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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil. Die flächendeckende Umstellung auf anorganische Kernsandformen im Leichtmetallguss erfordert eine aufwendigere Kernausbringungstechnologie, welche insbesondere mehr Impulsleistung zum Brechen der innenliegenden Kerngeometrien erfordert. Impulse zur Ausbringung der Kernstrukturen werden mittels pneumatischer Hämmer erzeugt. Die Impulse der pneumatischen Hämmer können bei simultaner Mehrfachverwendung mehrerer Hämmer nicht synchronisiert werden. Zudem ist die Energieübertragung in das Gussteil nicht reproduzierbar. Aktuelle Überwachungstechnologien beschränken sich daher auf die Funktionsüberwachung der Hammer durch Überwachung der Schlaganzahl, des Luftverbrauches oder des Arbeitsdrucks.
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Die erforderliche Energiemenge zur umfassenden Zerstörung der Kernstrukturen kann somit nicht kontrolliert gesteuert oder überwacht werden. Dies ergibt sich daraus, dass die Schlagenergie, welche in das Gussteil eingebracht wird, zum einen durch eine asynchrone Frequenzübertragung mehrerer Hämmer geschwächt werden kann, als auch durch eine stochastische Kontaktflächenausprägung und deren zugehörige Übertragungsfunktion beeinflusst wird. Mit der stochastischen Kontaktflächenausprägung wird dabei auf die Tatsache Bezug genommen, dass ein Hammer bei einem Schlag niemals mit seiner vollen Schlagfläche auf dem Gussteil aufliegt, da die Oberfläche des Gussteils durch Unebenheiten aufgeraut ist. Zur Prozessabsicherung bei der Ausbringung von Kernstrukturen muss daher entsprechend mehr Energie in das Gussteil übertragen werden, wodurch das Risiko einer Bauteilzerstörung durch Gewaltrissbildung unnötig verstärkt wird.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, durch die ein präzises Erfassen einer Energie ermöglicht wird, welche zu einer Ausbringung von Kernstrukturen aus einem Gussteil erforderlich ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil. Diese umfasst eine Trägervorrichtung für das Gussteil, eine Detektiereinheit, die in oder an der Trägervorrichtung angeordnet ist, um Beschleunigungswerte und/oder Geschwindigkeitswerte zu erfassen, die durch Impulse der impulsbasierten Ausbringung verursacht werden, und eine Verarbeitungseinheit, die dazu eingerichtet ist, die durch die Detektiereinheit erfassten Beschleunigungswerte und/oder Geschwindigkeitswerte zu verarbeiten und eine in das Gussteil eingebrachte Energie zu ermitteln.
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Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil. Dieses umfasst ein erfassen von Beschleunigungswerten und/oder Geschwindigkeitswerten, die durch Impulse der impulsbasierten Ausbringung verursacht werden mittels einer Detektiereinheit, die in oder an einer Trägervorrichtung angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, das Gussteil zu tragen, ein Verarbeiten der durch die Detektiereinheit erfassten Beschleunigungswerte und/oder Geschwindigkeitswerte und ein Ermitteln einer in das Gussteil eingebrachten Energie.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind vorteilhaft, da durch diese nur die hochenergetischen Frequenzanteile der durch die Impulse ausgelösten Schwingungen an der Detektiereinheit erfasst werden und zur Ermittlung einer in das Gussteil eingebrachten Energie berücksichtigt werden. Dies ergibt sich durch die Anordnung der Detektiereinheit in oder an der Trägervorrichtung, da somit zwischen einem Punkt der direkten Energieeinwirkung von Impulsen der impulsbasierten Ausbringung und der Detektiereinheit sowohl das Gussteil als auch zumindest Teile der Trägervorrichtung liegen. Somit unterliegen die durch den Impuls in das Gussteil eingebrachten Schwingungen auf ihrem Ausbreitungsweg zwischen dem Punkt der direkten Energieeinwirkung und der Detektiereinheit einer Filterung. Insbesondere