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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern durch Federwinden mittels einer numerisch gesteuerten Federwindemaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Federwindemaschine.
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Schraubenfedern sind Maschinenelemente, die in zahlreichen Anwendungsbereichen in großen Stückzahlen und unterschiedlichen Ausgestaltungen benötigt werden. Schraubenfedern, die auch als gewundene Torsionsfedern bezeichnet werden, werden üblicherweise aus Federdraht herstellt und je nach der bei der Nutzung vorliegenden Belastung als Zugfedern oder Druckfedern ausgelegt. Druckfedern, insbesondere Tragfedern, werden beispielsweise in großen Mengen im Automobilbau benötigt. Die Federcharakteristik kann unter anderem dadurch beeinflusst werden, dass Abschnitte unterschiedlicher Steigung oder Steigungsverläufe gestaltet werden. Beispielsweise gibt es bei Druckfedern häufig einen mehr oder weniger langen mittleren Abschnitt mit konstanter Steigung (Konstantabschnitt), an den sich zu beiden Enden der Feder Anlagebereiche mit zu den Enden geringer werdender Steigung anschließen. Der Federdurchmesser ist bei zylindrischen Schraubenfedern über die Länge der Federn konstant, er kann aber auch über die Länge variieren, wie z. B. bei kegelförmigen oder tonnenförmigen Schraubenfedern. Auch die Gesamtlänge der (unbelasteten) Feder kann für unterschiedliche Anwendungen stark variieren.
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Schraubenfedern werden heutzutage üblicherweise durch Federwinden mit Hilfe numerisch gesteuerter Federwindemaschinen hergestellt. Dabei wird ein Draht (Federdraht) unter der Steuerung durch ein NC-Steuerprogramm mittels einer Zuführeinrichtung einer Umformeinrichtung der Federwindemaschine zugeführt und mit Hilfe von Werkzeugen der Umformeinrichtung zu einer Schraubenfeder umgeformt. Zu den Werkzeugen gehören in der Regel ein oder mehrere bezüglich ihrer Stellung einstellbare Windestifte zur Festlegung und ggf. zur Veränderung des Durchmessers von Federwindungen und ein oder mehrere Steigungswerkzeuge, durch die die lokale Steigung der Federwindungen in jeder Phase des Fertigungsprozesses bestimmt wird.
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Federwindemaschinen sollen in der Regel bei hoher Stückleistung viele Federn mit einer bestimmten Federgeometrie (Soll-Geometrie) innerhalb sehr enger Toleranzen erzeugen. Zu den funktionswichtigen Geometrieparametern gehört u. a. die Gesamtlänge der fertigen Schraubenfeder im unbelasteten Zustand. Durch die Gesamtlänge werden u. a. die Einbaumaße der Feder und die Federkraft mitbestimmt.
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Im Hinblick auf hohe Qualitätsanforderungen, z. B. im Automobilbereich, ist es üblich, gewisse Federgeometriedaten, wie beispielsweise den Durchmesser, die Länge und/oder die Steigung bzw. den Steigungsverlauf der Feder, nach Fertigstellung einer Feder zu messen und die fertigen Federn abhängig vom Ergebnis der Messung automatisch in Gutteile (Federgeometrie innerhalb der Toleranzen) und Schlechtteile (Ergebnis außerhalb der Toleranzen) und ggf, in weitere Kategorien zu sortieren. Diese Vorgehensweise ist insbesondere bei langen Federn sehr unökonomisch, da bei langen Federn jeweils pro Feder eine relativ große Drahtlänge verbraucht wird, die verworfen werden muss, wenn sich herausstellt, dass die fertige Feder außerhalb der Toleranzen liegt.
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, den Durchmesser, die Länge und die Steigung der Feder durch geeignete Messmittel während der Fertigung zu überprüfen und bei außerhalb von Toleranzgrenzen liegenden Abweichungen Fertigungsparameter so zu verändern, dass die Federgeometrie innerhalb der Toleranzen bleibt.
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Die
DE 103 45 445 B4 zeigt eine Federwindemaschine, die ein integriertes Messsystem mit einer Videokamera hat, die auf denjenigen Bereich der Federwindemaschine gerichtet ist, in dem die Formung der Feder beginnt. Ein an die Videokamera angeschlossenes Bildverarbeitungssystem mit entsprechenden Auswertealgorithmen soll es erlauben, den Durchmesser, die Länge und die Steigung der Feder während der Fertigung zu überprüfen und es soll möglich sein, diese Federgeometrieparameter durch Rückkopplung zu den motorisch verstellbaren Bearbeitungswerkzeugen während der Fertigung zu verändern. Ein Auswertealgorithmus zur Bestimmung des aktuellen Federdurchmessers ist im Detail beschrieben.
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Die Patentschrift
DE 42 29 294 C1 beschreibt eine Vorrichtung zum Formen von Draht. Um bekannte Drahtformvorrichtungen zwecks Erweiterung der Fertigungsformen der Drahtgebilde zu verbessern, wird eine Kombination einer bekannten Verdrilleinrichtung mit einer bekannten Drahtformvorrichtung vorgeschlagen, die derart ausgebildet ist, dass deren Drahteinzugseinrichtung um die Drahtachse drehbar und, gegebenenfalls auch in ihrer Förderrichtung (zusätzlich rückwärts) programmsteuerbar ist. Dadurch ergibt sich ein ergänzender Freiheitsgrad der Drahtbewegung, der die Formmöglichkeiten erweitert.
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In der Patentanmeldung
DE 100 63 786 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vermessen eines Gegenstandes beschrieben. Die Vorrichtung hat eine Kamera, eine Lichtquelle und eine Messstrecke und zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtstrahlen der Lichtquelle die Messstrecke durchlaufen und zur Erzeugung einer Hell-/Dunkelstruktur auf die Kamera fallen, wobei die die Messstrecke durchlaufenden Lichtstrahlen von dem zu vermessenden Gegenstand beeinflussbar sind.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2006 048 642 A1 offenbart eine polyfunktionelle Federherstellungsvorrichtung bestehend aus einem Außendurchmesser-Steuerungsmechanismus, einem Steigungssteuerungsmechanismus, einem Drahtzuführungsmechanismus, einem Schneidemechanismus, einem Höhenmessmechanismus, einem Sortiermechanismus und einem Kontrollsystem, wobei das Kontrollsystem die Drehzahl und den Drehwinkel der Servomotoren des Außendurchmesser-Steuerungsmechanismus, des Steigungssteuerungsmechanismus, des Drahtzuführungsmechanismus und des Schneidemechanismus steuern kann, wodurch die Federparameter, wie Außendurchmesser, Steigung, Windung und Toleranz, verstellt werden können, so dass die Federherstellung programmierbar ist. Zudem wird durch den Sortiermechanismus eine hundertprozentig automatische Sortierung der Federn erreicht.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art so zu optimieren, dass insbesondere bei der Herstellung von relativ langen Schraubenfedern mit großer Zuverlässigkeit aus Drahtmaterialien unterschiedlichster Qualität Schraubenfedern innerhalb enger geometrischer Toleranzen hergestellt werden können. Insbesondere sollen lange Schraubenfedern mit geringer Streuung der Gesamtlänge und geringer Ausschussrate herstellbar sein.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Schraubenfedern durch Federwinden mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch eine Federwindemaschine 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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Bei dem Verfahren werden zunächst eine gewünschte Soll-Geometrie der herzustellenden Schraubenfeder und ein entsprechendes, zur Erzeugung dieser Soll-Geometrie geeignetes NC-Steuerprogramm definiert. Damit wird die Abfolge von koordinierten Arbeitsbewegungen der Maschinenachsen der Federwindemaschine festgelegt, die bei der Herstellung einer Feder zu durchlaufen sind.
