Written by Bei Press- und Fügeprozessen reicht es oft nicht aus, nur die Endposition oder den ausgelösten Pressvorgang zu überwachen. Entscheidend kann sein, ob die erforderliche Kraft über dem vorgesehenen Wegverlauf aufgebaut wurde. Eine Kraft-Weg-Überwachung erfasst deshalb den Prozessverlauf und vergleicht ihn mit definierten Prüfmerkmalen.
Damit die Überwachung in einer Sondermaschine zuverlässig arbeitet, müssen Mechanik, Antrieb, Sensorik, Steuerung und Prüfstrategie zusammenpassen. Dieser Beitrag zeigt, welche Punkte bei der Planung wichtig sind und wie sich eine robuste Auswertung aufbauen lässt.
Was prüft eine Kraft-Weg-Überwachung?
Bei einem Pressvorgang wird mindestens ein Kraftsignal mit einer Weg- oder Positionsinformation verknüpft. Daraus entsteht eine Kurve, die den Ablauf des Fügeprozesses beschreibt. Je nach Anwendung können beispielsweise folgende Merkmale bewertet werden:
- maximale Kraft innerhalb eines definierten Wegbereichs,
- Kraft an einer bestimmten Position,
- erreichter Weg bei einer vorgegebenen Kraft,
- Anstieg oder Verlauf der Kraftkurve,
- Endposition und Haltezeit,
- Abweichungen gegenüber einem gültigen Prozessfenster.
Die Überwachung ersetzt dabei nicht automatisch eine Maßprüfung am fertigen Bauteil. Sie liefert vielmehr einen prozessnahen Hinweis darauf, ob der Füge- oder Pressvorgang wie vorgesehen abgelaufen ist.
Den Pressprozess vor der Sensorikauswahl beschreiben
Eine häufige Planungsfehlerquelle ist die Auswahl von Sensoren, bevor der eigentliche Prozess ausreichend beschrieben wurde. Zuerst sollte klar sein, was während des Pressens passieren muss und welche Abweichungen erkannt werden sollen.
Prüfziel und Prozessgrenzen festlegen
Für jeden Pressvorgang sollte definiert werden, welche Eigenschaft relevant ist. Geht es um das vollständige Einpressen eines Bauteils, um eine definierte Fügepassung oder um das Erkennen eines fehlenden beziehungsweise falsch orientierten Teils? Aus diesem Prüfziel ergeben sich Messbereich, Auflösung und Auswertelogik.
Ebenso wichtig sind die Grenzen des normalen Prozesses. Ein einzelner Grenzwert kann zu unempfindlich sein oder zulässige Prozessstreuungen nicht abbilden. In vielen Anwendungen ist deshalb ein Prozessfenster sinnvoll, das Kraft und Weg gemeinsam betrachtet.
Mechanische Randbedingungen berücksichtigen
Die Messung kann durch die Maschinenmechanik beeinflusst werden. Spiel, elastische Verformungen, schräges Einführen oder eine instabile Werkstückauflage verändern den Kraftverlauf. Auch ein Werkzeug, das nicht ausreichend geführt wird, kann eine scheinbare Prozessabweichung erzeugen.
Vor der Detailauslegung sollten daher Kraftfluss, Auflageflächen, Führungen und die Position der Messstelle betrachtet werden. Eine stabile Vorrichtung ist eine wichtige Voraussetzung für aussagekräftige Messdaten. Hinweise zur Auslegung von Auflagen und zur reproduzierbaren Positionierung finden sich auch im Beitrag zur Wiederholgenauigkeit von Montagevorrichtungen.
Sensorik für Kraft und Weg auswählen
Kraftmessung
Für die Kraftmessung kommen je nach Aufbau unterschiedliche Messprinzipien und Einbauformen infrage. Wichtig ist, dass der Sensor in den tatsächlichen Kraftfluss integriert wird und der Messbereich zur Anwendung passt. Ein zu großer Messbereich kann die verfügbare Auflösung ungünstig beeinflussen; ein zu kleiner Bereich kann bei Spitzenlasten zu Überlastungen führen.
Auch die Einbausituation muss betrachtet werden. Querkräfte, Biegemomente und außermittige Belastungen können das Signal beeinflussen. Die mechanische Anbindung sollte deshalb so gestaltet werden, dass der Sensor möglichst genau die zu bewertende Presskraft erfasst.
Weg- oder Positionsmessung
Für die Weginformation können beispielsweise lineare Messsysteme oder die Positionsdaten eines geeigneten Antriebs verwendet werden. Welche Lösung sinnvoll ist, hängt davon ab, ob die Maschinenposition oder der tatsächliche Weg des Werkzeugs bewertet werden soll.
Bei elastischen Maschinenstrukturen oder variablen Werkzeugaufbauten kann die Antriebsposition vom realen Pressweg abweichen. Dann sollte geprüft werden, ob eine zusätzliche direkte Wegmessung erforderlich ist. Die Messauflösung muss zur geforderten Prozessentscheidung passen; eine unnötig hohe Datenmenge verbessert die Prüfung nicht automatisch.
Messsignale synchronisieren und plausibilisieren
Kraft- und Wegsignal müssen zeitlich korrekt zusammengeführt werden. Schon kleine Abweichungen bei Abtastung oder Signalverarbeitung können die Kurve verschieben und dadurch die Auswertung verfälschen. Die Steuerungsarchitektur sollte deshalb festlegen, wie beide Signale erfasst, zeitlich zugeordnet und gespeichert werden.
