Vorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstücks
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstücks,
bei welcher das Werkstück an mindestens zwei Stützpunkten mit mindestens zwei Verstelleinrichtungen
abgestützt ist. Die Verstelleinrichtungen sind anhand einer Differenz ihrer Verstellwege
mit einer Reglereinrichtung regelbar. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zum Tiefziehen eines Werkstücks.
[0002] Das Tiefziehen zählt zu den wichtigsten Umformverfahren, welche in der Industrie
und insbesondere in der Fertigung eingesetzt werden. Hierbei wird ein Werkstück, beispielsweise
ein Metallblech, zwischen einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug angeordnet. Durch
die Geometrie des Ober- und des Unterwerkzeugs wird die Formgebung des umgeformten
Werkstücks festgelegt. Während des Tiefziehens wird beispielsweise über einen Stößel
eine mechanische Kraft auf das Oberwerkzeug ausgeübt und somit das Werkstück umgeformt.
[0003] Die Geometrie der verwendeten Werkzeuge und die Prozessgrö-βen, welche beispielsweise
von dem Material des Werkstücks, der Prozesskraft und der zeitlichen Dauer des Prozesses
abhängen, können eine asymmetrische Belastung des Stößels bewirken. Diese verursacht
grundsätzlich eine Kippung des Stö-βels in seiner Führung, wodurch das Oberwerkzeug
nicht mehr gleichmäßig belastet wird und sich somit verdreht beziehungsweise verkippt.
Dies führt bei langen Ziehstrecken zu einer einseitigen Verengung des seitlichen Zwischenraums
zwischen Ober- und Unterwerkzeug, wodurch die Dicke des umgeformten Werkstücks bereichsweise
reduziert werden kann. Dadurch kann die Qualität des umgeformten Werkstücks herabgesetzt
werden und seine mechanische Festigkeit reduziert werden. Im schlimmsten Fall kann
das Verdrehen beziehungsweise das Verkippen eine Kollision des Ober- und Unterwerkzeugs
zur Folge haben, welche zu einer Beschädigung führen kann.
[0004] Um einer asymmetrischen Belastung des Stößels und/oder des Werkzeugs während des
Tiefziehens entgegenzuwirken, kann beispielsweise die Führung des Stößels derart gestaltet
werden, dass die Kippfähigkeit des Stößels reduziert wird. Die Kippfähigkeit des Stößels
kann zusätzlich dadurch verringert werden, indem der Stößel und die dazugehörige Führung
so ausgelegt sind, dass sie ein geringes Spiel zueinander aufweisen. Ein günstiges
Verhältnis von Stößelhöhe zur Stößelbreite wirkt sich hier ebenfalls positiv aus.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, entsprechende Führungsbohrungen und Zapfen
in dem Werkzeug zu integrieren, durch welche ein Verdrehen beziehungsweise ein Verkippen
der einzelnen Teile des Werkzeugs verhindert wird. Die einzelnen Teile des Werkzeugs
müssen hierbei so ausgelegt sein, dass sie die durch die Prozesskräfte entstehenden
hohen mechanischen Belastungen aufnehmen können.
[0005] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Tiefziehen eines Werkstücks,
insbesondere bei hohen Prozesskräften, effektiver zu gestalten.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Tiefziehen eines
Werkstücks mit einem Werkzeug, das mindestens zwei Stützpunkte aufweist, mindestens
zwei Verstelleinrichtungen, mit denen das Werkzeug an den mindestens zwei Stützpunkten
abgestützt ist, einer Messeinrichtung zum Bestimmen der Verstellwege der Verstelleinrichtungen,
und einer Regeleinrichtung, mit der die mindestens zwei Verstelleinrichtungen anhand
der Differenz der Verstellwege regelbar ist. Das Werkzeug, welches zum Tiefziehen
verwendet wird, ist hierzu an einer entsprechenden Bezugsebene, welche beispielsweise
der Boden oder das Fundament sein kann, abgestützt. Bei dieser Vorrichtung ist das
Werkzeug, insbesondere ein Unterwerkzeug, an mindestens zwei Stützpunkten über eine
jeweilige Verstelleinrichtung abgestützt. Somit kann der Abstand zwischen der Bezugsebene
und dem Werkzeug durch die mindestens zwei Verstelleinrichtungen eingestellt werden.
