DE3425221C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zum kraft- und lageabhängigen Steuern eines bewegbaren Werkzeuges einer Materialbearbeitungsmaschine, z. B. einer hydraulischen Pul­ verpresse, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebe­ nen Art (DE-OS 30 38 436).

Ein bevorzugtes, aber nicht ausschließliches Anwendungsge­ biet der Erfindung ist eine hydraulische Presse zum Pressen von z. B. Hartmetallpulver. Bei einer solchen Presse kann das Preßwerkzeug entweder im Sinne einer Kraftsteuerung, bei der die Preßkraft die steuernde und freiwählbare Größe ist, oder im Sinne einer Lagesteuerung, bei der die Posi­ tion des Preßwerkzeuges die steuernde und freiwählbare Va­ riable ist, geregelt werden. Für den Schutz des Werkzeuges muß während des Preßvorganges eine Überwachung der Lage und der Kraft erfolgen. Für die Qualitätskontrolle und Sortie­ rung wird bei lagegesteuerter Pressung die erreichte End­ kraft und bei kraftgesteuerter Pressung die erreichte End­ position erfaßt und registriert. Die Steuerung kann mit Hilfe eines oder mehrerer Mikroprozessoren erfolgen, von denen jeder einen elektrohydraulischen Servokreis mit Ser­ voventil und zugehörigem Antriebsorgan (Hydraulikzylinder) steuert.

Aus DE-OS 30 38 436 ist ein Verfahren zur Regelung eines Positionierkreises für Manipulatoren bekannt, bei dem die Positionsführungsgröße (Positionssollwert) in Abhängigkeit sowohl vom Positions-Istwert des zu steuernden Antriebsmit­ tels als auch von dem Istwert der an ihm wirkenden Kraft erzeugt wird. Durch eine solche sowohl positions- als auch kraftabhängige Positionssteuerung kann dem Positionierkreis die Charakteristik einer überlagerten Federkonstante gege­ ben werden. Ein Kraftsollwert ist mit diesem bekannten Ver­ fahren aber nicht vorgebbar, und deshalb ist dieses be­ kannte Verfahren zur Steuerung z. B. einer Pulverpresse nicht geeignet. Aus DE-OS 30 39 129 ist eine rein lageab­ hängig arbeitende Regeleinrichtung für einen hydraulischen Stellzylinderantrieb bekannt, die prinzipiell auch für das rein lageabhängige Regeln einer Presse verwendet werden könnte, aber keine Möglichkeit zur Berücksichtigung der Preßkraft bietet.

Bei einer Hydraulikpresse können die Materialeigenschaften des Werkstoffs die erforderlichen Preßkräfte und der ge­ wünschte Preßverlauf in sehr weiten Grenzen variieren, wo­ bei gleichzeitig möglichst kleine Preßzeiten angestrebt werden. Mit den bisher bekannten Regeleinrichtungen können diese Forderungen noch nicht optimal erfüllt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine bevorzugt, aber nicht ausschließlich für hydraulische Pulverpressen geeignete Regeleinrichtung anzugeben, die eine Steuerung sowohl der Position des Werkzeugs als auch der von ihm aus­ geübten Kraft ermöglicht, ohne daß diese kombinierte lage­ und kraftabhängige Regelung zu einer Verlängerung der Ar­ beitszeit des Werkzeuges, insbesondere der Preßzeit der Presse führt.

Die erfindungsgemäße Lösung diser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß wird der Kraftregelkreis erst bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Werkzeugs eingeschaltet und ist daher nur in der Schlußphase, z. B. eines Preßvorganges, wirksam. Dadurch kann der Hauptteil des Preßvorganges in gewohnter Weise rein positionsabhängig gesteuert ablaufen. In der Schlußphase wird eine wirksame Kraftbegrenzung er­ reicht, ohne daß die gesamte Preßzeit wesentlich verlängert wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Prinzipskizze einer hydraulischen Pulverpresse mit Form und Stempel sowie ein zugehöriges Bewegungsdiagramm;

Fig. 2 zeigt einen Regelkreis mit Hauptservoschleife für die lageabhängige Steuerung der Form der Pulverpresse;

Fig. 3 zeigt einen Regelkreis gemäß der Erfindung für die kombinierte kraft- und lageabhängige Steuerung des Stempels der Pulverpresse.

Eine hydraulische Pulverpresse, deren Prinzipaufbau in Fig. 1a gezeigt, wird besteht aus einem Stativ 1, einer Form 2 (Formwerkzeug oder Matrize), einem Stempel 3 und zugehörigen Antriebsmitteln in Form von Hydraulik­ zylinder 4, 5 zum Positionieren der Form und des Stem­ pels. Hinzu kommen Einrichtungen für die Materialzufüh­ rung und Dosierung beim Befüllen mit Pulver sowie eine Auswerf- oder Entnahmeeinrichtung zum Entnehmen der fertiggepreßten Werkstücke.

