EP3463840A1 - Verfahren zum pressen eines werkstückes mit einer vorbestimmten presskraft - Google Patents

Verfahren zum pressen eines werkstückes mit einer vorbestimmten presskraft

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EP3463840A1
EP3463840A1 EP17739846.8A EP17739846A EP3463840A1 EP 3463840 A1 EP3463840 A1 EP 3463840A1 EP 17739846 A EP17739846 A EP 17739846A EP 3463840 A1 EP3463840 A1 EP 3463840A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric motor
pressing force
force
predetermined
forming tool
Prior art date
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Granted
Application number
EP17739846.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3463840B1 (de
Inventor
Matthias Brunner
Tobias Glück
August GRÜNDL
Andreas Kugi
Josef Meingassner
Michael Pauditz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stiwa Holding GmbH
Original Assignee
Stiwa Holding GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Stiwa Holding GmbH filed Critical Stiwa Holding GmbH
Publication of EP3463840A1 publication Critical patent/EP3463840A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3463840B1 publication Critical patent/EP3463840B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/14—Control arrangements for mechanically-driven presses
    • B30B15/148—Electrical control arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B1/00—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen
    • B30B1/18—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by screw means
    • B30B1/181—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by screw means the screw being directly driven by an electric motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/14—Control arrangements for mechanically-driven presses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/16—Control arrangements for fluid-driven presses
    • B30B15/18—Control arrangements for fluid-driven presses controlling the reciprocating motion of the ram
    • B30B15/186—Controlling the return movement of the ram, e.g. decompression valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/26—Program-control arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for pressing a workpiece with a predetermined pressing force.
  • the object of the present invention was to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a method which has an increased process speed while at the same time maintaining process accuracy.
  • a method for pressing a workpiece with a predetermined pressing force by means of a forming tool, which is coupled via a screw with an electric motor is provided.
  • a screw drive converts the rotational movement of a drive shaft of the electric motor into a translatory movement of the forming tool.
  • the electric motor is controlled by a control. The method comprises the following method steps:
  • An advantage of the method according to the invention lies in the fact that the method is divided into a very wide variety of method steps, with the electric motor having a different speed in the individual method steps. By this measure it is achieved that the pressing time can be shortened as possible and at the same time the required pressing force can be achieved as accurately as possible.
  • the electric motor in a predetermined maximum speed as fast as possible deliver the forming tool is guaranteed.
  • the forming tool is moved in the direction of the workpiece, taking care that the forming tool is moved freely toward the workpiece and the forming tool is not yet applied to the workpiece. Only in the subsequent process step in which the electric motor is operated at reduced speed is provided that the forming tool comes to rest on the workpiece to be machined.
  • a spindle drive it is also possible to use another means which is suitable for converting the rotational movement of the electric motor into a translatory movement of the shaping tool.
  • the predetermined position of the forming tool can be detected, for example, by means of a linear measuring unit.
  • the torque increase in the electric motor can be detected, for example, by detecting the motor current in the electric motor.
  • the electric motor is braked to a predetermined minimum speed.
  • the advantage here is that by braking the electric motor to minimum speed excessive pressing and thus the handing over of the pressing force can be prevented.
  • the electric motor is operated at minimum speed for a predetermined or predeterminable period of time until oscillations, which occur in the drive system due to the deceleration process from the reduced rotational speed to the minimum rotational speed, have largely disappeared.
  • the advantage here is that can be achieved by operating the electric motor in the minimum speed in a predetermined period of time that the drive system can swing out and thus there is no distortion of the measured pressing force on the measuring unit. In extreme cases, it may be necessary to select a complete standstill as the minimum speed.
  • the oscillations that have to die out are due to the mass inertia or the inertial forces of the individual components in the drive system and due to the abrupt deceleration maneuver.
  • the control of the electric motor is predetermined by the control on the basis of the pressing force measured in the measuring unit. After expiration of this predetermined time period in which the sensor signal is corrupted, it is possible to switch over to pressing force control in order to be able to achieve the required pressing force.
  • the reduced rotational speed is between 0.1 and 100%, in particular between 0.5% and 99%, preferably between 50% and 80% of the maximum rotational speed.
  • the further control of the electric motor is predetermined by the control based on the pressing force, wherein after the detection of the press force increase, the electric motor is decelerated to a predetermined minimum speed and in an initial period during the Abbremsvorganges the force detected in the measuring unit pressing force is superimposed by a based on a model calculation press force and after the initial period, the force detected by the measuring unit press force serves as input to the control.
  • This alternative variant has the advantage that the process time can be further shortened and optimized.
  • the inertia and / or spring stiffness and / or damping and the angular or linear accelerations of the individual strlid built components is taken into account.
  • the advantage here is that based on these values or on the basis of these state variables, the dynamic behavior of the drive train can be accurately calculated and thus a distortion of the measured pressing force during braking or when accelerating the electric motor can be compensated.
  • the model calculation is adjusted on the basis of the respective previous cycles in an iterative learning process, wherein used to adapt the model calculation of the time course of the measured value of the torque in the measuring unit, and the engine torque and the associated rotation angle of the drive shaft in the electric motor becomes.
  • the advantage here is that the drive method can be adjusted and improved during operation, which on the one hand, the accuracy can be increased to achieve the pressing force and beyond the process time can be further reduced.
  • a disturbance observer in particular a Kalman filter
  • a Kalman filter is used for the model calculation, which is also regulated in the first step and only superimposed on the force detected in the measuring unit at a certain point in time.
  • the advantage here is that such a disturbance observer can estimate the actually applied actual force on the basis of the manipulated variable and the sensor signals and the estimated external force can be specified to the control, whereby the accuracy in achieving the predetermined pressing force can be improved.
  • It may also be provided to extend the control loop by a feedforward control for force and / or inertia compensation, should the dynamics of the lower-level controllers not be sufficient.
  • the pilot controls can be derived from the mathematical models. It may be sufficient to use a much simpler model, such as a rigid rigid body system, which only considers moment of inertia and no dynamic elements. Alternatively, a dynamic system as described in this document may be used for mathematical modeling.
  • a piezoelectric sensor is used as the measuring unit, which is arranged to detect the pressing force in the region of the forming tool.
  • the advantage here is that a piezo sensor on the one hand has a high accuracy and also has a very fast response.
  • Press force value is specified, the speed of rotation is calculated in a feedforward control from the setpoint trajectory of the pressing force value. If a disturbance observer is used, the actual force can be estimated. By fading to this estimated force, noise can be faded out.
  • the press force value is estimated by means of a disturbance observer and that in a second phase after the detection of the press force increase, the press force is detected directly by the measuring unit and serves as input for the control.
  • the press force value is specified by means of the disturbance observer, vibrations or disturbances in the system can be filtered, so that no settling occurs in the control. After the vibrations have subsided, the torque actually measured at the measuring unit can then serve as the input value for the control.
  • the transition between different speeds of the individual process steps is specified such that no sudden increases in the Acceleration occur. By avoiding sudden increases in acceleration, the jolt that acts on the individual components of the press can be reduced and thereby the longevity of the press can be increased.
  • the maximum speed to which the electric motor is accelerated need not necessarily correspond to the maximum possible speed of the electric motor. Rather, it is also possible that the maximum speed results from the process parameters and is a calculated value.
  • the predetermined maximum speed can vary from one pressing process to the next.
  • a low-pass filter of the third order of the form R F (s) is selected as the regulator.
  • controller parameters can be set by means of a loop-shaping method.
  • the threshold value of the pressing force or of the torque which is detected may be a predetermined or individually definable absolute value of the pressing force, for example in N, or the torque, for example in Nm.
  • an absolute value of the pressing force or the torque is not specified as a threshold, but that as a threshold value a predetermined or individually specifiable press force increase per travel of the forming tool (wherein the travel can be measured directly on the forming tool, or can be calculated over the number of revolutions of the drive motor) or torque increase per rotation angle unit of the motor is specified.
  • the threshold value of the press force increase can be defined approximately in N per mm travel or in N per ° rotation angle of the electric motor.
  • the threshold value of the torque increase can be defined approximately in Nm per ° rotation angle.
  • the threshold value is a maximum change in the press force increase per travel path of the forming tool (wherein the Travel can be measured directly on the forming tool, or can be calculated on the number of revolutions of the drive motor) or the torque increase per rotation angle unit of the motor is specified.
  • the maximum change in the press force increase per rotation angle unit can be calculated, for example, by the first derivation of the function of the press force increase per travel path unit of the forming tool.
  • This threshold value of the change in the torque increase can be defined approximately in .DELTA. ⁇ per ⁇ mm travel.
  • the maximum change of the torque increase per rotation angle unit can be calculated, for example, by the first derivative of the function of the torque increase per rotation angle unit of the motor.
  • This threshold value of the change in the torque increase can be defined approximately in ANm per A ° rotation angle.
  • a regulation in the sense of this document can be understood as meaning a two-degree-of-degree force control with underlying engine control, wherein a control circuit with this control can also have additional pilot controls.