Um die Verstellwege der jeweiligen Verstelleinrichtungen zu bestimmen, ist hierzu
eine entsprechende Messeinrichtung vorgesehen. Hierbei kann eine Messeinrichtung vorgesehen
sein, mittels welcher die Verstellwege von allen Verstelleinrichtungen bestimmt werden,
ebenso kann an jeder Verstelleinrichtung eine separate Messeinrichtung vorgesehen
sein. Mit einer Reglereinrichtung können die Verstelleinrichtungen anhand der Differenz
der Verstellwege geregelt werden. Durch diese Vorrichtung kann durch die entsprechende
Regelung der Verstellwege ein Verkippen beziehungsweise Verschwenken zwischen den
Teilen des Werkzeugs, beispielsweise dem Ober- und dem Unterwerkzeug, ausgeglichen
werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass während des gesamten Vorgangs des
Tiefziehens eine symmetrische Belastung an dem Stößel anliegt, durch welchen eine
Kraft auf das Oberwerkzeug übertragen wird. Durch diese Vorrichtung kann das Tiefziehen
insbesondere bei hohen Kräften effektiver ausgeführt werden und die Qualität und die
mechanische Festigkeit des umgeformten Werkstücks erhöht werden.
[0007] In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mit der Reglereinrichtung eine Sollverstellkraft
für jede der Verstelleinrichtungen in Abhängigkeit von der Differenz der Verstellwege
geregelt. Aus der Differenz der Verstellwege der Verstelleinrichtungen kann auf eine
asymmetrische Belastung des Werkzeugs geschlossen werden. Somit kann die jeweilige
Sollverstellkraft bestimmt wird, welche durch die jeweiligen Verstelleinrichtungen
an den Stützpunkten aufgebracht werden soll, um die asymmetrische Belastung auszugleichen.
Die jeweilige Sollverstellkraft an den Verstelleinrichtungen wird hierzu mit der tatsächlich
an den jeweiligen Verstelleinrichtungen aufgebrachten Kraft verglichen und durch eine
entsprechende Reglereinrichtung geregelt.
[0008] Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, wenn mit der Reglereinrichtung die Sollverstellkraft
zusätzlich in Abhängigkeit von einem Anteil einer auf das Werkstück wirkenden Kraft
bestimmt wird. Die jeweiligen Sollverstellkräfte der Verstelleinrichtungen werden
einerseits mit Hilfe einer Reglereinrichtung aus der Differenz der Verstellwege bestimmt
und andererseits zusätzlich von einem Anteil der auf das Werkstück wirkenden Kraft
bestimmt. Die Kraft, welche auf das Werkstück wirkt, kann beispielsweise diejenige
Kraft sein, welche während des Tiefziehens von dem Stößel auf das Oberwerkzeug und
somit auf das Werkstück ausgeübt wird. Hierzu können ebenfalls Prozessparameter wie
beispielsweise das Material und die Geometrie des zu verformenden Werkstücks sowie
die zeitliche Dauer des Tiefziehvorgangs berücksichtigt werden, um den zeitlichen
Verlauf der auf das Werkstück wirkenden Kraft zu bestimmen. Ebenso ist es denkbar,
dass die auf das Werkstück wirkende Kraft durch eine geeignete Messeinrichtung über
den zeitlichen Verlauf des Tiefziehvorgangs bestimmt wird. Auf diese Weise kann einer
asymmetrischen Belastung des Werkzeugs besonders effektiv entgegengewirkt werden.
