Die Entwicklung komplexerer Prüfsysteme erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der zur „integrierten Entwicklung“ führen muss. Gestiegene Anforderungen müssen nicht unbedingt mit dem Einsatz neuer und eventuell teurer Technologien einhergehen. Oft führen Optimierung und/oder Ausreizen bestehender Technologien und die Beachtung einiger Grundregeln ebenfalls zum Ziel.
Der rasante technische Fortschritt in Verbindung mit der Notwendigkeit des sorgsamen Umganges mit Rohstoffen führt in vielen Bereichen zu einer Miniaturisierung mechanischer, mechatronischer und elektronischer Funktionseinheiten. Das führt teils zu drastisch erhöhten Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit, da die Maß-, Form und Lagetoleranzen immer kleiner werden.
In gleichem Maße steigen auch die Anforderungen an die Prüftechnik. Je kleiner die Prüflinge werden, desto größer sind die Anforderungen an die mechanische Genauigkeit des gesamten Versuchsaufbaues. (Maßhaltigkeit, Form- und Lagefehler, Lagerspiel). Umwelteinflüsse wie Temperaturänderung, Vibrationen und Luftfeuchte spielen plötzlich eine große Rolle. Auflösung und Genauigkeit der verwendeten Kraft- und Wegmesssysteme müssen den Gegebenheiten angepasst werden, da die Toleranzen der zu ermittelnden Kenngrößen entsprechend kleiner werden. Prüfmittel-Fähigkeitsnachweise werden zu einer echten Herausforderung.
Durch intensive Entwicklungsarbeit wurde ein Konzept geschaffen, das hochgenaue Messergebnisse garantiert. Nachfolgend werden die grundlegenden Kriterien der Entwicklung näher erläutert.
Prüfsysteme sind komplexe Gebilde aus Subsystemen und Elementen, deren Zusammenspiel die gewünschten Eigenschaften liefern soll. Jedes dieser Elemente und Subsysteme hat die Fähigkeit, Mess- und Prüfergebnisse positiv oder negativ zu beeinflussen. Gestiegene Anforderungen müssen nicht unbedingt mit dem Einsatz neuer und eventuell teurer Technologien einhergehen. Oft führen Optimierung und/oder Ausreizen bestehender Technologien und die Beachtung einiger genereller Grundregeln der Mechanik und der Messtechnik ebenfalls zum Ziel.
Welche Fehlerursachen müssen idealer weise vermieden oder zumindest minimiert werden?
- Mechanische Ungenauigkeit und Verformung des Lastrahmen und der Anschlusselemente (Biegung, Verwindung)
- Wegmessfehler nach Abbé
- Verformung des Kraftaufnehmers (Biegung, Verwindung)
- Dynamische Messfehler durch Zeitversatz der Messwertpaare Kraft und Weg
- Unparallelität und/oder Unebenheit der Druckplatten auch unter Last, partielle elastische Verformung der Druckplatten unter Last
- Bedienungsfehler und Bedienereinfluss auf die Messergebnisse
1. Mechanische Ungenauigkeit und Verformung des Lastrahmen und der Anschlusselemente
Eine wesentliche Ursache für Weg-Messfehler liegt im Design des Lastrahmens. Liegt die Achse der Krafteinleitung nicht in einer Flucht mit der Prüfachse, führt das immer zu Verformungen am Lastrahmen. Spielbehaftete Führungen, die im Kraftfluss liegen, führen ebenfalls zu unerwünschten Effekten, die sich nicht auf elektronischem Wege kompensieren lassen. Die Adaption von Vorrichtungen, Spannmitteln und Druckplatten muss spielfrei sein. Kontermuttern oder –schrauben dürfen kein Verkippen der Probenaufnahmen nach sich ziehen.
Die precisionLine ist konstruktiv so ausgelegt, dass die Krafteinleitung exakt in der Prüfachse liegt. Der Kraftfluss geht nicht über Führungselemente, sondern über den Prüfling direkt in den Lastrahmen. Die Verformung des Lastrahmens liegt rechnerisch unterhalb 2µm/kN.
2. Wegmessfehler nach Abbe
Eine weitere wesentliche Ursache für Wegmessfehler ist die Nichtbeachtung des Abbeschen Komparatorprinzips. Dieses besagt: Die Maßverkörperung und die zu messende Strecke müssen in einer Flucht liegen, andernfalls entsteht ein „großer Messfehler 1. Ordnung“ (Beispiel Schieblehre). Bei herkömmlichen Federwaagen liegt die Maßverkörperung meist nicht in einer Flucht mit der zu messenden Strecke. Dadurch entsteht ein Messfehler erster Ordnung. Die precisionLine ist so aufgebaut, dass sowohl die Krafteinleitung als auch die Weg-Maßverkörperung auf einer Linie mit der Prüfachse liegen. Somit ist ein Messfehler erster Ordnung ausgeschlossen. Die Auflösung des inkrementalen Wegmesssystems beträgt 0,12 µm.
