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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie auf eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Biegemaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Biegen von Rohren.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Bei der automatisierten Herstellung von zwei- oder mehrdimensional gebogenen Biegeteilen mit Hilfe numerisch gesteuerter Biegemaschinen werden die Bewegungen von Maschinenachsen einer Biegemaschine mit Hilfe einer Steuereinrichtung koordiniert angesteuert, um an dem Werkstück, beispielsweise einem Draht, einem Rohr, einer Leitung oder einem Stab, durch plastisches Umformen eine oder mehrere bleibende Biegungen zu erzeugen.
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In einem automatisierten Biegeprozess wird das Werkstück mit Hilfe einer Biegemaschine umgeformt, die einen Biegekopf mit einem Biegearm aufweist, der eine Einrichtung zum Angreifen an einem Endabschnitt des Werkstücks aufweist und mittels eines durch eine Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse drehbar ist. Die Einrichtung zum Angreifen kann beispielsweise ein Biegestift sein, der zum Biegen einseitig an den Endabschnitt angelegt wird. Biegestifte kommen z. B. beim Drahtbiegen zum Einsatz. Die Einrichtung zum Angreifen kann auch eine Spanneinrichtung zum Einspannen des Endabschnitts sein. Solche Spanneinrichtungen kommen häufig beim Biegen von Rohren mittels Rotationszugbiegen zum Einsatz.
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Beim Biegeprozess wird zunächst ein umzuformender Abschnitt des Werkstücks in eine Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs gebracht. Wenn vorkonfektionierte, bereit abgelängte Einzelwerkstücke gebogen werden sollen, können diese hierzu in die Biegemaschine eingelegt werden. Es ist auch möglich, von einem längeren Werkstückvorrat ein Stück geeigneter Länge durch eine Zufuhroperation in die Ausgangsstellung zu bewegen. Danach wird die Einrichtung zum Angreifen in Kontakt mit dem Endabschnitt gebracht. Das kann je nach Konstruktion der Maschine z. B. durch einseitiges Anlegen eines Biegestifts an den Endabschnitt geschehen oder dadurch, dass der Endabschnitt mittels einer Spanneinrichtung eingespannt wird, indem z. B. der Endabschnitt zwischen einer Spannbacke der Spanneinrichtung und einer Biegeform fixiert wird. Die Außenkontur der Biegeform kann dabei die Innenkontur der Biegung stabilisieren und deren Radius genau vorgeben. Eine Biegeoperation ohne Biegeform ist auch möglich. Danach wird in einer Biegeoperation durch Drehen des Biegearms um die Biegeachse eine Biegung zwischen einem zufuhrseitigen Abschnitt des Werkstücks und dem Endabschnitt erzeugt.
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Die relative Orientierung des Endabschnitts gegenüber dem zufuhrseitigen Abschnitt wird üblicherweise durch den „Biegewinkel” beschrieben. Dieser ist für die Zwecke dieser Anmeldung definiert als derjenige Winkel, den eine senkrecht zur neutralen Faser des zufuhrseitigen Abschnitts stehende Ebene mit einer senkrecht zur neutralen Faser des Endabschnitts stehenden Ebene einschließt. Gemäß einer alternativen Definition ist der Biegewinkel der Winkel zwischen den verlängerten Mittelachsen des zufuhrseitigen Abschnitts und des Endabschnitts. Die Größe des Biegewinkels entspricht im idealisierten Fall dem Drehwinkel, den der Biegearm zur Erzeugung der gewünschten Biegung zurücklegt.
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Beim Biegen metallischer Werkstoffe federt der umgebogene Endabschnitt nach einem Biegevorgang aufgrund des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens um einen gewissen Winkelbetrag zurück, der in der Regel als Rückfederungswinkel bezeichnet wird. Die Rückfederung wird üblicherweise dadurch kompensiert, dass das Werkstück bei der Biegeoperation über den für das fertige Biegeteil angestrebten Soll-Biegewinkel hinaus überbogen wird. Man versucht dabei, das Ausmaß des Überbiegens, das durch den Überbiegewinkel beschrieben werden kann, so zu steuern, dass nach der Rückfederung der gewünschte Soll-Biegewinkel vorliegt.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Ausmaß der Rückfederung aufgrund von Schwankungen bei der Materialbeschaffenheit des Werkstücks (Werkstofffestigkeit, Wanddickenschwankungen bei Rohren etc.) von Werkstück zu Werkstück bzw. von Werkstückabschnitt zu Werkstückabschnitt variieren kann, was auch zu Streuungen bei der Rückfederung und bei der Form der fertig gestellten Biegeteile führen kann. Insbesondere bei geschweißten, ungeglühten Rohren und/oder bei Werkstücken aus hochfesten Stahlwerkstoffen kann es aufgrund von Unterschieden der Werkstückeigenschaften zwischen den einzelnen Werkstücken einer Serie zu erheblichen Streuungen des Ist-Biegewinkels bei ansonsten gleichen Biegebedingungen kommen.
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Liegt nach der Biegeoperation der angestrebte Soll-Biegewinkel noch nicht mit ausreichender Genauigkeit vor, wird in der Regel eine Nachbiegeoperation durchgeführt, um den tatsächlichen Biegewinkel (Ist-Biegewinkel) ausreichend nahe an den angestrebten Soll-Biegewinkel anzunähern. Genauigkeitsanforderungen für den Soll-Biegewinkel liegen in manchen Fällen unterhalb eines Zehntelgrades.
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In Kenntnis dieser Grundlagen sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden, Biegeprozesse dahingehend zu optimieren, dass die Geometrie des Biegeteils nach Abschluss des Biegevorgangs möglichst gut mit dem Soll-Geometrie übereinstimmt. Da traditionell die Form eines fertig gebogenen Biegteils häufig anhand einer Lehre (gauge) überprüft wird, spricht man bei Biegeteilen, deren Form innerhalb der Toleranzen mit der gewünschten Soll-Form übereinstimmt, von „lehrenhaltigen Gutteilen”. Der Begriff „lehrenhaltiges Gutteil” steht hier auch für Gutteile, bei denen Abweichungen von der Soll-Geometrie nicht mittels einer Lehre, sondern auf andere Weise festgestellt werden, z. B. über Messgeräte wie Kameras, Winkelmessgeräte o. dgl.
