WO2012092909A1 - Verfahren zum inkrementellen umformen von blechstrukturen, insbesondere zum umformen von rohren oder dgl. - Google Patents

Verfahren zum inkrementellen umformen von blechstrukturen, insbesondere zum umformen von rohren oder dgl. Download PDF

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WO2012092909A1
WO2012092909A1 PCT/DE2011/000015 DE2011000015W WO2012092909A1 WO 2012092909 A1 WO2012092909 A1 WO 2012092909A1 DE 2011000015 W DE2011000015 W DE 2011000015W WO 2012092909 A1 WO2012092909 A1 WO 2012092909A1
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forming
sheet metal
metal structure
model
meta
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PCT/DE2011/000015
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Alexander Brosius
Alessandro SELVAGGIO
Uwe DIRKSEN
Erman Tekkaya
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Technische Universität Dortmund
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Publication date
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    • B21D5/015—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves between rams and anvils or abutments for making tubes

Definitions

  • the invention relates to a method for the incremental forming of sheet metal structures, in particular for forming tubes or the like according to the preamble of claim 1.
  • the forming is frequently carried out on the basis of empirical values of the operating personnel, whereby the positioning of the sheet metal components during the forming as well as the respective degree of deformation in each working step requires a great deal of experience.
  • the JCO process starting from a flat sheet metal plate of appropriate thickness in each successive bending transformations using a long narrow Freibiegestkovs the sheet metal blank, starting from the edges, successively rounded and more and more locally bent around until an approximately round Cross section results.
  • the narrow Freibiegestempel immersed thereby repeatedly in the forming rounding of the sheet and deforms the previously flat sheet along the Ü over the pipe length extending bending edge locally again.
  • the occurring forming processes are quite complex and lead again and again to deviations of the manufactured deformation compared to a desired setpoint, which must compensate for the operator on the basis of his experience again and again.
  • the object of the present invention is therefore to further develop a method of the generic type such that the control of the unavoidable disturbance variables such as sheet thickness and batch fluctuations as well as springback is improved in such forming processes and the forming is simplified and made more reproducible.
  • the solution of the object of the invention results from the characterizing features of claim 1 in conjunction with the features of the preamble. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
  • the invention according to claim 1 is based on a method for controlling a forming process, in particular an incremental forming process for producing curved sheet metal structures, wherein at the beginning of a forming process by means of a mathematical model of the forming process implemented in a computing device depending on predetermined input variables at least one selected forming parameters is calculated in advance for a first transformation.
  • Such a generic method is further developed in accordance with the invention in such a way that as a selected forming parameter for a first forming the stamp immersion depth for an incremental free-bending process and as a meta-model for further transformations a bending radius-stamp immersion depth relationship based on a finite element analysis (FEM analysis)
  • FEM analysis finite element analysis
  • Such a control strategy allows a much more controlled transformation of the starting materials to curved sheet metal structures than the hitherto practiced forming based on experience and the fingertip of the operator, on the one hand, since the deformation based on the FEM analysis can be completely planned and optimized in advance.
  • the deviations can be compensated much faster and more accurate and the curved sheet metal structures are made much more reliable and accurate. Due to the regulatory strategy, a significantly lower reject rate is to be expected since the production is monitored at all times, and personnel costs can be saved as less qualified personnel can be deployed.
  • the adaptive control strategy takes into account both deviations due to material discontinuities as well as due to positioning errors of the starting material or the curved ones Sheet metal structures relative to the forming die, which otherwise occur due to operator error or insufficient control of the forming process by the operator and can be quickly scrap from an expensive material blank.
  • the regulation of the manufacturing process according to the invention significantly contributes to the improvement of the economy of the process.
  • the meta-model is established on the basis of the required bending radius, resulting from the target geometry of the curved sheet metal structure and the desired number of forming steps.
  • the meta-model is set up for the desired target geometry and with the desired number of forming steps by means of the FEM analysis and, if necessary, optimized so that an optimal distribution of the respectively required local forming processes can be produced with regard to the forming ratios.
  • the meta-model is based on the initial setup for a new workpiece of ideal values in terms of deformation and material properties, which are usually not given in practice so.
  • the meta-model can be adaptively adapted to the actual forming conditions and other influencing variables such as batch differences of the starting materials to be deformed and continuously further developed.
  • the empirical know-how previously lying with the operator is stored in the meta-model and can be used and reproduced again and again. It is particularly advantageous if the associated stamp immersion depths are determined for the necessary bending radius and for a definable number of smaller or larger radii using the finite element method (FEM).
  • FEM finite element method
  • the meta-model is completely set up in advance and preferably stored in a database. Since the calculation is typically done as part of the production preparation, the calculation time is less critical. Accordingly, the calculation can be based on a commercial FEM software (duration typically about 60 minutes). If an associated meta model has already been calculated for an equivalent order, a new calculation is not necessary and the meta model can be taken from the database. If, however, a short calculation time is required in another embodiment, the meta-model can instead be calculated by a process simulation running in real time.
  • the correction values for determining the stamp immersion depth of the next or the next forming steps are recorded continuously or at specific conversion progresses and supplied to the meta-model.
  • the modified parameters can be stored as measured empirical knowledge and used for other identical or similar workpieces.
  • the existing data of the meta-model can be continuously replaced by new data on the basis of ascertained deviations and / or modified and / or supplemented. So it is e.g. possible to archive the data used by appropriate design of the meta-model also, for. Adjustments to each slightly different properties of the starting materials, which can not be avoided by batch differences between different starting materials to consider and compensate automatically in the future.
  • the material characteristics of the material to be formed are taken into account in the meta-model.
  • the existing data of the meta-model can be successively replaced or modified by new data on the basis of ascertained deviations.
  • the inevitable batch differences or local differences of materials from the borrowed batch lead to local changes in the respective transformation of a curved sheet metal structure to be produced, which can be taken into account by means of the detected deviations within the framework of the control structure.
  • the material characteristic values of the material to be reshaped are determined on the basis of the first reshaping, that is, the theoretical deformation of the starting material during the first reshaping is specifically examined to determine which deviations exist and how these deviations are. be due to the material properties. This can then be used and taken into account without further delay or without extensive preliminary measurements of the material properties, for example in the laboratory for the further forming operations.
  • the material characteristics of the material to be formed before the first transformation eg determined by laboratory measurements.
  • a factor which specifies how exactly the present material description describes the semi-finished product used.
  • a determined deviation between the desired shape and the actual shape of the curved sheet metal structure is completely compensated directly with the following forming, for example, the determined deviation can be offset with the bending radius of the immediately following deformation.
  • detected deviations are compensated immediately with the next forming step and can no longer lead to further deviations in the lead to subsequent forming steps.
