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Mikroprozessorsteuerung für Riemenfallhämmer.
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Vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Riemenfallhammersteuerung
,welche zur Ablaufsteuerung von Schmiedevorgängen für Werkstücke verschiedener Form
und Materialbeschaffenheit konzipiert ist und darüberhinaus gestattet,das Schmieden
vollautomatisch und mit grosser Genauigkeit durchzuführen.
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Der bisherige Stand der Technik ist so zu erklären,dass die Riemenfallhämmer
der alten und neuen Generation ausnahmslos hydraulich oder hydropneumatisch betätigt
und gesteuert werden und somit,bedingt durch die Abhängigkeit vom Geschick des Bedieners,keine
optimale Leistung bezüglich Güte der Teile und Grössenordnung des Ausschusses zulassen.Der
Bediener muss sich voll auf den Schmiedevorgang konzentrieren,um einerseits das
glühende Schmiedestück richtig im Gesenk zu halten und andererseits den Fallhammer
so zu steuern,dass jeweils bei jedem Schlag die notwendige Fallhöhe erreicht wird.Da
diese beiden Dinge nur mit äusserster Konzentration zu schaffen sind,ermüdet der
Bediener sehr rasch,die Qualität des Werkstücks leidet darunter und das Unfallrisiko
steigt sehr stark an.
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Vorliegende Erfindung wird durch Figur 1 so dargestellt,dass ein an
einem Aufzugriemen(3)hängender Hammer(l) bei Loslassen einer Fallbremse(8) mit seinem
eigenen Gewicht auf ein entsprechendes Gesenk(2)schlägt,in welchem ein hochtemperiertes,
glühendes StahlverkstUck(9) nach der eingearbeiteten Gesenkform geschmiedet und
geformt wird.Nach Beendigung dieses Vorganges
wird der Hammer(l)dadurch
wieder in eine bestimmte Fallhöhe hochgezogen, indem durch Fussdruck auf die Fuss-Steuereinrichtung(6)
ein Druckventil(7)betätigt wird,welches die Druckrolle(5)an den Aufzugriemen(3)
drückt und somit letzterer von der Hubscheibe(4) mitgenommen wird,bis die gewünschte
neue Fallhöhe erreicht istODieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Schlag des Hammers(l)O
Ein Schmiedegang kann beispielsweise aus einer Serie von mehreren Schlägen bestehen.Aber
erst nach dem letzten Schlag einer Serie tritt wieder die Fallbremse(8) in Kraft,
die den Hammer(l) solange in Ruhestellung hält,bis durch das Treten der Fuss-Steuereinrichtung(6)
eine neue Schlagserie für ein neues Werkstück(9) beginnt.
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Wie eingangs bereits erwähnt,ist es sehr schwierig und bedarf einer
langen Anlernzeit,den Riemenfallhammer so zu bedienen,dass möglichst wenig Ausschuss
entsteht und das Unfallrisiko für den Bediener so klein wie möglich gehalten wirdODie
hohe Konzentration beim Bedienen des Fallhammers ist deshalb nötig,da der Schmied
zu gleicher Zeit das Werkstück in das Gesenk bringen muss,die Fuss-Steuereinrichtung
bedienen muss,und zwar sehr gefühlvoll,und zu gleicher Zeit während dem Umlegen
des Werkstücks in die nächste Gesenkform beobachten muss,ob der Fallhammer(l)in
die geforderte Schlaghöhe(Ausgangsposition)gefahren ist.Hinzu kommt,dass durch die
besagte Bedienung der Fuss-Steuereinrichtung der Bediener während der ganzen Arbeitszeit
fast nur auf dem linken Fuss stehen kann.Das Ganze führt zu der Tatsache,dass viele
Erholungspausen eingelegt werden müssen und dass das Anlernen von weiteren Bedienern
sehr viel Zeit in Anspruch nimmt.