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Die internationale Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer
WO 2005/016567 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen des Rückfederwertes eines in einer Biegemaschine mit zumindest einem Biegearm gebogenen Werkstücks. Bei dem Verfahren wird nach dem Biegen des Werkstücks der zumindest eine Biegearm entgegen der Biegerichtung bis zur entspannungsfreien Lage des gebogenen Werkstücks zurück bewegt, wobei hierdurch der Rückfederwert gemessen, insbesondere ermittelt wird. Dann kann über den tatsächlich ermittelten Rückfederwert Einfluss auf das Nachbiegen genommen werden, mit dem eine Abweichung vom angestrebten Soll-Biegewinkel beseitigt werden soll.
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Die
EP 0 384 477 B1 beschreibt eine Rohrbiegemaschine mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Rückfederung und des Nachbiegewinkels nach dem Freilassen eines nicht gebogenen Rohrschenkels. Das Rohr wird dabei in die Maschine eingelegt, mittels einer Spannvorrichtung an dem Biegewerkzeug fixiert, dessen anfängliche Ausrichtung bestimmt wird und das nach dem Biegen des Rohres um einen Sollwinkel so weit zurückgedreht wird, bis der nichtgebogenen Rohrschenkel kräftefrei wieder seine anfängliche Ausrichtung eingenommen hat. Der zugehörige Winkel, um den das Biegewerkzeug zurückgedreht wurde, wird gemessen und das Rohr wird um diesen Winkel nachgebogen. Die Messeinrichtung hat einen schwenkbaren Tastarm, welcher zur Anlage an den nicht gebogenen Rohrschenkel gebracht wird, sowie einen drehfest mit dem Tastarm verbundenen Zeiger. Der Tastarm und der Zeiger sind um eine parallel zur Biegeachse verlaufende Achse drehbar.
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Das Gebrauchsmuster
DE 297 18 648 U1 beschreibt eine Biegemaschine zum Biegen eines Rohres, welche ein um eine Biegeachse verschwenkbares Biegewerkzeug mit einer Spanneinrichtung zum Halten des zu biegenden Rohrschenkels sowie einer Halterung aufweist, die ein Widerlager zur Abstützung des sich zufuhrseitig an den zu biegenden Rohrschenkel anschließenden Rohrabschnitts aufweist. Die Biegemaschine ist mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Rückfederung des Rohrabschnitts nach dem Biegen ausgestattet. Die Spanneinrichtung ist mit einem Öffnungsweg zum Freigeben des gebogenen Rohrschenkels um mindestens die Rückfederung des gebogenen Rohrschenkels bei gleichzeitiger Halterung und Lagebeibehaltung des andern Rohrabschnitts ausgebildet. Die Messeinrichtung hat einen am zu biegenden bzw. gebogenen Rohrabschnitt ansetzbaren Messfühler zur Übertragung der Schwenklage um die Biegeachse einerseits des eingespannten und andererseits des von der Spanneinrichtung freigegebenen Rohrschenkels. Außerdem hat die Messeinrichtung einen Drehweggeber, der einerseits mit dem Biegewerkzeug und andererseits mit dem am Rohrabschnitt ansetzbaren Messfühler verbunden ist.
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Die
EP 0 928 647 A2 beschreibt eine Rohrbiegemaschine mit einer taktilen Messeinrichtung zur Messung des durch den Biegevorgang tatsächlich erzeugten Ist-Biegewinkels.
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Die
DE 10 2009 003 950 A1 (entsprechend
US 7,584,637 ) beschreibt ein Verfahren zum Biegen eines Metallgegenstandes und eine dazu geeignete Biegemaschine, die eine Messvorrichtung hat, welche dazu dient, wirkliche Biegkoordinaten der gebogenen Metallgegenstände zu messen. Auf Basis der Messung kann ein darauf folgender Biegevorgang gesteuert werden. Als Messeinrichtung ist bei einer Ausführungsform eine Kamera vorgesehen.
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In der
EP 1 916 498 B1 sind weitere Verfahren zur Messung und/oder Korrektur der Werkstückform nach dem Umformen durch Biegen beschrieben.
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Die
WO 87/01625 beschreibt eine Rohrbiegemaschine und ein Rohrbiegeverfahren, bei dem der Biegearm zur Messung des erzielten Biegewinkels nach Rückfederung des gebogenen Rohrabschnitts benutzt wird. Nach der Biegeoperation wird der gebogene Endabschnitt zunächst von der Spanneinrichtung freigegeben. Dann wird der Biegearm durch Hochklappen von Tasterfingern zu einer Messvorrichtung umgerüstet. Durch Verschwenken des Biegearms und Anlegen der Tasterfinger an den gebogenen Endabschnitt kann der erzielte Biegewinkel mit Hilfe des Biegearms ermittelt werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück, insbesondere aus einem Rohr, bereitzustellen, das es erlaubt, aus Werkstücken mit ggf. schwankenden Materialeigenschaften in einem automatisierten Biegeprozess mit hoher Zuverlässigkeit lehrenhaltige Biegeteile herzustellen. Die hohe Präzision des Biegeprozesses soll vorzugsweise mit relativ geringem apparativen Aufwand erzielbar sein. Es ist eine weitere Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Biegemaschine bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgaben stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie eine Biegemaschine mit den Merkmalen von Anspruch 9 bereit.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei dem Verfahren wird zur Ermittlung des Ist-Biegewinkels der Biegearm in eine Messstellung gebracht, in der ein Element des Biegearms in Kontakt (Berührungskontakt) mit dem Endabschnitt steht. Ein Gebersignal, welches die Drehstellung des Biegearms in der Messstellung repräsentiert, wird zur Bestimmung des Ist-Biegewinkels verarbeitet. Der Begriff „Gebersignal” bezeichnet hierbei das Signal eines Sensors zur Erfassung der Position (Absolutgeber) oder Positionsänderung (Inkrementalgeber) eines Maschinenelements. Das Maschinenelement kann der Biegearm selbst oder ein mit dem Biegearm gekoppeltes Maschinenelement sein. Vorzugsweise wird das Gebersignal eines Drehgebers zur Erfassung einer Winkelposition oder Winkeländerung eines drehbaren Maschinenelements erfasst und ausgewertet. Gegebenenfalls kann auch die Position oder Positionsänderung eines linear verschiebbaren Maschinenelements durch einen Weggeber erfasst und ausgewertet werden.