3. Verformung des Kraftaufnehmers
Übliche Kraftaufnehmer sind mit Dehnmessstreifen versehene Verformungskörper. Ihr Funktionsprinzip beruht auf der Analogie von Verformung und angelegter Kraft. Diese Verformung geht jedoch bei der Feder- und Bauteilprüfung als Fehler in die Wegmessung ein. Herkömmliche Handhebel-Federprüfgeräte verfügen über keinerlei Kompensationsmechanismen. Bei rechnergesteuerten motorisierten Federprüf-Maschinen kann die Eigenverformungskennlinie des jeweiligen Versuchsaufbaues gemessen und mit den Messwerten während der Prüfung verrechnet werden.
Die Eigenverformung der Prüfeinrichtung besteht in erster Linie aus der Nachgiebigkeit des Kraftaufnehmers und der durch dezentrale Krafteinleitung verursachte Nachgiebigkeit der Maschine.
Der verwendete Zwick-Kraftaufnehmer Xforce ist rotationssymmetrisch aufgebaut und hat die Fähigkeit, Querkräfte, Kippmomente und Momente um die Mittenachse aufzunehmen, ohne die Messung der axialen Kräfte nennenswert zu beeinflussen. Die precisionLine Baureihe verfügt über eine patentierte mechanische Verformungskompensation. Diese garantiert die Kompensation der Eigenverformung des Kraftaufnehmers.
Ein inkrementales Wegmeßsystem (Maßverkörperung) ist direkt auf der Mittenachse des Kraftaufnehmers appliziert und befindet sich somit in einer Flucht zu der zu messenden Strecke (Abbesches Prinzip, Messfehler 2. Ordnung). Es wird während der Messung kontinuierlich um den Betrag der Eigenverformung des Kraftaufnehmers angehoben und kompensiert somit den Weg-Messfehler. Bei Erreichung der Nennlast des Kraftaufnehmers wird dieser mechanisch blockiert, so dass eine. Zerstörung oder Beschädigung ausgeschlossen ist. Auch die Einstellung der Referenzlänge (Weg-Nullung) ist Kraft-unabhängig.
4. Dynamischer Messefehler
Herkömmliche handbetätigte Federwaagen können keine Kraft-Weg-Kennlinie aufnehmen. Elementare Voraussetzung für eine reproduzierbare Messung einer Kraft-Weg-Kennlinie im Durchlauf ist jedoch die zeitsynchrone Erfassung der beiden Messgrößen. Das Kraftsignal hat, bedingt durch die Signal- Verarbeitung des Analogsignals, eine längere Signallaufzeit als das digitale Wegsignal, das sofort zur Verfügung steht. Werden die Messgrößen Kraft und Weg nicht synchronisiert, verursacht dies eine scheinbare, von der Prüfgeschwindigkeit abhängige Hysterese zwischen Belastungs- und Entlastungskurve. Die verwendete Messelektronik synchronisieren die Messkanäle, so dass kein geschwindigkeitsabhängiger dynamischer Messfehler entsteht.
5. Unparallelität und/oder Unebenheit der Druckplatten auch unter Last
Eine nivellierbare und drehbare Druckplatte ermöglicht die präzise Einstellung der Planparallelität der Druckvorrichtung. Partielle elastische Verformungen der Druckplatten verursacht durch hohe Flächenpressung bei kleinen Prüflingen kann optional mit keramischen Auflagen begegnet werden.
6. Bedienungsfehler und Bedienereinfluss auf die Messergebnisse bei manuell betätigten Prüfgeräten
Einstellung der Messanschläge
Manuelle Federwaagen sind für die Bestimmung der Federkräfte (F1 und F2) bei vorgegebener Federlänge (L1 und L2) ausgelegt. Die Einstellung der Mess-Anschläge für L1 und L2 muss mittels Endmaß bei der theoretisch auftretenden Federkraft erfolgen, um die Eigenverformung des Kraftaufnehmers und des gesamten Versuchsaufbaues einigermaßen zu kompensieren. Die Nachgiebigkeit eines Kraftaufnehmers beträgt bei einfachen Federwaagen bis Nennlast, je nach Bauform bis zu 0,4 mm. Sowohl bei der Einstellung der Messanschläge als auch bei der Versuchsdurchführung entsteht ein großer Bedienereinfluss auf die Messergebnisse, da Kräfte nicht reproduzierbar angefahren werden können. Die während der Prüfung manuell auf die Messanschläge aufgebrachte Kraft verursacht bei üblichen handbetätigten Federwaagen oft eine elastische Verformung des Lastrahmens und der Anschlagstangen, was zu Messfehlern führt. Die beiden mechanischen Endanschläge der precisionLine manual dienen nicht als Messanschläge sondern dem Schutz der Feder (Setzlänge und kleinste zulässige Federlänge im Prüfzyklus)
Einstellung der Referenzlänge (Weg-Nullung)
Die Einstellung der Referenzlänge bzw. die Weg-Nullung muss bei herkömmlichen Federwaagen exakt bei einer definierten Kraft erfolgen. Wird diese Kraft überschritten, geht die Verformung des Kraftsensors als Fehler in die Null-Position des Gerätes ein (Weg-Offset).
