-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Pressensteuerung bei einem Tiefziehprozess zur Herstellung von Blechbauteilen, insbesondere von Karosseriebauteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei werden im Tiefziehprozess einer Presse Blechplatinen zugeführt, die zur Herstellung einer bestimmten Bauteilform mittels eines Ziehstempels in einer Matrize umgeformt und tiefgezogen werden.
-
Es ist allgemein bekannt, dass in der Großserienfertigung von Tiefziehteilen trotz gleichbleibender Prozessführung erhebliche Veränderungen der Ziehteilqualitäten zu beobachten sind. Diese sind einerseits durch veränderliche Eigenschaften des Halbzeugs und andererseits durch die sich ändernde Prozessumgebung bedingt. Werkstoffseitig sind Unterschiede der Materialeigenschaften insbesondere als Schwankungen zwischen unterschiedlichen Blechrollen und/oder sich über die Abwicklungslänge veränderliche mechanische Werkstoffeigenschaften festzustellen. Änderungen in der Prozessumgebung können insbesondere Einflüsse durch einen Pressenwechsel und damit verbundene veränderte Steifigkeiten des verwendeten Umformmaschine-Werkzeug-Systems und/oder Änderungen der Temperaturverteilungen in der Umformpresse und/oder Änderungen der Temperaturverteilung im Umformwerkzeug sowie auf dessen Oberfläche sein und zu Veränderungen der Ziehteilqualitäten führen.
-
Es sind Verfahren für eine Prozessführung bei Blechumformprozessen bekannt, mit denen durch die Online-Überwachung von Prozesskennwertgrößen und den Vergleich mit vorbestimmten Sollwertverläufen eine Qualifikation des laufenden Prozesses durchgeführt wird. Als überwachte Prozesskennwertgrößen werden insbesondere der Einlaufweg, bzw. die Einlaufgeschwindigkeit der Platinenberandung, und/oder die Ziehstempelkraft und/oder der Ziehkraftverlauf und/oder der durch den umgeformten Werkstoff erzeugten Körperschall verwendet. Zusätzlich werden die zur Umformung bereitgestellten Platinen vor der Umformung bezüglich der Werkstofffestigkeit und/oder der Blechdicke und/oder der Oberflächenrauheit und/oder der Schmierfilmdicke und/oder der Viskosität des Schmiermittels untersucht. Es ist auch allgemein bekannt die Oberflächentemperaturverteilung auf dem Umformwerkzeug und auf dem umgeformten Werkstück als Kriterium zur Beurteilung des Prozesses zu verwenden.
-
Weiter ist es allgemein bekannt, Prozessmodelle zu erstellen und Prozessregelungen basierend auf solchen Prozessmodellen auszulegen und teilweise mittels sich gegebenenfalls Online trainierender neuronaler Netzwerke zu überwachen. Zur Verbesserung können Expertensysteme verwendet werden, welche als eine Art von Wissensspeicher Entscheidungen von Experten, welche in der Vergangenheit gemacht wurden, auf aktuelle Situationen anwenden.
-
Bei der Großserienproduktion von Ziehteilen ist es üblich, dass Prozessparameter während einer Abpressung (Herstellung von mehreren 100 bis mehreren 1.000 Ziehteilen) mehrmals angepasst werden müssen, wobei vor allem die sogenannte Anlaufphase kritisch ist. Anpassungsmaßnahmen werden im Wesentlichen auf der Erfahrung des Personals basierend durchgeführt. Solche Erfahrungen stellen ein im Prinzip vorhandenes, jedoch relativ ungesichertes Wissen dar. Damit ist einerseits das Unternehmen darauf angewiesen, dass dieses Erfahrungspotential an jüngere Mitarbeiter weitergegeben wird und andererseits ist davon auszugehen, dass damit die immer komplexer werdenden Ziehprozesse in Zukunft nicht mehr ausreichend beherrschbar sind. Insbesondere können damit die immer zahlreicheren Stellmöglichkeiten an modernen Ziehpressen und damit gegebenenfalls Kostenreduzierungspotentiale nicht ausreichend genützt werden. In Zukunft werden vor allem folgende Faktoren zu anspruchsvolleren Ziehprozessen führen: Erhöhte Komplexibilität der Ziehteilgeometrie und/oder vermehrte Verwendung höher- und höchstfester Stähle und/oder Reduktionen von Blechstärken und/oder hoher Materialausnutzungsgrad sowie Einsparung von Ziehstufen.
