DE3425221A1

DE3425221A1 - Regelkreis fuer eine materialbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE3425221A1
Application number: DE19843425221
Authority: DE
Inventors: Manne Karlskoga Salomonsson
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1983-07-12
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1985-01-24
Also published as: SE8303939L; DE3425221C2; SE8303939D0; SE456458B

Description

Die Erfindung betrifft einen Regelkreis zum Steuern einer Materialbearbeitungsmaschine, z.B. einerhydraulischen Pulverpresse, in Abhängigkeit von der Kraft und der Lage, mit einer elektrohydraulischen Grundservoschleife für die Lageregulierung.

Für das Pressen von z.B. Hartmetallpulver sind mechanische Pressen bekannt, die jedoch in neuerer Zeit zunehmend durch hydraulische Pressen ersetzt werden, bei denen das Bearbeitungsorgan Hydraulikzylinder oder Hydraulikmotoren umfaßt, um leichter die erforderliche

BANK DRESDNER BANK. HAMBURG. 4030448 (BLZ 20080000) POSTSCHECK HAMBURG 14/60? ?00 (UL/ 200 10020) FELEiJRAMM SPECHTZIES

Preßkraft zu erzeugen.

Eine hydraulische Pulverpresse besteht im Prinzip aus einer Form und einem Stempel sowie zugehörigen Mitteln zum Positionieren der Form und des Stempels. Während eines Preßzyklus werden die Form und der Stempel so gesteuert, daß man die gewünschten Eigenschaften bezüglich der gepreßten Werkstücke erhält.

Zum Steuern des Preßvorgangs ist ein Regelsystem erforderlich, bei dem man aufgrund der zugeführten Information (Sollwerte) die gewünschten Zustände (Kraft, Lage, Geschwindigkeit) bezüglich Form und Stempel erhält. Der Preßvorgang kann mit zwei verschiedenen Steuerungsverfahren erhalten werden, nämlich Kraftsteuerung, bei der die Preßkraft die steuernde und freiwählbare Größe ist, oder Lagesteuerung, bei der die Pressenlage oder -position die steuernde und freiwählbare Variable ist. Für den Schutz des Werkzeuges muß während des Preßvorganges eine Überwachung der Lage und der Kraft erfolgen. Für die Qualitätskontrolle und Sortierung erfolgt eine Registrierung der Endkraft bei der lagegesteuerten Pressung und eine Registrierung der Endlage bei der kraftgesteuerten Pressung.

Die Steuerung erfolgt neuerdings häufig mit Hilfe

eines oder mehrerer Mikroprozessoren, wobei jeder Prozessor jeweils 'seinen elektrohydraulischen Servokreis mit Servoventil und zugehörigem Antriebsorgan (Hydraulikzylinder) steuert.

Obwohl eine Hydraulikpresse.der vorstehend beschriebenen Art wesentlich flexibler als eine mechanische Presse ist, ergeben sich trotzdem Probleme bei der Steuerung

einer solchen Presse, da die .,Materiäleigenschäiteny ; , Preßkräfte und Preßvorgänge in weiten Grenzen variieren. Insbesondere wenn möglichst kleine Preßzeiten angestrebt werden, hat sich das bisher bekannte Regelsystem als unzureichend erwiesen.

Die Erfindung sieht deshalb einen neuartigen Regelkreis vor, welcher beträchtliche Verbesserungen im Vergleich mit konventionellen Regelkreisen zum Steuern, z.B. einer Pulverpresse mit sich bringt. Der Regelkreis kann in einer Vielzahl von Anwendungsfällen Verwendung finden, bei denen hohe Anforderungen an Schnelligkeit, Flexibilität und Genauigkeit gestellt werden, insbesondere bei Pressen und anderen Typen von Materialbearbeitungsmaschinen.

