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Die gegenständliche Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Reduktion der Biegewinkelfehler beim Biegen eines Blechs in einer Gesenkbiegepresse bestehend aus einem feststehenden Un- terwerkzeug (Gesenk) und einem durch Linearachsen angetriebenen Biegebalken mit den Ober- werkzeugen (Biegestempel), wobei der untere Umkehrpunkt des Biegestempels basierend auf dem voreingestellten Sollwert des Biegewinkels und dem während des Biegevorganges gemessenen Kraft-Weg Verlauf vorausberechnet wird.
Das Biegen im Gesenk ist ein weit verbreitetes Verfahren in der Blechbearbeitung. Allgemein bekannte Biegemaschinen bestehen aus einem C-Gestell auf dessen unterem Werkzeugträger die Unterwerkzeuge in Form von meist V-förmigen Gesenken angebracht sind. Die dazu passenden meist schneidenförmigen Oberwerkzeuge sind an einem beweglichen Pressbalken montiert. Dieser Pressbalken wird durch zwei an seinen Enden angeordnete Linearachsen, die meist hydraulisch angetrieben werden, in vertikaler Richtung verfahren.
Üblicherweise wird das Biegen im Gesenk als freies Biegen ausgeführt, das heisst das Blech liegt nur an zwei Stellen am V-Gesenk und an einer Stelle am Biegestempel auf (im Querschnitt betrachtet). Der Biegewinkel ergibt sich dabei durch die untere Umkehrposition des Biegestempels, Dieses Verfahren steht im Gegensatz zum Prägebiegen, bei dem der Stempel soweit in das Ge- senk bewegt wird, bis sich eine formschlüssige Verbindung zwischen Gesenk, Blech und Biege- stempel einstellt. Durch das Prägebiegen lassen sich sehr präzise Biegewinkel herstellen, aller- dings ist für jeden Biegewinkel und jede Blechdicke ein eigener Werkzeugsatz und die 4 - 6 fache Presskraft (im Vergleich zum freien Biegen) erforderlich, weshalb dieses Verfahren nur selten verwendet wird.
Im Gegensatz dazu lassen sich beim freien Biegen mit einem Werkzeugsatz viele unterschiedliche Biegewinkel herstellen. Eine Einschränkung beim freien Biegen ist allerdings die reduzierte Genauigkeit des erzielten Biegewinkels, die eine Folge der Rückfederung des Blechs nach dem Zurückziehen des Biegestempels vom unteren Umkehrpunkt ist. Die Pressensteuerun- gen der gemäss des Standes der Technik heute vorwiegend eingesetzten Biegepressen ermitteln die zu erwartende Rückfederung aufgrund von einfachen, meist empirischen Formeln und der vom Bediener eingegebenen Werkstoffkennweite bzw. Werkstückabmessungen, und fahren dann mit dem Biegestempel eine etwas tiefere Position an, was zu einem "Überbiegen" das Blechs führt. Im Idealfall stellt sich dann nach der Entlastung der gewünschte Biegewinkel ein.
In der Praxis treten bei der Vorhersage des Rückfederungswinkels jedoch einige Unsicherhei- ten auf, die teilweise zu beträchtlichen Fehlern des Biegewinkels führen können. Gründe dafür liegen in Streuungen bzw. Unsicherheiten der Materialkennwerte, wie etwa der Zugfestigkeit oder der Dehngrenze des Werkstoffs (bis zu mehreren 10%). Wegen der herstellungsbedingten Ani- sotropie der Werkstoffeigenschaften eines Blechs schwanken diese Werte auch noch in Abhängig- keit der Lage der Biegerichtung in bezug auf die Walzrichtung. Auch die Blechdicke unterliegt in der Praxis Schwankungen bis zu mehreren %.
