DE102017122073B4 - Process and control of a bending machine - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Biegemaschine, wobei die Biegemaschine zum Biegen eines Blechs mindestens drei zueinander positionierbare Walzen aufweist und die Position der Walzen mittels eines iterativen Finite-Elemente-Verfahrens und unter Berücksichtigung der Spannungs-Dehnungseigenschaften eines Materials des Blechs basierend auf der elastischen Verformung und der plastischen Verformung im Lüders-Bereich und der plastischen Verformung im Bereich der Gleichmaßdehnung basiert, wobei die Finite-Elemente-Modellierung die Schwerkraft berücksichtigt.Method for controlling a bending machine, wherein the bending machine for bending a metal sheet has at least three rollers that can be positioned relative to one another and the position of the rollers is determined by means of an iterative finite element method and taking into account the stress-strain properties of a material of the metal sheet based on the elastic deformation and the plastic deformation in the Lüders region and plastic deformation in the region of uniform strain, whereby the finite element modeling takes gravity into account.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und eine entsprechende Steuerung zum Ansteuern einer BiegemaschineThe invention relates to a control method and a corresponding control for controlling a bending machine

Das Biegen von großen Blechen zu Formteilen, die anschließend in ein größeres Gewerk eingefügt werden, wird typischerweise mit Blechbiegemaschinen durchgeführt, denen von einer Seite ein Blech zugeführt wird und die das Blech durch Krafteinwirkung möglichst genau in eine gewünschte Form bringen. Dabei bestimmen zum einen die Krafteinwirkung als auch die Parameter des Bleches den Grad der Verformung.The bending of large metal sheets into shaped parts, which are then inserted into a larger assembly, is typically carried out with sheet metal bending machines, which are fed a metal sheet from one side and which force the metal sheet into a desired shape as precisely as possible. On the one hand, the effect of the force and the parameters of the sheet metal determine the degree of deformation.

Typischerweise aber nicht notwendigerweise hat ein zugeführtes Blech dabei im Wesentlichen die Temperatur seiner Umgebung, das heißt der Vorgang des Blechbiegens ist eine Kaltverformung. Auch wenn die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung von einem derart kalten Blech ausgehen, so sollen das beschriebene Verfahren sowie die entsprechende Steuerung nicht darauf beschränkt sein. Das beschriebene Verfahren kann auch für ein erwärmtes oder heißes Blech angewendet werden.Typically, but not necessarily, a metal sheet that is fed in essentially has the temperature of its surroundings, ie the process of sheet metal bending is cold forming. Even if the embodiments of the invention described below are based on such a cold metal sheet, the method described and the corresponding control should not be restricted thereto. The method described can also be used for a heated or hot sheet.

Für das Biegen von Blechen sind unterschiedlich Pressen, beispielsweise Abkantpressen, sowie Prägemaschinen und sogenannte Rundbiegemaschinen bekannt. Obwohl das hier beschriebene Verfahren sowie die Steuerung nachfolgend anhand einer sogenannten Rundbiegemaschine beschrieben werden, soll die Erfindung nicht darauf beschränkt sein, sondern kann für alle Biegeverfahren angewandt werden, bei denen ein Blech, auch Blechtafel genannt, mit einem vergleichsweise großen Radius ausgestattet werden muss, wobei ein Blech auf mehrere unterschiedliche Radien gebogen werden kann.Different presses, for example press brakes, as well as embossing machines and so-called roll bending machines are known for bending sheet metal. Although the method described here and the control are described below using a so-called round bending machine, the invention should not be limited to this, but can be used for all bending methods in which a metal sheet, also called metal plate, has to be equipped with a comparatively large radius, whereby a metal sheet can be bent to several different radii.

Die hier beschriebenen Rundbiegemaschinen arbeiten nach dem an sich bekannten Verfahren des Walzrundens und weisen mindestens drei Walzen auf. Das zu biegende Blech wird dabei von zwischen zwei Walzen eingeklemmt, von denen mindestens eine motorisch angetrieben ist, sodass ein zwischen den Walzen eingeklemmtes Blech durch Drehen der Walzen bewegt werden kann. Zum Biegen des Bleches wird mittels einer weiteren Walze eine Biegekraft auf das Blech ausgeübt. In Abhängigkeit von der geometrischen Anordnung der Walzen sowie den Eigenschaften des Bleches kann das Blech mittels der mindestens einen angetriebenen Walze so zwischen den Walzen der Biegemaschine bewegt werden, dass das Blech über seine Länge gebogen wird. Der kleinstmögliche Biegeradius ist dabei durch den Durchmesser der in Biegerichtung angeordneten Walze begrenzt. The round bending machines described here work according to the known method of roll rounding and have at least three rolls. The sheet metal to be bent is clamped between two rollers, at least one of which is motor-driven, so that a sheet metal clamped between the rollers can be moved by rotating the rollers. To bend the sheet metal, a bending force is exerted on the sheet metal by means of a further roller. Depending on the geometric arrangement of the rollers and the properties of the sheet metal, the sheet metal can be moved between the rollers of the bending machine by means of the at least one driven roller in such a way that the sheet metal is bent over its length. The smallest possible bending radius is limited by the diameter of the roller arranged in the bending direction.

Der Grad der Verformung bei einem Biegevorgang hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Zum einen bestimmen unter anderem die Geometrie der Walzen während des Biegevorgangs zueinander sowie die geometrische Abmessung der in Biegerichtung angeordneten Walze selbst den beim Biegen kleinstmöglichen Durchmesser.The degree of deformation during a bending process depends on a large number of parameters. On the one hand, the geometry of the rollers relative to each other during the bending process and the geometric dimensions of the roller arranged in the bending direction determine the smallest possible diameter during bending.

Zum anderen haben die geometrischen Abmessungen und die beim Biegevorgang aktuellen Materialeigenschaften des zu biegenden Bleches erheblichen Einfluss auf die Verformung.On the other hand, the geometric dimensions and the material properties of the sheet metal to be bent during the bending process have a considerable influence on the deformation.