Der Regelkreis ist hauptsächlich dadurch gekennzeich-

net, daß zusätzlich zur Hauptservoschleife für die Lageregelung auch eine elektrohydraulische Servoschleife für die Kraftregelung vorgesehen ist, die in einer bestimmten Phase des Bearbeitungsablaufes eingreift und die Steuerung von der Hauptservoschleife übernimmt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Umschaltung von der lageabhängigen Regelung auf die kraftabhängige Regelung dann, wenn das Werkzeug der Maschine sich in einem festgestellten Abstand von einer Endposition befindet, z.B. in der Schlußphase eines Bearbeitungsvorgangs.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Prinzipskizze einer hydraulischen Pulverpresse mit Form und Stempel sowie ein

zugehöriges Bewegungsdiagramm;

Fig. 2 zeigt einen Regelkreis mit Hauptservoschleife für die lageabhängige Steuerung der Form der Pulverpresse;

Fig. 3 zeigt einen Regelkreis gemäß der Erfindung

für die kombinierte kraft- und lageabhängige Steuerung des Stempels der Pulverpresse.

Eine hydraulische Pulverpresse, deren Prinzipaufbau

wird j
in Fig. 1a gezeigt,besteht aus einem Stativ 1, einer Form 2 (Formwerkzeug oder Matrize), einem Stempel 3 und zugehörigen Antriebsmitteln in Form von Hydraulikzylinder 4,5 zum Positionieren der Form und des Stempels. Hinzu kommen Einrichtungen für die Materialzuführung und Dosierung beim Befüllen mit Pulver sowie eine Auswerf- oder Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen der fertiggepreßten Werkstücke.

Während eines PreßZyklus wird die Form 2 zuerst in eine genau bestimmte Lage für das Einfüllen des Pulvers bewegt. Nach dem Befüllen wird der Stempel 3 schnell nach unten in eine Ausgangslage für die Pressung geführt, wonach die Pressung bis zum Erreichen einer genau bestimmten Endlage oder einer genau bestimmten Endkraft erfolgt. Während des Preßvorgangs sollen die Verschiebungen von Stempel und Form mit veränderbaren und aufeinander abgestimmten Geschwindigkeiten erfolgen. In der Endlage kann außerdem eine bestimmte Haltezeit mit aufrechterhaltener Preßkraft erforderlich sein, wonach die Preßkraft gemäß einer veränderbaren Zeitfunktion bis auf eine Haltekraft reduziert werden kann (vgl. das Bewegungsdiagramm in Fig. 1b). Nach dem vorstehend beschriebenen Preßvorgang wird die Form 2 nach unten bewegt, so daß

das fertiggepreßte Werkstück freiliegt und aus der Presse entnommen werden kann. Nach dem Entnehmen geht der Stempel 3 schnell nach oben in seine obere Lage, und die Form 2 geht in die Befüllungsposition, wonach ein neuer Preßzyklus beginnt.

Der Preßvorgang wird gesteuert durch ein Regelsystem, welches einen Regelkreis für die Pressenform und einen Regelkreis für den Stempel umfaßt. Fig. 2 zeigt einen an sich bekannten elektrohydraulischen Regelkreis zum Regeln der Lage der Pressenform 2. Zur Erzielung einer schnellen und genauen Lageregelung der Form ist das Stellorgan in dem Kreis als Hydraulikzylinder 4 ausgebildet, der über eine Kolbenstange 6 die Lage der Pressenform 2 steuert. Der Regelkreis umfaßt weiter ein Wandlerorgan in Form eines durchflußsteuernden Servoventils 7, welches das elektrische Steuersignal in eine hydraulische Größe in Form der Ölzufuhr q zum Hydraulikzylinder 4 umwandelt.

Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Sollwertfunktion χ (t) des Regelkreises in einem mit Mikroprozessor arbeitenden Datengeber 8 erzeugt. Da eine hohe Genauigkeit erforderlich ist (im vorliegenden Fall 0,05 /oo) wird der Istwert y (t) digital mittels eines linearen inkrementalen

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Positionsgebers 9 gemessen. Das am Summierungspunkt 10 digital gebildete Abweichungssignal e=x-y wird in einem D/A-Wandler 11 in analoge Form umgewandelt und steuert über einen PI-Regler 12 (proportional-integrale Regelung) den Strom i zum Servoventil 7.