Während eines Preßzyklus wird die Form 2 zuerst in eine genau bestimmte Lage für das Einfüllen des Pulvers bewegt. Nach dem Befüllen wird der Stempel 3 schnell nach unten in eine Ausgangslage für die Pressung geführt, wonach die Pressung bis zum Erreichen einer genau be­ stimmten Endlage oder einer genau bestimmten Endkraft erfolgt. Während des Preßvorgangs sollen die Verschie­ bungen von Stempel und Form mit veränderbaren und auf­ einander abgestimmten Geschwindigkeiten erfolgen. In der Endlage kann außerdem eine bestimmte Haltezeit mit auf­ rechterhaltener Preßkraft erforderlich sein, wonach die Preßkraft gemäß einer veränderbaren Zeitfunktion bis auf eine Haltekraft reduziert werden kann (vgl. das Bewegungs­ diagramm in Fig. 1b). Nach dem vorstehend beschriebenen Preßvorgang wird die Form 2 nach unten bewegt, so daß das fertiggepreßte Werkstück freiliegt und aus der Presse entnommen werden kann. Nach dem Entnehmen geht der Stempel 3 schnell nach oben in seine obere Lage, und die Form 2 geht in die Befüllungsposition, wonach ein neuer Preßzyklus beginnt.

Der Preßvorgang wird gesteuert durch ein Regelsystem, welches einen Regelkreis für die Pressenform und einen Regelkreis für den Stempel umfaßt. Fig. 2 zeigt einen an sich bekannten elektrohydraulischen Regelkreis zum Regeln der Lage der Pressenform 2. Zur Erzielung einer schnellen und genauen Lageregelung der Form ist das Stellorgan in dem Kreis als Hydraulikzylinder 4 ausgebildet, der über eine Kolbenstange 6 die Lage der Pressenform 2 steuert. Der Regelkreis umfaßt weiter ein Wandlerorgan in Form eines durchflußsteuernden Servoventils 7, welches das elektrische Steuersignal in eine hydraulische Größe in Form der Ölzufuhr q zum Hydraulikzylinder 4 umwandelt.

Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Sollwertfunktion x (t) des Regelkreises in einem mit Mikroprozessor arbeitenden Datengeber 8 erzeugt. Da eine hohe Genauigkeit erforder­ lich ist (im vorliegenden Fall 0,05 °/oo) wird der Ist­ wert y (t) digital mittels eines linearen inkrementalen Positionsgebers 9 gemessen. Das am Summierungspunkt 10 digital gebildete Abweichungssignal e=x-y wird in einem D/A-Wandler 11 in analoge Form umgewandelt und steuert über einen PI-Regler 12 (proportional-integrale Regelung) den Strom i zum Servoventil 7.

Solange die Kräfte auf die Kolbenstange 6 nur mäßig schwanken ist die Druckmittelzufuhr q zum Hydraulikzy­ linder und damit die Geschwindigkeit der Kolbenstange proportional zum Steuerstrom i im Frequenzbereich von 0 bis ca. 100 Hz. Dies ermöglicht eine große Band­ breite der Reglerschleife und damit eine große Genauig­ keit und Schnelligkeit. Die einzelnen Komponenten des Regelkreises in Fig. 2 sind im übrigen in der Regeltech­ nik wohlbekannt und werden deshalb nicht näher beschrieben.

Das Reglersystem umfaßt ferner einen Regelkreis zum Steuern des Stempels 3. In den Phasen der Aufwärts- und Abwärtsbewegung sowie in der Anfangsphase des Preßvor­ gangs wird der Stempel 3 lagegeregelt, und die Kräfte an der Kolbenstange ändern sich nur mäßig. In diesen Pha­ sen kann hierfür ein gleicher Regelkreis wie für die Pressenform 2 gemäß Fig. 2 angewendet werden. In der Endphase des Preßvorgangs wachsen jedoch die Kolben­ kräfte dramatisch an und der Zusammenhang zwischen der Kolbenstellung und dem Ventilsteuerstrom i ändert völlig seinen Charakter. Erfindungsgemäß wird deshalb die be­ schriebene Hauptservoschleife ergänzt durch einen zu­ sätzlichen Regelkreis zum Erreichen der erforderlichen Genauigkeit der Lageregulierung des Stempels 3 und zum Erzielen der erforderlichen Kraftregelung, und zwar ge­ mäß Fig. 3.

