Pressenüberwachung Pressenüberwachung | HBM

Pressen ausfallsicher überwachen

Hersteller von Pressen sehen sich einem immer stärkeren Technologie- und Kostendruck ausgesetzt: Zahlreiche Kunden verlangen schnellere und immer genauere Pressen. Der Einsatz von Messtechnik spielt eine Schlüsselrolle in der Verbesserung von Pressen. Entscheidend sind eine präzise Kraftmessung – zum Beispiel über das platzsparende und hochgenaue Verfahren des Messens im Kraftnebenschluss – sowie der zielgerichtete Einsatz intelligenter Messelektroniken. Re-Tooling und Upgrades bestehender Konstruktionen sind einfach und kostengünstig möglich.

Je präziser Pressen ihre Kräfte einsetzen, desto höher ist die Qualität der gefertigten Formteile. Für Hersteller von Pressen und Pressmaschinen ist die Steigerung der Genauigkeit ihrer Pressen eine der wichtigsten Aufgaben. Aber nicht nur das: Der Markt verlangt immer schnellere Pressen mit größerer Bandbreite, um die Fertigungsmengen in bestehenden Produktionen zu erhöhen. Moderne und intelligente messtechnische Lösungen helfen, Maschinen schneller, besser und effizienter zu machen.

Entscheidend für den erfolgreichen Einsatz von Messtechnik sind u.a.:

  • Die zuverlässige und präzise Kraftmessung in der Presse
  • Der Einsatz intelligenter Messelektroniken für eine schnelle und problemlose Anbindung an Industrial-Ethernet-Standards
  • Professionelle Messtechnik-Software für die Steuerung der Fügeüberwachung.

Pressen in verschiedensten Ausführungen sind aus der modernen Produktion nicht mehr wegzudenken. Die Einsatzpalette reicht von Münzpressen über Montagepressen für Bauteile von Fahrzeugen und Gebrauchsgütern, bis hin zu Pressen für große Blechteile in der Automobilproduktion.

So unterschiedlich die Größe und Einsatzbedingungen der Pressen auch sind: Wichtige Kenngrößen für alle Pressen sind die verwendeten Presskräfte, die Hubzahlen sowie die Qualität der im Pressvorgang gefertigten Produkte.

Die Erfassung und Kontrolle dieser Maschinenparameter wird in modernen Pressmaschinen über eine elektronische Pressen-Steuerung geregelt. Diese erfasst gleichzeitig die fehlerhaften Bauteile und schleust sie aus. Ebenso werden Produktions- und Stillstandszeiten erfasst – ein wichtiger Indikator für die Effektivität der Prozesse.

Presskräfte sicher messen

Pressvorgänge werden üblicherweise kraft- oder wegüberwacht. Bei der Kraftüberwachung bieten sich zwei verschiedene Möglichkeiten an:

  • Die direkte Kraftmessung im Kraftfluss des Presswerkzeuges
  • Die Messung im Kraftnebenschluss, z. B. durch den Einsatz von Dehnungsaufnehmern

In beiden Fällen müssen die Presskräfte sicher und schnell von Sensoren erfasst werden und durch geeignete Verstärkerelektroniken an die Pressensteuerung übertragen werden. Für Sensorik sowie Messverstärker gelten dabei besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Robustheit und Betriebssicherheit. Die einfache Montage bzw. Integration der Komponenten in das bestehende Maschinenkonzept ist ein kritischer Faktor, der bei der Auswahl der messtechnischen Instrumente beachtet werden muss.

Beide Methoden zur Kraftmessung weisen spezifische Vor- und Nachteile auf. Im Wesentlichen muss bei der Kraftmessung direkt im Kraftfluss beachtet werden, dass der Kraftaufnehmer Teil des Werkzeuges wird und somit dessen Eigenschaften wesentlich beeinflusst. Ferner ist vor allem bei großen Kräften der Einsatz entsprechender Kraftaufnehmer mit hohen Nennkräften erforderlich. Solche Sensoren sind schwer und zudem teuer. Vorteilhaft ist, dass Kraftaufnehmer bei HBM kalibriert ausgeliefert werden, sodass es nicht notwendig ist, solche Sensoren in der Anlage einzumessen. Nach der Montage kann direkt die Kraft in N bestimmt werden.

