DE4337825A1 - Verfahren zur Simulation der lastabhängigen Stößelkippung von mechanischen Pressen auf einer hydraulischen Einarbeitungspresse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation der lastabhängigen Stößelkippung von mechanischen Pressen auf einer hydraulischen Einarbeitungspresse gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Außermittig den Pressenstößel angreifende Kräfte bewirken eine Kippung des Stößels. Das Maß der Stößelkippung ist eine wichtige Größe zur Beurteilung der Güte von Pressen, da hiervon auch die Formgenauigkeit des bearbeiteten Werk­ stückes bzw. des Blechteils abhängt.

Bei hydraulischen Pressen, insbesondere SMC-Pressen (DD-PS 2 89 970, DE-OS 37 26 578), ist es bekannt, zur Regelung des Parallellaufs an den Eckpunkten des Pressen­ tisches die Lage des Stößels erfassende Wegmeßsysteme sowie mindestens vier mit Drucköl beaufschlagbare Gegenhalte­ zylinder anzuordnen, die zumindest im Arbeitsbereich der Presse eine im Sinne einer Kompensation der Parallelitäts­ abweichungen der Stößelbewegung entgegenwirkende Kraft aufbringen. Die Druckbeaufschlagung der Gegenhaltezylinder erfolgt mittels Servoventilen, die ihrerseits durch eine elektronische Vergleicher- und Auswerteschaltung in Ab­ hängigkeit von den durch das jeweils zugeordnete Wegmeß­ system erfaßten Parallelitätsabweichungen ansteuerbar sind.

Bei mechanischen Pressen, die im allgemeinen keine zusätz­ lichen Einrichtungen zur Regelung des Parallellaufs ent­ halten, wird das fehlerbehaftete Verhalten der jeweiligen Presse bei der Einarbeitung des Werkzeuges mit berücksich­ tigt. Bei dem u.u. langwierigen Einarbeitungsprozeß steht die Presse für Produktionsaufgaben nicht zur Verfügung. Das Einarbeiten von Werkzeugen erfolgt deshalb häufig nicht auf hochproduktiven mechanischen Produktionspressen, son­ dern auf hydraulischen Einarbeitungspressen. Werden die eingearbeiteten Werkzeuge in den Produktionspressen einge­ setzt, sind oft noch Korrekturarbeiten erforderlich, die die Produktionssicherheit und damit die Produktivität senken. Hauptursache ist die lastabhängige Stößelkippung der Produktionspresse, die auf der hydraulischen Einarbei­ tungspresse nicht vorempfunden und simuliert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, nach dem das Kippungsverhalten von Produktions­ pressen mit unterschiedlicher Federsteife auf einer hy­ draulischen Einarbeitungspresse mit einfachen Mitteln simu­ liert werden kann.

Erfindungsgemäß wird das durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Merkmale erreicht. Weitere detaillierte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.

Für die Simulation des Kippungsverhaltens von Produktions­ pressen an hydraulischen Pressen stehen experimentell an den Produktionspressen ermittelte Funktionsverläufe der Kippung des Stößels (k_x,y) in Abhängigkeit des Kippmomentes (M_kx,ky) für beide Achsen (x,y) zur Verfügung.

Bei der Kippungssimulation besteht nun die Zielstellung, in Abhängigkeit des tatsächlich wirkenden Kippmomentes (bezo­ gen auf die jeweilige Achse) den Stößel nur so weit kippen zu lassen, wie es die in einer Steuerung gespeicherten Funktionsverläufe M_x = f₁ (k_x) und M_y = f₂ (k_y) oder C_x = f₃ (k_x) und C_y = f₄ (k_y) der zu simulierenden Produk­ tionspresse angeben.

Zu diesem Zweck wird die von den z. B. SMC-Pressen bekannte Kurzhubtechnik eingesetzt. Sie besteht aus vier an den Eck­ punkten des Pressentisches angeordneten Hydraulikzylindern, die jeweils mittels eines Servoventils und einer Regelein­ richtung steuer- bzw. regelbar sind. Die vier Hydraulik­ zylinder sind mit Druckaufnehmern ausgestattet, die eine kontinuierliche Druckmessung in den Zylinderräumen zu­ lassen. Der Stößel setzt bei seiner Abwärtsbewegung kurz vor Beginn des Arbeitsbereiches auf die ausgefahrenen Kolben der Arbeitszylinder auf und verdrängt bei seiner Weiterbewegung das Druckmedium aus den Zylinderräumen.