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Um alle diese technischen und menschlichen Unzulänglichkeiten zu beseitigen,hat
sich der Erfinder die Aufgabe gestellt,eine Mikroprozessor-Steuereinrichtung zu
entwickeln,die es gestattet, mit einer einzigen Fussbewegung den Schmiedevorgang
einzuleiten,
den Schlagzyklus mit mehreren Schlägen automatisch
durchzuführen und letztlich zu überwachen und zu korrigieren,ob die richtigen Schlaghöhen
zur Anwendung kommen.Ein zusätzliches Verfahren verhindert die Bildung von ausgeprägten
Schlaufen beim Aufprallen des HammersOLetztere sind deshalb besonders schädlich,weil
beim erneuten Hochziehen des Hammers,vas mit sehr grosser Kraft und sehr hoher Geschwindigkeit
geschieht,zuerst keine Last vorhanden ist und dann in Sekundenbruchteilen die volle
Last des Hammers den Riemen beansprucht,was nach einiger Zeit zum Reissen des Aufzugriemens
fuhrt und eine Reperatur notwendig macht, Zur besseren Verständlichkeit der Zeichnung
nach Figur 1 tz sind folgend die Bezeichnungen auf geführt: 1 = Hammer (Bär) 2 =
Gesenk (bestehend aus Ober-und Unterteil) 3 = Aufzugriemen 4 = Hubscheibe 5 = Druckrolle
6 = Fuss-Steuereinrichtung(elektropneumatisch) 7 = Druckventil mit Kolben 8 = Fallbremse
8a = Notaus-Saherungsschalter 9 = Werkstück lo = Hydraulisches Steueraggregat 11
= Induktive Näherungsschalter (Figur 2) 12 = Schaltnetzteil 13 = Mikroprozessor
mit Programm-und Rechenspeicher 14 = Ausgangsverstärker bzv.Schaltstufen für Stellglieder
Aufbaubeschreibung:
Nach Figur 1 sind alle hydraulisch-pneumatischen Steuereinheiten so am Riemenfalihammer
angeordnet,dass der Funktionsabl.auf beim Schmieden ausschliesslich vom Bediener
über die Fuss-Steuereinrichtung(6)gesteuert wird.Tritt er langsam auf letztere,so
löst sich zuerst die Fallbremse(8),der Hammer(l)fällt herunter auf das Gesenk(2),wobei
kurz vorher das glühende Werkstück(9) mittels Zange daruntergeführt wurde.Durch
Weitertreten des Fusspedals der Fuss-Steuereinrichtung(6)öffnet das Druckventil(7)und
damit wird die Druckrolle(5)auf den Aufzusriemen(3)gedrückt und somit auch an die
Hubscheibe(4),wodurch der Riemen mitsamt Hammer hochgezogen wird.Für einen weiteren
Schlag muss der Bediener nun wieder kurz mit dem Pedal zurück,was zur Folge hat,dass
das Druckventil(7)öffnet,die Druckrolle ( 5)geht zurück, der Aufzugriemen(3)wird
frei und der Hammer fällt wieder auf das Gesenk(2).Dies wiederholt sich nun solange,bis
der letzte Schlag eines Zykluses durchgeführt ist,das Werkstück also fertiggeschmiedet
ist und der Bediener das Fusspedal der Fuss-Steuereinrichtung(6)ganz in Ausgangsstellung
gleiten lässt.Dann schliesst sich auch wieder die Fallbremse(8) und anschliessend
kann sich ein neuer Schmiedevorgang anreihen.In Nähe der Fallbremse(8) befindet
sich ein Schutzschalter(8a),der verhindert,dass der Hammer über seine zulässige
Maximalschlaghöhe hinausfährt und den Fallhammer zerstören würde.
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Eine weitere Schwierigkeit kann sich ergeben,wenn der Bediener kurz
vor dem Auftreffen des Hammers auf das Gesenk zuviel Zeit braucht beim Geben des
Befehls zum erneuten Hochziehen des Hammers.Dann bildet sich nämlich am Auf zum
riemen eine mehr oder weniger grosse Schlaufe.Wenn jetzt der Riemen rasch hochgezogen
wird,geschieht das zunächst ohne Last,da ja zuerst die Schlaufe weggezogen wird.
