Rüsten von Pressen Raten ist keine Option – Servopressen richtig einstellen

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Beim Rüsten und Einstellen von Pressen nimmt das Bedienpersonal vielfältige Einstellungen vor. Servopressen erweitern Einstellmöglichkeiten um neue Einstellparameter, für die es heute keine oder nur theoretische Erfahrungswerte gibt. Wie kann das Personal also Wissen aufbauen?

Servopressen erfreuen sich in Deutschland zunehmender Beliebtheit. Naheliegende Applikationen, wie optimierte Geschwindigkeitsprofile im Vor- und Rückhub zur Vergrößerung von Transferzeitfenstern bei gleicher Taktzeit oder Simulation von Hebelkinematiken werden oft als erste Option umgesetzt.

In einigen Fällen erzeugen die innovativen Antriebskonzepte allerdings neue Probleme: Bei schnellen Lastwechseln wie beispielsweise beim Stanzen dicker oder fester Materialien kann ein Servoantrieb zu heftigen Wechsellasten und Langzeitschäden im Antriebsstrang führen. Ebenso lässt sich beobachten, dass durch instabiles Regelverhalten neue Quellen für ungünstige Belastungseinleitungen entstehen können. In den üblichen Steuerungsausgaben sind solche Effekte nicht erkennbar. Derartige Probleme können die Analgenwirtschaftlichkeit nachhaltig gefährden. Wie lässt sich also aus der neuen Technologie der erhoffte Nutzen kurzfristig und sicher ableiten?

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Daten machen Servotechnologie gezielt nutzbar

In den letzten zwei Jahren lässt sich beobachten, dass geschickte Kombination neuer Technologien die wesentlichen Impulse für echte Veränderungen erzeugen. Das durch die Consenses GmbH entwickelte Vorgehen basiert auf präzise zusammengeführten Belastungs- und Bewegungsdaten für jedes eingesetzte Werkzeug. Die Einstellungsempfehlungen folgen dem Ziel eine möglichst hohe Ausbringung bei minimierten Anlagenbeanspruchungen (Kraft, Beschleunigung, Exzentrizität) zu realisieren. Eingangsdaten beschränken sich im einfachsten Fall auf Beschleunigungsmessungen am Stößel und gegebenenfalls weiteren Aggregaten sowie der Stößelposition erfasst durch einen präzisen Lineargeber. Sofern verfügbar werden präzise Kraftdaten aus Pleuelsensoren genutzt. Bei IoT-Installationen lässt sich zusätzlich das Motormoment Steuerung integrieren.

Die Bilderreihe stellt das Vorgehen anhand eines einfachen Prägeprozesses dar. Optimierungsziel war es hier den Auftreffschlag zu minimieren. In dem Fall war die auftretende Maximalbeschleunigung beim Aufsetzen auf das Werkstück entscheidend. Durch eine simulierte Hebelkinematik konnte die schädliche Beschleunigung signifikant reduziert werden. Die Spitzenkraft wird in derartigen Prozessen oft durch Distanzen verursacht und hängt damit eher von der UT-Lage als der Umformgeschwindigkeit ab. Das entwickelte Verfahren erlaubt eine sichere und quantitative Bewertung der Belastungsreduktion durch den gezielten Eingriff. Darüber hinaus kann die Robustheit der Einstellung gegenüber Prozessschwankungen gezielt eingestellt und bewertet werden. Die Dauer der Verzögerung um den kritischen Auftreffpunkt herum ist das Maß für die Robustheit der Optimierung.

