kennlinie an den zur Messung verwendeten Stützpunkten durch Übernahme von berechneten Korrekturwerten korrigiert wird. Der Bediener kann den Vorgang der Korrekturwertermittlung am Bildschirm verfolgen und die Übernahme durch Betätigen eines Buttons veranlassen. Damit ist die (erste) automatisierte Kennlinienermittlungsoperation abgeschlossen.
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Nach Abschluss der automatisierten Kennlinienermittlungsoperation kann das gewünschte Formteil unter Verwendung der somit ermittelten Ist-Kennlinie bzw. der korrigierten früheren Kennlinie mit nahezu verschwindender Ausschussrate bzw. hohem Gutteilanteil gefahren werden.
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Nach demselben Prinzip können auch Kennlinien für andere Umformwerkzeuge bzw. Zustellbewegungen ermittelt werden, wobei ggf. andere Geometrieparameter, beispielsweise Biegeradien oder, bei der Herstellung von Federn, Federdurchmesser und/oder Steigungen gemessen werden.
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Es ist denkbar, dass sich nach einem Wechsel des Drahtbundes, also des Materialvorrats, z.B. infolge einer anderen Materialcharge die nun produzierten Formteile ändern. Erfolgt dann ein Abgleich der Kennlinie in einer automatisierten Kennlinienermittlungsoperation, so können schneller wieder Gutteile produziert werden.
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Anhand von 3A werden die Vorgänge anhand eines schematisch dargestellten Kennliniendiagramms dargestellt. Auf der x-Achse ist der Biegewinkel-Sollwert BW-S aufgetragen, die y-Achse repräsentiert die Zustellung Z des Biegewerkzeugs, in diesem Fall also den Drehwinkel des Biegestifts 155 ausgehend von seiner Nullstellung. Die gestrichelte gerade Linie LIN zeigt einen (nicht realistischen) linearen Zusammenhang zwischen einem Anfangswert (Zustellung Z und Biegewinkel-Sollwert jeweils 0°) und einem Endpunkt E, der zu einem Biegewinkel-Sollwert von 180° gehört.
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Unter anderem aufgrund der Rückfederung im plastisch-elastisch verformbaren Material gibt es jedoch keinen solchen linearen Zusammenhang zwischen Werkzeugweg und dem Biegewinkel. Das Rückfederungsverhalten kann zwar berechnet werden, in der Praxis zeigt die Erfahrung jedoch, dass immer noch mehr oder wenige große Abweichungen vom gewünschten Ergebnis (Geometrie des Formteils innerhalb der Toleranzen) bleiben. Eine Verbesserung lässt sich erfahrungsgemäß durch Berechnung einer Kennlinie KL1 erreichen, die die Rückfederung bereits berücksichtigt.
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Ausgehend von berechneten Rückfederungskurven könnte ein Maschinenbediener manuell z.B. mithilfe einer Lehre oder einem anderen Messwerkzeug für jede Kombination aus Umformwerkzeug und Material schrittweise eine genauere Kennlinie ermitteln, beispielsweise die Kennlinie KL2 in 3A.
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Durch die automatisierte Kennlinienermittlungsoperation kann dieser Vorgang der Kennlinienermittlung wesentlich beschleunigt werden. Die Ergebnisse werden systematisch präzise und unabhängig von den Fähigkeiten und Fertigkeiten eines Bedieners zuverlässig reproduzierbar ermittelt.
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Anhand von 4A, 4B wird eine Variante beschrieben, bei der mithilfe des gleichen Biegewerkzeugs 150 durch eine Windeoperation ein Bogen bzw. eine Biegung mit einem definierten Biegeradius erzeugt werden soll. Beim Winden wird zunächst ohne Drahtvorschub mit dem Biegestift der Draht um den Biegedorn gebogen. Anschließend wird der Draht in Vorschubrichtung vorgeschoben. Der Biegestift drängt dabei das Drahtmaterial kontinuierlich zur Seite, so dass der Bogen mit dem gewünschten Biegeradius entsteht. Beim Winden wird der kleinste Biegeradius aufgrund der entstehenden Kräfte begrenzt. Je größer der Biegeradius (Krümmungsradius der Biegung) werden soll, desto kleiner wird die Zustellung Z des Biegewerkzeugs, also der Drehwinkel des Biegestifts aus seiner Neutrallage, sein. Dieser Zusammenhang ist in 4A anhand der Kennlinie KL4 gezeigt. Auf der x-Achse ist der Soll-Biegeradius BR-S aufgetragen, die y-Achse repräsentiert den Zustellungswinkel des Biegestifts in Grad.