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Bei diesem Verfahren wird somit der Biegearm als Teil einer Messeinrichtung zur Bestimmung des Ist-Biegewinkels verwendet. Da der Biegearm für die Messung in Kontakt mit dem umgebogenen Endabschnitt steht, wird ein Messverfahren realisiert, bei dem die Drehstellung des Biegearms über mindestens einen Geber erfasst wird. Auf eine gesonderte Messeinrichtung, z. B. mit gesondertem Taster oder mit Kamera o. dgl, kann daher verzichtet werden.
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Für die Bestimmung des Ist-Biegewinkels steht der Biegearm in der Messstellung, die durch die Orientierung des umgebogenen Endabschnitts vorgegeben ist. Bei Biegearmen mit Spanneinrichtung wird das Element des Biegearms, welches in der Messstellung in Kontakt mit dem Endabschnitt steht, vorzugsweise durch ein Element der Spanneinrichtung gebildet, insbesondere durch eine Spannbacke, mit der der Endabschnitt während des Biegevorgangs an eine Biegeform gedrückt wird. Das Element kann jedoch auch durch ein von der Spanneinrichtung gesondertes Element gebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen kann ein Biegestift das Element sein, welches in der Messstellung in Kontakt mit dem Endabschnitt steht.
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Bei der beanspruchten Erfindung verbleibt die Einrichtung zum Angreifen an dem Endabschnitt (z. B. Spanneinrichtung oder Biegestift) nach dem Ende der Biegeoperation in Eingriffstellung mit dem eingespannten Endabschnitt und der Biegeantrieb wird zur Bestimmung des Ist-Biegewinkels derart freigegeben, dass der Biegearm durch das sich entspannende Werkstück in die Messstellung gedreht wird. Damit kann der Biegearm der Bewegung des sich entspannenden Werkstücks weitgehend ohne die Ausübung von störenden Gegenkräften oder Gegenmomenten folgen. Der Begriff „Freigeben” beschreibt hier insbesondere eine Situation, bei der die maschinenseitig aufgebrachten Momente am Biegearm kleiner sind als die durch das sich entspannende Werkstück aufgebrachten Momente. Umfasst ist auch die Möglichkeit, die für die Biegung zuständige Maschinenachse bzw. den Biegeantrieb so zu beaufschlagen, dass die Selbsthemmung von Antrieb, Getriebe und dergleichen bzw. sonstige Einflüsse, wie Schwerkraft, in Richtung der Rückfederung neutralisiert sind. Insoweit kann der Biegearm in eine Schwimmstellung gebracht werden, in der er der Bewegung des Endabschnitts ohne Beeinträchtigung dieser Bewegung folgen kann.
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Bei der Biegeoperation wird der Endabschnitt zunächst unter Einwirkung eines Biegemoments relativ zu dem zufuhrseitigen Abschnitt bezogen auf einen Soll-Biegewinkel in eine Biegerichtung um einen Überbiegewinkel überbogen. Dadurch soll die unvermeidliche Rückfederung teilweise oder vollständig kompensiert werden. Nach diesem Überbiegen kann unmittelbar das „Freigeben” der Biegeachse gegebenenfalls in Kombination mit einer kontrollierten Rückführung in den entspannten Zustand folgen.
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Eine Messung des Ist-Biegewinkels kann unmittelbar nach Abschluss des Freigebens erfolgen, also dann, wenn die durch das unter Spannung stehende Biegeteil bewirkte Rückwärtsbewegung entgegen der ursprünglichen Biegerichtung abgeschlossen und der Biegearm in Ruhe ist. Hierdurch kann die tatsächliche Rückbiegung auf einfache Weise ermittelt werden.
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Vorzugsweise weist der mit dem Biegearm gekoppelte Biegeantrieb einen an die Steuereinrichtung angeschlossenen Drehgeber auf und ein Gebersignal dieses Drehgebers wird zur Bestimmung des Ist-Biegewinkels verarbeitet. Diese Variante kann bei numerisch gesteuerten Biegemaschinen, bei denen zumindest die Maschinenachse zur Verschwenkung des Biegearms als geregelte Maschinenachse mit einem Drehgeber zur Rückkopplung des tatsächlichen Drehwinkels ausgestattet ist, ohne konstruktiven Zusatzaufwand als reine Softwarelösung realisiert werden. Der Drehgeber, mit dem die Drehstellung des Biegearms in der Messstellung erfasst wird, muss jedoch nicht zwingend in den Biegeantrieb integriert sein. Vielmehr kann ein vom Biegeantrieb gesonderter Drehgeber vorgesehen sein, der an geeigneter Stelle angebracht ist, um die Drehstellung eines mit dem Biegearm schlupffrei gekoppelten Elements des Antriebsstrangs für den Biegearm zu erfassen.
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Bei Biegemaschinen, deren Biegearm eine Spanneinrichtung zum Einspannen des Endabschnitts aufweist, sind besondere Verfahrensvarianten möglich. In diesen Fällen kann nämlich der Biegearm in beiden Drehrichtungen ein Biegemoment auf den Endabschnitt ausüben.