die hochfrequenten aber niederenergetischen Anteile der durch die Impulse eingebrachten Schwingungen, welche nicht zur Ausbringung der Kernstrukturen beitragen, werden somit unterdrückt, bevor diese die Detektiereinheit erreichen. Der niederfrequente Anteil wird hingegen beinahe 1:1 abgebildet. Somit wird aus den erfassten Beschleunigungswerten und/oder Geschwindigkeitswerten auf eine in das Gussteil eingebrachte Energie geschlossen und somit auf besonders zuverlässige Weise ermittelt, ob genug Energie in das Gussteil eingebracht wurde, um eine Kernzerstörung zu garantieren. Zudem erfolgt somit eine umfangreiche Überwachung des Ausbringungsprozesses, da durch die erfindungsgemäße Anordnung der Detektiereinheit ebenfalls ein Zustand der gesamten Ausbringungsvorrichtung berücksichtigt wird. So wird beispielsweise eine Steifigkeit, ein Verschleiß und der Zustand von Montagebefestigungen der Trägervorrichtung mit berücksichtigt. Ferner wird durch das erfindungsgemäße Ermitteln der in das Gussteil eingebrachten Energie eine Überwachung von Qualitäts- und Prozessdaten ermöglicht, durch die sowohl eine Überwachung als auch eine Dokumentation einer jeweils durchgeführten Kernausbringung ermöglicht wird.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Detektiereinheit zumindest teilweise auf einer dem Gussteil abgewandten Seite der Trägervorrichtung angeordnet ist. Somit wird erreicht, dass niederenergetische Frequenzanteile, welche nicht zur Ausbringung der Kernstrukturen beitragen, durch die Masse der Trägervorrichtung und deren dämpfenden Eigenschaften hinsichtlich einer Impulsübertragung zusätzlich gefiltert werden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Trägervorrichtung ein elastisches Element, insbesondere eine elastische Platte, umfasst. Dadurch kann zum einen eine Energie, welche über einen Impuls in das Gussteil eingebracht wurde, und an die Trägervorrichtung weitergegeben wurde, in das Gussteil zurückgelenkt werden, um dort zur Lösung der Kernstrukturen beizutragen. Zum anderen wirkt das elastische Element als Dämpfungsglied und optimiert die Filtereigenschaften der Trägervorrichtung. Insbesondere eine Filterung hochfrequenter Frequenzanteile, welche nicht zur Ausbringung der Kernstrukturen beitragen, wird begünstigt.
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Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das elastische Element zumindest teilweise zwischen der Detektiereinheit und der Seite der Trägervorrichtung angeordnet ist, auf welcher das Gussteil bei der Ausbringung der Kernstrukturen angeordnet ist.
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Damit wird erreicht, dass Schwingungen, welche durch die impulsbasierte Ausbringung verursacht werden, das elastische Element durchlaufen müssen und somit optimal gefiltert werden.
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Bevorzugt ist das elastische Element aus einer Dämpfungsschicht gebildet, die insbesondere aus einem Elastomer gebildet ist. Dadurch können besonders günstige Filtereigenschaften bezüglich der hochfrequenten Frequenzanteile der durch die impulsbasierte Ausbringung verursachten Schwingungen erreicht werden. Zudem weist eine solche Dämpfungsschicht Filtereigenschaften auf, welche sich auch über einen längeren Zeitverlauf kaum ändern. Somit wird die in das Gussteil eingebrachte Energie über einen langen Zeitraum hinweg zuverlässig ermittelt und die Notwendigkeit einer regelmäßigen Kalibrierung der Detektiereinheit eliminiert.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Detektiereinheit in einer Durchgangsöffnung der Trägervorrichtung angeordnet ist. Somit kann diese auf einfache Weise in einem inneren Bereich der Trägervorrichtung angeordnet werden, wodurch externe Einflüsse, auf die von der Detektiereinheit erfassten Beschleunigungswerte vermieden werden. Zudem wird damit auch ein mechanischer Schutz der Detektiereinheit ermöglicht.
