Verbesserung der Dicken- und Breitentoleranz metallischer Bänder durch piezoelektrisch unterstützte Walzspaltregelung eines Tandemwalzwerks
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der vorrangegangenen Förderperiode wurde eine modellprädiktive Banddickenregelung entwickelt, um die Dickentoleranzen sehr schmaler (b0 > 20 mm) und dünner (h0 < 3 mm) metallischer Spaltbänder zu verbessern. Neben der elektromechanischen Walzenanstellung kamen unterstützend hochdynamische, piezoelektrische Aktoren zum Einsatz. Während der elektromechanische Spindeltrieb vor dem Walzprozess den Walzspalt vorspannte, konnte die piezoelektrische Aktorik während des Walzens die, durch Prozessstörungen hervorgerufenen Walzspaltänderungen kompensieren. Obwohl in dieser Förderphase Störungen aus einer sich ändernden Reibung und Festigkeit noch unberücksichtigt blieben, konnte die Banddickentoleranz, der im Handel erhältlichen Spaltbänder mit der höchsten Präzisionsklasse auf +/- 7 µm halbiert werden. Ziel der aktuellen Förderphase war, diese Banddickentoleranzen weiter zu verbessern, indem die niederfrequenten Störungen aus Reibung und Festigkeit durch eine Online-Modelladaption mitberücksichtigt werden. Darüber hinaus sollte die Regelung erweitert werden, um nicht nur eine Zieldicke, sondern auch eine Zielbreite einstellen zu können. Auf Grund der Tatsache, dass beim Flachwalzen mit einer Höhenabnahme stets auch eine Materialbreitung einhergeht, benötigte es für dieses Vorhaben, neben der Walzspaltanstellung, eine zusätzliche Stellgröße, um beim Walzen die Breite und Dicke unabhängig voneinander, innerhalb der gegebenen Toleranzspektren verändern zu können. Da der Walzenradius starken Einfluss auf die Breitung hat, wurde im Rahmen dieses Projektes die Möglichkeit untersucht, die Höhenabnahme auf zwei Walzgerüste mit unterschiedlichen Walzenradien aufzuteilen. Je mehr Breitung erwünscht ist, desto größer der Anteil, welcher das Gerüst mit den größeren Arbeitswalzen an der Gesamthöhenabnahme übernimmt. Um das Ziel zu erreichen, die Störungen aus der Bandfestigkeit sowie der Reibung in der Banddickenregelung zu berücksichtigen, wurde auf das Verfahren der Gauß-Prozess-Regression (GPR) zurückgegriffen. Durch die gemessenen Modellabweichungen bezüglich Walzkraft und auslaufender Banddicke konnte das in der Vorsteuerung hinterlegte Kennfeld adaptiert werden. Mit dieser zusätzlichen Berücksichtigung dieser Störungen, konnte bei über 90 % der Bandlänge die Dickentoleranz auf mindestens +/-1 µm reduziert werden. Um das Ziel einer zusätzlichen Breitenregelung zu erreichen, wurde zunächst ein Breitungsmodell auf Basis der Finite-Elemente-Methode entwickelt. Da die Breitenregelung größere Anstelländerungen erfordert, wurde die kombinierte Zustellung aus elektromechanischer Spindel und piezoelektrischer Aktorik erweitert, sodass beide Aktoren gleichzeitig verfahren werden können. Es hat sich gezeigt, dass trotz vorhandenen Bandzügen, die einzelnen Walzgerüste nur eine vernachlässigbare Kopplung untereinander erfahren. Deshalb wurde die Interaktion der Walzgerüste statt durch eine kombinierte Mehrgrößenregelung durch einen reinen Transportprozess beschrieben. Experimentelle Versuche zeigten, dass durch diese Regelung die Breitentoleranz bei über 80 % der Bandlänge von 48 µm auf 21 µm und damit mehr als halbiert werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of a Laser Triangulation Gauge for High Precision Strip Thickness Control, WGP Congress 2016, S. 107-114, 2018
S. Stockert, M. Wehr, J. Lohmar, G. Hirt, D. Abel
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Rapid Control Prototyping in Cold Rolling using Piezoelectric Actuators, IFAC-PapersOnLine, 49(31), 55-60, 2016
M. Wehr, S. Stockert, D. Abel, G. Hirt
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Assessment of Flat Rolling Theories for the Use in a Model-Based Controller for High-Precision Rolling Applications, Proceedings of the 20th International ESAFORM Conference on Metal Forming, Dublin, 2017
S. Stockert, M. Wehr, J. Lohmar, G. Hirt, D. Abel
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Hochpräzises Walzen durch Integration piezoelektrischer Stapelaktoren, Automation 2017, 18. Leitkongress der Mess- und Automatisierungstechnik, Baden- Baden, 88-99, 2017
M. Wehr, S. Stockert, D. Abel, G. Hirt
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Improving the thickness accuracy of cold rolled narrow strip by piezoelectric roll gap control at high rolling speed, CIRP Annals 67 (1), S. 313-316, 2018
S. Stockert, M. Wehr, J. Lohmar, G. Hirt, D. Abel
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Model Predictive Roll Gap Control in Cold rolling with Piezoelectric Actuators, Conference on Control Technology and Applications (CCTA), S. 1377-1382, 2018
M. Wehr, S. Stockert, D. Abel, G. Hirt
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Sliding Mode Control of Piezoelectric Stack Actuators for Roll Gap Adjustment in a Cold Rolling Mill, Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), S. 1207-1214, 2019
M. Wehr, S. Stockert, C. Ionescu, D. Abel, G. Hirt
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Verbesserung der Dickentoleranz beim Walzen durch Einsatz piezoelektrischer Aktuatoren, Aachener Stahlkolloquium, Verlaghaus Mainz, Aachen, S. 319-329, 2019
S. Stockert, G. Hirt, M. Wehr, D. Abel
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Model Predictive Control of an Overactuated Roll Gap with a Moving Manipulated Variable, American Control Conference (ACC), S. 1931-1936, 2020
M. Wehr, S. Schaetzler, D. Abel, G. Hirt
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Online Model Adaptation in Cold Rolling for Improvement of Thickness Precision, IFAC World Congress, S. 10507–10514, 2020
M. Wehr, D. Stenger, S. Schaetzler, R. Beyer, D. Abel, G. Hirt