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Während der Herstellung einer Schraubenfeder wird eine Messung einer Istposition eines ausgewählten Strukturelementes der Schraubenfeder relativ zu einem Referenzelement durchgeführt. Durch die Messung kann ein Istabstand zwischen dem ausgewählten Strukturelement und dem Referenzelement ermittelt werden. Die Messung findet zu einem Messzeitpunkt statt, der nach dem Beginn und vor dem Ende der Herstellung der Schraubenfeder liegt, also während des Ablaufs der für die Federfertigung vorgesehenen Arbeitsbewegungen der Federwindemaschine. Es ist also zum Messzeitpunkt erst ein Teil der Feder hergestellt. Das ausgewählte Strukturelement liegt dabei in einem Messbereich, der in Längsrichtung der Schraubenfeder einen endlichen Abstand von der Umformeinrichtung hat. Dieser Abstand ist kleiner als die Gesamtlänge der fertig gestellten Schraubenfeder, d. h. kleiner als die sich aus der Soll-Geometrie ergebenden Gesamtlänge. Durch einen Vergleich der Istposition des Strukturelementes mit einer Sollposition des Strukturelementes für den Messzeitpunkt wird eine aktuelle Positionsdifferenz ermittelt, die die Differenz der Istposition zur Sollposition zum Messzeitpunkt repräsentiert. In Abhängigkeit von der Positionsdifferenz wird dann die Stellung mindestens eines die Steigung der Schraubenfeder beeinflussenden Werkzeuges der Umformeinrichtung gesteuert, um eine Annäherung der Istposition an die Sollposition zu erreichen.
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Ein Regelungseingriff bleibt dabei aus, wenn der Istwert dem Sollwert entspricht. Wird dagegen eine signifikante Abweichung (Positionsdifferenz) festgestellt, so wird die im Moment der Umformung erzeugte Steigung der Feder durch Veränderung der Stellung des Steigungswerkzeuges und/oder eines anderen die Steigung beeinflussenden Werkzeuges (z. B. eines gesteuert verdrehbaren und/oder verkippbaren Windestifts) derart verändert, dass eine Verringerung der Positionsdifferenz bei der nächsten Messung erwartet werden kann. Die momentan erzeugte Steigung wird also auf Basis der Messung geregelt. Vorzugsweise wird hierzu ausschließlich die Stellung eines Steigungswerkzeugs gesteuert bzw. geregelt.
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Dadurch, dass der Messbereich in einem endlichen Abstand vom Ort des Umformprozesses an der Umformeinrichtung liegt, kann durch die Messung ein kumulativer Längenfehler in dem zwischen der Umformeinrichtung und dem Messbereich liegenden Federabschnitt ermittelt werden. Da weiterhin der Abstand des Messbereichs von der Umformeinrichtung kleiner als die Gesamtlänge der fertig gestellten Schraubenfeder ist, kann der Messzeitpunkt in Bezug auf die Gesamtdauer der Herstellung einer Schraubenfeder so frühzeitig liegen, dass ein aufgrund der Messung ggf. durchgeführte Regeleingriff in den Umformprozess noch zur Korrektur eventueller Fehleinstellungen genutzt werden kann, um nach Abschluss der Fertigung eine Gesamtlänge der Schraubenfeder innerhalb der Toleranzen zu erhalten.
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Der Abstand des Messbereiches von der Umformeinrichtung wird vorzugsweise an die Gesamtlänge der fertigen Schraubenfeder derart angepasst, dass dieser Abstand zwischen 5% und 70% der Gesamtlänge, insbesondere zwischen 10% und 50% der Gesamtlänge beträgt. Wenn diese bevorzugten Mindestwerte für den Abstand eingehalten werden, kann sich bei nicht perfekten Umformbedingungen über den Federabschnitt ein Längsfehler aufbauen, der im Vergleich zur Messgenauigkeit des Messsystems ausreichend groß ist, um signifikante Messergebnisse zu ermöglichen. Werden die bevorzugten Obergrenzen für den Abstand eingehalten, so bleibt in der Regel noch genügend Restzeit übrig, um durch einen oder mehrere Regeleingriffe am Ende der Fertigung eine Schraubenfeder mit der gewünschten Gesamtlänge zu erhalten.
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Innerhalb des Abstandes liegen vorzugsweise eine oder mehrere Federwindungen, so dass der Messbereich z. B. zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Federwindungen entfernt vom Ort der Umformung bzw. von der Umformeinrichtung liegen kann. Abhängig von der Steigung sind häufig bereits ab zwei bis drei Windungen Abstand aussagekräftige Ergebnisse erzielbar.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird die Messung der Istposition relativ zu einem maschinenfesten Referenzelement durchgeführt. Ein maschinenfestes Referenzelement ist ein Element, dessen Koordinaten in Bezug auf ein maschinenfestes Koordinatensystem bekannt oder bestimmbar sind. Da das Referenzelement in diesem Fall in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem der Fehlerwindemaschine definierte Koordinaten hat, ist diese Messung eine Absolutmessung. Hierdurch ist eine besonders hohe Messgenauigkeit möglich.
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Alternativ kann das Referenzelement auch ein Strukturelement der Schraubenfeder sein, insbesondere eine näher an der Umformeinrichtung liegender Windungsabschnitt bzw. die Kontur eines Windungsabschnittes. In diesem Fall wird eine Relativmessung durchgeführt. Um zu erreichen, dass ein eventueller akkumulierter Längenfehler zwischen dem für die Messung ausgewählten Strukturelement und dem Referenzelement groß genug ist, um zuverlässig gemessen werden zu können, sollten zwischen dem Strukturelement und dem Referenzelement mehrere Windungen liegen, beispielsweise zwei, drei, vier, fünf oder mehr Windungen.
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Die Messung wird vorzugsweise berührungslos, insbesondere mit optischen Messmitteln durchgeführt. Dabei könnte beispielsweise ein Lasermesssystem zum Einsatz kommen. Vorzugsweise wird zur Messung eine Kamera mit einem zweidimensionalen Bildfeld (Gesichtsfeld, Erfassungsbereich) verwendet und der Messbereich wird in das Bildfeld der Kamera gelegt. Kamerabasierte Messsysteme mit leistungsfähiger Bildverarbeitungshardware und -software sind kommerziell verfügbar und können hierfür genutzt werden. Die Kamera sollte möglichst vibrationsarm an einem Träger befestigt sein, der im Betrieb fest mit dem Gestell der Federwindemaschine verbunden ist. Vorzugsweise sitzt die Kamera an oder auf einer Längsführung, die eine Fixierung der Kamera in unterschiedlichen Abständen zur Umformeinrichtung zulässt, um für verschiedene Federgeometrien jeweils den optimalen Abstand einstellen zu können. Die Position des Trägers kann vertikal verstellbar sein, um z. B. eine Anpassung an Federn unterschiedlicher Durchmesser zu erlauben. Eine Verstelleinrichtung sollte bei Bedarf auch eine schräg zur Federachse geneigte Anordnung des Trägers erlauben.
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Bei manchen Verfahrensvarianten liegt der Referenzpunkt für die Messung am Rand des z. B. rechteckförmigen Bildfeldes der Kamera, der in Bezug auf das Maschinenkoordinatensystem bekannte Koordinaten hat. In diesem Fall wird ein virtuelles Referenzelement durch den Bildfeldrand gebildet, vorzugsweise durch denjenigen Seitenrand des Bildfeldes, der der Umformeinrichtung zugewandt ist. Die Messung der Istposition der Strukturelemente kann dann auf eine einfache Abstandsmessung innerhalb des Bildfeldes reduziert werden.