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Bevorzugt weist die Trägervorrichtung eine Seite auf, die in ihrer Form an das Gussteil angepasst ist. Somit wird eine präzise Übertragung von Impulsen und Schwingungen aus dem Gussteil in die Trägervorrichtung ermöglicht. Zudem wird ein Verrutschen des Bauteils während der Ausbringung der Kernstrukturen unterbunden. Dies hat zur Folge, dass Messungenauigkeiten, die durch ein solches Verrutschen begünstigt werden, ebenfalls unterbunden werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Verarbeitungseinheit ferner dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal auszugeben, wenn die in das Gussteil eingebrachte Energie in ihrem zeitlichen Verlauf von einen vorgegebenen Zielwert oder Zielbereich abweicht, wobei das Steuersignal insbesondere dazu geeignet ist, den Vorgang der impulsbasierten Ausbringung zu beenden. Somit wird eine effektive Überwachung der Ausbringung von Kernstrukturen ermöglicht. So könnte die impulsbasierte Ausbringung bei einem Überschreiten des Zielwertes oder des Zielbereiches abgebrochen werden, um eine Zerstörung des Gussteiles zu verhindern. Bei einem Unterschreiten des Zielwertes oder des Zielbereiches könnte eine Fehlermeldung ausgegeben werden, die auf eine unzureichende Einbringung von Energie in das Gussteil hinweist. Zudem wird somit eine Steuerung für eine Vorrichtung zur impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen geschaffen, die eine zuverlässige Ausbringung der Kernstrukturen bei minimalem Zeitaufwand ermöglicht.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil in einer ersten Ausführungsform, und
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2 eine Vorrichtung zur impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil 11. Eine Trägervorrichtung 2 für das Gussteil 11 ist auf einer Grundplatte 7 angeordnet. Die Grundplatte 7 liegt in einer horizontalen Ebene und weist Mittel auf, durch welche die Trägervorrichtung 2 auf der Oberseite der Grundplatte 7 befestigt wird. Die Trägervorrichtung 2 umfasst in dieser ersten Ausführungsform eine Auflageplatte 4, ein elastisches Element 5 und eine Verbindungsplatte 6. Die Auflageplatte 4, das elastische Element 5 und die Verbindungsplatte 6 sind jeweils plattenförmig und sind aufeinander gestapelt angeordnet. Das elastische Element 5 wird somit aus einer elastischen Platte oder ähnlich funktionale elastische Zwischenlagen gebildet. Dabei ist das elastische Element 5 zwischen der Auflageplatte 4 und der Verbindungsplatte 6 angeordnet. Die Trägervorrichtung 2 liegt mit einer Oberfläche der Verbindungsplatte 6 auf der Grundplatte 7 auf. Die der Grundplatte 7 abgewandte Seite der Auflageplatte 4 ist dafür geeignet, das Gussteil 11 zu tragen.
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Die Auflageplatte 4, welche auch als Prellplatte bezeichnet wird, ist derart ausgelegt, dass das Gussteil 11 ohne Verletzung seiner Geometrie auf der Auflageplatte 4 prellen kann, ohne seitlich während der impulsbasierten Ausbringung wegzudriften. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die Auflageplatte 4 an das Gussteil 11 formangepasst ist. Die Auflageplatte 4 ist mit dem darunterliegenden elastischen Element 5 verbunden.
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Das elastische Element 5 wird in dieser ersten Ausführungsform aus einer Dämpfungsschicht gebildet, die aus einem Elastomer gebildet ist. Das elastische Element 5 ist somit ein teilelastischer Block, welcher eine Energie, die durch einen Impuls der impulsbasierten Ausbringung über das Gussteil 11 in die Trägervorrichtung 2 eingebracht wird, in Form einer Rückprallenergie an das Gussteil 11 zurückleitet. Das elastische Element 5 ist mit der darunterliegenden Verbindungsplatte 6 verbunden.
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Die Verbindungsplatte 6 weist Befestigungsmittel auf, um die Trägervorrichtung 2 mit der Grundplatte 7 zu verbinden oder diese in einer festen Lage gegenüber der Grundplatte 7 zu halten. Das Befestigungsmittel umfasst beispielsweise eine Bohrung, in welche Positionierungspins der Grundplatte 7 eingeführt werden.
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Das Gussteil 11 ist in dieser ersten Ausführungsform der Erfindung ein Leichtmetallgussteil. Ein Beispiel für das Gussteil 11 ist ein Zylinderkopf. Dieses weist Hohlräume auf, in denen ein Sandkern angeordnet ist. Dieser Sandkern soll jedoch für eine weitere Verarbeitung des Gussteils 11 entfernt werden. Dies erfolgt, indem Impulse 8 auf das Gussteil 11 ausgeübt werden. Die Impulse 8 durchlaufen das Gussteil 11 in Form von Schwingungen. Durch die Energie dieser Schwingungen wird der Sandkern zerstört und somit von dem Gussteil 11 getrennt. So können die Zerstörungsrückstände des Sandkerns beispielsweise aus dem Gussteil 11 fallen oder aus dem Gussteil 11 gesaugt oder geblasen werden.
