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Autarke hydraulische Spannsysteme für Autonome Produktionszellen

Kontext

Hydraulisch betätigte Werkstück-Spannsysteme haben sich in modernen Bearbeitungszentren etabliert. Typisches Merkmal heutiger Systeme ist die vorrichtungsexterne Versorgung und Steuerung der Spannstellen im System. Die Anbindung der einzelnen Spannzylinder erfolgt in der Regel über Rohre, Schläuche oder Kupplungssysteme. Diese weisen jedoch Nachteile hinsichtlich der Flexibilität, der Leckage und Systementlüftung bei Umrüstvorgängen auf.

Ziele

Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 368 "Autonome Produktions-zelle" werden hydraulische Spannsysteme für die Fräs- und die Laserbearbeitung entwickelt.

SFB 368
Bild 1: SFB 368

Die Anforderungen, die sich aus diesen beiden Gebieten für die Spann-technik ergeben, sind sehr unterschiedlich. Aus diesem Grund werden getrennt voneinander sowohl für die Fräsbearbeitung von Halbzeugen als auch für die Laserbearbeitung von Blechen Spannsysteme entwickelt.

Für die Fräsbearbeitung werden autarke Spannsysteme, die alle benötigten hydraulischen Komponenten einschließlich des Elektromotors beinhalten, entwickelt. Weiterhin soll die zur Druckregelung benötigte Elektronik sowie eine geeignete Energieversorgung in die Systeme integriert werden, so dass die Systeme energetisch autark sind und die Datenübertragung zwi-schen dem Bearbeitungszentrum und dem Spannsystem auf ein Minimum reduziert werden kann.

Für die Blechbearbeitung werden Spannsysteme entwickelt, die möglichst flexibel verschiedenen Geometrien von dreidimensional ausgeformten Blechen angepasst werden können. Die Einrichtung dieser Systeme soll vollständig automatisiert werden, so dass anhand eines CAD-Files der Blechkontur, die Spannvorrichtung automatisch eingestellt werden kann.

Ergebnisse

Für die Fräsbearbeitung wurden verschiedene Prototypen sowie einige dafür benötigte Komponenten entwickelt.

Autarkes hydraulisches Spannsystem mit integrierter Spannungsversorgung
Bild 2: Autarkes hydraulisches Spannsystem mit integrierter Spannungsversorgung

Mit dem Konzept der integrierten Versorgung (power-by-wire) ist ein Schritt in Richtung Automatisierung und Flexibilisierung der Spanntechnik für die Fräsbearbeitung gemacht worden. Die aufgebauten autarken hydraulischen Spannsysteme verfügen über eine integrierte hydraulische Druckversogung einschließlich des Elektromotors sowie die für automatische Spannzyklen mit Druckregelung benötigte Schaltungstechnik. Weiterhin wurden für die Energieversorgung NiMH-Akkumulatoren integriert, die einen energetisch autarken Betrieb im Bearbeitungszentrum ermöglichen. Die Integration der Elektronik einschließlich eines Micro-Controllers erfolgt zur Zeit. Dies macht hydraulische Schnittstellen gänzlich überflüssig.

Besondere Aufmerksamkeit wurde der Miniaturisierung der Systeme gewidmet, da diese direkt im Arbeitsbereich der Maschine eingesetzt werden. Wesentliches Ziel war dabei u.a. die Minimierung der benötigten Antriebsleistung, da elektrische Antriebe in Relation zu hydraulischen vergleichsweise groß bauen. Aus diesem Grund wurde der Spannzyklus in zwei Phasen unter-teilt. In der ersten Phase fahren die Spannzylinder schnell aus, wobei nur die Reibungskräfte überwunden werden müssen. In der zweiten Phase wird der Spanndruck (max. 500 bar) aufgebaut, hierzu wird jedoch nur der relativ geringe Kompressionsvolumenstrom benötigt. Der Volumenstrom und der Druck erreichen systembedingt somit nie gleichzeitig ihr Maximum und das Produkt aus Volumenstrom und Druck, also die hydraulische Leistung, kann somit gering gehalten werden. Dieses Zwei-Stufen-Konzept wurde auf unterschiedliche Weise umgesetzt. Während ein System mit einer Kombi-nation aus Zahnradpumpe und Druckübersetzer arbeitet, verfügt das ande-re über eine spezielle Pumpenkonstruktion, die eine Bedarfsanpassung des Volumenstroms ermöglicht. Zur Spannkraftregelung werden in einem System Piezo-Schaltventile eingesetzt, die pulsweitenmoduliert betrieben werden und in dem anderen System kommt ein piezobetätigtes Proportional-Drosselventil zum Einsatz.

Druck-Signal-Funktion des Drosselventils
Bild 3: Druck-Signal-Funktion des Drosselventils
Im Block des Spannsystems integriertes Piezo-Proportional-Drosselventil
Bild 4: Im Block des Spannsystems integriertes Piezo-Proportional-Drosselventil

Dieses Ventil zeichnet sich neben einem sehr kleinen Bauraum durch eine extrem hohe Dynamik aus. Die -3 dB Frequenz liegt bei ca. 600 Hz. Eine weitere Besonderheit ist der bemerkenswert flache Verlauf der Drucksignal-kennlinie. Der nahezu proportionale Zusammenhang zwischen dem Steuer-signal und dem Druck ermöglicht eine sehr gute Auflösung im Drucksignalbereich. Für eine gute Druckregelung in hydraulischen Systemen, insbesondere in miniaturhydraulischen Systemen, die sich durch sehr kleine Kapazitäten auszeichnen, ist neben hochdynamischen Stellgliedern eine optimale Ausle-gung der Reglerparameter notwendig. Aus diesem Grund wurde mit der Si-mulationssoftware DSHplus ein Modell des Spannsystems gebildet, das mit dem realen System abgeglichen wurde. Nachfolgend konnten mit dem Optimierungsverfahren nach Hooke und Jeves die optimalem Werte für den eingesetzten PIDT1 Regler gefunden werden.

Simulationsergebnis für die Reglerparameter Kp und Ki mittels des Optimierungsverfahrens nach Hooke 
      			  und Jeves
Bild 5: Druck-Signal-Funktion des Drosselventils
Sprungantwort des realen Systems im Vergleich zum simulierten System
Bild 6: Sprungantwort des realen Systems im Vergleich zum simulierten System

Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt zukünftig auf der Entwicklung von Spannsystemen für die Blechbearbeitung mit Lasern.

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