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Bei einer anderen, alternativ oder zusätzlich nutzbaren Verfahrensvariante ist ein maschinenfester Referenzkörper vorgesehen, der in dem Bildfeld der Kamera in einem Abstand zum Messbereich positioniert wird, wobei ein Strukturelement des Referenzkörpers, z. B. eine gerade Kante, als Referenz der Messung genutzt wird. Eventuelle Vibrationen der Kamera während der Messung können sich bei dieser Verfahrensvariante nicht auf die Messgenauigkeit der Messung auswirken, da diese Vibrationen keinen Einfluss auf den im Bildfeld der Kamera sichtbaren Abstand zwischen dem der Messung zugrundeliegenden Strukturelement der Schraubenfeder und einem Referenzpunkt am Referenzkörper haben.
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Bei einer Messung mit Hilfe einer 2D-Kamera hat es sich als besonders günstig herausgestellt, wenn das für die Messung genutzte ausgewählte Strukturelement der Schraubenfeder ein im Bildfeld mehr oder weniger geradlinig erscheinender Konturabschnitt einer Federwindung ist, welcher quer zur Längsrichtung der Feder, insbesondere in einem Winkel zwischen ca. 45° und ca. 90° zur Längsrichtung der Schraubenfeder, verläuft. Hierdurch ist es mit Hilfe einfacher Konturerfassungsalgorithmen des Bildverarbeitungssystems möglich, die Istposition des Strukturelementes in Längsrichtung der Feder sehr genau zu bestimmen. Alternativ wäre es beispielsweise auch möglich, den Messbereich an den äußeren Rand einer Federwindung zu legen, den Ort des maximalen Abstands (Maximumsort) dieses Windungsabschnittes zur Längsachse der Schraubenfeder zu ermitteln und den Abstand dieses Maximumortes zum Referenzelement zu bestimmen.
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Die Sollposition des Strukturelementes zum Messzeitpunkt sollte möglichst genau bekannt sein, um eine zielgerichtete Regelung des Fertigungsprozesses zu ermöglichen. Vorzugsweise ist die Sollposition des Strukturelementes für jeden Zeitpunkt während der Fertigung bekannt, so dass aus einer entsprechenden Programmzeitfunktion die Sollposition zum Messzeitpunkt unmittelbar abgeleitet werden kann. Bei der Fertigung von Schraubenfedern, die einen mehr oder weniger langen Konstantabschnitt (Abschnitt konstanter Steigung) haben, beginnt die Messung vorzugsweise erst dann, wenn ein eventuell vorhandener Federabschnitt mit veränderlicher Steigung den Messbereich passiert hat. Bei Messungen im Konstantabschnitt kann man ausnutzen, dass die Sollposition eines ausgewählten Strukturelementes über längere Zeit konstant bleibt, so dass sich eine relativ einfache Messwerterfassung und Auswertung ergibt. Grundsätzlich ist es auch möglich, in Federabschnitten mit Steigungsänderungen zu messen. Hier ergeben sich in der Regel zeitlich veränderliche, d. h. wandernde Sollpositionen, die dem Vergleichsschritt dann mit dem für den Messzeitpunk gültigen Sollwert zugrunde gelegt werden.
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Im Allgemeinen werden die Koordinaten der Sollposition des Strukturelements zum Messzeitpunkt aus einer vor der Messung bestimmten Programmzeitfunktion für die Koordinaten der Sollposition des Strukturelementes abgeleitet. Der richtige Sollwert ist dann für jeden Messzeitpunkt eindeutig ermittelbar. Die Programmzeitfunktion für die Koordinaten der Sollposition kann aufgrund einer Simulation auf rechnerischer Basis ermittelt werden. In der Regel ist jedoch eine experimentelle Ermittlung innerhalb relativ kurzer Zeit möglich und sinnvoll. Bei manchen Verfahrensvarianten wird die Programmzeitfunktion für die Koordinaten der Sollposition des Strukturelementes auf Basis eines Referenz-Herstellungsprozesses mindestens einer Referenz-Schraubenfeder ermittelt, also experimentell.
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Der Begriff „Programmzeitfunktion” bezeichnet hier eine Funktion, die sich auf bestimmte Stellen innerhalb des NC-Steuerungsprogramms bezieht. Das Erreichen eines bestimmten NC-Satzes entspricht dabei einem bestimmten Programmzeitpunkt bzw. einem Zeitpunkt innerhalb des Programmablaufs. Insoweit entspricht ein Programmzeitpunkt einer Ablaufposition im sequentiellen Ablauf von Programmschritten beim der Programmabarbeitung. Wird beispielsweise in einer bestimmten Phase der Programmabarbeitung ein Auslösesignal (Trigger) zur Ansteuerung einer Bildaufnahme durch eine Kamera benötigt, so kann dieses Auslösesignal durch eine an entsprechender Stelle vorliegende Programmzeile ausgelöst werden. Solche Signale sind im Programm unmittelbar verknüpft mit bestimmten Positionen der Maschinenachsen, z. B. mit der Maschinenachse des Drahtvorschubs und/oder mit der Maschinenachse für die Position des Steigungswerkzeugs. Ein Zeitpunkt in einer Programmzeitfunktion entspricht somit einem Ort in der Bewegungskurve einer oder mehrerer Maschinenachsen. Aus der Programmzeitfunktion ergeben sich Zeitpunkte (Programmzeitpunkte) innerhalb eines NC-Programms, die synchron zum Fortschritt der Federproduktion sind. Insoweit ist die Programmzeitfunktion auch eine Wegfunktion in Bezug auf die Bewegungen von Maschinenachsen. Insbesondere entspricht eine Programmzeitfunktion auch einer Wegfunktion des Drahtvorschubes.
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Bei manchen Fertigungsprozessen, z. B. bei relativ kurzen Schraubenfedern, können eine einzige Messung und ein einziger danach gegebenenfalls durchgeführter Regeleingriff ausreichen, um eine Schraubenfeder mit ausreichend geringem Längenfehler herzustellen. Insbesondere bei relativ langen Schraubenfedern werden während der Fertigung der Schraubenfeder mehrere Messungen zu mit zeitlichem Abstand aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten durchgeführt, so dass ein zeitliche Veränderung der Federgeometrie während des Fertigungsprozesses beobachtet und gegebenenfalls mehrere Regeleingriffe durchgeführt werden können.
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Die Anzahl der Messungen pro Zeiteinheit ist theoretisch durch die Aufnahme- und Auswertekapazität des Messsystems begrenzt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine hohe Messfrequenz in der Regel weder erforderlich noch sinnvoll ist. Bei bevorzugten Verfahrensvarianten wird der zeitliche Abstand zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten derart an die Zuführgeschwindigkeit des Drahtes angepasst, dass in einem Zeitintervall zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Messungen mindestens eine Windung erzeugt wird, wobei vorzugsweise in dem Zeitintervall zwischen eine und zwei Windungen erzeugt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eventuelle akkumulierte Längenfehler dann groß genug sind, um im Rahmen der Messgenauigkeit des Messsystems zuverlässig festgestellt werden zu können. Die Signifikanz der Messergebnisse wird dadurch verbessert und die Regelung arbeitet stabiler.