Moderne Biegemaschinen, insbesondere Maschinen zum Biegen großer Bleche, welche zum Biegen erheblichen Krafteinsatz erfordern und ein möglichst genaues Biegeergebnis erzielen sollen, können eine sogenannte CNC-Steuerung (computerized numerical control), also eine rechnergestützte numerische Steuerung aufweisen. Diese kann typischerweise die Walzen und Anordnung der Walzen steuern und/oder die für ein gewünschtes Biegeergebnis notwendigen Einstellungen der Biegemaschine ermitteln und die Maschine anschließend entsprechend einstellen. Ein typisches Problem beim Rundbiegen großer Bleche ist die Abweichung der tatsächlich erreichten von der gewünschten Verformung. Derartige Abweichungen können dadurch bewirkt werden, dass die tatsächlichen Materialeigenschaften des Bleches, also beispielsweise die Biegefestigkeit und/oder die Grenze zwischen elastischer und plastischer Verformung von denjenigen abweicht, die der Berechnung der Einstellungen der Biegemaschine zugrunde gelegt wurden.Modern bending machines, in particular machines for bending large sheet metal, which require considerable force to bend and are intended to achieve the most precise bending result possible, can have a so-called CNC control (computerized numerical control), i.e. a computer-aided numerical control. This can typically control the rollers and arrangement of the rollers and/or determine the necessary settings of the bending machine for a desired bending result and then adjust the machine accordingly. A typical problem when bending large sheets of metal is the deviation of the deformation actually achieved from the desired deformation. Such deviations can be caused by the fact that the actual material properties of the metal sheet, for example the flexural strength and/or the limit between elastic and plastic deformation, deviate from those on which the calculation of the settings of the bending machine was based.

Die EP 1 308 223 A2 offenbart ein Verfahren zur Simulation der Biegung eines Biegekörpers, insbesondere eines Profiles, mit einem Drei-Walzen-Biegeverfahren.The EP 1 308 223 A2 discloses a method for simulating the bending of a bending body, in particular a profile, using a three-roller bending method.

Weiterhin offenbart die DE 21 2016 000 100 U1 eine NC-Blechbiegemaschine mit zwei mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und variabler Krümmung betriebenen Walzen. Davon ausgehend ist die Aufgabe, die zuvor angesprochenen Probleme zu beseitigen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einer Steuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.Furthermore, the DE 21 2016 000 100 U1 an NC plate bending machine with two rolls operated at different speeds and variable curvature. Based on this, the task is to eliminate the previously mentioned problems. This object is achieved with a method having the features of claim 1 or a control having the features of claim 6 .

Das nachfolgend beschriebene Verfahren sowie die entsprechende Steuerung stellen darauf ab die für das Biegen eines Bleches notwendigen Einstellungen der Biegemaschine auf Grundlage verfügbarer Eingangsparameter möglichst genau zu ermitteln. Das Verfahren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Biegemaschine werden im Folgenden und anhand der Figuren beschrieben.The method described below and the corresponding control are based on determining the necessary settings of the bending machine for bending a metal sheet as precisely as possible on the basis of available input parameters. The method and a bending machine set up for carrying out the method are described below and with reference to the figures.

Dabei zeigt

• 1 eine schematische Darstellung der Walzen einer Biegemaschine;
• 2 ein Flussdiagramm einer Ermittlung der Maschinenparameter;
• 3 einen schematischen Verlauf einer Biegelinie zwischen zwei Walzen,
• 4 ein Ablaufdiagramm.

while showing

• 1 a schematic representation of the rolls of a bending machine;
• 2 a flow chart of a determination of the machine parameters;
• 3 a schematic course of a bending line between two rolls,
• 4 a flowchart.

1 zeigt einen schematischen Schnitt durch die Walzen einer Biegemaschine. Die Biegemaschine 1 weist mindestens eine Oberwalze 2, eine Unterwalze 3 sowie mindestens eine erste Seitenwalze 4 auf. Optional kann die Biegemaschine ein zweite Seitenwalze 9 aufweisen. 1 shows a schematic section through the rolls of a bending machine. The bending machine 1 has at least one top roll 2 , one bottom roll 3 and at least one first side roll 4 . The bending machine can optionally have a second side roller 9 .

Die Unterwalze 3 und die Oberwalze 2 können dabei so zueinander positioniert werden, dass diese ein Blech einklemmen. Mindestens eine der beiden Walzen 2, 3 ist motorisch angetrieben, sodass diese durch Rotation ein zwischen Ober- und Unterwalze eingeklemmtes Blech 5 bewegen können. In der Figur ist durch den Pfeil 6 die Rotationsrichtung der motorisch angetriebenen Oberwalze 2 veranschaulicht. In einer alternativen Ausführungsform kann die Unterwalze 3 motorisch angetrieben sein, oder es können beide Walzen motorisch angetrieben sein. Das zwischen Ober- und Unterwalze eingeklemmte Blech 5 kann demzufolge bei entsprechender Rotation der Walzen in Zuführrichtung, siehe Pfeil 7, oder entgegen der Zuführrichtung bewegt werden.The bottom roller 3 and the top roller 2 can be positioned relative to one another in such a way that they clamp a metal sheet. At least one of the two rollers 2, 3 is motor-driven so that it can rotate a metal sheet 5 clamped between the upper and lower rollers. In the figure, the direction of rotation of the motor-driven top roller 2 is illustrated by the arrow 6 . In an alternative embodiment, the bottom roller 3 can be motor-driven, or both rollers can be motor-driven. The sheet metal 5 clamped between the upper and lower rolls can accordingly be moved in the feed direction, see arrow 7, or counter to the feed direction with a corresponding rotation of the rolls.