Wenn eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Biegewinkels erforderlich ist, muss der Rückfederungswinkel individuell - zumindest je Blechsorte und Werkstückgeometrie - vermessen und berücksichtigt werden, was gemäss des Standes der Technik in einem zweistufigen Prozess erfolgt. In einem ersten Biegeschritt wird dabei zunächst noch nicht auf den gewünschten Endwinkel gebogen. Der Biegestempel zieht sich daraufhin soweit zurück, dass mittels eines Winkelmesssystems die Rückfederung vermessen werden kann. In dem darauffolgenden Biege- schritt wird dann auf Basis des ermittelten tatsächlichen Rückfederungswinkels soweit überbogen, dass sich der gewünschte Endwinkel mit einer Genauigkeit von wenigen 0,1 einstellt.
Das Biegen unter Zuhilfenahme derartiger Systeme bedeutet aufgrund der längeren Zeitdauer des Biegevorganges eine Reduktion der Produktivität, ausserdem sind die verwendeten Winkel- messsysteme oftmals teuer, kompliziert in der Handhabung oder nur in Sonderfällen einsetzbar.
Es besteht daher der Bedarf nach einem unkompliziert und kostengünstig einsetzbaren Sys- tem, das in einem einzigen Biegeschritt alle zur Kompensation der Rückfederung erforderlichen Parameter ermittelt und daraus unmittelbar die erforderliche untere Umkehrposition des Biege- stempels festlegt.
In US4408471 (Gossard et al., Press brake having spring-back compensating adaptive control) und US4511976 (Press brake having spring back compensation stroke reversal control, Raymond J. Graf) wird dies gemäss des Standes der Technik dadurch erreicht, dass die durch zwei Linear- achsen eingeleitete Kraft in Abhängigkeit von der Position des Pressbalkens gemessen wird. Aus
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dem so aufgenommenen Zusammenhang werden die Werkstoffeigenschaften des Blechs abgelei- tet, die dann die Berechnung der optimalen unteren Endposition des Biegestempels erlauben. Da die Aufnahme des Kraft- Weg- Zusammenhanges, die Berechnung der Materialeigenschaften und die Ermittlung der optimalen Endposition in Echtzeit erfolgen, tritt bei diesem Verfahren kein Zeit- verlust im Vergleich zu Verfahren ohne Berücksichtigung der individuellen Werkstoffeigenschaften auf.
Zur Aufnahme der Biegekraft werden zwei Kraftaufnehmer im Bereich der im gegenständli- chen Fall verwendeten Hydraulikachsen bzw. zwei Druckaufnehmer im Hydrauliksystem verwen- det, was einen gewissen Mehraufwand gegenüber Pressen ohne Kraft- Weg- Erfassung darstellt.
Die Messung des Stempelweges ist hingegen nahezu in allen Biegepressen moderner Bauform standardmässig umgesetzt, da die entsprechenden Daten auch zur exakten Steuerung der Bewe- gung des Pressbalkens benötigt werden. Gemäss des Standes der Technik werden hierfür übli- cherweise zwei Wegaufnehmer eingesetzt, die im Bereich der Linearachsen des Pressbalkens befestigt sind und Wegsignale mit einer Auflösung von grössenordnungsmässig 20 um liefern.
Eine ähnliche Vorgangsweise zur Kontrolle der Rückfederung wird in DE19738955 (Halden- wanger et al., Method for controlling a forming process) beansprucht, dort allerdings für das Streckbiegen. Während der Streckphase beim Streckbiegen wird dabei der Kraft-Wegverlauf aufgenommen, um daraus den Werkstoff zu charakterisieren. Aus den so erhaltenen Daten wird dann die erforderliche Vorspannkraft ermittelt, um die gewünschte Rückfederung einzustellen.