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Vorzugsweise werden mehrere Messungen während der Erzeugung eines Konstantabschnitts der Schraubenfeder durchgeführt. Unter diesen Bedingungen sollte ein beobachtetes Strukturelement seine Positionen über eine gewisse Zeit nicht verändern. Der für den Vergleichsschritt genutzte Sollwert bleibt in dieser Zeit konstant. Wandert das Strukturelement bei der Fertigung eines Konstantabschnittes in Richtung der Umformeinrichtung, so deutet dies auf eine zu geringe Steigung beim Umformen hin und kann entsprechend korrigiert werden. Umgekehrt kann ein Wandern des Strukturelementes von der Umformeinrichtung weg durch Verkleinerung der Steigung kompensiert werden.
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Bei manchen Verfahrensvarianten wird aus den Istwerten mehrerer aufeinanderfolgender Messungen nach einer vordefinierten Anzahl von Messungen, insbesondere nach jeder Messung, ein laufender Durchschnittswert für die Istwerte ermittelt. Aus diesem laufenden Durchschnittswert können aussagekräftige Informationen über die Wirksamkeit des Regeleingriffs abgeleitet werden. Vorzugsweise wird an einer Anzeigeeinheit der Federwindemaschine eine zeitliche Entwicklung des laufenden Durchschnittswerts angezeigt. Daran kann ein Bediener unmittelbar erkennen, ob die an der Bedieneinrichtung vorgenommenen Einstellungen für eine wirksame Regelung ausreichen, um am Ende eines Fertigungsschrittes eine Schraubenfeder gewünschter Gesamtlänge zu erhalten.
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Es sind unterschiedliche Regelkonzepte bzw. Regelungsalgorithmen realisierbar. Bei manchen Varianten wird für jede ermittelte Positionsdifferenz ein gewichteter Differenzwert ermittelt und die Position des Werkzeugs wird auf Basis des gewichteten Differenzwerts verändert. Insbesondere kann ein zur Positionsdifferenz proportionaler gewichteter Differenzwert ermittelt werden, wobei vorzugsweise ein Proportionalitätsfaktor vom Bediener eingestellt und bei Bedarf verändert werden kann. Jede bei einer Messung festgestellte Abweichung vom Sollwert kann bei dieser Variante zu einem Regeleingriff führen, so dass auf Abweichungen schnell reagiert werden kann. Es ist auch möglich, die Position des Werkzeugs erst dann zu korrigieren, wenn die Positionsdifferenz oder ein daraus abgeleiteter gewichteter Differenzwert einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
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Um eine bleibende Regelabweichung zu vermeiden, wird vorzugsweise eine zeitliche Integration der Regelabweichungen nach Art eines I-Reglers durchgeführt, so dass insgesamt die Reglungscharakteristik eines PI-Reglers realisiert sein kann.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine numerisch gesteuerte Federwindemaschine, die besonders zur Durchführung des Verfahrens konfiguriert ist. Sie hat eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Draht zu einer Umformeinrichtung sowie eine Umformeinrichtung mit mindestens einem Windewerkzeug, welches im Wesentlichen den Durchmesser der Schraubenfeder an einer vorgebbaren Position bestimmt, sowie mindestens ein Steigungswerkzeug, dessen Eingriff an der sich entwickelnden Schraubenfeder die lokale Steigung der Schraubenfeder bestimmt.
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Vorzugsweise hat die Federwindemaschine eine erste Kamera, die derart angeordnet ist, dass ein Messbereich im Bildfeld der Kamera einen Teil eines Federabschnitts mit endlichem Abstand von den Werkzeugen der Umformeinrichtung erfasst. Der Abstand des Messbereichs von der Umformeinrichtung ist vorzugsweise an die Gesamtlänge der fertigen Schraubenfeder derart angepasst, dass der Abstand zwischen 5% und 70%, insbesondere zwischen 10% und 50% der Gesamtlänge beträgt und/oder dass innerhalb des Abstandes eine oder mehrere Federwindungen liegen, beispielsweise mindestens zwei oder drei Federwindungen. Weiterhin kann eine zweite Kamera vorgesehen sein, die mit Abstand zur ersten Kamera derart positioniert ist, dass ein freier Federendabschnitt in einer Endphase der Herstellung der Schraubenfeder in den Erfassungsbereich der zweiten Kamera hineinläuft. Bei Verwendung einer Kamera mit ausreichend großem Erfassungsbereich kann eine einzige Kamera ausreichen, um den mit endlichem Abstand von den Werkzeugen der Umformeinrichtung liegenden Messbereich und den Messbereich zur Erfassung des Endabschnitts abzudecken.
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Bei manchen modernen CNC-Federwindemaschinen, die bereits ein geeignetes Messsystem mit Kamera haben, kann die Erfindung mit bereits vorhandenen konstruktiven Voraussetzungen umgesetzt werden. Die Fähigkeit zur Ausführung von Ausführungsformen der Erfindung kann in Form zusätzlicher Programmteile oder Programmmodule bzw. in Form einer Programmänderung in die Steuerungssoftware von computergestützten Steuereinrichtungen implementiert werden.
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Daher betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, welches insbesondere auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder als Signal verwirklicht ist, wobei das Computerprogrammprodukt, wenn es in den Speicher eines geeigneten Computers geladen und von einem Computer ausgeführt ist bewirkt, dass der Computer ein Verfahren gemäß der Erfindung bzw. einer bevorzugten Ausführungsform hiervon durchführt.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung einer Ausführungsform einer Federwindemaschine mit Teilen der Zuführeinrichtung und der Umformeinrichtung,
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2 zeigt in perspektivischer Darstellung Anbaugruppen für die in 1 gezeigte Federwindemaschine, inklusive zweier Kameras eines kamerabasierten, optischen Messsystems zur berührungslosen Echtzeiterfassung von Daten über die Geometrie einer aktuell hergestellten Feder, und einer Federführungseinrichtung;
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3 zeigt einen von der Umformeinrichtung erzeugten Federabschnitt der aktuell erzeugten Feder aus einer Blickrichtung parallel zur Richtung des Drahtvorschubs bzw. parallel zur optischen Achse der Kameraoptik der ersten Kamera, wobei ein Windungsabschnitt der Feder in einem innerhalb des Bildfeldes der Kamera liegenden Messbereich liegt;
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4 zeigt Diagramme der zeitlichen Entwicklung des laufenden Durchschnittswerts für die bei eine Serie einzelner Messungen ermittelten Istwerte während der Fertigung einer Feder, wobei in 4A die zeitliche Entwicklung ohne Regelung und in 4B die zeitliche Entwicklung mit aktiver Regelung gezeigt ist;
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5 zeigt Histogramme und Diagramme der Streuung von Istwerten bei einer Serie einzelner Messungen während der Fertigung einer Feder, wobei in 4A die Istwerte ohne Regelung und in 4B die mit aktiver Regelung erhaltenen Istwerte gezeigt sind;
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6 zeigt ein rechteckförmiges Bildfeld der ersten Kamera, wobei im Bildfeld ein Abschnitt einer zu vermessenden Feder und das Bild eines maschinenfest montierten Referenzelementes erkennbar sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die schematische Übersichtsdarstellung in 1 zeigt wesentliche Elemente einer CNC-Federwindemaschine 100 gemäß einer an sich bekannten Konstruktion. Die Federwindemaschine 100 hat eine mit Zuführrollen 112 ausgestattete Zuführeinrichtung 110, die aufeinanderfolgende Drahtabschnitte eines von einem Drahtvorrat kommenden und durch eine Richteinheit geführten Drahtes 115 mit numerisch gesteuertem Vorschubgeschwindigkeitsprofil in den Bereich einer Umformeinrichtung 120 zuführt. Der Draht wird mit Hilfe von numerisch gesteuerten Werkzeugen der Umformeinrichtung zu einer Schraubenfeder umgeformt. Zu den Werkzeugen gehören zwei um 90° winkelversetzt angeordnete Windestifte 122, 124, die in Radialrichtung zur Mittelachse 118 (entspricht der Lage der gewünschten Federachse) ausgerichtet sind und dafür vorgesehen sind, den Durchmesser der Schraubenfeder zu bestimmen. Die Position der Windestifte kann zur Grundeinstellung für den Federdurchmesser beim Einrichten entlang der strichpunktiert gezeigten Verfahrlinien sowie in horizontaler Richtung (parallel zur Vorschubrichtung des Einzugs 112) verändert werden, um die Maschine für unterschiedliche Federdurchmesser einzurichten. Diese Bewegungen können auch mit Hilfe geeigneter elektrischer Antriebe unter Kontrolle der numerischen Steuerung vorgenommen werden.
