Diese Arbeit analysiert und diskutiert eine automatische AC-Servozuführungsvorrichtung, die auf dem Prinzip der AC-Positionsservoregelung basiert. Sie kann im Online-Vorstanzprozess von Kaltbiege-Produktionslinien für Regalständer eingesetzt werden. Darüber hinaus ist sie für die Konstruktion automatischer Zuführungsvorrichtungen in der Stanzautomatisierung und bei der Nachrüstung von Pressen geeignet. Das System zeichnet sich durch schnelle Reaktionszeiten, hohe Geschwindigkeitsgenauigkeit, einen großen Geschwindigkeitsbereich, gute Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften, hohe Robustheit, flexible und komfortable Steuerung, hohe Störfestigkeit sowie einen stabilen und zuverlässigen Betrieb aus. 1 Einleitung 1.1 Aufgrund der Konstruktions- und Montageanforderungen von Regalstahlkonstruktionen müssen in die vertikalen und seitlichen Flächen des kaltgeformten Stahls Löcher mit einem bestimmten Verteilungsmuster und Präzisionsanforderungen gestanzt werden. Bei komplexen Querschnittsformen der Regalständer ist es schwierig, die vollständige Weiterverarbeitung des kaltgeformten Stahls zu gewährleisten. Die Einführung eines Online-Vorstanzverfahrens in die Kaltbiegefertigungslinie für Regalständer erweitert die Gestaltungsmöglichkeiten der Querschnittsformen und optimiert die Struktur des Stahlgestells erheblich. Insbesondere mit dem Aufkommen und der weitverbreiteten Entwicklung und Anwendung von automatisierten Lagersystemen (AS/RS) in meinem Land steigen die Anforderungen an die Lochpositionsgenauigkeit der Regalständer, z. B. ein Lochpositionsfehler von maximal ±0,3 mm und ein kumulativer Lochpositionsfehler von maximal ±0,5 mm. Herkömmliche Produktionsprozesse und -methoden sind damit schwer zu realisieren. Bekanntermaßen beinhaltet das traditionelle Verfahren das Abwickeln des Materials zu Streifen, die manuelle Zuführung und das Positionieren und Stanzen mithilfe einfacher Positionierblöcke und Erfahrungswerten oder das Positionieren und Stanzen des entsprechenden kaltgebogenen Stahls nach bestimmten Stanzprinzipien. Dieses Verfahren ist ungenau, arbeitsintensiv und wenig effizient. 1.2 Bei der Umstellung der Stanzproduktion auf eine automatisierte Pressmaschine ist es daher notwendig, sowohl einen kontinuierlichen Betrieb als auch intermittierende Zuführungs- und Entladevorgänge zu gewährleisten. Dies erfordert die Entwicklung spezieller automatischer Zuführ- und Entladevorrichtungen. Aufgrund von Unterschieden in Form, Größe und Verarbeitung der Rohlinge sowie der Leistungsfähigkeit der Hauptanlagen variieren die automatischen Zuführvorrichtungen (Abbildung 1: Schaltplan des elektrischen Steuerungssystems) erheblich. In den letzten Jahren haben sich AC-Servo-Zuführvorrichtungen mit AC-Positionsservosystemen aufgrund ihrer Vorteile wie schneller Systemreaktion, hoher Geschwindigkeitsgenauigkeit, großem Geschwindigkeitsbereich, gutem Beschleunigungs-/Verzögerungsverhalten, hoher Robustheit, flexibler und komfortabler Steuerung, hoher Störfestigkeit sowie stabilem und zuverlässigem Betrieb in der industriellen Fertigung weit verbreitet. Für Anwendungen, die eine hohe Positionsgenauigkeit erfordern, wie beispielsweise bei Regalständern, kann ein CNC-System oder eine dedizierte Servoantriebseinheit eingesetzt werden. Diese Lösung ist jedoch kostspielig, mit komplexen Steuerschaltungen und -prinzipien sowie vielen unvorhersehbaren Einflussfaktoren verbunden. Wenn jedoch bestimmte Anforderungen an die Positionsgenauigkeit von Regalträgern, Zugstangen usw. bestehen, wie beispielsweise eine Längengenauigkeit von ±1, ist der Einsatz eines SPS-Steuerungssystems zur Implementierung einer hydraulischen Stoppscherentechnologie in der Regal-Kaltbiegeeinheit eine kostengünstige Option. 1.3 Diese Arbeit analysiert und modifiziert die automatische Zuführvorrichtung für die Online-Stanzpresse der Regalständer. Sie basiert auf einer AC-Servo-Zuführvorrichtung und deren Funktionsprinzip, das mittels PID-Regelung des AC-Positionsservosystems in der Kaltbiegefertigungslinie für importierte Regale unseres Unternehmens implementiert wird. Dadurch werden die Nachteile der manuellen Zuführung überwunden und die automatische Zuführung und Verarbeitung des Online-Vorstanzprozesses in der Kaltbiegefertigungslinie für Regalständer realisiert. 