Als Alternative bieten sich Dehnungsaufnehmer an, die nach folgendem Grundmuster arbeiten: Jede Presse verfügt über eine Konstruktion, die beim Pressvorgang mechanisch belastet wird. Dies führt zu kleinen, nicht sichtbaren Verformungen. Dehnungsaufnehmer, wie zum Beispiel SLB700A von HBM, messen diese Verformungen, die letztlich proportional zur Presskraft sind. Vorteil dieser Methode ist, dass unabhängig von der Leistung der Presse immer der gleiche Sensor einsetzbar ist. Vor allem bei leistungsstarken Pressen ist eine Messung mittels Dehnungsaufnehmer eine wirtschaftliche Alternative. Die Genauigkeit einer Kraftmessung mit einem kalibrierten Kraftaufnehmer kann mit dieser Methode nicht erreicht werden, jedoch erfüllen HBM Dehnungssensoren die im Regelfall gestellten Genauigkeitsanforderungen von Pressenapplikationen problemlos. In jedem Fall ist ein Einmessvorgang notwendig, um den Zusammenhang zwischen Ausgangssignal und anliegender Kraft zu bestimmen.

Dehnungsmessstreifen- oder Piezotechnologie

Welches Messprinzip ist besser geeignet?

Bei HBM stehen Dehnungsaufnehmer nach dem piezoelektrischen Prinzip (CST/300) und Dehnungsaufnehmer nach dem Dehnungsmessstreifen-Prinzip (SLB700/A) zur Verfügung. In vielen Fällen können beide Sensoren angewendet werden. Der Vorteil des piezoelektrischen Sensors ist die sehr kompakte Bauweise und die hohe Empfindlichkeit, die es erlaubt, den Sensor auch bei sehr kleinen Dehnungen einzusetzen – ideal bei sehr steifen Objekten. Darüber hinaus lässt sich der Sensor mit nur einer Schraube befestigen.

Dehnungsaufnehmer basierend auf der Technologie von Dehnungsmessstreifen (DMS) sind auch mit bereits integrierter Verstärkerelektronik verfügbar. Sie sind in dieser Konfiguration erste Wahl, wenn eine besonders ökonomische Lösung gefordert ist. Zudem weisen DMS-Sensoren keine Drift auf, wodurch Überwachungsaufgaben kein Problem darstellen. Ebenso kann eine dauerhafte Dehnungsänderung an der Presse beobachtet werden. Durch geschickte Verschaltung ist es sehr leicht möglich, Biegemomente zu kompensieren und so eine verbesserte Messgenauigkeit bei geringem Aufwand zu erreichen.

Biegemomente mit Dehnungsaufnehmern kompensieren

Werden Dehnungsaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen eingesetzt, so ist es bei symmetrischen Bauteilen ohne Weiteres möglich, eventuell auftretende Biegemomente zu kompensieren. Hierzu ist es erforderlich, zwei Sensoren auf gleicher Höhe, jedoch gegenüberliegend zu montieren. Bei einer Biegung wird der eine Sensor mit einer positiven, der andere mit einer negativen Dehnung belastet. Werden die Sensoren parallelgeschaltet, so ist das Ausgangssignal insgesamt ‚null‘. Alle Dehnungen, bei denen beide Sensoren in gleicher Richtung belastet werden, werden einwandfrei erfasst. Für Pressenanwendungen kann so garantiert werden, dass nur Zug-/Druck-Dehnungen gemessen werden.

Technische Voraussetzungen des Sensors sind dabei eine geringe Bauhöhe und gleichmäßige Empfindlichkeit. Die Dehnungssensoren von HBM sind aus diesem Grund in einem speziellen Verfahren auf einen einheitlichen Kennwert abgeglichen. Ferner ist der Ausgangswiderstand abgeglichen, wodurch eine Parallelschaltung überhaupt erst möglich wird. Der Brückenwiderstand von 700 Ohm ist so gewählt, dass der Brückenverstärker durch den sinkenden Gesamtwiderstand nicht zu stark belastet wird. Selbst vier parallel geschaltete Sensoren weisen einen Widerstand von 175 Ohm auf. Moderne Messverstärker können die Kraft- bzw. Dehnungssignale sowohl von einzelnen Kraft- bzw. Dehnungsaufnehmern sowie parallel geschalteten Sensoren messen und verarbeiten.