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Dann aber plötzlich hängt das volle Gewicht des Hammers, ca 1200 kg,am
Aufzugrieren und dabei kann der Riemen ar: Hammer abreissen.
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Figur 2 erklärt anhand eines Blockschaltbildes den prinzipiellen Aufbau
der Mikroprozessorsteuerung mit den Na..-herungsschantern(Sensoren)Sl bj s S7(11),dem
Schaltnetzteil (12),der kompletten Prozess-Steuerung(13) mit Proararnnsneicher,Rechennsrerk
und Rechenspeicher,Ausgangsstufen und letzlich den Ausgangsverstärkern und Schaltstufen
für die Stellgliedersteuerun (14) .Die Fuss-Steuereinrj chtung ist mit einem Umschaltkontakt
versehen,mit dessen Hilfe der Fallhammer über die Mikroprozessorsteuerung gesteuert
wird.
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Das hydraulisch arbeitende Aagregat(lo) bewerkstelligt die Zusammenarbeit
zwischen hydropneumatischen und elektronischen Betrieb.Zu bemerken ist jedoch,dass
jede Steuereinrichtung auch für sich voll funktionsfähig ist.
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Der Erfinder hat sich bei der Konzipierung der Prozessorsteuerung
die Aufgabe gestellt,die schwer wiegenden Nachteile der hydropneumatischen Steuerung,wie
bereits beschrieben, zu umgehen und dafür dem Bediener eine einfach und leicht bedienbare
Ablaufsteuerung zu geben,die ausserdem noch in der Lage ist,präziser zu arbeiten,weniger
zu ermüden und weniger Ausschuss zu produzieren.
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Die Sensoren(11)liefern beim Vorbeifahren des Hammers jeweils einen
Spannungsimpuls,der im Prozessorteil jeweils zu Mess-und Steuerzwecken verwendet
wird.Um mit möglichst wenigen Sensoren verschiedene Schlaghöhen steuern zu können,
wurde beim Ausführungsbeispiel eine bestimmt Abstandseinteilung zwischen den einzelnen
Sensoren gewählt,die in Fig.3 beschrieben wird0
Folgende Funktionenlassen
sichnun,unabhängig von der Hydropneumatik,die nur manuell arbeitet,mit Hilfe der
Mikroprozessorsteuerung und des entsprechend eingegebenen Programms durchführen:
l)Start des Fallhammers.Der Hammer wird erstmalig auf die gewünschte und programmierte
Schlaghöhe gebracht.Dabei ist gleichgültig,ob sich der Hammer vorher in Ruhelage
oder in irgendeiner Zwischenstellung befunden hat.
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2)Hammer fallen lassen und nach dem Auftreffen auf das Gesenk wieder
auf die nächste Fallhöhe hochziehen.Hierbei muss die sogenannte Schlaufenbildung
des Aufzugriemens verhindert und beim Hochziehen die nächste Fallhöhe mit möglichst
grosser Genauigkeit erreicht werden.
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Zu l):Nach dem Einschalten der Stromversorgung befindet sich die elektronische
Steuerung in ihrem Grundzustand und erwartet das Betätigen des Fuss-Schalters(6).Wird
letzterer nun gedrückt,so veranlasst die Elektronik das Hochziehen des Hammers.Hat
der Hammer nun lo cm Höhe über dem Gesenk erreicht,so wird der Auftrieb (Hochziehen
des Aufzugsriemens)weggenommen.Bedingt durch seine hohe kinetische Energie,setzt
der Hammer seinen Weg nach oben fort,verlangsamt dann seine Bewegung, erreicht schliesslich
den Umkehrpunkt und fällt dann wieder nach unten.