  • the necessary forming is not changed beyond the permissible deformation levels and forming properties, as otherwise material failure or further deviations could be caused. Therefore, in another embodiment, it is also conceivable that a determined deviation between the desired shape and the actual shape of the curved sheet metal structure is compensated, for example distributed over several of the following transformations.
  • the detection of the position and / or the shape of the starting material or the partially deformed curved sheet metal structure is optically and / or tactile.
  • the optical detection has the advantage of non-contact technology and thus a lower wear and extensive robustness to positioning problems.
  • a tactile detection may be more accurate under some circumstances.
  • a combination of both methods is also conceivable.
  • the respective position and / or actual shape of the curved contour of the incrementally deformed sheet metal structure can be particularly advantageous based on at least one contour line of one of the edges of the sheet metal structure, preferably an end face of the sheet metal structure can be determined.
  • the required contour line can be extracted with an optical sensor such as a camera or the like by means of known calculation methods from an image of the respective edge, whereby a section of the deformed curved sheet metal structure can be determined with sufficient accuracy.
  • an optical sensor such as a camera or the like
  • a tube to be shaped cylindrically could be measured approximately at both end faces and therefore also deviations along the longitudinal extension of the tube could be detected.
  • the determined contour line of the edge or even of the surface of the sheet metal structure can be compared with a contour line of the associated nominal contour of the incrementally formed sheet metal structure and deviations existing therefrom can be determined.
  • the edge of the sheet-metal structure can be detected optically and the course of the edge can be described by a polygon of discrete points on the edge of the sheet-metal structure.
  • markings are applied to the forming die and / or on at least one of the edges of the sheet metal structure, which are optically detected and with which by appropriate optical methods errors in the Relative positioning between forming die and the edge of the sheet metal structure detected and then equal to the positioning before the actual next deformation can be compensated. This too contributes to the substantial improvement of the manufacturing quality.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the initial situation of the conversion of an initially flat thick sheet into a curved body by means of free bending between a forming punch and supports under the control of deviations according to the method according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged representation of the deformation situation during the detection of deviations when using the method according to the invention according to FIG. 1,
  • FIG 3a-3p - a stadia diagram of the changes in forming the originally flat thick plate to a curved body by means of bending between a forming die and supports according to Figure 1 and 2 respectively.
  • FIG 1 is a schematic representation of the basic structure of the forming of an initially flat thick plate 1 to a curved body, here in the form of a substantially cylindrical tube by means of bending between a forming die 2 and 3 supports under control of deviations according to the inventive method shown.
  • Such transformations are particularly often used in the manufacture of thick-walled pipes, but are basically to almost any thick-walled curved body 1 ' to transfer from sheet metal.
  • the method of the invention will be explained on such thick-walled tubes, but the operation can be transferred to almost any thick-walled curved body 1 made of sheet metal.
  • the initially flat starting material 1 is thereby deformed along the linear forming zone 12 through the three-point support between the forming die 2 and the two supports 3 designed as rollers in such a way that a groove-shaped rounding occurs along the area of action of the forming punch 2.
  • the lateral edge regions of the starting material 1 are doing a little upwards. If one carries out a series of such forming processes one after the other and thereby displaces the starting material 1 relative to the forming die 2 and the two supports 3 designed as rolls, a successive rounding of the originally flat starting material 1 can be produced, which then becomes closer in accordance with FIG stage plan and the various intermediate stages on the way to a tube with a circular cross-section leads.
  • the invention is intended to enable automated, incremental tube fabrication using a sequential process control strategy.
  • sequence of such pipe production with process control is presented as a preferred and particularly illustrative example in the form of a simple flow chart, from which the basic idea emerges clearly and can then be transferred to other transformations:
  • the automation system receives all necessary data. These include u.a. a semifinished description of the starting material 1 (geometry, material), the required target geometry and the number of subsequent bends.
  • a bend radius / stamp dip depth relationship is established by means of a finite element analysis (FEA).
  • the bend radius stamp immersion depth relationship is referred to as a meta-model.
  • the basis of the construction of the meta-model is the necessary bending radius, which results from the target geometry and the number of subsequent bends.
  • the associated stamp immersion depths are determined using the finite element method (FEM).
  • FEM finite element method
  • the bend is performed.
  • the result of the automation depends largely on the accuracy of the sheet metal positioning. While the correction algorithm assumes That the centers of the bending radii come to lie exactly relative to the respective sections of the starting material or the partially deformed sheet metal structure, there may be deviations in reality. These deviations during the manufacturing process would cause the correction algorithm to perform the calculations with incorrect data, and thus the pipe could not be made to scale.
  • an eg optical sensor 5 is to be used for contour measurement of the front side of a sheet metal structure 1 ' .
  • a straight line is defined by markings 9, which are mounted on the forming die 2, and the distance between the straight line and the current marking 11 on the starting material 1 or the partially rounded sheet metal structure 1 'is determined. If this distance is greater than a previously defined threshold value, it requires a repositioning of the sheet metal structure relative to the forming die 2. If this is not the case, the partially rounded body 1 ' is positioned sufficiently accurately and the forming die 2 can be lowered.
  • the positioning of the partially rounded body 1 ' takes place by the machine operator or a positioning unit, not shown.
  • the machine operator receives the instructions by the correction algorithm in which direction the partially rounded sheet metal structure 1 ' must be moved and when the partially rounded sheet metal structure 1 ' has reached the correct position relative to the forming punch 2 and supports 3, so that the forming punch 2 in the forming direction 7 can be lowered by the calculated stamp immersion depth.
  • the detection of the actual contour of the starting material 1 or the partially rounded sheet metal structure 1 ' can be done both with a non-contact and with a tactile contour measurement.
  • the optical measurement for example by means of a camera 5, can be made using basically known methods in which the edge profile is calculated from the pixel information of an image of the camera 5 from the end face of the partially rounded sheet metal structure 1 ' and compared with the desired value. Such methods are basically known from optical measurement technology.
  • Based on the actual contour a corresponding correction factor for the following bends can be determined.
  • the deviation from the nominal contour can be calculated from the recorded actual contour. The correction of this deviation can be done by means of two alternatives:
  • the deviation is completely compensated with the following bend.
  • the deviation is offset with the bending radius of the following bend.
  • the deviation is compensated completely up to a defined deviation according to alternative 1 in the next bend. However, if the defined deviation is exceeded, the compensation is distributed over several of the following bends. In this way, a more uniform contour is expected.
  • the exact scheme of the distribution can be determined according to the formability of the material and the forming geometry.