-
Zudem ist aus der
DE 43 03 561 A1 ein Verfahren zur Ermittlung von Führungsgrößen für ein Prozessregelsystem zum Tiefziehen von Karosseriebauteilen bekannt, bei dem das Prozessverhalten numerisch simuliert wird. Dabei ist vorausgesetzt, dass es für den Prozess eine zu überwachende Größe gibt, welche über die Zeit einen charakteristischen, mit der Ergebnisqualität zusammenhängenden Verlauf aufweist. Ein Regler soll demnach dahingehend ausgelegt werden, dass über geeignete Veränderungen von Stellgrößen im laufenden Prozess einem solchen optimalen Verlauf gefolgt werden kann. Unter Verwendung von Bandverläufen der überwachten Größe wird auf deren „Empfindlichkeit” hinsichtlich der Ergebnisqualität geschlossen. Wie eine Regelung einen optimalen Verlauf der zu überwachenden Größe sicherstellen kann, ist nicht ausgeführt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Prozesssteuerung bei Tiefziehprozessen auf eine wissenschaftliche Basis zu stellen, wobei ein Abtriften des Prozesses aus einer optimalen Lage möglichst frühzeitig erkannt wird und Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein virtuelles Modell erstellt wird, in dem der Tiefziehprozess für ein Blechbauteil mittels einer FE-Simulation (Finite-Elemente-Simulation) als Umformsimulation abgebildet wird, wobei eine Mehrzahl von Einflussgrößen als Parameter berücksichtigt werden, die zu einer definierten Zielgröße als Bauteileigenschaft führen.
-
Auf dieser Basis wird weiter eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, mit der jeweils die Einflussstärke der berücksichtigen Einflussgrößen auf die Zielgröße ermittelt wird. Auf der Grundlage der Sensitivitätsanalyse wird weiter eine Reduktion von Einflussgrößen durchgeführt, dergestalt, dass Einflussgrößen mit einer vergleichsweise relativ geringen Einflussstärke nicht weiter berücksichtigt werden und damit in den weiteren Verfahrensschritten und Untersuchungen nur noch eine verbleibende Anzahl von n signifikanten Einflussgrößen verwendet wird, welche einen wesentlichen Einfluss auf die betrachtete Zielgröße haben.
-
In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein Ergebnisraum definiert, der durch die n signifikanten Einflussgrößen und eine betrachtete Zielgröße in n + 1 Dimensionen aufgespannt ist. In diesen Ergebnisraum werden Stützstellen für vorgegebene bestimmte Werte der Einflussgrößen als Prozessantwort generiert, wobei die Stützstellen virtuell mittels der Umformsimulation und/oder experimentell mittels einer Tryout-Presse ermittelt werden.
-
In einem dritten Verfahrensschritt wird die Prozessantwort basierend auf den einzelnen generierten Stützstellen in einem Metamodell für alle relevanten Werte der Einflussgrößen als n + 1 dimensionale durchgehende Topologie mittels mathematischer Modelle gebildet.
-
In einem vierten Verfahrensschritt wird das so erstellte Modell überprüft, indem in einer Crossvalidation die Stützstellen verwendet werden und/oder experimentelle Ergebnisse sowie gegebenenfalls Umformsimulationen für eine Überprüfung verwendet werden.
-
In einem fünften Verfahrensschritt wird auf der Grundlage der erhaltenen Topologie ein optimaler/robuster Betriebspunkt für einen Soll-Prozessbetrieb bestimmt, bei dem im Umfeld bei Änderungen der betrachteten Einflussgrößen möglichst geringe Änderungen der Prozessantwort auftreten.