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Die Trägervorrichtung 2 umfasst ferner eine Detektiereinheit 3a, 3b, welche dazu geeignet ist, Beschleunigungswerte zu erfassen, die durch die Impulse 8 der impulsbasierten Ausbringung verursacht werden. Die Detektiereinheit 3a, 3b wird dabei in dieser ersten Ausführungsform von einem ersten Beschleunigungssensor 3a und einem zweiten Beschleunigungssensor 3b gebildet. Der erste Beschleunigungssensor 3a und der zweite Beschleunigungssensor 3b sind in jeweils einer Durchgangsöffnung der Trägervorrichtung 2 angeordnet. Die Durchgangsöffnung ist dabei in dieser ersten Ausführungsform eine Bohrung durch die Trägervorrichtung 2, welche durch die Auflageplatte 4, das elastische Element 5 und die Verbindungsplatte 6 geführt ist. Die Bohrung ist dabei in einem Randbereich der Trägervorrichtung 2 angeordnet, in dem das Gussteil 11 nicht auf der Auflageplatte 4 aufliegt. Der erste Beschleunigungssensor 3a und der zweite Beschleunigungssensor 3b sind in jeweils einer der Durchgangsöffnungen angeordnet. Dabei sind der erste Beschleunigungssensor 3a und der zweite Beschleunigungssensor 3b jeweils zumindest mit der Verbindungsplatte 6 kraftschlüssig verbunden.
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Die Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil 11 umfasst in der ersten Ausführungsform ferner eine Verarbeitungseinheit 9, die dazu eingerichtet ist, die durch die Detektiereinheit 3a, 3b erfassten Beschleunigungswerte zu verarbeiten und eine in das Gussteil 11 eingebrachte Energie zu ermitteln. Die Verarbeitungseinheit 9 ist in dieser ersten Ausführungsform eine elektronische Recheneinheit. Die Verarbeitungseinheit 9 ist über jeweils eine Sensorleitung mit dem ersten Beschleunigungssensor 3a und dem zweiten Beschleunigungssensor 3b verbunden. Mit Beginn der Ausbringung von Kernstrukturen aus dem Gussteil 11 werden die von dem ersten Beschleunigungssensor 3a und dem zweiten Beschleunigungssensor 3b ausgegebenen Beschleunigungswerte durch die Verarbeitungseinheit 9 zu einer gemeinsamen Summe summiert. Die Summe wird mit einem zeitabhängigen Zielwert verglichen und ein Steuersignal 10 wird ausgegeben, sobald die Summe zu einem Zeitpunkt außerhalb eines um den Zielwert gelegenen Intervalls liegt, welches einen Zielbereich bildet. Die Summe ist dabei ein Wert, der eine in das Gussteil 11 eingebrachte Energie darstellt. Der zeitabhängige Zielwert wird durch eine Funktion beschrieben, die bezogen auf einen Start-Zeitpunkt der Kernausbringung und abhängig von der seit dem Start-Zeitpunkt verstrichenen Zeit jeweils einen Zielwert beschreibt. Das Intervall ist derart gewählt, dass Fertigungstoleranzen und Messungenauigkeiten berücksichtigt werden. Nimmt die Summe zu einem Zeitpunkt einen Wert an, der oberhalb des um den zeitlich zugehörigen Zielwert gelegenen Intervalls liegt, so wird das Steuersignal 10 ausgegeben, um die impulsbasierte Ausbringung zu beenden, da ansonsten eine Beschädigung des Gussteils 11 eintreten kann. Nimmt die Summe zu einem Zeitpunkt einen Wert an, der unterhalb des um den zeitlich zugehörigen Zielwert gelegenen Intervalls liegt, so wird das Steuersignal 10 ausgegeben, welches einer Bauteil-ID des bearbeiteten Gussteiles 11 zugeordnet wird, um einen kritischen Q-Status (Qualitätsstatus) zu kennzeichnen, da die eingebrachte Energie unter einem erwarteten Wert liegt und somit ein Fehler im Prozess der impulsbasierte Ausbringung vorliegen könnte. Ein solcher zeitabhängiger Zielwert könnte beispielsweise experimentell ermittelt werden. Das Steuersignal 10 ist ein digitales oder analoges Steuersignal, welches insbesondere dazu geeignet ist, die impulsbasierte Ausbringung von Kernstrukturen zu beenden. Abhängig von einem Inhalt des Steuersignals, z. B. in Form von Datenpaketen, ist das Steuersignal aber auch für eine Ansteuerung beliebiger anderer Funktionen geeignet. So können durch das Steuersignal beispielsweise Fehlermeldungen ausgelöst werden.
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2 zeigt eine Vorrichtung 30 zur impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil 11, welche eine Vorrichtung 1 zur Überwachung der impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen aus zumindest einem Gussteil 11 in einer zweiten Ausführungsform umfasst. Die Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen in der zweiten Ausführungsform entspricht dabei im Wesentlichen der Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen gemäß der ersten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Detektiereinheit 3a, 3b lediglich den ersten Beschleunigungssensor 3a umfasst, der hier in einer Aussparung auf der Unterseite der Verbindungsplatte 6 angeordnet ist.