[0009] In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird durch die Reglereinrichtung
eine Verstellgeschwindigkeit für jede der Verstelleinrichtungen in Abhängigkeit von
der Differenz der Verstellwege geregelt. Ebenso kann eine symmetrische Belastung der
einzelnen Teile des Werkzeugs und des Werkstücks dadurch erreicht werden, dass die
jeweiligen Verstellgeschwindigkeiten der Verstelleinrichtungen geregelt werden. Die
Verstellgeschwindigkeiten werden auch hierbei in Abhängigkeit von der Differenz der
Verstellwege geregelt, um eine entsprechende Kippkompensation zu erreichen, durch
welche eine asymmetrische Belastung und/oder ein Verkippen der einzelnen Teile des
Werkzeugs verhindert wird.
[0010] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird durch die Reglereinrichtung für
jede der Verstelleinrichtungen eine jeweilige Sollverstellgeschwindigkeit aus der
Differenz der Verstellwege und zusätzlich in Abhängigkeit von einer auf das Werkstück
wirkenden Kraft und von den Verstelleinrichtungen erzeugten Verstellkräften bestimmt.
Die jeweilige Verstellgeschwindigkeit der Verstelleinrichtungen wird hier jeweils
in Abhängigkeit von einer Sollverstellgeschwindigkeit geregelt, welche einerseits
aus der Differenz der Verstellwege und zusätzlich in Abhängigkeit von der auf das
Werkstück wirkenden Kraft bestimmt wird. Die auf das Werkstück wirkende Kraft wird
zusätzlich mit den tatsächlich erzeugten Kräften der jeweiligen Verstelleinrichtungen
verglichen. Auch durch diese Ausführungsform der Vorrichtung zum Tiefziehen eines
Werkstücks kann das Tiefziehen besonders effektiv ermöglicht werden.
[0011] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den beschriebenen Ausführungsformen sind
die Richtung der beiden Verstellkräfte und die Richtung der auf das Werkstück ausgeübten
Kraft entgegengesetzt gerichtet. Auf diese Weise kann die auf das Werkstück wirkende
Kraft durch die mindestens zwei Verstellkräfte, durch welche das Werkstück, insbesondere
das Unterwerkzeug, an mindestens zwei Stützstellen abgestützt wird, ausgeglichen werden.
Vorrichtungen, bei welchen zwei oder mehr Antriebe in die gleiche Richtung wirken
sind beispielsweise von dem sogenannten Gantry-Antrieb bekannt.
[0012] Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Stützpunkte punktsymmetrisch zum Mittelpunkt
oder zum Schwerpunkt des Werkzeugs angeordnet sind. Bei einem Werkzeug, welches einen
rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweist, können die Stützpunkte beispielsweise
an den diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sein. Bei einem rechteckigen oder
quadratischen Querschnitt des Werkzeugs können ebenso für jede Ecke des Werkstücks
eine separate Verstelleinrichtung vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist es aber,
wenn das Werkzeug an nur zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken beziehungsweise Bereichen
verstellbar abgestützt ist. Somit wird die Anzahl der zu beeinflussenden Größen reduziert
und die Komplexität eines entsprechenden Regelkreises reduziert, welches eine Verringerung
der Kosten mit sich bringt. Ebenso ist es denkbar, dass die Stützpunkte punktsymmetrisch
zu einem Schwerpunkt des Werkzeugs, insbesondere des Unterwerkzeugs, angeordnet sind.
Auf diese Weise kann eine asymmetrische Belastung des Werkzeugs besonders einfach
ausgeglichen werden. Schließlich wird erfindungsgemäß bereitgestellt ein Verfahren
zum Tiefziehen eines Werkstücks durch das Bereitstellen eines Werkzeugs, das mindestens
zwei Stützpunkte aufweist, das Abstützen des Werkzeugs mit mindestens zwei Verstelleinrichtungen
an den mindestens zwei Stützpunkten, dem Bestimmen von Verstellwegen der Verstelleinrichtungen,
und dem Regeln der Verstelleinrichtungen anhand der Differenz der Verstellwege. Somit
kann auf besonders vorteilhafte Weise eine symmetrische Belastung der Teile des Werkzeugs
und des Werkstücks garantiert werden.
