Regelungskonzepte für eine Umformmaschine auf Basis einer Parallelstruktur und simulative Ermittlung von prozeßgerechten Maschinenparametern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Schwerpunktprogramms wurde die Anwendung von Parallelkinematiken auf Umformprozesse untersucht. Dies erfolgte aus dem Blickwinkel des Werkzeugmaschinenbaus und aus dem Blickwinkel der Umformtechnik. Im ersten Antragszeitraum wurden mit Hilfe von Simulationen Anforderungen ermittelt, die Eignung einer Hexapod-Kinematik untersucht und die Konstruktion einer Versuchsanlage vorgenommen. Im zweiten Antragszeitraum wurden dynamische Modellierung und Regelungskonzepte entwickelt sowie Modelle und Simulationen zur Umformung und Bahnplanung erstellt. Im dritten Antragszeitraum wurden kombinierte Simulationen aus Maschinendynamik und Umformung durchgeführt, die Aussagen über Eigenschaften des flexiblen Fressens zulassen. In diesen Zeitraum fallen außerdem Erweiterungskonstruktionen sowie der Aufbau der flexiblen Presse, der durch ein parallel laufendes HBFG-Verfahren finanziert wurde. Im vierten, das Schwerpunktprogramm abschließenden, Förderungszeitraum stand die experimentelle Bewertung der erarbeiteten Ergebnisse und Untersuchungen zur Blechumformung mit der flexiblen Presse im Mittelpunkt. Zunächst wurde die Absolutgenauigkeit der flexiblen Presse untersucht und optimiert, wobei Steigerungen um mindestens den Faktor 10 erreicht wurden. Die vorab in Simulationen untersuchten Regelungskonzepte und ein neu hergeleiteter Ansatz wurden implementiert und getestet. Damit wurden die Entwicklungen aus den simulativen Voruntersuchungen bestätigt und an die Anforderungen der realen Applikation angepasst sowie die grundsätzliche Einsatztauglichkeit der flexiblen Presse demonstriert und eine Basis für weitere Untersuchungen der dynamischen Eigenschaften geschaffen. In Konkurrenz dazu wurde der Aufwand für die Anwendung von Fuzzy-Control auf die flexible Presse untersucht. Dafür wurde ein fuzzy-adaptives lineares Regelungskonzept hergeleitet und implementiert. Es konnten gute dynamische Eigenschaften erreicht werden. Bei der experimentellen Massivumformung konnte anhand von Beispielprozessen die Möglichkeiten der Flexibilisierung demonstriert werden, die das Prinzip einer flexiblen Presse für Umformaufgaben eröffnen. Die hydraulische Parallelkinematik ist in der Lage, an frei wählbaren Positionen im mehr als 100 x 100x250 mm3 großen Arbeitsraum Umformkräfte in frei definierbare Richtungen aufzubringen. Dabei kann das Werkzeug in weiten Grenzen frei orientiert werden, wodurch komplexe Umformaufgaben in bisher nicht verfügbarer Flexibilität ausgeführt werden können. Dies bedeutet eine Neuerung in der Umformtechnik, die neue Anwendungsmöglichkeiten für Produkte mit speziellen Anforderungen erschließt. Weiterhin wurde die Eignung der flexiblen Presse zur Blechumformung aufgezeigt. Dabei wurden Untersuchungen zur Bahnplanung bei der Blechumformung angestellt und ein Bahnplaner speziell zur Blechumformung entwickelt. Für den geplanten Blechumformprozess wurden numerische Untersuchungen mit Hilfe der Finite-Element-Methode (FEM) durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass durch den Umformprozess kein Versagen des Bauteils auftritt. Für die Umsetzung der Blechumformprozesse wurden Anforderungen an Umformwerkzeuge und Matrizen untersucht. Daraus ging ein exemplarisches Umformwerkzeug hervor, das in den experimentellen Untersuchungen der Blechumformung seine Anwendung fand. Die Versuche zur Blechumformung führten diese Vorarbeiten in der Praxis zusammen. Es konnte demonstriert werden, dass die flexible Presse hohes Potential bei der Blechumformung besitzt. Speziell bei kleinen Ausformungen oder Hinterschnitten, die mit konventionellen Umformprozessen nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind, erweitert die flexible Presse das Spektrum