  • the stamp immersion depth for the determined bending radius of the next bend is determined by means of the meta model. This is set up at the beginning by the FEA and during production the existing interpolation points of the meta model are extended or supplemented by new interpolation points. In this way it can be ensured that the meta-model adapts dynamically to the current forming situation and thus, in addition to the dimensional accuracy of the body 1 'to be formed , the accuracy of the model is also improved. In order to compensate for variations between individual batches of the material to be deformed, each time the batch is changed, the interpolation points of the meta-model are successively replaced by new interpolation points, so that old interpolation points are only used as initial values for the first calculations within a new batch.
  • the meta-model can be used without restrictions, as no major errors are expected in the calculation of the interpolation points of the meta-model. If deviations occur when using an inaccurate material description, this can be attributed to the insufficient description of the material. In this case, the metamodel must be adjusted in the initial phase, since the vertices used to initialize the metamodel are expected to contain a high error.
  • the invention describes an extension of the known free-bending processes such as the JCO processes or other forming processes especially thick-walled sheets by a control strategy and a preferably non-contact online measurement of the achieved intermediate stages of the curved components 1 by the incremental deformation.
  • Figures 3a-3p is in the form of a stadium plan, the basic sequence of such a transformation can be seen in which an originally flat starting material 1 is transformed by the incremental deformation in incremental forming zones 12 in its cross section more and more a pipe with a circular cross section accordingly.
  • This is a simple example of a product which, with the production method according to the invention including the modeling and the continuous recording of the produced intermediate geometries as well as the adaptive consideration of the measured values, can be produced much more accurately and safely than hitherto.
  • Part number list is a simple example of a product which, with the production method according to the invention including the modeling and the continuous recording of the produced intermediate geometries as well as the adaptive consideration of the measured values, can be produced much more accurately and safely than hitherto.

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines Umformprozesses, insbesondere eines inkrementellen Umformprozesses zur Fertigung von Blechstrukturen (1'), bei dem zu Beginn eines Umformprozesses mittels eines in einer Recheneinrichtung implementierten mathematischen Modells des Umformprozesses in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangsgrößen zumindest ein ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung vorausberechnet wird. Hierbei werden als ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung die Stempeleintauchtiefe für einen inkrementellen Freibiegeprozess und als Metamodell für die Umformungen des Umformprozesses eine Biegeradius-Stempeleintauchtiefe-Beziehung anhand einer Finiten-Element-Analyse bestimmt, anschließend der erste Umformschritt ausgeführt, nach dem ersten und/oder weiteren ausgeführten Umformschritten die entstandene Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur (1') erfasst und eventuelle Abweichungen zur gewünschten Sollkontur ermittelt und erfasste Abweichungen als Korrekturwerte dem Metamodell wieder zugeführt und zur adaptiven Anpassung der Daten des Metamodells für den oder die nächsten Umformschritte zur Kompensation von auftretenden Abweichungen der Umformung genutzt, anhand derer die weiteren Umformschritte beeinflusst und/oder korrigiert werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum inkrementellen Umformen von Blechstrukturen, insbesondere zum Umformen von Rohren oder dgl.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum inkrementellen Umformen von Blechstrukturen, insbesondere zum Umformen von Rohren oder dgl. gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Herstellung dickwandiger Blechbauteile wie etwa dickwandiger Rohre für Pipelineanwendungen oder dgl. erfolgt neben dem klassischen Walzprozess auch mittels sog. inkrementeller Umformverfahren wie etwa dem inkrementellen Freibiegeprozess (bspw. mit Hilfe des sog. JCO-Prozesses). Hierbei werden aufgrund der großen Blechdicken die Rohre jeweils nacheinander aus ebenen Blechtafeln in einzelnen Abschnitten durch einen Freibiegestempel und zwei Rollenauflager lokal umgeformt und durch Hintereinanderschaltung vieler solcher Umformoperationen die letztendlich gewünschte Form des Werkstückes, z.B. also die runde Form eines Rohres hergestellt. Die Umformung erfolgt hierbei häufig anhand von Erfahrungswerten des Bedienpersonals, wobei die Positionierung der Blechbauteile bei der Umformung sowie der jeweilige Umformungsgrad in jedem Arbeitsschritt viel Erfahrung voraussetzt. Beispielsweise wird zur Herstellung dickwandiger Rohre nach dem JCO-Prozess ausgehend von einer ebenen Blechplatine entsprechender Dicke in jeweils aufeinanderfolgenden Biegeumformungen mit Hilfe eines langen schmalen Freibiegestempels die Blechplatine, ausgehend von den Rändern, nacheinander angerundet und immer weiter lokal rund gebogen, bis sich ein näherungsweise runder Querschnitt ergibt. Der schmale Freibiegestempel taucht dabei immer wieder in die sich bildende Rundung des Bleches ein und verformt das vorher ebene Blech entlang der sich ü- ber die Rohrlänge erstreckenden Biegekante immer wieder lokal. Die dabei auftretenden Umform prozesse sind recht komplex und führen immer wieder zu Abweichungen der hergestellten Umformung gegenüber einem gewünschten Sollwert, die der Maschinenbediener aufgrund seiner Erfahrungen immer wieder ausgleichen muss.
Eine industrielle Fertigung dickwandiger Rohre stellt daher aufgrund von mehreren Störgrößen, wie z.B. Blechdicken- und Chargenschwankungen sowie Rückfederung, ein komplexes Vorhaben dar. Diese Problematik tritt verstärkt beim Verarbeiten von neueren Werkstoffenklassen wie z.B. hochfesten Stählen auf, da ihr plastisches Verhalten sich von den klassischen Stählen stark unterscheidet und für den Ferti- gungsprozess wegen der hohen entstehenden Materialkosten nicht ausführlich untersucht werden kann. Des Weiteren ist bei der industriellen Fertigung dickwandiger Rohre ein hohes Maß an Erfahrung bei der Bedienung der Maschine notwendig, um ein hochqualitatives Ergebnis zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art insofern weiterzuentwickeln, dass bei derartigen Umformverfahren die Beherrschung der unvermeidlichen Störgrößen wie etwa Blechdicken- und Chargenschwankungen sowie die Rückfederung verbessert und die Umformung vereinfacht und reproduzierbarer gestaltet wird.
Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung gemäß Anspruch 1 geht aus von einem Verfahren zur Regelung eines Umform prozesses, insbesondere eines inkrementellen Umformprozesses zur Fertigung gekrümmter Blechstrukturen, bei dem zu Beginn eines Umformprozesses mittels eines in einer Recheneinrichtung implementierten mathematischen Modells des Umformprozesses in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangsgrößen zumindest ein ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung vorausberechnet wird. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass als ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung die Stempeleintauchtiefe für einen inkrementellen Freibiegeprozesses und als Metamodell für weitere Umformungen eine Biegeradius-Stempeleintauchtiefe- Beziehung anhand einer Finite-Element-Analyse (FEM-Analyse) des Umformprozesses bestimmt werden, anschließend der erste Umformschritt ausgeführt wird, nach dem ersten und/oder weiteren ausgeführten Umformschritten die entstandene Ist- Form der gekrümmten Blechstruktur erfasst und eventuelle Abweichungen zur gewünschten Sollkontur ermittelt werden und diese Abweichungen als Korrekturwerte dem Metamodell wieder zugeführt und zur adaptiven Anpassung der Metamodellda- ten für den oder die nächsten Umformschritte zur Kompensation von auftretenden Abweichungen der Umformung genutzt werden, anhand derer die weiteren Umformschritte z.B. durch Vorgabe der Stempeleintauchtiefe beeinflusst und/oder korrigiert werden. Eine solche Regelungsstrategie erlaubt eine sehr viel kontrolliertere Umformung der Ausgangsmaterialien zu gekrümmten Blechstrukturen als die bisher praktizierte Umformung anhand von Erfahrungswerten und dem Fingerspitzengefühl des Bedieners, zum einen, da die Umformung anhand der FEM-Analyse komplett vorab geplant und optimiert werden kann. Anhand dieser Vorabplanung sowie der ständigen Überwachung des Umformvorgangs sowie der Berücksichtigung dabei erkannter Abweichungen zwischen der geplanten Sollkontur und der erfassten Ist-Kontur der erzeugten gekrümmten Blechstrukturen können die Abweichungen viel schneller und genauer kompensiert und die gekrümmten Blechstrukturen wesentlich zuverlässiger und genauer hergestellt werden. Aufgrund der Regelungsstrategie ist ein wesentlich geringerer Ausschuss zu erwarten, da die Fertigung zu jeder Zeit überwacht wird, zudem können Personalkosten eingespart werden, da weniger qualifiziertes Personal eingesetzt werden kann. Die adaptive Regelungsstrategie berücksichtigt hierbei sowohl aufgetretene Abweichungen aufgrund von Materialdiskontinuitäten als auch aufgrund von Positionierungsfehlern des Ausgangsmaterials oder der gekrümmten Blechstrukturen relativ zu dem Umformungsstempel, die aufgrund von Bedienungsfehlern oder nicht hinreichender Kontrolle des Umformvorganges durch den Bedie- ner sonst auftreten und schnell aus einem teuren Materialrohling Schrott werden lassen können. Damit trägt die Regelung des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens wesentlich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bei.
In einer ersten Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Metamodell auf Basis des notwendigen Biegeradius' aufgestellt wird, der sich aus der Zielgeometrie der gekrümmten Blechstruktur und der gewünschten Anzahl der Umformschritte ergibt. Das Metamodell wird hierbei für die gewünschte Zielgeometrie und mit der gewünschten Anzahl der Umformschritte mittels der FEM-Analyse aufgestellt und ggf. optimiert, so dass hinsichtlich der Umformverhältnisse eine optimale Aufteilung der jeweils notwendigen lokalen Umformvorgänge hergestellt werden kann. Dabei geht das Metamodell bei der erstmaligen Aufstellung für ein neues Werkstück von Idealwerten hinsichtlich der Umformung und der Materialeigenschaften aus, die in der Praxis in der Regel so nicht gegeben sind. Durch die laufende Korrektur des Metamodells aufgrund der erfassten Abweichungen sowie ggf. auch aufgrund vorhergehender Erfahrungswerte ähnlicher Metamodelle für ähnliche gekrümmte Blechstrukturen kann das Metamodell adaptiv an die tatsächlichen Umformverhältnisse und sonstige Einflussgrößen wie etwa Chargenunterschiede der zu verformenden Ausgangsmaterialien angepasst und laufend weiter entwickelt werden. Somit wird quasi das bisher beim Bediener liegende Erfahrungs-Know-How in dem Metamodell gespeichert und kann immer wieder genutzt und reproduziert werden. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn für den notwendigen Biegeradius und für eine definierbare Anzahl kleinerer oder größerer Radien unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) die dazugehörigen Stempeleintauchtiefen bestimmt werden.
In einer ersten Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Metamodell vorab komplett aufgestellt und vorzugsweise in einer Datenbank abgelegt wird. Da die Berechnung typischerweise im Rahmen der Fertigungsvorbereitung erfolgt, ist die Berechnungszeit als weniger kritisch zu bewerten. Dementsprechend kann die Berechnung auf Basis einer kommerziellen FEM-Software erfolgen (Dauer typischerweise ca. 60 Minuten). Wurde bereits für einen äquivalenten Auftrag ein zugehöriges Metamodell berechnet, ist eine erneute Berechnung nicht notwendig und das Metamodell kann der Datenbank entnommen werden. Wird hingegen in anderer Ausgestaltung eine kurze Berechnungszeit verlangt, kann das Metamodell stattdessen auch durch eine in Echtzeit ablaufende Prozesssimulation berechnet werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Korrekturwerte für die Ermittlung der Stempeleintauchtiefe des oder der nächsten Umformschritte laufend oder zu bestimmten Umformfortschritten erfasst und dem Metamodell zugeführt werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Parameter des Metamodells laufend an die konkrete Umformung des jeweiligen Werkstücks mit allen temporären oder werkstoffabhängigen Einflussfaktoren angepasst wird und dadurch unvermeidliche Abweichungen einzelner Umformschritte sich nicht aufsaldieren und zu unzulässigen Abweichungen der gesamten hergestellten gekrümmten Blechstruktur führen. Gleichzeitig können die geänderten Parameter quasi als gemessenes Erfahrungswissen gespeichert und für weitere identische oder ähnliche Werkstücke benutzt werden. Dabei können in weiterer Ausgestaltung die vorhandenen Daten des Metamodells laufend durch neue Daten aufgrund ermittelter Abweichungen ersetzt und/oder modifiziert und/oder ergänzt werden. So ist es z.B. möglich, durch entsprechende Gestaltung des Metamodells die jeweils verwendeten Daten auch zu archivieren, um z.B. Anpassungen an jeweils leicht unterschiedliche Eigenschaften der Ausgangsmaterialien, die sich durch Chargenunterschiede zwischen verschiedenen Ausgangsmaterialien nicht vermeiden lassen, zu berücksichtigen und zukünftig automatisch zu kompensieren.
