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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung des Blecheinzugs bei einem Tiefziehprozess. Sie bezieht sich weiter auf ein Tiefziehwerkzeug mit einer derartigen Vorrichtung sowie auf ein Verfahren zur Regelung eines Tiefziehwerkzeugs.
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Beim Umformen eines Blechs in einem Tiefziehverfahren wird das Blech zwischen Oberflächen eines Tiefziehwerkzeugs gehalten und beispielsweise mittels eines Stempels umgeformt. Dabei wird das Blech eingezogen und bewegt sich zwischen den Oberflächen des Tiefziehwerkzeugs. Der Blecheinzug ist dabei ein Maß für den Grad der Umformung. Wenn der Blecheinzug nicht nur an einer oder an wenigen Stellen in einer Dimension gemessen würde, sondern komplexere Informationen über den Blecheinzug vorhanden wären, wäre es möglich, auch komplexere Tiefziehprozesse mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
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Herkömmlicherweise wird der Blecheinzug beim Tiefziehen in der Praxis gar nicht erfasst. Zumindest theoretisch bekannt ist die Möglichkeit, den Blecheinzug durch mechanische Sensoren oder über Lasertriangulationsverfahren zu erfassen, was jedoch sehr aufwändig ist.
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Aus der
DE 20 2010 013 721 U1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung der Position und/oder Bewegung eines Blechs beim Tiefziehen bekannt, die einen Magnetfeldsensor aufweist, der in Blechhaltern des Tiefziehwerkzeugs untergebracht ist.
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Derartige Sensoren sind jedoch für viele Anwendungen nicht genau genug und erfordern zudem eine relativ weitgehende Modifizierung der Blechhalter, in die sie eingebaut werden.
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Aufgabe eines Aspekts der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erfassung eines Blecheinzugs bei einem Tiefziehprozess anzugeben, die eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig kleinem Bauraumbedarfaufweist.
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Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Lösung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erfassung des Blecheinzugs bei einem Tiefziehprozess angegeben, die eine Lichtquelle zur Beleuchtung eines Erfassungsbereichs und einen optischen Halbleitersensor zur Erfassung von Lageänderungen im Erfassungsbereich aufweist. Dabei ist der optische Halbleitersensor derart angeordnet, dass er Licht aus einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Richtung von Lageänderungen im Erfassungsbereich empfängt.
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Unter einer im wesentlichen senkrechten Richtung wird dabei hier und im folgenden eine Richtung verstanden, die von der senkrechten nicht charakteristisch abweicht, also anders als beispielsweise bei einem Lasertriangulationsverfahren auch nicht auf einer Abweichung von der Senkrechten beruht. Die Abweichung beträgt beispielsweise nicht mehr als 20 Grad oder sogar nicht mehr als 10 Grad.
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Eine derartige Vorrichtung hat ihren Erfassungsbereich, der dem Sichtfeld des Sensors entspricht, auf einer der Hauptoberflächen des Blechs. Die Lichtquelle beleuchtet den Erfassungsbereich. Aus dem Erfassungsbereich rückgestreutes Licht gelangt in den Sensorbereich des optischen Sensors und wird detektiert. Der Sensor detektiert demnach, im Gegensatz zu bei Lasertriangulationsverfahren eingesetzten Sensoren, Licht mit einer Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Blechebene.
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Die Vorrichtung erfasst somit keine Abstände oder Abstandsänderungen. Vielmehr wird der Blecheinzug durch eine grafische Auswertung der Sensordaten ermittelt, wie dies von optischen Computermäusen bekannt ist. Dabei werden Bildinformationen mittels eines Signalprozessors in Geschwindigkeitsinformationen und anschließend in Ortsinformationen umgewandelt.
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Die Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie eine Überwachung des Blecheinzugs während eines Tiefziehprozesses auf einfache Art ermöglicht. Da sie kleinere Abmaße hat als viele bekannte Sensoren, lässt sie sich gut in den Blechhaltern oder Matrizen von Tiefziehwerkzeugen unterbringen. Sie weist zudem eine höhere Genauigkeit als beispielsweise induktive Sensoren auf. Aufgrund der Berührungslosigkeit der Erfassung ist die Zuverlässigkeit höher als bei mechanischen Sensoren.
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Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, dass sich der Erfassungsbereich nicht auf der Kante des Blechs, sondern auf einer seiner Hauptoberflächen befindet. Dadurch ist es, anders als mit Lasertriangulationsverfahren, möglich, die Vorrichtung auch bei gekrümmten Blechhaltern einzusetzen.
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In einer Ausführungsform ist der optische Halbleitersensor als CMOS-Sensor (complementary metal oxid-Sensor) ausgebildet. Alternativ kann er auch als CCD-Sensor (charge coupled device-Sensor) ausgebildet sein.