der Umformprozesse ganz beträchtlich. Der erzielte Fortschritt lässt sich durch Gegenüberstellung der gewonnenen Ergebnisse mit dem Leitgedanken dieses Förderungszeitraumes, die Ergebnisse aus Simulationen des flexiblen Umformens praktisch zu verifizieren, festhalten: Die durchgeführten Simulationen formulierten hohe Erwartungen an die Leistungsfähigkeit der Maschine und die experimentellen Ergebnisse. An den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass diese Erwartungen voll erfüllt wurden. Die Simulationen erwiesen sich im Rahmen der Prognose-Unsicherheit als passendes Werkzeug zur Analyse von parallelkinematischen Umformmaschinen und Prozessen. Nachdem mit Simulationen und einem Versuchsträger die Grundlagen des flexiblen Umformens erarbeitet wurden, bieten sich eine Reihe von daran ansetzenden Thematiken: Im Bereich der Regelungstechnik ist eine Verbesserung der Prozesskraftregelung anzustreben, die einhergeht mit der Entwicklung einer neuen Kontaktkraftschätzung. Diese und andere Verbesserungen in der Regelung und Steuerung der flexiblen Presse lassen Steigerungen der Prozessdynamik erwarten und würden sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit auswirken. Um einer industriellen Anwendung technologisch näher zu kommen, ist es notwendig, vom verwendeten Modellwerkstoff Blei auf typische Werkstoffe der Umformtechnik umzusteigen. Dafür werden Untersuchungen über die Eignung des vorhandenen Versuchsträgers notwendig, beispielsweise müssen die Auswirkungen der deutlich höheren Umformkräfte auf die flexible Presse und die Veränderung der zulässigen Werkstückabmessungen und Prozessparameter untersucht werden. Im Bereich der Blechumformung sollten hoch- und höherfeste Werkstoffe Bestandteil der Untersuchungen sein. Bei positiven Ergebnissen ist es denkbar, die flexible Presse zum definierten Einbringen von Nebenformelementen in z.B. sicherheitsrelevante Strukturbauteile zu nutzen. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass das große Bewegungsspektrum der Parallelkinematik sich gut für die Herstellung von Prototypenbauteilen oder Kleinserien eignet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Maschinennahe Steuerungsfunktionen für Parallelroboter. Tagungsbericht: 2. Chemnitzer Parallelkinematik-Seminar, Chemnitz, 2000, S. 221-240
Hesselbach, J.; Kusiek, A.
- Entwicklung einer flexiblen Umformmaschine für inkrementelle Umformverfahren. Zeitschrift: UTF Science, Ausgabe II 2002,5.17-22
Hesselbach, J.; Becker, O.; Doege, E.; Baumgarten, J.; Cobzas, A.
- Kraftregelungsverfahren für hydraulisch angetriebene nichtkartesische Fertigungsmaschinen. Dissertation, TU Braunschweig, Vulkan-Verlag Essen, 2003
Becker, O.
- Open Architecture Robot Control Based on Matlab/Simulink and a dSPACE Real Time System. Tagungsbericht: Sensors and Controls for Intelligent Manufacturing III, SPIE Providence, USA, 2003
Heuer, K.; Pokar, G.; Hesselbach, J.
- Robust Joint-Space Control of 6-DOF Parallel Robots with Hydraulic Actuators. Tagungsbericht: 12th International Workshop on Robotics in Alpe- Adria-Danube Region, Cassino, Italien, 2003
Becker, O.; Pietsch, I.; Hesselbach, J.
- Robust Task-Space Control of Hydraulic Robots. Tagungsbericht: IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, 2003, S. 4360-4365
Becker, O.; Pietsch, I.; Hesselbach, J.
- Hexapoden für die flexible Umformung - Aufbau und Inbetriebnahme einer flexiblen Umformmaschine. Werkstattstechnik online, Springer-VDI-Verlag, Düsseldorf, 2005, Ausgabe 10-2005, S. 793-797
Hesselbach, J.; Rathmann, S.
- Aufgabenangepasste Optimierung von Parallelstrukturen für Maschinen in der Produktionstechnik. Dissertation, TU Braunschweig, Vulkan-Verlag Essen, 2006
Krefft, M.
- Flexible Forming with Hexapods. Production Engineering, ISSN: 1863-7353 (Online), Springer Verlag 2007
Hesselbach, J.; Behrens, B.-A.; Dietrich, F.; Rathmann, S.; Poelmeyer, J.