Daher ist es von wesentlichem Vorteil, wenn die Materialkennwerte des umzuformenden Materials in dem Metamodell berücksichtigt werden. Dabei können z.B. bei jedem Wechsel des Ausgangsmaterials die vorhandenen Daten des Metamodells nacheinander durch neue Daten aufgrund ermittelter Abweichungen ersetzt oder modifiziert werden. Die unvermeidlichen Chargenunterschiede oder auch lokale Unterschiede von Materialien aus der geliehen Charge führen zu lokalen Änderungen der jeweiligen Umformung einer herzustellenden gekrümmten Blech struktur, die mittels der erfassten Abweichungen im Rahmen der Regelungsstruktur berücksichtigt werden können. Hierbei ist es insbesondere denkbar, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials anhand der ersten Umformung bestimmt werden, also die theoretische Verformung des Ausgangsmaterials bei der ersten Umformung gezielt daraufhin untersucht wird, welche Abweichungen vorliegen und wie diese Ab- weichungen auf die Materialeigenschaften zurück zu führen sind. Dies kann dann ohne weiteren Verzug oder ohne umfangreiche Vorab-Messungen der Materialeigenschaften etwa im Labor für die weiteren Umformungen genutzt und berücksichtigt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials vor der ersten Umformung, z.B. anhand von Labormessungen bestimmt werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn bei der Verwendung einer Materialbeschreibung ein Faktor definiert wird, der angibt, wie genau die vorliegende Materialbeschreibung das verwendete Halbzeug beschreibt. Anhand eines solchen Faktors können etwa unterschiedliche vorab ermittelte oder auch durch vorherige Umformungen bestimmte Metamodelle gezielt ausgewählt und für die jeweils vorliegende Umformung als Startwerte genutzt werden.
Weiterhin ist es von großer Bedeutung für die Ausführung des Regelungsprozesses, wenn die relative Positionierung des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur relativ zu dem Umformstempel vor einzelnen Umformungen oder jeder Umformung messtechnisch erfasst und an die Solllage ange- passt oder die Fehlpositionierung berücksichtigt wird. Hierdurch kann zum einen eine falsche oder nicht ausreichende Positionierung des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur schon vor der nachfolgenden Umformung kompensiert werden, zum anderen kann auch durch gezielte Repositionie- rung des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur anhand des Metamodells der nachfolgende Umformungsprozess beeinflusst werden. Hierfür müssen aber ungewollte Fehlpositionierungen ausgeglichen bzw. be- wusste Repositionierungen aufgrund von erkannten Abweichungen genau eingestellt werden, damit das Ausgangsmaterial bzw. die teilweise verformte gekrümmte Blechstruktur sich in gewünschter Weise verformt.
Hierbei ist es in einer ersten Ausgestaltung denkbar, dass eine ermittelte Abweichung zwischen der Soll-Form und der Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur unmittelbar mit der folgenden Umformung komplett kompensiert wird, z.B. kann die ermittelte Abweichung mit dem Biegeradius der unmittelbar folgenden Umformung verrechnet werden. Hierdurch werden erfasste Abweichungen sofort mit dem nächsten Umformschritt kompensiert und können nicht mehr zu weiteren Abweichungen in den nachfolgenden Umformschritten führen. Hierbei muss aber beachtet werden, dass die dazu notwendige Umformung nicht über die zulässigen Umformungsgrade und Umformungseigenschaften hinaus verändert wird, da ansonsten Materialversagen oder weitere Abweichungen hervorgerufen werden könnten. Daher ist es in anderer Ausgestaltung auch denkbar, dass eine ermittelte Abweichung zwischen der Sollform und der Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur z.B. über mehrere der folgenden Umformungen verteilt kompensiert wird.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist es von Vorteil, wenn die Erfassung der Lage und/oder der Form des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur optisch und/oder taktil erfolgt. Die optische Erfassung hat den Vorteil der berührungslosen Technik und damit eines geringeren Verschleißes sowie weitgehender Robustheit gegenüber Positionierungsproblemen. Eine taktile Erfassung kann unter Umständen genauer erfolgen. Auch eine Kombination beider Verfahren ist grundsätzlich denkbar.
Bei der optischen Erfassung der Lage und/oder der Form des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur kann die jeweilige Lage und/oder Ist-Form der gekrümmten Kontur der inkrementell umgeformten Blechstruktur besonders vorteilhaft anhand mindestens einer Konturlinie einer der Kanten der Blechstruktur, vorzugsweise einer Stirnseite der Blechstruktur bestimmt werden. Dabei kann mit einem optischen Sensor wie einer Kamera oder dgl. mittels an sich bekannter Berechnungsverfahren aus einem Abbild der jeweiligen Kante die benötigte Konturlinie extrahiert werden, wodurch mit hinreichender Genauigkeit quasi ein Schnitt der verformten gekrümmten Blechstruktur bestimmt werden kann. Selbstverständlich ist es auch denkbar, mehr als eine Kante der verformten gekrümmten Blechstruktur zu vermessen und damit auch Aussagen über räumliche Abweichungen zwischen Sollform und Ist-Form zu gewinnen. So könnte ein zylindrisch umzuformendes Rohr etwa an beiden Stirnflächen vermessen und damit auch Abweichungen entlang der Längserstreckung des Rohres erfasst werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, nicht nur eine Kante der verformten gekrümmten Blechstruktur zu vermessen, sondern z.B. über gezielt auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials angebrachte Markierungen auch andere Bereich der Oberfläche der gekrümmten Blechstruktur entsprechend zu erfassen und Abweichungen zu ermitteln und ent- sprechend zu kompensieren. Dabei kann die ermittelte Konturlinie der Kante oder auch der Oberfläche der Blechstruktur mit einer Konturlinie der zugehörigen Sollkontur der inkrementell umgeformten Blechstruktur verglichen und daraus vorhandene Abweichungen bestimmt werden. In weiterer Ausgestaltung kann etwa die Kante der Blechstruktur optisch erfasst und der Verlauf der Kante durch einen Polygonzug diskreter Punkte auf der Kante der Blechstruktur beschrieben werden.
Für die Relativpositionierung zwischen Umformstempel und Ausgangsmaterial bzw. teilweise verformte gekrümmte Blechstruktur kann es sinnvoll sein, wenn Markierungen auf den Umformstempel und/oder auf mindestens eine der Kanten der Blechstruktur aufgebracht werden, die optisch erfasst werden und mit denen durch entsprechende optische Verfahren Fehler bei der Relativpositionierung zwischen Umformstempel und der Kante der Blechstruktur erfasst und dann gleich bei der Positionierung vor der eigentlichen nächsten Umformung kompensiert werden können. Auch dies trägt zur wesentlichen Verbesserung der Herstellungsqualität bei.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt die Zeichnung.
