DE102017004803A1

DE102017004803A1 - Verfahren zum Betrieb einer Pulverpresse mit Lagenregelung und Pulverpresse zur Ausführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102017004803A1
Application number: DE102017004803.7A
Authority: DE
Inventors: Gerd Leiprecht; Kai Arne Imhäuser
Original assignee: Cosateq GmbH
Current assignee: Cosateq GmbH
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-22
Also published as: WO2018210448A4; WO2018210448A3; WO2018210448A2

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Pulverpresse (1) mit einer Regelung der Verschiebung der Antriebszylinder (9-11 und 23-27; 2, 17; 28) für mindestens die Ober- und Unterwerkzeuge (14, 15), wobei dem jeweiligen Antriebszylinder wahlweise entweder mindestens eine Servopumpe (101-108) mit jeweils einem Antriebsmotor (111) oder mindestens ein Mehrwege-Servoventil (117) zugeordnet ist, und mindestens die Drehzahl des Antriebsmotors (111) und/oder die Schaltstellung des Mehrwege-Servoventils (117) von einem Regelungsmodul (44) geregelt werden, wobeia.) die Reglerstruktur des Regelungsmoduls (44, 44a) einem Zwei-Freiheitsgrade-Regler, nämlich aus einer Parallelschaltung aus einer adaptiven Vorsteuerung (67) und einem klassischen Regler (70) mit einem geschlossenen Regelkreis bestehtoderb.) alternativ aus einem IMC-Regelungsmodul (44a), nämlich aus einer Serienschaltung eines klassischen Reglers (70) mit einem geschlossenen Regelkreis und aus einer adaptiven Vorsteuerung (67) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Pulverpresse, insbesondere einer Metallpulverpresse, mit Lagenregelung und eine Pulverpresse zur Ausführung des Verfahrens mit einer Lagenregelung der zugeordneten Servoventile oder der Servopumpen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Die Erfindung schließt unter dem Begriff „Metallpulverpresse“ auch sämtliche anderen Pulverpressen ein, die mit geeigneten, verdichtungsfähigen Pulvermaterialien einen im Pressvorgang verfestigten Pressling herstellen. Somit betrifft die Erfindung auch Keramik-Pulverpressen und andere mit unter Pressdruck sich verfestigenden Pulverzusammensetzungen. Lediglich der einfacheren Beschreibung wegen wird der Begriff „Metallpulverpresse“ verwendet, obwohl die Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Eine Metallpulverpresse nach dem Gegenstand des Oberbegriffes des unabhängigen Patentanspruchs ist beispielsweise mit der EP 1 129 802 B2 bekannt geworden. Bei dem dortigen Verfahren zur Steuerung der Presskraft beim Pressen von Metallpulver steht im Vordergrund, dass der Oberstempel in die Matrizenbohrung in einer ersten Position entsprechend der Oberkante des Presslings eingefahren wird und dass ein weiteres Verstellen des Unterstempels zum Oberstempel hin stattfindet, bei dem die Presskraft des Unterstempels geregelt wird.
Das Beenden der Zustellbewegung des Unterstempels erfolgt dann, wenn ein vorgegebener, maximaler Wert für die Presskraft erreicht wird.
In diesem Verfahren wird eine Metallpulverpresse mit entsprechenden Sensoren zur Lagenerfassung des oder der mehreren Oberstempel und des einen oder der mehreren Unterstempel beschrieben.
Der Aufbau und die Funktion einer Metallpulverpresse lässt sich demzufolge aus der genannten Druckschrift EP 1 129 802 B2 als Erläuterung einer Metallpulverpresse nach der vorliegenden Erfindung entnehmen. Eine solche Metallpulverpresse ist deshalb auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Demnach ist die Funktionsweise einer Metallpulverpresse aus der zum Stand der Technik gehörenden EP 1 129 802 B2 zu entnehmen.
Nachteil der in der EP 1 129 802 B2 beschriebenen Metallpulverpresse ist allerdings, dass ein Regelungskonzept für die Antriebs- und Vorschubregelung der Ober- und Unterstempel nicht zu entnehmen ist.
Mit dem Gegenstand der DE 10 2010 008 986 A1 ist ein Verfahren zur Pressparameteranpassung einer Keramik- oder Metallpulverpresse gezeigt, bei der während des Pressens eine Einhaltung der Abfolge von Sollwerten geprüft wird, und bei einer Abweichung von der Abfolge von Sollwerten, insbesondere größer einem Toleranzwert, einer Nachregelung des zumindest einen Stellgliedes durchgeführt wird, wobei das bekannte Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass zum Vergleich mit der Abfolge von Sollwerten ein Abstand zwischen einem ersten Messpunkt an einem Festanschlag, welcher einen der Stempelträger auf einer Seite der Matrizenöffnung abstützt und einen zweiten Messpunkt an einem Festanschlag, welcher einen der Stempelträger auf einer dazu gegenüberliegenden Seite der Matrizenöffnung abstützt, gemessen wird.
Die genannte Druckschrift beschränkt sich demnach auf die Abstandsmessung und die Lagenerfassung verschiedener verschiebbarer Funktionsteile während des Pressablaufes, ohne dass hieraus ein Regelungskonzept zu entnehmen wäre.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine nach dem Verfahren arbeitende Pulverpresse der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine hochdynamische Lagenregelung der einzelnen verschiebbar angetriebenen Pressenstempel gewährleistet ist, die besonders genau arbeitet.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10 gekennzeichnet.
Bei der erfindungsgemäßen Metallpulverpresse wird mittels hydraulisch angetriebenem Presszylinder und weiterer Zylinder (sogenannte Stempel) Metallpulver durch ein präzises Verfahren so verdichtet, dass ein Festkörper mit vorgegebenen Maßen innerhalb kleinster Toleranzgrenzen entsteht. Zur weiteren Fertigstellung kann das gepresste Teil in einem Sinterofen gebacken werden.