Wie oben bereits erwähnt, müssen Dehnungsaufnehmer eingemessen werden, damit auf eine Kraft geschlossen werden kann.

Der Vorgang des Einmessens bedingt, dass man zumindest zwei Laststufen anfährt – also zum Beispiel Kraft = Null und die maximale Kraft. Wichtig ist, dass nicht unbedingt die maximale Kraft angefahren werden muss. Es ist durchaus möglich, die Messkette bei halber Prozesskraft einzumessen, vor allem wenn die Anforderungen an die Genauigkeit gering sind.

Das Vorgehen ist folgendermaßen:

  • Messen des Ausgangssignals des Dehnungsaufnehmers bei Nullkraft. Hierbei sollte der Messverstärker so eingestellt sein, dass er nicht skaliert, d. h. das Ausgangssignal in mV/V anzeigt.
  • Messen des Ausgangssignals bei der Kraft, bei der eingemessen werden soll. Auch hier sollte in mV/V gemessen werden.

Die Empfindlichkeit der Messkette lässt sich nun einfach berechnen:

S = (Ausgang bei Messkraft - Ausgang bei Null) / (Messkraft - Kraft bei Null)

Dies ergibt einen Wert in pC/N; wenn Sie mit einem piezoelektrischen Sensor arbeiten. Sinngemäß gilt dies auch bei Dehnungsaufnehmern auf Basis von DMS, dann allerdings mit einem Wert in mV/V/N.

Bei den Geräten in der DMS-Messtechnik hat sich in vielen Fällen der Kennwert bei einer bestimmten Dehnung als Skalierwert durchgesetzt. Hierzu benötigt man nur das Ausgangssignal des Sensors bei Nennkraft. Sie können das Wertepärchen Kraft und Ausgangssignal direkt in Ihr Gerät eingeben. Viele Geräte erleichtern die Einstellung, indem nur die vier oben genannten Werte benötigt werden, die in einer Tabelle zugeordnet werden:

Kraft = 0 N        Signal = xy mV/V

Kraft = Messkraft        Signal = AB mV/V

Die Einstellung übernehmen dann Messverstärker. Im Anschluss erfolgt die Skalierung. Moderne Messverstärker haben diesen „Teach-In“-Vorgang implementiert und können das Einmessen automatisiert ablaufen lassen.

Folgende Tipps sind wichtig:

  • Es empfiehlt sich immer eine Verifikation, d. h. die Anlage sollte nochmals belastet und die Anzeigewerte verglichen werden.
  • Vor dem Einmessvorgang die Anlage dreimal auf Höchstlast belasten, um das Setzen der Sensoren zu gewährleisten
  • Um die bestmögliche Genauigkeit zu erreichen ist es ideal, wenn Sie exakt bei der Kraft einmessen, die später auch gemessen werden soll.

Integrierte Elektronik oder smarte Messverstärker mit Messdatenvorverarbeitung?

Für einfache Pressenüberwachungen sind auch Dehnungsaufnehmer mit integrierter Elektronik verfügbar, die bei sehr hoher Bandbreite (2 kHz ,-3 dB) Ausgangssignale in Strom (4 … 20 mA) oder Spannung (0 … 10 V) zur Verfügung stellen. Hierbei muss die nachgelagerte Pressensteuerung die Signalkonditionierung und Messwertverarbeitung übernehmen. Dies sind zusätzliche Aufgaben neben der eigentlichen Aufgabe der Pressensteuerung.