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Ein Steigungswerkzeug 130 hat eine im Wesentlichen senkrecht zur Federachse ausgerichtete Spitze, die neben den Windungen der sich entwickelnden Feder eingreift. Das Steigungswerkzeug ist mit Hilfe eines numerisch gesteuerten Verstellantriebs der entsprechenden Maschinenachse parallel zur Achse 118 der sich entwickelnden Feder (d. h. senkrecht zur Zeichnungsebene) verfahrbar. Der bei der Federherstellung vorgeschobene Draht wird vom Steigungswerkzeug entsprechend der Position des Steigungswerkzeugs in Richtung parallel zur Federachse abgedrängt, wobei durch die Position des Steigungswerkzeuges die lokale Steigung der Feder im entsprechenden Abschnitt bestimmt wird. Steigungsänderungen werden durch achsparalleles Verfahren des Steigungswerkzeugs während der Federherstellung bewirkt.
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Die Umformeinrichtung hat ein weiteres, von unten vertikal zustellbares Steigungswerkzeug 140 mit einer keilförmigen Werkzeugspitze, die bei Einsatz dieses Steigungswerkzeuges zwischen benachbarte Windungen eingeführt wird. Die Verstellbewegungen dieses Steigungswerkzeuges verlaufen senkrecht zur Achse 118. Dieses Steigungswerkzeug ist beim gezeigten Herstellungsverfahren nicht im Eingriff.
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Oberhalb der Federachse ist ein numerisch steuerbares Trennwerkzeug 150 angebracht, das nach Abschluss der Umformoperationen die hergestellte Schraubenfeder mit einer vertikalen Arbeitsbewegung vom zugeführten Drahtvorrat abtrennt. In 1 ist der zugeführte Draht in einer Situation unmittelbar nach Abtrennen der vorher fertig gestellten Schraubenfeder gezeigt. In dieser Stellung hat der Draht bereits eine halbe Windung gebildet und das Drahtende, das den Federanfang bildet, befindet sich 0,3 Windungen vor der Position des Steigungswerkzeugs 130.
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Die zu den Werkzeugen gehörenden Maschinenachsen der CNC-Maschine werden durch eine computemumerische Steuereinrichtung 180 gesteuert, die Speichereinrichtungen hat, in denen die Steuerungssoftware residiert, zu der u. a. ein NC-Steuerprogramm für die Arbeitsbewegungen der Maschinenachsen gehört.
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Zur Fertigung einer Schraubenfeder wird der Draht ausgehend von der gezeigten „Feder-Fertig-Position” mit Hilfe der Zuführeinrichtung 110 in Richtung der Windestifte 122, 124 vorgeschoben und durch die Windestifte auf den gewünschten Durchmesser unter Ausbildung einer kreisbogenförmigen Krümmung umgelenkt, bis das freie Drahtende das Steigungswerkzeug 130 erreicht. Bei weiterem Drahtvorschub bestimmt die axiale Position des Steigungswerkzeuges die aktuelle lokale Steigung der sich entwickelnden Schraubenfeder. Das Steigungswerkzeug wird unter der Kontrolle des NC-Steuerprogramms axial verschoben, wenn während der Federentwicklung die Steigung geändert werden soll. Die Stellbewegungen des Steigungswerkzeuges legen im Wesentlichen den Steigungsverlauf entlang der Schraubenfeder fest.
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Bei der Einrichtung der Federwindemaschine werden die Umformwerkzeuge in ihre jeweiligen Grundstellungen gebracht. Außerdem wird das NC-Steuerprogramm erstellt oder geladen, welches die Stellbewegungen der Werkzeuge während des Fertigungsprozesses steuert. Die Geometrieeingabe wird bei der Federwindemaschine durch einen Bediener an der Anzeige- und Bedieneinheit 170 vorgenommen, welche an die Steuereinrichtung 180 angeschlossen ist.
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Anhand 2 werden nun einige Anbaugruppen für die in 1 gezeigte Federwindemaschine erläutert, welche für die Umsetzung des Verfahrens vorteilhaft sind. Die aus 1 bereits bekannten Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet. 2 zeigt die Federwindemaschine während der Herstellung einer relativ langen, zylindrischen Schraubenfeder 200, von der zu dem in der Abbildung gezeigten Zeitpunkt etwa zwanzig Windungen bereits hergestellt sind. Es handelt sich um eine lange Feder mit einem Verhältnis LID zwischen Gesamtlänge L der fertig gestellten Feder und Durchmesser D der Feder von mehr als zehn. Um sicherzustellen, dass die mit zunehmendem Drahtvorschub immer länger werdende Feder gerade bleibt und sich nicht mit ihrem freien Ende nach unten durchbiegt, ist eine Federführungseinrichtung 210 vorgesehen. Die Federführungseinrichtung hat ein mit horizontaler Längsachse am Gestell der Federwindemaschine befestigtes Winkelblech 212 mit V-förmigem Profil. Die nach unten zusammenlaufenden, ebenen Schrägflächen des Winkelblechs stützen die Feder nach unten und seitlich ab, so dass die Längsachse (Zentralachse) der sich entwickelnden Feder koaxial zur Mittelachse 118 der sich entwickelnden Feder verläuft. Das Winkelblech ist mittels einer nicht gezeigten Haltereinrichtung am Maschinengestellt befestigt und in seiner Höhe sowie in seitlicher Richtung verstellbar, um für Federn unterschiedlicher Durchmesser die gewünschte, zur Mittelachse 118 der Feder koaxiale Führung zu ermöglichen. Das Winkelblech kann nach Abschluss der Fertigung einer Feder automatisch mittels eines hydraulischen Schwenkantriebs nach unten geschwenkt werden, damit die fertige Feder in einen Sammelbehälter rutschen kann.
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Das der Umformeinrichtung zugewandte Ende des Winkelblechs befindet sich in einem lichten Abstand einiger Zentimeter von der Umformeinrichtung entfernt, so dass zwischen den Werkzeugen der Umformeinrichtung und dem maschinenseitigen Beginn des Winkelblechs ein frei schwebender Federabschnitt 202 verbleibt. Die Länge des Winkelblechs ist so an die Gesamtlänge der fertigen Schraubenfeder angepasst, dass der zuerst gefertigte Federendabschnitt in der Endphase der Fertigung frei über das maschinenferne Ende des Winkelblechs hinausragt. Der maschinennahe, frei schwebende Federabschnitt 202 und der maschinenferne Federendabschnitt 204 werden dadurch für eine optische Messung mit Beobachtungsrichtung senkrecht zur Längsachse der Schraubenfeder zugänglich.