Es zeigen:
Figur 1 - eine schematische Darstellung der Ausgangssituation des Umfor- mens eines ursprünglich ebenen Dickbleches zu einem gekrümmten Körper mittels Freibiegen zwischen einem Umformstempel und Auflagern unter Kontrolle von Abweichungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren,
Figur 2 - eine vergrößerte Darstellung der Umformsituation bei der Erfassung von Abweichungen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Figur 1 ,
Figur 3a-3p - ein Stadienplan der Veränderungen beim Umformen des ursprünglich ebenen Dickbleches zu einem gekrümmten Körper mittels Freibiegen zwischen einem Umformstempel und Auflagern gemäß Figur 1 bzw. 2. In der Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung der grundsätzliche Aufbau des Umformens eines ursprünglich ebenen Dickbleches 1 zu einem gekrümmten Körper, hier in Form eines im wesentlichen zylindrischen Rohres, mittels Freibiegen zwischen einem Umformstempel 2 und Auflagern 3 unter Kontrolle von Abweichungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Derartige Umformungen kommen besonders häufig bei der Herstellung von dickwandigen Rohren zum Einsatz, sind aber grundsätzlich auf nahezu beliebige dickwandige gekrümmte Körper 1 ' aus Blech zu übertragen. Der Einfachheit halber soll das erfindungsgemäße Verfahren an derartigen dickwandigen Rohren erläutert werden, die Funktionsweise lässt sich jedoch auf nahezu beliebige dickwandige gekrümmte Körper 1 aus Blech übertragen.
Das Freibiegen des ursprünglich ebenen Ausgangsmaterials in Form eines dicken Bleches 1 erfolgt zwischen einem Umformstempel 2 und zwei als Rollen 3 ausgebildeten Auflagern, indem der Umformstempel 2 in Zustellrichtung 7 auf das Ausgangsmaterial 1 gedrückt wird und dieses dann lokal entlang einer im wesentlichen linearen Zone 12 entlang der Längserstreckung des Umformstempels 2 lokal umformt. Dieses Herstellungsverfahren ist grundsätzlich bekannt und soll daher hier nur insoweit erläutert werden, wie dies für das Verständnis der vorliegenden Erfindung von Belang ist.
Das ursprünglich ebene Ausgangsmaterial 1 verformt sich dabei entlang der linearen Umformzone 12 durch die Dreipunktauflage zwischen dem Umformstempel 2 und den zwei als Rollen ausgebildeten Auflagern 3 derart, dass sich eine rinnenförmige Abrundung entlang des Einwirkbereiches des Umformstempels 2 einstellt. Die seitlichen Randbereiche des Ausgangsmaterials 1 stellen sich dabei ein wenig nach oben hoch. Führt man eine Reihe derartiger Umformvorgänge nacheinander durch und verschiebt dabei das Ausgangsmaterial 1 relativ zu dem Umformstempel 2 und den zwei als Rollen ausgebildeten Auflagern 3, so lässt sich eine sukzessive Rundung des ursprünglich ebenen Ausgangsmaterials 1 herstellen, die dann gemäß dem in der Figur 3 näher dargestellten Stadienplan und den verschiedenen Zwischenstufen auf dem Weg zu einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt führt.
Dieser an sich bekannte Umformvorgang mittels des inkrementellen Freibiegens wird heute vielfach manuell gesteuert und basierend auf dem Erfahrungswissen des Ma- schinenbedieners ausgeführt und ist daher relativ fehleranfällig. So kann z.B. wie in Figur 1 dargestellt die Relativlage zwischen noch ebenem Ausgangsmaterial 1 und dem Umformstempel 2 und den zwei als Rollen ausgebildeten Auflagern 3 nicht stimmen, etwa wie in Figur 1 zu erkennen eine Schrägstellung 8 des Ausgangsmaterials 1 relativ zu der Umformlinie sich ergeben. Würde in dieser schrägen Stellung das Ausgangsmaterial 1 umgeformt werden, so ergäbe sich eine völlig falsche Geometrie des derart verformten Bleches 1 ', die sich möglicherweise durch nachfolgende Umformoperationen noch verschlimmem würde. Zur Verhinderung derartiger Fehlereinflüsse, zu denen auch Materialdiskontinuitäten und die nicht konstante Rück- biegung des Ausgangsmaterials 1 nach dem Entlasten des Umformstempels 2 nach jedem Umformvorgang gehören, führt dadurch bei der bisherigen Herstellungsweise leicht zu Ausschuss, der aufgrund der großen Materialmengen und der hohen Kosten des Ausgangsmaterials 1 schnell die Wirtschaftlichkeit der Herstellung derartiger gekrümmter Körper 1 ' in Frage stellt.
Bei der erfindungsgemäßen Regelung des Herstellungsverfahrens lassen sich derartige Fehler weitgehend vermeiden, zumindest aber rechtzeitig erkennen und dadurch im weiteren Herstellungsprozess korrigieren.
Die Erfindung soll insbesondere die automatisierte, inkrementelle Rohrfertigung unter Anwendung einer sequentiellen Prozessregelungsstrategie ermöglichen. Im Folgenden wird der Ablauf einer derartigen Rohrfertigung mit Prozessregelung als ein bevorzugtes und besonders anschauliches Beispiel in Form eines einfachen Ablaufschemas dargestellt, aus dem die grundsätzliche Idee deutlich hervorgeht und sich dann auf andere Umformungen übertragen lässt:
1. Fertigungsvorbereitung a. Auftragsannahme (Halbzeugbeschreibung (Geometrie, Werkstoff), Zielgeometrie, Anzahl der Folgebiegungen) b. Aufstellung einer Biegeradius-Stempeleintauchtiefe-Beziehung mittels der Finite Elemente-Analyse (FEA)
2. Fertigung mit sequentieller Prozessregelungsstrategie a. Biegung mit berechneter bzw. korrigierter Stempeleintauchtiefe durchführen b. Bestimmung der Ist-Kontur eines Rohrendes c. Bestimmung des Biegeradius der folgenden Biegung d. Falls letzte Biegung i. Ja
1. Sprung zu Punkt 2.e. ii. Nein
1. Berechnung der korrigierten Stempeleintauchtiefe
2. Sprung zu Punkt 2.a, e. ENDE
In der Auftragsannahme werden dem Automatisierungssystem alle notwendigen Daten zugeführt. Dazu gehören u.a. eine Halbzeugbeschreibung des Ausgangsmaterials 1 (Geometrie, Werkstoff), die geforderte Zielgeometrie und die Anzahl der Folgebiegungen.