Die Einstellung der Verstärkung folgt den Gedanken oben: Zunächst wird der Nullpunkt angefahren, dann die höchste zu messende Kraft. Bei diesen beiden Kräften kann ein Steuereingang am SLB mit einer Spannung beaufschlagt werden. Die Verstärkung stellt sich dann automatisch so ein, dass Kraft = 0 gleichbedeutend ist mit 1 V und die maximale Kraft 9 V bedeutet. Die Skalierung zwischen 1 und 9 V Ausgangssignal ist sinnvoll, um auch Kräfte unter dem Nullpunkt, bzw. über der eingelernten Höchstkraft, messen zu können. Da die Ausgangsspanne zwischen 0 und 10 V liegt, weist der Sensor eine Reserve von 10 % des Messbereiches auf.

Im Gegensatz zu konventionellen Sensoren mit integrierter Elektronik erlaubt es dieser Verstärker, dass unabhängig von der an der Maschine zur Verfügung stehenden Dehnung immer die maximale Spanne am Ausgang zur Verfügung steht. Bei einer geringen Auflösung der nächsten Stufe ist dies ein nicht zu unterschätzender Vorteil.

Das Einlernen („Teach-In“) erfolgt über einen Steuerimpuls und ist aus diesem Grund auch automatisierbar. Die Messstelle kann unabhängig davon auf Null gesetzt werden. Nach einem Stromausfall steht die Verstärkereinstellung weiterhin zur Verfügung.

Steigende Anforderungen an moderne Pressenüberwachungen

 

Die Anforderungen der Pressenbetreiber sind in den letzten Jahren weiter gestiegen. Neben der Kostenreduzierung stehen Qualitätssteigerung und Erhöhung der Ausbringungsraten im Vordergrund. Auf der anderen Seite müssen Standzeiten erhöht und Wartungsintervalle minimiert werden. Diese Anforderungen können nur noch mit modernen Kraft- und Weg- bzw. Drehwinkelmessverstärkern erreicht werden.

Diese Verstärker verfügen über eine extreme Störsicherheit, die weit über den geforderten Normen liegt. Zum anderen verfügen diese Messverstärker über eine Messdatenvorverarbeitung. Damit werden die nachgelagerten Pressensteuerungen entlastet und die Systemsicherheit erhöht bzw. Ausfallzeiten minimiert. Die Messverstärker sind dabei universell einsetzbar. D. h. je nach Größe der Presse sowie Anzahl und Art der Messsensoren können die Geräte mit den entsprechenden Messkarten ausgerüstet werden. Darüber hinaus sind die Messverstärker auch flexibel mit Signalausgangskarten ausrüstbar. Dies senkt die Investitionskosten erheblich und macht einen Austausch im Fehlerfall sehr einfach. Ein Messverstärkersystem, das diese Anforderungen perfekt erfüllt ist der Industriemessverstärker PMX oder die anreihbaren Messverstärker der Serie ClipX.

Erhöhte Störsicherheit liefert zuverlässige Messwerte

Je nach Anforderung an die Pressenüberwachung kann der Messverstärker „aufgerüstet“ werden. Kräfte und Dehnungen werden über extrem sichere Trägerfrequenzverstärker erfasst. Bei Trägerfrequenzmessungen werden die Messsignale mit 19,2 kHz abgetastet, einer Trägerfrequenz aufmoduliert, dann verstärkt und später wieder demoduliert. Mit dieser Methode werden Messbandbreiten von 2 kHz erreicht und gleichzeitig Störsignale wie Netzbrummen und Störeinstrahlungen durch große E-Motoren oder Frequenzumrichter gar nicht erst übertragen. Dies trägt wesentlich zur Erhöhung der Maschinenstandzeit bei.

Wieviel Intelligenz darf es sein?

Die internen Berechnungskanäle des Messverstärkers PMX erlauben mit Abtastraten von 19,2 kHz pro Messkanal eine schnelle Erfassung und Weiterverarbeitung aller Messsignale der Presse. Mit diesen hohen Abtastraten können Kraftspitzen bis 50 µ/sec sicher erfasst werden. Diese Spitzenwerte dienen der Pressensteuerung zur Qualitätskontrolle und gleichzeitig der Regelung der Presse. Über die internen Berechnungskanäle sind bei Mehrständerpressen die resultierenden Summen- und Differenzkräfte in Echtzeit erfassbar. Damit kann die Maschinensteuerung wiederum den Zustand und die Qualität des Ziehkissens bzw. der Presse überwachen.