-
Weiter wird in einem sechsten Verfahrensschritt eine Handlungs-/Regelstrategie für den Prozessbetrieb am ermittelten optimal/robusten Betriebspunkt festgelegt wird.
-
Erfindungsgemäß wird somit abgestützt auf den Resultaten von Umformsimulationen und den Erfahrungen aus der Werkzeug-Inbetriebnahme eine Prozessantwort generiert. Die Prozessantwort wird dabei in Abhängigkeit (in der virtuellen Sensitivitätsanalyse bestimmter) Einflussgrößen abgebildet und das Modell entsteht im Wesentlichen durch eine mathematische Approximation, der durch ermittelte Stützstellen angedeuteten Prozessantwort. Diese Stützstellen werden einerseits durch die Bewertung von Umform-Simulationsergebnissen und andererseits durch Messungen am Realprozess sowohl während der Werkzeugeinarbeit als auch gegebenenfalls in der Serienabpressung generiert. Diese Vorgehensweise stellt sicher, dass systematische Fehler aus der simulativ definierten Prozessantwort im Realitätsabgleich erkannt und korrigiert werden können. Regelstrategien können dabei unmittelbar aus der approximierten Prozessantwort gegebenenfalls über Gradientenfelder abgeleitet werden.
-
Im Unterschied zur
DE 43 03 561 A1 zielt das erfindungsgemäße Regelungsverfahren nicht auf eine Online-Kontrolle und Regelung von Zielgrößen während des Hubs ab sondern es wird ein phänomenologischer Ansatz gewählt, welcher ein Abtriften des Prozesses aus der optimalen Lage anhand der Ergebnisqualität frühzeitig erkennen und im laufenden Produktionsprozess durch Anpassen von Stellgrößen zwischen den Hüben korrigieren lässt. Dabei betrifft die Anweisung für den Eingriff auch Maßnahmen, die während des Hubs ergriffen werden müssen.
-
In einem siebten Verfahrensschritt werden zweckmäßig Informationen aus der Werkzeug-Inbetriebnahme in das Modell integriert und in einem achten Verfahrensschritt werden aus dem Modell abgeleitete Handlungs-/Regelstrategien in den Serienprozess integriert. Weiter wird in einem neunten Verfahrensschritt eine Anpassung des Modells an den laufenden Prozess durchgeführt, indem insbesondere Informationen aus der Serienabpressung als weitere Stützstellen verwendet werden.
-
Unter Verwendung der vorstehenden Verfahrensschritte wird eine zielgerichtete, vom Bediener unabhängige Prozesskontrolle erreicht. Weiter werden im Vorleisterbereich gewonnene Prozesskenntnisse bei der Regelung der Großserienproduktion berücksichtigt. Es wird eine quantifizierte Beurteilung der Ziehqualität und somit eine bedienerunabhängige objektive Bestimmung des Prozesszustandes möglich. Die effiziente, direkte Regelstrategie kann vorteilhaft den erfahrungsbasierten, bedienerabhängigen „Trial and Error”-Prozess bei der Suche nach dem robusten Betriebspunkt ersetzen.
-
Als Einflussgrößen können im Verfahren die Platinen-Einlaufgeschwindigkeit und/oder die Ziehstempelkraft und/oder der Ziehkraftverlauf und/oder der erzeugte Körperschall verwendet werden. Als Einflussgrößen, die die Platineneigenschaften vor der Umformung betreffen, können die Werkstofffestigkeit und/oder Blechdicke und/oder Oberflächenrauigkeit und/oder Schmierfilmdicke und/oder Viskosität des Schmiermittels herangezogen werden. Und als weitere pressenseitige Einflussgrößen können zudem Temperaturverteilungen in der Umformpresse sowie im Umformwerkzeug und auf dessen Oberfläche und/oder Veränderungen in der Steifigkeit des Umformmaschine-Werkzeug-Systems bei einem Pressenwechsel berücksichtigt werden.