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Bei einer Verfahrensvariante wird so vorgegangen, dass nach dem Überbiegen der Biegearm durch den Biegeantrieb entgegen der ersten Biegerichtung so weit zurückgedreht wird, bis an dem Biegearm ein zum (ursprünglichen) Biegemoment gegensinniges Gegenmoment anliegt, so dass der Endabschnitt ein in die ursprüngliche Biegerichtung wirkendes Moment auf den Biegearm ausübt. Dieser Vorgang wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als „Freifahren” bezeichnet. Bei diesem Freifahren erfolgt ein aktives Zurückbiegen des Werkstücks zunächst über seine voll entspannte Lage hinaus. Danach kann der Biegearm dann durch das sich entspannende Werkstück in die ursprüngliche Biegerichtung bis in die Messstellung gedreht werden. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch häufig noch genauere Messergebnisse erzielbar sind.
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Beim aktiven Zurückbiegen kann das Ausmaß des Zurückbiegens so gesteuert werden, dass das Werkstück lediglich im elastischen Bereich verformt wird. Gegebenenfalls ist jedoch auch in geringem Ausmaß eine plastische Deformation beteiligt. In diesen Fällen wird das Zurückdrehen entgegen der Biegerichtung so gesteuert, dass unter Einwirkung des Gegenmoments das Werkstück in geringem Maß plastisch deformiert wird. Es wurde in Versuchsreihen festgestellt, dass durch dieses aktive Zurückbiegen in der Regel ein besserer Spannungszustand im fertigen Werkstück erhalten werden kann, so dass dieses auch über längere Zeit seine Form behält. Das Zurückbiegen kann somit zu einer „künstlichen Alterung” des gebogenen Werkstücks führen, welche dann nach Abschluss des Biegeprozesses seine Form besser behält als konventionell hergestellte Biegeteile. Das geeignete Ausmaß des Zurückbiegens ist stark von den Materialeigenschaften, den Biegewinkeln, den Biegewerkzeugen etc abhängig und kann vorab durch Versuche ermittelt werden.
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Der Verfahrensschritt des „Freifahrens” bzw. das aktive Zurückbiegen kann unabhängig von den sonstigen Merkmalen der Biegeoperation und der Bestimmung des Ist-Biegewinkels auch bei anderen Verfahren nützlich sein.
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Um eine exakte Ermittlung des Ist-Biegewinkels zu ermöglichen, wird eine Messsituation angestrebt, in der das umgeformte Werkstück möglichst wenig von äußeren Kräften belastet ist, so dass die relative Orientierung zwischen Endabschnitt und zufuhrseitigem Abschnitt am kräftefreien Werkstück ermittelt werden kann. Um auch die Lage des zufuhrseitigen Abschnitts für die Bestimmung des Ist-Biegewinkels möglichst genau zu definieren, wird bei bevorzugten Ausführungsformen eine Gleitschieneneinrichtung genutzt, die bei bevorzugten Biegemaschinen zur Führung des zufuhrseitigen Abschnitts während der Biegeoperation als Widerlager dient. Bei der Verfahrensvariante wird die Gleitschieneneinrichtung nach Ende der Biegeoperation (vor der Bestimmung des Ist-Biegewinkels) zunächst entlastet und danach zur Fixierung des zufuhrseitigen Abschnitts für die Bestimmung des Ist-Biegewinkels wieder an den zufuhrseitigen Abschnitt angedrückt. Bei der zwischenzeitlichen Entlastung der Gleitschieneneinrichtung kann sich das Werkstück voll entspannen. Wird danach die Gleitschieneneinrichtung wieder an den zufuhrseitigen Abschnitt angedrückt, so ist dessen Lage in Bezug auf das maschinenfeste Koordinatensystem genau festgelegt. Da auch die Drehstellung des Biegearms in Bezug auf das maschinenfester Koordinatensystem steht, kann somit durch die Bestimmung der Drehstellung des Biegearms in der Messstellung eine exakte Bestimmung des Ist-Biegewinkels erfolgen.
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Für die Fixierung des zufuhrseitigen Abschnitts bei der Bestimmung des Ist-Biegewinkels ist es nicht erforderlich, die Gleitschieneneinrichtung mit derjenigen Kraft an den zufuhrseitigen Abschnitt anzudrücken, die während der Biegeoperation aufgebracht wird. Es hat sich vielmehr gezeigt, dass genauere Ergebnisse dann erzielt werden können, wenn die Gleitschieneneinrichtung nur mit einem Bruchteil dieser während der Biegeoperation aufgebrachten Kraft angedrückt wird, beispielsweise mit weniger als 50% oder weniger als 20% dieser Kraft, insbesondere mit ca. 10% der Kraft. Diese Kräfte reichen in der Regel aus, um den zufuhrseitigen Abschnitt für die Bestimmung des Ist-Biegewinkels zu stabilisieren.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Biegemaschine zur Herstellung eines Biegeteils aus einem langgestreckten Werkstück, insbesondere aus einem Rohr, wobei die Biegemaschine einen Biegekopf mit einem Biegearm aufweist, der eine Einrichtung zum Angreifen an einen Endabschnitt des Werkstücks aufweist und mittels eines durch eine Steuereinrichtung gesteuerten Biegeantriebs um eine Biegeachse drehbar ist. Die Biegemaschine ist zur Durchführung des Verfahrens konfiguriert.
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Bei manchen modernen Biegemaschinen, insbesondere bei solchen mit geregelten Maschinenachsen und Servoantrieben, kann die Erfindung mit den bereits vorhandenen Antrieben und Steuerungen umgesetzt werden. Die Fähigkeit zur Ausführung von Ausführungsformen der Erfindung kann in Form zusätzlicher Programmteile oder Programmmodule in die Steuerungssoftware von computergestützten Steuereinrichtungen implementiert werden.
