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EFB-Forschungsbericht Nr. 095

Rechnergestützte Analyse des dynamischen Verhaltens mechanischer Pressen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Hans Wilfried Wagener, Dipl.-Ing. Thomas Freiherr, Laboratorium für Verfahren und Werkzeugmaschinen der Umformtechnik der Gesamthochschule Universität Kassel, Prof. Dr. rer.nat. Hubert Hahn, Dipl.-Ing. Martin Neumann, Fachgebiet für Regelungstechnik und Systemdynamik der Gesamthochschule Universität Kassel

184 Seiten (Sw 117 Abb., 51 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-229-8

Preis (Digital) EUR 86,00

Preis (Print) EUR 96,30

Schlagworte: Genauigkeit, Fertigungsgenauigkeit, mechanische Pressen

Zusammenfassung

Die Arbeitsgenauigkeit der Umformmaschine hat maßgebenden Einfluß auf die Fertigungsgenauigkeit der Werkstücke. Statische Genauigkeitsuntersuchungen sind im Experiment und durch FEM-Rechnungen durchgeführt worden und haben zu wesentlichen Verbesserungen der Pressenkonstruktionen geführt. Dieses Vorgehen ist jedoch für dynamische Betrachtungen unzureichend, da einerseits die bekannten Meßaufbauten für die dynamische Maschinenuntersuchung nicht geeignet sind und andererseits die FE-Methode Massenkräfte, Dämpfungen und Lagerspiele nur unzureichend berücksichtigen kann, die bei dynamischer Belastung vorhandenen sind.

Für dynamische Berechnungen großer Bewegungen mit Lagerspielen ist die numerische Simulation besser geeignet, welche die Bewegungen elastisch und dissipativ gekoppelter räumlich konzentrierter Massepunkte beschreibt. Der Einsatz dieser Simulationstechnik zur Beschreibung der vollständigen Arbeitsgenauigkeit einer Presse, also der Kippung und der Verlagerung, wird in dieser Untersuchung erstmalig erprobt. Dazu werden Simulationsmodelle unterschiedlicher Diskretisierung erstellt (1. Modell= Trivialmodell, 2. Modell= Standardmodell, 3. Modell = komplexes Modell) und die Rechenergebnisse der Simulation mit Versuchsdaten verglichen, die an einer Laborpresse gewonnen werden.

Zur Genauigkeitssteigerung bei der Versuchsdaten wird zunächst ein neues Meßsystem auf Laserbasis entwickelt, das die Messungen in der geforderten Qualität ermöglicht. Der Vergleich von Messung und Simulation führt zu der Erkenntnis, daß die numerische Starrkörpersimulation prinzipiell zur Beschreibung der Arbeitsgenauigkeit von Pressen geeignet ist, daß die exakte Simulation jedoch mit sehr großem Aufwand bei der Erstellung des Simulationsmodells verbunden ist. Dennoch können mit verhältnismäßig geringem Aufwand (Standardmodell) aussagekräftige Simulationsrechnungen mit hinreichender Ergebnisgenauigkeit ausgeführt werden.

Das Simulationsverfahren eignet sich daher gut als Werkzeug für den Pressenkonstrukteur, der in der Entwurfsphase die Auswirkungen unterschiedlicher Konstruktionsvarianten auf das dynamische Pressenverhalten kostengünstig untersuchen muß. Er ist nicht auf absolute Genauigkeit der Simulationsrechnung angewiesen sondern vielmehr an Vergleichen interessiert.

Ebenso ist das Rechenverfahren für den Entwurf von Regelkreisen verwendbar. Hier können die Auswirkungen unterschiedliche Regler und Regelstreckenparameter auf das dynamische Verhalten der Presse überprüft werden, was im Schadensfall bei einem Realversuch erhebliche Kosten verursacht. Die Rechnersimulation bietet hier kostengünstige und schnelle Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit. Bisher verwirklichte Regelkreise an Pressen berücksichtigen ausschließlich die Kippungskompensation, die für das Gesamtsystem nicht ausreichend ist.

Mit Hilfe des entwickelten Lasermeßsystems ist es nun möglich, die am Stößel vorhandene Verlagerung mit großer Genauigkeit meßtechnisch zu erfassen und somit eine vollständige Genauigkeitsregelung mit Kippungs- und Verlagerungskompensation an Pressen zu realisieren.