Ebenso wie die Hauptservoschleife nach Fig. 2 umfaßt der Regelkreis für den Stempel 3 einen D/A-Wandler 11′, der die Abweichungssignale e zwischen dem Sollwert x (t) und dem Istwert y (t) in analoge Form umwandelt. Das Analogsignal e₁ steuert über P- und I-Regler 12′,12′′ den Steuerstrom zum Servoventil 7′. Das Servoventil 7′ wan­ delt das elektrische Steuersignal i in eine hydraulische Größe in Form der Druckmittelzufuhr q zum Hydraulikzy­ linder 5 für den Stempel um, dessen Kolbenstange 6′ die Position des Stempels 3 steuert. Der Sollwert x (t) wird in einem mit Mikroprozessor arbeitenden Datengeber 8′ erzeugt, und der Istwert y (t) wird digital mittels eines linearen inkrementalen Positionsgebers 9′ gemessen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich umfaßt der Regelkreis außerdem eine Servoschleife mit einem Kraftgeber 13 zum Bestimmen der Kraft, die auf den Stempel 3 wirkt und einen PD-Regler 14 (Proportional- und Ableitungsfunktion) zur Signalverarbeitung des Abweichungs- oder Fehlersignals zwischen dem Soll- und Istwert der Kraft.

Zum Optimieren der Lageregelung in der Endphase eines Preßvorgangs im Hinblick auf die Materialeigenschaften und Preßkräfte umfaßt der Regelkreis außerdem einen zu­ sätzlichen D/A-Wandler 15 zum Umwandeln des Abweichungs­ signals e in eine Position, Funktionsumschalter S1, S2, S3 und S4, die in verschiedenen Phasen während des Preß­ vorganges eingreifen, sowie Eingänge für Kraftsollwerte F ,F_M sowie eine Zeitfunktion T_M. Ein Integrator 16 mit zwei Multiplikatoren 17, 18, deren Funktion unten be­ schrieben wird, sind ebenfalls in dem Kreis enthalten. Auch diese Komponenten sind an und für sich bekannt und werden deshalb nicht näher beschrieben. Die Multiplika­ toren 17, 18 können z. B. als multiplizierende Potentio­ meter (umschaltbare Widerstandsnetze) oder als elektro­ nische Spannungsmultiplikatoren ausgeführt sein. Die Funktionsumschalter S1-S4 können mechanische Zungenschal­ ter, datengesteuerte elektronische Schalter oder Relais sein. Der Integrator 17 kann als RC-gekoppelter Operations­ verstärker oder als digitales Register ausgebildet sein.

Der erfindungsgemäße Regelkreis arbeitet in folgender Weise. Wenn der Stempel 3 einen im Datenprogramm vor­ gegebenen Abstand von der Endposition erreicht, erfolgt eine Umschaltung von der lageabhängigen Regelung auf kraftabhängige Regelung, in dem der Schalter S1 durch den Datengeber 8′ in die Lage 2 eingestellt wird. Von diesem Zeitpunkt an wird das Signal a zum I-Regler 12′′ auf dem Wert 0 gehalten durch Rückkopplung des Signals zum Integrator 16. Gleichzeitig mit der Umschaltung wird das Signal F_Soll durch Rückkopplung des Signals a auf den gleichen Wert wie das Signal F_Ist vom Kraftgeber 13 gezwungen, wodurch ein störungsfreier Übergang zur kraft­ abhängigen Steuerung erfolgt.

Da der Schalter S1 die Lage 2 einnimmt, wird das Ist­ signal F_Ist vom Kraftgeber 13 dem Signal F_Soll mittels der folgenden Regelschleife folgen: PD-Regler 14, I-Reg­ ler 12′′, Servoventil 7′, Hydraulikzylinder 5 und Kraft­ geber 13. Die den P-Regler 12′ enthaltende Hauptschleife wird gleichzeitig aufgrund der starken Kraftzunahme de­ generieren.

Der Schalter S3 ist voraus in die Lage 1 oder 2 ein­ gestellt, je nachdem, ob die Pressung bis zu einer End­ kraft oder bis zu einer Endposition erfolgt. Bei in Lage 1 befindlichem Schalter S3 wird das Signal F_Soll so gesteuert, daß es durch Gegenkopplung über den Integrator 16 den Endkraftwert F_P annimmt. Der Übergang auf F_p erfolgt mit einer Zeitfunktion, die sich bestimmt über den Gegen­ kopplungsgrad über den Integrator 16. Bei in Stellung 2 befindlichem Schalter S3 wird F_Soll von einem durch den Integrator 16 integrierten Lageabweichungssignal e2 ge­ steuert. Hierdurch wird eine über den Kraftregelkreis geschlossene äußere Lageregelschleife gebildet. Wenn die richtige Lage erreicht ist, erhält man hierdurch ein verfügbares Signal, so daß die Ausgangskraft für die erwähnte Beibehaltung der Endkraft oder für das Heruntersteuern der Kraft ausgeführt werden kann.