  • a Drehiereverl is calculated on the basis of the load characteristic and a desired setpoint trajectory for the external pressing force. This speed starts at the reduced speed and is transferred to standstill. This speed profile ensures that the external pressing force follows the desired setpoint trajectory sufficiently well. As a result, it is possible to compensate for the permanent control deviation with a linear controller RF. If a disturbance observer is used, the estimated signal is controlled and, at the end of the trajectory, blended to the measurement signal. If the disturbance observer is not present because the quality of the measurement signal is sufficiently good, then the measurement signal is controlled directly and thus no cross-fading is performed.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a possible construction of a press
  • FIG. 2 is a flow chart of a first control strategy for pressing a workpiece
  • Fig. 3 is a structural diagram of the mechanical model of the press
  • 5 is a structural diagram of a control circuit for the force control; 6 shows an exemplary controlled system of a force control;
  • FIG. 7 is a flow chart of another control strategy for pressing a workpiece
  • FIG. 8 is a structural diagram of a control circuit with disturbance observer and load precontrol, force precontrol and inertia compensation
  • FIG. 8 is a structural diagram of a control circuit with disturbance observer and load precontrol, force precontrol and inertia compensation
  • FIG. 9 shows a structural circuit diagram of a control loop with disturbance observer and force precontrol as well as inertia compensation
  • 10 is a structural diagram of a control loop with Stördorfnbeobachter and force precontrol
  • 11 is a structural diagram of a control loop with Störuccnbeobachter and Lastvor- control and force precontrol;
  • 12 is a structural diagram of a control circuit with load precontrol, force precontrol and inertia compensation
  • 13 is a structural diagram of a control circuit with force precontrol and inertia compensation
  • the process press 1 shows a schematic representation of a process press 1.
  • the process press 1 comprises an electric motor 2, and a forming tool 3 coupled to the electric motor 2.
  • the forming tool 3 can act on a workpiece 4 in order to be able to deform it.
  • Such deformation may be, for example, an embossment.
  • the workpiece 4 is bent for example by means of the forming tool 3.
  • the forming process of the workpiece 4 can be automated.
  • the forming tool 3 can have a wide variety of shapes.
  • the electric motor 2 is designed as a servomotor.
  • a servomotor may be, for example, a synchronous motor.
  • the electric motor 2 is connected to a controller 5.
  • a frequency converter is formed, which cooperates with the electric motor 2 and predetermines the rotational speed of the electric motor 2.
  • a spindle drive 6 is coupled to the electric motor 2.
  • a spindle drive 6 may be formed, for example, as a screw, preferably as a ball screw.
  • a ball screw has the advantage that it has a low clearance. As a result, a high accuracy of the process press 1 can be achieved.
  • the rotational movement of the electric motor 2 can be converted into a translational movement of the forming tool 3.
  • a gearbox 7 is arranged between the spindle drive 6 and the electric motor 2, by means of which the speed of the drive shaft 8 of the electric motor 2 can be reduced.
  • a drive gear 7 is provided in the drive, then a spindle 9 of the spindle drive 6 is coupled to a transmission output shaft 10 arranged at the transmission output shaft 11 and has the same rotational speed as this.
  • the spindle 9 of the spindle drive 6 is coupled to the drive shaft 8 of the electric motor 2 and has the same rotational speed as this.
  • a measuring unit 12 is arranged, which is designed to detect the voltage applied to the forming tool 3 pressing force.
  • the measuring unit 12 can be designed in particular as a force sensor or as a load cell.
  • the measuring unit 12 is designed as a piezoelectric sensor.
  • the measuring unit 12 is coupled to the controller 5.
  • a coupling 13 is provided for connecting the electric motor 2 and the transmission 6 or for connecting the transmission 7 and the spindle drive 6.
  • the clutches 13 are used in particular for torque transmission between the individual components and are therefore arranged between the individual components.
  • the spindle 9 of the spindle drive 6 is mounted on a bearing 14, which serves for receiving the introduced into the spindle 9 axial forces and radial forces.
  • the spindle drive 6 comprises a threaded nut 15, which is coupled to the spindle 9 and converts the rotational movement of the spindle 9 into a translatory movement of the threaded nut 15.
  • a carriage 16 may be coupled, which can serve to receive the forming tool 3.
  • the measuring unit 12 is arranged between carriage 16 and forming tool 3. In an embodiment variant, not shown, it can be provided that the measuring unit 12 is integrated in the carriage 16.
  • the forming tool 3 is detachably coupled to the carriage 16. It can thereby be achieved that different forming tools 3 can be coupled to the carriage 16 for different application requirements.
  • the carriage 16 is guided on a guide rail 17.
  • the forming tool 3 is moved by means of the spindle drive 6 on the workpiece 4, wherein the spindle drive 6 is driven by the electric motor 2.
  • the forming tool 3 is thereby moved freely onto the workpiece 4, care being taken that the forming tool 3 does not touch the workpiece 4. In other words, one can also speak of a delivery process.
  • the pressing process is divided into two stages.
  • the first stage is a delivery process in which the forming tool 3 is moved freely onto the workpiece 4 without, however, touching it.
  • the second stage is a forming stage in which the pressing surface 18 of the forming tool 3 bears against the workpiece 4 and deforms the workpiece 4 by means of the forming tool 3 is, wherein on the drive shaft 8 of the electric motor 2, an increased torque must be applied.
  • the electric motor 2 is superimposed on speed, until a predefined pressing force is exceeded or the impact of the forming tool 3 on the workpiece 4 is detected by means of a gradient method.
  • a predefined pressing force can be set by means of a cascaded two-degree of freedom control. This cascaded control consists of an internal speed control, a superimposed torque control or force control and a corresponding model-based feedforward control.
  • the model-based feedforward control compensates for the occurring pressing force due to the load and the inertia of the drive. If the mechanical coupling between the electric motor 2 and the forming tool 3 is sufficiently rigid, then the pressing force detected at the measuring unit 12 can be used as a direct feedback variable for the torque regulation or force regulation.
  • the difficulty with the control is to keep the process speed high and the press force within predetermined limits. If an ideal, trouble-free route is assumed, a motor speed can be found running, which makes it possible to set a desired pressing force. In the real application, however, occurring interference and measurement noise in the measurement unit 12 is to be expected.
  • the aim of the control is to regulate the actual pressing force on the forming tool so that it reaches a defined value, also referred to as a predetermined pressing force.
  • the actual force applied to the forming tool 3 pressing force is to be measured by means of the measuring unit 12 and serve as a feedback variable in the scheme.
  • the pressing force measured in the measuring unit 12 only corresponds to the pressing force actually applied to the forming tool 3 when the forming tool 3 is not being accelerated or decelerated and therefore no dynamic effects due to the inertia of the individual components occur.
  • the pressing force actually applied to the forming tool 3 can be accurately measured by the measuring unit 12 when the forming tool 3 is stationary or moving at a constant forward speed, this condition also having to last for a certain period of time, so that vibrations have already subsided are.
  • FIG. 2 shows a flowchart of a schematic sequence of a first control strategy for pressing the workpiece 4.
  • step 1 the drive shaft 8 of the electric motor 2 is accelerated to maximum speed.
  • a specific time profile of the angular velocity or a certain acceleration ramp can be predetermined on the basis of which the electric motor 2 is accelerated.
  • the query A is queried whether the drive shaft 8 of the electric motor 2 has already completed a predetermined number of spindle revolutions, or, consequently, how far the forming tool 3 has already been moved by means of the spindle drive 6 in its linear movement.
  • the electric motor 2 is operated at maximum speed until reaching the predetermined number of spindle rotations or reaching the predetermined feed path of the forming tool 3 in the query A to fulfill the condition.
  • the number of spindle revolutions which serves as a trigger for switching to method step 2 is selected as high as possible, but chosen so low that it is possible in all possible cases due to the tolerances that the pressing surface 18 of the forming tool 3 not during this process step on the workpiece 4 comes to the concern.
  • the pressing force measured at measuring unit 12 is not interrogated or at least not included in the motor control.
  • the electric motor 2 is operated at reduced speed.
  • the reduced speed serves to ensure that sufficient time remains in the detection of a press force increase in the measuring unit 12 in order to reduce the engine speed or to switch to a force control.
  • the speed of rotation in the reduced speed depends on how fast the electric motor 2 can be braked and which traverse path the forming tool 3 can continue to move after being placed on the workpiece 4. This maximum travel is also called offset. For example, if the intended press-in depth is very large, the reduced speed may have a high value and, for example, be approximately the same size as the maximum speed.
  • the transition from maximum speed to reduced speed can also be carried out according to a predetermined time profile of the angular velocity.
  • the measuring unit 12 is activated in order to be able to detect when the pressing surface 18 of the forming tool 3 comes into contact with the workpiece 4, which causes a sudden increase in the pressing force detected in the measuring unit 12 comes.
  • Query B determines whether the pressing force detected in the measuring unit 12 has reached a certain predefined threshold value and when the threshold value is reached, the method step 3 is initiated.
  • a force control as shown in the structural diagram of the control circuit in FIG. 5 with the controlled system in FIG. 6, is activated.
  • the force control the electric motor 2 is controlled such that the predetermined pressing force is achieved.
  • the input variable of the model represents the engine torque M m , which counteracts the friction torque Mrm of the drive.
  • the motor moment of inertia is determined by ö m .
  • the clutch 13 is modeled as a linear spring-mass-damper element. This is characterized by the spring constant Ck, the damping constant dk and the moment of inertia 6 k , wherein the moment of inertia on the input or output side is taken into account in each case half.