Vor der eigentlichen Kurvenbewertung sind Plausibilitätsprüfungen sinnvoll. Dazu können beispielsweise folgende Fragen gehören:
- Liegt das Kraftsignal vor dem Start des Pressvorgangs im erwarteten Bereich?
- Wird der Weg über den gesamten Prüfbereich erfasst?
- Gibt es Signalabbrüche, Sprünge oder unrealistische Werte?
- Wurde der Pressvorgang vollständig durchlaufen?
- Sind Sensorstatus und Freigaben gültig?
Eine klare Signalstruktur erleichtert außerdem die Diagnose. Welche Prozessdaten dafür sinnvoll sind, wird im Beitrag Prozessdaten in Sondermaschinen erfassen näher eingeordnet.
Auswertelogik: Grenzwerte allein reichen nicht immer
Die einfachste Prüfung besteht darin, eine maximale oder minimale Kraft zu überwachen. Diese Methode kann für klar definierte Prozesse ausreichen, erkennt jedoch nicht jede relevante Abweichung. Ein Bauteil kann beispielsweise die gleiche Endkraft erreichen, obwohl der Kraftaufbau an einer unerwarteten Position beginnt.
Prüffenster und Merkmale kombinieren
Robuster wird die Auswertung, wenn mehrere Merkmale kombiniert werden. Ein Prüfprogramm kann beispielsweise verlangen, dass die Kraft innerhalb eines bestimmten Wegbereichs ansteigt, eine definierte Kraft nicht überschritten wird und am Ende eine Position erreicht wird. Die konkreten Grenzen müssen aus dem Prozess und aus freigegebenen Teilen abgeleitet werden.
Bei mehreren Varianten sollten die Prüfparameter eindeutig einem Rezept oder Werkzeugsatz zugeordnet sein. Ein Wechsel der Bauteilvariante darf nicht dazu führen, dass veraltete Grenzwerte weiterverwendet werden.
Gut- und Schlechtentscheidung trennen
Die Maschine sollte klar zwischen gültigem Prozess, ungültigem Prozess und nicht entscheidbarem Ergebnis unterscheiden können. Ein Sensorfehler oder ein unvollständig durchlaufener Zyklus ist nicht dasselbe wie ein fachlich bewertetes Schlechtteil. Diese Zustände sollten in der Steuerung und in der Bedienoberfläche getrennt dargestellt werden.
Je nach Anlagenkonzept kann ein ungültiger Pressvorgang einen kontrollierten Prozesshalt, eine Ausschleusung oder eine Nacharbeitsentscheidung auslösen. Die Reaktion muss zum Risiko des jeweiligen Bauteils und zur nachfolgenden Prozesskette passen.
Kalibrierung, Referenzierung und Wartung einplanen
Eine Kraft-Weg-Überwachung ist nur so verlässlich wie ihre Messkette. Deshalb gehören Prüfmittel, Sensorzustand, mechanische Anschläge und Softwareparameter in ein gemeinsames Wartungs- und Prüfkonzept. Änderungen an Werkzeugen oder Vorrichtungen können die Kurve beeinflussen und sollten nach einer Anpassung bewertet werden.
Auch die Wiederaufnahme des Betriebs nach Wartungsarbeiten sollte eindeutig geregelt sein. Dazu können Sichtprüfung, Referenzierung, Testzyklus und die Freigabe eines Prüfteils gehören. Bei Änderungen an Werkzeugen ist außerdem zu prüfen, ob ein geplanter Werkzeugwechsel bei Servo- und Pneumatikpressen die Prüfparameter oder die mechanische Messsituation verändert.
Typische Planungsfehler vermeiden
- Nur die Endkraft überwachen: Der Verlauf zwischen Start und Ende bleibt unbewertet.
- Messstelle ungünstig platzieren: Reibung, Querkräfte oder elastische Bauteile verfälschen den Kraftfluss.
- Grenzwerte ohne Prozessbasis festlegen: Zu enge Fenster erzeugen unnötige Fehlentscheidungen, zu weite Fenster lassen Fehler passieren.
- Varianten nicht trennen: Falsche Rezepte können zu einer formal gültigen, aber fachlich unpassenden Prüfung führen.
- Diagnose vernachlässigen: Bediener müssen erkennen können, ob ein Teilfehler oder ein Messkettenfehler vorliegt.
- Daten ohne Zweck speichern: Aufgezeichnete Kurven sind nur dann hilfreich, wenn ihre Nutzung und Aufbewahrung geklärt sind.
Fazit: Kraft und Weg als gemeinsames Prozessbild nutzen
Eine gut geplante Kraft-Weg-Überwachung betrachtet den Pressvorgang nicht nur als Bewegung bis zu einer Endposition. Sie verbindet mechanische Auslegung, passende Sensorik, synchronisierte Signale und eine nachvollziehbare Prüfentscheidung.
Für die Umsetzung sollten zunächst Prüfziel und Prozessgrenzen geklärt werden. Danach folgen die Auswahl der Messstellen, die Gestaltung der Auswertelogik sowie die Planung von Diagnose, Variantenverwaltung und Wartung. So wird die Überwachung zu einem nutzbaren Bestandteil der Montageanlage und nicht zu einer isolierten Messfunktion.