-
Als Zielgrößen werden im Verfahren Bauteileigenschaften definiert, wie Rissgefahr, Abstreckung, Blechdickenreduktionen, Eigenspannungen, Faltenbildungen, Oberflächenqualitäten und Maßhaltigkeiten. Solche Zielgrößen können einzeln oder in Kombination quantifiziert werden. Ebenso können solche Zielgrößen für das gesamte Ziehteil oder lokal für einzelne Ziehteilbereiche bestimmt werden.
-
Als Grundlage zur Reduktion von Einflussgrößen nach der Sensitivitätsanalyse wird zweckmäßig die größte Einflussstärke einer zugeordneten Einflussgröße als 100%-Marke betrachtet, wobei dann die weiteren Einflussgrößen in einer Rangordnungsliste prozentual geringere Einflussstärken aufweisen. In einer solchen Liste kann dann eine bestimmte Einflussstärke als Schwelle, vorzugsweise von 10% festgelegt werden, wobei dann Einflussgrößen mit einer geringeren Einflussstärke bei den weiteren Untersuchungen nicht mehr berücksichtigt werden. Die Sensitivitätsanalyse mit einer Rangordnung der Einflussgrößen bezüglich ihrer Einflussstärken auf die Zielgröße kann mit an sich bekannten unterschiedlichen Methoden und Verfahren ausgeführt werden. Besonders geeignet ist die Erstellung einer Rangliste anhand von Regressions-Koeffizienten und/oder durch die Berechnung von Sobol-Koeffizienten und/oder mittels einer Hauptkomponentenzerlegung respektive Eigenwertzerlegung oder Spektralanalyse. Die Ergebnisse können wiederum experimentell mit einem Prototypenwerkzeug in einer Tryout-Presse überprüft werden.
-
Die Prozessantwort basierend auf den einzelnen generierten Stützstellen kann entsprechend dem dritten Verfahrensschritt mittels an sich allgemein bekannter mathematischer Verfahren gebildet werden. Besonders geeignet dazu sind Interpolationsverfahren, insbesondere entsprechend den Interpolationsformeln von Lagrange oder Newton. Bei der Interpolation schneidet das Ersatzteil jede Stützstelle und hat demnach an dieser ausgewerteten Stelle keinen Fehler. Alternativ können auch Approximationsverfahren, insbesondere nach dem Gaußschen-Prinzip der kleinsten Quadrate verwendet werden, wobei ein polynomialer Ansatz gewählt werden kann und die Fehlerquadrate, welche aus den Abständen zu den Stützstellen berechnet werden, minimiert werden.
-
Als Regelstrategie entsprechend dem sechsten Verfahrensschritt wird bevorzugt ein Gradientenfeld erstellt, wobei bei Abweichungen aus dem Soll-Prozesszustand ein Regeleingriff in Richtung der Gradienten zurück zum Soll-Prozesszustand durchgeführt wird. Dabei ist im laufenden Prozess festzustellen, an welcher Stelle des Gradientenfeldes sich die Einstellungen bzw. die Prozessantwort befinden. Will man dann in einen Soll-Prozesszustand regeln, welcher vorher definiert wurde, so ist der kürzeste Weg die Richtung der Gradienten. Werden relativ starke Abweichungen festgestellt, so sind Maßnahmen, welche die Prozessantwort in Richtung der Gradienten verändern, die effektivsten und stellen damit die kostengünstigste verbessernde Maßnahme dar.
-
Die Handlungs-/Regelstrategien entsprechen dem sechsten Verfahrensschritt können vorteilhaft direkt mit der Maschinen-/Pressensteuerung und/oder mit der Steuerung mechatronischer Werkzeuge gekoppelt werden oder sie können als Handlungsanweisungen an einen Bediener ausgegeben werden.
-
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 einen Prozessergebnisraum mit generierten Stützstellen und einer auf der Grundlage der Stützstellen approximierten Prozessantwort,
-
2 eine approximierte Prozessantwort mit vergrößerten Darstellungen im Bereich zweier Betriebspunkte,
-
3 ein Gradientenfeld, und
-
4 eine Prinzipskizze der metamodellbasierten Pressensteuerung.
