Written by Beim automatisierten Fügen reicht es häufig nicht aus, nur die Endposition eines Werkzeugs zu überwachen. Zwei Bauteile können dieselbe Position erreichen und dennoch unterschiedlich gefügt sein. Abweichungen an Geometrie, Toleranzen, Bauteillage oder Werkzeug können den Kraftverlauf verändern. Eine Kraft-Weg-Überwachung erfasst deshalb nicht nur, wie weit ein Fügewerkzeug bewegt wird, sondern auch, welche Kraft dabei entsteht.
Richtig geplant, unterstützt dieses Messkonzept die Prozessfreigabe, die Fehleranalyse und die Rückverfolgbarkeit. Es ersetzt jedoch keine geeignete Vorrichtung, keine stabile Teilezuführung und keine klare Qualitätsstrategie. Entscheidend ist, die Messung eng mit dem konkreten Fügeprozess zu verbinden.
Was prüft eine Kraft-Weg-Überwachung?
Bei einem überwachten Fügeprozess werden mindestens zwei Größen miteinander betrachtet: der zurückgelegte Weg und die dafür erforderliche Kraft. Aus beiden Signalen entsteht eine Kurve oder ein definierter Verlauf. Diese Information kann zeigen, ob ein Bauteil zu früh auf einen Widerstand trifft, ob ein notwendiger Presssitz fehlt oder ob ein Fügepartner nicht korrekt positioniert ist.
Die Bewertung kann je nach Prozess unterschiedlich erfolgen. Mögliche Kriterien sind:
- Erreichen einer bestimmten Kraft innerhalb eines Wegbereichs
- Einhalten eines Kraftfensters an einer definierten Position
- Erreichen der Endposition mit einer zulässigen Maximalkraft
- Verlauf der Kraftkurve zwischen Start- und Endpunkt
- Haltezeit oder Kraftabfall nach dem Fügen
Welche Kriterien sinnvoll sind, hängt vom Fügeprinzip und vom Merkmal ab, das abgesichert werden soll. Eine pauschale Grenzwertdefinition führt dagegen leicht zu unnötigen Gut- oder Schlechtbewertungen.
Den Fügeprozess vor der Messtechnik beschreiben
Vor der Auswahl von Sensoren und Auswertung sollte der Prozess technisch beschrieben werden. Dazu gehören die Bauteile, die Fügerichtung, das Werkzeug, die zulässigen Toleranzen und die erwarteten Prozessschritte. Auch der Zustand vor dem Fügen ist wichtig: Ist das Bauteil bereits referenziert? Wird es durch eine Vorrichtung gehalten? Gibt es mehrere Varianten?
Eine belastbare Planung beantwortet unter anderem folgende Fragen:
- Welches Bauteil wird bewegt und welches wird abgestützt?
- Wo entsteht die relevante Fügebewegung?
- Welche Kraft ist ein tatsächliches Prozessmerkmal und welche Kraft entsteht nur durch Reibung oder Maschinenbewegung?
- In welchem Wegbereich soll die Auswertung beginnen?
- Welche Abweichung muss sicher erkannt werden?
Eine geeignete Referenzierung in automatisierten Montageanlagen ist dabei eine wichtige Grundlage. Wenn die Bauteillage nicht reproduzierbar ist, kann die Kraft-Weg-Kurve schwanken, obwohl der Fügeprozess selbst unverändert bleibt.
Sensorik und mechanische Einbindung planen
Kraftmessung
Die Kraftmessung sollte möglichst nah am wirkenden Fügepfad erfolgen. Wird die Kraft an einer Stelle erfasst, an der zusätzliche Reibung, Spiel oder elastische Verformung einwirkt, kann das Signal den eigentlichen Prozess nur eingeschränkt abbilden. Die mechanische Kraftübertragung muss deshalb klar und steif ausgeführt werden.
Bei der Auswahl des Messbereichs sollte die normale Prozesskraft nicht am oberen Ende des Sensors liegen. Gleichzeitig ist ein überdimensionierter Sensor problematisch, wenn dadurch die erforderliche Auflösung für kleine Abweichungen verloren geht. Neben dem Messbereich sind auch Einbauraum, Schutz vor Spänen oder Verschmutzung und die Möglichkeit zur Prüfung des Sensors zu berücksichtigen.
Wegmessung
Der Weg kann über die Achsposition, einen separaten Wegsensor oder eine geeignete Antriebsrückmeldung erfasst werden. Welche Lösung ausreicht, hängt von der geforderten Genauigkeit und vom Aufbau der Fügeeinheit ab. Die Steuerung sollte eindeutig erkennen können, auf welchen mechanischen Bezug sich der Wegwert bezieht.
Spiel, Nachgiebigkeit und Verformung im Werkzeug können dazu führen, dass die gemeldete Achsposition nicht exakt dem Weg am Bauteil entspricht. Bei kritischen Fügeprozessen sollte deshalb geprüft werden, ob die Messstelle den relevanten Prozessweg tatsächlich abbildet.