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Die Federwindemaschine ist mit einem kamerabasierten, optischen Messsystem zur berührungslosen Echtzeiterfassung von Daten über die Geometrie einer aktuell hergestellten Feder ausgestattet. Das Messsystem hat zwei identische CCD-Videokameras 250, 260, die im Beispielsfall bei einer Auflösung von 1024×768 Pixeln (Bildelementen) bis zu 100 Bilder pro Sekunde (frames per second) über eine Schnittstelle an ein angeschlossenes Bildverarbeitungssystem liefern können. Die Bilderfassung der Einzelbilder wird jeweils über Auslösesignale (Trigger) der Steuerung ausgelöst. Dadurch werden die Messzeitpunkte festgelegt. Die Software für die Bildverarbeitung ist in einem Programmmodul untergebracht, welches mit der Steuereinrichtung 180 der Federwindemaschine zusammenarbeitet bzw. in diese integriert ist.
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Beide Kameras sind auf einer verwindungssteifen Trägerschiene 255 befestigt, die seitlich neben der Federführungseinrichtung im Bereich der Führungsrollen der Zuführeinrichtung am Maschinengestell der Federwindemaschine so befestigt ist, dass die Längsachse der Trägerschiene parallel zur Maschinenachse 118 verläuft. Die Messkameras sind auf der Trägerschiene längsverschieblich und an beliebig wählbaren Längspositionen fixierbar.
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Die maschinennahe erste Kamera 250 ist so angebracht, dass ihr rechteckiges Bildfeld 252 (Bildererfassungsbereich) einen Teil des frei schwebenden Federabschnitts 202 mit Abstand von den umformenden Werkzeugen erfasst (vergleiche 3). Die optische Achse der Kameraoptik ist im Beispielsfall etwa auf Höhe der Mittelachse der Schraubenfeder (d. h. auf Höhe der Achse 118) angeordnet und verläuft senkrecht zu dieser Achse. Innerhalb des rechteckigen Bildfeldes 252 ist ein kleinerer rechteckförmiger Messbereich 254 erkennbar, durch welchen schräg von links oben nach rechts unten ein der Kamera zugewandter Windungsabschnitt der Feder verläuft. Das Bild dieses (bei der Federherstellung in Längsrichtung des Drahtes bewegten) Windungsabschnitts bzw. seine maschinenferne Kontur dient als Strukturelement für die Längenmessung.
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Die zweite Kamera 260 ist für die Erfassung des freien Federendes 204 bestimmt und daher so auf der Trägerschiene positioniert, dass das freie Federende in der Endphase der Herstellung der Schraubenfeder in den Erfassungsbereich der zweiten Kamera hineinläuft.
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Diametral gegenüber den Kameras ist auf Höhe der Achse 118 eine Beleuchtungseinrichtung angebracht, die zu den von der Steuerung vorgegebenen Messzeitpunkten als Reaktion auf Auslösesignale (Trigger) der Steuerung blitzartig aufleuchtet und eine Messung im Durchlicht ermöglicht. Auf der Seite der Kameras kann eine Auflicht-Beleuchtungseinrichtung vorgesehen sein, um die Sichtbarkeit interessierender Details der Feder für die Messung zu verbessern.
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3 zeigt die in 2 dargstellte Situation aus einer Blickrichtung parallel zur Richtung des Drahtvorschubs (C-Achse der Federwindemaschine) bzw. parallel zur optischen Achse der Kameraoptik der ersten Kamera. Links ist ein Schnitt durch den Draht 115 erkennbar, der in Vorschubrichtung (senkrecht zur Zeichnungsebene) auf eine gekrümmte Schrägfläche des unteren Windewerkzeugs 124 vorgeschoben wird. Durch das Windewerkzeug wird der Draht nach oben auf eine kreisförmig gekrümmte Bahn in Richtung des oberen Windewerkzeugs gedrängt und dabei bleibend umgeformt. Oberhalb des Windewerkzeugs ist die Spitze des Steigungswerkzeuges 130 zu erkennen, die mit einer seitlichen Arbeitsfläche an der sich entwickelnden Windung anliegt. Das Steigungswerkzeug ist mit Hilfe der zugeordneten Maschinenachse NC-gesteuert parallel zur Federachse 118 (in Pfeilrichtung) verschiebbar, so dass die lokale Steigung der Feder am Ort der Umformung durch die Stellung des Steigungswerkzeuges bestimmt wird.
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In 3 ist eine Situation in der Anfangsphase der Fertigung einer zylindrischen Schraubenfeder 200 gezeigt, die einen bereits erzeugten endseitigen Anlageabschnitt 206 mit kontinuierlich zunehmender Steigung, einen darauf folgenden Konstantabschnitt 208 mit konstanter Steigung und einen zum gezeigten Zeitpunkt noch nicht gefertigten gegenüberliegenden Anlageabschnitt mit abnehmender Steigung hat. Zum dargestellten Zeitpunkt ist die Fertigung bereits so weit vorangeschritten, dass das freie Federende mit dem Anlageabschnitt den Messbereich 254 passiert und bereits das Winkelblech der Federführungseinrichtung erreicht hat und somit der frei schwebende Federabschnitt 202 mit konstanter Steigung stabil koaxial zur Achse 118 liegt.
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Die erste Kamera 250 ist so ausgerichtet, dass der Messbereich 254 in Längsrichtung der Schraubenfeder betrachtet, einen relativ großen Abstand 210 von den Werkzeugen 122, 130 der Umformeinrichtung hat. Im Beispielsfall liegen in diesem Abstand etwa vier Windungen der Schraubenfeder. Der Abstand beträgt im Beispielsfall zwischen ca. 10% und ca. 20% der Gesamtlänge der fertig gestellten Feder, insbesondere bei kurzen Federn kann er z. B. auch bis zu 30% oder 40% oder 50% der Gesamtlänge betragen.
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Bei der Serienfertigung von Schraubenfedern mit Hilfe dieser Federwindemaschine kann wie folgt vorgegangen werden. Zunächst wird die gewünschte Soll-Geometrie der Schraubenfeder an der Anzeige- und Bedieneinheit 170 eingegeben oder es werden, beispielsweise durch Eingabe einer Identifizierungsnummer, entsprechende bereits vorliegende Geometriedaten aus einem Speicher der Federwindemaschine geladen. Auf Grundlage der Geometriedaten errechnet ein sogenannter NC-Generator ein NC-Steuerprogramm, dessen einzelne NC-Sätze und deren Abfolge bei der nachfolgenden Fertigung die koordinierten Arbeitsbewegungen der Einrichtungen und Werkzeuge der Federwindemaschine steuern.
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Nachdem die Werkzeuge der Umformeinrichtung eingereichtet sind, wird in einem ersten Referenz-Fertigungsvorgang eine erste Schraubenfeder gefertigt, ohne dass die mit dem Messsystem aufgebaute Regelung aktiviert ist. Die erste Kamera 250 erfasst dabei mit ihrem Messbereich 254 ein ausgewähltes Strukturelement der Feder, im Beispielsfall den schräg von links oben nach rechts unten durch den Messbereich verlaufenden Windungsabschnitt. Dieser erscheint im Kamerabild dunkel und hebt sich unter Bildung einer geradlinigen Hell/Dunkel-Kontur klar vom hellen Hintergrund ab. Zur Verbesserung der Erkennbarkeit der Konturen kann die Schraubenfeder im Bereich des Messbereiches von der Seite der Kamera und/oder im Inneren beleuchtet werden. Die im Bildfeld erscheinende maschinenferne Begrenzung bzw. der Rand dieses Windungsabschnitts wird zur Bestimmung der Ist-Position des Strukturelementes genutzt. Dabei können beispielsweise durch das Bildverarbeitungssystem die Koordinaten des oberen Schnittpunkts 256-1 und des unteren Schnittpunkts 256-2 des Hell/Dunkel-Übergangs mit der oberen bzw. unteren Begrenzung des Messbereichs bestimmt und die Koordinaten des dazwischenliegenden geradlinigen Bereichs durch Interpolation ermittelt werden. Für einen mittig zwischen dem oberen und dem unteren Schnittpunkt liegenden Messpunkt 270 wird dann mit Hilfe eines „Abstandswerkzeugs” der Bildverarbeitungssoftware der achsparallele Abstand zu einem maschinenfesten Referenzpunkt bestimmt, um einen ersten Istwert für die Position des Strukturelementes zu erhalten. Im Beispielsfall von 3 dient die maschinennahe (linke) geradlinige Begrenzung des Bildfeldes 252 als virtuelles Referenzelement bzw. als fester Anschlag” für die Messung. Der achsparallel (zur Achse 118) gemessene Abstand zwischen dem Messpunkt 270 am ausgewählten Strukturelement und dem Referenzelement wird dann von der Steuerung als erster Sollwert für die weitere Fertigung übernommen.