Die Erfindung sieht vor, dass die erfindungsgemäße Reglerstruktur in zwei verschiedenen Ausführungsformen einer Pulverpresse verwendet wird. Die erste Ausführung bezieht sich auf eine Pulverpresse, in der jeder einzelne Ober- und Unterstempel von einer Servopumpe angesteuert wird, deren Drehzahl und Schaltzeiten mit der erfindungsgemäßen Reglerstruktur geregelt werden.
Jeder Servopumpe ist demnach ein solcher Regler zugeordnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Antriebskonzept der Ober- und Unterstempel einer Pulverpresse, wobei jedem Stempel ein lagen- und zeitgeregeltes hydraulisches Mehrwegeventil (nachfolgend als „Servoventil“ bezeichnet) zugeordnet ist. Die erfindungsgemäße Reglerstruktur wirkt auf das jeweilige Servoventil, wobei jedem Servoventil ein solcher Regler zugeordnet ist.
Wenn in der folgenden Beschreibung - der Vereinfachung wegen - nur die Anwendung der Reglerstruktur auf eine (drehzahl- und zeitabhängig geregelte) Servopumpe gerichtet ist, so gilt die gleiche Beschreibung auch auf die Anwendung auf ein (lagen- und zeitabhängig geregeltes) Servoventil und umgekehrt, ohne dass in der weiteren Beschreibung streng zwischen diesen beiden Ausführungen unterschieden wird.
Erste Ausführung einer Reglerstruktur
Die Reglerstruktur entspricht dem Zwei-Freiheitsgradeentwurf. Diese besteht aus einer Kombination aus Vorsteuerung (Open Loop Control) und einem klassischen Regler (Closed Loop Control).
Adaptive Vorsteuerung (allgemein)
Die adaptive Vorsteuerung ist der wichtigste Teil des Regleraufbaus. Die nichtlineare Kompensation soll direkt den Stellwert für das Servoventil in Abhängigkeit der Sollgeschwindigkeit (aus Sollposition berechnet) berechnen, und zwar unter Berücksichtigung der adaptiv geschätzten Parameter.
Adaptive Parameterschätzung
Aufgrund von Messwerten können die Initialparameter skaliert werden. Dies passiert im geregelten Betrieb zu jedem Zeitschritt. Dadurch können ungenaue Initialparameter, Temperaturschwankungen usw. abgebildet werden und kompensiert werden.
Nicht-lineare Kompensation
Hier wird der Stellwert für das Ventil der Vorsteuerung berechnet. Die geschätzten Parameter werden verwendet, um möglichst genau den perfekten Stellwert zu treffen oder ungewünschte nicht-lineare Eigenschaften zu kompensieren.
Geschlossener Regelkreis
Es kommt ein einfaches Regelungskonzept für den geschlossenen Regelkreis zum Einsatz. Dieser muss verhältnismäßig kleine Regelungsabweichungen ausgleichen. Aktuell wird ein PI-Regler verwendet, dieser kann aber durch eine Vielzahl anderer Regelungskonzepte ersetzt werden. Für schwingungsanfällige Systeme (lange und elastische Hydraulikleitungen) wäre beispielsweise eine sogenannte Linear-Quadratische-Regelung (LQR) passender.
Zweite Ausführung einer Reglerstruktur
In einer abweichenden Ausführungsform wird im Vergleich zu dem vorher beschriebenen Reglerkonzept nach Ziffer 1, welches einer Reglerstruktur mit zwei Freiheitsgraden entspricht, auch eine alternative Reglerstruktur beansprucht, die als IMC-Regelung bezeichnet wird. Dabei bedeutet die Wortfolge IMC = Internal Model Control. Diese Regelung besteht aus einer Reihenschaltung von einer adaptiven Vorsteuerung und einem vorgeschalteten geschlossenen Regelkreis, der auch in den nachfolgenden Zeichnungen beschrieben wird.
Erfindungsgemäß wird somit sowohl die Parallelschaltung als auch die Serienschaltung von adaptiver Vorsteuerung und einem geschlossenen Regelkreis beansprucht.
Adaptive Vorsteuerung
Die adaptive Vorsteuerung ist ein wichtiger Teil des Regleraufbaus. In einer ersten Ausführung wird deshalb eine nicht-lineare Kompensation vorgeschlagen, die den Stellwert für das Servoventil in Abhängigkeit von der Sollgeschwindigkeit berechnet, und zwar unter Berücksichtigung der adaptiv geschätzten Parameter.
In einer zweiten Ausführung besteht die adaptive Vorsteuerung aus einer nichtlinearen Kompensation der Hydraulikkomponenten, um eine gewünschte hochdynamische Regelung für die jeweilige Servopumpe zur Verfügung zu stellen.
Vorsteuerfunktion, insbesondere in der Ausbildung als nichtlineare Kompensation.
Hier wird der Stellwert für das Ventil der Vorsteuerung berechnet. Die geschätzten Parameter werden verwendet, um möglichst genau den perfekten Stellwert zu treffen. In der anderen Ausführungsform wird der Stellwert für die Drehzahl der Servopumpe und deren Drehzahlkurve über die Zeit berechnet und geregelt.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist demnach eine spezielle, erfindungsgemäße Reglerstruktur, die entweder einem Zwei-FreiheitsgradeEntwurf (Parallelschaltung von adaptiver Vorsteuerung und geschlossenem Regelkreis) oder einer IMC-Ausführung (Serienschaltung von geschlossenem Reglerkreis und nachgeschalteter adaptiver Vorsteuerung) entspricht.
Erfindungsgemäß wird deshalb eine Kombination aus einer Vorsteuerung (Open Loop Control) und ein klassischer Regler mit einer Closed Loop Control verwendet.
