Hydraulikpressen Softwarebasierte Parametrierung erhöht die Genauigkeit hydraulischer Regelkreise

Die Reglerparametrierung bei Hydraulikantrieben in Tiefziehpressen erfolgt meist experimentell. Daher wurden ihre Einstellmethoden analysiert, um eine hohe Maschinengenauigkeit und -dynamik mit weniger Aufwand zu erzielen. Sie waren die Basis für eine Software zur optimierten Parametrierung. Gekoppelte Umform- und Maschinenmodelle sollen nun eine fast experimentfreie Parametrierung ermöglichen.

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Um speziellen Anforderungen bezüglich Maschinengenauigkeit und -dynamik zu genügen, können bei Hydraulikpressen Regelkreise zum Einsatz kommen. Sie ermöglichen die Anpassung des Stößelweg-Zeit-Verlaufs, der Stößelkippung und des Ziehkissenkraft-Weg-Verlaufs an vorgegebene Sollwerte. Wie gut dies erfolgt, hängt sowohl von den Einstellparametern der einzelnen Regler als auch von den Kennwerten der Antriebskomponenten ab.

Heutzutage werden in der Praxis die einzelnen hydraulischen Regelkreise an einer Maschine vielfach noch manuell eingestellt. Kennzeichnend dafür ist ein hoher Zeit- und Kostenaufwand.

Ziel des abgeschlossenen Forschungsprojekts „Antriebs- und Prozessoptimierung hydraulischer Pressen für Entwicklung und Inbetriebnahme“ war, eine Software zur optimalen Parametrierung hydraulischer Regelkreise zu entwickeln. Die Ausgangsbasis dafür bildete die Entwicklung ausreichend detaillierter Simulationsmodelle für hydraulische Pressen (Bild 1).

Dafür kam das kommerzielle Simulationsprogramm ITI-Sim zur Anwendung. Es umfasst Software-Bibliotheken für alle wesentlichen Modelle von Einzelsystemen einer hydraulischen Presse: der Hydraulik, der Mechanik und des Umformprozesses. Für die Modellierung von Hydraulikpressen sowie zur Modellparametrierung und zur Untersuchung von Möglichkeiten der optimalen Reglerauslegung waren folgende Arbeiten erforderlich:

• Analyse von hydraulischen Pressenstrukturen,
• Modellbildung auf der Grundlage von messtechnischen und analytischen Untersuchungen,
• Erweiterung des Modells durch Abbildung der Kinematik des Pressenstößels,
• Analyse und Erprobung von Reglerstrukturen auf Grundlage der Simulation,
• Entwicklung von Methoden zur automatischen Reglerparametrierung,
• Verifikation der Simulation und der Reglerparametrierung anhand einer realen Maschine.

Stößelhauptantrieb und Parallelhaltesystem zur Parametrierung simuliert

Mit den Arbeiten wurde die Vorgehensweise zur Modellierung eines Stößelhauptantriebes sowie eines Parallelhaltesystems charakterisiert. Zudem kamen sowohl experimentelle als auch analytische Verfahren zur Anwendung, um die Modellparameter für eine realitätsnahe Simulation zu identifizieren.

Darüber hinaus hat sich auf der Grundlage von simulationstechnischen Untersuchungen gezeigt, welche Reglerstrukturen prinzipiell zur Regelung des Stößelhauptantriebs (Stößelweg-Zeit-Verlauf) und zur Stößelparallelhaltung (Stößelkippung) geeignet sind.

Schließlich wurde ein Verfahren entwickelt, auf dessen Grundlage eine adaptive Reglerparametrierung möglich ist. Es konnte anhand einer hydraulischen Versuchspresse bei Einsatz eines typischen Tiefziehwerkzeugs eine gute Übereinstimmung zwischen den gemessenen und simulierten Maschinengrößen verzeichnet werden. Die auf Grundlage des Modells ermittelten Reglerparameter für die Versuchspresse führten bezüglich der Genauigkeit und Dynamik zu einem guten Maschinenverhalten.

Optimieren der Parametrierung ohne Experimente als Entwicklungsziel

Als Fortsetzung dieser Untersuchungen wird aktuell ein Forschungsvorhaben bearbeitet: das Folgeprojekt „Antriebs- und Prozessoptimierung hydraulischer Tiefziehpressen mit Hilfe der gekoppelten Simulation“. Darin wird erneut die automatisierte Parameteroptimierung der Antriebsregelkreise untersucht, wobei man weitestgehend auf die experimentelle und schwer planbare Reglerparametrierung an der realen Maschine verzichtet. Das soll zur Verkürzung von Entwicklungs- und Inbetriebnahmezeiten sowie zur Optimierung des Umformergebnisses führen.

Die Grundlage der Untersuchungen bildeten wiederum die Modellierung und Simulation hydraulischer Tiefziehpressen. Die Betrachtung berücksichtigte dabei nur die Umformphase. Effekte oder Komponenten, die darin keine relevanten Funktionen ausüben, wurden zur Verbesserung der Handhabbarkeit und zur Senkung des Rechenaufwands vernachlässigt.

Parametrierungs-Projekt unterteilt Tiefziehpressen in Teilmodelle

Zunächst wurde die Maschine in Teilmodelle untergliedert. Bei hydraulischen Tiefziehpressen ist die Einteilung in die Pressenmechanik, den Stößelantrieb, das Parallelhaltesystem und den Ziehkissentrieb zweckmäßig. Im Vergleich zum Vorgängerprojekt wurde nun auch das Ziehkissen mit in Betracht gezogen.