Das Einklemmen des zu biegenden Blechs 5 kann durch Ausüben eines Anpressdrucks erreicht werden, mit dem das Blech zwischen Unterwalze 3 und Oberwalze 2 geklemmt wird; veranschaulicht durch den Druckzylinder 8. Der Anpressdruck bewirkt eine erhöhte Reibung des zu biegenden Bleches zwischen Ober- und Unterwalze, sodass das Blech in herkömmlicher Weise und in Abhängigkeit von diesem Druck sowie den Reibungskoeffizienten zwischen dem Blech und der angetriebenen Walze(n) bewegt werden kann.The sheet metal 5 to be bent can be clamped by exerting a contact pressure with which the sheet metal is clamped between the lower roller 3 and the upper roller 2; illustrated by the pressure cylinder 8. The contact pressure causes increased friction of the sheet to be bent between the upper and lower rollers, so that the sheet can be moved in a conventional manner and depending on this pressure and the coefficient of friction between the sheet and the driven roller(s). .

Für das Biegen des Bleches mittels einer Biegewalzmaschine wird das Blech zwischen den Walzen geführt, sodass diese die Kraft für das Verformen in das Blech einbringen können. Wie oben beschrieben kann die Bewegung dadurch bewirkt werden, dass die Ober- und/oder Unterwalze oder diese in Zusammenspiel mit anderen Walzen das Blech einklemmen und bei entsprechendem Antrieb der Walzen bewegen. Dabei kann in einer (nicht dargestellten) Ausführungsform die Klemmung des Blechs auch zwischen drei oder noch weiteren Walzen stattfinden, von denen mindestens eine angetrieben ist, sodass das Blech über diese bewegt werden kann. In einer weiteren, hier nicht gezeigten Ausführungsform, ist keine der Walzen motorisch angetrieben. In diesem Falle wird das Blech von einer anderen, hier nicht dargestellten Vorrichtung zwischen den Walzen bewegt.To bend the sheet metal using a bending roller machine, the sheet metal is guided between the rollers so that the force for forming can be applied to the sheet metal. As described above, the movement can be brought about in that the upper and/or lower roller or these in interaction with other rollers clamp the metal sheet and move it with a corresponding drive of the rollers. In one embodiment (not shown), the sheet metal can also be clamped between three or more rollers, of which at least one is driven, so that the sheet metal can be moved over it. In a further embodiment not shown here, none of the rollers is motor-driven. In this case, the metal sheet is moved between the rollers by another device, not shown here.

Die Kraft für das Biegen des Blechs wird durch mindestens drei Walzen auf das Blech 5 aufgebracht. Die mindestens drei Walzen sind dabei geometrisch und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Blechs so zueinander positioniert, dass das Blech nur bei einer Verformung des Blechs durch die Walzen bewegt werden kann. Typischerweise sind die Walzen 2, 3, 4 und gegebenenfalls 9 in ihrer jeweiligen Position zueinander positionierbar, beispielsweise mittels eines motorischen Antriebes verfahr- und/oder verstellbar, dass die relative Position der Walzen den Erfordernissen einer Biegung angepasst werden kann. Für einen Biegenvorgang sind die mindestens drei Walzen also so zueinander zu positionieren, dass diese unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Bleches die gewünschte Biegung des Bleches bewirkt.The force for bending the sheet is applied to the sheet 5 by at least three rollers. The at least three rollers are positioned relative to each other geometrically and taking into account the properties of the metal sheet in such a way that the metal sheet can only be moved by the rollers when the metal sheet is deformed. Typically, the rollers 2, 3, 4 and optionally 9 can be positioned relative to each other in their respective positions, for example, can be moved and/or adjusted by means of a motor drive, so that the relative position of the rollers can be adapted to the requirements of a bend. For a bending process, the at least three rollers are to be positioned relative to one another in such a way that they bring about the desired bending of the sheet metal, taking into account the properties of the sheet metal.

1 zeigt ein Blech 10, welches in Richtung des Pfeils 7 der Biegemaschine 1 zugeführt wird. In dieser Ausführungsform wird das Blech zwischen der Oberwalze 2 und der Unterwalze 3 geklemmt. Die Oberwalze 2 ist motorisch angetrieben, siehe Pfeil 6, und bewegt dementsprechend das Blech 10 auf die Seitenwalze 4 zu. Diese ist relativ zur Ober- und Unterwalze positionierbar und so platziert, dass das Blech beim Bewegen in Richtung der Seitenwalze 4 an dieser anliegt, die Seitenwalze eine Kraft auf das Blech ausübt und dieses biegt, sodass das Blech nur unter Verformung in Richtung der Seitenwalze 4 bewegt werden kann. Mit anderen Worten wird das Blech durch die Bewegung durch die Walzen 2, 3 und 4 gebogen. Da hier das Blech 10 auf der Auslassseite der Biegemaschine 1 gebogen wird, also auf der Seite der Ober- und Unterwalze, auf der das Blech die Biegemaschine verlässt, nicht aber auf der Einlass- oder Zuführungsseite, ist das in 1 gezeigte Biegen ein sogenanntes auslassseitiges Biegen. 1 12 shows a metal sheet 10 which is fed to the bending machine 1 in the direction of the arrow 7 . In this embodiment, the sheet metal is clamped between the top roll 2 and the bottom roll 3 . The top roller 2 is motor-driven, see arrow 6, and accordingly moves the metal sheet 10 onto the side roller 4. This can be positioned relative to the top and bottom rolls and placed in such a way that the metal sheet rests against them when moving in the direction of side roll 4, the side roller exerts a force on the metal sheet and bends it so that the metal sheet is only deformed in the direction of side roller 4 can be moved. In other words, the movement of the rollers 2, 3 and 4 bends the metal sheet. Since the sheet metal 10 is bent here on the outlet side of the bending machine 1, i.e. on the side of the top and bottom rolls on which the sheet metal leaves the bending machine, but not on the inlet or feed side, this is in 1 bending shown is a so-called outlet-side bending.

Das Biegen des Bleches hängt im Wesentlichen auch von der geometrischen Anordnung der Walzen zueinander ab, insbesondere von der Positionierung der Seitenwalze 4 relativ zur Position der Ober- und Unterwalze ab. Dabei ist ersichtlich, dass der Biegeradius mit zunehmendem Abstand der Seitenwalze von der Ober- und Unterwalze größer wird.The bending of the sheet also depends essentially on the geometric arrangement of the rolls relative to one another, in particular on the positioning of the side roll 4 relative to the position of the top and bottom rolls. It can be seen that the bending radius increases as the distance between the side roll and the top and bottom rolls increases.

