Aufbau eines adaptiven Regelungssystems für das Einlippenbohren. Dipl.-Ing. Guido Wirtz Robert Seidner Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

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1 Aufbau eines adaptiven Regelungssystems für das Einlippenbohren Dipl.-Ing. Guido Wirtz Robert Seidner Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

2 Produktionstechnik am Standort Aachen RWTH Aachen gegründet Studierende Fakultät für Maschinenwesen 6700 Studierende (davon 1400 Studienanfänger) 50 Professoren 2200 Mitarbeiter 170 Promotionen/Jahr Werkzeugmaschinenlabor WZL Institut der RWTH Aachen 1906 gegründet 570 Mitarbeiter m² Bürofläche und Labore

3 Unsere Arbeitsschwerpunkte Prozesstechnologie Spanendeund abtragende Fertigungsverfahren Lasermaterialbearbeitung Umformtechnik CAD/CAM-Technologien Werkzeug- und Präzisionsmaschinen Komponenten-und Maschinenentwicklung Steuerungs-und Automatisierungstechnik Bauteil-und Maschinenuntersuchung Montagetechnik Montagesystemtechnik und Anlagenplanung Roboter und Handhabungstechnologien Toleranzmanagement Messtechnik Taktile Messtechnik Optische Messtechnik Getriebetechnik Zahnradfertigung Getriebeberechnung und -untersuchung Management Unternehmensentwicklung Technologiemanagement Innovationsmanagement Produktionsmanagement Qualitätsmanagement Aus- und Weiterbildung Berufliche Weiterbildung Executive MBA für Technologiemanager Tagungen, Kongresse, Seminare

4 Fertigungsverfahren und Prozesstechnologie Grundlagen der Fertigungsprozesse Zerspanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Zerspanenmit geometrisch unbestimmten Schneiden Abtragende Verfahren Umformende Verfahren Materialbearbeitung mit Laserstrahlung Zahnradfertigung Präzisions- und Ultrapräzisionsverfahren Prozess- und Produktüberwachung CAD/CAM-Technologien, Prozesssimulation, Methoden und Werkzeuge für die Technologieplanung, Produkt- und Produktionsgestaltung

5 Herausforderungen für die Tiefbohrtechnik im Motorenbau Anwendungen Schmierölversorgung von Lagern an Kurbelwellen Öl- und Kühlwasserversorgung im Motorblock Ventilführung im Zylinderkopf Technologische Herausforderungen Bohrungsverschneidungen Schräger Anschnitt und Bohreraustritt Härtegradienten (Schmiedeteile) Gussfehler Werkstoffverbund Aluminium-/Stahlguss Wirtschaftliche Herausforderungen Hohe Produktivität Zuverlässiger Bearbeitungsprozess

6 Anwendungsbeispiel Dieseldirekteinspritzsysteme Fertigung von Injektordüsen Anforderungen an die Technologie Kleinste Werkzeugdurchmesser (0,6 2 mm) Großes Aspektverhältnis Bohrungsverschneidungen Höchste Produktivität Hohe Prozesssicherheit Die filigranen Werkzeuge unterliegen stark wechselnden Beanspruchungen und werden an ihrer Belastungsgrenze betrieben

7 Der Einlippenbohrprozess Bohrkopf Sicke Spänekasten Verschluss Spannhülse Tiefbohröl Anbohrbuchse Werkstück Späne-Öl-Gemisch Dichtscheibe Lünette Durchmesser: 0,6 2 mm Werkzeuglänge: mm Drehzahl: min -1 Vorschub: mm/min KSS Druck: bar KSS Durchfluss: 0,2 3 l/min

8 Adaptives Regelungssystems für das Einlippenbohren Systemanforderungen und Abgrenzung Aufbau und Konzept des Regelkreises Konzept der adaptiven Regelung Maßnahmen zur Verbesserung der Maschinendynamik Online-Identifikation und Reglerparameterzuweisung Bedienoberfläche Experimenteller Aufbau zum Test des Systems Vorteile beim Einsatz des Systems Aktuelle Arbeitspunkte und Ausblick

9 Systemanforderungen und Abgrenzung Aufgaben adaptiver Regelungssysteme an Tiefbohrmaschinen nach H.G. Rohs: Vermeidung von Werkzeugbruch Verkürzung der Hauptzeit Überwachung der Spanform Vermeidung von Ratterschwingungen Abstimmen der Standlänge Erweiterte Funktionalitäten: Prozessstabilität beim Eintritt der Führungsleisten an Härtegradienten an Materialübergängen Kompensation von Werkzeugverschleiß Nebenzeitreduktion Abgrenzung der eigenen Entwicklung zu bestehenden Systemen: Ø< 2 mm Online-Identifikation während des laufenden Prozesses Modellbasierte Reglerparameterzuweisung