Die Kombination dieser beiden Reglermechanismen hat den Vorteil, dass mit der Open Loop Control-Vorsteuerung zunächst der Stellwert für das Servoventil (oder die Drehzahlkurve der Servopumpe) sehr genau vorberechnet wird, und noch eventuell vorhandene Abweichungen dieses Sollwertes durch den klassischen Regler, der diesen Wert noch weiter verarbeitet, ausgeglichen werden.
Von besonderer Bedeutung ist, dass die nichtlineare Kompensation direkt den Stellwert für das Servoventil (oder die Drehzahl der Servopumpe) berechnet, und zwar in Abhängigkeit von der Sollgeschwindigkeit unter Berücksichtigung der adaptiv geschätzten Parameter.
Demnach wird eine adaptive Parameterschätzung der Sollwerte vorgeschlagen, bei der aufgrund von Messwerten die Initialparameter skaliert werden. Dies erfolgt im geregelten Betrieb zu jedem beliebigen Zeitschritt. Dadurch können ungenaue Initialparameter, Temperaturschwankungen und dergleichen in idealer Weise kompensiert werden.
Unter dem Begriff „nichtlineare Kompensation“ wird verstanden, dass der Stellwert für das Ventil der Vorsteuerung (oder der aktuelle Stellwert der Drehzahlkurve der Servopumpe) berechnet werden, und die geschätzten Parameter werden verwendet, um möglichst genau den perfekten Stellwert für den proportionalen Antrieb des Preßstempels zu treffen.
Erfindungsgemäß kommt für den geschlossenen Regelkreis ein PI-Regler zur Anwendung, weil mit diesem eine Vielzahl von Regelungskonzepten verwirklicht werden kann.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der PI-Regler durch einen Linear-Quadratischen-Regler (LQR) ersetzt ist.
Daraus ergibt sich, dass für den geschlossenen Regelkreis eine Anzahl von unterschiedlichen Reglern verwendet werden können, wie zum Beispiel auch PD-Regler oder PID-Regler.
Der Open Loop-Regler übernimmt die Vorsteuerung mit einer adaptiven Parameterschätzung, die eine bestimmte Vorsteuerungsfunktion berechnet und als Stellwert dem Servoventil vorgibt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen bestimmten Reglertyp (P-, PI, PID, PD usw.) beschränkt. Es können sämtliche Reglertypen nach dem Stand der Technik verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Servoventil über eine Hydraulikleitung mit dem Preßzylinder verbunden, in dem der Preßstempel verschiebbar angetrieben angeordnet ist.
Das Servoventil wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung angesteuert, die in dem Blockschaltbild der Zeichnungen näher dargestellt ist.
Mit den beiden alternativen Reglerstrukturen wird der Vorteil einer hochdynamischen Ansteuerung der Mehrwege-Stellventile (oder der Servopumpen) des Preßzylinders einer Metallpulverpresse erreicht. Die zur Ansteuerung der Regelventile oder Servopumpen notwendigen Stellwerte werden hochpräzise und schnell bereitgestellt. Ein Überschwingen der Regelung wird zuverlässig vermieden.
Somit wird der vorgegebene Positionsverlauf der Bewegung der Pressenstempel nachgefahren und eingehalten, wobei Umgebungs- und Materialeinflüsse weitgehend kompensiert werden. Der Positionsverlauf ist unabhängig von den Materialeigenschaften der Pulverzusammensetzung. Die physikalischen Umgebungsparametern (Temperaturschwankungen der Umgebungsluft oder des Fluids oder produktionsabhängig unterschiedliche Ventileigenschaften, Reibungskräfte, Drücke im Druckspeicher usw.) werden kompensiert.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:

1: schematisiert den Aufbau einer Metallpulverpresse in einer ersten Ausführungsform der Erfindung ohne Darstellung der Presswerkzeuge
2: ein gegenüber 1 abgewandeltes, vereinfachtes Ausführungsbeispiel mit Darstellung der Sensoranordnung
3: ein gegenüber 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit einer weiteren schematisierten Darstellung der Sensoranordnung
4: eine Metallpulverpresse nach 1 bis 3 mit Darstellung eines Antriebskonzeptes mit nach dem Verfahren geregelten Servopumpen
4a: die Darstellung eines Mehrwege-Servoventils, welches gegen alle in 4 dargestellten Servopumpen ersetzt werden kann
5: das generelle Verfahrensschema der erfindungsgemäßen Ablaufsteuerung
6: ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Reglerkonzeptes
7: ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Reglerkonzeptes
8: ein Blockschaltbild der adaptiven Parameterschätzung
9: die grafische Darstellung der Annäherung des adaptiven Wertes an einen unbekannten realen Parameterwert

In 1 ist allgemein eine Pulverpresse 1 dargestellt, die aus insgesamt vier Oberstempeln 6, 7, 8 besteht, die gegenüber einer mittleren Matrize 12 arbeiten, wobei der Vereinfachung wegen lediglich an dem einen Oberstempel 8 ein Oberwerkzeug 14 dargestellt ist.
In der Praxis ist jedoch an jedem Oberstempel 6-8 ein entsprechendes Werkzeug angeordnet, und die Werkzeuge greifen geschachtelt ineinander und fahren in eine in der Matrize 12 angeordnete Kavität 13, wo das Werkstück durch einen Pulverumformprozess gepresst und verfestigt wird.
Die Oberstempel 6, 7, 8 sind über zugeordnete Antriebszylinder 9, 10, 11 verschiebbar angetrieben, wobei die Antriebszylinder 9-11 in einem oberen Führungsgehäuse 5 sitzen.