Weiterhin ist bekannt, dass die plastische Verformung eines Bleches nicht nur von der geometrischen Anordnung der Walzen, sondern auch von den geometrischen Abmessungen des Bleches und den Materialeigenschaften des Bleches abhängt. Folglich sind diese Faktoren bei der Ermittlung der Einstellungen der Biegemaschine zu berücksichtigen, wenn die beabsichtigte Biegung des Bleches bei einem Biegevorgang möglichst genau erreicht werden soll.Furthermore, it is known that the plastic deformation of a sheet depends not only on the geometric arrangement of the rolls, but also on the geometric dimensions of the sheet and the material properties of the sheet. Consequently, these factors are important in determining the Settings of the bending machine must be taken into account if the intended bending of the sheet metal is to be achieved as precisely as possible during a bending process.

Das Verfahren zur Ermittlung der Einstellungen der Maschine wird mittels einer Steuerung durchgeführt, die typischerweise einen digitalen Signalprozessor umfasst. Dieser führt ein Programm aus, welches basierend auf den Eigenschaften einer zu steuernden Biegewalzmaschine 1 und den Eigenschaften des zu biegenden Bleches die Einstellungen der Biegewalzmaschine ermittelt. Optional kann die Steuerung die Biegewalzmaschine direkt ansteuern, sodass die Biegemaschine entsprechend der ermittelten Einstellungen eingestellt ist.The method of determining the settings of the machine is performed by a controller that typically includes a digital signal processor. This runs a program which determines the settings of the bending machine based on the properties of a bending machine 1 to be controlled and the properties of the metal sheet to be bent. Optionally, the controller can control the bending machine directly, so that the bending machine is adjusted according to the determined settings.

Die Materialeigenschaften eines zu biegenden Bleches können durch eine sogenannte Spannungs-Dehnungs-Kurve des Werkstoffs beschrieben werden. Diese ist für einen Biegevorgang eines Bleches essentiell und soll bei der Ermittlung der Einstellungen der Biegemaschine berücksichtigt werden.The material properties of a sheet metal to be bent can be described by a so-called stress-strain curve of the material. This is essential for a sheet metal bending process and should be taken into account when determining the settings of the bending machine.

Bei der Ermittlung der Einstellungen für die Biegemaschine werden unter anderem das elastische und plastische Verhalten des Materials des zu biegenden Blechs berücksichtigt. Eine wesentliche Eigenschaft ist das Fließverhalten eines Metalls des zu biegenden Blechs. 2 zeigt eine Spannungs-Dehnungskurve einer bekannten Aluminiumlegierung sowie eines Stahls S235, in der die Spannung über der Dehnung aufgetragen ist. Dabei zeigt die Kurve für die Aluminiumlegierung 21 einen zunächst linearen Anstieg und einen fließenden Übergang in einen flacher ansteigenden Bereich.When determining the settings for the bending machine, the elastic and plastic behavior of the material of the sheet metal to be bent are taken into account, among other things. An essential property is the flow behavior of a metal of the sheet metal to be bent. 2 shows a stress-strain curve for a known aluminum alloy and a steel S235, in which the stress is plotted against the strain. The curve for the aluminum alloy 21 initially shows a linear increase and a smooth transition to a more gently increasing area.

Im Unterschied dazu zeigt die Spannungs-Dehnungs-Kurve für den Stahl 22 einen für Stahl typischen linearen Anstieg bis zu einem ersten Punkt 22a, der oberen Streckgrenze, ab dem die Kurve eine deutlich geringere oder keine Steigung mehr bis zu einem zweiten Punkt 22b, dem Beginn der Verfestigung aufweist und der mit dem Bruch endet.In contrast, the stress-strain curve for the steel 22 shows a linear increase typical for steel up to a first point 22a, the upper yield point, from which the curve has a significantly lower or no more slope up to a second point 22b, the Has the start of hardening and ends with fracture.

Der Bereich des linearen Anstiegs bis zu Punkt 22a spiegelt das Hooke'sche Gesetz wider, nach dem sich Spannung und Dehnung proportional zueinander verhalten und das Material sich nicht plastisch, sondern elastisch verformt.The area of linear increase up to point 22a reflects Hooke's law, according to which stress and strain are proportional to one another and the material deforms elastically rather than plastically.

Der im Wesentlichen plateauförmige Verlauf der Spannungs-Dehnungskurve ab der oberen Streckgrenze 22a endet mit der sogenannten Lüdersdehnung 22b. In diesem Bereich nahezu gleichbleibender Spannung nimmt nur die Dehnung des Werkstoffs zu, d.h. das Material wird plastisch gedehnt. Dieses Werkstoffverhalten wird auch als sogenannte Lüdersdehnung bezeichnet. Dabei bleibt die Nennspannung in etwa konstant im Bereich der (unteren) Streckgrenze und ist unabhängig von der oberen Streckgrenze. Diese Art der plastischen und damit dauerhaften Verformung tritt typischerweise aufgrund einer lokalen Spannungsüberhöhung auf.The essentially plateau-shaped course of the stress-strain curve from the upper yield point 22a ends with the so-called Lüders strain 22b. In this area of almost constant stress, only the elongation of the material increases, i.e. the material is stretched plastically. This material behavior is also referred to as so-called Lüders strain. The nominal stress remains approximately constant in the area of the (lower) yield point and is independent of the upper yield point. This type of plastic and thus permanent deformation typically occurs due to a local stress increase.