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Die Grundplatte 7 ist auf einem Sockel 23 angeordnet, der von der Vorrichtung 30 zur impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen umfasst wird. Ferner ist oberhalb der Trägervorrichtung 2 und ebenfalls oberhalb des Gussteiles 11 eine Hammeranordnung 22 und eine Antriebseinheit 20 angeordnet, die ebenfalls von der Vorrichtung 30 zur impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen umfasst werden. Die Hammeranordnung umfasst einen ersten Hammer 22a, einen zweiten Hammer 22b, einen dritten Hammer 22c und einen vierten Hammer 22d. Die vier Hammer 22a bis 22d sind dabei pneumatisch betriebene Hämmer, welche durch die Antriebseinheit 20 betrieben werden. Die Antriebseinheit 20 wird durch eine Steuereinheit 21 gesteuert.
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Die Steuereinheit 21 ist über eine Datenleitung 24 mit der Verarbeitungseinheit 9 verbunden. Von der Steuereinheit 21 wird ein Startsignal an die Verarbeitungseinheit 9 übertragen, wenn das Ausbringen von Kernstrukturen für das Gussteil 11 gestartet wird. Die Verarbeitungseinheit 9 beginnt daraufhin mit dem Ermitteln der in das Gussteil 11 eingebrachten Energie. Wird das Steuersignal 10 von der Verarbeitungseinheit 9 ausgegeben, um die impulsbasierte Ausbringung zu beenden, so wird dieses über die Datenleitung 24 an die Steuereinheit 21 übermittelt. Diese stoppt daraufhin den Betrieb der Antriebseinheit 20 und somit den Betrieb der Hammeranordnung 22.
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Das Gussteil 11 wird in der in 2 gezeigten Vorrichtung mittels eines Roboters auf die Auflageplatte 4 gelegt und von dieser entfernt, sobald die Ausbringung von Kernstrukturen beendet ist.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird die Grundplatte 7 und/oder der Sockel 23 von der Trägervorrichtung 2 umfasst. Erfindungsgemäß ist somit auch eine Anordnung der Detektiereinheit 3a, 3b auf der Unterseite der Grundplatte 7 oder in dem Sockel 23 möglich.
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Erfindungsgemäß wird somit der Energieeintrag in das Gussteil 11 durch die Summierung von Beschleunigungsereignissen unter der Auflageplatte 4 während eines Prozesszeitraums ermittelt. Impulsauslöschungen durch eine Überlagerung von Hammerfrequenzen, kleineren Ortsvektoren oder hohen Frequenzanteilen werden durch die Dämpfungsfunktion des Gussteils 11 und der Trägervorrichtung 2 gefiltert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die im wesentlichen den zuvor beschriebenen Ausführungsformen entspricht, sind die Beschleunigungssensoren 3a, 3b in einem Bereich angeordnet, in dem die Trägervorrichtung 2 mit der Grundplatte 7 gekoppelt ist. Diese Bereiche werden auch als Koppelstellen bezeichnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn an jeder Koppelstelle ein Beschleunigungssensor angeordnet ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die im wesentlichen den zuvor beschriebenen Ausführungsformen entspricht, liegt das Gussteil 11 auf mehreren Auflageplatten 4 auf, die von einer Trägervorrichtung 2 umfasst sind. Dabei ist zumindest ein der jeweiligen Auflageplatte 4 zugeordneter Beschleunigungssensor in oder an der Trägervorrichtungen angeordnet. Alternativ oder zusätzlich liegt das Gussteil 11 auf mehreren Trägervorrichtungen 2 auf. Dabei ist zumindest ein Beschleunigungssensor in oder an jeder der Trägervorrichtungen angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zur Überwachung einer impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen
- 2
- Trägervorrichtung
- 3a
- ersten Beschleunigungssensor
- 3b
- zweiter Beschleunigungssensor
- 4
- Auflageplatte
- 5
- elastisches Element
- 6
- Verbindungsplatte
- 7
- Grundplatte
- 8
- Impuls
- 9
- Verarbeitungseinheit
- 10
- Steuersignal
- 11
- Gussteil
- 20
- Antriebseinheit
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Hammeranordnung
- 22a
- erster Hammer
- 22b
- zweiter Hammer
- 22c
- dritter Hammer
- 22d
- vierter Hammer
- 23
- Sockel
- 24
- Datenleitung
- 30
- Vorrichtung zur impulsbasierten Ausbringung von Kernstrukturen