  • the moment after the clutch 13, which acts as the drive torque of the spindle 9, is designated M sp .
  • the friction losses are taken into account with the torque M rs .
  • the ball screw transforms the rotational movement of the spindle 9 in a translational movement of the carriage 16.
  • the gear ratio of this transformation is denoted by i g .
  • the measuring unit 12, which connects the carriage 16 with the mass rai and the forming tool 3 with the mass im, is modeled with a linear spring-damper model with the spring constant c s and the damping constant d s .
  • the position of the carriage 16 is indicated by si and the position of the forming tool 3 by s 2 .
  • the transformed spindle torque causes the force F a , which acts on the carriage 16.
  • the force F s indicates the measured value of the measuring unit 12 and Fext the external force occurring during pressing.
  • the exemplary profile of the external force can be determined by a test.
  • This exemplary course is also referred to as a load characteristic.
  • the load model of the specific applications becomes empirical determined.
  • the aim is to metrologically record a characteristic curve that indicates the relationship between the external force Fext and the position of the forming tool 3 s 2 .
  • the forming tool 3 at a constant speed, according to the application, so far moved to the workpiece 4 until a defined limit force is reached.
  • the characteristic is divided into two areas.
  • Fig. 5 shows a structural diagram of a control circuit for the force control, wherein the force controller is designed for the forming stage and is active in this.
  • the curve of the pressing force has a very steep rise.
  • the pressing force increases steeply with only slight movement of the forming tool 3. Therefore, it may be necessary for the forming die 3 to be brought to a standstill within a short distance to reach a predetermined value of the pressing force. Due to the inertia of the system or due to the inertia of a conventional control of the electric motor 2, it may happen that the dynamics of the subordinate speed controller of the electric motor 2 is not sufficient for this braking maneuver. To circumvent this problem, not only a force precontrol but also a
  • the cutoff frequency a> FG and the gain k FP are adjusted in such a way that a stable behavior for the closed control loop is established.
  • the controller parameters can be adjusted using a loop-shaping method.
  • FIG. 7 shows a flow chart of a schematic sequence of a further control strategy for pressing the workpiece 4, the first two method steps being the same as in the flowchart according to FIG. 2.
  • the electric motor 2 is operated at a minimum speed.
  • the minimum speed may vary from process to process and is dictated by the current process parameters. In extreme cases, it may even be necessary for the minimum speed to be zero or approximately zero.
  • the braking of reduced Speed in minimum speed should go as quickly as possible or abruptly within the framework of the strength values of the process press 1.
  • the electric motor 2 is operated at minimum speed until the vibrations occurring in the drive due to the abrupt deceleration maneuver have elapsed strnature. For this purpose, a precalculated time duration for the decay of the oscillations is interrogated in query C.
  • the time required for decaying the oscillations is not calculated on the basis of a model, but that it is adapted in an iterative method or that the decay of the oscillations by detecting the engine torque in the electric motor 2 in comparison with the measured Torque in the measuring unit 12 is detected.
  • a force control as shown in the structural diagram of the control loop in FIG. 4 or in the controlled system in FIG. 5, is activated.
  • the force control By means of the force control, the electric motor 2 is controlled such that the predetermined pressing force is achieved.
  • FIGS. 8 to 14 Various structural diagrams of possible control circuits for force regulation are shown in FIGS. 8 to 14. In order to avoid unnecessary repetition, reference is made to FIG. 5 or the respective preceding figures.
  • the input signal used for the force regulator RF is not the sensor signal Fs, as is the case in FIG. 5, but an estimated force F ext is provided as input to the force controller RF by a disturbance observer 19. Furthermore, a force precontrol VF, a load precontrol Vext and an inertia compensation V »are provided.
  • an input quantity for the force regulator RF is a force F ext estimated by the disturbance variable observer 19. Furthermore, a force precontrol VF and an inertia compensation V »are provided. In the exemplary embodiment according to FIG. 10, an input quantity for the force regulator RF is a force F ext estimated by the disturbance variable observer 19. Furthermore, a force precontrol VF is provided. In the exemplary embodiment according to FIG. 11, an input quantity for the force regulator RF is a force F ext estimated by the disturbance variable observer 19. Furthermore, a force precontrol VF and a load precontrol Vext are provided.
  • the input signal used for the force regulator RF is the sensor signal Fs. Furthermore, a force precontrol VF, a load precontrol Vext and an inertia compensation V »are provided.
  • the input signal used for the force regulator RF is the sensor signal Fs. Furthermore, a force precontrol VF and an inertia compensation V »are provided.
  • the input signal used for the force regulator RF is the sensor signal Fs. Furthermore, a force precontrol VF is provided. In the embodiment according to FIG. 15, the input signal used for the force regulator RF is the sensor signal Fs. Furthermore, a force precontrol VF and a load precontrol Vext are provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pressen eines Werkstückes (4) mit einer vorbestimmten Presskraft mittels einem Umformwerkzeug (3), welches über einen Spindeltrieb (6) mit einem Elektromotor (2) gekoppelt ist, wobei der Spindeltrieb (6) die rotatorische Bewegung einer Antriebswelle (8) des Elektromotors (2) in eine translatorische Bewegung des Umformwerkzeuges (3) umwandelt. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: - Beschleunigen des Elektromotors (2) in Zudrehrichtung auf eine vorgegebene Maximaldrehzahl; - Betreiben des Elektromotors (2) in Maximaldrehzahl bis die Antriebswelle (8) des Elektromotors (2) eine vorgegebene Anzahl an Umdrehungen absolviert hat; - Reduzieren der Drehzahl des Elektromotors (2) auf eine vorbestimmte reduzierte Drehzahl; - Betreiben des Elektromotors (2) in reduzierter Drehzahl bis von einer dem Elektromotor (2) nachgeschalteten Messeinheit (12) ein Presskraftanstieg detektiert wird welcher einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet; - Umformen des Werkstückes (4) unter ständiger Erfassung der Presskraft mittels der Messeinheit (12) bis die vorbestimmte Presskraft erreicht ist.

Description

Verfahren zum Pressen eines Werkstückes mit einer vorbestimmten Presskraft
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pressen eines Werkstückes mit einer vorbestimmten Presskraft.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Pressen eines Werkstückes bekannt. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren betreffen insbesondere Fertigungsanlagen in welchen Werkstücke mit einer vorbestimmten Presskraft gepresst werden sollen. Dabei müssen die Werkstücke mit einer vorbestimmten Presskraft gepresst werden, wobei der tatsächliche Betrag der Presskraft nur einen geringen Toleranzbereich aufweist.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weisen den Nachteil auf, dass zum Erreichen der geforderten Presskraft unter Einhaltung des geforderten Toleranzbereiches die Pressgeschwindigkeit entsprechend gering gewählt werden muss, um die Presskraft verfälschende dynamische Effekte welche aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Bauteile des Antriebsstranges auftreten, hintanzuhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu über- winden und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches eine erhöhte Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Prozessgenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Pressen eines Werkstückes mit einer vorbestimmten Presskraft mittels einem Umformwerkzeug, welches über einen Gewindetrieb mit einem Elektromotor gekoppelt ist, vorgesehen. Ein Gewindetrieb wandelt die rotatorische Bewegung einer Antriebswelle des Elektromotors in eine translatorische Bewegung des Umformwerk- zeuges um. Der Elektromotor wird von einer Regelung angesteuert. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- Beschleunigen des Elektromotors in Zudrehrichtung auf eine vorgegebene Maximaldrehzahl, wodurch das Umformwerkzeug auf das Werkstück zubewegt wird;
- Betreiben des Elektromotors in Maximaldrehzahl bis die Antriebswelle des Elektromotors eine vorgegebene Anzahl an Spindelumdrehungen absolviert hat oder das Umformwerkzeug eine vorgegebene Position erreicht hat, wobei während diesem Verfahrensschritt das Umformwerkzeug frei auf das Werkstück zubewegt wird ohne dieses zu berühren;
- Reduzieren der Drehzahl des Elektromotors auf eine vorbestimmte reduzierte Drehzahl; - Betreiben des Elektromotors in reduzierter Drehzahl bis von einer dem Elektromotor nachgeschalteten Messeinheit ein Presskraftanstieg detektiert wird welcher einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder am Elektromotor ein Drehmomentenanstieg detektiert wird welcher einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wobei der Presskraftanstieg dann auftritt, wenn das Umformwerkzeug am umzuformenden Werkstück zum Anliegen kommt; - Umformen des Werkstückes unter ständiger Erfassung der Presskraft mittels der Messeinheit oder des Drehmomentes am Elektromotor bis die vorbestimmte Presskraft erreicht ist.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass das Verfahren in verschiedenste Verfahrensschritte aufgeteilt wird, wobei der Elektromotor in den einzelnen Ver- fahrensschritten eine unterschiedliche Geschwindigkeit aufweist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Presszeit möglichst verkürzt werden kann und gleichzeitig die geforderte Presskraft möglichst genau erreicht werden kann. Insbesondere beim Betrieb des Elektromotors in einer vorgegebenen Maximaldrehzahl wird ein möglichst schnelles zustellen des Umformwerkzeuges gewährleistet. In diesem Verfahrensschritt wird das Umformwerkzeug in Richtung des Werkstückes bewegt, wobei darauf geachtet wird, dass das Umformwerkzeug frei auf das Werkstück zubewegt wird und das Umformwerkzeug noch nicht am Werkstück anliegt. Erst im anschließenden Verfahrensschritt in welchem der Elektromotor in reduzierter Drehzahl betrieben wird ist vorgesehen, dass das Umformwerkzeug am zu bearbeitenden Werkstück zur Anlage kommt. Alternativ zu einem Spindeltrieb kann auch ein sonstiges Mit- tel verwendet werden, welches dazu geeignet ist die rotatorische Bewegung des Elektromotors in eine Translatorische Bewegung des Umformwerkzeuges umzuwandeln. Die vorgegebene Position des Umformwerkzeuges kann beispielsweise mittels einer linearen Messeinheit erfasst werden. Der Drehmomentenanstieg im Elektromotor kann beispielsweise durch Erfassung des Motorstromes im Elektromotor detektiert werden.
