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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung eines
Umformprozesses.
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Derartige
Vorrichtungen können
insbesondere als Pressvorrichtungen ausgebildet sein. Ein Beispiel
für derartige
Pressvorrichtungen sind Exzenterpressen, bei welchen ein Gleichstrommotor
vorgesehen ist, der über
ein Getriebe eine Schwungmasse antreibt. Diese Schwungmasse ist über eine
Kupplung mit einer Exzentervorrichtung gekoppelt, die eine Pleuelstange
mit einem ein Umformwerkzeug bildenden Pressenstößel umfasst. Der Gleichstrommotor
wird mit gleich bleibender Drehzahl kontinuierlich betrieben. Das
Ein- und Ausschalten der Pressvorrichtung erfolgt über die
Kupplung.
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Um
eine einfache Vorgabe des Bewegungsablaufs des Pressenstößels zu
erzielen, ist aus der
DE
102 60 127 A1 eine Pressvorrichtung bekannt, welche einen
Direktantrieb aufweist, der ohne Schwungrad direkt auf die Exzentervorrichtung
geführt
ist.
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Mit
derartigen Vorrichtungen kann der Bewegungsablauf des Umformwerkzeugs
direkter vorgegeben werden. Jedoch verbleibt auch dann noch das Problem,
dass die durchgeführten
Umformprozesse häufig
ungenau oder fehlerhaft sind, was beispielsweise durch Verschleiß von Komponenten
der Vorrichtung oder eine unzureichende Anpassung des Umformprozesses
an die jeweiligen Randbedingungen bedingt sein kann.
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Aus
der
EP 1 541 330 A1 ist
ein Antriebssystem für
eine Presse bekannt. Die Antriebsvorrichtung umfasst zwei Servomotoren
zum Antrieb eines Stempels zur Durchführung von Stanzpressvorgängen. Zur
Charakterisierung der Stanzpressvorgänge werden in zeitaufgelösten Messungen
die Positionen des Stempels in Abhängigkeit der Drehmomente und
der Geschwindigkeiten der Servomotoren erfasst.
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Die
US 5,697,146 betrifft eine
Vorrichtung mittels derer durch Crimpen aus Rohmaterialien Drähte hergestellt
werden. Der Umformvorgang wird mit einem Werkzeug durchgeführt, welches
mittels eines Antriebs angetrieben ist, der als Servomotor ausgebildet
ist. Zur Überwachung
des Umformvorgangs wird der Motorstrom des Servomotors erfasst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, durch welche eine systematische Erfassung und Optimierung
von Umformprozessen ermöglicht
wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird zur
Durchführung
eines Umformprozesses ein Direktantrieb zum Antrieb eines Umformwerkzeuges
eingesetzt. Mittels im Direktantrieb integrierter Messeinrichtungen
werden zeitliche Verläufe
des Motorstroms als Maß für die Kraft
oder das Drehmoment des Direktantriebes und der Geschwindigkeit
des Direktantriebs als Prozessparameter zur Erfassung und/oder Überwachung des
Umformprozesses ermittelt. Zur Erfassung von Kenngrößen des
Umformprozesses wird eine Mikromodulation eines Prozessparameters
durchgeführt, welche
den Umformprozess zumindest näherungsweise
unverändert
lässt,
wobei die Reaktion wenigstens eines weiteren Prozessparameters hierauf
erfasst wird.
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Mit
den erfindungsgemäß im Direktantrieb integrierten
Messeinrichtungen können
dessen Kraft bzw. das Drehmoment und dessen Geschwindigkeit als
wesentliche, den Umformprozess kennzeichnende Prozessparameter erfasst
werden, wodurch eine systematische Optimierung des Umformprozesses selbst
möglich
wird.
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Vorteilhaft
hierbei ist, dass diese Messeinrichtungen in einem Antrieb in Form
eines Direktantriebs integriert sind, der eine direkte Ansteuerung des
jeweiligen Umformwerkzeuges ermöglicht.
Dadurch bedingt können
die in den Messeinrichtungen generierten Messwerte zur Optimierung
des mit dem Umformwerkzeugs durchgeführten Umformprozesses genutzt
werden.
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Gemäß einer
ersten Variante der Erfindung werden die mit den Messeinrichtungen
generieren Messwerte zu einer fortlaufenden Überwachung des Umformprozesses
verwendet. Dabei erfolgt die Überwachung
bevorzugt in Echtzeit während
des Umformprozesses. Bei periodischen Umformprozessen bedeutet dies,
dass zur Gewährleistung
einer schnellen Reaktionszeit die Überwachung zeitaufgelöst für jede Periode
des Umformprozesses erfolgt. Die Überwachung des Umformprozesses
erfolgt bevorzugt derart, dass anhand der in den Messeinrichtungen
generierten Messwerte überprüft wird,
ob die aktuell gemessenen Kräfte
oder Drehmomente sowie die Geschwindigkeit innerhalb von Toleranzbändern bildenden
Sollwertbereichen liegen, die einen fehlerfreien Umformprozess kennzeichnen.