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Die Vorgehensweise bei der automatisierten Kennlinienermittlungsoperation ist analog zum beschriebenen Vorgehen. Dabei wird jedoch aus den Kamerabildern nicht der Biegewinkel ermittelt, sondern der Biegeradius in einem gebogenen Drahtabschnitt zwischen zwei benachbarten geraden Abschnitten. Auch hierbei kann für jeden als Stützpunkt gewünschten Biegeradius ein gesonderter Messformteil-Abschnitt gefertigt, danach vermessen und schließlich vom Draht abgetrennt werden, bevor der nächste Messformteil-Abschnitt gefertigt wird.
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Es wäre auch möglich, ein Messformteil mit mehreren zusammenhängenden Messformteil-Abschnitten unterschiedlicher Geometrie zu fertigen und dieses dann auszumessen (vgl. 6B).
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5A zeigt schematisch eine Kennlinie KL5, die für eine Federwindeoperation gültig ist, welche mithilfe des Windewerkzeugs 160 (5B) ausgeführt werden kann. Der Draht D läuft gegen eine Schräge 162 des Windewerkzeugs 160 und wird dadurch im Beispielsfall nach unten gedrängt und dadurch umgeformt. In der schematischen Figur ist die Herstellung einer Schenkelfeder gezeigt, die je nach Winderichtung aus der Zeichenebene heraus oder in die Zeichenebene hineinläuft. Die Zustellung des Windewerkzeugs 160 ist eine lineare Zustellung. Das Windewerkzeug lässt sich in Pfeilrichtung nach oben (Durchmesser wird größer) oder nach unten (Durchmesser wird kleiner) gefahren. Entsprechend ist auf der y-Achse der Zustellweg Z in einem Längenmaß angegeben, auf der x-Achse ist der Sollwert D-S des Federdurchmessers aufgetragen. Die Ermittlung der Kennlinie kann in analoger Weise durch automatisierte Kennlinienermittlungsoperation erfolgen.
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Wie bereits erwähnt, können einzelne Messformteil-Abschnitte jeweils gefertigt, danach vermessen und schließlich vom zugeführten Draht abgetrennt werden, bevor der Messformteil-Abschnitt unterschiedlicher Geometrie gefertigt wird. Es ist auch möglich, zwei oder mehr Messformteil-Abschnitte unterschiedlicher Geometrieparameter an ein und denselben Messformteil auszubilden, bevor dieses vom Draht abgetrennt wird. Die Vermessung des Messformteils kann dann gesondert von der Umformmaschine an einem dedizierten Messsystem erfolgen, das in der Lage ist, an dem komplex verformten Messformteil alle relevanten Geometrieparameter in kurzer Zeit zu ermitteln.
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Beispielhaft zeigt 6A ein Messformteil 400, an welchem insgesamt neun scharfe Biegungen mit jeweils unterschiedlichem Biegewinkel BW zwischen angrenzenden geraden Abschnitten durch Umformen erzeugt wurden. Hierdurch lässt sich eine Kennlinie mit neun Stützpunkten für den Biegewinkel zuverlässig ermitteln.
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In 6B ist ein Messformteil 500 gezeigt, welches dafür ausgelegt ist, eine Ist-Kennlinie für den Biegeradius BR zu ermitteln. An den Messformteil sind insgesamt sechs bogenförmige Biegungen mit definierten unterschiedlichen Biegeradien erzeugt worden, die vermessen und dann als Basis zur Berechnung einer Ist-Kennlinie dienen können.
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6C zeigt ein anderes Messformteil 600, welches nach Art einer Schenkelfeder ausgebildet ist und insgesamt sechs Federabschnitte F1 bis F6 mit jeweils unterschiedlichem Federdurchmesser FD aufweist. Mithilfe dieses Messformteils kann eine Federherstellungsmaschine im Hinblick auf die Fertigung von Schraubenfedern mit definierten Durchmessern optimiert werden.