[0013] Somit kann der Umformprozess effektiv und präzise ausgeführt werden und somit die
Qualität der umgeformten Werkstücke erhöht werden. Die Werkzeuge der Tiefziehvorrichtung
können daher für eine geringere mechanische Belastung ausgelegt werden. Daher können
die Dimensionen der Tiefziehvorrichtung und das Gewicht reduziert werden. Auf diese
Weise kann zusätzlich die Nutzbarkeit des Tiefziehverfahrens erweitert werden.
[0014] Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert,
in denen zeigen:
FIG 1 eine erste Ausführungsform eines Regelkreises für eine Vorrichtung zum Tiefziehen
eines Werkstücks und
FIG 2 eine zweite Ausführungsform eines Regelkreises für eine Vorrichtung zum Tiefziehen
eines Werkstücks.
[0015] FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Regelkreises 10 für eine Vorrichtung
zum Tiefziehen eines Werkstücks. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein hier nicht
gezeigtes Werkzeug durch zwei Verstelleinrichtungen 12, 14 an zwei Stützpunkten zu
einer Bezugsebene abgestützt. Mit einer Messeinrichtung werden die Verstellwege x
1, X
2 der Verstelleinrichtungen 12, 14 bestimmt. Die Verstelleinrichtungen 12, 14 können
beispielsweise in Form von entsprechenden hydraulischen Zylindern bzw. Aktoren ausgeführt
sein. Die Messeinrichtung zum Bestimmen der Verstellwege x
1, x
2 kann als separate Messeinrichtung ausgeführt sein oder in den jeweiligen Verstelleinrichtungen
12, 14 integriert sein. Die Messeinrichtung kann durch Abstands- bzw. Positionssensoren
realisiert werden.
[0016] Zunächst werden die beiden Verstellwege x
1, x
2 bestimmt. Am Knoten 16 des Regelkreises 10 wird die Differenz der beiden Verstellwege
x
1, x
2 berechnet, welche in Folge eine asymmetrischen Belastung des Werkzeugs, insbesondere
des Unterwerkzeugs, entstehen kann. Die Differenz der beiden Verstellwege x
1, x
2 wird an einen Regler 18 übertragen, welcher aus der Differenz der beiden Verstellwege
x
1, x
2 einen Unterschied der Kräfte bestimmt, welche von den Verstelleinrichtungen 12 und
14 erzeugt werden. Der Regler 18 kann in diesem Ausführungsbeispiel als PI-Regler
oder als PID-Regler ausgelegt sein.
[0017] Der am Ausgang 20 des Reglers 18 erzeugte Kraftwert wird an den Knoten 22 und 24
mit dem jeweiligen Anteil der Summenkraft F
∑,soll addiert beziehungsweise subtrahiert. Die Summenkraft F
∑,
soll entspricht derjenigen Kraft, welche während des Tiefziehprozesses auf das Werkstück
wirkt. Die Summenkraft F
∑,
soll ist beispielsweise aufgrund der Prozessparameter bekannt oder kann mit Hilfe einer
entsprechenden Messeinrichtung über den gesamten zeitlichen Verlauf des Tiefziehprozesses
bestimmt werden. Die Summenkraft F
∑,
soll wird in diesem Fall mit dem Faktor 1/2 multipliziert, da in diesem Regelkreis 10
zwei Verstelleinrichtungen 12, 14 vorgesehen sind, und die Sollkraft F
∑,
soll entsprechend auf beide Teile des Regelkreises 10 gleichmäßig aufgeteilt werden soll.
