Roboterbasierte inkrementelle Blechumformung - Kompensation von Störgrößen bedingt durch die lokale Erwärmung und die Ungenauigkeit der Umformeinrichtung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die inkrementelle Blechumformung (IBU) stellt ein flexibles, werkstückunabhängiges Verfahren für die Herstellung von Blechbauteilen in kleinen Stückzahlen dar. Eine breite technologische Anwendung im Bereich der Umformung asymmetrischer Bauteile hat jedoch vor allem aufgrund der derzeitigen erreichbaren Geometriegenauigkeit bisher nicht stattgefunden. Die am Lehrstuhl für Produktionssysteme erfolgreich vorangegangen Forschungsprojekte zeigen, dass die roboterbasierte IBU insbesondere für den Prototypenbau industrielle Potentiale aufweist. Vor allem durch die Umformung bei erhöhter Temperatur konnten die Geometrieabweichungen deutlich reduziert werden. Dennoch wird die geometrische Genauigkeit des Prozesses durch verschiedene Faktoren eingeschränkt. Infolge der Umformkräfte und der geringen Steifigkeiten kommt es zu einer Abdrängung der Industrieroboter während des Umformprozesses. Dies wird durch die Kraftregelung des Gegenhaltewerkzeugs verstärkt, wodurch eine Druckspannungsüberlagerung in den Umformprozess eingebracht wird. Da Kraftregelung und Steifigkeitskompensation in entgegengesetzte Richtungen wirken, kann dies zu einer ungewünschten Oszillation des Systems führen. Darüber hinaus führt die Abkühlung bei der Umformung mit erhöhter Temperatur zu einem Schrumpfen des Bauteils. Zur Reduzierung dieser Störgrößen und Steigerung der geometrischen Genauigkeit wurden innerhalb des Forschungsprojektes die folgenden Themenschwerpunkte bearbeitet: - Entwicklung einer echtzeitfähigen Prozessregelun, - Implementierung einer koordinierten Steifigkeitskompensation und Kraftregelun, - Analyse und Kompensation des Schrumpfungsverhaltens infolge der lokalen Erwärmun. Die echtzeitfähige Prozessregelung wurde durch die Kombination von Simulink Desktop Real-Time und KUKA RobotSensorInterface umgesetzt. Zur Integration der Steifigkeitskompensation wurden die Gelenksteifigkeiten der verwendeten Industrieroboter vermessen. Hierzu wurden die lastabhängigen Gelenkabdrängungen in drei Raumrichtung mit einem optischen Koordinatenmesssystem aufgezeichnet. Anhand der Messwerte wurde ein echtzeitfähiges, physikalisches Mehrkörpermodell der Industrieroboter aufgestellt und experimentell validiert, welches die Berechnung und Kompensation der Werkzeugabdrängung infolge der während des Umformprozesses gemessenen Prozesskräfte erlaubt. Die nachfolgend entwickelte Kraftregelung berücksichtigt die Ergebnisse des physikalischen Mehrkörpermodells und hat einen konstanten Abstand der beiden Werkzeuge als Zielgröße, wodurch ein Aufschwingen infolge der Steifigkeitskompensation verhindert wird. Der Zielwerkzeugabstand wird anhand des Fehlers der anliegenden Gegenhaltekraft inkrementell angepasst. In den Ergebnissen der Validierungsversuche konnte die hohe Qualität der Kraftregelung nachgewiesen werden. Für sie Sicherstellung einer konstanten Gegenhaltekraft bei schnellen Richtungswechseln ist jedoch die zukünftige Berücksichtigung der Roboterdynamik von Nöten. Zur Analyse des erwärmungsbedingten Schrumpfungsverhaltens wurde eine systematische Versuchsreihe, bestehend aus 54 Umformexperimenten, durchgeführt, in der jeweils die geometrische Genauigkeit eines jeden Bahnpunkts durch einen Weißlichtstreifenprojektor gemessen wurde. Zusätzlich wurden Umformparameter, bspw. die Temperatur, aufgenommen und daraus eine Datenbank bestehend aus 408.296 Parametersätzen gebildet, welche jeweils einen Werkzeugbahnpunkt der Versuche repräsentieren. Anschließend wurden 19 verschiedene Regressionsanalysen mit der geometrischen Genauigkeit als Zielgröße durchgeführt, wobei die exponentielle Gaußregression die beste Vorhersage der Geometriegenauigkeit erzielt hat. Anhand dieser Vorhersage wurde die Bahnplanung erweitert, um die erwärmungsbedingten Abweichungen zu kompensieren. Anschließend wurde die Steigerung der Umformgenauigkeit experimentell validiert, indem die Bauteile, welche zum Aufbau der Datenbank genutzt wurden, mit der optimierten Bahnplanung umgeformt wurden. Darüber hinaus konnte die Übertragbarkeit des Ansatzes durch Validierungsexperimente mit anderen Bauteilen aufgezeigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2020): Kompensation von erwärmungsbedingten Bauteilabweichungen in der lokal erwärmten, roboterbasierten inkrementellen Blechumformung, Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Produktionssysteme, Dissertation
Thyssen, L.
- (2020): Regression-based compensation of part inaccuracies in incremental sheet forming at elevated temperatures, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 109, pp. 1917-1928
Möllensiep, D.; Kulessa, P.; Thyssen, L.; Kuhlenkötter, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00170-020-05625-y)