Grenzwerte aus dem Prozess ableiten
Grenzwerte sollten nicht allein aus theoretischen Annahmen entstehen. Zunächst muss festgelegt werden, welche geprüften Teile als Referenz dienen und welche Prozessstreuung zulässig ist. Dabei ist zwischen der natürlichen Streuung eines stabilen Prozesses und echten Fehlerbildern zu unterscheiden.
Für die Auswertung können mehrere Bereiche definiert werden:
- Startbereich: Er legt fest, ab wann das Signal für die Bewertung relevant ist.
- Fügebereich: Hier wird geprüft, ob Kraft und Weg in einem zulässigen Verhältnis stehen.
- Endbereich: Er bewertet Endposition, Maximalkraft und gegebenenfalls Halteverhalten.
- Fehlerbereich: Erfasst werden beispielsweise eine zu hohe Kraft, ein fehlender Kraftanstieg oder ein nicht erreichter Weg.
Bei Varianten sollten Grenzwerte einem freigegebenen Rezept oder einer eindeutig identifizierten Produktversion zugeordnet sein. Eine gemeinsame Grenze für geometrisch oder werkstofflich unterschiedliche Bauteile kann zu Fehlentscheidungen führen.
Prozessreaktion bei Abweichungen festlegen
Eine Messung ist erst dann wirksam, wenn die Anlage auf das Ergebnis eindeutig reagiert. Bei einer Abweichung muss festgelegt sein, ob der Zyklus sofort stoppt, das Teil gesperrt, eine Nacharbeitsstation angesteuert oder eine erneute Prüfung erlaubt wird. Die Entscheidung sollte vom Fehlerbild und von der möglichen Auswirkung auf die Produktqualität abhängen.
Eine automatische Wiederholung ist nicht grundsätzlich eine Lösung. Sie kann sinnvoll sein, wenn eine definierte, ungefährliche Ursache vorliegt. Bei einem Verdacht auf falsche Teilelage, fehlendes Bauteil oder Werkzeugschaden darf die Wiederholung jedoch nicht dazu führen, dass ein Fehler verdeckt wird.
Für die Trennung von Gut- und Schlechtteilen kann eine geplante Ausschleusung mit klarer Rückführung erforderlich sein. Wichtig sind dabei eine eindeutige Kennzeichnung des Ergebnisses und ein Zustand, in dem gesperrte Teile nicht unbemerkt wieder in den Gutfluss gelangen.
Auswertung, Diagnose und Rückverfolgbarkeit
Im Automatikbetrieb muss die Steuerung nicht nur „gut“ oder „schlecht“ melden. Für Bedienung und Instandhaltung sind zusätzliche Informationen hilfreich: betroffener Prüfbereich, erreichte Maximalkraft, Endposition, Zeitstempel und Fehlerursache. Welche Daten gespeichert werden, sollte vom Qualitätsrisiko und vom Nutzen für die Fehleranalyse abhängen.
Eine vollständige Kurvenspeicherung kann bei jedem Zyklus sinnvoll sein, ist aber nicht für jeden Prozess zwingend erforderlich. Alternativ können charakteristische Kennwerte gespeichert werden. In beiden Fällen müssen Signalnamen, Einheiten, Produktvariante und Prüfergebnis eindeutig zusammenpassen. Die Planung von Prozessdaten in Sondermaschinen hilft dabei, Umfang und Zweck der Daten früh festzulegen.
Typische Planungsfehler vermeiden
- Nur die Endposition überwachen: Ein korrekt erreichter Endpunkt beweist nicht automatisch einen korrekten Fügeprozess.
- Zu enge Grenzwerte wählen: Natürliche Streuungen werden dann als Fehler bewertet und führen zu unnötigen Unterbrechungen.
- Die Vorrichtung vernachlässigen: Eine instabile Abstützung verändert den Kraftverlauf und erschwert die Diagnose.
- Sensoren nicht zugänglich einbauen: Prüfung, Austausch und Fehlersuche werden unnötig aufwendig.
- Fehlerreaktionen nicht definieren: Ohne klare Sperr- und Rückführlogik bleibt das Prüfergebnis im Produktionsablauf wirkungslos.
- Varianten nicht trennen: Unterschiedliche Produkte benötigen möglicherweise eigene Bewertungsfenster.
Fazit: Messkonzept und Fügeprozess gemeinsam planen
Eine Kraft-Weg-Überwachung sollte nicht nachträglich als isolierte Sensorfunktion ergänzt werden. Sie ist Teil des gesamten Fügekonzepts aus Bauteilreferenzierung, Vorrichtung, Antrieb, Werkzeug, Messung, Auswertung und Fehlerreaktion. Je klarer das zu überwachende Qualitätsmerkmal beschrieben ist, desto gezielter lassen sich Sensorik und Grenzwerte auslegen.
Für eine robuste Lösung sollten Konstruktion, Automatisierung, Qualität und Instandhaltung gemeinsam festlegen, welche Abweichungen erkannt werden müssen, wie das Ergebnis verarbeitet wird und welche Informationen später für Diagnose und Rückverfolgbarkeit verfügbar sein sollen.