Ab dem zweiten Punkt, 22b, also dem Ende der Lüdersdehnung, beginnt der Bereich der Gleichmaßdehnung, d.h. die Spannungs-Dehnungskurve ändert ihre Steigung. Typischerweise steigt die Spannung an und das Material verfestigt sich, bis die Spannung den größten Wert erreicht, die Zugfestigkeit, ab dem die Spannung scheinbar wieder sinken kann, tatsächlich aufgrund des geringer werdenden Querschnitts (Einschnürung) steigt. Der Bereich der Gleichmaßdehnung endet mit der Bruchdehnung.From the second point, 22b, i.e. the end of Lüders elongation, the range of uniform elongation begins, i.e. the stress-strain curve changes its slope. Typically, the stress increases and the material hardens until the stress reaches its maximum value, the tensile strength, at which point the stress can appear to decrease again, actually increasing due to the decreasing cross section (neckdown). The range of uniform elongation ends with the elongation at break.

In einer Ausführungsform werden die Spannungs-Dehnungskurve des zu biegenden Blechs durch mindestens Parameter beschrieben, nämlich insbesondere durch die Fließspannung (yield stress), den Elastizitätskoeffizienten (E-Modul bzw. Zug- oder Dehnungsmodul), die Zug- oder Bruchfestigkeit (tensile strength) und das Ende der Lüders-Dehnung, der in der Literatur als Lueders extension bezeichnet wird, die Dichte (density) und [??].In one embodiment, the stress-strain curve of the sheet metal to be bent is described by at least parameters, namely in particular by the flow stress (yield stress), the coefficient of elasticity (E modulus or tensile or elongation modulus), the tensile strength or breaking strength (tensile strength) and the end of Lüders extension, referred to in the literature as Lueders extension, the density and [??].

Diese kann ein Bediener der Maschine in die Steuerung mittels einer grafischen Benutzerschnittstelle eines Computers eingeben. Dabei sind die einzugebenden Werte beispielsweise aus einem Prüfprotokoll des (Blech-)Werkstoffs bekannt. In einer alternativen Ausführungsform können die Werkstoffparameter aus einer Datenbank entnommen werden, in welcher für die verschiedenen Werkstoffe die Angaben gespeichert sind.An operator of the machine can enter this into the control by means of a graphic user interface of a computer. The values to be entered are known, for example, from a test report for the (sheet metal) material. In an alternative embodiment, the material parameters can be taken from a database in which the information for the various materials is stored.

Bei der Ermittlung der Einstellungen für das Biegen eines Blechs mittels einer Biegemaschine wird zum einen die elastische Verformung in bekannter Weise nach dem Hook'schen Gesetz berücksichtigt, wobei gilt $$\sigma =E\ast \in$$

und wobei σ die Spannung, E den Elastizitätsmodul und ε die Dehnung bezeichnet.When determining the settings for bending a metal sheet using a bending machine, on the one hand the elastic deformation is taken into account in a known manner according to Hook's law, where applies $$\sigma =E\ast \in$$

and where σ is the stress, E is the modulus of elasticity, and ε is the strain.

Für die Berechnung der plastischen Verformung werden die tatsächliche Spannung (true stress) und tatsächliche Dehnung (true strain) zugrunde gelegt, da für große Verformungen die Annahme gleichbleibender Querschnitte fehlerbehaftet sind. Die plastische Verformung wird daher ermittelt nach $$trueStress=K\ast trueStrai{n}^n$$

wobei trueStress die auf den tatsächlichen Querschnitt (Einschnürung) bezogene Spannung ist, trueStrain die tatsächliche Dehnung, K ein Festigkeitskoeffizient und n ein Verfestigungsexponent (strain hardening exponent) ist. Dabei gilt für den Zusammenhang zwischen der tatsächlichen Dehnung (trueStrain) und der nominellen Dehnung ε $$trueStrain=\text{ln}\left(1+\in \right)$$

The calculation of the plastic deformation is based on the actual stress (true stress) and actual strain (true strain), since the assumption of constant cross-sections is subject to errors for large deformations. The plastic deformation is therefore determined according to $$t\mathrm{right}\mathrm{and}eSt\mathrm{right}ess=K\ast t\mathrm{right}\mathrm{and}eSt\mathrm{right}ai{n}^n$$

where trueStress is the stress related to the actual cross section (neckdown), trueStrain is the actual strain, K is a strength coefficient, and n is a strain hardening exponent. The following applies to the relationship between the actual strain (trueStrain) and the nominal strain ε $$t\mathrm{right}\mathrm{and}eSt\mathrm{right}ain=\text{ln}\left(1+\in \right)$$

Ebenso gilt für das Verhältnis zwischen tatsächlicher Spannung (trueStress) und nomineller Spannung σ $$trueStress=\sigma \ast \left(1+\in \right)$$

The same applies to the relationship between the actual stress (trueStress) and the nominal stress σ $$t\mathrm{right}\mathrm{and}eSt\mathrm{right}ess=\sigma \ast \left(1+\in \right)$$

Für die Ermittlung der Einstellungen der Biegemaschine wird den Berechnungen die Spannungs-Dehnungs-Kurve zugrunde gelegt, wobei für die plastische Verformung des Blechs der Bereich der Lüdersdehnung und der Bereich Gleichmaßdehnung zugrunde gelegt werden. Mit anderen Worten wird die Spannungs-Dehnungs-Kurve den Berechnungen in zwei Abschnitten zugrunde gelegt, nämlich für Verformungen links des Lüders-Punkts und rechts des Lüders-Punkts 22b, sodass der Lüders-Effekt und die Gleichmaßdehnung berücksichtigt sind.To determine the settings of the bending machine, the calculations are based on the stress-strain curve, with the area of the Lüders strain and the area of uniform strain being used as a basis for the plastic deformation of the sheet metal. In other words, the calculations are based on the stress-strain curve in two sections, namely for deformations to the left of the Lüders point and to the right of the Lüders point 22b, so that the Lüders effect and the uniform strain are taken into account.