Zum Optimieren der Genauigkeit wird ein Multiplika­ tor 17 verwendet, mit dessen Hilfe die Verstärkung in der Lageregelschleife kompensiert wird bezüglich des Einflusses, den das Material auf den Zusammenhang zwi­ schen dem Ventilsteuerstrom i und der Position y hat (große Preßkraft ergibt einen kleinen Quotienten y/i). Der Umschalter S4 wird vorab entsprechend dem jeweili­ gen Werkstoff eingestellt.

Wenn der eingestellte Wert der Endlage oder der End­ kraft erreicht ist und die erwähnte Haltezeit abgelaufen ist, wird ein Signal abgegeben, welches den Schalter S2 in die Stellung 2 bringt. Der Wert F_Soll wird dann bis auf die Haltekraft F_M reduziert durch Rückkopplung des Integrators 16 über den Multiplikator 18. Die Zeitfunk­ tion des Überganges von F_Soll von der Endpreßkraft F_S auf die Haltekraft F_M wird bestimmt durch den Multipli­ kator 17. Wenn die Haltekraft erreicht ist und das fertiggepreßte Werkstück vom Auswerfer abgenommen wird, wird der Stempel mittels der Grundschleife für die Lage­ regelung nach oben bis in seine obere Stellung gesteuert. Gleichzeitig gehen die Schalter S1 und S2 wieder in die Position 1, womit ein neuer Pressenzyklus beginnt.

Claims (7)

1. Regeleinrichtung zum kraft- und lageabhängigen Steuern eines bewegbaren Werkzeuges einer Materialbearbeitungs­ maschine, z. B. einer hydraulischen Pulverpresse, mit einem Positionsregelkreis zur Lageeinstellung und einem zusätz­ lichen Kraftregelkreis, der einen Kraftgeber zum Erfassen der auf das Werkzeug wirkenden Kraft aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine positionsabhängige Schalteinrichtung (S1) vorgesehen ist, die das Einschalten des Kraftregelkreises (3, 4) bei Erreichen einer vorgegebe­ nen Position des Werkzeuges bewirkt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelkreise auf ein durchfluß­ steuerndes Servoventil (7, 7′) eines elektrohydraulischen Stellantriebes (4, 5) des Werkzeuges einwirken.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftregelkreis außer dem Kraft­ geber (13) einen PD-Regler (14) für die Signalverarbeitung eines Differenzsignales zwischen dem Soll- und Istwert (F_Soll-F_Ist) der Kraft aufweist, und daß beide Regel­ kreise gemeinsam einen I-Regler (12′′), ein Servoventil (7) sowie den hydraulischen Stellantrieb (5) aufweisen.

4. Regeleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sollwert (F_Soll) der Kraft über einen Integrator (16) so steuerbar ist, daß in einer be­ stimmten Lage während des Preßvorganges, z. B. in der Schlußphase, die Kraft auf einem bestimmten Wert gehalten wird.

5. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Integrator (16) so einschaltbar ist, daß der Sollwert (F_Soll) der Kraft beim Zuschalten des Kraftregelkreises gleich dem vom Kraftgeber (13) gemessenen Istwert der Kraft (F_Ist) ist und daß danach der Integrator umschaltbar ist mittels eines Kraftsollwertes (F_Soll), der mit dem eingestellten Schließkraftwert (F_P) übereinstimmt, oder mittels desjenigen Kraftsollwertes (F_Soll), der erfor­ derlich ist, damit das Werkzeug (3) eine eingestellte End­ lage einnimmt.

6. Regeleinrichtung nach Anspruch 5, gekenn­ zeichnet durch eine zusätzliche Servoschleife für die Lageregelung, in der über einen die digitalen Lageab­ weichungssignale (e) im Positionsregelkreis umwandelnden D/A-Wandler (15) einen Multiplikator (17) zur Verstärkungs­ einstellung und den Integrator (16) ein auf den Lageabwei­ chungssignalen beruhender Kraftsollwert (F_Soll) erzeugbar ist.

7. Regeleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Integrator (16) dann, wenn einge­ stellte Werte für die Endlage oder die Endkraft (F_P) er­ reicht sind und eine bestimmte Haltezeit verstrichen ist, derart einschaltbar ist, daß der Sollwert (F_Soll) der Kraft gemäß einer einstellbaren Zeitabhängigkeit (T_M) auf eine einstellbare Haltekraft (F_M) herabgesetzt wird.