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Aus den hierbei durch Überfahren der Sensoren und der damit errechneten
Zeiten wird nun nach der Formel
(Figur 5) die Auftriebszeit gewonnen,die notwendig ist,um den Hammer auf die Höhe
des untersten Sensors zu bringen.
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dabei ist t die Anzugszeit bis zum untersten Sensor, tó die Zeit vom
untersten Sensor bis zum Umkehrpunkt.
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0 Aus der Zeit tx errechnet sich nun die Auftriebszeit zu den folgenden
Sensoren nach der Formel
Dabei bedeuten h die Höhe zum untersten Sensor, 0 h die Höhen zu den entsprechenden
anderen Sensoren, n tx di.e Auftriebszeit,um lo cm Fallhöhe zu erreichen.
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Erklärung in Figur 5.
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Die beim Hochziehen so ermittelten Werte für die Auftriebszeiten sind
theoretisch und stimmen nur angenähert mit der Wirklichkeit überein, da sich die
Griffigkeit des Anfzugriemens (Friktion) stetig und unlorltrollierbar ndert.Eiierzu
wurde nun ein Korrekturprogramm entwickelt, welches die Sollhöhe mit der Isthöhe
vergleicht und die Auftriebszeit entsprechend korrigiert,sodass die Sollhöhen nach
wenigen Probeschlägen erreicht und während des ganzen Betriebs konstant gehalten
werden.Letzters wurde technisch folgendermassen realisiert: Das Programm stellt
fest,wie hoch der Hammer gekommen ist.Ist die Abweichung von der Sollhöhe nur so
gross, dass der in Bezug zur Sollhöhe nächstuntere Sensor oder nächsthöhere Sensor
vom Hammer nicht unter-bzw.nicht überschritten wird,dann setzt die Feinregelung
ein.Hierbei wird die zeitliche Abweichung von der Sollzeit zur Istzeit festgestellt
und die Auftriebszeit des jeweiligen Schlags so korrigiert,aass die Fallhöhe des
betreffenden Schlages beim nächsten Programmzyklus mit grosser Annäherung erreicht
wird.-Wird vom Hammer in Bezug auf die Sollhöhe der nächstuntere Sensor unterschritten
oder der nächsthöhere überschritten,so setzt die Grobregelung ein.
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D.h.es wird zur Auftriebszeit ein fester Wert addiert oder subtrahiert,sodass
der Hammer beim nächsten Programntzyklus mit grosser Annäherung seine Sollhöhe erreicht.
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(Figur 6)
Bestimmen des Zeitpunktes für das Hochziehen
des Hammers nach dem Fall: Der Hammer soll dann hochgezogen werden,wenn seine kinetische
Energie voll zur Verformung des Werkstücks (Schmiedestück)abgegeben worden istOWird
zu früh hochgezogen,dann kann der Hammer nicht mehr seine volle Energie abgeben,wird
jedoch zu spät hochgezogen,dann entsteht durch den Prall des Hammers eine Schlaufe
im AufzugriemenPwie schon vorher beschrieben.Dieses Probler.lwmrde wie folgt gelöst:
Wie eingangs bereits erklärt,befinden sich entlang der Fallbahn des Hammers Sensoren,deren
Abstände nach Fig.3 festgelegt sind.Der unterste Sensor dient dabei zum Anfahren
und zum Abfangen des Hammers,falls dieser aus irgendwelchen Gründen nicht die untersten
Mess-Sensoren errecht.(Hilfe bei niederen Schlaghöhen unter 30 cm) Der Voryang spielt
sich nun so ab,dass immer die nächsten beiden unterhalb der Fallhöhe liegenden Sensoren
als Mess-Sensoren benützt werden.Es konnte ein mathematisches Verfahren gefunden
werden,welches erlaubt,unabhängig von verschiedenen Fallbeschleunigungen Fallzeiten
zu berechnen.