An dem Knoten 22 wird die Differenz der Hälfte der Sollkraft F
∑,
soll mit dem Kraftwert am Ausgang 20 des Reglers 18 gebildet. Dementsprechend wird am
Knoten 24 die Summe der Hälfte der Sollkraft F
∑,
Soll mit dem am Ausgang 20 des Reglers 18 bereitgestellten Kraftwert gebildet. Die jeweiligen
Vorzeichen an den Knoten 22 und 24 sind entsprechend der Differenz der Verstellwege
x
1 und
X2, welche an dem Knoten 16 berechnet wird, vorgegeben.
[0018] Auf diese Weise können die entsprechenden Sollkräfte F
1,
soll und F
2,
soll an den Knoten 26 und 28 bestimmt werden. Die Sollverstellkräfte F
1,
soll und F
2,
Soll werden mit den Kräften F
1 und F
2 verglichen, welche an den Verstelleinrichtungen 12, 14 mittels einer Messeinrichtung
bestimmt werden. Eine solche Messeinrichtung kann beispielsweise die Kräften F
1 und F
2 anhand des jeweiligen Drucks der Hydraulikflüssigkeit in den hydraulischen Aktoren
bestimmen. Die jeweiligen Kräfte F
1, F
2, an den Verstelleinrichtungen 12, 14 werden mit Hilfe eines Kraftreglers 30, 32 in
Abhängigkeit von den Sollverstellkräften F
1,
soll,F
2,
Soll geregelt. Durch die Kraftregler 30, 32 können beispielsweise Ventile in den Verstelleinrichtungen
12, 14 angesteuert werden.
[0019] FIG 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Regelkreises 34 für eine Vorrichtung
zum Tiefziehen eines Werkstücks. Bei dem Regelkreis 34 wird an dem Knoten 36 zunächst
die Differenz der beiden Verstellwege x
1 und x
2 gebildet. Die Differenz der Verstellwege x
1 und x
2 werden zu einem Regler 38 geführt. Durch diesen Regler 38, welcher beispielsweise
als P-Regler ausgeführt sein kann, wird aus der Differenz der Verstellwege x
1 und x
2 am Ausgang 40 des Reglers 38 ein entsprechendes Geschwindigkeitssignal bereitgestellt.
[0020] Zudem werden in dem Regelkreis 34 die jeweils von den Verstelleinrichtungen 12, 14
erzeugten Verstellkräfte F
1 und F
2 mit Hilfe einer hier nicht gezeigten Messeinrichtung bestimmt. Die beiden Verstellkräfte
F
1 und F
2 werden am Knoten 42 des Regelkreises 34 addiert. Die Summe der beiden Verstellkräfte
F
1 und F
2 wird von der Summenkraft F
∑,
soll abgezogen und der daraus resultierende Kraftwert wird an den Regler 44 übergeben,
welcher zum Beispiel als PI-Regler ausgeführt sein kann. Die Summenkraft F
∑,
soll entspricht wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Kraft, welche auf das Werkstück
wirkt.
[0021] An den Knoten 48 des Regelkreises 34 wird das Signal am Ausgang 40 des Reglers 38
von dem Signal am Ausgang 46 des Reglers 44 abgezogen. Am Knoten 50 die Signale wird
entsprechend das Signal am Ausgang 40 des Reglers 38 zu dem Signal am Ausgang 46 des
Reglers 44 addiert. Die Vorzeichen an den Knoten 48 und 50 sind entsprechend der Differenz
der Verstellwege x
1 und x
2, welche am Knoten 36 bestimmt wird, vorgegeben.