Die Spannung σ wird dementsprechend ermittelt als Maximum über die beiden Abschnitte $$\sigma =\text{max}(\text{log}{\left(1.0+\in \right)}^{n1}\ast \frac{K1}{1+\in },\text{log}{\left(1.0+\in \right)}^{n2}\ast \frac{K2}{1+\in })$$

wobei der linke Term (mit n1 und K1) in der Klammer den ersten Abschnitt, also vor dem Lüderspunkt 22b, beschreibt und der rechte Term den zweiten Abschnitt, also rechts des Lüderspunkts 22b beschreibt.Accordingly, the stress σ is determined as the maximum over the two sections $$\sigma =\text{Max}(\text{log}{\left(1.0+\in \right)}^{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="n"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}1}\ast \frac{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="K"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">K</figure-callout>}1}{1+\in },\text{log}{\left(1.0+\in \right)}^{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="n"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}2}\ast \frac{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="K"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">K</figure-callout>}2}{1+\in })$$

where the left-hand term (with n1 and K1) in the brackets describes the first section, i.e. in front of the Lüders point 22b, and the right-hand term describes the second section, i.e. to the right of the Lüders point 22b.

Die Parameter n1 und K1 sowie n2 und K2 beschreiben dabei die Parameter der plastischen Verformung und können basierend auf den theoretischen Spannungs- und Dehnungswerten ermittelt werden gemäß den nachfolgenden Gleichungen $$n1=\frac{\text{Log}\left(\frac{\sigma distinct\ast \left(1+\epsilon distinct\right)}{\sigma yield\ast \left(1+\left(\frac{\sigma yield}{E}\right)\right)}\right)}{Log\left(\frac{Log\left(1+\epsilon distinct\right)}{Log\left(1+\left(\frac{\sigma yield}{E}\right)\right)}\right)}$$

$$K1=\sigma yield\ast \frac{1+\left(\frac{\sigma yield}{E}\right)}{Log{\left(1+\left(\frac{\sigma yield}{E}\right)\right)}^{n1}}$$

$$n2=\frac{\text{Log}\left(\frac{\sigma tensile\ast \left(1+\epsilon tensile\right)}{\sigma distinct\ast \left(1+\epsilon distinct\right)}\right)}{Log\left(\frac{Log\left(1+\epsilon tensile\right)}{Log\left(1+\epsilon distinct\right)}\right)}$$

$$K2=\left(\frac{\sigma yield}{E}\right)\ast \frac{1+\epsilon distinct}{Log{\left(1+\epsilon distinct\right)}^{n2}}$$

wobei E der Elastizitätsmodul, σyield die Streckgrenze/Fließspannung, σdistinct die Spannung am Lüderspunkt 22b ist, εdistinct die Dehnung am Lüderspunkt 22b ist, σtensile die Bruchspannung, und εtensile die Dehnung beim Bruch bezeichnet.The parameters n1 and K1 as well as n2 and K2 describe the parameters of the plastic deformation and can be determined based on the theoretical stress and strain values according to the following equations $$n$$$$1=\frac{\text{log}\left(\frac{\sigma \mathrm{i.e}istinct\ast \left(1+e\mathrm{i.e}istinct\right)}{\sigma yiel\mathrm{i.e}\ast \left(1+\left(\frac{\sigma yiel\mathrm{i.e}}{E}\right)\right)}\right)}{LOG\left(\frac{LOG\left(1+e\mathrm{i.e}istinct\right)}{LOG\left(1+\left(\frac{\sigma yiel\mathrm{i.e}}{E}\right)\right)}\right)}$$

$$\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="K"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">K</figure-callout>}1=\sigma yiel\mathrm{i.e}\ast \frac{1+\left(\frac{\sigma yiel\mathrm{i.e}}{E}\right)}{LOG{\left(1+\left(\frac{\sigma yiel\mathrm{i.e}}{E}\right)\right)}^{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="n"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}1}}$$

$$\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="n"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}2=\frac{\text{log}\left(\frac{\sigma tensile\ast \left(1+etensile\right)}{\sigma \mathrm{i.e}istinct\ast \left(1+e\mathrm{i.e}istinct\right)}\right)}{LOG\left(\frac{LOG\left(1+etensile\right)}{LOG\left(1+e\mathrm{i.e}istinct\right)}\right)}$$

$$\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="K"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">K</figure-callout>}2=\left(\frac{\sigma yiel\mathrm{i.e}}{E}\right)\ast \frac{1+e\mathrm{i.e}istinct}{LOG{\left(1+e\mathrm{i.e}istinct\right)}^{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="n"\; filenames="DE102017122073B4\_0010.png"\; state="\{\{state\}\}">n</figure-callout>}2}}$$

where E is the modulus of elasticity, σyield is the yield point/yield stress, σdistinct is the stress at Lüders point 22b, εdistinct is the strain at Lüders point 22b, σtensile is the stress at break, and εtensile is the strain at break.

Weiterhin wird die Rückfederung des Blechs bei der Ermittlung der Einstellungen der Biegemaschine berücksichtigt, wobei für die Rückfederung ein herkömmliches bi-lineares elasto-plastisches Modell zugrunde gelegt wird, mit dem in Abhängigkeit der Material- und geometrischen Eigenschaften ein entsprechendes Biegemoment ermittelt werden kann. Dieses berücksichtigt wie weit das Blech über den gewünschten Biegeradius hinaus gebogen werden muss, sodass nach der Rückfederung des Blechs der gewünschte Biegeradius erreicht ist.Furthermore, the springback of the sheet metal is taken into account when determining the settings of the bending machine, whereby a conventional bi-linear elasto-plastic model is used as a basis for the springback, with which a corresponding bending moment can be determined depending on the material and geometric properties. This takes into account how far the sheet metal has to be bent beyond the desired bending radius so that the desired bending radius is reached after the sheet metal springs back.

Für die Ermittlung, d.h. die Berechnung, der Einstellungen der Biegemaschine wird schließlich ein Biegemoment des Blechs ermittelt, welches durch eine gedachte Mittellinie des Blechs verläuft, wobei die Berechnung des Biegemoments basierend auf dem beschriebenen nicht-linearen elastoplastischen Modell mit einer numerischen Berechnung über mehrere Iterationen durchgeführt wird.For the determination, i.e. the calculation, of the settings of the bending machine, a bending moment of the sheet metal is finally determined, which runs through an imaginary center line of the sheet metal, with the calculation of the bending moment based on the described non-linear elastoplastic model with a numerical calculation over several iterations is carried out.