Innerhalb des Arbeitsbereiches des Pressenstößels ist dieser durch seinen Antrieb (Preßzylinder) und durch die Kurzhubzylinder beidseitig verspannt. Der unbelastete Stößel (auf den keine Verfahrenskraft wirkt) kann bewußt in eine bestimmte Lage gekippt werden, indem jeweils zwischen zwei Zylinderpaaren (vorn - hinten, links - rechts) unter­ schiedlich hohe Drücke erzeugt werden.

Um einen außermittig belasteten Stößel in seiner idealen Parallellage zum Pressentisch zu halten, müssen zwischen den Zylinderpaaren (vorn - hinten, links - rechts) eben­ falls verschieden große Drücke eingestellt werden, die den Gleichgewichtszustand zur außermittig wirkenden Kraft wieder herstellen. Die im Gleichgewichtszustand auftreten­ den Druckdifferenzen repräsentieren die Größe der tatsäch­ lich wirkenden Kippmomente.

Ein sich bezüglich Richtung und Zeit änderndes Kippmoment kann jedoch ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Sensoren auf direktem Wege nicht rückwirkungsfrei ermittelt werden. Weiterhin ist an jeder Stößelecke ein Wegmeßsystem ange­ bracht, das den Abstand zwischen Pressenstößel und Pressen­ tisch mit einer hohen Auflösung erfaßt. Aus dem Vergleich der vier Abstandsmaße kann die Stößelkippung ermittelt werden.

Die Erfindung ermöglicht es nun, aus der vorgegebenen Zu­ ordnung von Kippung zu Kippmoment für jede Achse den Stößel definiert zu kippen und auf Änderungen des Kippmomentes schnell zu reagieren.

Dabei wird zuerst die Wirkung, also die Kippung erfaßt und danach wird die Ursache, das Kippmoment durch ein Gegen­ moment kompensiert, indem unterschiedliche Drücke in den Gegenhaltezylindern geregelt werden, bis anhand der ge­ speicherten Kippungsfunktion ein Gleichgewichtszustand er­ reicht ist. Für den Gleichgewichtszustand ist kennzeich­ nend, daß das eingestellte Gegenmoment genau die Stößel­ kippung zuläßt, die gemäß der gespeicherten Kippungsfunk­ tion dem Kippmoment entspricht. Ändert sich das Kippmoment, so wird anhand der sich ergebenden Stößelkippung das Gegen­ moment nachgeregelt. Mit Hilfe des Gegenmomentes wird dafür gesorgt, daß der Stößel bei außermittiger Belastung nicht weiter als vereinbart kippt und bei nachlassendem Kipp­ moment wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt.

Die Erfindung wird nachstehend an zwei Ausführungsbeispie­ len näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der auf die Stößelfläche der Presse wirkenden Kippmomente bei außermittiger Belastung,

Fig. 2 eine Regeleinrichtung für die Stößelkippung als Blockschaltbild,

Fig. 3 die Schaltungsanordnung zu Fig. 2,

Fig. 4 eine zweite Ausführung der Regeleinrichtung als Blockschaltbild und

Fig. 5 die Schaltungsanordnung zu Fig. 4.

Die Geräteanordnung zur lastabhängigen Kippungsregelung (Fig. 1, 3, 5) besteht aus den vier jeweils in einem Eck­ punkt des Stößels 1 angeordneten Anschlagspindeln 2, den dazugehörigen Gegenhaltezylindern 3 einschließlich Wegmeß­ systemen 4, Druckmeßsystemen 5 und Regelventilen 6 sowie einer elektronischen Regeleinrichtung 7.

Die mit dem Pressenstößel 1 verbundenen Anschlagspindeln 2 dienen der Einstellung des Arbeitsbereiches der Einrichtung und werden je nach Werkzeugabmessungen so eingestellt, daß sie während des Umformvorganges die mit dem Pressentisch verbundenen Gegenhaltezylinder 3 sowie die Wegmeßsysteme 4 betätigen. Die Regelventile 6 dienen zur Beeinflussung der Drücke bzw. Kräfte in den Gegenhaltezylindern 3, die über die Druckmeßsysteme 5 an die Regeleinrichtung 7 gemeldet werden. Die Regeleinrichtung 7 erzeugt anhand der Signale aus den Druck- und Wegmeßsystemen 4, 5 sowie der eingege­ benen Regelparameter die Ansteuersignale für die Regel­ ventile 6.