Das obere Führungsgehäuse 5 ist am freien Ende einer Kolbenstange 3 angeordnet, die in einem oberen Pressenzylinder 2 verschiebbar angetrieben ist.
Der Pressenzylinder 2 ist in einer gehäusefesten Gehäuseplatte 16 aufgenommen. Von der Gehäuseplatte 16 ausgehend sind Führungsstangen 4 vorgesehen, die sich parallel über die gesamte Länge der Pulverpresse 1 erstrecken und die in einer unteren Antriebsplatte 97 befestigt sind.
Die untere Antriebsplatte 97 ist Teil der Kolbenstange 29 eines unteren Pressenzylinders 28 und im Unterwerkzeug ist ein Maschinengehäuse 96 angeordnet, in dem die Antriebszylinder 23, 24, 25, 26, 27 für den Antrieb der Unterwerkzeuge angeordnet sind.
Die Unterwerkzeuge bestehen aus einzelnen geschachtelt ineinander geführten Unterstempeln 19, 20, 21, 22. Die Unterstempel werden von einem verschiebbaren, über einen Zylinder 27 angetriebenen Mittelstift 18, durchgriffen.
Der Mittelstift 18 greift durch die Kavität 13 in der Matrize 12 hindurch.
Auch hier ist in Bezug auf das Unterwerkzeug nur schematisiert dargestellt, dass an dem einen Unterstempel 19 ein Unterwerkzeug 15 angeordnet ist, obwohl alle Unterstempel ein Unterwerkzeug tragen oder tragen können.
Es ist ferner noch ein Zylinderantrieb 17 für einen Füllschuh vorgesehen, mit dem die Kavität 13 in der Matrize 12 mit dem zu verarbeitenden Pulver gesteuert befüllt wird.
In 2 ist die gleiche Pulverpresse 1 mit den gleichen Teilen dargestellt, und es ist zusätzlich dargestellt, dass an einem Gehäuserahmen 30 eine Anzahl von die Verschiebungslage der Ober- und Unterstempel erfassenden Sensoren angeordnet sind.
Lediglich als Beispiel für die Art der verwendeten Längenmesssensoren ist dargestellt, dass ein Glasmaßstab 31 vorgesehen ist, dem gegenüberliegend ein Messwertaufnehmer 33 angeordnet ist. Die Längenmesssensoren arbeiten deshalb mit einem optisch abgetasteten Längenmaßstab zusammen. Statt der optischen Abtastung eines Längenmaßstabes können auch andere Sensoren verwendet werden, wie z.B. induktiv oder kapazitiv messende Sensoren, die berührungsfrei arbeiten. Es sind jedoch auch berührend arbeitende Längenmesssensoren möglich.
Mit der optisch arbeitenden Längenmesseinrichtung wird beispielsweise die Verschiebungslage des oberen Führungsgehäuses 5 erfasst.
Ferner ist ein weiterer Sensor 35 vorgesehen, dem ebenfalls ein Messstab 36 zugeordnet ist, an dem eine Anzahl von Messaufnehmern 37, 38, 39 angeordnet sind, um so eine Lagenerfassung der Oberstempel 6-8 zu ermöglichen.
Für die Lagenerfassung des Füllschuhs und dem zugeordneten Zylinderantrieb 17 ist ein weiterer Sensor 40 vorgesehen, der die Position des Zylinderantriebes 17 für den Füllschuh erfasst.
Die Position der Matrize 12 wird über einen Messwertaufnehmer 34 erfasst, der einem Glasmaßstab 32 zugeordnet ist.
Es wird wiederholt, dass die hier dargestellten Längenmesseinrichtungen nicht auf die Anordnung von Glasmaßstäben und zugeordneten Sensoren beschränkt ist. Es kann jede beliebige Längenmesseinrichtung verwendet werden, wie z. B. eine induktive, kapazitive oder magnetoresistive Anordnung. Es können auch berührungslose Längenmesseinrichtungen verwendet werden, die z. B. durch Lasermesseinrichtungen oder durch Ultraschallmesseinrichtungen gebildet sind.
Am Unterwerkzeug ist ein weiterer Sensor 41 am gehäusefesten Maschinengehäuse 96 angeordnet, und ist mit einem Glasmessstab 90 verbunden, an dem eine Reihe von Messwertaufnehmern 91-94 angeordnet sind. Jeder Messwertaufnehmer 91-94 erfasst die Verschiebungslage des jeweiligen Unterstempels 19-22.
Dem Mittelstift 18 ist ein weiterer Messwertaufnehmer 95 zugeordnet, der die Lagenerfassung der Verschiebung des Mittelstiftes 18 durchführt.
In 3 sind die gleichen Teile der 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen, nur dass eine andere Darstellung gewählt wurde.
Der jeweilige Glasmessstab 31, 32 ist lediglich schematisiert dargestellt.
Eine dazu gehörende Temperaturerfassung mit einer Temperaturregelung ist der Einfachheit halber zeichnerisch nicht dargestellt, obwohl sie in einer derartigen Pulverpresse 1 angeordnet ist. Die Temperatursensoren bei den Positionssensoren dienen lediglich um temperaturabhängige Messverfälschungen rechnergestützt auszugleichen.
Der Hydraulik-ÖI-Tank hat eine Temperaturerfassung die zur Überwachung sowie Temperaturregelung dient.
Den Servopumpen 101 - 107 nach 4 sind zur Erfassung der Drehzahl geeignete Drehwinkel-Sensoren zugeordnet, die den Istwert der Drehzahl und die aktuelle Drehstellung des Rotors in die Regelung einspeisen.
Alternativ wird die aktuelle Schaltstellung der Servoventile 117 durch eine geeignete Lagenerfassung als Istwert erfasst, wobei noch weitere Sensoren vorgesehen werden können, die den Durchfluss durch das Servoventil 117 oder die Servopumpe 101-108 erfassen.