Weiters kann es zweckmäßig sein, wenn nach der Detektion des Presskraftanstieges der Elektromotor auf eine vorbestimmte Minimaldrehzahl abgebremst wird. Von Vorteil ist hierbei, dass durch Abbremsen des Elektromotors auf Minimalgeschwindigkeit ein übermäßiges Pressen und damit das Überreichen der Presskraft verhindert werden kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Zeitdauer in Minimaldrehzahl betrieben wird, bis Schwingungen, welche im Antriebs System aufgrund des Abbremsvorganges von der reduzierten Drehzahl in die Minimaldrehzahl auftreten, weitestgehend ausgeklungen sind. Von Vorteil ist hierbei, dass durch das Betreiben des Elektromotors in der Minimaldrehzahl in vorbestimmter Zeitdauer erreicht werden kann, dass das Antriebssystem ausschwingen kann und es somit zu keiner Verfälschung der gemessenen Presskraft an der Messeinheit kommt. In Extremfällen kann es notwendig sein, dass als Minimaldrehzahl kompletter Stillstand gewählt wird. Die Schwingungen, welche ausklingen müssen entstehen aufgrund der Massenträgheit bzw. der Trägheitskräfte der einzelnen Komponenten im Antriebssystem und aufgrund des abrupten Abbremsmanövers.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass beim Umformen des Werkstückes die Ansteue- rung des Elektromotors von der Regelung auf Basis der in der Messeinheit gemessenen Presskraft vorgegeben wird. Nach Ablauf dieser vorbestimmten Zeitdauer in welcher das Sensorsignal verfälscht wird, kann auf Presskraftregelung umgestellt werden, um die geforderte Presskraft erreichen zu können.
Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass die reduzierte Drehzahl zwischen 0, 1% und 100%, insbesondere zwischen 0,5% und 99%, bevorzugt zwischen 50% und 80% der Maximaldrehzahl beträgt. Von Vorteil ist hierbei, dass bei betrieb des Elektromotors in reduzierter Drehzahl eine Presskraft, welche einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, detektiert werden kann und aufgrund der reduzierten Drehzahl anschließend ausreichend Zeit verbleibt, um die Drehzahl weiter zu senken und die geforderte Presskraft einzustellen.
Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass direkt nach der Detektion des Presskraftanstieges die weitere Ansteuerung des Elektromotors von der Regelung auf Basis der Presskraft vorgegeben wird, wobei nach der Detektion des Presskraftanstieges der Elektromotor auf eine vorbestimmte Minimaldrehzahl abgebremst wird und in einer Anfangsperiode während des Abbremsvorganges die in der Messeinheit erfasste Presskraft von einer auf einer Modellrechnung basierten Presskraft überblendet wird und nach der Anfangsperiode die von der Messeinheit detektierte Presskraft als Eingangsgröße für die Regelung dient. Diese Alternativvariante weist den Vorteil auf, dass die Verfahrenszeit weiter verkürzt und optimiert werden kann. Durch das Überblenden der erfassten Presskraft mit einer auf einer Mollrechnung basierten
Presskraft kann der Messfehler, welcher aufgrund des Schwingens des Systems nach dem Abbremsvorgang des Elektromotors auftritt, ausgeglichen werden.
Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn in der Modellrechnung die Massenträgheit und/oder die Federsteifigkeit und/oder die Dämpfung und die Winkel- bzw. Linearbeschleunigungen der einzelnen im Antriebs sträng verbauten Bauteile berücksichtigt wird. Von Vorteil ist hierbei, dass auf Grundlage dieser Werte bzw. auf Grundlage dieser Zustandsgrößen das dynamische Verhalten des Antriebsstranges genau berechnet werden kann und dadurch eine Verfälschung der gemessenen Presskraft beim Abbremsen bzw. beim Beschleunigen des Elektromo- tors ausgeglichen werden kann.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Modellrechnung auf Basis der jeweils vorhergehenden Zyklen in einem iterativen Lernprozess angepasst wird, wobei zur Anpassung der Modellrechnung der Zeitliche Verlauf des Messwertes des Drehmomentes in der Messeinheit, sowie des Motormomentes und des zugehörigen Drehwinkels der Antriebswelle im Elektromotor herangezogen wird. Von Vorteil ist hierbei, dass das Antriebsverfahren während dem laufenden Betrieb angepasst und verbessert werden kann, wodurch einerseits die Genauigkeit zur Erreichung der Presskraft erhöht werden kann und darüber hinaus die Prozesszeit weiter verkürzt werden kann.
Weiters kann vorgesehen sein, dass für die Modellrechnung ein Störgrößenbeobachter, insbesondere ein Kaiman-Filter eingesetzt wird, auf den im ersten Schritt auch geregelt wird und erst ab einem bestimmten Zeitpunkt auf die in der Messeinheit detektierte Kraft überblendet wird. Von Vorteil ist hierbei, dass ein derartiger Störgrößenbeobachter die tatsächlich anlie- gende Ist-Kraft anhand der Stellgröße und den Sensorsignalen schätzen kann und die geschätzte externe Kraft an die Regelung vorgegeben werden kann, wodurch die Genauigkeit bei der Erreichung der vorbestimmten Presskraft verbessert werden kann. Es kann außerdem vorgesehen sein, den Regelkreis um eine Vorsteuerung zur Kraft- und/oder Trägheitskompensation zu erweitern, sollte die Dynamik der unterlagerten Regler nicht ausreichen. Die Vorsteuerungen können anhand der mathematischen Modelle hergeleitet werden. Es kann ausreichend sein, dafür ein stark vereinfachtes Modell, wie ein reines Starrkörpersys- tem, welches nur die Trägheitsmomente und keine dynamischen Elemente berücksichtigt, heranzuziehen. Alternativ dazu kann ein dynamisches System, wie es in diesem Dokument beschrieben ist zur mathematischen Modellbildung herangezogen werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass als Messeinheit ein Piezo-Sensor eingesetzt wird, welcher zur Erfassung der Presskraft im Bereich des Umformwerkzeuges angeordnet ist. Von Vorteil ist hierbei, dass ein Piezo-Sensor einerseits eine hohe Messgenauigkeit aufweist und darüber hinaus ein sehr schnelles Ansprechverhalten aufweist.
Weiters kann vorgesehen sein, dass direkt nach der Detektion des Presskraftanstieges die wei- tere Ansteuerung des Elektromotors von der Regelung auf Basis einer Solltrajektorie des
Presskraftwertes vorgegeben wird, wobei der Drehzahl verlauf in einer Vorsteuerung aus der Solltrajektorie des Presskraftwertes berechnet wird. Wird ein Störgrößenbeobachter verwendet, kann die tatsächlich wirkende Kraft geschätzt werden. Durch überblenden auf diese geschätzte Kraft können Störungen ausgeblendet werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass in einer ersten Phase nach der Detektion des Presskraftanstieges der Presskraftwert mittels einem Störgrößenbeobachter geschätzt wird und dass in einer zweiten Phase nach der Detektion des Presskraftanstieges die Presskraft direkt von der Messeinheit detektiert wird und als Eingangsgröße für die Regelung dient. Durch Vorgabe des Presskraftwertes mittels dem Störgrößenbeobachter können Schwingungen bzw. Störungen im System gefiltert werden, sodass es in der Regelung zu keinem Aufschwingen kommt. Nach dem Abklingen der Schwingungen kann anschließend das tatsächlich an der Messeinheit gemessene Drehmoment als Eingangswert für die Regelung dienen. Weiters kann vorgesehen sein, dass der Übergang zwischen verschiedenen Drehzahlen der einzelnen Verfahrensschritte derart vorgegeben wird, dass keine sprungartigen Anstiege der Beschleunigung auftreten. Durch die Vermeidung von sprungartigen Anstiegen in der Beschleunigung kann der Ruck, der auf die einzelnen Bauteile der Presse einwirkt vermindert werden und dadurch die Langlebigkeit der Presse erhöht werden.
Die Maximaldrehzahl auf die der Elektromotor beschleunigt wird muss nicht zwangsweise der maximal möglichen Drehzahl des Elektromotors entsprechen. Vielmehr ist es auch möglich, dass die Maximaldrehzahl sich aufgrund der Prozessparameter ergibt und ein rechnerisch ermittelter Wert ist. Die vorgegebene Maximaldrehzahl kann dabei von einem Pressprozess zum nächsten variieren.
