Die Herstellung komplexer Blechwerkstücke mit hohem Umformgrad in großen Stückzahlen erfolgt oft auf Stufenpressen. Zur Erreichung der gewünschten Geometrie durchläuft das Werkstück mehrere aufeinanderfolgende Umformoperationen wie Schneiden, Tiefziehen, Abstrecken und Biegen.
Zwischen den Umformstufen erfolgt ein Transport der Werkstücke mittels mehrachsiger Transfersysteme. Diese greifen das Werkstück nach dem Öffnen des Werkzeugs, bewegen es zur nächsten Stufe und legen es dort ab (siehe Bild 1). Die Werkstücke dürfen dabei nicht ihre Position verändern oder beschädigt werden.
Transfersysteme – ein prägnanter Vergleich
In der Praxis kommen unterschiedliche Methoden der Werkstückaufnahme zum Einsatz – je nach Werkstücksteifigkeit und -größe.
Crossbar-Transfersysteme mit Saugerbrücken oder Robotersysteme werden zum Transport von größeren Werkstücken mit geringer Steifigkeit eingesetzt, wie etwa PKW-Türen oder Motorhauben. Diese Systeme ermöglichen durch ihre Eigenschaften eine flächige Handhabung, was zu einer Versteifung der Anordnung aus Saugerbrücke und Werkstück und zu einer Erhöhung der Eigenfrequenz führt. Da solche Transfersysteme konstruktiv bedingt erst nach dem Öffnen des Werkzeugs in den Arbeitsraum hereingreifen können, liegt ihre Taktzeit in einem niedrigeren Bereich, verglichen mit Transfersystemen mit zum Arbeitsraum angepasstem Bewegungsprofilen.
Bei kleinen bis mittelgroßen Werkstücken (wie zum Beispiel A-Säulen, Karosserieverstärkungsblechen oder Dachquerträgern) werden Kurzgreifer eingesetzt, welche das Werkstück nur an den äußeren Rändern greifen. Durch ihre Integration in den Arbeitsraum lassen sich hohe Taktzahlen erreichen. Da der im Arbeitsbereich verfügbare Raum durch das Werkzeug eingeschränkt ist, müssen die Greifersysteme ziemlich kompakt sowie zur Minimierung der Trägheitskräfte möglichst massearm und dennoch ausreichend tragfähig und steif sein, um die Werkstücke sicher zu transportieren. Bei der Anwendung an dünnen Blechbauteilen muss außerdem darauf geachtet werden, dass die punktuelle Krafteinwirkung keinen erheblichen Einfluss auf die Bauteilgeometrie ausübt.
Komplexe Schwingungsüberlagerung während des Transfers
Beim Transport der Bauteile kommt es zu komplexen schwingungstechnischen Wechselwirkungen. Grund ist das Vorhandensein mehrerer schwingungsanfälliger Bauteile in Kombination mit schwingungsinduzierenden Prozessen und Störgrößen. Es kommt zur Interaktion der Schwingungen von Transfer, Greifer und Blech (siehe Bild 2).
Die Transfersysteme selbst sind schwingungsfähige Strukturen, die in ihren Eigenfrequenzen angeregt werden können, wenn die Stufenpresse – bedingt durch die hohe Hubzahl – mit möglichst hoher Geschwindigkeit bremst und beschleunigt. Weiterhin können prozessbedingte Einflüsse, beispielsweise Schwingungen der Pressenstruktur infolge von Schnittschlägen oder Auftreffstößen im Werkzeug, auf das Transfersystem und die transportierten Bleche übertragen werden. Deren Schwingeigenschaften hängen von ihrer Masse, dem Material und der Geometrie ab. Da letztere mit jeder Stufe variiert, unterscheiden sich die Schwingungen beim Transport von Stufe zu Stufe in Eigenform, Amplitude und Frequenz.
Da Blechwerkstücke im Vergleich zu Massivbauteilen geringe Steifigkeiten und Eigenfrequenzen aufweisen, ist ihre Schwingungsanfälligkeit höher, was die Handhabung beim Transfer zusätzlich erschwert.
Schwingungen entgegenwirken
Die während des Transfers entstehenden kritischsten Schwingungsamplituden treten meist am Werkstück auf, an dem keine Dämpfungselemente angebracht werden können. Beim Transport von Blechwerkstücken mit hohen Hubzahlen treten jedoch stark variierende Störgrößen und Schwingungen auch am Werkstück auf, welche idealerweise direkt an der Schnittstelle zwischen Greifer und Blech entkoppelt und adaptiv gedämpft werden sollten. Ignoriert man diese, kann das zu Positionierungenauigkeiten, Verzug der Werkstücke oder deren Herausfallen aus den Greifern führen. Die Folgen: eine erhöhte Ausschussproduktion und schlimmstenfalls Maschinen- oder Werkzeugausfälle.