In 4 ist nur das Antriebskonzept einer solchen Metall- oder KeramikPulverpresse 1 dargestellt, wobei die gleichen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Es ist dargestellt, dass dem oberen Pressenzylinder 2 zwei Servopumpen 101, 102 zugeordnet sind, wobei jede Servopumpe im Prinzip aus einer Druckpumpe 118 besteht, die von einem Antriebsmotor 111 angetrieben ist.
Jede Servopumpe, die nachfolgen beschrieben wird, d. h. also auch die Servopumpen 101-109 bestehen jeweils aus einer Druckpumpe 118, die jeweils von einem Antriebsmotor 111 angetrieben ist.
Die Druckpumpen 118 arbeiten jeweils saugseitig auf einen Tank 109 und sind auf der gegenüberliegenden Seite durch einen Druckspeicher 110 abgestützt.
Das Antriebskonzept mit Servopumpen 101-108, wobei jede Servopumpe aus einer Druckpumpe 118 und einem Antriebsmotor 111 besteht, gilt für alle hier dargestellten Elemente. Es reicht daher aus, die Funktionsweise und das Regelungskonzept einer einzigen Servopumpe 101-108 zu beschreiben, um das Regelungskonzept zu beschreiben.
Von Vorteil bei der Erfindung ist, dass jeder Servopumpe 101-108 ein solches erfindungsgemäßes Regelungskonzept zugeordnet sein kann.
Die 4a zeigt als Ersatzschaltbild, dass jede der dort in 4 dargestellten Servopumpen 101-108 durch jeweils alternativ ein Mehrwege-Servoventil 117 ersetzt werden kann, wobei als Beispiel ein solches Servoventil 117 als Ersatz für jede einzelne Servopumpe 101-108 dargestellt ist. Es ist in 4a angedeutet, wie eine solches Servoventil 117 eine Servopumpe vollständig ersetzt und in den Hydraulikkreislauf der 4 eingeschaltet sein würde. Eine solche Anschlusssituation ist in der 4 eingezeichnet.
Damit ist klargestellt, dass alle oder nur einige Servopumpen 101-108 gegen ein in 4a dargestelltes Servoventil 117 ersetzt werden können. Dies ist eine allgemeine technische Lehre, die jedoch nicht in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist.
Bei einem praktischen Anwendungsbeispiel können die beiden Servopumpen 103 und 104 durch ein Servoventil 117 ersetzt werden (ein Servoventil ersetzt zwei Pumpen). Analog gilt dies für 101 und 102.
Die Stempelantriebe bestehen aus einer Kombination aus Servopumpe und Druckspeicher. Diese Kombination kann durch ein Servoventil ersetzt werden (ein Servoventil ersetzt eine Pumpe)
Das erfindungsgemäße Regelungskonzept sieht demnach vor, dass entweder die Drehzahl des jeweiligen Antriebsmotors 111 der Servopumpen 101-108 geregelt wird oder allgemein die Strom- oder Spannungsbeaufschlagung eines Servoventils 117, was bedeutet, dass der Schaltzustand des Servoventils 117 dem nachfolgend beschriebenen Regelungskonzept unterworfen ist.
Die 5 zeigt allgemein das Software- bzw. Steuerungskonzept, welches wahlweise für die Ansteuerung der Antriebsmotoren 111 für sämtliche Servopumpen 101-108 verwendet wird oder alternativ für die Strom- oder Spannungsregelung des Servoventils 117.
Allgemein ist dargestellt, dass eine Maschinensteuerung 42 vorhanden ist, die in einem Schaltschrank 112 (siehe 4) angeordnet ist.
Die 5 zeigt das Blockschaltbild einer softwaremäßig vorhandenen Regelung, die mit den daran angepassten Hardware-Teilen zusammenarbeitet.
Mit dem Bezugszeichen 62 ist allgemein ein Betriebsführungsmodul dargestellt, welches einen übergeordneten Maschinenstatus definiert, wobei über den Signalpfad 64 entsprechende Eingangssignale von einem Überwachungsmodul 61 abgeleitet werden.
Die Betriebsführung arbeitet über den Signalpfad 63 mit der Ablaufsteuerung 43 zusammen.
Als Eingang der Ablaufsteuerung 43 ist ferner ein Softwaremodul 65 vorhanden, in dem die Parameter des jeweiligen Presszyklus definiert sind.
Es handelt sich um eine Trajektorienberechnung, was die Berechnung der Wegpunkte für die Positionsregelung der einzelnen Antriebszylinder für die Ansteuerung der Oberzylinder 9-11 und Unterzylinder 23-27 bedeutet, sowie 17, 2 und 28 die Bestimmung der Wegpunkte für die Positionsregelung aller Antriebszylinder
Über dem Signalpfad 66 werden die vorgegebenen Signale in die Ablaufsteuerung 43 eingespeist.
Von Vorteil ist, dass der Ausgang der Ablaufsteuerung 43 über einen Signalpfad 47 auf die Betriebsführung 62 zurückgekoppelt ist, um so eine Rückmeldung von der Ablaufsteuerung in die Betriebsführung zu erreichen.
Ferner ist der Ausgang der Ablaufsteuerung 43 über den Signalpfad 46 mit dem erfindungsgemäßen Regelungsmodul 44 verknüpft, indem wahlweise entweder die Ventilansteuerung der Servoventile 117 oder wahlweise die Antriebsregelung der jeweiligen Servopumpe 101-108 stattfindet.
Über den Signalpfad 45 erfolgt eine Rückkopplung auf die Ablaufsteuerung 43, die somit auf Änderungen im Regelungsmodul 44 reagieren kann.
