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EFB-Forschungsbericht Nr. 301

Entwicklung einer Methode für einen selbst optimierenden Regler für Ziehkissensysteme

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Reimund Neugebauer, Dr.-Ing. Thomas Päßler, Dr.-Ing. Ulrich Priber Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Chemnitz

104 Seiten (sw, 96 teils farbige Abb.)

ISBN: 978-3-86776-336-3

Preis (Digital) EUR 61,00

Preis (Print) EUR 69,00

Zusammenfassung

Das Ziel der Forschungsarbeit bestand in der Entwicklung einer allgemeingültigen Methode zur automatisierten Optimierung der Reglereinstellwerte an hydraulischen Ziehkissen. Besonders kritisch ist der Vorgang des Auftreffens des Stößels auf das Ziehkissen, infolge dessen das Ziehkissen stark dynamisch beansprucht wird. Um die dadurch verursachten Störungen im Verlauf der Ziehkissenkraft zu kompensieren, die nachweislich einen großen Einfluss auf die Ziehteilqualität haben, ist das Anpassen mehrerer Reglerparameter erforderlich.

Die Reglerparameter sind von vielen Maschinen- und Prozessgrößen abhängig, und müssen für unterschiedliche Einsatzgrößen als Parameterfelder abgelegt sein. Ein automatisches Reagieren auf unterschiedliche Maschinen- bzw. Prozessgrößen ist nicht möglich.

In einem ersten Schritt wurden für heute eingesetzte hydraulische Ziehkissen die wesentlichen qualitätsbestimmenden Zielgrößen und deren Grenzen festgelegt. Dies sind der Über- und Unterschwinger der Istziehkraft, der zurückgelegte Kissenweg bis zum Erreichen der Sollkraft und der zurückgelegte Kissenweg bis zum Einschwingen der Kissenkraft in ein vorgegebenes Toleranzfenster. Hierbei ist festzustellen, dass die Zielgrößen kein Optimum darstellen sondern in einem Toleranzbereich liegen.

Um die Mechanismen zwischen den Reglereinstellwerten und den damit erreichbaren Zielgrößen abzuleiten, wurde neben der Auswertung der Erfahrungen von Inbetriebnehmern von Ziehkissen ein komplexes Simulationsmodell eines mechanischen Pressenantriebs mit einem hydraulischen Ziehkissen erarbeitet und benutzt. Dieses Modell beinhaltet sowohl den kompletten hydraulischen Ziehkissenantrieb mit den entsprechenden Regelalgorithmen als auch ein entsprechendes Tool zur Berechnung der Zielgrößen des Ziehkissens. Damit wurden die kausalen Zusammenhänge am Ziehkissen zwischen wesentlichen Maschinen- und Prozessgrößen, Reglereinstellwerten und den entsprechenden Zielgrößen abgeleitet.

Aufgrund der Vielzahl der Simulationsrechnungen mit den unterschiedlichsten Parametervariationen war eine systematische Auswertung nur mit der am IWU entwickelte SGR-Methode („Smoothed Grid Regression“ 0) möglich. Es konnten eindeutige Zuordnungen zwischen Reglerparametern und den Auswirkungen auf bestimmte Zielgrößen nachgewiesen werden.

Mit Hilfe dieser wesentlichen Vorarbeiten erfolgte der Aufbau der Fuzzy Modelle mittels Matlab, Fuzzy-Toolbox. Es wurden 3 Fuzzy Modelle mit den entsprechenden Eingangs- und Ausgangsvariablen entworfen, für die die entsprechenden linguistischen Werte definiert wurden. Die Beschrei-bung der Zusammenhänge erfolgt in den entsprechenden Regelbasen der einzelnen Fuzzy-Modelle. Die Regeln der einzelnen Fuzzy Modelle und die linguistischen Größen der Eingangsgrößen führen zur Änderung der entsprechenden Reglereinstellwerte.

Aufgrund der Struktur der Modelle (jeweils zwei Eingangs- und eine Ausgangsgröße) konnte der Fuzzy-Algorithmus für jedes Modell als Kennfeld abgelegt werden. Der Fuzzy Algorithmus wurde zunächst im Simulationsmodell eingebunden, weiterentwickelt und getestet.

Die praktische Erprobung erfolgte aus Verfügbarkeitsgründen und in Abstimmung mit dem Projekt begleitenden Ausschuss an einer hydraulischen Presse am Fraunhofer Institut. In die Steuerung des Ziehkissens wurden die entsprechenden Fuzzy Algorithmen in einer von 16 Ziehkissenachsen implementiert und über eine entsprechende Schnittstelle mit den erforderlichen Eingangs- und Ausgangsparametern des Kissenreglers gekoppelt. Der Algorithmus wurde mit unterschiedlichen Prozessparametern bei unterschiedlichen Startwerten für die Reglerparameter getestet und wei-terentwickelt. Gegenwärtig sind die automatische Bewertung der Zielgrößen und das Berechnen der neuen Reglerparameter aus dem Algorithmus sowie das Beschreiben der Reglerparameter in der Kissensteuerung implementiert.

Das Forschungsvorhaben „Entwicklung einer Methode für einen selbst optimierenden Regler für Ziehkissensysteme“ wurde unter der Fördernummer AiF 15286BR 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. 301 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

Abkürzungsverzeichnis
1 Kurzfassung
2 Forschungsthema
3 Wissenschaftlich – technische und wirtschaftliche Problemstellung
3.1 Ausgangssituation
3.2 Stand der Technik bei Kissensteuerungen
3.3 Eigene Vorarbeiten
3.3.1 Einsatz hydraulischer Ziehkissen
3.3.2 Einsatz von Fuzzy-Modellen
4 Zielstellung, methodische Vorgehensweise
4.1 Projektziel
4.2 Methodische Vorgehensweise
4.2.1 Fuzzy-Konzept
4.2.2 Optimierungsstrategie
5 Ergebnisse
5.1 Festlegungen
5.1.1 Festlegung der Zielgrößen an Ziehkissen
5.1.2 Festlegung der systembeeinflussenden Eingangsparameter
5.2 Untersuchung der kausalen Zusammenhänge wesentlicher Einflussfaktoren am Ziehkissen
5.2.1 Aufbau eines Simulationsmodells eines hydraulischen Ziehkissens
5.2.2 Simulation des dynamischen Verhaltens des Ziehkissens
5.2.3 Anwendung mehrdimensionaler Kennfelder zur Systembeschreibung
5.3 Entwurf des Fuzzy Algorithmus
5.3.1 Erläuterung des Grundprinzips
5.3.2 Charakteristik des Optimierungsproblems
5.3.3 Modellentwurf für Fuzzy-Modelle
5.4 Untersuchungen mittels Simulationssystem
5.5 Experimentelle Untersuchungen
5.5.1 Zielstellung der experimentellen Untersuchung
5.5.2 Versuchtechnische Basis der experimentellen Untersuchungen
5.5.3 Softwareaufbau
5.5.4 Auswertung der experimentellen Untersuchungen
6 Nutzen und Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsthemas für kleine und mittlere Unternehmen
6.1 Voraussichtliche Nutzung der Forschungsergebnisse
6.2 Möglicher Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU
6.3 Aussagen zur industriellen Umsetzbarkeit
7 Transfer der angestrebten Forschungsergebnisse
8 Zusammenfassung
9 Literatur