Für jedes Teilmodell wurden Ersatzschaltbilder aufgestellt, die Systemgleichungen formuliert und die benötigten Parameter bestimmt. Dies geschah soweit wie möglich unter Verzicht auf Messungen.

Nur bei dieser Herangehensweise kann die Methodik später auch für Untersuchungen in der Projektierungsphase einer neuen Tiefziehpresse angewendet werden, für die noch keine Messdaten verfügbar sind. Darauf aufbauend erfolgte die Umsetzung der Teilmodelle mit Hilfe der Simulationssoftware ITI Simulation X sowie die Kombination zu einem Gesamtmodell der Maschine.

FEM-Umform- und Maschinensimulation gekoppelt

Als wesentliche Modellerweiterung ist die Berücksichtigung konzentrierter Parameter beim Umformprozess durch Kopplung der FEM-Umform- und Maschinensimulation anzusehen. Bisher wurde der Umformprozess in Form rückkopplungs-freier Störgrößen mittels Kennlinien im Maschinenmodell abgebildet. Dazu erfolgt die Nutzung vorhandener oder modifizierter Schnittstellen gängiger Simulationsprogramme.

Das Maschinen- und Prozessmodell führt jeweils im Wechsel einen Rechenschritt „fester Länge“ aus. Die übertragenen Kopplungsgrößen dienen dabei als Anfangs- oder Randbedingungen. Für den Datenaustausch werden sowohl eine TCP/IP-Verbindung als auch Dateien genutzt.

Die gekoppelte Simulation ermöglicht – als Werkzeug für den Pressenbauer, -anwender sowie für den Hersteller von Hydraulikkomponenten –, Wechselwirkungen zwischen Maschine und Prozess realitätsnah abzubilden. Ist das erreicht, lässt sich infolge der verbesserten Genauigkeit und Aussagekraft der Simulation die Ermittlung geeigneter Reglerstrukturen und -kennwerte immer stärker in die virtuelle Welt verlagern. Dadurch sinken die Kosten und der Zeitaufwand für experimentelle Untersuchungen (Bild 2).

Außerdem kann mit Hilfe realitätsnaher Reglermodelle die Aussagefähigkeit der Umformsimulation aufgrund der Berücksichtigung von Maschineneinflüssen verbessert werden. Dies führt dazu, dass die Treffsicherheit von Machbarkeitsstudien neuer Ziehteile steigt und Neuentwicklungen unter ungünstigen Bedingungen getestet werden können.

Theoretische Auslegung der Parametrierung bringt Zeitersparnis und Planbarkeit

Bezüglich der theoretischen Reglerauslegung wurde an der Nutzung von Methoden der linearen Regelungstechnik und Simulation weitergearbeitet. Deren Vorteile im Vergleich zur experimentellen Vorgehensweise sind eine Zeitersparnis infolge der Automatisierbarkeit und eine bessere Planbarkeit aufgrund des festen Algorithmus.

Die Ergebnissicherheit wird von der Güte der verwendeten Modelle begrenzt. Damit kann es gelingen, für den gesamten Betriebsbereich der Maschine günstige Reglereinstellungen zu finden.

Die Methodik zur Abschätzung günstiger Reglerkennwerte aus dem Vorgängerprojekt, die auf linearisierten Modellen basiert, wurde weiterentwickelt und für eine Beispielmaschine angewendet. Als Grundlage diente das nichtlineare Modell des jeweiligen betrachteten hydraulischen Antriebs.

Dieses wurde zunächst linearisiert und vereinfacht. Daran schloss sich die Bestimmung der Modellparameter an.

Nachdem die Regelstrecke nun vollständig beschrieben war, konnte die Verkopplung mit einer gewählten Reglerstruktur erfolgen. Für den so entstandenen geschlossenen Regelkreis wurden verschiedene Einstellregeln angewendet.

Damit erfolgte die Bestimmung geeigneter Reglerkennwerte auf Basis der linearen Regelungstechnik, die für die sich anschließende numerische Optimierung im nichtlinearen Gesamtmodell als Startwerte dienen (Bild 3).

Einschleifige Regler und mehrschleifige Konzepte für den Parallelhalteantrieb

Für den lagegeregelten Parallelhalteantrieb wurden einschleifige Regler sowie mehrschleifige Konzepte, die über zusätzliche Rückführungen von Zustandsgrößen verfügen, parametriert. Für den druckgeregelten Ziehkissenantrieb erfolgten ebenfalls Untersuchungen einschleifiger Konzepte.

Abschließend ist die Abschätzung des Potenzials nichtlinearer Reglerstrukturen für hydraulische Tiefziehpressen mit Hilfe der Simulation geplant, weil bezüglich der Eignung lediglich ein ungenügender Kenntnisstand vorliegt.

Die Forschungsaufgabe wird gemeinsam vom Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover sowie vom Institut für Fluidtechnik der Technischen Universität Dresden bearbeitet und aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.V. (AiF) gefördert (AiF-Nr. 11785B, AiF-Nr. 14485BG). Die Betreuung erfolgt durch die Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB).

Prof. Dr.-Ing. Siegfried Helduser ist Direktor des Instituts für Fluidtechnik (IFD) der Technischen Universität Dresden in 01062 Dresden, Dipl.-Ing. Harald Lohse ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut.

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