Eine Störung wird
dadurch erkannt, dass wenigstens die Messwerte für die Kraft oder das Drehmoment
oder die Messwerte für
die Geschwindigkeit außerhalb
des jeweiligen Toleranzbandes liegen. Ist dies der Fall, wird ein Fehlersignal
generiert, welches bevorzugt zu einem Notstopp der Vorrichtung,
d. h. zu einem Abbruch des Umformprozesses führt, wodurch Beschädigungen der
Vorrichtung und/oder des zu bearbeitenden Werkstücks vermieden werden können. Das
Fehlersignal wird bevorzugt sofort bei Erkennen der Störung und
damit noch vor Ablauf der Periode des Umformprozesses generiert.
Die Generierung eines solchen Fehlersignals erfolgt bevor zugt in
einer Auswerteeinheit, in welcher die Auswertung der Messwerte erfolgt.
Diese Auswerteeinheit kann in dem Direktantrieb selbst oder in einer
dem Direktantrieb zugeordneten Steuerung integriert sein.
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Gemäß einer
zweiten Variante der Erfindung werden die in den Messeinrichtungen
generierten Messwerte zu einer detaillierten Analyse des jeweiligen
Umformprozesses genutzt. In diesem Fall werden bevorzugt Messwerte
mit einer hohen Auflösung generiert
um möglichst
genaue Informationen über den
Umformprozess zu erhalten. Bei periodischen Umformprozessen werden
hierzu zur Erhöhung
der Messgenauigkeit die Messwerte über mehrere Perioden des Umformprozesses
ortsabhängig
gemittelt.
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Durch
die fortlaufende Erfassung der Messwerte für die den Umformprozess kennzeichnenden Prozessparameter
können
insbesondere Informationen über
den Verschleiß der
verwendeten Umformwerkzeuge gewonnen werden. Diese Informationen wiederum
können
zur Anpassung des Umformprozesses an die veränderten Eigenschaften des Umformwerkzeugs
und damit zur Optimierung des Umformprozesses genutzt werden.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass die Erfassung
von Prozessparametern derart erfolgt, dass ein erster Prozessparameter in
vorgegebener Weise moduliert wird und als Antwort hierauf die Messwerte
für den
zweiten Prozessparameter registriert werden. Dabei erfolgt die Variation
des ersten Prozessparameters erfindungsgemäß durch eine Mikromodulation,
d. h. eine geringfügige
Modulation des Prozessparameters, wodurch der Umformprozess zumindest
näherungsweise
unverändert
bleibt, d. h. die Messwerterkennung kann ohne Beeinträchtigung
des Umformprozesses erfolgen.
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Mit
diesem Modulationsverfahren können insbesondere
Informationen über
die Materialeigenschaften von zu bearbeitenden Werkstücken gemessen
werden. Beispielsweise können
beim Schneiden von Blechen durch die Analyse der Kraftänderung
auf eine Modulation der Geschwindigkeit der Umformwerkzeu ge beim
Schneidvorgang Informationen über das
Fließverhalten
des Werkstücks
gewonnen werden.
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Weiterhin
kann beispielsweise bei der Bearbeitung von Kunststoffen, insbesondere
bei der Durchführung
von Stanzvorgängen,
durch eine Mikromodulation der Kraft und Auswerten der dadurch bedingten
Geschwindigkeitsänderungen
das Kompressionsmodul des Materials des Werkstücks bestimmt werden.
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Diese
Modulation von Prozessparametern kann generell über eine gesamte Periode eines
Umformprozesses durchgeführt
werden. Alternativ kann die Modulation auch nur in Teilbereichen
hiervon durchgeführt
werden. Dabei kann beispielsweise ein Prozessparameter wie die Kraft
des Direktantriebs innerhalb eines Teilschritts des Umformprozesses moduliert
werden und dann als unmittelbare Reaktion hierauf die Messwerte
eines zweiten Prozessparameters in demselben Teilschritt oder als
Folgewirkung hierauf die Messwerte des zweiten Prozessparameters
in einem folgenden Teilschritt erfasst werden. Besonders vorteilhaft
kann die Phasenverschiebung, d. h. die Verzögerungszeit der Reaktion auf
die Modulation als Kenngröße des Umformprozesses bestimmt
werden.
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Generell
können
die auf diese Weise aus den Messwerten gewonnenen Informationen
dazu genutzt werden, den jeweiligen Umformprozess zu optimieren.