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Als Lichtquelle kann eine Leuchtdiode (LED; light emitting diode) verwendet werden, beispielsweise mit einer Wellenlänge im roten oder infraroten Bereich. Die Wahl der Wellenlänge hängt insbesondere davon ab, wie die Oberflächen der zu bearbeitenden Bleche beschaffen sind. Insbesondere – aber nicht nur – für den Einsatz auf spiegelnden Oberflächen kann die Lichtquelle auch als Laser ausgebildet sein. Dessen Licht erzeugt im Erfassungsbereich körnige Interferenzstrukturen (engl. speckles) mit einem hohen Kontrast auch auf glatten, unstrukturierten bzw. spiegelnden Oberflächen.
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In einer Ausführungsform ist zwischen dem Erfassungsbereich und dem optischen Halbleitersensor eine Sammellinse angeordnet. Die Sammellinse bündelt das aus dem Erfassungsbereich zurück gestreute Licht auf den Sensorbereich des optischen Halbleitersensors.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Tiefziehwerkzeug mit der beschriebenen Vorrichtung zur Erfassung des Blecheinzugs angegeben. Das Tiefziehwerkzeug kann auch mehr als eine solche Vorrichtung umfassen, die beispielsweise in bestimmten Abständen rund um einen Umformbereich angeordnet sein können.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung in einer Ausnehmung in einem Blechhalter des Tiefziehwerkzeugs angeordnet. Dazu wird ein Blechhalter des Tiefziehwerkzeugs beispielsweise mit einer Bohrung versehen, in die die Vorrichtung eingesetzt wird. Aufgrund der kleinen Abmaße der Vorrichtung ist die sich daraus ergebende Schwächung des Materials des Blechhalters gering.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich in einer Ausnehmung in einer Matrize des Tiefziehwerkzeugs angeordnet.
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Bei diesen Ausführungsformen wird die Bohrung derart dimensioniert, dass zwischen der Vorrichtung und dem Blech ein Spalt vorhanden ist, so dass die Vorrichtung das Blech nicht berührt.
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In einer Ausführungsform ist eine Druckluftzufuhr zur Freihaltung des optischen Wegs zwischen dem Erfassungsbereich und dem optischen Halbleitersensor vorgesehen. Da im Bereich der Blechhalter durch die mechanische Beanspruchung Verschmutzungen durch Abrieb auftreten, die sich in dem Spalt zwischen dem Blech und der Vorrichtung sammeln würden, ist es vorteilhaft, eine derartige Druckluftzufuhr vorzusehen. Sie ermöglicht es, eine Verschmutzung des Sensors zu verhindern, indem sie den Spalt ständig frei von Schmutzpartikeln hält.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung eines Tiefziehwerkzeugs beim Umformen eines Blechs mit Aktuatoren zur Betätigung des Tiefziehwerkzeugs angegeben, wobei das Verfahren die Erfassung des Blecheinzugs umfasst. Dazu wird ein Erfassungsbereich auf einer Hauptoberfläche des Blechs beleuchtet und es wird ein Bild des Erfassungsbereichs zu einem Zeitpunkt t1 sowie ein weiteres Bild des Erfassungsbereichs zu einem Zeitpunkt t2 aufgenommen. Es erfolgt eine grafische Auswertung des Bildes und des weiteren Bildes zur Bestimmung des Blecheinzugs.
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Zur Durchführung des Verfahrens eignet sich insbesondere die beschriebene Vorrichtung.
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Dabei wird in einer Ausführungsform der Blecheinzug in zwei Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Richtung von Lageänderungen im Erfassungsbereich erfasst. Es wird somit der Blecheinzug nicht eindimensional erfasst, wie dies bei einer Abstandsmessung an der Kante des Blechs der Fall wäre, sondern in beiden Dimensionen der Blechebene. Es kann somit eine besonders genaue Beobachtung des Tiefziehvorgangs und somit eine Regelung von Aktuatoren oder Presseneinstellungen erfolgen.
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Die Signalauswertung, die ähnlich wie bei einer optischen Computermaus erfolgen kann, kann einfach und schnell erfolgen. Das Verfahren ermöglicht damit eine besonders genaue und schnelle Regelung des Tiefziehprozesses.
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Es werden nun Ausführungsformen anhand der beigefügen Figuren näher beschrieben.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Bereich eines Tiefziehwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erfassung des Blecheinzugs bei dem Tiefziehwerkzeug gemäß 1 und
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3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Regelung eines Tiefziehwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Schnitt durch ein Tiefziehwerkzeug 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Tiefziehwerkzeug 1 umfasst ein Oberteil 2 mit einem Blechhalter 5 und ein Unterteil 3 mit einer Matrize 4. Zwischen dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 ist eine Aufnahme für ein Blech 7 gebildet. Das Blech 7 weist eine zum Oberteil 2 gewandte erste Hauptoberfläche 9 und eine zum Unterteil 3 gewandte zweite Hauptoberfläche 10 sowie Randflächen 11 auf.
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Im Betrieb wird der Stempel 6 in Richtung des Pfeils 8 bewegt und formt das Blech 7 um. Dabei wird das Blech abhängig vom Grad der Umformung zwischen dem Oberteil 2 und dem Unterteil 3 eingezogen. Der Blecheinzug kann somit als ein Maß für den Grad der Umformung verwendet werden.