Die Regeleinrichtung 7 (Fig. 2 und 3) besteht aus folgenden Komponenten:

• - vier Kraftreglern 11 mit Korrektureinrichtung,
• - der Einrichtung zur Ermittlung der Stößelkippungen 12,
• - der Einrichtung zur Ermittlung der Sollwerte für die Gegenhaltemomente in x- und y-Richtung 13 und
• - der Einrichtung zur Verteilung der Sollwerte für die Gegenhaltekräfte 14, 14a auf die vier Gegenhaltezylin­ der 3.

Die Kraftregler 11 sind jeweils einem Gegenhaltezylinder 3 zugeordnet und beeinflussen über Regelventile 6 die Gegen­ haltekräfte zur Begrenzung der Stößelkippung. Sie sind beispielsweise als PID-Regler ausgebildet, wobei die Regel­ parameter (P-, I-, D-Anteile) durch Korrektureinrichtungen an das Verhalten der Regelstrecke angepaßt werden können. Hierdurch wird es z. B. möglich, störende Einflüsse aus dem Verhalten der Regelventile 6 sowie aus dem variablen Volu­ men der Ölsäulen in den Gegenhaltezylindern 3 zu eliminie­ ren. Die Istwertrückführung erfolgt über Druckmeßsysteme 5, wobei beim Einsatz von Differentialzylindern über zwei je­ weils dem oberen und unteren Zylinderraum zugeordnete Druckmeßsysteme 5 und Einrichtungen zur Bildung einer flächenbewerteten Differenz 15 zur jeweiligen Gegenhalte­ kraft proportionale Istwertsignale erzeugt werden. Die Rückführung dieser Signale erfolgt auf Summierpunkte 16, über die durch ein zusätzliches Offsetsignal (F_min) auch die minimale Gegenhaltekraft vorgegeben werden kann.

In einer weiteren Systemkomponente (Einrichtung 13) werden getrennt nach x- und y-Richtung des Stößels 1 die Gegen­ haltemomente ermittelt, die erforderlich sind, die Stößel­ kippung auf den gewünschten Wert zu begrenzen. Hierfür werden zunächst aus den Weg-Ist-Werten der vier Stößeleck­ punkte durch zwei Summiereinrichtungen 12 der Stößelkippung in x- und y-Richtung proportionale Signale k_x und k_y er­ zeugt. Je nach Richtung (Vorzeichen) der ermittelten Kip­ pungen erfolgt eine Zuordnung der Signale auf jeweils zwei Signalpfade, die wiederum bestimmten Gruppen von Gegen­ haltezylindern 3 zugeordnet sind (Verteiler 14a). Aus diesen Signalen (k_x1, k_x2, k_y1, k_y2) werden dann mit Hilfe der Kippungskennlinien M_kx = f(k_x) und M_ky = g(k_y) die Gegenhaltemomente ermittelt bzw. die dazu proportionalen Signale (M_x1, M_x2, M_y1, M_y2) erzeugt. Die Kippungskenn­ linien können an realen Pressen gemessen und als Parameter in die Regeleinrichtung 7 eingegeben werden.

Die Zuordnung dieser Momentensignale auf die vier Gegen­ haltezylinder 3 und somit die Bildung der Kraft- bzw. Drucksollwerte erfolgt durch eine Summiereinrichtung 14, deren Summierpunkte den vier Kraftreglern 11 zugeordnet sind. Hierbei werden für jeden Kraftregler 11 die ihm zu­ geordneten Komponenten der Gegenhaltemomente in x- und y- Richtung aufsummiert.

Die Ausregelung der so ermittelten Sollwerte erfolgt durch die schon beschriebenen Kraftregler 11. Dadurch wird er­ reicht, daß nach Auftreten eines Kippmomentes der Stößel 1 so weit kippen kann, bis in Abhängigkeit vom Kippweg ein zum Kippmoment gleichgroßes Gegenhaltemoment aufgebaut ist.