Vorbeugende Pressendiagnose

Neben der Spitzenwerterfassung der Presskräfte können auch Alarmgrenzen überwacht werden. So wird bereits im Voraus erkannt, ob sich die Presskräfte in einem Toleranzbereich bewegen und/oder bereits in einen Bereich liegen, der einen Anlagenstopp bedingt, um die Maschine vor Schaden zu schützen. Wie alle Berechnungssignale im PMX erfolgt auch hier die Ermittlung in Echtzeit, also alle 50 Mikrosekunden. Dies ist wichtig, um eine schnelle Notabschaltung zu gewährleisten. Es gibt allerdings noch weitere Möglichkeiten der vorbeugenden Pressendiagnose. An der Presse werden Beschleunigungssensoren angebracht, die die Vibration an den Pressen erfassen. Dies kommt von dem Lagerspiel der mechanischen Komponenten der Presse. Es ist innerhalb gewisser Grenzen auch akzeptabel. Nur wenn die Schwingungen zu groß werden, kündigt sich so ein Lagerschaden an und kann detektiert werden. Die Auswertung und Grenzwerterfassung erfolgt wiederum über den Messverstärker PMX, der über entsprechend schnelle Verstärkereinschübe verfügt. Das gleiche gilt für die Erfassung von Temperaturen in den Pressen oder Kühlsystemen.

Mit catman liefert HBM die passende Software zur Erfassung der Qualitätsdaten. Die Verbindung erfolgt über die Ethernet-Systemschnittstelle des PMX und kann auf einen Windows-PC laufen. Damit werden alle Messsignale und Maschinensignale aufgezeichnet. Diese Aufzeichnungen können archiviert und zur Absicherung herangezogen werden. Aber bereits während der Inbetriebnahme bieten die Visualisierungstools vielfältige und detaillierte Möglichkeiten zur Darstellung und Analyse der Pressensignale. Die Software beinhaltet auch die Möglichkeiten, Messwerttrigger zu setzen, um eine Messung erst nach Auftreten von Störereignissen zu starten und zu speichern.

Welche Form der Automatisierung kann gewählt werden?

Alle Signale liegen im Rechenkern des PMX und ClipX in Echtzeit vor. Von dort aus können die Werte z. B.  über Analogausgänge, Feldbusschnittstellen oder zusätzlich auch über OPC-UA an eine Cloud ausgegeben werden. Die Messverstärker verfügen auch über schnelle Digitalausgänge, die innerhalb nur einer Millisekunde die Grenzwerte signalisieren und weitergeben können. Moderne Pressensteuerungen verfügen meist jedoch über eine Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS). Hier werden Signale über standardisierte Feldbusse übertragen. Diese haben zwei wesentliche Vorteile.

Zum einen wird nur ein gemeinsames Buskabel benötigt, was den Verdrahtungsaufwand wesentlich minimiert. Zum anderen können neben den Messsignalen auch Diagnosedaten vom Messverstärker in die Steuerung übertragen werden, was eine schnelle und vorauseilende Maschinenüberwachung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der Messverstärkers besteht darin, dass intern Parametersätze (Rezepturen) gespeichert und bei Bedarf aufgerufen werden können. Damit kann die Presse quasi ohne Zeitverlust auf neue Pressaufgaben umgestellt werden.

Konzepte zur intelligenten Wartung und Instandhaltung

PMX und ClipX verfügen über mehrere Mechanismen zur Diagnose und Wartungssteuerung. Zuerst werden alle Sensorsignale und internen Komponenten des Gerätes permanent auf Plausibilität überprüft. Damit erfolgt eine direkte Signalisierung in der Pressensteuerung von defekten Sensoren, Leitungsbrüchen oder Gerätedefekten. Über die Einrichtung von Grenzwerten und Toleranzbändern im PMX können bereits Trendabweichungen erkannt und gemeldet werden, bevor es zum Maschinenschaden oder Stillstand kommt. Im Störfall wird ebenfalls erkannt, ob PMX oder ClipX arbeitet (Live-Bit), sodass der Fehler schnell eingegrenzt werden kann. Dazu gehört auch, dass PMX die Kraftsignale gleichzeitig über mehrere Analogausgänge darstellt. So kann der Service vor Ort an der Presse schnell mit vorhandenen Messgeräten nachmessen, ob die Signale wie gewünscht vorliegen. Dies ermöglicht eine weitere Fehlereingrenzung in der Steuerung oder Regelung.

