Scherschneiden dünner Bleche mittels adaptiver Magnetaktorik · inf - Control Durch die hohen...
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Forschungsgebiet Produktionstechnik
Prof. Dr.-Ing. Tobias Ortmaier / Prof. Dr-Ing. Bodo HeimannDipl.-Ing. Matthias Dagen
imes
Institut fürMechatronische SystemeLeibniz Universität Hannover
Konzept und Aufbau
Gefördert durch die DFG, Geschäftszeichen HE-2445/21-2
Anwendungen und Ergebnisse
Grundidee
Lernende RegelungenLernende Regelungen
Konzeption des
Prototypen
Konzeption des
Prototypen
Regelung der
Magnetstanze
Regelung der
Magnetstanze
Dieses Projekt bezweckte die Entwicklung eines elektromagneti-
schen Stanzautomaten, der auf das qualitativ hochwertige
Scherschneiden dünner Bleche optimiert ist. Im Gegensatz zu
konventionellen Pressen erfolgt die Aktuierung des Stößels
durch Hochleistungselektromagnete. Diese sind in der Lage, Kräf-
te von bis zu 20 kN zu erzeugen und besitzen gleichzeitig eine
sehr hohe Dynamik. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte lässt
sich der gesamte Aufbau der Presse deutlich miniaturisieren,
wodurch das Missverhältnis zwischen Baugröße der Maschine
und Werkstück aufgehoben wird. Des Weiteren entfallen durch
den direkten Antrieb sämtliche Lose und Getriebespiele, welches
die Genauigkeit deutlich erhöht.
Aufgrund des direkten Antriebs und der hohen Dynamik der Elek-
tromagnete kann die Stößelkinematik frei gewählt werden. Hier-
durch lässt sich die Stößelkinematik auf den aktuellen Schneid-
prozess optimieren.
Scherschneiden dünner Bleche
mittels adaptiver Magnetaktorik
Die Produktion von kleinen und mikrotechnischen Bauteilen durch Scherschneiden nimmt in der
Umformtechnik seit Jahren zu. Um eine wirtschaftliche Produktion zu gewährleisten, wird
sowohl eine hohe Präzision bei der Fertigung der Produkte als auch eine hohe Ausbringungsrate
gefordert. Aus diesem Grund erfolgt das Scherschneiden dünner Bleche hauptsächlich auf
mechanischen Schnellläuferpressen.
Bei mechanisch angetriebenen Pressen erfolgt der Antrieb des Stößels über einen Elektromotor
mit Schwungrad. Dieses ist über eine Kupplung mit einer Kurbel- oder Exzenterwelle verbunden
und treibt beispielsweise über Pleuelstangen oder Kniehebel den Stößel an.
Durch die baulich festgelegte Kinematik ist ein auf den Schneidprozess optimierter Weg-Zeit-
Verlauf des Stößels nicht realisierbar. Demzufolge stehen die Schnittgeschwindigkeit und
Schneidkraft somit in einem festen Verhältnis zur Antriebsdrehzahl. Eine Regelung dieser
Größen mit hinreichender Dynamik ist bei konventionellen Pressen daher nicht möglich. Um
diese Nachteile zu kompensieren sind innovative Antriebskonzepte notwendig.
Motivation
Konventionelle mechanische Pressen:links: Schuler Yamada NXT 40 Lrechts: Bruderer BSTA 300
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein kompakter Stanzautomat mit integrierten
elektromagnetischen Aktoren entwickelt und gefertigt. Der Stanzautomat besteht im
Wesentlichen aus zwei Hochleistungselektromagneten, einem Stößel mit Werkzeug, vier
Federpaketen, einem Anker und vier Führungen. Die Ankerplatte lässt sich mittels der
Hochleistungselektromagnete in der vertikalen Richtung bewegen. Von der Ankerplatte wird
die Kraft durch vier Verbindungsstücke auf den Stößel übertragen. Der maximale Hub des
Systems beträgt 4 mm. Aufgrund der hohen Dynamik und Genauigkeit jedoch der
geringeren Kräfte und kleineren Hübe gegenüber konventionellen Pressen ist dieses Konzept
hervorragend für die Produktion von kleinsten und mikrotechnischen Bauteilen geeignet.
Einen zentralen Aspekt des entwickelten Systems stellt die Regelung dar. Auf Grund der
stark begrenzten Kraft, die zusätzlich nichtlinear vom Luftspalt und dem Spulenstrom
abhängig ist, sind Maßnahmen zur Linearisierung und Stellgrößenbegrenzung notwendig,
um die Verwendbarkeit von linearen Regelgesetzen zu gewährleisten und damit die Aus-
wahl an Regelstrategien zu erhöhen. Die Linearisierung erfolgt über ein vorgeschaltetes
Kennfeld, welches eine Invertierung des realen Kraft-Strom-Weg Kennfelds der Magneten
darstellt.
Electronic/Electro-
magnetic System
Mechanical
System
Fa xF
dx
d
Kalman-Filter
Sliding Mode
Control
Disturbances
FD
x, x, F, FD
^ ^ ^.^
State-Feed-
Back-Control
Hinf - Control
Durch die hohen Störungen während des Schneidprozesses treten hohe Regelabweichun-
gen auf, die durch einen konventionellen Regler nicht kompensiert werden können. Um
diese Nachteile zu eliminieren werden Iterativ Lernende Regelungen auf das System ange-
wendet. Diese Regelungsstrategien nutzen die hohe Wiederholbarkeit des Schneidprozes-
ses, indem sie den Fehler eines vorherigen Zyklus verwenden, um die Regelgüte des fol-
genden Zyklus zu verbessern. Mit Hilfe dieser Regelungsstrategien konnte die Regelabwei-
chung deutlich reduziert und auch das Schnittergebnis verbessert werden. Zudem ist ein
geringerer Stempelverschleiß zu erwarten.
Stößel/Werkzeug
Elektromagnet
Elektromagnet
Federpaket
Führung
Verbindungsstück
Anker
GestellBewegungsrichtungAktorkraft
HochleistungselektromagnetEr verfügt über 100 Windungen und eine Polflä-che von 144 cm².
StromstellerStellt Ströme von bis zu 50 A bei einer Spannungvon 600 V.
Prototyp der Magnetstanzemaximale Kraft: 10 kNHub: 4 mmHubzahl: ca. 3600 Hübe / minGrenzfrequenz: 120 Hz
Funktionsweise der iterativ lernenden RegelungDurch Rückführung des Fehlers des vorherigen Zyklus wird sukzessive der Fehler minimiert
Ergebnisse mit lernenden RegelungenNach 15 Iterationen ist der Fehler deutlich minimiert.
Regelkreis der MagnetstanzeÜber ein Kalman Filter werden dieunbekannten Zustände und dieStörungen (Schneidkraft) ge-schätzt.
Kooperationspartner: Institut für Umformtechnik
und Umformmaschinen
Aufbau einer Schnellläuferpressekurze BauartQuelle: Schuler
MassenausgleichMassenausgleich
Wälzlager
Exzenterwelle
hydr. Bremse
Vorschubantrieb
Pressenkörper
Federkörper
Tischplatte
Stößel
Stößelführung
Druckpunkt
Eintauchtiefen-regeleinrichtung
Doppelgabelpleuel
hydr. Kupplung
regelbarerGleichstromantrieb