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Hierzu
können
beispielsweise die Sollwertbereiche für die Prozessparameter in Abhängigkeit der
Prozessanalyseergebnisse nachgeführt
werden, um diese den sich verändernden
Randbedingungen, wie zum Beispiel dem Verschleiß des Umformwerkzeugs, anzupassen.
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Weiterhin
kann anhand der Prozessanalyseergebnisse auch eine unmittelbare Änderung
des Umformprozesses vorgenommen werden. Beispielsweise kann durch
Analyse der Kraft und Geschwindigkeit in einem Direktantrieb zur
Steuerung eines eine periodische Hubbewegung durchführenden Pressenstößels als
Bestandteil einer Pressvorrichtung die Geschwindigkeit in Teilbereichen
des Umformprozesses, in welchem keine Schneidvorgänge erfolgen,
erhöht
werden um so bei gleicher Qualität des
Umformprozesses die Hubzahl des Umformwerkzeuges erhöhen zu können.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung einer Exzenterpresse mit einem Direktantrieb
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2:
Typischer Kraftverlauf bei einem Normalschneiden eines Blechs mit
der Exzenterpresse gemäß 1
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3:
Mikromodulation von Prozessparametern bei dem Normalschneiden eines
Blechs gemäß 2
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1 zeigt
als Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Durchführung
von Umformprozessen eine Exzenterpresse 1, welche als Antriebseinheit
einen Direktantrieb 2 aufweist, welche über eine Kupplung 3 eine
Exzentervorrichtung steuert. Die Exzentervorrichtung umfasst eine
Exzenterscheibe 4 mit einer daran gelagerten Pleuelstange 5,
an deren unterem Ende als Umformwerkzeug ein Pressenstößel 6 mit
einem Stempel 7 vorgesehen ist.
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Die
mit dem Direktantrieb 2 erzeugte Drehbewegung wird über die
Pleuelstange 5 in eine mit den Pfeilen in 1 veranschaulichte
in vertikaler Richtung verlaufende Hubbewegung des Umformwerkzeugs
umgesetzt.
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Der
Direktantrieb 2 wird über
eine Steuerung 8 gesteuert. In dem Direktantrieb 2 sind
als Messeinheit zwei Messgeber 9a, 9b integriert,
wobei mit dem ersten Messgeber 9a der Motorstrom des Direktantriebs 2 zur
Ermittlung der Kraft bzw. des Drehmoments des Direktantriebs 2 als
erstem Prozessparameter erfasst wird. Der Messgeber 9a kann
von einem Hallsensor oder dergleichen gebildet sein, der für die Regelung
des Direktantriebs 2 eingesetzt wird. Mit dem zweiten Messgeber 9b wird
als zweiter Prozessparameter die Geschwindigkeit des Direktantriebs 2 ermittelt.
Beispielsweise kann mit dem zweiten Messgeber 9b die Drehzahl
des Direktantriebs 2 ermittelt werden, wobei auch dieser
Messgeber 9b für
die Regelung des Direktantriebs 2 vorgesehen sein kann.
Die von den Messgebern 9a, 9b generierten Messwerte
werden in einer Auswerteeinheit 10 ausgewertet, die im
vorliegenden Fall in der Steuerung 8 integriert ist. Prinzipiell
kann die Auswerteeinheit auch im Direktantrieb 2 integriert
sein. Die Auswerteeinheit 10 ist bevorzugt von einem Mikroprozessor
gebildet.
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2 zeigt
den typischen Kraftverlauf bei einem Normalschneiden eines Blechs
mit der Exzenterpresse 1 gemäß 1. Dabei
ist mit der durchgezogenen Linie der Verlauf der Kraft F in Abhängigkeit des
Pressenwinkels in Grad dargestellt. Weiterhin ist mit der gestrichelten
Linie der zugehörige
winkelabhängige
Verlauf des Hubs H des Umformwerkzeugs dargestellt. Ausge hend von
der Kraft F=0 steigt die auf das Umformwerkzeugs wirkende Kraft
F bei dessen Aufsetzen auf dem Blech zunächst kontinuierlich an. In
dem in 2 mit a bezeichneten Bereich des kontinuierlichen
Kraftanstiegs findet eine elastische Verformung des Blechs statt.
Anschließend
beginnt das Blech im Schneidbereich zu fließen. In diesem mit b bezeichneten
Bereich wird die Zunahme der Kraft erheblich geringer. Danach erfolgt
der Durchbrechvorgang, das Blech reißt durch, die Kraft fällt rasch
ab (Bereich c).