Die Messverstärker verfügen jedoch über weitere Mechanismen zur intelligenten Wartung. Über den internen WebServer kann das Gerät nicht nur parametriert und visualisiert werden. Da die Übertragung über Standard Ethernet TCP-IP und OPC-UA Protokoll verfügt, können die Daten auch im Maschinen- oder Firmennetzwerk übertragen und angezeigt werden. Wenn weiterhin die sicherheitstechnischen Vorkehrungen wie Firewall und Servicezugang über SNMP-Protokoll vorhanden sind, kann die Diagnose bis in das PMX sogar weltweit als Fernwartung ausgeführt werden. Eine dreistufige Benutzerverwaltung ermöglicht dabei, dass jeder Anwender nur die für ihn relevanten Daten bearbeiten und Einstellungen vornehmen kann. Der Anlagenbetreiber kann so entscheiden, ob ein kostspieliger Serviceeinsatz von der Zentrale aus nötig ist oder ein Servicetechniker vor Ort genügt

Können Pressenüberwachungen in bestehende Anlagen nachgerüstet werden?

Generell sind alle Pressen mit moderner Pressenüberwachung von HBM nachrüstbar. Gerade in Zeiten angespannter wirtschaftlicher Rahmenbedingungen macht eine Überarbeitung und Nachrüstung Sinn. Nicht nur, dass damit die Qualität der gefertigten Produkte gesteigert wird, auch die Standzeiten der Presse werden wesentlich verlängert. HBM bietet hier technisches Know-how, um anhand einer FEM-Analyse die beste Position für die Montage der Kraft- oder Dehnungsaufnehmer zu bestimmen. Diese sind für jede Presse je nach Bauform unterschiedlich und später maßgeblich für die Aussagefähigkeit der Messdaten. Des Weiteren verfügt HBM über Experten im Servicebereich, die die Dehnungsmessstreifen in der Presse installieren oder die kompletten Dehnungsaufnehmer montieren können. Auch die Übernahme der Projekterstellung und -begleitung, von der elektrischen Integration und Feldbuseinbindung bis zur Dokumentation, durch HBM ist möglich. Sollten später die Kraftmessketten eingemessen oder nachkalibriert werden, stellt HBM zudem Servicetechniker zur Verfügung, die vor Ort die Kalibrierung und Dokumentation übernehmen.

Fazit

Die Integration moderner messtechnischer Überwachungssysteme ist für eine Steigerung von Genauigkeit und Bandbreite von Pressen ein Schlüsselfaktor. Entscheidend ist vor allem die präzise Messung von Presskräften – zum Beispiel durch direkt im Kraftfluss installierte Kraftaufnehmer oder auch über die indirekte Kraftmessung im Kraftnebenschluss mit Hilfe von Dehnungsaufnehmern.

Ebenfalls von großer Wichtigkeit für eine moderne Pressenüberwachung ist der Einsatz von State-of-the-art Messverstärkersystemen, die eine leichte und problemlose Anbindung an gängige Industrial Ethernet-Standards und Maschinensteuerungen bieten. HBM bietet Lösungen sowohl für die Sensorik wie auch die Elektronik bei der Pressenüberwachung. Führende Hersteller weltweit setzen standardmäßig auf Messtechnik von HBM, um durch genaue und präzise Ergebnisse die Leistung und Einsatzbereitschaft ihrer Pressen zu steigern.

Die Autoren:
Michael Guckes / Thomas Kleckers
 

Prozessüberwachung mit einem konventionellem Messverstärker; Hohe Ausschussrate aufgrund von Messungenauigkeiten.

Erhöhte Effizienz mit PMX oder ClipX; optimaler Produktionsertrag auf Basis präziserer Messergebnisse.