Zur Bestimmung der Stempeleintauchtiefe für die erste Biegung und zur Korrektur der Stempeleintauchtiefe für darauf folgende Biegungen wird eine Biegeradius- Stempeleintauchtiefe-Beziehung mittels einer Finite-Elemente-Analyse (FEA) aufgestellt. Die Biegeradius-Stempeleintauchtiefe-Beziehung wird als Metamodell bezeichnet. Basis der Aufstellung des Metamodells ist der notwendige Biegeradius, der sich aus der Zielgeometrie und der Anzahl der Folgebiegungen ergibt. Für diesen Biegeradius und für eine definierbare Anzahl kleinerer bzw. größerer Radien werden unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) die dazugehörigen Stempeleintauchtiefen bestimmt. Das Metamodell wird z.B. in einer Datenbank abgelegt.
Mit dem Ausgangswert bzw. der korrigierten Stempeleintauchtiefe wird die Biegung durchgeführt. Das Ergebnis der Automatisierung hängt maßgeblich von der Genauigkeit der Blechpositionierung ab. Während der Korrekturalgorithmus davon ausgeht, dass die Mittelpunkte der Biegeradien genau relativ zu den jeweiligen Abschnitten des Ausgangsmaterials bzw. der teilweise verformten Blechstruktur zu liegen kommen, kann es in der Realität zu Abweichungen kommen. Diese Abweichungen würden während des Fertigungsprozesses dazu führen, dass der Korrekturalgorithmus die Berechnungen mit falschen Daten durchführt und somit das Rohr nicht maßgerecht gefertigt werden kann.
Um sicherzustellen, dass die ermittelten Soll-Biegeradien an den richtigen Positionen der Blechstruktur 1 angebracht werden, soll wie in Figur 2 am Beispiel eines teilgerundeten Rohres dargestellt ein z.B. optischer Sensor 5 zur Konturvermessung der Stirnseite einer Blechstruktur 1 ' verwendet werden. Dabei wird durch Markierungen 9, die auf dem Umformstempel 2 angebracht sind, eine Gerade gelegt und der Abstand zwischen der Geraden und der aktuellen Markierung 11 auf dem Ausgangsmaterial 1 bzw. der teilgerundeten Blechstruktur 1 ' bestimmt. Ist dieser Abstand größer als ein vorher definierter Schwellenwert, so bedarf es einer erneuten Positionierung der Blechstruktur relativ zu dem Umformstempel 2. Ist dies nicht der Fall, so ist der teilgerundete Körper 1 ' ausreichend genau positioniert und der Umformstempel 2 kann abgesenkt werden. Die Positionierung des teilgerundeten Körpers 1 ' findet durch den Maschinenbediener oder eine nicht dargestellte Positioniereinheit statt. Im manuellen Falle bekommt der Maschinenbediener durch den Korrekturalgorithmus die Anweisungen, in welche Richtung die teilgerundete Blechstruktur 1 ' bewegt werden muss und wann die teilgerundete Blechstruktur 1 ' die richtige Lage relativ zu Umformstempel 2 und Auflagern 3 erreicht hat, so dass der Umformstempel 2 in Umformrichtung 7 um die berechnete Stempeleintauchtiefe abgesenkt werden kann.
Die Erfassung der Ist-Kontur des Ausgangsmaterials 1 oder der teilgerundeten Blechstruktur 1 ' kann sowohl mit einer berührungslosen als auch mit einer taktilen Konturvermessung erfolgen. Die optische Vermessung z.B. mittels einer Kamera 5 kann dabei anhand grundsätzlich bekannter Verfahren vorgenommen werden, bei denen aus den Pixelinformationen eines Bildes der Kamera 5 von der Stirnfläche der teilgerundeten Blechstruktur 1 ' der Kantenverlauf berechnet und mit dem Sollwert verglichen wird. Derartige Verfahren sind aus der optischen Messtechnik grundsätzlich bekannt. Ausgehend von der Ist-Kontur kann ein entsprechender Korrekturfaktor für die folgenden Biegungen ermittelt werden. Aus der aufgenommen Ist-Kontur kann die Abweichung zur Soll-Kontur berechnet werden. Die Korrektur dieser Abweichung kann mittels zweier Alternativen erfolgen:
Alternative 1 :
Die Abweichung wird mit der folgenden Biegung komplett kompensiert. Dazu wird die Abweichung mit dem Biegeradius der folgenden Biegung verrechnet.
Alternative 2:
Die Abweichung wird bis zu einer definierten Abweichung entsprechend der Alternative 1 komplett in der nächsten Biegung kompensiert. Wird die definierte Abweichung jedoch überschritten, erfolgt die Kompensation über mehrere der folgenden Biegungen verteilt. Auf diese Weise ist eine gleichmäßigere Kontur zu erwarten. Das genaue Schema der Verteilung kann entsprechend der Umformungsfähigkeit des Materials sowie der Umformgeometrie bestimmt werden.
Die Stempeleintauchtiefe für den ermittelten Biegeradius der nächsten Biegung wird mittels des Metamodells bestimmt. Dieses wird zu Beginn durch die FEA aufgestellt und während der Fertigung werden die vorhandenen Stützstellen des Metamodells durch neue Stützstellen erweitert oder ergänzt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich das Metamodell an die aktuelle Umformsituation dynamisch anpasst und damit neben der Maßhaltigkeit des umzuformenden Körpers 1 ' auch die Genauigkeit des Modells verbessert wird. Um Schwankungen zwischen einzelnen Chargen des zu verformenden Materials zu kompensieren, werden bei jedem Chargenwechsel die Stützstellen des Metamodells nacheinander durch neue Stützstellen ersetzt, sodass alte Stützstellen lediglich als Ausgangswerte für die ersten Berechnungen innerhalb einer neuen Charge verwendet werden. Aufgrund der beschriebenen Vorgehensweise, können bei der Ermittlung der ersten Eintauchtiefen größere Abweichungen zwischen den Soll- und Ist-Biegeradien auftreten. Die Ursache dieser Abweichungen kann in der Initialisierung des Metamodells angesehen werden. Die Genauigkeit der FEM-Simulation wird maßgeblich durch die allgemeine Abweichung einer Simulation und zusätzlich durch die Abweichung innerhalb der Materialbeschreibung beeinflusse Während der Fehler aus der FEM-Simulation toleriert werden muss, kann eine abweichende Materialbeschreibung bei der Ermittlung der Eintauchtiefe berücksichtigt werden. Um die Genauigkeit zu erhöhen, kann bei der Verwendung einer Materialbeschreibung ein Faktor definiert werden, der angibt, wie genau die vorliegende Materialbeschreibung das verwendete Halbzeug beschreibt. Ist die Materialbeschreibung als genau definiert, so kann eine aufgetretene Abweichung auf die Materialschwankungen innerhalb des Halbzeuges zurückgeführt werden. In diesem Fall kann das Metamodell ohne Einschränkungen verwendet werden, da keine großen Fehler bei der Berechnung der Stützstellen des Metamodells zu erwarten sind. Treten Abweichungen bei Verwendung einer ungenauen Materialbeschreibung auf, kann dies auf die unzureichende Materialbeschreibung zurückgeführt werden. In diesem Fall muss das Metamodell in der Anfangsphase angepasst werden, da die Stützstellen, die für die Initialisierung des Metamodells verwendet wurden, erwartungsgemäß einen hohen Fehler enthalten.
