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O+P Fluidtechnik 3/2017

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SIMULATION

SIMULATION MODELLBASIERTE REGELVERFAHREN UND GANZHEITLICHES INSTANDHAL- TUNGSMANAGEMENT IM DRUCKGUSS Christian Gummich Im Rahmen der Globalisierung und dem hierdurch entstehenden internationalen Wettbewerbsdruck sind komplexe, hochautomatisierte Fertigungen häufig der Schlüssel zu einer konkurrenzfähigen Produktion. Die Anforderungen an die eingesetzten Produktionsmaschinen bezüglich Verfügbarkeit und Effizienz steigen deshalb stetig. Das Anstreben einer erfolgreichen Wettbewerbsposition erfordert in diesem Zusammenhang vor allem eines: innovative Lösungsansätze. Simulationsmodelle eröffnen neue Möglichkeiten für Industrie 4.0. FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 01 Exemplarischer Aufbau einer Druckgießmaschine 44 O+P Fluidtechnik 3/2017

SIMULATION Nicht nur die Betrachtung einzelner Maschinenteile, sondern vielmehr die Virtualisierung und Vernetzung des Gesamtsystems und somit die Entwicklung eines cyber physical systems sind Trends des digitalen Zeitalters. Die Zunahme der Komplexität der Anlagen sowie die Forderung nach einer Minimierung der Kosten für Wartung, Inbetriebnahme und Mitarbeiter-Ressourcen erfordern zunehmend den Einsatz softwaregesteuerter Fehlervorhersagen (Predictive Maintenance), computerbasierter Inbetriebnahme-Unterstützungen und prozessoptimierender Regelstrategien. Die aktuelle Entwicklung der Industrie 4.0 eröffnet auch den Ansätzen der modellbasierten Regel- und Instandhaltungsaufgaben in der Elektrohydraulik neue Möglichkeiten. Die Elektrohydraulik, ein interdisziplinäres Projekt der Regelungs- und Elektrotechnik sowie der Hydraulik, gehört im Maschinen- und Anlagenbau zu den modernsten und leistungsfähigsten Antriebssystemen für die Linear- und Drehbewegung. Sie überzeugt neben einer hohen Kraftdichte insbesondere auch durch die ihre Dynamik, die sie dank hoch entwickelter Ventiltechnik mit schnellen Sprungantwortzeiten erreicht. Darüber hinaus hat die Weiterentwicklung modernster digitaler Regelelektronik zu einer erfolgreichen Marktposition beigetragen [Gev06]. Ein Anwendungsbereich der Elektrohydraulik, in dem diese Eigenschaften besonders gefordert werden, findet sich im Marktsegment des Druckgießens wieder. EINSTIEG IN DEN DRUCKGIESSPROZESS Der Aluminium- und Magnesium-Druckguss findet besonders im Automobilbau Anwendung und empfiehlt sich dort als Herstellverfahren für diverse Strukturteile. Unterschiedlichste Bauteile – von Getriebegehäusen bis hin zu ganzen Autotüren oder Motorhauben – können auf Druckgießmaschinen (Bild 01) produziert werden. Aufgrund der geforderten Kräfte und der hohen Dynamik werden ausschließlich elektrohydraulisch geregelte Antriebe für die Formschließbewegung sowie das Einpressen des Metalls in die Form verwendet. Besonders die Schussregelung mit Zylindergeschwindigkeiten von über 10 m/s und Beschleunigungen von über 700 m/s² sowie einer Nachsetzkraft größer 2300 kN stellen die elektrohydraulisch geregelten Antriebe vor eine enorme technologische Herausforderung. Hier gilt es, neue innovative Lösungsansätze zu entwickeln und diese an Produktionsmaschinen noch effektiver einzusetzen. Die Regelung des Hydraulikzylinders während des Einspritzvorganges wird in drei Phasen unterteilt und ist trotz einer einfachen Positionsregelung aufgrund der äußerst