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Die Formel zur Berechnung der Fallzeit nach dem gewählten Strecltenverhältnis
der Sensoren lautet folgendermassen:
tl ist die Zeit vom Beginn des Falles bis zum Verlassen des oberen Mess-Sensors
durch den Hammer.
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t2 ist die Zeit vom Beginn des Falles bis zum Verlassen des unteren
Mess-Sensors durch den Hammer.
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t3 ist der Auftreffzeitpunkt des Hammers auf dem Gesenk.
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Dies wäre theoretisch auch der Zeitpunkt zum Hochziehen des Hammers.
(Figur 4)
Da jede Maschine innerhalb ihrer Befehlsübermittlung
und Befehlsdurchführung mit sogenannten Totzeiten behaftet ist,muss diese auch hier
berücksichtigt werden.
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Letztere l'ann nac einmaliger Ermittlung angenähert als s konstant
betrachtet werden.Damit lautet nun die gültige Formel für dne Festlegung des Zeitpunktes
für die Befehlsgabe "Hammer hochziehen"
wobei K die ermittelte Konstante darstellt.(Für Totzeit) Zur Lösung der vorgegebenen
Aufgabe wäre der verwendete Mikroprozessor zu langsam gewesen.Daher wurde ein spezelles
Rechenverfahren entw:ickelt.Das Programm hierzu liefert während des Falles des Hammers
alle 300 Micro-Sekunden ein komplettes Zwischeneryebnis, sodass nach Passieren des
unteren Mess-Sensors das Rechenergebnis bereits vorliegt.Eine Zeitverzögerung durch
den Mikroprozessor kann also nicht wirksam werden.
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Programmtechnische Lösung der Berechnung des Hochziehzeitpunktes für
den Hammer nach der Formel
unter Ausschaltung der Rechenzeit: Ohne Berücksichtigung der Totzeit würde die Formel
für die Fallzeit lauten
um die umständliche Berechnung der Quadratwurzel zu umgehen,wird die ganze Gleichung
ins Quadrat erhoben.Damit lautet sie 2 2, 3 4 t2 - 3 tl
Beim Beginn
des Falles bis zum Verlassen des nächsten Sensors wird alle 300 Micro-Sekunden ein
neuer Wert 2 3 tl errechnetOEine Zeiteinheit entspricht also immer 300 Micro-Sekunden.Ab
diesem Zeitpunkt bis zum Verlassen des darauFfolgenden Sensors wird alle 300 Micro-Selunden
2 2 ein neuer Wert 4 t2² - 3 t1² errechnet Nachdem der 2.
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Sensor passiert ist,liegt also spätestens nach 300 Micro-Sekunden
der exakte Wert des Zeitpunktes(im Quadrat)vor, zu dem der Hammer auf das Gesenk
auftrifft.Zu Beginn des Falles wird gleichzeitig alle 300 Nicro-Sekunden die Anzahl
der Zeiteinheiten aufsummiert ursd ins Quadrat erhoben.
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(t3 )Nach Passieren des 20Sensors wird nur noch der Wert t32 weitergezählt
und velnglichen,wann er mit dem schon er-2 2 rechneten Wert 4 t2 - 3 tl übereinstimmt.Im
Zeitpunkt der Übereinstimmung hat der Hammer auch tatsächlich das Gesenk erreicht.
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Nun muss noch die Totzeit berücksichtigt werden.Das wurde 2 .2 so
erreicht,dass der Zeitzähler t3 um de Totzeit vorgeladen wird.Somit wird die Gleichungsbedingung
2 2 2 t3 = 4 t2 - 3 tl um die Totzeit früher erreicht und der Hammer wird nach dem
Auftreffen auf das Gesenk sofort hochgezogen. (Figur 4) Die beschriebene Lösung
des Riemenfallhammer-Steuerproblems nach der vorliegenden Erfindung kann noch ergänzt
werden durch zusätzliche steuernde oder überwachende Funitionen, wie diese in den
Patentunteransprüchen angeführt sind.