Solange die Kräfte auf die Kolbenstange 6 nur mäßig schwanken ist die Druckmittelzufuhr q zum Hydraulikzylinder und damit die Geschwindigkeit der Kolbenstange proportional zum Steuerstrom i im Frequenzbereich von 0 bis ca.100 Hz. Dies ermöglicht eine große Bandbreite der Reglerschleife und damit eine große Genauigkeit und Schnelligkeit. Die einzelnen Komponenten des Regelkreises in Fig. 2 sind im übrigen in der Regeltechnik wohlbekannt und werden deshalb nicht näher beschrieben,

Das Reglersystem umfaßt ferner einen Regelkreis zum Steuern des Stempels 3. In den Phasen der Aufwärts- und Abwärtsbewegung sowie in der Anfangsphase des Preßvorgangs wird der Stempel 3 lagegeregelt, und die Kräfte an der "Kolbenstange ändern sich nur mäßig. In diesen Phasen kann hierfür ein gleicher Regelkreis wie für die Pressenform 2 gemäß Fig. 2 angewendet werden. In der Endphase des Preßvorgangs wachsen jedoch die Kolbenkräfte dramatisch an und der Zusammenhang zwischen der

Kolbenstellung und dem Ventilsteuerstrom i ändert völlig seinen Charakter. Erfindungsgemäß wird deshalb die beschriebene Hauptservoschleife ergänzt durch einen zusätzlichen Regelkreis zum Erreichen der erforderlichen Genauigkeit der Lageregulierung des Stempels 3 und zum Erzielen der erforderlichen Kraftregelung, und zwar gemäß Fig. 3.

Ebenso wie die Hauptservoschleife nach Fig. 2 umfaßt der Regelkreis für den Stempel 3 einen D/A-Wandler 11', der die Abweichungssignale e zwischen dem Sollwert χ (t) und dem Istwert y (t) in analoge Form umwandelt. Das Analogsignal e.. steuert über P- und I-Regler 12',12" den Steuerstrom zum Servoventil 7'. Das Servoventil 7' wandelt das elektrische Steuersignal i in eine hydraulische Größe in Form der Druckmittelzufuhr q zum Hydraulikzylinder 5 für den Stempel um, dessen Kolbenstange 6' die Position des Stempels 3 steuert. Der Sollwert χ (t) wird in einem mit Mikroprozessor arbeitenden Datengeber 8' erzeugt, und der Istwert y (t) wird digital mittels eines linearen inkrementalen Positionsgebers 9' gemessen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich umfaßt der Regelkreis außerdem eine Servoschleife mit einem Kraftgeber 13 zum

Bestiramen der Kraft, die auf den Stempel 3 wirkt und einen PD-Regler 14 (Proportional- und Ableitungsfunktion) zur Signalverarbeitung des Abweichungs- oder Fehlersignals zwischen dem Soll- und Istwert der Kraft.

Zum Optimieren der Lageregelung in der Endphase eines Preßvorgangs im Hinblick auf die Materialeigenschaften und Preßkräfte umfaßt der Regelkreis außerdem einen zusätzlichen D/A-Wandler 15 zum Umwandeln des Abweichungssignals e in eine Position, Funktionsumschalter S1,S2, S3 und S4, die in verschiedenen Phasen während des Preßvorganges eingreifen, sowie Eingänge für Kraftsollwerte F ,F_M sowie eine Zeitfunktion T . Ein Integrator 16 mit zwei Multiplikatoren 17,18, deren Funktion unten beschrieben wird, sind ebenfalls in dem Kreis enthalten.

