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Prof. Groche | Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, TU-Darmstadt | 1

Konstruktion und Steuerung von Servopressen

Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Peter GrocheDipl.-Ing. Matthias Scheitza

Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, TU Darmstadt

29. EFB-Kolloquium Blechverarbeitung

Bad Boll, 10./11. März 2009


Gliederung

• Anforderungen an Pressen• Historische Entwicklung Pressen• Bauarten Pressen• Steuerung von Pressen• Beispielprozesse• Ausblick


Anforderungen an Pressen

� Hohe Produktivität

Quelle: Bloom, T., “Servo-Drive Presses for the Next Generation Press Shop”, presentation prepared by Schuler – Weingarten, A.G.



� Hohe Produktivität� Gezielte Beeinflussung der Formänderungsgeschwindigkeiten und

Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werkzeug

Folie Stahlmann

Verlaufart

Zielfunktion

(Sollwert)

Darstellung im

Zeitbereich

(Messung)

Darstellung im Phasendiagramm

(Messung)

Sinus Linear frei programmiert

360° 360° 360°

500 500 500

3,5

-40

200

45

t [s]

X [m

m]

-40

3,50

t [s]

X [m

m]

3,5

-40

0

45

t [s]

X [m

m]

0

-40

45

X [mm]

V [m

m/s

]

-100

100

X [mm] X [mm]

V [m

m/s

]

-100

100

V [m

m/s

]

-100

200

X [m

m]

X [m

m]

X [m

m]

t [s] t [s] t [s]

KonstanteStößelgeschwindigkeitExzenterpresse

Technologisch motivierteStößelgeschwindigkeit




Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werkzeug� Integration von Montage- und anderen Zusatzoperationen

P3 P4

P1 P2

P5

PnNicht wertschöpfend/ Verschwendung:

Puffer-/Zwischenlager Handling/Transport

P1 P2 P3 P4 P53

1 P2

PnNNNNNNNNNNNNNNicht w

PPPPPPPPPPPuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuffffffffffffffffffffffffffffffffeeeeeeerrrr---------///////////////////////////ZZZZZZZZwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwiiiiiiiiiiischenlager

PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP11111111111111111111111111 PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP222222222222222222222222222222222222222222 PPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPPP3333333333333333333333333333333333333333333333333333

Quelle: Summacon Management Consulting




Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Werkzeug� Integration von Montage- und anderen Zusatzoperationen� Hohe Genauigkeit auch bei schwankenden Umgebungs- und

Prozessparametern

1190,435

1190,44

1190,445

1190,45

1190,455

1190,46

1190,465

1190,47

1190,475

0 2 4 6 8 10

Test number

Pos

ition

(mm

)

Quelle: García, C.; Ortubay, R.; Galdos, L.; Azpiazu, T.: 400 ton Fagor servo motor driven mechanical press. Flexibility and accuracy, ICAFT, 2006, Chemnitz





Prozessparametern� Verringerung Werkzeug- und Werkstückverschleiß

Abrasion

Adhäsion





Prozessparametern� Geringer Werkzeug- und Werkstückverschleiß� Geringe Geräuschentwicklung

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.22.52.01.51.00.5

–0.5–1.0–1.5–2.0–2.5

0Time /s

Pun

ch p

ositi

on /m

m

Sheet

0

Constant

Variable

0 10 20 30 40 50 60 7065

70

75

80

85

90

95

100

Punch speed /mm·s–1

Noi

se le

vel /

dB

Environmental

VariableConstant

Quelle: Otsu, M. Yamagata, C., Osakada, K.: Reduction of Blanking Noise by Controlling Press Motion, Annals of the CIRP 52, S. 245-248, 2003


Historische Entwicklung

„griechische Presse“ „neue römische Presse“nach Plinius d.Ä.; Naturalis Hist. Lib. XVIII

Presse von lat. „pressura“ = Druck bzw. althochdeutsch „pressa“ = Kelter

hydraulische Presse [Joseph Bramah; 1795] Kniehebelpresse [Diedrich Uhlhorn; 1817]


