Scherschneiden dünner Bleche unter Einsatz adaptiver Magnetaktorik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die gegenwärtige Technologie zum Schneiden dünner Bleche konzentriert sich hauptsächlich auf den Einsatz von Schnellläuferpressen mit festgelegten Weg-Zeit-Verläufen der Stößelbewegung. Basierend auf dem Einsatz von Hochleistungsmagneten als Alternative zu Linearmotoren wurde im Rahmen des ersten Förderzeitraums dieses Forschungsvorhabens ein neues Antriebskonzept entwickelt. Im beschriebenen zweiten Förderzeitraum wurde das Antriebskonzept auf einen mehrachsigen Stanzautomaten erweitert. Hierdurch ist es nicht nur möglich hochdynamisch den Schneidprozess zu beeinflussen, sondern auch die Stößelkippung aktiv auszuregeln. Das im ersten Förderzeitraum vorgestellte Konzept wurde im ersten Schritt weiter optimiert, wobei die eingesetzten Elektromagnete mit einem Zweispulenkonzept versehen wurden. Hierdurch wird die Regelung erleichtert und die Robustheit erhöht. Des Weiteren erfolgte die Entwicklung einer neuen Leistungselektronik, die zum einen über industrielle Bussysteme angesprochen werden kann und zum anderen die Umsetzung digitaler Reglerkonzepte ermöglicht. Die somit ermöglichte Überwachung von Prozessgrößen, wie Spulentemperatur, Spulenstrom und Zwischenkreisspannung, führen zu einem deutlich robusteren und sichereren Betrieb des Stanzautomaten. Konventionelle Werkzeugkonzepte sind meist für die hier geforderten Hubzahlen (>1000 Hub/min) nicht geeignet oder zu kostenintensiv. Daher wurde bei der Konzeption des Werkzeugs ein Niederhalterkonzept entwickelt, welches auf Grund der geringen Masse auch Hubzahlen von deutlich größer als 1000 Hub pro Minute keinen Schwingungen aufweist. Darüber hinaus lassen sich mit dem Schneidwerkzeug Untersuchungen bezüglich Schneidspalteinfluss durchführen und außermittige Kräfte in das System einleiten. Das entwickelte Vorschubkonzept ermöglicht dank eines idealen Drehmoment- zu Massenträgheitsverhältnis ebenfalls Hubzahlen von deutlich über 1000 Hub pro Minute. Hinsichtlich der Regelung des elektromagnetischen Stanzautomaten wurden drei Aspekte behandelt. Aufgrund des Schnittschlags und der plötzlichen Entspannung der Antriebskomponenten werden Schwingungen in das System eingeleitet, die die Prozessstabilität beeinträchtigen. Mit Hilfe am Werkzeug angebrachter Beschleunigungssensoren lassen sich diese Schwingungen messtechnisch erfassen und die Zustandsschätzung stützen. Ein erweitertes Beobachtermodell nutzt die zusätzlichen Messdaten für eine verbesserte Rekonstruktion der Systemzustände und führt diese dem Zustandsregler zu. Hierdurch werden die induzierten Schwingungen gemindert und insbesondere die Prozessstabilität erhöht. Ein weiterer Aspekt ist die aktive Stößelkompensation. Hierfür wurden zwei Regleralgorithmen umgesetzt und am Versuchsstand getestet. Während die Mehrgrößenregelung in der Simulation minimal zu besseren Ergebnissen führt, sind bei der praktischen Umsetzung keine Unterschiede zu einer Einzelachsregelung der vier Aktoren zu erkennen. Die Dynamik jedes einzelnen Aktors ist bereits hier voll ausgeschöpft. Ein wesentlicher Aspekt war die Untersuchung von lernenden Regelungen bezüglich ihrer Eignung und dem Einfluss auf die Schnittflächenqualität. Die durchgeführten Messungen zeigen, dass durch den Einsatz von lernenden Regelungen die Sollwertabweichungen deutlich verringert werden können und damit einhergehend auch die Schnittflächenqualität verbessert wird. Obwohl der Schneidprozess ein stark nichtlineares Verhalten aufweist, gelingt es, eine deutliche Fehler- und Schwingungsreduktion bereits nach 15 Hüben zu erreichen. Demzufolge sind höhere Hubzahlen (> 2400 Hüben pro Minute) bei verbesserte Schnittflächenqualität und geringerem Stempelverschleiß erreichbar. Erst durch die Anwendung von lernenden Regelungen lassen sich die Potentiale des elektromagnetischen Antriebs voll ausschöpfen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008). An Electromagnetically Actuated Punch for Cutting Micro-Components. pp. 103-109, Adaptronic Congress, Berlin
Dagen, M.; Heimann, B.
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(2008). Applying Iterative Learning Control for accuracy improvement of an electromagnetically actuated punch. H. Ulbrich, L. Ginzinger (Editors), Motion and Vibration Control, Selected Papers from MOVIC 2008, pp. 41-52
Dagen, M.; Abdellatif, H.; Heimann, B.
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(2008). Applying Iterative Learning Control for accuracy improvement of an electromagnetically actuated punch. Proc. of the 9th International Conference on Motion and Vibration Control (MOVIC), München
Dagen, M.; Abdellatif, H.; Heimann, B.
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(2008). Design and Control of an Electromagnetically Actuated Punch. Proc. of the 17th IFAC World Congress, pp. 857-862, Seoul, Korea
Dagen, M.; Heimann, B.; Javadi, M.; Behrens, B.-A.
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(2008). Scherschneiden mit elektromagnetischem Stanzautomat. wt Werkstattstechnik online (Nr. 98), pp. 825-830
Behrens, B.-A.; Javadi, N.; Heimann, B.; Dagen, M.