Die Aufnahme der Kraft beim Biegen im Gesenk erfolgt gemäss des Standes der Technik an zwei Punkten, das heisst für die Berechnung der Werkstoffkennwerte steht im wesentlichen nur die aus zwei Komponenten zusammengesetzte Gesamtkraft, die entlang der gesamten Biegelänge eingeleitet wird, zur Verfügung. Da die Kraftaufnehmer fix mit der Presse verbunden sind, müssen sie einen grossen Messbereich abdecken ; müssen sowohl bei einem dünnen Blech mit geringer Biegelänge als auch bei einem dicken Blech mit einer grossen Biegelänge arbeiten. Aus diesem Grund kann an der unteren Grenze des Messbereichs nur eine schlechte Genauigkeit erreicht werden.
Da beim Biegen, abgesehen von Randstörungen, ein ebener Formänderungszustand vorliegt, ist vor allem die eingeleitete Kraft pro Länge für die Charakterisierung des Biegeprozesses verant- wortlich. Bei einer Messung der Gesamtkraft muss also auch die Biegelänge bekannt sein, um die relevante Grösse "Kraft pro Längeneinheit" bestimmen zu können. Da dieser Wert gemäss des Standes der Technik nicht automatisch gemessen wird, muss der Pressensteuerung vor jedem Biegevorgang die Biegelänge bekannt gegeben werden, was eine zusätzliche Komplikation bedeu- tet. Überdies variieren die Werkstoffeigenschaften oftmals über der Biegelänge, weshalb durch die Messung der Gesamtkraft wesentliche Informationen verloren gehen.
Auch kann eine Unebenheit des Blechs oder ein nicht genau parallel zum Gesenk auf dem Blech aufsetzender Biegestempel zu einer Verfälschung des Kraft-Weg-Zusammenhanges führen.
Bei grösseren Biegelängen oder bei hohen Biegekräften wird gemäss des Standes der Technik das Gesenk oftmals derart vorgespannt, dass es sich im entlasteten Zustand etwas nach oben durchbiegt, so dass es unter Belastung dann aufgrund der unvermeidlichen überlagerten Durch- biegung in die Gegenrichtung insgesamt keine Durchbiegung aufweist. Diese als "Bombierung" bezeichnete Verformung des Gesenks erzeugt ebenfalls eine Verfälschung des Kraft- Wegverlau- fes,
Zur Vermeidung der beschriebenen Nachteile einer Messung der Gesamtkraft beim Biegen im Gesenk wird erfindungsgemäss die Vorrichtung zur Kraftmessung unmittelbar in die Oberwerkzeu- ge integriert.
Da Biegestempel in der allgemein üblichen Ausführungsform gemäss des Standes der Technik aus Segmenten einer Länge von etwa 50...400 mm zusammengesetzt sind, herrschen über der Länge eines derartigen Segments - insbesondere bei schmalen Segmenten - nahezu homogene Verhältnisse. Je kürzer die Länge des Segments gewählt wird, desto genauer kann also die tatsächlich wirkende Kraft je Länge aufgenommen werden. Zur Messung der Kraft werden vorzugsweise piezoelektrische Kraftaufnehmer in einer bekannten Art eingesetzt. Da der Kraftbe- reich, in dem ein Biegestempel einer bestimmten Bauform sinnvoll verwendet werden kann, genau definiert ist, lässt sich der Kraftsensor gut an den auftretenden Messbereich anpassen, was hoch aufgelöste Messergebnisse garantiert.
Solange sichergestellt ist, dass das Werkzeugsegment mit dem Kraftsensor vollkommen auf dem Blech aufsetzt, ist das Messresultat überdies unabhängig von der gesamten Biegelänge.
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Zusammen mit den Wegsignalen, die von den gemäss des Standes der Technik ausgeführten Wegaufnehmern an den Linearachsen gelieferten werden, wird nach dem beanspruchten Verfah- ren der Kraft- Weg- Zusammenhang an einem oder mehreren Segmenten des Oberwerkzeugs aufgenommen und der Pressensteuerung zugeführt. Die Pressensteuerung ermittelt aufgrund dieses Zusammenhanges oder dieser Zusammenhänge in Echtzeit die unteren Umkehrpunkte für die Linearachsen der Biegepresse.
