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Krümmungsmessung und Regelung mehrstufiger Prozesse beim Drei-Rollen-Biegen von Profilen

Kessler, Thomas Valentin (2024)
Krümmungsmessung und Regelung mehrstufiger Prozesse beim Drei-Rollen-Biegen von Profilen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026618
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Krümmungsmessung und Regelung mehrstufiger Prozesse beim Drei-Rollen-Biegen von Profilen
Language: German
Referees: Groche, Prof. Dr. Peter ; Engel, Prof. Dr. Bernd
Date: 27 February 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: VII, 133 Seiten
Date of oral examination: 25 April 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026618
Abstract:

Im Bereich des Profilbiegens stellen Freiformbiegeverfahren aufgrund ihrer nicht werkzeuggebundenen Formgebung die Verfahren mit der höchsten Flexibilität dar. Das Drei-Rollen-Biegen bietet hier aufgrund der Möglichkeit einer mehrstufigen Biegeumformung im Reversierbetrieb entscheidende Vorteile bei geringen Stückzahlen. Dies ermöglicht eine iterative Prozessführung, mit der bereits ab einer Losgröße von eins eine ausschussfreie Produktion ermöglicht werden kann. Die mehrstufige Prozessführung wirkt sich aufgrund der damit verbundenen Durchlaufzeiten jedoch nachteilig auf die Wirtschaftlichkeit der Prozesse aus. Ausschlaggebend sind hierbei vor allem die Prozessnebenzeiten zum in der Regel manuellen Messen der Profilkontur und Adaptieren des Prozesses. Ebenso ist aufgrund eines geringen Automatisierungsgrads oft ein hoher personeller Einsatz erforderlich, um durch das Adaptieren des Prozesses die gewünschte Qualität zu erzielen. Um diese Nachteile zu kompensieren, dabei jedoch die vielfältigen Vorteile einer mehrstufigen Prozessführung zu erhalten, ist das Ziel der vorliegenden Arbeit die Entwicklung und Untersuchung von Krümmungsmesssystemen zur Reduktion der Prozessnebenzeiten sowie eines wirtschaftlichen und flexibel einsetzbaren Prozessregelungskonzepts für mehrstufige Drei-Rollen-Biegeprozesse bei geringen Losgrößen. Beides dient dem übergeordneten Ziel der Erhöhung des Automatisierungsgrads des Drei-Rollen-Biegens. Als Grundlage für diese Entwicklungen wird im Rahmen der Arbeit das Krümmungs- und Rückfederungsverhalten in ein- und mehrstufigen Drei-Rollen-Biegeprozessen anhand numerischer Simulationen untersucht. Auf Basis der gewonnen Erkenntnisse zum Rückfederungsverhalten wird dann ein Ansatz zur Prognose der Rückfederung in geregelten, mehrstufigen Drei-Rollen-Biegeprozessen entwickelt und in geregelten, numerischen Simulationen analysiert. Basis der Prognose bilden hierbei die aus zwei vorangegangenen Prozessstufen gewonnenen Daten zur Rückfederung des Profils. Zur Übertragung des Regelungskonzepts auf den realen Prozess werden zwei Messsysteme entwickelt, die eine Erfassung der zu regelnden Krümmungs- und Konturdaten erlauben. Die Messunsicherheit beider Systeme wird dabei anhand der Krümmung entlasteter Profile untersucht und einer Analyse der Fehlereinflüsse unterzogen. Der entwickelte Ansatz zur Prognose der Rückfederung kommt schließlich in einem Produkt Controller zum Einsatz, der auf einer Versuchsanlage implementiert wird und die Regelung der Krümmung unter Last bei mehrstufigen Prozessen erlaubt. Der Controller dient dabei der Prognose der Rückfederung und, darauf basierend, der Vorgabe des Sollwertes. Durch eine geeignete Wahl seiner Parameter kann zudem der Einfluss von Messunsicherheiten reduziert werden. In Prozessuntersuchungen wird abschließend gezeigt, dass die entwickelte Regelung die Fertigung gekrümmter Profile mit Abweichungen vom Sollradius des entlasteten Profils von weniger als 1,5 % ermöglicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In the field of profile bending, free-form bending processes represent the processes with the highest flexibility due to their non-tool-bound forming. Here, three-roll bending offers decisive advantages for small quantities due to the possibility of multi-stage bending in reverse mode. This enables an iterative process guidance, with which a batch size as small as one can be produced without scrap. However, the multi-stage process guidance has a negative effect on the economic efficiency of the processes due to the associated processing times. Here, the decisive factors are the non-productive process times for measuring the profile contour, usually done manually, and adapting the process. Also, due to a low degree of automation, a high level of personnel expenditure is often required in order to achieve the desired quality by adapting the process. In order to compensate for these disadvantages while retaining the manifold advantages of a multi-stage process guidance, the aim of the present work is to develop and investigate curvature measurement systems for reducing auxiliary process times and to create and validate an economical and flexibly applicable closed-loop process control concept for multi-stage three-roll bending processes with small batch sizes. Both serve the overall goal of increasing the degree of automation of three-roll bending. As a basis for the developments, the curvature and spring-back behavior in single- and multi-stage three-roll bending processes is investigated in numerical simulations. Based on the knowledge gained on the spring-back behavior, an approach for its prediction in close-loop controlled multistage three-roll bending processes is developed and analyzed using close-loop controlled numerical simulations. The prediction is based on the data on the spring-back of the profile obtained from two process stages that have already been carried out. In order to transfer the control concept to the real process, two measuring systems are developed which allow the measurement of the curvature as well as the contour data. The measurement uncertainty of both systems is investigated on the basis of the curvature of unloaded profiles and subjected to an analysis of the error influences. The developed approach for predicting the spring-back is finally used in a product controller, which is implemented on a test machine and allows the closed-loop control of curvature under load in multi-stage processes. The controller is used to predict the spring-back and, based on this, to specify the target value for the next bending step. Furthermore, the influence of measurement uncertainties can be reduced by a suitable choice of its parameters. Finally, process investigations show that the developed control system enables the production of curved profiles with deviations from the nominal radius of the unloaded profile of less than 1.5 %.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-266186
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU)
Date Deposited: 27 Feb 2024 13:10
Last Modified: 29 Feb 2024 07:22
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26618
PPN: 515852392
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