Der Ausgang des Regelungsmoduls 44 wirkt als Signalpfad 48 auf ein Ein- und Ausgangsmodul 49, welches eine Vielzahl von Eingängen für die Sensorsignale der Lagen- oder Drehwinkelerfassung der oben beschriebenen Sensoren beinhaltet und als Ausgang nunmehr wahlweise entweder den jeweiligen Antriebsmotor 111 der Servopumpe 101-108 in seiner Drehzahl oder ersatzweise das Servoventil 117 in seiner Schaltstellung regelt.
Insgesamt werden diese Ausgänge als Kabelanschluss 50 definiert.
In die Eingänge des Ein- und Ausgangsmoduls 49 sind nicht nur die Sensorsignale für die Lagenerfassung eingeführt. Es werden dort noch weitere Sensorsignale eingespeist, nämlich z. B. Drucksensoren aus den in 4 dargestellten Tanks 109 oder den Druckspeichern 110. Ferner noch alle Signale, welche eine Temperaturregelung betreffen. Ebenso werden die Signale dort verarbeitet, die eine Rückmeldung der Schaltventile beinhalten und dergleichen mehr.
Das nachfolgende Regelungskonzept, welches in zwei alternativen Ausführungsformen gemäß 6 und 7 dargestellt ist, gilt demnach für die Regelung einiger - jedoch vorzugsweise - sämtlicher hier dargestellten Servopumpen 101- 108 oder alternativ für die Regelung der Stellung einiger - oder vorzugsweise - aller Servoventile 117.
Daraus ergibt sich, dass jeder Servopumpe 101-108 und/oder jedem Servoventil 117 eine Regelung nach 6 oder 7 zugeordnet sein kann.
In 6 ist das erste Regelungskonzept dargestellt, welches eine adaptive Parameterschätzung 69 in Verbindung mit einer nicht-linearen Kompensation 68 betrifft.
Teil des Regelungsmoduls 44 ist somit eine adaptive Vorsteuerung 67, deren Eingang durch einen Signalpfad 71 gebildet wird, wobei die Sollwertposition durch die softwaremäßige Bahnplanung vorgegeben ist. Die Sollwerte des Signals 71 werden von der Bahnplanung vorgegeben. Ausgehend von dem Verlauf der Sollpositionen berechnet die adaptive Vorsteuerung 67 den Stellgrad der Aktoren.
Der Sollwert 71 wird in die adaptive Vorsteuerung 67 eingespeist und bildet dort den einen Eingang für eine nicht-lineare Kompensation 68.
Über den Signalpfad 72 werden die weiteren Messwerte eingespeist, nämlich z.B. Messwerte aus dem Druckspeicher, Zylinderdrücke oder Ventilstellungen der jeweiligen Servoventile 117. Dieser Signalpfad bildet einen Eingang für die adaptive Parameterschätzung 69.
Von dem Signalpfad 72 abzweigend ist ein Signalpfad 72 als zweiter Eingang für die nicht-lineare Kompensation 68 vorgesehen.
Über den Signalpfad 73 werden die Istwerte, d. h. die gemessenen Positionen der Lagensensoren eingespeist, und der Signalpfad 73 bildet den ersten Eingang für einen Regler 70.
Der zweite Eingang für den Regler 70 wird abgeleitet von der Sollwertposition aus dem Signalpfad 71.
Der Regler kann in verschiedener Weise ausgebildet sein. Er kann ein P-Regler, ein PID-Regler, ein linear-quadratischer Regler und andere Regelungskonzepte umfassen, wobei von Vorteil ist, dass über die beiden Signalpfade 71, 73 sowohl der Sollwert- als auch der Istwert eingespeist werden.
Je nach Reglerkonzept des Reglers 70 werden auch noch mehr Zustandsgrößen eingespeist, wie z. B. die Zustandsgrößen aus dem Signalpfad 72 und dergleichen mehr.
Die Reglereingänge 70 sind also nicht auf die beiden Eingänge der Signalpfade 71 und 73 beschränkt.
Der Reglerausgang 74 ist nun erfindungsgemäß auf einen Addierer 75 gekoppelt, dessen anderer Additionspfad über den Signalpfad 76a aus der nicht-linearen Kompensation 68 stammt.
Somit werden im Addierer 75 zwei Signale additiv miteinander verknüpft, nämlich der Ausgang der nicht-linearen Kompensation 68 und der Reglerausgang 74.
Damit ergibt sich der Vorteil, dass die Signale der adaptiven Vorsteuerung 67 dem Reglerausgang 74 zugeschaltet werden, wodurch der Reglerausgangswert modifiziert wird.
Hierauf beruht das erfindungsgemäße Konzept, dass der Reglerausgang nicht allein bewertet wird, sondern die Signale einer adaptiven Vorsteuerung im Reglerausgang mit berücksichtigt werden, was beispielsweise durch eine Addition erfolgt. Den größten Teil des Stellwertes gibt die adaptive Vorsteuerung vor. In der Erfindung wird der Stellwert der Vorsteuerung mit dem des geschlossenen Regelkreises erweitert, wobei der geschlossene Regelkreis verhältnismäßig kleine Abweichungen aktiv ausregelt.
Die adaptive Vorsteuerung gibt demnach den größten Teil des Stellwertes vor, der geschlossene Regelkreis 70 gleicht lediglich verhältnismäßig kleine Abweichungen aus.
Von Vorteil ist, dass von dem Ausgang des Addierers 75 auch noch ein rückgekoppelter Signalpfad 77 auf die adaptive Parameterschätzung 69 geschaltet ist, um den Reglerausgang am Ausgang des Addierers 75 mit der adaptiven Vorsteuerung 67 abzugleichen.
Somit ergibt sich aus dem Ausgangssignalpfad 76 das Ausgangssignal als Stellwert entweder für die Einstellung der Spannung oder des Stroms am Servoventil 117, mit dem der Schaltwert oder die Verschiebungslage des Servoventils 117 bestimmt wird oder der Strom oder dir Drehzahl oder Drehstellung für den Antriebsmotor 111 für die dargestellten Servopumpen 101 bis 108.