Durch die längenaufgelöste Kraftmessung können erfindungsgemäss auch Schwankungen der Blecheigenschaften über der Biegelänge aufgelöst werden. Insbesondere ist dies eine schwanken- de Blechdicke oder variierende Werkstoffeigenschaften, was speziell bei der Verarbeitung von warmgewalzten Blechen von Relevanz ist. In einer Ausführungsform der Erfindung werden für die zwei Linearachsen der Biegepresse unterschiedliche untere Umkehrpunkte berechnet, um diese Schwankung über der Länge bestmöglich zu kompensieren und einen konstanten Biegewinkel über der gesamten Länge zu erhalten.
Neben den beiden Linearachsen bietet auch noch die Verstellung der Bombierung des Unter- werkzeugs, die nach bekannten Methoden erfolgt, einen zusätzlichen Freiheitsgrad, um Schwan- kungen der Blecheigenschaften über der Biegelänge auszugleichen. In einer Ausführungsform der Erfindung werden daher drei mit Kraftaufnehmern bestückte Biegestempel verwendet, zwei in den Randbereichen des Bleches und einer in der Mitte. Die drei aufgenommenen Kraft- Weg- Zusam- menhänge werden verwendet, um in der Pressensteuerungen geeignete unter Umkehrpunkte der Linearachsen und eine geeignete Einstellung der Bombierung zu ermitteln, um den gewünschten Biegewinkel zu erhalten.
Der Kraft- Weg- Zusammenhang während des Biegevorganges enthält viele Informationen ü- ber den verwendeten Werkstoff. Es gehen etwa der Elastizitätsmodul, die Steckgrenze und die Zugfestigkeit ein. Ausserdem liefert die Position des Biegestempels zum Zeitpunkt des Kraftanstie- ges die tatsächliche Blechdicke an der jeweiligen Messposition. Die aus diesem Zusammenhang abgeleiteten Kennwerte des Werkstoffs werden in einer Ausführungsform der Erfindung dazu verwendet, um den Werkstoff ohne a priori Information zu charakterisieren und danach den Biege- prozess entsprechend zu steuern. Zur Steigerung der Effizienz können auch noch in einer Daten- bank gespeicherte Zusatzinformationen zu dem erkannten Werkstoff in die Steuerung des Biege- vorganges mit einfliessen.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Verknüpfung der Eingangsdaten in Form des Kraft- Weg- Zusammenhanges mit den Ausgangsdaten, das sind die Steuersignale für die Linearachsen und die Bombierung, über ein in der Pressensteuerung implementiertes neuronales Netzwerk vorgenommen. Durch die Bewertung jedes einzelnen oder ausgewählter Biegevorgänge, in einer Ausführungsform der Erfindung etwa durch das Nachmes- sen des erzielten Biegewinkels, lernt dieses Netzwerk von Biegung zu Biegung, so dass sich die Biegeergebnisse mit der Zeit von selbst verbessern.
In einer anderen Realisierung der Erfindung wird der aufgenommene Kraft- Weg- Zusammenhang dazu verwendet, ein numerisches Modell an den jeweiligen Werkstoff und die tatsächliche Geometrie anzupassen. Das Modell berechnet unter zugrunde Legung eines geeigne- ten Werkstoffmodells die Biegelinie des Blechs, sowie die auftretenden Kräfte und Momente, Durch Anpassung der Parameter des Modells an die gemessenen Werte werden genaue Angaben über die Rückfederung und die erforderliche Überbiegung ermöglicht.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist in der Lage, reproduzierbare Biegewinkel trotz schwan- kender Werkstoffeigenschaften zu gewährleisten. Da aber nicht unmittelbar die Möglichkeit be- steht, den Biegewinkel direkt zu messen, besteht die Gefahr, dass sich ein systematischer Fehler des Biegewinkels einstellt. Dieser Fehler wird in eine einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch ausgeschlossen, dass ein Winkelmessverfahren gemäss des Standes der Tech- nik verwendet wird, um Rückmeldung über die Effizienz der Prozesssteuerung über den Kraft- Weg- Zusammenhang zu erhalten. Der auf diese Weise gemessen Winkel wird dazu verwendet, um den Steuerungsalgorithmus der Pressensteuerung in Hinblick auf bessere Ergebnisse zu modifizieren.
