Testumgebung für Prozessregelungen zum Drei-Rollen-Profilbiegen mit virtuellem und realem Biegeprozess

Abstract

Das Drei-Rollen-Biegen ist ein flexibles Profilbiegeverfahren, bei dem mit einem Rollensatz nicht nur verschiedene Radien sondern häufig auch verschiedene Profilquerschnitte gebogen werden können. Somit sind die Investitionskosten für die Fertigung eines gebogenen Profils im Vergleich zu Profilbiegeverfahren mit formgebenden Werkzeugen gering, und das Drei-Rollen-Biegen eignet sich zur Fertigung kleiner Losgrößen. Da beim Halbzeug zwischen verschiedenen Chargen aber auch in einem Profil entlang der Profillängsachse ungewollte Schwankungen sowohl beim Profilquerschnitt als auch bei den Werkstoffeigenschaften auftreten, ist fr eine effiziente Fertigung der Einsatz einer Prozessregelung notwendig. Um die Untersuchung von Prozessregelungen für das Drei-Rollen-Biegen kostengünstig und ressourcenschonend durchführen zu können, wurde die Testumgebung Trobec (Three-Roll-Bending Control) entwickelt. Sie ermöglicht die Untersuchung von Prozessregelungen auf Basis eines virtuellen und eines realen Biegeprozesses unter Angabe von Beschreibungen des Profilhalbzeugs, der Profilzielkontur und der Maschinenkinematik und -geometrie. Der virtuelle Biegeprozess bildet den Drei-Rollen-Biegeprozess unter Einsatz des Prozesssimulationssystems PROFI-V2 ab, wobei erforderliche Prozessgrößen wie z.B. die Biegelinie des Profils in der Umformzone und der belastete und entlastete Profilradius berechnet werden. Der virtuelle und der reale Biegeprozess sind in einen Regelkreis eingebunden, bei dem Sensoren Prozessgren aufnehmen und diese nach einer Messgrößenaufbereitung an integrierbare Regler übergeben werden. Der virtuelle Biegeprozess dient der Voruntersuchung von neuen Reglern, wobei Schwankungen der Profileigenschaften spezifizierbar sind. Verschiedene Regler können somit bspw. direkt anhand von Sprungantworten miteinander verglichen und optimiert werden. Im Anschluss an die Optimierung kann innerhalb der Testumgebung Trobec auf den realen Biegeprozess gewechselt werden und die Ergebnisse an einer realen Drei-Rollen-Biegemaschine validiert werden. Zur Untersuchung der Testumgebung Trobec wurden verschiedene Regler integriert, ein Versuchsstand auf Basis einer Drei-Rollen-Biegemaschine ROUNDO R2S spezial der Firma ROUNDO aufgebaut und Sensoren wie ein laserbasierter Krümmungssensor, ein Profileinzugssensor und eine Vorrichtung zur Messung der Kraft an der Mittelrolle eingebunden. Die Testumgebung Trobec reduziert die notwendigen Ressourcen bei dem Aufbau von Prozessregelungen für das Drei-Rollen-Biegen erheblich, da die notwendigen Maschinenzeiten durch die wesentlich geringere Anzahl an Testbiegungen stark reduziert werden.

Three-roll-bending is a flexible manufacturing procedure for bending profiles. With only one roll set different curvatures can be realized and in many cases also different profile cross-sections can be bent. In comparison to profile bending procedures with shape forming like wiper-bending, the investment costs are low at three-roll-bending which makes it suitable for manufacturing profiles with small lot sizes. Nevertheless, unwanted variations in material properties and cross-section along the longitudinal profile axis of one profile and also between profile charges requires the application of process control systems for an efficient profile bending. Due to support the efficient and cost-saving investigation of such process control systems, the test framework Trobec (Three-Roll-Bending Control) was developed. It allows the investigation of process control systems using a virtual and a real bending process, whereas input data are the description of the semi-finished product, the desired profile contour, and the machine kinematics and its geometry. The virtual bending process describes the three-roll-bending process by means of the process simulation system PROFI-V2. It determines required process parameters like the profile bending line of the forming zone and the loaded and unloaded profile curvatures. The virtual and real bending processes are embedded in a closed-loop. Therein process parameters are measured by real or virtual sensors, passing a pre-processing unit, and are input data of the embedded controllers. The virtual bending process is used for preliminary investigations of new controllers, whereas variations of the material properties and the cross-section along the longitudinal axis of the semi-finished product can be specified. In this way, different controllers can be compared with each other and optimized using for instance step functions. Afterwards, the investigated controllers can be validated inside the test framework Trobec by means of the real bending process. Therefore, an experimental-setup is built-up with a three-roll-bending machine ROUNDO R2S Special, ROUNDO AB Sweden, and specialized sensors like a laser-based curvature sensor, a profile infeed sensor, and equipment for force-measurement at the middle roll. The investigation of the test framework was fulfilled by embedding different controllers. Trobec heavily reduces the required hardware, for instance the necessary machine time and number of test bendings, and human resources for developing new controllers for the three-roll-bending. In this way, it supports the efficient and cost-saving investigation of new controllers.