schnellen Dynamik des Systems komplex. Die entsprechenden Phasen lassen sich folgendermaßen unterteilen: 1. Beschleunigungsphase 2. Einspritzphase 3. Multiplikationsphase Während der Beschleunigungsphase wird der Hydraulikzylinder mit dem sich im Gießkolben befindlichen, flüssigen Aluminium bzw. Magnesium auf eine Geschwindigkeit von rund 1 m/s beschleunigt. Hierbei gilt es, eine Flüssigkeitswelle und hieraus resultierend einen Lufteinschluss im Gießkolben zu vermeiden, da dieser sonst gemeinsam mit dem flüssigen Material in die Form eingespritzt würde. Die Produktion eines Ausschussteils wäre somit unvermeidbar, was einen negativen Einfluss auf die Produktionseffizienz der Maschine hätte. Nach Zurücklegen eines gewissen Hubs wird die zweite Phase aktiviert. Hierbei wird der Hydraulikzylinder auf bis zu 10 m/s beschleunigt und das noch flüssige Metall in die Form gespritzt. Im letzten Schritt erfolgt die Multiplikation und somit ein Nachsetzen des Materials. Hierzu wird ein Multiplikationszylinder aktiviert, der 02 Schematischer Aufbau der Hydraulik einer Druckgießmaschine den Druck im Kolbenraum des Gießzylinders durch Druckübersetzung auf bis zu 500 bar erhöht. Sowohl die Regelung der Zu- und Ablaufventile des Gießzylinders als auch die des Ablaufventils des Multiplikators erfolgen aufgrund der hohen Volumenströme von bis zu 10 000 l/min mit Hilfe von Ventilen in Cartridge-Technik. Ein schematischer, elektrohydraulischer Aufbau mit je einem Proportionalventil im Zu- und Ablauf des Gießzylinders für die Positionsregelung sowie einem Proportionalventil im Ablauf des Multiplikators für die Druckregelung ist in Bild 02 dargestellt. PROBLEMSTELLUNG Ein großes Problem beim Einsatz von linearer Regelungstechnik ist aktuell das nichtlineare Verhalten des servohydraulischen Antriebs sowie das dynamische Zeitverhalten der eingesetzten Ventiltechnik. Nichtlinearitäten werden in realen, servohydraulischen Antrieben unter anderem durch folgende Eigenschaften hervorgerufen: n Nichtlinearität des Druckaufbaus, n Durchflusskennlinie über Ventilhub, n maximale Schiebergeschwindigkeit aufgrund einer Durchflussbegrenzung an der Vorsteuerstufe, n Einfluss des Überdeckungsverhältnisses des Steuerschiebers [Mur01]. Die Regelstrecke im Druckgießen kann als System fünfter Ordnung angesehen werden. Es setzt sich aus dem elektrohydraulischen Stetigventil (PT2-Glied), dem hydraulischen Aktuator (PT2-Glied) und einem Integrator zusammen. Sowohl das elektrohydraulische Stetigventil, als auch der hydraulische Aktuator bilden somit je ein schwingungsfähiges System zweiter Ordnung. Der Wirkungsplan des in Bild 02 dargestellten Hydraulikplans ist in Bild 03 beschrieben. Die Soll-Trajektorie, also die Soll-Position über die Zeit, wird vom sogenannten Sollwertgenerator berechnet. Durch die Eingabe folgender Parameter wird das Profil errechnet: n Zielposition, n Geschwindigkeit, n Beschleunigung / Verzögerung, n Ruck-Beschleunigung / Ruck-Verzögerung. Das Positions-/Geschwindigkeitsprofil eines klassischen Druckgießzykluses (erste und zweite Phase) sowie die Problemidentifikation werden in Bild 04 dargestellt. Zu erkennen ist ein deutlicher Überschwinger der Ist-Geschwindigkeit (unten) in der zweiten Phase. Aufgrund der Dynamik des Prozesses beim Druckgießen und einer Beschleunigung von über 700 m/s² wird während des Über- O+P Fluidtechnik 3/2017 45

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