Bei der precisionLine manual wird der Weg-Nullpunkt bzw. der Weg-Referenz durch die mechanische Verformungskompensation Kraft-unabhängig ermittelt – der Anwender muss auf keine Referenzkraft achten. Der Anwender fährt auf das eingelegte Endmaß oder Druckplatte auf Druckplatte und betätigt den Taster am Handgriff des Hebels.
Versuchsablauf
Herkömmliche Federwaagen verfügen über keine Möglichkeit der Versuchsüberwachung Es ist nicht nachvollziehbar, ob Setz- und Messzyklen ordnungsgemäß durchgeführt wurden.
Das handbetätigte Prüfgerät precisionLine manual zeichnet eine komplette Kennlinie ohne Stopp an den Messpunkten auf. Es werden bis zu 200 synchronisierte Kraft -Weg Wertepaare pro Sekunde erfasst, an den PC transferiert und als Online-Grafik dargestellt (bei der motorisierten Variante 500). Ein Verweilen an manuell eingestellten Messpunkten entfällt. Die Kennwerte werden im Durchlauf ermittelt und zeitgleich im Kraft-Längen-Diagramm dargestellt.
Die Versuchsüberwachung, Datenerfassung uns Auswertung erfolgt mittels der Zwick Prüfsoftware testXpert II. Eine Manipulation der Messergebnisse und Übertragungsfehler ins Prüfprotokoll oder das CAQ-System werden zuverlässig verhindert. Selbst die Anzahl der geforderten Setzzyklen und die Setzlänge können überwacht werden.
Prüfsoftware und Datenadministration
Ein wesentlicher Faktor für die Fehlervermeidung liegt in der Prüfsoftware. Sie muss einfach und intuitiv zu bedienen sein. Der Anwendereinfluss erstreckt sich im Wesentlichen auf Fehleingaben von Prüfparametern und Toleranzwerten, was zu fehlerhafter Auswertung der Prüfung führen kann. Ideal ist eine zentrale Prüfdatenverwaltung, in der alle Prüfpläne erstellt und verwaltet werden. Durch Eingabe von Schlüsselwerten wie Artikelnummer und Fertigungsstufe an der Prüfmaschine wird automatisch das richtige Prüfprogramm geladen. Nach Beendigung der Prüfserie oder einer Einzelprüfung werden die Ergebnisdaten zurückgespielt.
Die Prüfsoftware testXpert II verfügt über entsprechende Schnittstellen zu modernen CAQ-Systemen und Prüfdatenverwaltung.
PrecisionLine – Genauigkeit garantiert
Aufgrund dieser Überlegungen wurde die neue PrecisionLine entwickelt. Je nach Einsatzgebiet gibt es verschiedene Typen. Die precisionLine manual wurde ursprünglich als einfach bedienbares und doch hochgenaues Federprüfgerät entwickelt. Sie vereint die Vorzüge der manuellen, schnellen Bedienung und der Rechnerauswertung, wie sie bislang bei motorisierten Prüfmaschinen zu finden waren. Durch den Austausch der Werkzeuge eignet sich das Prüfgerät auch vorzüglich für Bauteilprüfung und Einpressversuche. Sie verfügt über zwei Messkanäle (Kraft und Weg)
Die motorisierte precisionLine automatic ist die konsequente Weiterentwicklung zum Präzisions-Federprüfsystem Die Steuerungs- und Mess-Elektronik testControl in Verbindung mit der Zwick-Prüfsoftware testXpert II erlaubt komplexe Versuchsabläufe und die Anbindung von bis zu 10 Sensoren.
Das universelle Prüfsystem precisionLine vario ist modular aufgebaut und entspricht technologisch der precisionLine automatic. Der Messkopf ist jedoch höhenverstellbar auf ein 4-Säulengestell appliziert. Die Maschine kann sowohl vertikal als auch horizontal betrieben werden.
Zwick, Ulm, www.zwick.de
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