Die Erfindung beschreibt eine Erweiterung des bekannter Freibiegeprozesse wie etwa der JCO-Prozesse oder anderer Umformprozesse insbesondere dickwandiger Bleche um eine Regelungsstrategie und eine vorzugsweise berührungslose Onlinemessung der erreichten Zwischenstadien der durch die inkrementelle Umformung gekrümmten Bauteile 1.
In den Figuren 3a-3p ist in Form eines Stadienplanes der grundsätzliche Ablauf einer derartigen Umformung zu erkennen, bei der ein ursprünglich ebenes Ausgangsmaterial 1 durch die inkrementelle Umformung in inkrementellen Umformzonen 12 in seinen Querschnitt immer mehr einem Rohr mit kreisförmigem Querschnitt entsprechend umgeformt wird. Dies ist ein einfaches Beispiel für ein Produkt, das mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren unter Einbeziehung der Modellbildung und der laufenden Erfassung der hergestellten Zwischengeometrien sowie der adaptiven Berücksichtigung der Messwerte wesentlich genauer und sicherer als bisher hergestellt werden kann. Sachnummernliste
Ausgangsmaterial
gekrümmte Blechstruktur
Umformstempel
Rollenauflager
Umformabschnitt Umformstempel
optischer Sensor
Sichtbereich optischer Sensor
Umformrichtung
verdrehte Position Ausgangsmaterial oder gekrümmte Blechstruktur
Markierung Umformstempel
Markierung Rollenauflager
Markierung gekrümmte Blechstruktur
Umformzone

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung eines Umformprozesses, insbesondere eines inkrementellen Umformprozesses zur Fertigung von Blechstrukturen ( '), bei dem zu Beginn eines Umformprozesses mittels eines in einer Recheneinrichtung implementierten mathematischen Modells des Umformprozesses in Abhängigkeit von vorgegebenen Eingangsgrößen zumindest ein ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung vorausberechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als ausgewählter Umformparameter für eine erste Umformung die Stempeleintauchtiefe für einen inkrementellen Freibiegeprozess und als Metamodell für die Umformungen des Umformprozesses eine Biegeradius-Stempeleintauchtiefe- Beziehung anhand einer Finiten-Element-Analyse bestimmt werden, anschließend der erste Umformschritt ausgeführt wird, nach dem ersten und/oder weiteren ausgeführten Umformschritten die entstandene Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur (1 ') erfasst und eventuelle Abweichungen zur gewünschten Sollkontur ermittelt werden, erfasste Abweichungen als Korrekturwerte dem Metamodell wieder zugeführt und zur adaptiven Anpassung der Daten des Metamodells für den oder die nächsten Umformschritte zur Kompensation von auftretenden Abweichungen der Umformung genutzt werden, anhand derer die weiteren Umformschritte be- einflusst und/oder korrigiert werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metamodell auf Basis des notwendigen Biegeradius' aufgestellt wird, der sich aus der Zielgeometrie der gekrümmten Blechstruktur (1 ') und der gewünschten Anzahl der Umformschritte ergibt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für diesen notwendigen Biegeradius und für eine definierbare Anzahl kleinerer oder größerer Radien unter Einsatz der Finite-Elemente-Methode (FEM) die dazugehörigen Stempeleintauchtiefen bestimmt werden.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metamodell vorab komplett aufgestellt und vorzugsweise in einer Datenbank abgelegt wird.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metamodell durch eine in Echtzeit ablaufende Prozesssimulation berechnet wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte für die Ermittlung der Stempeleintauchtiefe des oder der nächsten Umformschritte laufend oder zu bestimmten Umformfortschritten erfasst und dem Metamodell zugeführt werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorhandenen Daten des Metamodells laufend durch neue Daten aufgrund ermittelter Abweichungen ersetzt und/oder modifiziert und/oder ergänzt werden.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials in dem Metamodell berücksichtigt werden.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Wechsel des Ausgangsmaterials die vorhandenen Daten des Metamodells nacheinander durch neue Daten aufgrund ermittelter Abweichungen ersetzt o- der modifiziert werden.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials anhand der ersten Umformung bestimmt werden.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialkennwerte des umzuformenden Materials vor der ersten Umformung bestimmt werden.
12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung einer Materialbeschreibung ein Faktor definiert wird, der angibt, wie genau die vorliegende Materialbeschreibung das verwendete Halbzeug beschreibt.
13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Positionierung des Ausgangsmaterials (1 ) bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur (1 ') relativ zu dem Umformstempel (2) vor einzelnen Umformungen oder jeder Umformung messtechnisch erfasst und an die Solllage angepasst oder die Fehlpositionierung berücksichtigt wird.
14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ermittelte Abweichung zwischen der Sollform und der Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur (1 ') unmittelbar mit der folgenden Umformung komplett kompensiert wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Abweichung mit dem Biegeradius der unmittelbar folgenden Umformung ver- rechnet wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine ermittelte Abweichung zwischen der Sollform und der Ist-Form der gekrümmten Blechstruktur (1 ') über nachfolgende Umformungen verteilt kompensiert wird.
17. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Lage und/oder der Form des Ausgangsmaterials (1 ) bzw. der teilweise verformten gekrümmten Blechstruktur (V) optisch und/oder taktil erfolgt.
18. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Lage und/oder Ist-Form der gekrümmten Kontur der in- krementell umgeformten Blechstruktur (1 ') anhand mindestens einer Konturlinie einer der Kanten der Blechstruktur (1 ), vorzugsweise einer Stirnseite der Blechstruktur (1 ') bestimmt wird.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Konturlinie der Kante der Blechstruktur (1 ') mit einer Konturlinie der zugehörigen Sollkontur der inkrementell umgeformten Blechstruktur (1 ') verglichen und daraus vorhandene Abweichungen bestimmt werden.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante der Blechstruktur (1 ') optisch erfasst und der Verlauf der Kante durch einen Polygonzug diskreter Punkte auf der Kante der Blechstruktur (1 ') beschrieben wird.
21. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Markierungen (9, 11 ) auf den Umformstempel (2) und/oder auf mindestens eine der Kanten der Blechstruktur (1 ') aufgebracht werden, die optisch erfasst werden.
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