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Danach wird die Gesamtlänge der fertigen Feder unabhängig gemessen. Wenn diese Gesamtlänge innerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt, wird davon ausgegangen, dass der gemessene erste Sollwert als Startwert für die folgende Serienfertigung genommen werden kann. Liegt die Gesamtlänge dagegen außerhalb der Toleranz, so werden Einstellungen für den Fertigungsprozess verändert, um bei einer nachfolgenden Feder eine entsprechende weitere Referenzmessung durchführen zu können. Diese einzelnen Referenzmessungen werden schrittweise so lange wiederholt, bis eine gefertigte Feder sehr gut innerhalb der Fertigungstoleranz für die Gesamtlänge der Schraubenfeder liegt. Der bei der Fertigung dieser „guten” Feder ermittelte Sollwert für das Strukturelement wird dann für die Serienfertigung übernommen.
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Hierbei ist im Beispielsfall zu beachten, dass die Bestimmung des Sollwertes zu einem Zeitpunkt erfolgt, wenn sich bereits der Konstantabschnitt 208 der Feder im Messbereich 254 befindet. Unter diesen Bedingungen ist dann der Absolutwert des Sollmaßes über ein längeres Zeitintervall konstant, so dass sich idealer Weise am Erscheinungsbild der von der Kamera erfassten Projektion der sich entwickelnden Feder nichts ändert, solange Windungen des Konstantabschnittes durch den Erfassungsbereich der Kamera bewegt werden.
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Danach kann die Regelung eingestellt und für die Fertigung nachfolgender Federn einer Serie aktiviert werden. Dabei beginnt eine Messung zweckmäßig erst dann, wenn ein gegebenenfalls vorhandener Anlagebereich mit wechselnder Steigung durch den Messbereich hindurch gewandert ist und der Messbereich sich im konstanten Teil der Feder befindet. Danach beginnt der Regelzyklus mit einer ersten Messung des Istabstandes des ausgewählten Strukturabschnitts zum definierten Referenzelement (Kante des Bildfeldes). Die ermittelte Istposition bzw. der ermittelte Istabstand wird dann durch eine Auswertesoftware mit der vorher ermittelten Sollposition bzw. dem Sollabstand des Strukturelementes für den Messzeitpunkt verglichen. Dieser rechnerische Vergleich erzeugt einen Wert für eine aktuelle Positionsdifferenz, die die Differenz der Istposition zur Sollposition zum Messzeitpunkt repräsentiert. Beim folgenden Beispiel sind die Zahlenangaben aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils ohne Dimension angegeben, die Dimension ist z. B. Millimeter.
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Liegt der Sollwert beispielsweise bei 10,5 und der Istwert bei 10,7, so ergibt sich eine Positionsdifferenz von –0,2. Aus dieser Positionsdifferenz wird ein gewichteter Differenzwert ermittelt. Hierzu wird im Beispielsfall ein vom Bediener einstellbarer Gewichtungsparameter mit der Bezeichnung „Regelschritt” genutzt, der in Prozent definiert ist und der auf die ermittelte Positionsdifferenz angewandt wird. Wird beispielsweise ein Regelschritt von 50% eingestellt, so ergibt sich bei einer Positionsdifferenz von –0,2 ein gewichteter Differenzwert von –0,1. Dieser nach der Gewichtung verbleibende Wert wird nun zu einem Korrekturwert addiert, um einen neuen (modifizierten) Korrekturwert zu erhalten. Der Korrekturwert kann zunächst beispielsweise auf den Wert 0 (null) gesetzt sein und wird dann während der Regelung schrittweise verändert. Im Beispielsfall (Korrekturwert zunächst 0) wird gemäß der Rechenbeziehung 0 + (–0,1) = (–0,1) ein neuer Korrekturwert errechnet, der dann zur Steuerung der Federwindemaschine als Korrektur geschickt wird.
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Das NC-Steuerprogramm ist für die Regelung an vorgegebenen Stellen so vorbereitet, dass durch die speicherprogrammierte Steuerung (SPS) im NC-Programm eine sofortige Änderung eines NC-Satzes entsprechend dem empfangenen Korrekturwert vorgenommen werden kann. Diese Änderung wirkt sich unmittelbar (in Echtzeit) auf die Stellung des Steigungswerkzeuges 130 im Sinne einer Verringerung der Positionsdifferenz aus.
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Bei der unmittelbar nachfolgenden zweiten Messung wird beispielsweise eine Istposition mit dem Istmaß 10,6 ermittelt. Bei dem immer noch geltenden Sollwert von 10,5 ergibt sich eine Positionsdifferenz von –0,1. Bei unverändertem Gewichtungsfaktor (Regelschritt 50%) ergibt sich ein gewichteter Differenzwert von –0,05 und damit ein Korrekturwert gemäß:
(–0,1) + (–0,05) = –0,15. Hier ist ersichtlich, dass die erneute Korrektur nicht am ursprünglichen Korrekturwert (= 0) angreift, sondern an dem aufgrund der vorhergehenden Messung veränderten Korrekturwert (–0,1). Nach der zweiten Messung wird also ein Korrekturwert von –0,15 zur Steuerung als Korrektur geschickt und in der vorher beschriebenen Weise zur unmittelbaren Änderungen des NC-Steuerprogramms verarbeitet.
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Diese beispielhaft erläuterte Verarbeitung der Messdaten entspricht einem PI-Regler mit einstellbarem Proportionalanteil und der integrierenden Wirkung eines Integralanteils.
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Diese Schritte werden nun während der Fertigung des Konstantabschnitts der Schraubenfeder zu mehreren mit zeitlichem Abstand aufeinanderfolgendem Messzeitpunkt durchgeführt, so dass eine Vielzahl von Regeleingriffen stattfindet bzw. stattfinden kann. Der Draht wird während der Messungen kontinuierlich vorgeschoben, es ist kein Anhalten nötig. Der zeitliche Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten ist bei dieser Verfahrensvariante an die Vorschubgeschwindigkeit des Drahtes so angepasst, dass zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Messzeitpunkten etwa 1,4 Windungen erzeugt werden. Durch diese im Vergleich zur möglichen Bildfrequenz der Kamera relativ langsame Messfolge kann erreicht werden, dass sich zwischen den einzelnen Messungen bei nicht-optimalem Prozessablauf gegebenenfalls in der Feder ein Fehler ausreichender Größe aufbauen kann, der im Rahmen der Messgenauigkeit des optischen Messsystems zu einem signifikanten Messwert führt, so dass eine Korrektur der richtigen Größe in die richtige Richtung einleitet wird.