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Anhand von 7 wird ein Messformteil 700 beschrieben, welches es im Vorfeld der Herstellung von Formteilen in Form von Schraubenfedern ermöglicht, in einer automatisierten Kennlinienermittlungsoperation mehrere Kennlinien bzw. ein Kennfeld zu ermitteln, welches einen Zusammenhang zwischen den Zustellungswert für ein bestimmtes, die Steigung der Feder bestimmendes Umformwerkzeug, dem Federdurchmesser und der Steigung in einem Federabschnitt für unterschiedliche Durchmesser und Steigungen repräsentiert. Auf Basis des Kennfeldes kann das die Steigung der Feder bestimmendes Umformwerkzeug präzise gesteuert werden.
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Das einstückig aus Federdraht gefertigte Messformteil 700 hat genau vier ineinander übergehende Messformteil-Abschnitte 700-1 bis 700-4. Der links gezeigte erste Messformteil-Abschnitt 700-1 hat einen über die Länge konstanten ersten Durchmesser D1 und eine erste Steigung S1 der Windungen. Der unmittelbar anschließende zweite Messformteil-Abschnitt hat einen zweiten Durchmesser D2, der größer als der erste Durchmesser D1 ist, jedoch die gleiche Steigung S1. Auch der zweite Messformteil-Abschnitt 700-2 hat über seine Länge konstante Steigung und konstanten Durchmesser. Der zweite Messformteil-Abschnitt 700-2 geht in einen dritten Messformteil-Abschnitt 700-3 über, der exakt den gleichen Durchmesser, nämlich den zweiten Durchmesser D2 hat, aber eine kleinere Steigung, nämlich eine zweite Steigung S2. Der dritte Messformteil-Abschnitt geht in einen vierten Messformteil-Abschnitt 700-4 über, der die gleiche Steigung hat wie der dritte Messformteil-Abschnitt, nämlich die Steigung S2, aber einen kleineren Durchmesser D1, welcher dem Durchmesser des ersten Messformteil-Abschnitts entspricht.
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Der erste Messformteil-Abschnitt 700-1 und der vierte Messformteil-Abschnitt 700-4 haben also identische Durchmesser, aber unterschiedliche Steigung. Entsprechendes gilt auch für den zweiten und den dritten Messformteil-Abschnitt, wobei hier der identische Durchmesser jeweils größer ist.
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Die Messfeder 700 kann auch so beschrieben werden, dass es zwei Paare von Messformteil-Abschnitten gibt, wobei innerhalb eines Paares die Messformteil-Abschnitte jeweils identische Steigung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Dies gilt jeweils für den ersten und den zweiten Messformteil-Abschnitt (die unmittelbar mit gleicher Steigung aneinander angrenzen) und auch für das Paar aus drittem Messformteil-Abschnitt und viertem Messformteil-Abschnitt, die ebenfalls mit identischer Steigung direkt ineinander übergehen.
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Die Messfeder 700 kann auch so beschrieben werden, dass es zwei Paare von Messformteil-Abschnitten gibt, wobei innerhalb eines Paares die Messformteil-Abschnitte jeweils identische Durchmesser und unterschiedliche Steigung aufweisen. Dies gilt jeweils für den ersten und den vierten Messformteil-Abschnitt (die an den Enden liegen) und auch für das Paar aus zweitem Messformteil-Abschnitt und drittem Messformteil-Abschnitt, die ohne Änderung des Durchmessers, aber mit Wechsel der Steigung direkt ineinander übergehen.
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Das mithilfe einer derartigen Messfeder ermittelbare Kennfeld berücksichtigt mehrere abhängige Parameter, nämlich den Durchmesser und die Steigung. Dies ist insbesondere für die nachfolgende Herstellung von Schraubenfedern interessant, da dort die Zustellung der Werkzeuge nicht nur auf einer Steigung, sondern auch vom Durchmesser abhängen kann.
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In der schematischen Darstellung eines Kennfeldes in 8 repräsentiert die nach oben gerichtete z-Achse die Zustellung Z eines die Steigung beeinflussenden Umformwerkzeuges. Auf den hierzu senkrechten Achsen ist einerseits der Federdurchmesser D und andererseits die Steigung ST aufgetragen. Die Kreuze repräsentieren Stützpunkte des zugehörigen Kennfeldes. Ein solches Kennfeld kann bei der genauen Einstellung eines die Steigung oder den Durchmesser beeinflussenden Werkzeuges für bestimmte Drähte hilfreich sein.