Im Vergleich zur 6 wird in 7 ein alternatives Regelungskonzept beschrieben, wobei die gleichen Teile die gleichen Merkmale aufweisen.
Es gilt somit die gleiche Beschreibung der 6 für die gleichen Teile.
Der Unterschied zum Regelungskonzept nach 6 ist, dass nun der Regler 70 nicht parallel zu der adaptiven Vorsteuerung 67 geschaltet ist, sondern seriell vor der adaptiven Vorsteuerung 67 liegt.
Damit ergibt sich der Vorteil, dass die adaptive Vorsteuerung 67 am Reglerausgang des Reglers 70 eine Verfeinerung der Regelung vornimmt und auf den Addierer 75 verzichtet wird.
Damit kann der Regler sehr stark vereinfacht werden und die Reaktionszeit des Reglers kann stark verbessert werden, weil einem relativ groben Regler 70 eine Verfeinerung in Form einer adaptiven Vorsteuerung 67 zugeordnet wird, so dass eine sehr schnelle hochdynamische Regelung mit einem relativ groben Regler erreicht wird, dem eine adaptive Vorsteuerung 67 nachgeschaltet ist.
Dies ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung, denn mit den beiden Regelungskonzepten nach 6 und 7 kann mit einem relativ einfachen Regler 70 dennoch eine hochdynamische Hochgeschwindigkeitsregelung für die verschiedenen Parameter für die Servopumpen 101-108 oder wahlweise für die Schaltung der Servoventile 117 verwirklicht werden, was bisher nicht bekannt war.
Die 8 und 9 zeigen die adaptive Parameterschätzung.
Über die Signalpfade 72, 73 werden die Signale als Roh-Messwerte in die adaptive Parameterschätzung 69 eingespeist und dort über eine Differenzialgleichung der Schätzwert des Parameters aus den Messwerten bestimmt.
Von Vorteil ist nun, dass am Ausgang, nämlich vom Signalpfad 78 abzweigend, eine Rückführung 79 vorhanden ist, die den geschätzten Wert wieder am Eingang in die adaptive Parameterschätzung 69 einspeist, um die Schätzung zu verwirklichen.
Dies ist in 8 dargestellt.
In 9 ist dargestellt, dass der zeitliche Verlauf einer solchen Parameterschätzung innerhalb eines kurzen Zeitabstandes 89 erfolgen kann.
Hier wird ausgehend von einem ursprünglichen Wert bei Position 86 die adaptive Parameterkurve 87 in der adaptiven Parameterschätzung 69 errichtet oder erstellt, und es ist erkennbar, dass nach Ablauf eines sehr kurzen Zeitabstandes 89 nunmehr eine vollständige Schätzung des Parameterwertes rechts von der gestrichelten Linie bei Position 119 erreicht wurde. Die Position 88 stellt einen unbekannten Parameterwert da, der durch das Verfahren ermittelt wird.
Der Vorteil der Erfindung liegt demnach darin, dass einer Metall- oder Keramikpulverpresse eine hochdynamische und präzise Positionsregelung der einzelnen Antriebskomponenten zugeordnet werden kann, was bisher nicht bekannt war.
Bezugszeichenliste

1: Pulverpresse
2: Oberer Pressenzylinder
3: Kolbenstange
4: Führungsstangen
5: Führungsgehäuse
6: Oberstempel
7: Oberstempel
8: Oberstempel
9: Antriebszylinder
10: Antriebszylinder
11: Antriebszylinder
12: Matrize
13: Kavität
14: Oberwerkzeug
15: Unterwerkzeug
16: Gehäuseplatte
17: Zylinderantrieb (Füllschuh)
18: Mittelstift
19: Unterstempel
20: Unterstempel
21: Unterstempel
22: Unterstempel
23: Antriebszylinder
24: Antriebszylinder
25: Antriebszylinder
26: Antriebszylinder
27: Antriebszylinder
28: untere Pressenzylinder (Matrize)
29: Kolbenstange
30: Gehäuserahmen
31: Glasmaßstab
32: Glasmaßstab
33: Messwert-Aufnehmer
34: Messwert-Aufnehmer
35: Sensor
36: Messstab
37: Messaufnehmer
38: Messaufnehmer
39: Messaufnehmer
40: Sensor
41: Sensor
42: Maschinenregelung
43: Ablaufsteuerung
44: Regelungsmodul 44a
45: Signalpfad
46: Signalpfad
47: Signalpfad
48: Signalpfad
49: Ein- und Ausgangsmodul
50: Kabelanschluss
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60: Eingänge für Sensorsignal
61: Überwachungsmodul
62: Betriebsführungsmodul
63: Signalpfad
64: Signalpfad
65: Softwaremodul
66: Signalpfad
67: adaptive Vorsteuerung
68: nicht-lineare Kompensation
69: adaptive Parameterschätzung
70: Regler
71: Signalpfad
72: Signalpfad
73: Signalpfad
74: Reglerausgang
75: Addierer
76: Signalpfad 76a
77: Signalpfad 76a
78: Signalpfad
79: Signalpfad (Rückführung)
80: Proportionalventil
81: Steuerventil
82: Hydraulikleitung
83
84
85
86: Position
87: Adaptive Parameterkurve
88: unbekannter realer Wert
89: Zeitabstand
90: Messstab
91: Messaufnehmer
92: Messaufnehmer
93: Messaufnehmer
94: Messaufnehmer
95: Messaufnehmer (für 18)
96: Maschinengehäuse
97: Antriebsplatte
98: Antriebsmodul
99: Antriebsmodul
100: Antriebsmodul
101: Servopumpe
102: Servopumpe
103: Servopumpe
104: Servopumpe
105: Servopumpe
106: Servopumpe
107: Servopumpe
108: Servopumpe
109: Tank
110: Druckspeicher
111: Antriebsmotor
112: Schaltschrank
113: Steuerpfad
114: Steuerpfad
115: Steuerpfad
116: Druckleitung
117: Servoventil
118: Druckpumpe
119: Position

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1129802 B2 [0003, 0006, 0007, 0008]