Das Forschungsvorhaben „Rechnergestützte Analyse des dynamischen Verhaltens mechanischer Pressen“ wurde unter der Fördernummer AiF 9618N von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 95 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung (RTS und LVWU)
2 Stand der Technik (RTS und LVWU)
2.1 Umformmaschinen (LVWU)
2.1.1 Arbeitsgenauigkeit von Preßmaschinen
2.1.2 Simulation des statischen Verhaltens von Pressen
2.1.3 Simulation des dynamischen Verhaltens von Pressen
2.1.4 Kenngrößen allgemein
2.1.5 Koordinatensystem und Genauigkeitskenngrößen
2.2 Starrkörpersimulation (RTS)
3 Laboraufbau (LVWU)
3.1 Versuchspresse (LVWU)
3.2 Belastungsaufbauten (LVWU)
3.3 Meßaufbauten (LVWU)
3.3.1 Meßwerterfassung
3.3.2 Standardaufnehmer
3.3.3 Kippung und Versatz
3.3.4 Gestelldeformation
4 Ingenieurmodelle (RTS)
4.1 Erstes Ingenieurmodell (Trivialmodell) (RTS)
4.1.1 Zielsetzung und Komponenten des ersten Ingenieurmodells
4.1.2 Variablen des ersten Ingenieurmodells
4.1.3 Modellparameter des ersten Ingenieurmodells .
4.2 Zweites Ingenieurmodell (Standardmodell) (RTS)
4.2.1 Zielsetzung und Komponenten des zweiten Ingenieurmodells.
4.2.2 Variablen des zweiten Ingenieurmodells
4.2.3 Modellparameter des zweiten Ingenieurmodells
4.3 Drittes Ingenieurmodell (komplexes Modell) (RTS)
4.3.1 Zielsetzung und Komponenten des dritten Ingenieurmodells
4.3.2 Variablen des dritten Ingenieurmodells
4.3.3 Modellparameter des dritten Ingenieurmodells
5 Realisierung der Rechnersimulationsmodelle (RTS)
5.1 Erstellung des Simulationsprogramms des ersten Ingenieurmodells (RTS)
5.1.1 Geometriedaten des ersten Ingenieurmodells
5.1.2 Eingabedatei der Modelle der Körper und Gelenke
5.1.3 Eingabedatei der elastischen und dissipativen Koppelelemente
5.1.4 Eingabedatei der Steuerdaten der Animationsgrafik
5.2 Erstellung des Simulationsprogramms des zweiten Ingenieurmodells (RTS)
5.2.1 Geometriedaten des zweiten Ingenieurmodells
5.2.2 Eingabedatei der Modelle der Körper und Gelenke
5.2.3 Eingabedatei der elastischen und dissipativen Koppelelemente
5.2.4 Eingabedatei der Steuerdaten der Animationsgrafik
5.3 Erstellung des Simulationsprogramms des dritten Ingenieurmodells (RTS)
5.3.1 Geometriedaten des dritten Ingenieurmodells
5.3.2 Eingabedatei der Modelle der Körper und Gelenke
5.3.3 Eingabedatei der elastischen und dissipativen Koppelelemente
5.3.4 Eingabedatei der Steuerdaten der Animationsgrafik
5.4 FE-Modell des Pressenrahmens (LVWU)
6 Laborexperimente zur Analyse des Pressenverhaltens (LVWU)
6.1 Modellparameter (LVWU)
6.1.1 Parameter des 1. Ingenieurmodells
6.1.2 Parameter des 2. Ingenieurmodells
6.1.3 Parameter des 3. Ingenieurmodells
6.2 Pressenverhalten (LVWU)
6.2.1 Dynamisches Genauigkeitsverhalten
6.2.2 Gestelldeformation
6.2.3 Einfluß der Querverengung auf die Arbeitsgenauigkeit
7 Vergleich der Ergebnisse aus Laborexperimenten und Rechnersimulationen (RTS)
7.1 Rechnersimulation mit dem ersten Ingenieurmodell (RTS)
7.2 Rechnersimulation mit dem zweiten Ingenieurmodell (RTS)
7.3 Rechnersimulation mit dem dritten Ingenieurmodell (RTS)
7.4 Parametervariationen mit dem zweiten Ingenieurmodell (RTS)
8 Zusammenfassung (LVWU)
Literaturverzeichnis
A Anhang (RTS)
A.1 Berechnung von Trägheitsparametern (RTS)
A.1.1 Umrechnung der Trägheitsparameter vom Werkzeugoberteil auf den Stößel
A.1.2 Berechnung der Trägheitsparameter des Pressentischs
A.1.3 Berechnung der Trägheitsparameter des Pressenkopfs bestehend aus vorderem und hinterem Wellenlager
A.1.4 Berechnung der Trägheitsparameter der Pressenständer
A.2 Mathematische Modelle der Komponenten der Presse (RTS)
A.2.1 Modell des Pressenantriebs
A.2.2 Modell der Blockelemente des Stößels
A.2.3 Modell des elastischen Pressenrahmens