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Die präzisionssteigernde Wirkung dieser Regelung kann anhand der 4A, 4B und 5A, 5B demonstriert werden. Diese Figuren zeigen Messergebnisse, die bei der Herstellung von Kupplungsdämpferfedern mit 47 Windungen aus Federdraht mit 3,8 mm Durchmesser gewonnen wurden. Die Federn hatten mit einen Durchmesser von ca. 27 mm und eine Gesamtlänge von ca. 350 mm. Die Diagramme in den 4A, 4B zeigen jeweils die zeitliche Entwicklung des laufenden Durchschnittswerts für die bei den einzelnen Messungen ermittelten Istwerte während der Fertigung einer Feder. Auf der Abszisse sind jeweils dimensionslose Zähler für äquidistante Messzeitpunkte angegeben, so dass die Abszisse eine Zeitachse ist. Die Ordinate zeigt jeweils die Werte für den laufenden Durchschnitt des Istwertes im Vergleich zu dem mit fetter Linie gezeigten Sollwert von 10,55 mm. 4A zeigt ein typisches Messdiagramm für eine konventionelle Fertigung ohne Regelung. Zum Zählerzeitpunkt 351 beginnt die Fertigung einer neuen Schraubenfeder. Links davon ist die Endphase der vorhergehenden Fertigung gezeigt, die mit einem zu kleinen Durchschnittswert (ca. 10,48 mm) endet, so dass die gefertigte Gesamtlänge dieser Feder zu kurz ist. Bei der neuen Schraubenfeder sind die Istwerte zunächst zu hoch, der laufende Durchschnitt nähert sich zunächst dem Sollwert an und unterschreitet diesen dann aber mit zunehmendem Abstand immer weiter, so dass auch diese Schraubenfeder nach Fertigstellung deutlich zu kurz ist.
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4B zeigt die entsprechende Darstellung für eine Fertigung mit eingeschalteter Regelung. Zum Zählerzeitpunkt 405 endet die Fertigung der vorhergehenden Feder bei einem Durchschnittswert, der sehr nahe am Sollwert liegt, so dass die Gesamtlänge der Feder sehr nahe am Sollwert für die Gesamtlänge liegt. Bei der Fertigung der darauffolgenden Schraubenfeder liegen die Istwerte zunächst deutlich unterhalb des Sollwertes. Der Eingriff der Regelung führt jedoch ab der dritten Messung zu einer Annäherung des laufenden Durchschnitts an den Sollwert (10,55 mm), dem sich der laufende Durchschnitt gegen Ende der Fertigung asymptotisch annähert, wobei am Ende der Fertigung der laufende Durchschnittswert wiederum fast exakt am Sollwert liegt.
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Die 5A, 5B zeigen in einer anderen Darstellung die Wirkung der Regelung, wobei in 5A jeweils die Ergebnisse ohne Regelung und in 5B Ergebnisse mit eingeschalteter Regelung gezeigt sind. Die jeweils rechts gezeigten Diagramme zeigen in ihren Abszissen wiederum die Messzeitpunkte in willkürlichen Einheiten eines Zählers und an der Ordinate die jeweils gemessene Positionsdifferenz zwischen Istwert und Sollwert. Die parallel zur Null-Linie verlaufenden fetten Linien oberhalb und unterhalb repräsentieren die Grenzen des Toleranzbereichs für die Fertigung. In den jeweils linken Teilfiguren sind die Messergebnisse in Form von Histogrammen dargestellt. Bei der in 5A gezeigten Fertigung ohne Regelung streuen die Istwerte in beide Richtungen stark um den Sollweri, wobei noch alle Werte innerhalb der Toleranzen liegen. Wird die Regelung aktiviert (56), so ergeben sich signifikant geringere Streuungen um den Sollweri, so dass sichergestellt ist, dass alle mit Hilfe der Regelung gefertigten Schraubenfedern eine Gesamtlänge sehr nahe am Sollwert für die Gesamtlänge haben.
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Die erste Kamera 250 ist relativ nahe bei den Umformwerkzeugen auf der Trägerschiene 255 angeordnet, so dass eventuelle Schwingungen am Ort der ersten Kamera nur kleine Amplituden haben können, die die Messgenauigkeit kaum beeinträchtigen. Dennoch kann es sein, dass durch Bewegungen der Kamera das Messergebnis beeinträchtigt wird. Anhand von 6 wird eine Möglichkeit erläutert, das Messergebnis unabhängig von eventuellen Kameraschwingungen zu machen und dadurch die Messgenauigkeit zu erhöhen. Dargestellt ist ein rechteckförmiges Bildfeld 652 der ersten Kamera. Ein kleinerer rechteckförmiger Messbereich 654 schließt eine fast senkrecht von oben nach unten verlaufende Kontur eines im Schärfebereich der Kamera liegenden, der Kamera zugewandten Windungsabschnitts ein. Zwischen den Schnittpunkten der Hell/Dunkel-Kontur mit den oberen und unteren Rändern des Messbereichs werden durch Interpolation die Koordinaten der Istposition des beobachteten Strukturelementes der Feder bestimmt. Weiterhin ist im Bildfeld das Bild eines Referenzelementes 680 erkennbar, das durch einen vertikal ausgerichteten Bolzen gebildet wird, der mit Hilfe eines stabilen Trägers am Maschinengestell befestigt ist. Der Bolzen ragt von unten in das Bildfeld hinein und bildet in der Schärfezone der Kamera eine scharf abgebildete, vertikale Kontur mit einem Hell/Dunkel-Übergang. Bei der Messung wird nun der Abstand zwischen dem Strukturelement und der dem Strukturelement zugewandten Kante des Referenzelementes 680 bestimmt und der Auswertung als Istmaß zugrunde gelegt. Dieser gemessene Abstand ist unabhängig von eventuellen Schwingungen der Kamera und eventuellen damit verbundenen Verschiebungen des Bildfeldes relativ zur beobachteten Feder. Eventuelle Bewegungen der Kamera gehen also nicht in die Messfehler ein.
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Die Messungen des Abstandes zwischen dem Strukturelement der Schraubenfeder (z. B. Kontur eines Windungsabschnittes) und einem virtuellen oder körperlich vorhandenen Referenzelement können wie beschrieben in Richtung parallel zur Achse 118 oder aber in geeigneten anderen Richtungen schräg dazu durchgeführt werden.
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Die ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiele wurden anhand der Herstellung einer langen Feder mit über 30 Windungen erläutert. Bei nicht bildlich dargestellten Versuchen wurde eine ca. 65 mm lange Schraubenfeder mit nur 7 Windungen hergestellt. Während der Herstellung wurde zu nur zwei Messzeitpunkten gemessen und ggf. korrigiert. Die Streuung der Gesamtlänge konnte von ca. 0.3 mm im ungeregelten Betrieb auf ca. 0,15 mm im geregelten Betrieb reduziert werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur beschriebenen Absolutmessung relativ zu einem maschinenfesten Referenzelement ist in manchen Fallen auch eine Relativmessung in Bezug auf ein Referenzelement möglich, das durch einen Teil der Feder gebildet wird. Wenn z. B. das in 3 gezeigte Bildfeld 252 ausreichend groß ist, um in Längsrichtung der Feder mehr Windungen zu erfassen, könnte der Längsabstand zwischen dem Messpunkt 270 an der im Messbereich 254 liegenden Windungskontur und einer näher an den Umformwerkzeugen liegenden, 3 oder 4 Windungen entfernten, entsprechenden Windungskontur, gemessen und der Regelung zugrunde gelegt werden. So könnte z. B. die erste vollständige Windung 214 bzw. deren maschinenferne Kontur als Referenzelement dienen.