Frühe Entwicklungen Servopressen

1998Servomotoren und Spindeln

200442000kN

2001

2000/2001/2002ServomotorenundKurbelgetriebe

Linearmotor


Mechanische Presse

drive

energy storage(flywheel)

transmission

linear transforming gear

z

transmission


z

drive = servodrive

control

Servopresse

drive


= servodrive

control

Direkt angetriebene Presse

Bauarten Pressen

ServohydraulischePresse


Linearmotor

Antriebssysteme

Servomotor und Spindeln

Servomotor und Kurbelgetriebe

drive


= servodrive

control

A

C

B


Torque- and Linearmotoren für Servo - Pressen

Siemens

GE-Fanuc

Aida

Linearmotor


Motorcharakteristiken

Torquemotor Asynchronmotor

Moment Moment

Drehzahl Drehzahl


Hubverläufe

Crank Link Soft

Pulsating1

Pulsating2

Pulsating

Pendulum IterativeCoining

Quelle: AIDAQuelle: Amada


Erstellung eines Hubverlaufes

Servoantrieb –Anpassung der Stößelbewegung an den umformtechnischen Prozeß

Schnittstelle zur Erstellungbeliebiger Hubverläufe

Anforderungen an die Schnittstelle:•

• Eingabe weniger für den Prozess relevanter Wertepaare

• Interpolationsverfahren (Hubverlauf zweimal stetig differenzierbar!)

• Datenbanken für standardisierte Verläufe

• Leicht zu bedienende graphische Oberfläche

• Maschinengrenzen berücksichtigen


Beschleunigungsverlauf

Beschleunigung bei 360 Wertepaaren

Glätten der Hubverlaufskurve notwendig!


Vergleich verschiedener Interpolations-Verfahren

+ zweimal stetig differenzierbar!

Kubische Bézier-Kurven


Maschinengrenzen

• Gesamtkraft einer Servopresse (aus maximalem Moment)

Beispiel Linearmotorpresse: Masse des Stößels von 180 kg

2max 120sma LIM �

• Effektivkraft (Maß für die Erwärmung des Motors während eines Lastspieles)

eServopresseff

ges

t

tges

eff Ft

dttFF ,max,

22

1

)(�

�

��

.max,ServoprF�)()()()( tFtFtFtFF GRPages ��


Beispielhafte Hubverläufe mit Maschinengrenzen

Presse: Linearmotorpresse PtU/Schuler


servo motor

conventional

time

Bottom dead centre

accuracy: 1�mspeed: 150mm/s

ball screw

Feedback control

bolster

slide

2 Punkt - Servospindelpresse


4 Punkt - Servospindelpresse

• Tisch- / Stößelbreite (b) ca.: 2.400 mm

• Tisch- / Stößeltiefe (d): 1.500 mm

• Durchlass von der Bedienseite (a): 1.400 mm

• Banddurchlassbreite (c) ca.: 600 mm

• Stößelhub: 700 mm

• Max. Abstand zwischen Stößel und Tisch: 1.050 mm

• Werkzeugeinbauhöhe min: 350 mm

• Durchfallloch im Tisch: 600 mm x 220 mm

• Presskraft: 2500 kN

• Umformgeschwindigkeit: max. 180mm/s

• Ziehkissen Fläche 500 x 200 mm, Kraft 600 kN100 mm Hub, elektrisch betrieben Vmax 50 mm/sec

• Auswerfer im Stößel, Fläche 200 mm rund, Kraft 500 kN100 mm Hub, elektrisch betrieben Vmax 50 mm/sec

Quelle: M.E. Bruderer; PtU


Gleichlaufregelung / Prinzip

Übliche Regelstrategie: Master-Slave-RegelungHerausforderungen:

1. unbekannte Lastverteilung (Energetik)

2. veränderliche Lastverteilung (Werkzeug)


Hub- und Kraftverlauf


Ergebnis Maximalkraft

0

5

10

15

20

25

Einschritt oszillierend

Max

imal

kraf

t [kN

]

Reduzierung der Maximalkraft um über 35 %

� - Pressen mit niedrigeren Kräften einsetzbar

- Erweiterung der Prozessgrenzen (Herabsetzung der Knicklast)


Ausnutzung der variablen Hubhöhen

Beispiel: Stanzen unterschiedlicher Lochbilder

Vorteile Werkzeugbau


Ausblick: 3D Servopresse

Zentrale Hub- und Hublageneinstellung

3 unabhängig voneinander ansteuerbare

Gelenkantriebe

Dreh- / Schiebelager


3D Servomotorpresse


Zusatznutzen 3D Servopresse

- Kompensation der Stößelkippung- Vermeidung von Schiebern, z.B. bei

- Überbiegen- Hinterschneidungen

- Erweiterung von Formgebungsgrenzen, z.B. durch

- Ausnutzen von Taumelbewegungen- Realisieren von oszillierenden Bewegungen- …

- Regelung von Prozessen- Blecheinzug durch angepasste Niederhalterkippung- Biegewinkel durch Stößelneigung- …

- Prozesskombinationen, z.B. Tiefziehen mit- Nibbeln, inkrementelle Blechumformung, Rollieren …


Beispielprozess U-O Biegen


Entwicklungen Anwendungen

Klassifizierungen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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