Im Forschungsvorhaben „Aktives Greifersystem für Transfereinrichtungen in Stufenpressen der Blechverarbeitung“ forscht das IFUM – Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen an adaptiven Greifern, die den Schwingungen entgegenwirken und so die Prozesssicherheit verbessern sollen.
Vor diesem Forschungsvorhaben hat das IFUM bereits an einem adaptiven Regelungsansatz am Transferbalken geforscht. Da eine analytische Beschreibung möglicher Schwingungsformen realer Werkstücke mit unterschiedlichen Größen und Geometrien kaum realistisch ist, wird ein Verfahren für einen schwingungsarmen, an die einzelnen Stufen angepassten Praxisbetrieb benötigt. An dieser Stelle kommen die autoadaptiven Greifer ins Spiel.
Entwicklung autoadaptiver Greifer
Ein am IFUM erstelltes Mehrkörpersimulationsmodell (MKS-Modell) eines vorhandenen Balkentransfersystems wurde von den Forschenden um zu transportierende Blechwerkstücke sowie Klemmgreifer erweitert. Dazu wurden werkstückähnliche Probenkörper modelliert – abstrahierte, skalierte Blechwerkstücke, orientiert an A-Säulen und PKW-Türen (siehe Bild 3) in Anlehnung an unterschiedliche Umformstufen realer Prozesse.
Da die elastischen Modelle der Probenkörper in jeder Stufe in der Geometrie und somit der Steifigkeit unterschiedlich sind, wurden im Rahmen einer simulativen Schwingungsanalyse die stufenindividuellen Kräfte, Beschleunigungen, Frequenzen, Schwingungsmoden und Amplituden ermittelt. Dabei wurden eine variierende Hubzahl und mögliche Störgrößen im Transfervorgang bereits mitberücksichtigt. Aus den MKS-Simulationen lassen sich die benötigten Eigenschaften der Aktoren herleiten. Es werden Stellkräfte von 10 N bis 100 N, Stellgeschwindigkeiten von 100 mm/s bis 500 mm/s und Stellwege von 0,1 mm bis 1 mm benötigt. In diesem Anforderungsbereich empfiehlt es sich piezoaktorische oder elektrodynamische Aktoren zu verwenden.
Zusätzlich konnten die Modalanalysen der Probenkörper zeigen, dass innerhalb der ersten drei Moden Veränderungen der Eigenfrequenzen um bis zu 15% zwischen den einzelnen Stufen entstehen können. Neben den Probenkörpern wurden auch die auftretenden Eigenfrequenzen während des Verfahrens der Bauteile an den einzelnen Systemkomponenten simulativ ermittelt.
Anhand von ersten experimentellen Versuchen konnten die verwendeten Messmethoden zur Validierung der simulativ ermittelten Eigenfrequenzen bestimmt werden. Dabei wurde ein optisches 3D-Messsystem zur Positionsmessung und ein Piezosystem zur Beschleunigungsmessung verwendet (siehe Bild 4).
Stufe für Stufe zum Ziel
In den nächsten Schritten erfolgt zunächst eine simulative und im Anschluss reale Implementierung von Aktoren mit geeigneten Regelungsansätzen zur Regelung komplexer dynamischer Systeme. Das IFUM will herausfinden, welcher Regelungsansatz sich für Problemstellung dieser Art am besten eignet. Dabei kommen sowohl modellbasierte Regelungsansätze und Optimierungsverfahren (wie Model Predictive Control) als auch Methoden des maschinellen Lernens in Frage. Letzteres bietet sich insbesondere bei Systemen mit vielen Einfluss- und Störgrößen an.
Dieser neue Modellierungsansatz eröffnet Möglichkeiten zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit von Modellen zur Darstellung komplexer dynamischer Wechselwirkungen innerhalb von Transferpressen.
Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse können Unternehmen, welche Transfersysteme in der Produktion verwenden, ihre Taktzahlen erhöhen und somit die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der damit verbundenen Produktionsanlagen steigern. Weiterhin können in der Produktion eingesetzte Transfersysteme mit neu entwickelten adaptiven Komponenten zur Optimierung der Transferkinematik kostengünstig nachgerüstet werden.