10 Aufbau und Konzept des Regelkreises TBT ML 200 Werkzeugbelastung v f x = Fz Bit NCU- Analogmodule Messsystem, Kistler 9257B Adaptive Regelung u e - w

11 Konzept der adaptiven Regelung Funktion: Identifikation der Regelstrecke am offenen Regelkreis Zuweisung von Reglerparametern, basierend auf aktuellem Streckenverhalten

12 Maßnahmen zur Verbesserung der Maschinendynamik Einflussgrößen Systemgrundtakt Interpolationsfaktor Achsbeschleunigung K v Faktor

13 Online-Identifikation und Reglerparameterzuweisung Zuweisung optimaler Reglerparameter durch Online-Identifikation des Regelstreckenverhaltens PT1 Regelstreckenmodell Veränderungen technologisch hervorgerufen durch Eintritt der Führungsleisten Materialübergänge Härtegradienten Werkzeugverschleiß

14 Optimierung der Stimulationssequenz Dilemma zwischen Modellqualität und Prozessstörung - Eine gute Regelstreckenidentifikation setzt ein gutes SNR voraus. Die Regelstreckenstimulation (Prozessstörung) muss einen gewissen Mindestbetrag aufweisen. -Die Sprungantwort muss näherungsweise ihren stationären Endwert annehmen. Die Regelstreckenstimulation (Prozessstörung) muss eine gewisse Mindestdauer anhalten. Stimulationsamplitude ( ) Modellqualität ( ) Prozessstörung ( ) Stimulationsdauer ( )

15 Optimierung des Stimulationsbetrags Axial Force [N] Amplification factor Axial Force [N] NI DIAdem S tudent Edition9 Model Time [s] Time [s] Fehlgeschlagene Identifikationen Eine Stimulationsamplitude von v f >16 mm/min wird für eine einwandfreie Identifikation benötigt: Stimulationsbetrag Δv f = 20 mm/min: 100% der Identifikationen erfolgen korrekt Amplification factor Time [s] Model Vorausgehende Parameter werden beibehalten Time [s] Stimulationsbetrag Δv f = 10 mm/min: nur 56% der Identifikationen erfolgen korrekt

16 Optimierung der Stimulationsdauer Amplification factor Axial Force [N] Amplification factor Axial Force [N] NI DIAdem S tudent Edition9 Model Time [s] Time [s] Time [s] Model Fehlgeschlagene Identifikationen Vorausgehende Parameter werden beibehalten Fehlgeschlagene Identifikationen Vorausgehende Parameter werden beibehalten Time [s] Eine Stimulationsdauer von t> 0.2 wird für eine einwandfreie Identifikation benötigt: Stimulationsdauer Δt= 0.2 s: 80% der Identifikationen erfolgen korrekt Stimulationsdauer Δt= 0.1s: nur 18% der Identifikationen erfolgen korrekt

17 Bedienoberfläche Speicherpfad Messprotokoll Aufnahmekanäle Regelgröße Stellgröße Visualisierung der Aufnahmekanäle Parameter Regler Strecke Kraftniveau Führungsgröße Stimulationsbetrag Stimulationsdauer

18 Programmstruktur Modularer Aufbau Erzeuger-Verbraucher- Konzept Datenaustausch mit Warteschlangen/ Benachrichtigungen Multithreadingmit unterschiedlichen Prioritäten

19 Experimenteller Aufbau zum Test des Systems

20 Vorteile beim Einsatz des Systems a) Konstante Kraft: 31N b) Konstante Vorschubgeschwindigkeit: 70 mm/min Anwendervorteile Hohe Hauptzeitersparnis (38%) bei gleicher mittlerer Werkzeugbelastung Nebenzeitreduktiondurch schnelle Anfahrbewegung bis zum Anschnitt (160 mm/min vs. 70 mm/min)

21 Vorteile beim Einsatz des Systems Anwendervorteile Hohe Sicherheit gegen Werkzeugbruch Rücknahme der Vorschubgeschwindigkeit infolge Spänestau Freispülen Fortsetzung des Zerspanprozessesnach Auflösung des Spänestaus

22 Aktuelle Arbeitspunkte und Ausblick 1. Durchführung der Identifikationssequenz in Abhängigkeit von der Regelgüte (Anschwingzeit, Überschwingweite, Quadratische Regelfläche) 2. Weitere Optimierung der Reglerparameterzuweisung (Offline- Simulationstool zur Herleitung einer individuellen Einstellheuristik) 3. Auftrennung der aktuell komplett unter Windows arbeitenden Funktionalitäten in ein Echtzeitsystem für den geschlossenen Regelkreis und einen Windows basierten Steuerrechner Modellparameter Steuerrechner Parameterzuweisung Echtzeitsystem Controller parameters w - Regler y Maschine Regelstrecken -identifikation Messsystem x

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Guido Wirtz Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren Steinbachstr. 19 D Aachen Web: G.Wirtz@wzl.rwth-aachen.de