Je nach Projekt und Optimierungsziel wurde dieser Bereich auf wenige Zehntel mm eingestellt oder robust im mm-Bereich. Entsprechende Diagramme können Live zur Prozessüberwachung oder offline zur Diagnose erstellt werden. Die Wanderung der kritischen Belastung in Richtung der Optimierungsgrenzen stellt dann den kritischen Kennwert (Tech-KPI) dar. Stehen die Motorströme einer maschinenseitigen IoT-Schnittstelle zur Verfügung, kann die Antriebsseitige Beanspruchungseinleitung ebenfalls im gleichen Zuge bewertet werden. Die Optimierungsstrategien sind derartig beschreibbar, dass auch eine Unterstützung durch künstliche Intelligenz möglich ist. Die verwendeten Darstellungen erwiesen sich als für Einrichter und Prozessexperten gleichermaßen verständlich. Auf diese Weise können Servopressen zielgerichtet eingestellt werden ohne durch Versuch und Irrtum jahrelang Einstellung auszuprobieren. Typischerweise läuft die Maschine nach einer derartigen Umsetzung wesentlich ruhiger.

Sich einen Überblick verschaffen

Sofern Unklarheit oder Uneinigkeit besteht, welche Werkzeuge zu kritischen Anlagenbeanspruchungen führen, kann ein vorgelagertes Prozessscreening Klarheit schaffen. Begleitend zur normalen Produktion werden Belastungs- und Positionsdaten des Stößels aufgezeichnet. Anhand von Auftragsdaten erfolgt eine teilautomatisierte Datenzuordnung und die automatische Erstellung eines Prozessfingerabdrucks. Werkzeuge werden so objektiv vergleichbar. Fingerabdrücke enthalten neben Kraft- und Beschleunigungswerten Histogramme zu Exzentrizität und Stillständen.

Grundsätzlich besteht umfangreiches Wissen hinsichtlich typischer Kraft und Beschleunigungsverläufe, die sich in „Stellvertreterdiagrammen“ darstellen lassen. Erfahrene Betreiber nutzen derartige Charts konsequent, um Prozessführung und Werkzeugkonstruktion im Sinne des Maschinenschutzes zu verbessern. Werkzeugkonstrukteure und Simulationsexperten nutzen sie, um ihre Arbeit zu fokussieren. Bei Mehrstufenwerkzeugen und aufeinanderfolgenden Teilprozessen addieren sich regelmäßig Lastspitzen ungewünscht. In solchen Fällen konnten wesentliche Erfolge erzielt werden, indem der Geschwindigkeitsverlauf im kritischen Bereich so angepasst wurde, dass Druck- und Zug-Belastungen aus Schwingungen sich gegenseitig kompensierten. In mehreren Fällen konnte die Schwingungsanregung an einer Maschine durch Servokurvenoptimierung je nach Prozess um 10 bis 25 % reduziert werden.

Natürlich kann auf der genutzten Datenbasis auch der Werkzeugbau und die Maschineneinstellung einbezogen werden, um Belastungsspitzen derart zu verschieben, dass kritischen Überlagerungen wesentlich reduziert werden oder die Maschinenkinematik optimal ausgenutzt wird. Derartig kombinierte Maßnahmen konnten kritische Prozesse oft wesentlich entschärft werden. Bemerkenswert bei diesen abteilungsübergreifenden Projekten ist, dass unerwartet Gründe für Störungen aufgedeckt wurden. Die neutrale Datenbasis erzeugt eine kooperative Haltung zwischen Werkzeugbau und Betreiber.

Einfach und nachvollziehbar Verbesserungsmaßnahmen ableiten

Die Poteziale von Servopressen werden heute in der Produktion nur zu einem Bruchteil genutzt. Durch geschickt aufbereitete Darstellungen guter Messwerte lassen sich einfach und nachvollziehbar Verbesserungsmaßnahmen ableiten und überprüfen. Innovative Betreiber und Maschinenhersteller nutzen die Technologie, um Prozesse intern zu verbessern oder zu Maschinen digitale Services abzuleiten.

Die objektive und einfache Darstellung der komplexen Zusammenhänge stimulieren oft unerwartete Verbesserungen. Neben der gesteigerten Ausbringung und besser planbaren Stillstandzeiten führt die objektivierte Belastungsdarstellung zu besserer Kooperation zwischen Maschinenbauer, Werkzeugbau und Anlagenbetreiber.

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