-
In 1 ist beispielhaft ein dreidimensionaler Prozessergebnisraum 1 dargestellt für zwei Einflussgrößen als Parameter 1 und 2, beispielsweise für einen Reibungskoeffizienten und eine Blechhaltekraft, wobei in der Hochachse die Zielgröße aufgetragen ist. Im Prozessergebnisraum 1 sind drei Stützstellen 2a, 2b, 2c eingezeichnet, welche simulativ für jeweils Kombinationen der zwei Einflussgrößen ermittelt wurden. Diese Stützstellen können experimentell überprüft werden und/oder es können weitere Stützstellen mittels einer Tryout-Presse ermittelt werden, so dass tatsächlich in einem Stützstellenfeld mehr als die drei dargestellten Stützstellen vorliegen.
-
Weiter ist in 1 die auf der Basis der Stützstellen 2a, 2b, 2c mathematisch approximierte Prozessantwort, hier beispielhaft als dreidimensionale Antwortfläche 3 schematisch eingezeichnet.
-
Die tatsächliche Topologie einer realen Antwortfläche 3 ist in der Regel durch flache Aufwölbungen und Spitzen charakterisiert, wie dies in 2 an der dortigen Darstellung einer approximierten Prozessantwort gezeigt ist. Zusätzlich sind hier für eine zugeordnete Zielgröße Prozessgrenzen eingezeichnet, die wiederum simulativ und/oder experimentell ermittelt oder überprüft werden können. Im linken vergrößerten Teil von 2 ist eine relativ flache Wölbung der approximierten Prozessantwort herausgegriffen, die einen robusten Betriebspunkt darstellt, da ersichtlich Parameteränderungen in diesem Bereich nur zu relativ geringen Änderungen der Zielgröße führen. Dieser ermittelte robuste Betriebspunkt kann Grundlage für die eingezeichnete Regelstrategie sein, in dem hier bei Abweichungen Regelmaßnahmen durchgeführt werden.
-
In der rechten vergrößerten Darstellung in 2 ist dagegen eine gerundete Spitze der approximierten Prozessantwort dargestellt, welche offensichtlich einen instabilen Betriebspunkt darstellt, da hier bereits geringe Änderungen der Einflussgrößen bzw. der Parameter 1 und 2 zu großen Änderungen der Prozessantwort führen.
-
In 3 ist ein Gradientenfeld 12 einer beispielhaften Prozessantwort dargestellt, welches als Regelstrategie verwendet wird. Für einen optimalen Betriebszustand wurde der eingezeichnete robuste Betriebspunkt 4 entsprechend 2 ermittelt und festgelegt. Im laufenden Prozess wurde hier eine Abweichung von diesem Soll-Betriebszustand als Ist-Betriebszustand 5 ermittelt. Eine Rückführung in den optimalen Betriebszustand als Soll-Betriebszustand am robusten Betriebspunkt 4 erfolgt am effektivsten durch Maßnahmen, die dem Pfad 6 entlang der Gradientenpfeile folgen. Die Isolinien 7 stellen hier konstante Prozess-Output-Eigenschaften dar.
-
In der Prinzipskizze nach 4 ist schematisch eine Großraumtransferpresse 8 dargestellt, mit der beispielsweise Türblechbauteile 9 für eine Rohkarosserie hergestellt werden. Schematisch sind hier zwei Stellen 10a, 10b eingezeichnet, die automatisch mit einem Messsystem 11 hinsichtlich ihrer Ziehteileigenschaften überwacht werden.
-
Weiter ist in 4 das mittels der Umformsimulation und der Tryout-Presse ermittelte Prozessmodell entsprechend der Prozessantwort aus 1 dargestellt, wobei hier mit einer punktierten Fläche noch eine Rissgrenze eingezeichnet ist.
-
Dieses Prozessmodell ebenso wie Ergebnisse aus der Überwachung werden rechnergestützt (schematisch dargestellt durch eine Rechnertastatur und einen Bildschirm) für die Regelung/Steuerung der Großraumtransferpresse (8) verwendet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 4303561 A1 [0006, 0016]