Dazu wird die Dicke des Blechs in eine Vielzahl von Elementen unterteil, wobei die Vielzahl wiederum von den Materialeigenschaften und der absoluten Dicke abhängt. Typischerweise wird hierfür auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, sodass sich der Rechenaufwand in Grenzen hält. In einer Ausführungsform kann die Blechdicke bevorzugt mit mehr als 40 Schichten, besonders bevorzugt in 20 und in wenigstens drei Schichten gleicher Dicke modelliert werden. Für die Berechnung des Biegemoments wird die Spannungs-Dehnungskurve zugrunde gelegt. Die angenommene Dehnung einer Schicht folgt den Annahmen der Euler-Bernoulli-Balken Theorie. Für jede Schicht wird die entsprechende Spannung berechnet, sodass basierend auf den Spannungen der Elemente das für das Blech resultierende Biegemoment als Summer der Einzelmomente aller Schichten berechnet werden kann.To do this, the thickness of the sheet metal is divided into a large number of elements, with the large number in turn depending on the material properties and the absolute thickness. Typically, empirical values are used for this, so that the computational effort is kept within limits. In one embodiment, the sheet thickness can preferably be modeled with more than 40 layers, particularly preferably with 20 and with at least three layers of the same thickness. The calculation of the bending moment is based on the stress-strain curve. The assumed strain of a layer follows the assumptions of the Euler-Bernoulli beam theory. For each layer, the corresponding stress is calculated, so that based on the stresses of the elements, the result for the sheet bending moment can be calculated as the sum of the individual moments of all layers.

Für die Ermittlung der Rückfederung des Blechs wird eine nicht-lineare Spannungsverteilung in dem Blech durch eine elasto-plastische Spannungsverteilung mit gleichem resultierendem Moment angenommen. Die Rückfederung kann nun basierend auf diesem Modell entsprechend dem elastoplastischen Modell berechnet werden.To determine the springback of the sheet metal, a non-linear stress distribution in the sheet metal is assumed due to an elasto-plastic stress distribution with the same resulting moment. The springback can now be calculated based on this model according to the elastoplastic model.

Basierend auf diesem Rechenmodell wird eine Biegelinie des Blechs ermittelt, welche in 3 schematisch dargestellt ist, wobei das Rechenmodell nicht-lineare geometrische und nicht-lineare Materialeigenschaften sowie nicht-lineare Effekte an den Berührungspunkten des Blechs mit den Walzen der Biegemaschine berücksichtigt. 3 zeigt ein Oberwalze 2 und eine auslaufseitig angeordnete Seitenwalze 3, zwischen denen ein Blech 5 geführt ist, welches hier schematisch als Biegelinie dargestellt ist. Die Biegelinie, welche hier das Blech repräsentiert, wird dabei in mehrere aneinander angrenzende Segmente K1, K2 unterteilt. Dabei liegen die Kontaktpunkte der Segmente tangential an den Walzen2, 3 an und die Seitenwalze 3 übt eine Kraft F auf das Blech, hier dargestellt durch die Biegelinie, aus.Based on this calculation model, a bending line of the sheet metal is determined, which 3 is shown schematically, with the calculation model taking into account non-linear geometric and non-linear material properties as well as non-linear effects at the contact points of the sheet metal with the rolls of the bending machine. 3 shows a top roll 2 and a side roll 3 arranged on the outlet side, between which a metal sheet 5 is guided, which is shown here schematically as a bending line. The bending line, which represents the metal sheet here, is divided into a number of adjacent segments K1, K2. The contact points of the segments are tangential to the rolls 2, 3 and the side roll 3 exerts a force F on the metal sheet, represented here by the bending line.

Die Berechnung der Einstellungen für die Biegemaschine basierend auf dem oben beschriebenen Modell wird mittels eines Finite-Elemente-Berechnungsverfahrens durchgeführt. Jedes Element K1, K2 ... etc. des Blechs wird dabei durch seinen Radius und die geometrische Länge definiert, wobei der Radius eines Elements von dem Biegemoment abhängt, welches wiederum von den Kontaktpunkten abhängt.The calculation of the settings for the bending machine based on the model described above is performed using a finite element calculation method. Each element K1, K2 ... etc. of the sheet metal is defined by its radius and the geometric length, with the radius of an element depending on the bending moment, which in turn depends on the contact points.

Für die Berechnung der Maschinenparameter ergibt sich basierend auf dem oben beschriebenen Rechenmodell ein nicht-lineares System von Gleichungen, welches mittels eines iterativen Verfahrens gelöst wird.Based on the calculation model described above, a non-linear system of equations results for the calculation of the machine parameters, which is solved using an iterative method.

Dabei kann zur Beschleunigung der Berechnungen auf vorberechnete Werte von Biegung und Rückfederung für einen Werkstoff und Blechdicke zurückgegriffen werden.Pre-calculated values of bending and springback for a material and sheet thickness can be used to speed up the calculations.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Lösung des Gleichungssystems mittels der Steuerung, wobei die jeweiligen Iterationsschritte als ausführbares Computerprogramm implementiert sind, welches auf einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird. 4 shows a flowchart for solving the system of equations by means of the controller, with the respective iteration steps being implemented as an executable computer program which runs on a digital signal processor.

Im Anschluss an den Programmstart 401 werden die Startwerte für anschließend durchzuführenden Iterationsschritte berechnet. Basierend auf groben Überschlagsrechnungen werden geeignete Startwerte berechnet um auf sinnvolle und schlüssige Ergebnisse konvergieren zu können.Following the start of the program 401, the starting values for iteration steps to be carried out subsequently are calculated. Based on rough estimates, suitable starting values are calculated in order to be able to converge on meaningful and conclusive results.

