Forschungsgebiet Produktionstechnik

Prof. Dr.-Ing. Tobias Ortmaier / Prof. Dr-Ing. Bodo HeimannDipl.-Ing. Matthias Dagen

imes

Institut fürMechatronische SystemeLeibniz Universität Hannover

Konzept und Aufbau

Gefördert durch die DFG, Geschäftszeichen HE-2445/21-2

Anwendungen und Ergebnisse

Grundidee

Lernende RegelungenLernende Regelungen

Konzeption des

Prototypen

Konzeption des

Prototypen

Regelung der

Magnetstanze

Regelung der

Magnetstanze

Dieses Projekt bezweckte die Entwicklung eines elektromagneti-

schen Stanzautomaten, der auf das qualitativ hochwertige

Scherschneiden dünner Bleche optimiert ist. Im Gegensatz zu

konventionellen Pressen erfolgt die Aktuierung des Stößels

durch Hochleistungselektromagnete. Diese sind in der Lage, Kräf-

te von bis zu 20 kN zu erzeugen und besitzen gleichzeitig eine

sehr hohe Dynamik. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte lässt

sich der gesamte Aufbau der Presse deutlich miniaturisieren,

wodurch das Missverhältnis zwischen Baugröße der Maschine

und Werkstück aufgehoben wird. Des Weiteren entfallen durch

den direkten Antrieb sämtliche Lose und Getriebespiele, welches

die Genauigkeit deutlich erhöht.

Aufgrund des direkten Antriebs und der hohen Dynamik der Elek-

tromagnete kann die Stößelkinematik frei gewählt werden. Hier-

durch lässt sich die Stößelkinematik auf den aktuellen Schneid-

prozess optimieren.

Scherschneiden dünner Bleche

mittels adaptiver Magnetaktorik

Die Produktion von kleinen und mikrotechnischen Bauteilen durch Scherschneiden nimmt in der

Umformtechnik seit Jahren zu. Um eine wirtschaftliche Produktion zu gewährleisten, wird

sowohl eine hohe Präzision bei der Fertigung der Produkte als auch eine hohe Ausbringungsrate

gefordert. Aus diesem Grund erfolgt das Scherschneiden dünner Bleche hauptsächlich auf

mechanischen Schnellläuferpressen.

Bei mechanisch angetriebenen Pressen erfolgt der Antrieb des Stößels über einen Elektromotor

mit Schwungrad. Dieses ist über eine Kupplung mit einer Kurbel- oder Exzenterwelle verbunden

und treibt beispielsweise über Pleuelstangen oder Kniehebel den Stößel an.

Durch die baulich festgelegte Kinematik ist ein auf den Schneidprozess optimierter Weg-Zeit-

Verlauf des Stößels nicht realisierbar. Demzufolge stehen die Schnittgeschwindigkeit und

Schneidkraft somit in einem festen Verhältnis zur Antriebsdrehzahl. Eine Regelung dieser

Größen mit hinreichender Dynamik ist bei konventionellen Pressen daher nicht möglich. Um

diese Nachteile zu kompensieren sind innovative Antriebskonzepte notwendig.

Motivation

Konventionelle mechanische Pressen:links: Schuler Yamada NXT 40 Lrechts: Bruderer BSTA 300

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurde ein kompakter Stanzautomat mit integrierten

elektromagnetischen Aktoren entwickelt und gefertigt. Der Stanzautomat besteht im

Wesentlichen aus zwei Hochleistungselektromagneten, einem Stößel mit Werkzeug, vier

Federpaketen, einem Anker und vier Führungen. Die Ankerplatte lässt sich mittels der

Hochleistungselektromagnete in der vertikalen Richtung bewegen. Von der Ankerplatte wird

die Kraft durch vier Verbindungsstücke auf den Stößel übertragen. Der maximale Hub des

Systems beträgt 4 mm. Aufgrund der hohen Dynamik und Genauigkeit jedoch der

geringeren Kräfte und kleineren Hübe gegenüber konventionellen Pressen ist dieses Konzept

hervorragend für die Produktion von kleinsten und mikrotechnischen Bauteilen geeignet.

Einen zentralen Aspekt des entwickelten Systems stellt die Regelung dar. Auf Grund der

stark begrenzten Kraft, die zusätzlich nichtlinear vom Luftspalt und dem Spulenstrom

abhängig ist, sind Maßnahmen zur Linearisierung und Stellgrößenbegrenzung notwendig,

um die Verwendbarkeit von linearen Regelgesetzen zu gewährleisten und damit die Aus-

wahl an Regelstrategien zu erhöhen. Die Linearisierung erfolgt über ein vorgeschaltetes

Kennfeld, welches eine Invertierung des realen Kraft-Strom-Weg Kennfelds der Magneten

darstellt.

Electronic/Electro-

magnetic System

Mechanical

System

Fa xF

dx

d

Kalman-Filter

Sliding Mode

Control

Disturbances

FD

x, x, F, FD

^ ^ ^.^

State-Feed-

Back-Control

Hinf - Control

Durch die hohen Störungen während des Schneidprozesses treten hohe Regelabweichun-

gen auf, die durch einen konventionellen Regler nicht kompensiert werden können. Um

diese Nachteile zu eliminieren werden Iterativ Lernende Regelungen auf das System ange-

wendet. Diese Regelungsstrategien nutzen die hohe Wiederholbarkeit des Schneidprozes-

ses, indem sie den Fehler eines vorherigen Zyklus verwenden, um die Regelgüte des fol-

genden Zyklus zu verbessern. Mit Hilfe dieser Regelungsstrategien konnte die Regelabwei-

chung deutlich reduziert und auch das Schnittergebnis verbessert werden. Zudem ist ein

geringerer Stempelverschleiß zu erwarten.

Stößel/Werkzeug

Elektromagnet

Elektromagnet

Federpaket

Führung

Verbindungsstück

Anker

GestellBewegungsrichtungAktorkraft

HochleistungselektromagnetEr verfügt über 100 Windungen und eine Polflä-che von 144 cm².

StromstellerStellt Ströme von bis zu 50 A bei einer Spannungvon 600 V.

Prototyp der Magnetstanzemaximale Kraft: 10 kNHub: 4 mmHubzahl: ca. 3600 Hübe / minGrenzfrequenz: 120 Hz

Funktionsweise der iterativ lernenden RegelungDurch Rückführung des Fehlers des vorherigen Zyklus wird sukzessive der Fehler minimiert

Ergebnisse mit lernenden RegelungenNach 15 Iterationen ist der Fehler deutlich minimiert.

Regelkreis der MagnetstanzeÜber ein Kalman Filter werden dieunbekannten Zustände und dieStörungen (Schneidkraft) ge-schätzt.

Kooperationspartner: Institut für Umformtechnik

und Umformmaschinen

Aufbau einer Schnellläuferpressekurze BauartQuelle: Schuler

MassenausgleichMassenausgleich

Wälzlager

Exzenterwelle

hydr. Bremse

Vorschubantrieb

Pressenkörper

Federkörper

Tischplatte

Stößel

Stößelführung

Druckpunkt

Eintauchtiefen-regeleinrichtung

Doppelgabelpleuel

hydr. Kupplung

regelbarerGleichstromantrieb