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Daher betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Computerprogrammprodukt, welches insbesondere auf einem computerlesbaren Medium gespeichert oder als Signal verwirklicht ist, wobei das Computerprogrammprodukt, wenn es in den Speicher eines geeigneten Computers geladen und von einem Computer ausgeführt ist bewirkt, dass der Computer bzw. eine durch den Computer gesteuerte Maschine ein Verfahren gemäß der Erfindung bzw. einer bevorzugten Ausführungsform hiervon durchführt.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf den Biegekopf einer Einkopfbiegemaschine zum Biegen von Rohren durch Rotationszugbiegen;
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2 zeigt den Biegekopf aus 1 nach Einspannen des Rohres vor Beginn der ersten Biegebewegung;
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3 zeigt den Biegekopf aus 1 am Ende einer ersten Biegebewegung (Überbiegen);
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4 zeigt den Biegekopf aus 1 am Ende einer entgegen der ersten Biegebewegung gerichteten Rückbewegung mit aktivem Zurückbiegen des Rohres (Freifahren); und
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5 zeigt den Biegekopf aus 1 nach Freigeben des Biegeantriebs und Rückfedern in die Messstellung des Biegearms.
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DETAILL IERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer computernumerisch gesteuerten Rohrbiegemaschine erläutert, die für das Ziehbiegeverfahren (auch Rotationszugbiegen genannt) eingerichtet ist. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf den Biegekopf 100 einer Einkopfbiegemaschine. Sie ist als Rohrbiegemaschine dafür ausgelegt, ein langgestrecktes Werkstück 110 in Form eines Rohres mit rundem Querschnitt durch Kaltverformen mit einer oder mehreren Biegungen zu versehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel hat die Biegemaschine ein mit Kleinbuchstaben x, y und z gekennzeichnetes, rechtwinkliges Maschinenkoordinatensystem MK mit einer vertikalen z-Achse und horizontalen x- und y-Achsen. Im dargestellten Beispiel verläuft die x-Achse parallel zur Werkstückachse 112 des noch ungebogenen Werkstücks. Von den Koordinatenachsen sind die später noch erläuterten, geregelt angetriebenen Maschinenachsen zu unterscheiden, die jeweils mit Großbuchstaben (z. B. C, V, L, P und Y) bezeichnet werden.
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Zur Erzeugung einer Biegung wird ein zunächst gerader Werkstückabschnitt in die gezeigte Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs 100 gebracht. Bei Werkstücken mit relativ großem Durchmesser bzw. großem Querschnitt liegt das Werkstück häufig vor dem Biegen bereits in abgelängter Form als vorkonfektioniertes Werkstück vor und wird manuell oder maschinell in die Biegemaschine eingelegt. Bei dünneren Querschnitten wird häufig von einem längeren Werkstückvorrat (coil) gearbeitet, und es ist eine gesonderte (nicht dargestellte) Zufuhreinrichtung vorgesehen, mit der ein umzuformender Werkstückabschnitt parallel zu einer Zufuhrrichtung oder Vorschubrichtung in die Ausgangsstellung befördert wird. Die Maschinenachse für die Zufuhr wird als C-Achse bezeichnet, sie hat einen Motor MC. In der gezeigten Ausgangsstellung verläuft die Werkstückachse 112 des ungebogenen Werkstücks geradlinig, parallel zu einer Zufuhrrichtung.
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Der Biegekopf hat einen Biegearm 120, der gegenüber dem Maschinengestell um eine parallel zur z-Achse des Maschinenkoordinatensystems verlaufende Biegeachse 125 drehbar bzw. verschwenkbar ist. Die zugehörige Maschinenachse wird hier als Y-Achse bezeichnet und umfasst einen Biegeantrieb MY in Form eines elektrischen Servomotors. Dieser ist über einen Antriebsstrang schlupffrei mit dem Biegearm 120 gekoppelt.
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Zu dem Biegearm gehört eine Spanneinrichtung 130, die mit diesem verschwenkbar ist und als Einrichtung zum Angreifen an dem Endabschnitt dazu dient, einen Endabschnitt 115 des Werkstücks für die Biegeoperation einzuspannen. Zur Spanneinrichtung gehört eine auf dem Biegearm senkrecht zur Werkstücklängsrichtung linear verfahrbare Spannbacke 135, die auf der dem Werkstück zugewandten Seite eine konkav zylindrische Aufnahmekontur zum Anlegen an den zylindrischen Endabschnitt hat. Die zugehörige Maschinenachse wird als P-Achse bezeichnet und hat als Antrieb einen Elektromotor MP, der eine Kugelumlaufspindel dreht. Diese Spindel trägt eine Spindelmutter, die die Kugeln trägt und sich bei Drehung der Spindel in deren Längsrichtung bewegt. Die Spindelmutter ist an einem linear verfahrbaren Schlitten befestigt, welcher die Spannbacke trägt.
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Beim Einspannen drückt die in Richtung Werkstück bewegte Spannbacke das Werkstück an eine konkav zylindrisch konturierten, geraden Abschnitt 142 (Spannbereich) einer Biegeform 140, die koaxial mit dem Biegearm um die Biegeachse 125 drehbar ist und anschließend an den Spannbereich über einen großen Teil ihres Umfangs rund ist. Die Biegeform kann fest mit dem Biegearm verbunden sein. Es ist jedoch auch möglich, dass für die Biegeform ein vom Biegeantrieb gesonderter Antrieb vorgesehen ist, um die Drehstellung der Biegeform relativ zur Drehstellung des Biegearms zu verändern. Durch die Außenkontur der Biegeform wird die Innenkontur des gebogenen Werkstücks im Bereich der erzeugten Biegung vorgegeben und stabilisiert.
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Zur Stabilisierung des zufuhrseitigen Abschnitts 118 des Werkstücks 110 während der Biegeoperation ist eine Gleitschieneneinrichtung mit einem Gleitschienenelement 150 vorgesehen, das sich bei der Biegeoperation nicht mit dem Biegearm bewegt. Die Gleitschieneneinrichtung hat zwei lineare Maschinenachsen, nämlich die V-Achse und die L-Achse mit zugehörigen elektromotorischen Antrieben MV bzw. ML. Die L-Achse bewirkt eine horizontale Translation des Gleitschienenelements 150 parallel zur x-Achse des Maschinenkoordinatensystems bzw. parallel zur Zufuhrrichtung, die V-Achse eine horizontale Linearbewegung senkrecht dazu und parallel zur y-Achse. An der dem Werkstück zugewandten Seite des Gleitschienenelements 150 ist eine konkav zylindrische Aufnahmekontur vorgesehen, die beim Vorschub des Gleitschienenelementes Richtung Werkstück den zufuhrseitigen Abschnitt 118 halbseitig umgreift und auf relativ großer Länge stabilisiert. Die Linearbewegung parallel zur Achsrichtung des zufuhrseitigen Abschnitts (L-Achse) wird beim Biegevorgang genutzt.