Nach der Berechnung der Startwerte beginnt die Schleife über die mehreren Iterationsschritte in Schritt 403. In den nachfolgenden Verfahrensschritten 404 bis 405 werden Schwerpunkte links und rechts des Biegepunktes zur Berücksichtigung der Schwerkraft ermittelt. Nachfolgend werden Biegelinien zwischen der Oberwalze und einer Unterwalze ermittelt, Schritt 406, sowie zwischen der Oberwalze und der Seitenwalze, Schritt 407. In Schritt 408 wird ein Kräftegleichgewicht errechnet und anschließend, Schritt 409, und eine entsprechende Jacobi-Matrix erstellt. Basierend darauf werden in Schritt 410 neue Funktionswerte zur Lösung des Gleichungssystems berechnet. Anschließend wird in Schritt 411 geprüft, ob sich die errechneten Funktionswerte ausreichend wenig von dem zuvor errechneten Satz von Funktionswerten unterscheidet. Gegebenenfalls 413 konvergiert das Iterationsverfahren und es ist eine ausreichende Genauigkeit erreicht, sodass basierend auf den errechneten Werten die Parameter der Seitenwalzenposition der Biegemaschine an diese übergeben werden kann. Zusätzlich muss die Rotationsposition der Oberwalze (top roll TR) ermittelt werden, Schritt 414. Die Iteration über die Rechenschritte endet damit in 413.After the calculation of the starting values, the loop over the multiple iteration steps begins in step 403. In the subsequent method steps 404 to 405, focal points to the left and right of the bending point are determined to take gravity into account. Subsequently, bending lines are determined between the top roll and a bottom roll, step 406, and between the top roll and the side roll, step 407. In step 408, a force balance is calculated and then, step 409, and a corresponding Jacobian matrix is created. Based on this, in step 410 new function values are calculated for solving the system of equations. Then, in step 411, it is checked whether the calculated function values differ sufficiently little from the previously calculated set of function values. If necessary, 413 the iteration method converges and sufficient accuracy is achieved so that the parameters of the side roll position of the bending machine can be transferred to the bending machine based on the calculated values. In addition, the rotational position of the top roll (top roll TR) must be determined, step 414. The iteration over the calculation steps thus ends in 413.

Für den Fall, dass die berechneten Funktionswerte des zu lösenden Gleichungssystems in einem Schleifendurchlauf nicht ausreichend genau ermittelt wurden, Schritt 412, wird in Schritt 416 ein Biegeradius am Biegepunkt ermittelt und die Schleife über die Berechnungsschritte 403 bis 411 wird erneut durchlaufen, bis die Prüfung der errechneten Funktionswerte in Schritt 411 ergibt, dass diese sich ausreichend wenig von dem zuvor ermittelten Satz Funktionswerte unterscheiden.In the event that the calculated function values of the system of equations to be solved were not determined with sufficient accuracy in a loop run, step 412, a bending radius at the bending point is determined in step 416 and the loop over the calculation steps 403 to 411 is run through again until the check of the calculated function values in step 411 shows that these differ sufficiently little from the previously determined set of function values.

BezugszeichenlisteReference List

11

Biegemaschinebending machine

22

Oberwalzetop roller

33

Unterwalzebottom roller

44

Erste SeitenwalzeFirst side roller

55

Blechsheet

66

Pfeil Rotationsrichtung OberwalzeArrow for the direction of rotation of the top roller

77

Pfeil Zuführbewegung BlechArrow feed movement sheet metal

88th

Druckzylinder Anpressdruck UnterwalzePressure cylinder contact pressure bottom roller

99

Zweite SeitenwalzeSecond side roller

1010

Blech sheet

2121

Spannungs-Dehnungskurve AluminiumStress-strain curve aluminium

2222

Spannungs-Dehnungskurve StahlStress-strain curve steel

22a22a

StreckgrenzeStretch limit

22b22b

Lüdersdehnung Lüder stretch

401-416401-416

Rechenschrittecalculation steps

Claims (6)

Verfahren zur Steuerung einer Biegemaschine, wobei die Biegemaschine zum Biegen eines Blechs mindestens drei zueinander positionierbare Walzen aufweist und die Position der Walzen mittels eines iterativen Finite-Elemente-Verfahrens und unter Berücksichtigung der Spannungs-Dehnungseigenschaften eines Materials des Blechs basierend auf der elastischen Verformung und der plastischen Verformung im Lüders-Bereich und der plastischen Verformung im Bereich der Gleichmaßdehnung basiert, wobei die Finite-Elemente-Modellierung die Schwerkraft berücksichtigt.Method for controlling a bending machine, wherein the bending machine for bending a metal sheet has at least three rollers that can be positioned relative to one another and the position of the rollers is determined by means of an iterative finite element method and taking into account the stress-strain properties of a material of the metal sheet based on the elastic deformation and the plastic deformation in the Lüders region and plastic deformation in the region of uniform strain, whereby the finite element modeling takes gravity into account. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die für eine Dehnung benötigte Spannung als Maximum einer Spannung im Lüders-Bereich und im Bereich der Gleichmaßdehnung ermittelt wird.procedure after claim 1 , whereby the stress required for an elongation is determined as the maximum of a stress in the Lüders area and in the area of uniform elongation. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Spannung basierend auf dem Elastizitätsmodul, der Streckgrenze, der Spannung und Dehnung am Lüderspunkt sowie Bruchspannung und Bruchdehnung ermittelt wird.procedure after claim 2 , where a stress is determined based on Young's modulus, yield point, stress and strain at the Lüders point, and stress and strain at break. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner basierend auf der elastischen Verformung des Blechs.A method according to any one of the preceding claims, further based on the elastic deformation of the sheet metal. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Finite-Elemente-Modellierung des Blechs eine Segmentierung in eine Vielzahl von Schichten und in eine Vielzahl von Segmenten umfasst.A method according to any one of the preceding claims, wherein the finite element modeling of the sheet metal comprises segmentation into a plurality of layers and into a plurality of segments. Steuerung zum Ansteuern einer Biegemaschine mit mindestens drei zueinander positionierbaren Walzen und einem digitalen Signalprozessor, der zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 eingerichtet ist.Controller for controlling a bending machine with at least three rollers that can be positioned relative to one another and a digital signal processor for carrying out a method according to claim 1 is set up.

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