Bei einer weiteren Ausführung (Fig. 4 und 5) wird davon ausgegangen, daß ein bewußtes Kippen des Stößels um einen definierten Betrag möglich ist, wenn eine definierte Stei­ figkeit (c_i = F_i/Δ s_i) für jeden Eckpunkt des Stößels 1 steuer- bzw. regelbar ist.

Im einfachsten Falle besteht für das Kippungsverhalten von Produktionspressen ein linearer Zusammenhang zwischen Kippung und Kippmoment. Dann ist die Steifigkeit, die mit jedem Gegenhaltezylinder 3 nachgebildet werden muß, kon­ stant. Das bedeutet, daß z. B. eine übergeordnete Steuerung 23 zuerst für jede Achse (x, y) die Steifigkeiten berechnet und anschließend durch Überlagerung in einer Sollwertver­ teilung 24 jedem der vier Gegenhaltzylinder 3 einen Stei­ figkeits-Sollwert zuordnet. Die Regeleinrichtung 7 jedes Gegenhaltezylinders 3 hat die Aufgabe, die Nachgiebigkeit des Gegenhaltezylinders 3 konstantzuhalten.

Die durch die jeweiligen Zylinder 3 auf den Stößel 1 aus­ geübte Kraft wird aus den Flächen und Druckwerten des Gegenhaltezylinders 3 ermittelt. Aus den gemessenen Ab­ standswerten zwischen Stößel 1 und Tisch werden in einer Einrichtung 22 die momentanen Kippungswerte des Stößels 1 errechnet. Für jeden Gegenhaltezylinder 3 wird aus der er­ mittelten Kraft F_i und der errechneten Kippung Δ s_i in einer Einrichtung zur Steifeberechnung 27 die momentane Steifigkeit c_i bestimmt und in einem Summierpunkt 26 mit dem Sollwert verglichen. Die aus diesem Vergleich resultie­ rende Differenz wird dem Steiferegler 21 übermittelt. Dieser ändert mittels eines Servoventils 6 das Druckver­ hältnis im Gegenhaltezylinder 3 derart, daß die daraus re­ sultierende Steifigkeit mit dem Sollwert übereinstimmt.

Besteht bei Produktionspressen kein linearer Zusammenhang zwischen der Stößelkippung und dem Kippmoment, so wird, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt ist, der Sollwert in Ab­ hängigkeit von der gemessenen Stößelkippung ermittelt. Dazu dienen die in einer Steuerung gespeicherten Steifigkeits- Kippungs-Funktionen 23 und 23a. Diese Funktionen stellen die Abhängigkeit der Kippsteifigkeiten c_x und c_y des Stößels (der zu simulierenden Produktionspresse) von den Kippungen k_x und k_y um die x- bzw. die y-Achse dar. Die Funktion c = f(k) kann direkt in die Steuerung eingegeben oder aus der Funktion M = f(k) steuerungsintern ermittelt werden.

Für den Fall einer nicht zu vernachlässigenden Steifigkeit der Simulationspresse stehen Korrekturfunktionen 23a zur Verfügung.

Nachdem die Soll-Steifigkeiten für die x- und die y-Achse mit Hilfe der gespeicherten Funktionen 23 und ggf. 23a er­ mittelt sind, erfolgt in dem Sollwertverteiler 24 die Zu­ ordnung der Sollwerte zu den einzelnen Gegenhaltezylindern 3 durch Überlagerung der jeweils ermittelten Steifigkeits­ werte der x- und y- Achse.

In den Summierpunkten 26 werden die Soll-Steifigkeitswerte mit den zugehörigen Ist-Steifigkeitswerten verglichen und den Steifereglern 21 zugeführt.