Ferner kann vorgesehen sein, dass als Regler ein Tiefpassfilter dritter Ordnung der Form RF(s) gewählt wird.
Weiters kann vorgesehen sein, dass Reglerparameter mithilfe eines Loop- Shaping- Verfahrens eingestellt werden können.
Der Schwellwert der Presskraft bzw. des Drehmomentes, welche detektiert werden, kann ein vorgegebener oder individuell vorgebbarer Absolutwert der Presskraft, etwa in N, bzw. des Drehmomentes, etwa in Nm, sein.
Alternativ dazu ist es auch möglich, dass als Schwellwert nicht ein Absolutwert der Presskraft bzw. des Drehmomentes vorgegeben wird, sondern dass als Schwellwert ein vorgegebener o- der individuell vorgebbarer Presskraftanstieg pro Verfahrweg des Umformwerkzeuges (wobei der Verfahrweg direkt am Umformwerkzeug gemessen werden kann, oder über die Anzahl der Umdrehungen des Antriebsmotors berechnet werden kann) bzw. Drehmomentenanstieg pro Drehwinkeleinheit des Motors vorgegeben wird. Der Schwellwert des Presskraftanstieges kann etwa in N pro mm Verfahrweg oder in N pro °Drehwinkel des Elektromotors definiert sein. Der Schwellwert des Drehmomentenanstieges kann etwa in Nm pro °Drehwinkel definiert sein.
In wieder einer anderen Ausführungsvariante ist es denkbar, dass als Schwellwert eine maximale Änderung des Presskraftanstieges pro Verfahrweg des Umformwerkzeuges (wobei der Verfahrweg direkt am Umformwerkzeug gemessen werden kann, oder über die Anzahl der Umdrehungen des Antriebsmotors berechnet werden kann) bzw. des Drehmomentenanstieges pro Drehwinkeleinheit des Motors vorgegeben wird. Die maximale Änderung des Presskraftanstieges pro Drehwinkeleinheit kann beispielsweise durch die erste Ableitung der Funktion des Presskraftanstieges pro Verfahrwegeinheit des Umformwerkzeuges berechnet werden. Dieser Schwellwert der Änderung des Drehmomentenanstieges kann etwa in ΔΝ pro Ämm Verfahrweg definiert sein. Die maximale Änderung des Drehmomentenanstieges pro Drehwinkeleinheit kann beispielsweise durch die erste Ableitung der Funktion des Drehmomentenanstieges pro Drehwinkeleinheit des Motors berechnet werden. Dieser Schwellwert der Änderung des Drehmomentenanstieges kann etwa in ANm pro A°Drehwinkel definiert sein.
Als Regelung im Sinne dieses Dokumentes kann eine Zweifreiheitsgradekraftregelung mit un- terlagerter Motorregelung verstanden werden, wobei ein Regelkreis mit dieser Regelung auch zusätzliche Vorsteuerungen aufweisen kann.
Weiters kann vorgesehen sein, dass auf Basis von der Lastkennlinie und einer gewünschten Solltrajektorie für die externe Presskraft ein Drehzahlverl auf berechnet wird. Diese Geschwindigkeit knüpft bei der reduzierten Drehzahl an und wird in den Stillstand übergeführt. Mit diesem Drehzahlprofil wird sichergestellt, dass die externe Presskraft der gewünschten Solltrajektorie hinreichend gut folgt. Dadurch ist es in weiterer Folge möglich die bleibende Regelabweichung mit einem linearen Regler RF auszugleichen. Wird ein Störgrößenbeobachter verwendet so wird auf das geschätzte Signal geregelt und am Ende der Trajektorie auf das Messsignal übergeblendet. Ist der Störgrößenbeobachter nicht vorhanden, weil die Güte des Messsignals hinreichend gut ist, dann wird direkt auf das Messsignal geregelt und dadurch auch keine Überblendung durchgeführt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines möglichen Aufbaues einer Presse; Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer ersten Regelungsstrategie zum Pressen eines Werkstückes;
Fig. 3 ein Strukturschaltbild des mechanischen Modells der Presse;
Fig. 4 eine Kraftverlaufsdarstellung der Presse;
Fig. 5 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises für die Kraftregelung; Fig. 6 eine exemplarische Regelstrecke einer Kraftregelung;
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm einer weiteren Regelungsstrategie zum Pressen eines Werkstückes; Fig. 8 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Störgrößenbeobachter und Lastvorsteuerung, Kraftvorsteuerung sowie Trägheitskompensation;
Fig. 9 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Störgrößenbeobachter und Kraftvorsteuerung sowie Trägheitskompensation;
Fig. 10 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Störgrößenbeobachter und Kraftvorsteuerung;
Fig. 11 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Störgrößenbeobachter und Lastvor- Steuerung sowie Kraftvorsteuerung;
Fig. 12 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Lastvorsteuerung, Kraftvorsteuerung sowie Trägheitskompensation; Fig. 13 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Kraftvorsteuerung sowie Trägheitskompensation;
Fig. 14 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Kraftvorsteuerung; Fig. 15 ein Strukturschaltbild eines Regelkreises mit Lastvorsteuerung sowie Kraftvorsteuerung. Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, un- ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Prozesspresse 1. Die Prozesspresse 1 umfasst einen Elektromotor 2, und ein mit dem Elektromotor 2 gekoppeltes Umformwerkzeug 3. Das Umformwerkzeug 3 kann auf ein Werkstück 4 einwirken um dieses verformen zu können.
Eine derartige Verformung kann beispielsweise eine Prägung sein. Weiters ist es auch denkbar, dass das Werkstück 4 beispielsweise mittels dem Umformwerkzeug 3 gebogen wird. Der Umformvorgang des Werkstückes 4 kann automatisiert erfolgen. Das Umformwerkzeug 3 kann verschiedenste Formgebungen aufweisen.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor 2 als Servomotor ausgeführt ist. Ein derartiger Servomotor kann beispielsweise ein Synchronmotor sein. Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor 2 mit einer Regelung 5 verbunden ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass ein Frequenzumrichter ausgebildet ist, welcher mit dem Elektromotor 2 zusammen- wirkt und die Drehzahl des Elektromotors 2 vorgibt.
Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich kann vorgesehen sein, dass an den Elektromotor 2 ein Spindeltrieb 6 gekoppelt ist. Ein derartiger Spindeltrieb 6 kann beispielsweise als Gewindetrieb, vorzugsweise als Kugelgewindetrieb ausgebildet sein. Ein Kugelgewindetrieb hat den Vorteil, dass er ein geringes Spiel aufweist. Dadurch kann eine hohe Genauigkeit der Prozesspresse 1 erreicht werden. Mittels dem Spindeltrieb 6 kann die rotatorische Bewegung des Elektromotors 2 in eine translatorische Bewegung des Umformwerkzeuges 3 umgewandelt werden.
Weiters kann optional auch vorgesehen sein, dass zwischen Spindeltrieb 6 und Elektromotor 2 ein Getriebe 7 angeordnet ist, mittels welchem die Drehzahl der Antriebswelle 8 des Elektromotors 2 untersetzt werden kann.
Wenn im Antriebs sträng ein Getriebe 7 vorgesehen ist, dann ist eine Spindel 9 des Spindeltriebes 6 mit einer am Getriebeausgang 10 angeordneten Getriebeausgangswelle 11 gekoppelt und weist dieselbe Rotationsgeschwindigkeit wie diese auf.
Wenn im Antriebs sträng kein Getriebe 7 vorgesehen ist, dann ist die Spindel 9 des Spindeltriebes 6 mit der Antriebswelle 8 des Elektromotors 2 gekoppelt und weist dieselbe Rotationsgeschwindigkeit wie diese auf.
Weiters ist vorgesehen, dass zwischen Spindeltrieb 6 und Umformwerkzeug 3 eine Messeinheit 12 angeordnet ist, welche zum Erfassen der am Umformwerkzeug 3 anliegenden Presskraft ausgebildet ist. Die Messeinheit 12 kann insbesondere als Kraftsensor bzw. als Kraftmessdose ausgebildet sein. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Messeinheit 12 als Piezo-Sensor ausgebildet ist. Die Messeinheit 12 ist an die Regelung 5 gekoppelt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass zum Verbinden von Elektromotor 2 und Getriebe 6 bzw. zum Verbinden von Getriebe 7 und Spindeltrieb 6 eine Kupplung 13 vorgesehen ist. Die Kupplungen 13 dienen insbesondere zur Drehmomentenübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen und sind daher zwischen den einzelnen Bauteilen angeordnet.
Weiters kann vorgesehen sein, dass die Spindel 9 des Spindeltriebes 6 an einer Lagerung 14 gelagert ist, welche zur Aufnahme der in die Spindel 9 eingeleiteten Axialkräfte und Radialkräfte dient. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Spindeltrieb 6 eine Gewindemutter 15 um- fasst, welche mit der Spindel 9 gekoppelt ist und die rotatorische Bewegung der Spindel 9 in eine translatorische Bewegung der Gewindemutter 15 umwandelt. Mit der Gewindemutter 15 kann ein Schlitten 16 gekoppelt sein, welcher zur Aufnahme des Umformwerkzeuges 3 dienen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Messeinheit 12 zwischen Schlitten 16 und Umformwerkzeug 3 angeordnet ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Messeinheit 12 in den Schlitten 16 integriert ist.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Umformwerkzeug 3 abnehmbar mit dem Schlitten 16 gekoppelt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass verschiedene Umformwerkzeuge 3 für verschiedene Einsatzerfordernisse mit dem Schlitten 16 gekoppelt werden können.