DE 102010008986 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Pulverpresse (1) mit einer Regelung der Verschiebung der Antriebszylinder (9-11; 23-27; 2,17; 28) für mindestens die Ober- und Unterwerkzeuge (14, 15), wobei dem jeweiligen Antriebszylinder wahlweise entweder mindestens eine Servopumpe (101-108) mit jeweils einem Antriebsmotor (111) oder mindestens ein Mehrwege-Servoventil (117) zugeordnet ist, und mindestens die Drehzahl des Antriebsmotors (111) und/oder die Schaltstellung des Mehrwege-Servoventils (117) von einem Regelungsmodul (44) geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass a.) die Reglerstruktur des Regelungsmoduls (44, 44a) einem Zwei-Freiheitsgrade-Regler, nämlich aus einer Parallelschaltung aus einer adaptiven Vorsteuerung (67) und einem klassischen Regler (70) mit einem geschlossenen Regelkreis besteht oder b.) alternativ aus einem IMC-Regelungsmodul (44a), nämlich aus einer Serienschaltung eines klassischen Reglers (70) mit einem geschlossenen Regelkreis und aus einer adaptiven Vorsteuerung (67) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Vorsteuerung (67) aus einer Verschaltung einer nichtlinearen Kompensation (68) und einer adaptiven Parameterschätzung (69) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (70) ein Regler mit Rückführung der Messgrößen und Interpretation der Sollgröße ist und vorzugsweise als klassischer Regler (70), z.B. als ein PI- und/oder ein PD- und/oder als PID-Regler ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang der nicht-linearen Kompensation (68) der Sollwert der jeweiligen Zylinderposition (Sollposition)anliegt und am Ausgang der Stellwert (76a) für die Stellgröße (Drehzahl des Antriebsmotors 111 oder Schaltstellung des Servoventils 117) erzeugt werden, die mit den Ausgangswerten der geschlossenen Regelkreise (70) addiert werden und den Stellwert des Servoventils (117) oder die Drehzahl des Antriebsmotors (111) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Parameterschätzung (69) die weiteren Messwerte von Sensoren von Druckspeichern (110) des Hydraulikkreislaufes und/oder der Zylinderdrücke der Antriebszylinder (9-11; 23-27) und der Ventilstellung der Servoventile (117) zusammen mit dem Istwert der gemessenen Position der Ober- und Unterwerkzeuge (14, 15), sowie für alle Press- und Matrizenzylinder verarbeitet und dass der Ausgang auf den Eingang der nicht-linearen Kompensation (68) geschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der nichtlinearen Kompensation (68) der Stellwert für das jeweilige Servoventil (117) oder die Drehzahl der Servopumpe (101-108) der Vorsteuerung geschätzt wird und zur schnellen adaptiven Annäherung an den genauen Stellwert der Servoventile (117) oder der Servopumpen (101-108) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der klassische Regler (70) lediglich kleine Regelungsabweichungen zwischen dem Sollwert der Stellung des Servoventils (bez. Stellwert der Pumpe) berechnet, um die Regelungsabweichung der Zylinderposition auszugleichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des klassischen Reglers (70) auf einen Addierer (75) geschaltet ist, der das Ausgangssignal des Reglers (70) und das Ausgangssignal der nichtlinearen Kompensation (68) addiert und mit dem daraus gebildeten Summensignal mindestens das jeweilige Servoventil (117) oder die Servopumpe (101-108) ansteuert.
Pulverpresse mit einer Regelung der Verschiebung der Antriebszylinder (9-11 und 23-27; 2,17; 28) für mindestens die Ober- und Unterwerkzeuge (14, 15), wobei dem jeweiligen Antriebszylinder wahlweise entweder mindestens eine Servopumpe (101-108) mit jeweils einem Antriebsmotor (111) oder mindestens ein Mehrwege-Servoventil (117) zugeordnet ist, und mindestens die Drehzahl des Antriebsmotors (111) und/oder die Schaltstellung des Mehrwege-Servoventils (117) von einem Regelungsmodul (44) geregelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass a.) die Reglerstruktur des Regelungsmoduls (44, 44a) einem Zwei-Freiheitsgrade-Regler, nämlich aus einer Parallelschaltung aus einer adaptiven Vorsteuerung (67) und einem klassischen Regler (70) mit einem geschlossenen Regelkreis besteht oder b.) alternativ aus einem IMC-Regelungsmodul (44a), nämlich aus einer Serienschaltung eines klassischen Reglers (70) mit einem geschlossenen Regelkreis und aus einer adaptiven Vorsteuerung (67) besteht.
Pulverpresse nach Anspruch 9 unter Verwendung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne Ober- und Unterstempel (6-8; 19-22) sowie die Presszylinder 2, der Füllschuh (17) und Matrizenzylinder (28) von einer Servopumpe (101-108) angesteuert werden, deren Drehzahl und Schaltzeiten mit der erfindungsgemäßen Reglerstruktur (44, 44a) geregelt werden.
Pulverpresse nach Anspruch 9 oder 10 unter Verwendung eines Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne Ober- und Unterstempel (6-8; 19-22) von einem Mehrwege-Servoventil (101-108) angesteuert wird, dessen Schaltstellung und Schaltzeit mit der Reglerstruktur (44, 44a) geregelt werden.