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Im
Verlauf der Zeit verschleißt
das Umformwerkzeug, wodurch sich der Kraftverlauf gemäß 2 ändert. Mit
den Messgebern 9a, 9b des Direktantriebs 2 kann
diese Änderung
erfasst werden. Hierbei wird der Kraftverlauf über eine Vielzahl von Perioden
des periodischen Umformprozesses erfasst, wobei zur Erhöhung der
Messgenauigkeit der Kraftverlauf jeweils über eine bestimmte Anzahl von
Perioden gemittelt werden kann.
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In
der Auswerteeinheit 10 erfolgt eine Analyse und Dokumentation
der Messwerte, die mit den Messgebern 9a, 9b aufgenommen
wurden. Weiterhin können
die Messwerte der Messgeber 9a, 9b auch zu einer
Optimierung des Umformprozesses verwendet werden. Beispielsweise
können
für den
Betrieb der Exzenterpresse 1 Sollwertbereiche für die Kraft und
die Geschwindigkeit des Direktantriebs 2 vorgegeben, wobei
bei einem fehlerfreien Betrieb die aktuellen Kraft- und Geschwindigkeitswerte
innerhalb der Toleranzbänder
bildenden Sollwertbereiche liegen. Liegen die aktuellen Messwerte
außerhalb
der Sollwertbereiche, so wird in der Auswerteeinheit 10 ein Fehlersignal
generiert, welches beispielsweise einen Notstopp der Exzenterpresse 1 auslösen kann. Durch
die Erfassung der Änderungen
des Kraftverlaufs bedingt durch den Verschleiß des Umformwerkzeugs der Exzenterpresse 1 können die
entsprechenden Sollwertbereiche hierzu angepasst werden.
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Ein
zweites Beispiel zur Erfassung von den Umformprozessen kennzeichnenden
Kenngrößen ist in 3 dargestellt.
In 3 ist wiederum der winkel abhängige Kraftverlauf F dargestellt,
welcher bei dem mit der Exzenterpresse 1 gemäß 1 durchgeführten Umformprozess
nämlich
einem Normalschneiden eines Blechs, erhalten wird. Weiterhin ist
in 3 die mit dem Messgeber 9b erfasste Geschwindigkeit
des Umformwerkzeugs in Abhängigkeit
des Pressenwinkels dargestellt.
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Zur
Erfassung von Kenngrößen des
Umformprozesses wird im vorliegenden Fall eine Mikromodulation der
Geschwindigkeit als Prozessparameter des Umformprozesses ausgeführt. Dabei
erfolgt die Mikromodulation wie in 3 dargestellt
derart, dass über
eine Periode des Umformprozesses die Geschwindigkeit von dem ursprünglichen
Wert v auf einen reduzierten Wert v'=v-Δv
geändert
wird, wobei Δv
eine Konstante ist. Der Betrag der Geschwindigkeitsänderung Δv ist dabei
sehr klein im Verhältnis zum
Absolutwert v, so dass der Umformprozess durch diese Änderung
zumindest näherungsweise unverändert bleibt.
Der sich für
die geänderte
Geschwindigkeit v' ergebende
Kraftverlauf ist in 3 mit F' bezeichnet. Wie aus 3 ersichtlich,
weicht der Kraftverlauf von F' vom
ursprünglichen
Kraftverlauf F nur im Bereich des Fließens des Blechs ab. Aus dem
Maß der
Abweichung zwischen F und F' in Abhängigkeit
der Geschwindigkeit in diesem Bereich können Rückschlüsse auf das Fließverhalten
des Blechs während
des Schneidvorgangs gezogen werden.
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Während bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die Geschwindigkeit
v mit einem konstanten Wert Δv
moduliert wird, kann in einer alternativen, besonders vorteilhaften
Ausführungsform ein
kontinuierlich variierender Verlauf des modulierten Prozessparameters
vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft kann beispielsweise eine
sinusförmige Modulation
des Prozessparameters, im vorliegenden Fall der Geschwindigkeit,
vorgesehen werden. Als Reaktion auf diese Modulation wird wiederum
die Kraft F als weiterer Prozessparameter registriert. Vorteilhaft
kann hierbei die Kraft F in den Scheitelpunkten der Modulation registriert
werden.
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Generell
kann zur Erhöhung
der Auflösung der
bei der Modulation durchgeführten
Messungen bei periodischen Umformprozessen eine Mittelung über mehrere
Perioden des Umformprozesses erfolgen. Weiterhin kann die Mittelung über mehrere
Perioden der Modulation erfolgen, deren Dauer von der Periodendauer
des Umformprozesses verschieden sein kann.
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- 1
- Exzenterpresse
- 2
- Direktantrieb
- 3
- Kupplung
- 4
- Exzenterscheibe
- 5
- Pleuelstange
- 6
- Pressenstößel
- 7
- Stempel
- 8
- Steuerung
- 9a
- Messgeber
- 9b
- Messgeber
- 10
- Auswerteeinheit