[0022] An den Knoten 48 und 50 wird jeweils eines Sollverstellgeschwindigkeit V
1,
soll und V
2,
soll bereitgestellt. Die Sollverstellgeschwindigkeiten V
1,
Soll und V
2,
Soll werden jeweils an den Knoten 52 und 54 mit dem jeweiligen Wert der Verstellgeschwindigkeit
v
1 und v
2 verglichen. Die Verstellgeschwindigkeiten v
1 und v
2 können zum Beispiel anhand der zeitliche Ableitung der Verstellwege x
1 und x
2 bestimmt werden. Auf diese Weise können die Verstellgeschwindigkeiten v
1, v
2 mittels der beiden Regler 56 und 58, welche zum Beispiel als PI-Regler oder PID-Regler
ausgebildet sein können, geregelt werden.
[0023] Der in FIG 2 dargestellte Regelkreis 34 kann grundsätzlich in zwei Bereiche I und
II unterteilt werden. Der mit I bezeichnete Bereich des Regelkreises 34 betrifft hierbei
eine Kippkompensation des Werkzeugs, wobei der mit II bezeichnete Bereich des Regelkreises
34 eine entsprechende Ausgleichsregelung darstellt.
[0024] Die in FIG 1 und FIG 2 dargestellten Regelkreise 10 und 34 sind beispielhaft für
zwei Verstelleinrichtungen 12, 14 dargestellt. Es ist ebenso denkbar, bei einer Vorrichtung
zum Tiefziehen eines Werkstücks mehr als zwei Verstelleinrichtungen zu verwenden.
1. Vorrichtung zum Tiefziehen eines Werkstücks mit
- einem Werkzeug, das mindestens zwei Stützpunkte aufweist,
- mindestens zwei Verstelleinrichtungen (12, 14), mit denen das Werkzeug an den mindestens
zwei Stützpunkten abgestützt ist,
- einer Messeinrichtung zum Bestimmen von Verstellwegen (X1, X2) der Verstelleinrichtungen (12, 14), und
- einer Reglereinrichtung, mit der die mindestens zwei Verstelleinrichtungen (12,
14) anhand einer Differenz der Verstellwege (X1, X2) regelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Reglereinrichtung eine Sollverstellkraft (F1,Soll, F2,Soll) für jede der Verstelleinrichtungen (12, 14) in Abhängigkeit von der Differenz der
Verstellwege (X1, X2) geregelt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Reglereinrichtung die Sollverstellkraft (F1,Soll, F2,Soll) zusätzlich in Abhängigkeit von einem Anteil einer auf das Werkstück wirkenden Kraft
(F∑,soll) bestimmt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Reglereinrichtung eine Verstellgeschwindigkeit (V1, V2) für jede der Verstelleinrichtungen (12, 14) in Abhängigkeit von der Differenz der
Verstellwege (x1, X2) geregelt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Reglereinrichtung für jede der Verstelleinrichtungen (12, 14) eine jeweilige
Sollverstellgeschwindigkeit (V1,soll V2,soll) aus der Differenz der Verstellwege (x1, x2) und zusätzlich in Abhängigkeit von einer auf das Werkstück wirkenden Kraft (F∑,soll) und von den Verstelleinrichtungen (12, 14) erzeugten Verstellkräften (F1, F2) bestimmt wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der beiden Verstellkräfte (F1, F2) und die Richtung der auf das Werkstück ausgeübten Kraft (F∑,soll) entgegengesetzt gerichtet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützpunkte punktsymmetrisch zum Mittelpunkt oder Schwerpunkt des Werkzeugs angeordnet
sind.
8. Verfahren zum Tiefziehen eines Werkstücks durch
- Bereitstellen eines Werkzeugs, das mindestens zwei Stützpunkte aufweist,
- Abstützen des Werkzeugs mit mindestens zwei Verstelleinrichtungen (12, 14) an den
mindestens zwei Stützpunkten,
- Bestimmen von Verstellwegen (X1, X2) der Verstelleinrichtungen (12, 14), und
- Regeln der Verstelleinrichtungen (12, 14) anhand der Differenz der Verstellwege
(x1, x2) .