Figur 1 zeigt eine beispielsweise Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfah- rens.
In Figur 2 ist als Detail ein Segment des Oberwerkzeugs mit integrierter Vorrichtung zur Kraft-
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messung dargestellt.
In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens nach der gegenständlichen Erfindung dargestellt. Verwendet wird eine hydraulische Gesenkbiegepresse in bekannter Ausführung, be- stehend aus dem C-Gestell (1),auf dem der untere Werkzeughalter (2) und zwei hydraulische Linearachsen (3) montiert sind. Die beiden hydraulischen Linearachsen (3) tragen den bewegli- chen Pressbalken (gezeichnet vor dem Biegen (4b) und beim Biegen (4a), auf dem die Biegestem- pel in Form von mehreren Segmenten (5) angebracht sind. Ebenso ist der untere Werkzeughalter (2) mit mehreren Biegegesenken (6) ausgerüstet. Zur Messung der Position der Biegestempel relativ zu den Biegegesenken werden zwei Positionsaufnehmer (7) in bekannter Weise eingesetzt.
Eine oder mehrere Biegestempel der dargestellten Gesenkbiegepresse wird bzw. werden nun erfindungsgemäss mit einer Vorrichtung zur Kraftmessung (8) ausgerüstet, die in Abhängigkeit von der wirkenden Kraft ein elektrisches Signal liefert. Die elektrischen Signale der Wegaufnehmer (7), der Kraftaufnehmer (8), sowie die Steuersignale für die Linearachsen (3) werden in der Steuerung (9) zusammengeführt. Die Steuerung generiert aus den Weg- und Kraftsignalen, sowie den Benut- zereingaben die Signale zur Ansteuerung der beiden Linearachsen.
Figur 2 zeigt als Detail eine bevorzugte Ausführung des Kraftaufnehmers an einem Biegestem- pel. Am Biegestempel (5) werden dabei zwei Befestigungsstifte (10) eingeschraubt, zwischen denen ein piezoelektrischer Kraftaufnehmer (8) bekannter Bauform eingespannt ist. Der zylinder- förmig ausgeführte Kraftaufnehmer setzt dabei proportional zur axialen Längenänderung eine elektrische Ladung frei, die durch ein Kabel (11) in bekannter Weise einem Ladungsverstärker zugeführt wird. Während des Biegevorganges wird im Biegestempel in guter Näherung ein einach- siger Spannungszustand erzeugt, wobei nur elastische Spannungen auftreten, so dass die Län- genänderung der einwirkenden Kraft proportional ist. Die Störung der Spannungsverteilung die durch den Kraftsensor eingebracht wird ist dabei vernachlässigbar klein.
Als Folge produziert der piezoelektrische Sensor eine kraftproportionale elektrische Ladung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Reduktion der Biegewinkelfehler beim Biegen eines Blechs in einer Ge- senkbiegepresse bestehend aus einem feststehenden Unterwerkzeug (V-Gesenk) (6) und einem durch Linearachsen (3) angetriebenen Biegebalken mit den Oberwerkzeugen (Bie- gestempel) (5), wobei der untere Umkehrpunkt des Biegestempels basierend auf dem vor- eingestellten Sollwert des Biegewinkels und dem während des Biegevorganges gemesse- nen Kraft- Weg- Zusammenhanges vorausberechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftmessung durch einen oder mehrere Kraftsensoren (8) erfolgt, der oder die in das in bekannter Weise mehrteilig ausgeführte Oberwerkzeug integriert ist bzw. sind, so dass jeder Kraftsensor nur die am jeweiligen Segment des Oberwerkzeugs wirkende Kraft erfasst.