Auch diese Komponenten sind an und für sich bekannt und werden deshalb nicht näher beschrieben. Die Multiplikatoren 17,18 können z.B. als multiplizierende Potentiometer (umschaltbare Widerstandsnetze) oder als elektronische Spannungsmultiplikatoren ausgeführt sein. Die Funktionsumschalter S1-S4 können mechanische Zungenschalter, datengesteuerte elektronische Schalter oder Relais sein. Der Integrator 17 kann als RC-gekoppelter Operationsverstärker oder als digitales Register ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Regelkreis arbeitet in folgender Weise. Wenn der Stempel 3 einen im Datenprogramm vorgegebenen Abstand von der Endposition erreicht, erfolgt eine Umschaltung von der lageabhängigen Regelung auf kraftabhängige Regelung, in dem der Schalter S1 durch den Datengeber 8¹ in die Lage 2 eingestellt wird. Von diesem Zeitpunkt an wird das Signal a zum I-Regler 12" auf dem Wert 0 gehalten durch Rückkopplung des Signals zum Integrator 16. Gleichzeitig mit der Umschaltung wird das Signal F ,, durch Rückkopplung des Signals a auf den gleichen Wert wie das Signal F , vom Kraftgeber gezwungen, wodurch ein störungsfreier Übergang zur kraftabhängigen Steuerung erfolgt.

Da der Schalter S1 die Lage 2 einnimmt, wird das Istsignal F_T vom Kraftgeber 13 dem Signal F_c ,, mittels der folgenden Regelschleife folgen: PD-Regler 14, I-Regler 12", Servoventil 7¹, Hydraulikzylinder 5 und Kraftgeber 13. Die den P-Regler 12' enthaltende Hauptschleife wird gleichzeitig aufgrund der starken Kraftzunahme degenerieren.

Der Schalter S3 ist voraus in die Lage 1 oder 2 eingestellt, je nachdem, ob die Pressung bis zu einer Endkraft oder bis zu einer Endposition erfolgt. Bei in

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Lage 1 befindlichem Schalter S3 wird das Signal F

durchj
so gesteuert, daß es<^Gegenkopplung über den Integrator den Endkraftwert F_p annimmt. Der Übergang auf F erfolgt mit einer Zeitfunktion, die sich bestimmt über den Gegenkopplungsgrad über den Integrator 16. Bei in Stellung befindlichem Schalter S3· wird F ,, von einem durch den Integrator 16 integrierten Lageabweichungssignal e2 gesteuert. Hierdurch wird eine über den Kraftregelkreis geschlossene äußere Lageregelschleife gebildet. Wenn die richtige Lage erreicht ist, erhält man hierdurch ein verfügbares Signal, so daß die Ausgangskraft für die erwähnte Beibehaltung der Endkraft oder für das Heruntersteuern der Kraft ausgeführt werden kann.

Zum Optimieren der Genauigkeit wird ein Multiplikator 17 verwendet, mit dessen Hilfe die Verstärkung in der Lageregelschleife kompensiert wird bezüglich des Einflusses, den das Material auf den Zusammenhang zwischen dem Ventilsteuerstrom i und der Position y hat (große Preßkraft ergibt einen kleinen Quotienten y/i). Der Umschalter S4 wird vorab entsprechend dem jeweiligen Werkstoff eingestellt.

Wenn der eingestellte Wert der Endlage oder der End-

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kraft erreicht ist und die erwähnte Haltezeit abgelaufen ist, wird ein Signal abgegeben, welches den Schalter S2 in die Stellung 2 bringt. Der Wert F_q ,, wird dann bis auf die Haltekraft F reduziert durch Rückkopplung des Integrators 16 über den Multiplikator 18. Die Zeitfunktion des Überganges von F_q ,, von der Endpreßkraft F„ auf die Haltekraft F wird bestimmt durch den Multiplikator 17. Wenn die Haltekraft erreicht ist und das fertiggepreßte Werkstück vom Auswerfer abgenommen wird, wird der Stempel mittels der Grundschleife für die Lageregelung nach oben bis in seine obere Stellung gesteuert. Gleichzeitig gehen die Schalter S1 und S2 wieder in die Position 1, womit ein neuer Pressenzyklus beginnt.