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Sämtliche Antriebe für die Maschinenachsen sind elektrisch an eine Steuereinrichtung 180 angeschlossen, die unter anderem die Leistungsversorgung für die Antriebe, eine zentrale Rechnereinheit und Speichereinheiten enthält. Mit Hilfe der in der Steuereinrichtung aktiven Steuerungssoftware werden die Bewegungen sämtlicher Maschinenachsen variabel gesteuert, um eine koordinierte Bewegung der am Biegevorgang beteiligten Elemente zu erzeugen. Eine an die Steuereinrichtung angeschlossene Anzeige- und Bedieneinheit 190 dient als Schnittstelle zum Maschinenbediener.
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Die Motoren für Linearbewegungen können jeweils Servomotoren oder elektrische Linearantriebe (Direktantriebe) sein, für die Drehbewegung sind Servoantriebe bzw. Servomotoren vorgesehen, die auch als Direktantriebe, z. B. als Torquemotoren, ausgeführt sein können. Einige oder alle Maschinenachsen können als geregelte Maschinenachsen ausgelegt sein und einen entsprechenden Geber (Drehgeber, Positionsgeber) enthalten, der an die Steuereinrichtung angeschlossen ist und die tatsächlich durch Ansteuerung erreichte Position zur Steuereinrichtung rückmeldet. Der an die Steuereinrichtung 180 angeschlossene Drehgeber 128 des Biegeantriebs MY ist schematisch gezeigt. Er kann direkt die Drehstellung der Welle des Servomotors erfassen oder aber die Drehstellung eines mit dieser Welle schlupffrei gekoppelten Drehelementes des Antriebsstrangs für den Biegearm.
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Anhand der 1 bis 3 werden nun die ersten Phasen einer Biegeoperation erläutert. Zunächst wird derjenige Abschnitt des Werkstücks, in welchem eine Biegung erzeugt werden soll, in seiner Ausgangsstellung im Eingriffsbereich des Biegekopfs 100 gebracht. Danach wird der Endabschnitt 115 mittels der Spanneinrichtung 130 eingespannt, indem die Spannbacke 135 in Richtung Werkstück vorgeschoben und dadurch das Werkstück an die Außenkontur der Biegeform 140 angedrückt wird. Hierdurch wird der Endabschnitt zwischen Spannbacke und Biegeform eingeklemmt, jedoch ohne die Querschnittsform plastisch zu verformen. In Richtung Werkstückachse 112 liegt ein großflächiger Reibschluss vor, so dass das Werkstück in seiner Längsrichtung unbeweglich fixiert ist.
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Zeitgleich oder zeitlich versetzt zum Vorfahren der Spannbacke wird das Gleitschienenelement 150 mittels der V-Achse in die Eingriffsstellung am Werkstück gebracht. Die danach vorliegende Konfiguration ist in 2 dargestellt.
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Danach beginnt die Biegeoperation damit, dass der Biegeantrieb Y aktiviert wird, um den Biegearm 120 und die Biegeform 140 in einer ersten Biegebewegung um die Biegeachse 125 in Biegerichtung 127 zu verschwenken. Dabei wird zwischen dem zufuhrseitigen Abschnitt 118 und dem eingespannten Endabschnitt 115 am Werkstück eine Biegung 117 erzeugt, deren Krümmungsmittelpunkt bei der Biegeachse 125 liegt und deren Innenkontur durch die Außenkontur der Biegeform bestimmt wird. Durch diesen Biegevorgang wird der zufuhrseitige Abschnitt parallel zur x-Achse in Richtung Biegekopf gezogen. Diese Zufuhrbewegung wird durch gleichzeitige Aktivierung der L-Achse unterstützt, die das Gleitschienenelement 150 der Gleitschieneneinrichtung parallel zur x-Achse bzw. zur Vorschubrichtung mit der Bewegungsgeschwindigkeit des zufuhrseitigen Abschnitts verschiebt. Dieser behält dadurch seine gerade Form. Neben der Biegebewegung und der Gleitschienenbewegung parallel zur Werkstückachse wird auch der Werkstückvorschub (C-Achse) aktiviert.
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Im Beispielsfall soll am Werkstück eine Biegung mit einem Biegewinkel von 90° (Soll-Biegewinkel) erzeugt werden. Der Biegewinkel BW ist dabei definiert als derjenige Winkel, den eine senkrecht zur neutralen Faser des zufuhrseitigen Abschnitts 118 stehende Ebene 118E mit einer senkrecht zur neutralen Faser des Endabschnitts 115 stehende Ebene 115E einschließt.
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Aufgrund des elastisch-plastischen Verhaltens des metallischen Werkstoffs wird das Werkstück zunächst um einen Überbiegewinkel ÜW überbogen, wobei der Überbiegewinkel hier definiert ist als der Differenzwinkel zwischen dem Soll-Biegewinkel und dem beim Überbiegen erreichten Biegewinkel. Im Beispielsfall von 3 beträgt der erste Drehwinkel des Biegearms zwischen der Ausgangsstellung mit ungebogenem Werkstück (2) und der Drehstellung beim Überbiegen (3) ca. 95° und dementsprechend der Überbiegewinkel ca. 5°.
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Die Größe des Überbiegens, d. h. der Überbiegewinkel bzw. der erste Drehwinkel, kann über die Software werkstückspezifisch berechnet werden, z. B. auf Basis von Werkstückparametern wie Wandstärke, Durchmesser und E-Modul. In einem Speicher der Steuerung kann eine Kennlinie aufgezeichnet bzw. hinterlegt sein, die den Zusammenhang zwischen dem am Werkstück gewünschten Biegewinkel (Soll-Biegewinkel) und dem zu seiner Erzeugung nötigen, von der Biegeachse zu fahrenden ersten Drehwinkel angibt. Die Kennlinie kann zunächst aufgrund von Werkstückparametern ermittelt und dann vom Anwender bei Bedarf noch manuell angepasst werden. Alternativ kann der Überbiegewinkel auch iterativ ermittelt werden.
