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EFB-Forschungsbericht Nr. 291

Antriebs- und Prozessoptimierung hydraulischer Tiefziehpressen mit Hilfe der gekoppelten Simulation

EFB291.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Olaf Marthiens, Dipl.-Ing. Thorsten Matthias, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen IFUM, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Siegfried Helduser, Dipl.-Ing. Harald Lohse, Institut für Fluidtechnik IFD, Technische Universität Dresden

138 Seiten (sw 73 teils farbige Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-325-7

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 65,00

Zusammenfassung

Eine wirtschaftliche Umformprozessgestaltung mit hydraulischen Tiefziehpressen erfordert die optimale Rege-lung aller Antriebe. Die Ermittlung günstiger Reglereinstellungen geschieht heute üblicherweise experimentell, was mit erheblichem Zeitaufwand und eingeschränkter Maschinenverfügbarkeit verbunden ist. Ziel dieses For-schungsprojektes war es deshalb, eine automatische Parameteroptimierung der hydraulischen Antriebsregelkreise zu entwickeln, die zu einer Verkürzung von Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten führt und zur Optimierung von Umformprozessen genutzt werden kann.

Anhand eines gekoppelten Simulationsmodells von Umformprozess und Tiefziehpresse wurden Reglerstrukturen entwickelt und mit Praxisversuchen verifiziert. Das Maschinenmodell beinhaltete die Mechanik und die hydrauli-schen Antriebe. Die Abbildung des Umformprozesses erfolgte in einem FEM-Modell. Um die bestehenden Wechselwirkungen zwischen Maschine und Tiefziehprozess zu berücksichtigen, wurden beide Modelle mitein-ander gekoppelt und der Einfluss der Wechselwirkungen auf den Prozess untersucht.

Für das Parallelhaltesystem und den Ziehkissenantrieb der Beispielmaschine wurden Reglerparameter mit Hilfe von Einstellregeln ermittelt, die auf linearen Modellen basieren. Durch die Nutzung eines kommerziellen Opti-mierungstools in Verbindung mit dem nichtlinearen Maschinenmodell wurden die Reglerkennwerte anschließend numerisch optimiert. Die Bewertung der Reglergüte erfolgte über ein angepasstes, integrales Gütekriterium, das dem Bediener Einflussnahme auf die Bewertung der Genauigkeit im Vergleich zur Dynamik gestattet. Es zeigte sich, dass die Einstellregeln der linearen Regelungstechnik geeignete Startwerte liefern und die numerische Op-timierung die Reglergüte deutlich verbessern kann.

Die Erprobung der exakten Linearisierung als nichtlineare Regelungsstrategie für Pressenantriebe erfolgte bei-spielhaft für einen Stößelantrieb. Diese Methode zeigte beim dynamischen Verhalten Vorteile. Im Beispiel war die Laststeifigkeit gegenüber einem linearen Konzept, das als Referenz diente, jedoch geringer.

Das Forschungsvorhaben „Antriebs- und Prozessoptimierung hydraulischer Tiefziehpressen mit Hilfe der gekoppelten Simulation“ wurde unter der Fördernummer AiF 14485 BG 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. 291 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Charakteristik hydraulischer Tiefziehpressen
2.2 Entwicklungsstand der Maschinensimulation
2.3 Ansätze einer ganzheitlichen Simulation von Umformprozess und -maschine
2.4 Stand der Maschinensteuerung und -regelung
3 Zielsetzung und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.2 Lösungsweg
4 Vorstellung der Versuchsmaschine
5 Modellbildung für hydraulische Tiefziehpressen
5.1 Allgemeines Vorgehen
5.2 Aufstellung von Teilmodellen
5.2.1 Modellbildung für die Pressenmechanik
5.2.2 Modellbildung für den hydraulischen Stößelantrieb
5.2.3 Modellbildung für den hydraulischen Parallelhalteantrieb
5.2.4 Modellbildung für den hydraulischen Ziehkissenantrieb
5.3 Gesamtmodell der Maschine
5.4 Modellüberprüfung anhand von Messdaten
5.5 Vereinfachte Umformkraftannahme für die Maschinensimulation
6 Gekoppelte Simulation
6.1 Motivation
6.2 Praktische Umsetzung
6.3 Ausgewählte Simulationsergebnisse
6.4 Bewertung der gekoppelten Simulation
7 Parametrierung der Antriebsregler auf Basis linearer Modelle
7.1 Motivation
7.2 Prinzipelle Vorgehensweise bei der theoretischen Regelrauslegung
7.3 Reglerauslegung auf Basis linearer Modelle für das Parallelhaltesystem
7.3.1 Linearisierung des Modells und Ermittlung der Streckenparameter
7.3.2 Schließen des Regelkreises und Anwendung von Einstellregeln
7.3.3 Reglerbewertung im linearen Modell
7.3.4 Reglerbewertung in der nichtlinearen Maschinensimulation
7.4 Reglerauslegung auf Basis linearer Modelle für den Ziehkissenantrieb
7.4.1 Linearisierung des Modells und Ermittlung von Streckenparametern
7.4.2 Schließen des Regelkreises und Anwendung von Einstellregeln
7.4.3 Reglerbewertung im linearen Modell
7.4.4 Reglerbewertung in der nichtlinearen Maschinensimulation
8 Numerische Optimierung von Reglereinstellungen
8.1 Prinzipielle Vorgehensweise
8.2 Optimierung von Reglereinstellungen für das Parallelhaltesystem
8.3 Optimierung von Reglereinstellungen für den Ziehkissenantrieb
9 Untersuchungen zur nichtlinearen Regelung von Pressenantrieben
9.1 Entwicklung der Reglerstruktur für die exakte Ein-/Ausgangslinearisierung
9.2 Bewertung der exakten Ein-/Ausgangslinearisierung in der Simulation
10 Zusammenfassung und Ausblick
11 Anhang
11.1 Tabellen
11.2 Bilder
11.3 Berechnung der Solldrücke bei Druckregelung des Parallelhaltesystems
12 Literatur