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EFB-Forschungsbericht Nr. 438

Potenziale von kinematisch entkoppelten Direktantrieben in Servopressen

efb438

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dirk Landgrebe, Dr.-Ing. Steffen Noack, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

91 Seiten (sw, 52 teils farbige Abb., 7 Tab. )

ISBN: 978-3-86776-486-5

Preis (Digital) EUR 52,06

Preis (Print) EUR 64,77

Zusammenfassung

Das vorliegende Projekt sollte die wirtschaftlichen und technischen Potenziale entkoppelter Antriebsstrukturen für Servopressen herausarbeiten.
Die ursprünglichen Arbeitshypothesen zu wirtschaftlichen Potenzialen, nach der eine Entkopplung zu
• höherer Dynamik,
• Energieeinsparung und
• geringeren Kosten
führt, war nicht nachweisbar. Diese Effekte traten selbst im günstigsten Fall nur in geringem Umfang in Erscheinung.

Dennoch wird in der Entkopplung der Antriebsstränge ein wirtschaftliches Potenzial gesehen, dass sich jedoch schwerpunktmäßig auf die Entwicklung von universellen Antriebsmodulen bezieht. Durch derartige Module, eventuell nach Baukastenprinzip gestaffelt, können die konstruktiven und fertigungstechnischen Aufwände für Servopressen reduziert werden. Ein weiterer Aspekt ist die Möglichkeit der flexiblen Anordnung dieser Module ohne geometrische Restriktionen, die sich aus den Koppelgliedern ergeben.

Zur Analyse der technischen Potenziale entkoppelter Antriebsstrukturen wurde zunächst eine Eigenschaftsanalyse der gekoppelten Maschine vorgenommen und deren Kippverhalten ermittelt. Dabei zeigte sich, dass die resultierende Stößelkippung durch drei Effekte bestimmt wird:
1. translatorische Steifigkeit der Antriebsstränge (Exzentergetriebe, Pleuel, Hubverstellung, Überlastsicherung);
2. translatorische Steifigkeit der Seitenständer;
3. rotatorische Steifigkeit der Koppelwelle.

Für die entkoppelte Antriebsstruktur ist der Gleichlauf der Antriebsstränge von signifikanter Bedeutung. Es wurden verschiedene Konzepte für die Gleichlaufregelung erarbeitet und implementiert. Dabei zeigt das klassische Gleichlaufkonzept nahezu das gleiche Kippverhalten wie die gekoppelte Antriebsstruktur. Dieses Verhalten war erwartet, da hierbei nur die Koppelwelle durch eine elektrische Welle ersetzt wurde. Eine Erweiterung dieses Konzeptes durch einen überlagerten Kippregler, der auch den Einfluss der translatorischen Steifigkeiten kompensieren soll, erwies sich als problematisch. Grund dafür ist die starke Neigung zur Instabilität dieses Reglers, hervorgerufen durch Spiele und Nichtlinearitäten im Antriebsstrang. Die erwartete Verbesserung des Kippverhaltens konnte so nicht nachgewiesen werden.

Im Projekt wurden auch sicherheitstechnische Aspekte der entkoppelten Antriebsstruktur beleuchtet. Dabei geht es insbesondere um die Sicherstellung des Gleichlaufs der Antriebsstränge im Fehlerfall. In bestimmten Fällen, speziell bei Ausfall von Hardware, ist dieser Gleichlauf nicht garantiert und es kann sich eine Stößelschiefstellung gegen die Führungen einstellen.
Abschließend ist festzustellen, dass nicht alle ursprünglichen Erwartungen an das Projekt verifiziert werden konnten, jedoch wurden wertvolle Konstruktionsvorgaben für Servoantriebe erarbeitet.

Das IGF-Vorhaben „Potenziale von kinematisch entkoppelten Direktantrieben in Servopressen" wurde unter der Fördernummer AiF 17436BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 438 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

This project will investigate the economic and technical potential of decoupled drive structures for servo presses.
The original working hypotheses about economic potentials that decoupling leads to
• higher dynamics,
• Energy savings and
• lower cost,
were undetectable. These effects occur only to a small extent even in the best case.

Nevertheless, one can see in the decoupling of the drive trains economic potential. This refers mainly to the development of universal drive modules. Through such modules, possibly designed by modular principle, the design and manufacturing costs for servo presses can be reduced. Another aspect is the possibility of the flexible arrangement of these modules without geometric restrictions that result from the coupling elements.

For analysis of the technical potential of decoupled drive structures initially a property analysis of the coupled machine was performed and their tilting behavior was determined. It was found that the resulting tilt of the plunger is determined by three effects
1. translational stiffness of the drive trains (eccentric gear, connecting rod, stroke adjustment, overload protection);
2. translational stiffness of the press frame;
3. rotatory stiffness of the coupling shaft.

The synchronization of the drive train is of significant importance for the decoupled drive structure. There have been developed and implemented various concepts for the synchronization control. The classic synchronization concept shows almost the same tilting behavior as the coupled drive structure. This behavior was expected, since in this case only the coupling shaft has been replaced by an "electric shaft". An extension of this concept by a superimposed tilt controller, which is to compensate the influence of the translational stiffness, proved to be problematic. The reason is the strong tendency to instability of this controller, caused by clearance and non-linearities in the drive train. The expected improvement of the tilting behavior could not be detected.

In this project, the safety aspects of the decoupled drive structure were considered. The aim is to ensuring the synchronization of the drive trains in case of error. In certain cases, especially in case of failure of hardware, this synchronization is not guaranteed and may result in a tilting of the ram against the guides.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik und Forschung
2.1 Ausgangssituation
2.2 Bisherige Arbeiten am Fraunhofer IWU
3 Problemstellung, Forschungsziel und Arbeitsprogramm
3.1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.2 Angestrebtes Forschungsziel
3.3 Arbeitsprogramm
4 Wirtschaftliche Potenziale
4.1 Aufbau eines Simulationsmodells und energetische Betrachtung der gekoppelten Antriebsstruktur
4.2 Konstruktiver Entwurf eines entkoppelten Antriebs
4.3 Aufbau eines Simulationsmodells und energetische Betrachtung der entkoppelten Antriebsstruktur
4.4 Wirtschaftliche Potenziale
5 Technische Potenziale
5.1 Aufbau eines Simulationsmodells des Versuchsstandes
5.2 Eigenschaftsanalyse / Parameterermittlung
5.3 Entwicklung von Regelungs- und Steuerungsstrukturen für den gesicherten Gleichlauf der Druckpunkte
5.4 Experimentelle Erprobung der Regelungs- und Steuerungsstrukturen
5.4.1 Problemstellung
5.4.2 Sicherheitskonzept
5.4.3 Experimentelle Erprobung klassisches Gleichlaufkonzept
5.4.4 Experimentelle Erprobung Gleichlaufkonzept mit zusätzlichem Kippregler
5.5 Ermittlung der technischen Potenziale
6 Nutzung und Verwertung der erzielten Forschungsergebnisse
6.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
6.2 Innovativer Beitrag der erzielten Ergebnisse
6.3 Industrielle Anwendungsmöglichkeiten
7 Literaturverzeichnis