Jeder der vier Steiferegler 21 beeinflußt über ein Servo­ ventil 6 den Druck im Gegenhaltezylinder 3, bis die Ab­ weichung der Ist-Steifigkeit von der Soll-Steifigkeit aus­ geglichen ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Simulation der lastabhängigen Stößelkip­ pung von mechanischen Pressen auf einer hydraulischen Einarbeitungspresse mit mindestens einem mit dem Pressenstößel verbundenen Druckzylinder zur Bildung eines auf das Werkstück wirkenden Arbeitsdruckes, mit mindestens vier entgegengesetzt zur Arbeitsbewegung auf den Stößel wirkenden Gegenhaltezylindern, mit Wegmeß­ systemen zur Erfassung der jeweiligen Stößellage und einer Regeleinrichtung zur individuellen Druckbeauf­ schlagung der Gegenhaltezylinder, dadurch gekennzeichnet, daß man den Öldruck in den Gegenhaltezylindern so regelt, daß dem Stößel zumindest im Arbeitsbereich - ausgehend von der ermittelten Stößelkippung - jeweils so viel Kraft entgegengesetzt wird, daß die lastab­ hängigen Stößelkippungen in der x- und y-Achse auf Werte begrenzt werden, die durch parametrierbare Kippungskennlinien M_x = f₁ (k_x) und M_y = f₂ (k_y) oder c_x = f₃ (k_x) und c_y = f₄ (k_y) vorgegeben sind.

2. Verfahren zur Simulation der lastabhängigen Stößelkip­ pung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zyklische Abarbeitung der folgenden Schritte im Arbeitsbereich der Presse:

• 1. Erfassen des Druckes bzw. der Druckdifferenz und Be­ rechnung der wirksamen Kolbenkraft für jeden Gegen­ haltezylinder,
• 2. Erfassen des Abstandes zwischen Tisch und Stößel mittels Wegmeßsystemen an jeder Stößelecke und Be­ rechnen der Stößelkippungen k_x und k_y für die x- und die y-Achse aus den Abstandsdifferenzen,
• 3. Ermittlung der Soll-Gegenhaltemomente für die x- und y-Achse mit Hilfe vorgegebener Funktionsverläufe und den aktuellen Stößelkippungen,
• 4. Ermittlung der Soll-Kräfte für die Gegenhaltezylin­ der durch Überlagerung der Kippmomente unter Berück­ sichtigung der geometrischen Verhältnisse an der Presse,
• 5. Vergleich zwischen Soll- und Ist-Kräften und Vorgabe der Kraftdifferenzen an die Kraftregler,
• 6. Beeinflussen der Regelventile mittels der Stell­ signale der Kraftregler, derart, daß die Drücke in den Gegenhaltezylindern so weit geändert werden, bis eine Übereinstimmung von Soll- und Ist-Kräften er­ reicht ist,

wobei innerhalb des Zyklus Schritte auch parallel oder in einer anderen Reihenfolge abgearbeitet werden können.

3. Verfahren zur Simulation der lastabhängigen Stößelkip­ pung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die zyklische Abarbeitung der fol­ genden Schritte im Arbeitsbereich der Presse:

• 1. Erfassen des Druckes bzw. der Druckdifferenz und Be­ rechnung der wirksamen Kolbenkraft für jeden Gegen­ haltezylinder,
• 2. Erfassen des Abstandes zwischen Tisch und Stößel mittels Wegmeßsystemen an jeder Stößelecke und Be­ rechnen der Stößelkippungen k_x und k_y für die x- und die y-Achse aus den Abstandsdifferenzen und den Ab­ messungen der Stößelfläche,
• 3. Berechnen der Ist-Steifigkeit c für jeden Gegen­ haltezylinder aus der Kolbenkraft und der errech­ neten Stößelkippung k_x bzw. k_y.
• 4. Ermittlung der Soll-Steifigkeiten für die x- und y- Achse mit Hilfe vorgegebener Funktionsverläufe und den aktuellen Stößelkippungen,
• 5. Ermittlung der Soll-Steifigkeiten für die Gegen­ haltezylinder durch Überlagerung der Soll-Steifig­ keiten für die x- und y-Achse unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse an der Presse.
• 6. Vergleich zwischen Soll- und Ist-Steifigkeit und Vorgabe der Steifigkeitsdifferenz an den Steife­ regler.
• 7. Beeinflussung der Regelventile mittels der Stell­ signale der Regler, derart, daß die Drücke in den Gegenhaltezylindern so weit geändert werden, bis eine Übereinstimmung von Soll- und Ist-Steifigkeit erreicht worden ist,
  wobei innerhalb des Zyklus Schritte auch parallel oder in einer anderen Reihenfolge abgearbeitet werden können.