Weiters kann vorgesehen sein, dass der Schlitten 16 an einer Führungsschiene 17 geführt ist.
Anhand der Fig. 1 wird nun die allgemeine Funktionsweise der Prozesspresse 1 erläutert.
Das Umformwerkzeug 3 wird mittels dem Spindeltrieb 6 auf das Werkstück 4 zubewegt, wobei der Spindeltrieb 6 vom Elektromotor 2 angetrieben wird. In einem ersten Verfahrensschritt wird dabei das Umformwerkzeug 3 frei auf das Werkstück 4 zu bewegt, wobei darauf geachtet wird, dass das Umformwerkzeug 3 das Werkstück 4 nicht berührt. Mit anderen Wor- ten ausgedrückt kann man auch von einem Zustellvorgang sprechen.
Am Ende dieses Zustellvorganges kommt eine Pressfläche 18 des Umformwerkzeuges 3 mit dem Werkstück 4 in Kontakt, wodurch sich die auf das Umformwerkzeug 3 wirkende Kraft sprungartig erhöht. Anschließend wird das Umformwerkzeug 3 in das Werkstück 4 einge- drückt, wodurch das Werkstück 4 mittels dem Umformwerkzeug 3 verformt wird.
Man kann davon sprechen, dass der Pressvorgang in zwei Stufen unterteilt ist. Die erste Stufe ist ein Zustellvorgang in welcher das Umformwerkzeug 3 frei auf das Werkstück 4 zubewegt wird ohne dieses jedoch zu berühren.
Die zweite Stufe ist eine Umformstufe, in welcher die Pressfläche 18 des Umformwerkzeuges 3 am Werkstück 4 anliegt und das Werkstück 4 mittels dem Umformwerkzeug 3 verformt wird, wobei an der Antriebswelle 8 des Elektromotors 2 ein erhöhtes Drehmoment aufgebracht werden muss.
Beim Zustellvorgang kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor 2 überlagert geschwindig- keitsgeregelt wird, bis ein eine vordefinierte Presskraft überschritten wird oder das Auftreffen des Umformwerkzeuges 3 am Werkstück 4 mithilfe eines Gradienten- Verfahrens erkannt wird. In der Umformstufe kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor 2 unterlagert momen- tengeregelt wird, wobei die gemessene Presskraft zur Regelung des Elektromotors 2 dient. In der Umformstufe kann eine vordefinierte Presskraft mithilfe einer kaskadierten Zwei -Freiheitsgrad-Regelung eingestellt werden. Diese kaskadierte Regelung besteht aus einer inneren Geschwindigkeitsregelung, einer überlagerten Momentenregelung bzw. Kraftregelung und einer entsprechenden modellbasierten Vorsteuerung. Mithilfe der modellbasierten Vorsteuerung wird die auftretende Presskraft zufolge der Last und die Trägheit des Antriebs kompensiert. Ist die mechanische Kopplung zwischen Elektromotor 2 und Umformwerkzeug 3 hinreichend steif, so kann die an der Messeinheit 12 erfasste Presskraft als direkte Rückführgröße für die Momentenregelung bzw. Kraftregelung verwendet werden.
Die Schwierigkeit bei der Regelung besteht darin, die Prozessgeschwindigkeit hoch und die Presskraft innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten. Wird eine ideale, störungsfreie Strecke angenommen, kann ein Motor-Drehzahl verlauf gefunden werden, welcher es ermöglicht, eine gewünschte Presskraft einzustellen. Im realen Anwendungsfall ist allerdings mit auftretenden Störungen und Messrauschen bei der Messeinheit 12 zu rechnen.
Um eine definierte Presskraft zu erreichen und dabei die Prozessgeschwindigkeit möglichst hoch zu halten, wurden die erfindungsgemäßen Regelungsstrategien entwickelt. Solange das Umformwerkzeug 3 frei auf das Werkstück 4 zubewegt wird und nicht an diesem anliegt, ist mit keinem wesentlichen Anstieg der tatsächlich am Umformwerkzeug 3 anliegenden Presskraft zu rechnen. Es ist daher sinnvoll, in dieser Umformstufe ein Motor-Drehzahl - profil ohne zusätzlicher Momentenregelung bzw. Kraftregelung direkt vorzugeben. Erst wenn die Pressfläche 18 des Umformwerkzeuges 3 das Werkstück 4 Kontaktiert, kommt es zu einem rasanten Anstieg der am Umformwerkzeug 3 anliegenden Presskraft und die Momentenregelung bzw. Kraftregelung wird aktiv. In der Umformstufe wird ein Motor-Drehzahlprofil vorgegeben, bei dem unterschiedliche Geschwindigkeitsniveaus stetig miteinander verbunden werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die mechanischen Komponenten der Prozesspresse 1 nicht unnötig strapaziert werden und die Anregung von Schwingungen im System gering gehalten wird.
Ziel der Regelung ist es, die tatsächlich am Umformwerkzeug anliegende Presskraft so zu re- geln, dass sie einen definierten Wert, auch als vorbestimmte Presskraft bezeichnet, erreicht.
Die tatsächlich am Umformwerkzeug 3 anliegende Presskraft soll mithilfe der Messeinheit 12 gemessen werden und als Rückführungsgröße bei der Regelung dienen. Allerdings ist zu erwähnen, dass die in der Messeinheit 12 gemessene Presskraft nur dann der tatsächlich am Umformwerkzeug 3 anliegenden Presskraft entspricht, wenn das Umformwerkzeug 3 nicht gerade beschleunigt oder abgebremst wird und daher keine dynamischen Effekte aufgrund der Massenträgheit der einzelnen Bauteile auftreten. Mit anderen Worten ausgedrückt kann die tatsächlich am Umformwerkzeug 3 anliegende Presskraft von der Messeinheit 12 genau gemessen werden, wenn das Umformwerkzeug 3 stillsteht oder sich mit einer konstanten Vor- Schubgeschwindigkeit bewegt, wobei dieser Zustand auch schon eine gewisse Zeitdauer währen muss, sodass Schwingungen bereits abgeklungen sind.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines schematischen Ablaufes einer ersten Regelungsstrategie zum Pressen des Werkstückes 4.
An den Entscheidungspfaden steht ein Plus (+) für Bedingung ist erfüllt. Ein Minus (-) steht für Bedingung ist nicht erfüllt.
Im Verfahrensschritt 1 wird die Antriebswelle 8 des Elektromotors 2 auf Maximal drehzahl beschleunigt. Um den Elektromotor 2 auf Maximal drehzahl zu beschleunigen kann ein bestimmter zeitlicher Verlauf der Winkelgeschwindigkeit bzw. eine gewisse Beschleunigungsrampe vorgegeben sein anhand welcher der Elektromotor 2 beschleunigt wird. In der Abfrage A wird abgefragt, ob die Antriebswelle 8 des Elektromotors 2 bereits eine vorgegebene Anzahl an Spindelumdrehungen absolviert hat, beziehungsweise damit einhergehend wie weit das Umformwerkzeug 3 bereits mittels dem Spindeltrieb 6 in seiner Linearbewegung bewegt wurde.
Der Elektromotor 2 wird solange in Maximaldrehzahl betrieben bis in der Abfrage A ein Erreichen der vorgegebenen Anzahl an Spindelumdrehungen bzw. ein Erreichen des vorgegebenen Zustellweges des Umformwerkzeuges 3 zu einer Erfüllung der Bedingung führt. Die Anzahl der Spindelumdrehungen welche als Trigger zum Wechsel in den Verfahrensschritt 2 dient wird so hoch wie möglich gewählt, jedoch so niedrig gewählt, dass in allen aufgrund der Toleranzen denkbaren Fällen gewährleistet ist, dass die Pressfläche 18 des Umformwerkzeuges 3 nicht während diesem Verfahrensschritt am Werkstück 4 zum Anliegen kommt. Während dem Verfahrensschritt 1 kann vorgesehen sein, dass die an der Messeinheit 12 gemessene Presskraft nicht abgefragt wird oder zumindest nicht in die Motorregelung miteinfließt.
Anschließend wird im Verfahrensschritt 2 der Elektromotor 2 mit reduzierter Drehzahl betrieben. Die reduzierte Drehzahl dient dazu, dass bei der Detektion eines Presskraftanstieges in der Messeinheit 12 ausreichend Zeit bleibt, um die Motordrehzahl zu verringern bzw. um auf eine Kraftregelung umzustellen. Die Drehgeschwindigkeit in der reduzierten Drehzahl ist da- von abhängig, wie schnell der Elektromotor 2 abgebremst werden kann und welchen Verfahr- weg das Umformwerkzeug 3 nach dem Aufsetzten am Werkstück 4 noch weiter verfahren werden kann. Dieser maximale Verfahrweg wird auch Einpresstiefe genannt. Wenn vorgesehene Einpresstiefe beispielsweise sehr groß ist, kann die reduzierte Drehzahl einen hohen Wert aufweisen und beispielsweise annähernd gleich groß wie die Maximaldrehzahl sein.