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Bei manchen Ausführungsformen wird eine automatische Anpassung (Korrektur) der Kennlinie vorgenommen, wenn das Ergebnis der Messung zeigt, dass der auf Basis der aktuellen Kennlinie ermittelte erste Drehwinkel nicht mit ausreichender Genauigkeit zum gewünschten Soll-Biegewinkel führt, wenn also die Differenz zwischen dem gemessenen Ist-Biegewinkel und dem Soll-Biegewinkel eine vorgebbare Grenze übersteigt. Es ergibt sich dadurch eine dynamisch veränderbare Kennlinie, wobei die Steuerung der Biegemaschine von jedem Biegevorgang für den darauf folgenden „lernen” kann. Dadurch können beispielsweise allmähliche Änderungen von Werkstückeigenschaften kontinuierlich kompensiert werden.
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Nach dem Überbiegen werden der Biegearm 120 und die Biegeform 140 synchron entgegen der Biegerichtung 127 der ersten Biegebewegung mit Hilfe des Biegeantriebs MY in eine Gegenrichtung 123 zurückgeschwenkt, bis am Biegeantrieb bzw. am Biegearm ein zum ursprünglichen Biegemoment gegensinniges Gegenmoment anliegt. Bei diesem sogenannten „Freifahren” werden gleichzeitig auch die Gleitschiene 135 und das Werkstück 110 ein Stück zurückgefahren. Am Ende dieser Freifahrbewegung ist der aktuell am eingespannten Werkstück vorliegende Biegewinkel kleiner als der Soll-Biegewinkel. Bei der Freifahrbewegung wird also vom Biegearm ein Drehwinkelintervall zurückgelegt, das größer als das Überbiegewinkel ist.
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In dieser Stellung (4) übt das Biegeteil, d. h. das Werkstück 100, auf den Biegearm 120 ein Moment aus, welches in die ursprüngliche Biegerichtung 127 gerichtet ist. Durch dieses aktive Zurückbiegen des Werkstücks kann im Werkstück nach Ende der Biegeoperation ein besserer Spannungszustand erreicht werden, so dass dieses auch über längere Zeit seine Form behält. Das Rückwärtsbiegen bzw. Zurückbiegen beansprucht das Werkstück überwiegend im elastischen Bereich, es können jedoch auch geringe Anteil plastischer Verformung erzeugt werden. Beim Überbiegen mit anschließendem Rückbiegen zum Zwecke der „künstlichen Alterung” wird ein Biegen und anschließend ein Gegenbiegen im plastischen Bereich vorgenommen. Die Auswirkungen sind insoweit ähnlich wie beim Richten, als der sich einstellende Spannungszustand besser als ohne diese zusätzliche plastische Verformung erhalten bleibt. Ähnlich wie beim Richten werden abwechselnd positive und negative Biegemomente erzeugt, die die Form des Biegeteils stabilisieren.
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Nach dem Freifahren bzw. Zurückbiegen werden alle Antriebe außer dem Antrieb für die P-Achse (Spannbackenantrieb) stromlos geschaltet, so dass insbesondere auch die seitliche Andrückbewegung des Gleitschienenelements 150 an den zufuhrseitigen Abschnitt 118 aufgehoben wird. Anschließend wird die Gleitschiene wieder mit Hilfe der V-Achse an den zufuhrseitigen Abschnitt angedrückt, jedoch nur mit ca. 10% der beim ersten Biegevorgang vorliegenden Kraft. Dadurch wird der zufuhrseitige Abschnitt für die nachfolgende Messung des tatsächlich erreichten Biegewinkels (Ist-Biegewinkel) fixiert.
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Nun wird die für die Biegung zuständige Maschinenachse (Y-Achse) freigegeben. Der Biegeantrieb MY kann dazu entweder stromlos geschaltet werden oder so mit Leistungen beaufschlagt werden, dass die Selbsthemmung im Biegeantrieb und in eventuellen Getriebeelementen sowie sonstige Einflüsse in Richtung der Rückfederung neutralisiert werden (Schwimmstellung). Da nun der zufuhrseitige Abschnitt 118 in seiner Orientierung festgelegt ist und der ungebogene Endabschnitt 115 zwar in der Spanneinrichtung eingespannt bleibt, bezüglich Drehung um die Biegeachse aber freigegeben ist, entspannt sich das Werkstück, federt zurück und dreht dabei den Biegearm 120 und den damit gekoppelten Biegeantrieb MY in die ursprüngliche Biegerichtung 127 mit. Die Rückfederung in die ursprüngliche Biegerichtung 127 ist in 5 schematisch dargestellt.
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Nach Ende dieser Rückfederbewegung liegt am Werkstück der tatsächliche Ist-Biegewinkel an. Die zugehörige Drehstellung des Biegeantriebs kann direkt aus dem Gebersignal des Drehgebers 128 durch die Steuereinrichtung 180 ausgelesen werden. Auf diese Weise wird der Biegearm selbst als Teil einer Messeinrichtung zur Bestimmung des Ist-Biegewinkels genutzt.
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Diese Verfahrensvariante zur Messung des Ist-Biegewinkels kommt vollständig ohne gesonderte Messeinrichtungen, wie Taster, Kameras oder dergleichen aus, da ausschließlich bereits in der Biegemaschine vorhandene Elemente, beispielsweise der Drehgeber 128, genutzt werden.