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Der Umformvorgang, der hier nur beispielshaft beschrieben wurde und auch anders ablaufen kann, beispielsweise durch eine Bewegung des eingespannten Blechs 7 zu einem feststehenden Stempel, wird über Parameter wie beispielsweise die Stempelposition und -geschwindigkeit, die Niederhaltekraft der Blechhalter 5 und andere Presseneinstellungen gesteuert. Dazu weist das Tiefziehwerkzeug 1 nicht gezeigte ansteuerbare Aktuatoren auf.
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Das Tiefziehwerkzeug 1 umfasst ferner zur Erfassung des Blecheinzugs eine Vorrichtung 12, die in einer Ausnehmung 13 in dem Blechhalter 5 angeordnet ist. Die Ausnehmung 13 ist derart angeordnet, dass mittels der Vorrichtung 12 Bewegungen an der ersten Hauptoberfläche 9 des Blechs 7 erfasst werden können. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 13 als Hohlraum in der an die Hauptoberfläche 9 angrenzenden Oberfläche 14 des Blechhalters 5 ausgebildet. Die Ausnehmung 13 ist somit in Richtung des Blechs 7 offen.
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2 zeigt die Vorrichtung 12 zur Erfassung des Blecheinzugs im Detail. Die Vorrichtung 12 weist eine innerhalb eines Gehäuses 15 angeordnete Platine 16 auf, die eine Lichtquelle 17 und einen optischen Halbleitersensor 18, der in dieser Ausführungsform als CMOS-Sensor ausgebildet ist, trägt.
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Die Lichtquelle 17 ist als LED ausgebildet und beleuchtet einen Erfassungsbereich 20. Der Erfassungsbereich 20 ist derjenige Bereich der ersten Hauptoberfläche 9 des Blechs 7, der sich im Sichtfeld des optischen Halbleitersensors 18 befindet. Das von der Lichtquelle 17 kommende Licht wird im Erfassungsbereich 20 an der ersten Hauptoberfläche 9 des Blechs 7 gestreut und mittels einer Linse 19 derart gebündelt, dass es auf den optisch empfindlichen Bereich des Halbleitersensors 18 trifft.
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Der optische Halbleitersensor 18 ist derart angeordnet, dass er Licht aus der durch den Pfeil 21 angedeuteten Richtung senkrecht zur Richtung von beim Tiefziehen auftretenden Lageänderungen im Erfassungsbereich 20 empfängt.
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Im Betrieb kann sich in dem Zwischenraum 23 zwischen der ersten Hauptoberfläche 9 des Blechs 7 und der Linse 19 Abrieb ansammeln und die Linse 19 verschmutzen. Es ist daher eine Druckluftzufuhr durch einen Kanal 24 vorgesehen. Die Druckluftzufuhr kann ständig erfolgen oder beispielsweise auch abhängig vom Grad der Verschmutzung, der anhand der Qualität, insbesondere anhand des Kontrastes, der Bildinformationen überwacht werden kann.
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Während des Tiefziehprozesses wird das Blech 7 eingezogen. Dabei bewegen sich Punkte an der Oberfläche des Blechs 7 in der Ebene senkrecht zum Pfeil 21. Die Bewegung in beiden Richtungen in dieser Ebene werden von dem Halbleitersensor 18 erfasst.
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Eine grafische Auswertung der Bildinformationen, die über den Anschluss 22 an einen Rechner übertragen werden, ergibt die Bewegung der Punkte an der Oberfläche des Blechs 7 und somit den Blecheinzug. Da die Bewegung in beiden Richtungen in der Ebene ermittelt wird, kann auch eine Erfassung des Blecheinzugs in diesen beiden Richtungen erfolgen. Dies ermöglicht eine besonders genaue Überwachung des Tiefziehprozesses.
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Die sehr genaue Erfassung des Blecheinzugs macht eine Regelung des Tiefziehprozesses möglich, durch die der Ausschuss und die Stillstandszeit des Tiefziehwerkzeugs und damit die Herstellungskosten reduziert werden können.
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3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Regelung des Tiefziehwerkzeugs 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Tiefziehwerkzeug weist Aktuatoren auf, die Servoantriebe umfassen. Die Servoantriebe sind in der gezeigten Ausführungsform strom-, drehzahl- und positionsgeregelt. Zur Positionsregelung wird der Blecheinzug durch die Vorrichtung 12 erfasst und über die mit „Lageerfassung” gekennzeichnete Rückführung an den Lageregler gegeben.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ziehwerkzeug
- 2
- Unterteil
- 3
- Oberteil
- 4
- Matrize
- 5
- Blechhalter
- 6
- Stempel
- 7
- Blech
- 8
- Pfeil
- 9
- Werkzeugfläche
- 10
- Werkzeugfläche
- 11
- Randfläche
- 12
- Vorrichtung
- 13
- Ausnehmung
- 14
- Oberfläche
- 15
- Gehäuse
- 16
- Platine
- 17
- Lichtquelle
- 18
- optischer Halbleitersensor
- 19
- Linse
- 20
- Erfassungsbereich
- 21
- Pfeil
- 22
- Anschluss
- 23
- Zwischenraum
- 24
- Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202010013721 U1 [0004]