Der Übergang von Maximaldrehzahl zu reduzierter Drehzahl kann ebenfalls entsprechend einem vorbestimmten zeitlichen Verlauf der Winkelgeschwindigkeit erfolgen. Während des Betreibens des Elektromotors 2 in reduzierter Drehzahl wird die Messeinheit 12 aktiviert, um erfassen zu können, wenn die Pressfläche 18 des Umformwerkzeuges 3 mit dem Werkstück 4 in Kontakt kommt, wodurch es zu einem sprungartigen Anstieg der in der Messeinheit 12 detek- tierten Presskraft kommt. Abfrage B wird ermittelt, ob die in der Messeinheit 12 detektierte Presskraft einen gewissen vordefinierten Schwellenwert erreicht hat und bei Erreichen des Schwellenwertes wird der Verfahrensschritt 3 eingeleitet. Anschließend wird in Verfahrensschritt 3 eine Kraftregelung, wie sie im Strukturschaltbild des Regelkreises in Fig. 5 mit der Regelstrecke in Fig. 6 dargestellt ist, aktiviert. Mittels der Kraftregelung wird der Elektromotor 2 derart gesteuert, dass die vorbestimmte Presskraft er- reicht wird.
Fig. 3 zeigt ein Strukturschaltbild des mechanischen Modells der Prozesspresse 1. Dieses dient als Grundlage für die Modellierung der Prozesspresse 1. Die Eingangsgröße des Modells stellt das Motormoment Mm dar, welchem das Reibmoment Mrm des Antriebs entgegen- wirkt. Das Motorträgheitsmoment ist durch öm bestimmt. Die Kupplung 13 wird als lineares Feder-Masse-Dämpfer-Element modelliert. Dieses ist durch die Federkonstante Ck, den Dämpfungskonstanten dk und das Trägheitsmoment 6k charakterisiert, wobei das Trägheitsmoment an- bzw. abtriebsseitig je zur Hälfte berücksichtigt wird. Das Moment nach der Kupplung 13, welches als Antriebsmoment der Spindel 9 wirkt, wird mit Msp bezeichnet. Die Reibungsver- luste werden mit dem Moment Mrs berücksichtigt. Mit ösp wird das Trägheitsmoment der Spindel 9 angegeben. Der Kugelgewindetrieb transformiert die rotatorische Bewegung der Spindel 9 in eine translatorische Bewegung des Schlittens 16. Das Übersetzungsverhältnis dieser Transformation wird mit ig bezeichnet. Die Messeinheit 12, welcher den Schlitten 16 mit der Masse rai und das Umformwerkzeug 3 mit der Masse im verbindet, wird mit einem linearen Feder-Dämpfer-Modell mit der Federkonstanten cs und der Dämpfungskonstanten ds modelliert. Die Position des Schlittens 16 wird mit si und die Position des Umformwerkzeu- ges 3 mit s2 angegeben. Das transformierte Spindelmoment verursacht die Kraft Fa, welche auf den Schlitten 16 wirkt. Die Kraft Fs gibt den Messwert der Messeinheit 12 an und Fext die beim Pressen auftretende externe Kraft.
Fig. 4 zeigt einen exemplarischen Verlauf der externen Kraft über den Verlauf der Position des Umformwerkzeuges 3. Der exemplarische Verlauf der externen Kraft kann durch einen Versuch ermittelt werden. Dieser exemplarische Verlauf wird auch als Lastkennlinie bezeichnet.
Um ein breites Feld an Pressanwendungen zu ermöglichen und die Einfachheit der Modellanpassung zu gewährleisten, wird das Lastmodell der spezifischen Anwendungsfälle empirisch ermittelt. Ziel ist es, eine Kennlinie messtechnisch zu erfassen, die den Zusammenhang zwischen der externen Kraft Fext und der Position des Umformwerkzeuges 3 s2 angibt. Dazu wird das Umformwerkzeug 3 mit konstanter Geschwindigkeit, entsprechend dem Anwendungsfall, so weit bis zum Werkstück 4 bewegt, bis eine definierte Grenzkraft erreicht ist. Der so ermit- telte Zusammenhang zwischen Kraft und Weg ist in Fig. 4 dargestellt und entspricht dem einer nichtlinearen Feder der Form Fext(s2)= k(s2)* s2 mit der positionsabhängigen Federsteifig- keit k(s2). Die Kennlinie teilt sich in zwei Bereiche. Während sich das Umformwerkzeug 3 frei bewegt, kommt es zu keinem wesentlichen Kraftanstieg. Für diesen Vorgang wird Fext = 0N angenommen. Erst ab dem Auftreffen des Umformwerkzeuges 3 auf das Werkstück 4 kommt es zu einem merkbaren Kraftanstieg. Wird dieser Kraftanstieg Fext ~ Fs > Ftrigger detek- tiert, beginnt die Umformstufe. Die zugehörige Schlittenposition wird mit strigger bezeichnet.
Fig. 5 zeigt ein Strukturschaltbild eines Regelkreises für die Kraftregelung, wobei der Kraftregler für die Umformstufe konzipiert ist und bei dieser aktiv ist.
Bei einigen Pressvorgängen kann es vorkommen, dass die Kurve der Presskraft einen sehr steilen Anstieg aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt steigt die Presskraft bei nur geringer Bewegung des Umformwerkzeuges 3 steil an. Daher kann es notwendig sein, dass das Umformwerkzeug 3 innerhalb einer kurzen Distanz zum Stillstand gebracht wird, um einen vorbestimmten Wert der Presskraft erreichen zu können. Aufgrund der Trägheit des Systems bzw. aufgrund der Trägheit einer konventionellen Regelung des Elektromotors 2 kann es jedoch vorkommen, dass die Dynamik des unterlagerten Drehzahlreglers des Elektromotors 2 für dieses Bremsmanöver nicht ausreicht. Um dieses Problem zu umgehen, wird nicht nur eine Kraftvorsteuerung sondern auch eine
Motor-Drehzahlvorsteuerung zur Trägheits- und Lastkompensation verwendet. Dieser erweiterte Regelkreis ist in Fig. 5 dargestellt. Aufgrund der hohen Steifigkeit im relevanten Frequenzbereich wird für den Vorsteuerungs- und Motor-Drehzahlreglerentwurf (pm = (psp = s2/ig angenommen, wobei (pm für die Motorwinkelposition des Elektromotors 2 und (pSp für die Spindelwinkelposition der Spindel 9 des Spindeltriebes 6 steht. Zunächst wird die translatorische Gesamtmasse, d. h. mt = rai + im entsprechend dem Übersetzungsverhältnis ig mit dem Trägheitsmoment des Antriebsstranges zu einem Gesamtträgheitsmoment Θ = öm + 6k + θ5ρ + mtig 2 aufaddiert, wobei öm das Trägheitsmoment des Elektromotors 2, 6k das Trägheitsmoment der Kupplung 13 und θ5ρ das Trägheitsmoment der Spindel 9 repräsentiert. Daraus ergibt sich das vereinfachte Entwurfsmodell 0Mm* = — Fextig . Mit F* = Fext und MF * F = Mm * , so folgt die Motor-Drehzahlvorsteuerung zu MF * F = Μω * Ρρ +
Me * xt FF. Mit dem Vorsteueranteil Μω * FF kann in weiterer Folge der Einfluss der Trägheitsmomente und -massen der Presse während der Beschleunigungsphasen kompensiert werden. Der Vorsteueranteil zur Kompensation der externen Kraft Fext lautet Me * xt FF = F*ig. Ist die Annahme der hohen Steifigkeit nicht gerechtfertigt, gilt dieses vereinfachte System nicht und die Vorsteueranteile müssen anhand des Systems in Fig. 3 berechnet werden.
Ein Ersatzmodell für die Regelstrecke Gw^ Fs(s) ist in Fig. 6 dargestellt. Die Übertragungsfunktion Gwm(s) mit dem Motormoment Mm als Eingang und der Motordrehzahl ω7η als Ausgang bildet die Ausgangsrückführung ω7η für den unterlagerten Drehzahlregelkreis TM(s) =
R (s)
f- — dieser bilde gemeinsam mit der Ubertragungsfunktion GFs(s) mit dem Mo- tormoment Mm als Eingang und der Sensorkraft Fs als Ausgang, die gesamte Regelstrecke GM* F (s) =— - = Tw (s)GFs(s) von der Solldrehzahl als Eingang zur Sensorkraft Fs als m' s ωπι
Ausgang ab. Als Regler wird ein Tiefpassfilter dritter Ordnung der Form RF(s) =
gewählt. Die Grenzfrequenz a>FG und die Verstärkung kFP werden so angepasst, dass sich ein stabiles Verhalten für den geschlossenen Regelkreis einstellt. Die Reglerparameter können mithilfe eines Loop- Shaping- Verfahrens eingestellt werden.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines schematischen Ablaufes einer weiteren Regelungsstrategie zum Pressen des Werkstückes 4, wobei die ersten beiden Verfahrensschritte gleich wie im Ablaufdiagramm nach Fig. 2 sind.