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Claims

Patentansprüche

iO Regelkreis zum kraft- und lageabhängigen Steuern einer Materialbearbeitungsmaschine, z.B. einer hydraulischen Pulverpresse, mit einer elektrohydraulischen Hauptservoschleife zur Lageregelung, dadurch gekennzeichnet , daß der Regelkreis außer' der Hauptservoschleife (9,11,12) zusätzlich eine elektrohydraulische Servoschleife (13,14,12") zur Kraftregelung aufweist, welche in einer bestimmten Phase während des Bearbeitungsablaufs eingreift und die Regelung von der Hauptservoschleife übernimmt.
2. Regelkreis nach Anspruch 1, gekennzeich-

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net durch ein Organ (S1) zum Umschalten von der Lageregelung auf die Kraftregelung, wenn ein Werkzeug (3) der Maschine sich in einem festgestellten Abstand von seiner Endlage befindet, z.B. in der Schlußphase des Bearbeitungsvorgangs .
3. Regelkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrohydraulische Servoschleife für die Kraftregelung einen Kraftgeber (13) zum Bestimmen der auf das Werkzeug (3) der Maschine wirkenden Kraft, einen PD-Regler (14) für die Signalverarbeitung eines Differenzsignales zwischen dem Soll- und Istwert (F_c ,, - F_T ,) der Kraft sowie in Kombination mit der

D O J. J. J-St

Hauptservoschleife einen I-Regler (12"), ein Servoventil (7) sowie einen Hydraulikzylinder (5) aufweist.
4. Regelkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Sollwert (F„ -, ,) der Kraft über einen Integrator (16) so gesteuert wird, daß in einer bestimmten Lage während des Preßvorgangs, z.B. in der Schlußphase, die Kraft auf einem bestimmten Wert gehalten wird.
5. Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Integrator (16) so einschaltbar ist, daß der Sollwert (F ,,) der Kraft beim Zuschalten

der hydraulischen Servoschleife für die Kraftregelung gleich dem vom Kraftgeber (13) gemessenen Istwert der Kraft (F- .) ist und daß danach der Integrator umschaltbar ist mittels eines Kraftsollwertes (F ,, ), der mit dem eingestellten Schließkraftwert (F_p) übereinstimmt, oder mittels desjenigen Kraftsollwertes (F„ i-j)' der erforderlich ist, damit das Werkzeug (3) eine eingestellte Endlage einnimmt.
6. Regelkreis nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine weitere Servoschleife für die Lageregelung, welche aufweist einen D/A-Wandler (15) für die Umwandlung der digitalen Lageabweichungssignale (e) in der Hauptservoschleife, einen Multiplikator (17) zur Verstärkungseinstellung und den Integrator (16), um den auf den Lageabweichungssignalen beruhenden Kraftsollwert (F. ,,) zu erhalten.
7. Regelkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Integrator (16) dann, wenn eingestellte Werte für die Endlage oder die Endkraft (F_p) erreicht sind und eine bestimmte Haltezeit verstrichen ist, derart einschaltbar ist, daß der Sollwert (F ,,) der Kraft gemäß ^; einer einstellbaren Zeitabhängigkeit (T ) auf eine einstellbare Haltekraft (F ) herabgesetzt wird.
8. Verfahren zum Steuern einer Presse, insbesondere zum Pressen von Werkstücken aus Metallpulver, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eines der relativ zueinander bewegbaren Werkzeuge der Presse während des Öffnungs- und Schließhubes sowie gegebenenfalls eines Teils des Preßhubes lageabhängig und während mindestens der Endphase des Preßhubes kraftabhängig gesteuert wird.