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In vielen Fällen stimmt der Ist-Biegewinkel nach dem Zurückfahren bereits ausreichend genau mit dem Soll-Biegewinkel überein. Sollte eine zu große Abweichung zwischen Soll-Biegewinkel und Ist-Biegewinkel vorliegen, wird ein Nachbiegevorgang eingeleitet. Für das Nachbiegen verbleibt die Spanneinrichtung weiterhin in Eingriff mit dem Endabschnitt und der Biegearm wird mit Hilfe des Biegeantriebs um einen gewissen Nachbiegewinkel in eine geeignete Nachbiegerichtung bewegt.
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Für die Bestimmung der Größe des Nachbiegevorgangs, d. h. für die Bestimmung von Ausmaß und Richtung der Schwenkbewegung des Biegearms beim Nachbiegen, wird eine besondere Verfahrensvariante genutzt. Dabei wird für jede Biegung eines Werkstück anhand eines lehrenhaltigen Gutteils vorab ein erster Faktor F1 ermittelt, der sich aus dem Verhältnis des tatsächlichen Drehwinkels des Biegeantriebs beim Überbiegen (erster Drehwinkel bzw. Summe aus Soll-Biegewinkel und Überbiegewinkel) zum ausgelesenen tatsächlichen Ist-Biegewinkel bei der Bestimmung des Ist-Biegewinkels ergibt.
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Bei allen Werkstücken gleichen Typs wird bei der gleichen Biegung die weitere Produktion auf Basis dieses ersten Faktors für den Nachbiegevorgang gesteuert. Dazu erfolgen für jede Biegung zunächst das Überbiegen, dann das daran anschließende Freifahren und schließlich das Freigeben des Biegearms und die Ermittlung des tatsächlichen Ist-Biegewinkels. Der bei diesem Schritt aus dem Drehgeber 128 ermittelte Winkel wird von dem Soll-Biegewinkel abgezogen und der erhaltene Differenzwinkel mit dem für den Nachbiegevorgang am Gutteil ermittelten ersten Faktor multipliziert. Der so erhaltene Wert wird als Nachbiegewinkel verwendet.
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Zur Erläuterung sei von einem Werkstück ausgegangen, bei dem eine Biegung mit einem Soll-Biegewinkel von 90° erzeugt werden soll. Bei der Produktion eines lehrenhaltigen Gutteils war der Biegeantrieb, ausgehend von der Ausgangsstellung, zunächst um einen ersten Drehwinkel von 96° im Uhrzeigersinn gedreht worden, um den Sollbiegewinkel von 90° zu erreichen. Dadurch ergibt sich der erste Faktor F1 = 96°/90° = 1,07. Beim nächsten Biegeteil wird nun ebenfalls beim Überbiegen zunächst um 96° gebogen. Aufgrund nicht konstanter Materialverhältnisse kann es nun sein, dass dennoch der ermittelte Ist-Biegewinkel vom gewünschten Soll-Biegewinkel abweicht. Im Beispielsfall ergebe sich ein Ist-Biegewinkel von 88°. Bei der erforderlichen Nachbiegeoperation wird nun mit einem Nachbiegewinkel von 2,14° gearbeitet, der sich aus der Differenz zwischen Soll-Biegewinkel (90°) und Ist-Biegewinkel (88°) multipliziert mit dem ermittelten ersten Faktor (1,07) ergibt.
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Es ist auch eine andere Verfahrensvariante möglich, die beispielsweise dann genutzt werden kann, wenn aus einer Zeichnung des Biegeteils die gewünschten Biegewinkel bekannt sind, aber noch keine Informationen über die zur Erreichung dieser Biegewinkel erforderlichen Biegebewegungen vorliegen. Dabei kann z. B. gleich beim ersten Biegeteil einer Serie das Messverfahren zur Bestimmung des Ist-Biegewinkels und ein Nachbiegen eingesetzt werden Der erste Faktor F1 kann für jede Biegung und für jedes Biegeteil aktuell berechnet und als Basis für den Nachbiegevorgang genutzt werden. Dies ist möglich, da der tatsächliche Drehwinkel des Biegearms der Steuerung bekannt ist, der Ist-Biegewinkel messtechnisch erfasst wird und der Soll-Biegewinkel z. B. aus einer Zeichnung abgelesen oder aus einer anderen Informationsquelle hergeleitet werden kann, so dass alle für die Bestimmung des ersten Faktors F1 erforderlichen Daten vorliegen.
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Der erste Drehwinkel kann also anhand eines lehrenhaltigen Gutteils einer Serie von gleichen Biegeteilen oder durch eine Messung an dem aktuellen Werkstück ermittelt werden.
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Ein zusätzlicher zweiter Faktor F2 kann berücksichtigt werden, um den Differenzwinkel zu gewichten. Dies kann beispielsweise nützlich sein, wenn innerhalb einer Serie zu große Winkelabweichungen vorliegen, da es beispielsweise sonst beim ersten Nachbiegen bereits wieder zu einem Überbiegen und damit zu einem falschen Winkel kommen kann. Als gute Näherung kann ein linearer Zusammenhang zwischen der Winkelabweichung und dem zweiten Faktor angenommen werden. Der zweite Faktor kann in diesem Fall durch eine rechnerisch erzeugte Gerade in einem x-y-Diagramm repräsentiert werden, wobei auf der x-Achse die Winkelabweichung und auf der y-Achse der zweite Faktor F2 aufgezeichnet ist, wobei die Gerade die y-Achse bei +1 schneidet und eine negative Steigung hat. Dadurch wird der erste Faktor F1 bei kleinen Winkelabweichungen nahezu unverändert beibehalten und wird bei größeren Winkelabweichungen geeignet verkleinert. Die Steigung der Geraden, d. h. der Proportionalitätsfaktor zwischen Winkelabweichung und zweitem Faktor, kann eingestellt werden.
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Im Beispielsfall wird ein Rohr mit einer numerisch gesteuerten Rotationszug-Biegemaschine mit Biegeform gebogen. Andere Ausführungsbeispiele arbeiten ohne Biegeform. Anstelle eines Rohres kann auch ein massiver Stab oder ein Draht gebogen werden. Werkstücke können einen kreisrunden, aber auch ovalen oder polygonalen Querschnitt haben oder auf andere Weise profiliert sein.