Im Verfahrensschritt 3 wird der Elektromotor 2 in einer minimalen Drehzahl betrieben. Die minimale Drehzahl kann von Prozess zu Prozess unterschiedlich sein und wird aufgrund der aktuellen Prozessparameter vorgegeben. In Extremfällen kann es sogar notwendig sein, dass die minimale Drehzahl gleich Null oder annähern Null ist. Das Abbremsen von reduzierter Drehzahl in minimale Drehzahl sollte im Rahmen der Festigkeitswerte der Prozesspresse 1 möglichst zügig bzw. abrupt von statten gehen. Im Verfahrensschritt 3 wird der Elektromotor 2 so lange in Minimaldrehzahl betrieben, bis die aufgrund des abrupten Abbremsmanövers auftretenden Schwingungen im Antriebs sträng ausgeklungen sind. Hierzu wird in Abfrage C eine vorberechnete Zeitdauer zum Abklingen der Schwingungen abgefragt.
In einer Alternativvariante kann auch vorgesehen sein, dass die nötige Zeitdauer zum Abklingen der Schwingungen nicht aufgrund eines Modells berechnet wird, sondern dass diese in einem iterativen Verfahren angepasst wird oder dass das Abklingen der Schwingungen durch Erfassen des Motordrehmomentes im Elektromotor 2 im Vergleich mit dem gemessenen Drehmoment in der Messeinheit 12 festgestellt wird.
Anschließend wird in Verfahrensschritt 4 eine Kraftregelung, wie sie im Strukturschaltbild des Regelkreises in Fig. 4 bzw. in der Regelstrecke in Fig. 5 dargestellt ist, aktiviert. Mittels der Kraftregelung wird der Elektromotor 2 derart gesteuert, dass die vorbestimmte Presskraft erreicht wird.
In den Figuren 8 bis 14 sind verschiedene Strukturschaltbilder von möglichen Regelkreisen zur Kraftregelung gezeigt. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden wird auf die Figur 5 bzw. die jeweils vorangegangenen Figuren Bezug genommen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF nicht das Sensorsignal Fs, wie dies in Fig. 5 der Fall ist, sondern wird als Eingangsgröße für den Kraftregler RF von einem Störgrößenbeobachter 19 eine geschätzte Kraft Fext bereitgestellt. Weiters sind eine Kraftvorsteuerung VF, eine Lastvorsteuerung Vext und eine Trägheitskompensation V» vorgesehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 dient als Eingangsgröße für den den Kraftregler RF ein vom Störgrößenbeobachter 19 geschätzte Kraft Fext. Weiters sind eine Kraftvorsteuerung VF und eine Trägheitskompensation V» vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF ein vom Störgrößenbeobachter 19 geschätzte Kraft Fext. Weiters ist eine Kraftvorsteuerung VF vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF ein vom Störgrößenbeobachter 19 geschätzte Kraft Fext. Weiters sind eine Kraftvorsteuerung VF und eine Lastvorsteuerung Vext vorgesehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF das Sensorsignal Fs. Weiters sind eine Kraftvorsteuerung VF, eine Lastvorsteuerung Vext und eine Trägheitskompensation V» vorgesehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF das Sensorsignal Fs. Weiters sind eine Kraftvorsteuerung VF und eine Trägheitskompensation V» vorgesehen.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF das Sensorsignal Fs. Weiters ist eine Kraftvorsteuerung VF vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 dient als Eingangsgröße für den Kraftregler RF das Sensorsignal Fs. Weiters sind eine Kraftvorsteuerung VF und eine Lastvorsteuerung Vext vorgesehen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle be- merkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmals- kombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8, 1, oder 5,5 bis 10.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert darge- stellt wurden.
Bezugszeichenaufstellung
Prozesspresse
Elektromotor
Umformwerkzeug
Werkstück
Regelung
Spindeltrieb
Getriebe
Antriebswelle
Spindel
Getriebeausgang
Getriebeausgangswelle
Messeinheit
Kupplung
Lagerung
Gewindemutter
Schlitten
Führungsschiene
Pressfläche
Störgrößenb eob achter

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Pressen eines Werkstückes (4) mit einer vorbestimmten Presskraft mittels einem Umformwerkzeug (3), welches über ein Getriebe, insbesondere einen Spindel- trieb (6), mit einem Elektromotor (2) gekoppelt ist, wobei der Spindeltrieb (6) die rotatorische Bewegung einer Antriebswelle (8) des Elektromotors (2) in eine translatorische Bewegung des Umformwerkzeuges (3) umwandelt, und wobei der Elektromotor (2) von einer Regelung (5) angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
- Beschleunigen des Elektromotors (2) in Zudrehrichtung auf eine vorgegebene Maximal dreh- zahl, wodurch das Umformwerkzeug (3) auf das Werkstück (4) zubewegt wird;
- Betreiben des Elektromotors (2) in Maximaldrehzahl bis die Antriebswelle (8) des Elektromotors (2) eine vorgegebene Anzahl an Umdrehungen absolviert hat oder das Umformwerkzeug (3) eine vorgegebene Position erreicht hat, wobei während diesem Verfahrensschritt das Umformwerkzeug (3) frei auf das Werkstück (4) zubewegt wird ohne dieses zu berühren;
- Reduzieren der Drehzahl des Elektromotors (2) auf eine vorbestimmte reduzierte Drehzahl;
- Betreiben des Elektromotors (2) in reduzierter Drehzahl bis von einer dem Elektromotor (2) nachgeschalteten Messeinheit (12) ein Presskraftanstieg detektiert wird welcher einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet oder am Elektromotor (2) ein Drehmomentenanstieg detektiert wird welcher einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, wobei der Presskraftanstieg oder Drehmomentenanstieg dann auftritt, wenn das Umformwerkzeug (3) am umzuformenden Werkstück (4) zum Anliegen kommt;
- Umformen des Werkstückes (4) unter ständiger Erfassung der Presskraft mittels der Messeinheit (12) oder des Drehmomentes am Elektromotor (2) bis die vorbestimmte Presskraft er- reicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Detektion des Presskraftanstieges der Elektromotor (2) auf eine vorbestimmte Minimaldrehzahl abgebremst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) eine vorbestimmte oder vorbestimmbare Zeitdauer in Minimaldrehzahl betrieben wird, bis Schwingungen, welche im Antriebs System aufgrund des Abbremsvorganges von der reduzierten Drehzahl in die Minimaldrehzahl auftreten, weitestgehend ausgeklungen sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umformen des Werkstückes (4) die Ansteuerung des Elektromotors (2) von der Regelung (5) auf Basis der in der Messeinheit (12) gemessenen Presskraft vorgegeben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierte Drehzahl zwischen 0, 1% und 100%, insbesondere zwischen 0,5% und 99%), bevorzugt zwischen 50%> und 80%> der Maximal drehzahl beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt nach der Detektion des Presskraftanstieges die weitere Ansteuerung des Elektromotors (2) von der Regelung (5) auf Basis der Presskraft vorgegeben wird, wobei nach der Detektion des Presskraftanstieges der Elektromotor (2) auf eine vorbestimmte Minimal drehzahl abgebremst wird und in einer Anfangsperiode während des Abbremsvorganges die in der Messeinheit (12) erfasste Presskraft von einer auf einer Modellrechnung basierten Presskraft überblendet wird und nach der Anfangsperiode die von der Messeinheit (12) detektierte Presskraft als Eingangsgröße für die Regelung (5) dient.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Modellrechnung die Massenträgheit und/oder die Federsteifigkeit und/oder die Dämpfung und die Winkelbzw. Linearbeschleunigungen der einzelnen im Antriebs sträng verbauten Bauteile berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Modellrechnung auf Basis der jeweils vorhergehenden Zyklen in einem iterativen Lernprozess angepasst wird, wobei zur Anpassung der Modellrechnung der Zeitliche Verlauf des Messwertes der Presskraft in der Messeinheit (12), sowie des Motormomentes und des zugehörigen Drehwin- kels der Antriebswelle (8) im Elektromotor (2) herangezogen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Überblendung von Modellrechnung und in der Messeinheit (12) detektierter Presskraft ein Störgrößenbeobachter (19), insbesondere ein Kaiman-Filter eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gezeichnet, dass eine Überblendung zwischen der im Störgrößenbeobachter (19) geschätzten tatsächlichen Kraft und der in der Messeinheit (14) erfassten Kraft durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinheit (12) ein Piezo-Sensor eingesetzt wird, welcher zur Erfassung der Presskraft im Bereich des Umformwerkzeuges angeordnet ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass direkt nach der Detektion des Presskraftanstieges die weitere Ansteuerung des Elektro- motors (2) von der Regelung (5) auf Basis einer Solltrajektorie des Presskraftwertes vorgegeben wird, wobei der Drehzahl verlauf in einer Vorsteuerung aus der Solltrajektorie des Presskraftwertes berechnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase nach der Detektion des Presskraftanstieges der Presskraftwert mittels einem Störgrößenbeobachter (19) geschätzt wird und dass in einer zweiten Phase nach der Detektion des Presskraftanstieges die Presskraft direkt von der Messeinheit (12) detektiert wird und als Eingangsgröße für die Regelung (5) dient.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen verschiedenen Drehzahlen der einzelnen Verfahrensschritte derart vorgegeben wird, dass keine sprungartigen Anstiege der Beschleunigung auftreten.
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