2 Funktionsprinzip der AC-Servo-Zuführvorrichtung Das Online-Vorstanz-Servozuführ- und Positionierungssteuerungssystem besteht aus fünf Komponenten: Computer (PC), Servotreiberkarte, AC-Servo-Drehzahlregelungssystem (AC-Servoregler, Servomotor und zugehörige Steuerkabel), Sensorerfassung und -rückmeldung sowie Hilfsaktionssystem. Siehe Abbildung 1. 3. Analyse- und Konstruktionsprinzipien der automatischen Zuführvorrichtung 3.1 Die Hauptantriebsleistung wird vom AC-Servomotor bereitgestellt. Wie in Abbildung 2 dargestellt, können nach genauer Berechnung der spezifischen Motorleistung und der Anforderungen an den Regelzyklus des Systems ein passender AC-Servoregler und AC-Servomotor ausgewählt werden. Die ursprüngliche Auslegung dieser Vorrichtung sah den Einbau eines 3,7-kW-Systems von BALDOR (USA) vor. Aufgrund der Entwicklung neuer Produkte erhöhte sich jedoch die Arbeitslast des Antriebsstrangs. Gemäß dem in Abbildung 2 dargestellten Funktionsprinzip erfolgt die Positionsregelung zwischen Leistungsregler und AC-Servosteuerung hauptsächlich über ±10-V-Analogsignale. Das AC-Servosystem ist leistungsmäßig nicht begrenzt. Daher kann es durch einen passenden 5-kW-AC-Servoregler und -Motor der Mitsubishi Corporation (Japan), Servoverstärker der Serie MR-J2S, ersetzt werden. In den fast vier Jahren des Einsatzes hat sich diese Lösung als sehr zuverlässig erwiesen und die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit erfüllt. 3.2 Die automatische Zuführvorrichtung besteht im Wesentlichen aus der in Abbildung 3 dargestellten Struktur. (1) Der fotoelektrische Sensor 1# liefert Rückmeldung über den Zustand des Stahlbandes im Arbeitsbereich der Presse, z. B. über- oder unterschreiten der Materialmenge. (2) Der Servomotor überträgt die Förderkraft über das Getriebe auf die untere Führungsrolle. Das Übersetzungsverhältnis i des Getriebes (z. B. i = 11 in der Auslegung) und die Motordrehzahl bestimmen die Vorschub- und Positioniergeschwindigkeit des Systems. (3) Der Drehgeber misst das Positionssignal, das von der oberen Führungsrolle (passive Zuführung und passiver Messpunkt) durch die Bewegung zwischen ihr und dem Blech übertragen wird. (4) Die mechanische Bremse fixiert die Position nach der Positionierung. (5) Der fotoelektrische Sensor 2# überträgt die für die Arbeitssteuerung der Presse erforderlichen Positionssignale. (6) Ober- und Unterwerkzeug ermöglichen das Online-Stanzen der Löcher. Dies erfordert eine abgestimmte Stanzkraft der Presse und eine abgestimmte Werkzeug- bzw. Werkzeugpräzision. 3.3 Die automatische Zuführvorrichtung für den Online-Vorstanzprozess der Kaltbiege-Produktionslinie für Regalständer besteht aus einem Paar oberer und unterer φ90-Führungsrollen. Das Material wird durch die Reibung zwischen dem Blech und den oberen und unteren Führungsrollen zugeführt. Die untere Führungsrolle wird von einem Servomotor angetrieben. Die Lochverteilung für die gestanzten Regalständer wird auf der Presse hergestellt. Um die Koordination zwischen Stanzbewegung und automatischer Zuführung der Presse zu gewährleisten, ist ein Näherungsschalter auf der unteren Arbeitstischebene der Presse installiert. Ein Positionierblock geeigneter Länge ist speziell für das Werkzeug konstruiert und am Werkzeug angebracht. Befindet sich das Werkzeug in Schließbewegung und nähert sich der Positionierblock dem Näherungsschalter, gibt dieser ein Signal (geschlossen) aus, und die Zuführung wird gestoppt. Das Werkzeug wird dann mittels einer elektromagnetischen oder pneumatischen Kupplung (abhängig vom jeweiligen Modell und der Steuerungsmethode der Presse) nach unten bewegt, um Löcher zu stanzen. Sobald das Werkzeug zurückkehrt und der Positionierblock den Näherungsschalter verlässt, gibt dieser ein Signal (offen) aus, wodurch die untere Führungsrolle den nächsten Zuführzyklus einleiten kann. Alternativ kann die Kurvensteuerung der Presse verwendet werden, um die spezifischen Endpositionen des Werkzeugs oder des oberen Arbeitstisches abzubilden und so den spezifischen Bewegungsablauf festzulegen. Die spezifische Zuführschrittweite für jedes Werkzeug wird durch den entsprechenden Zählimpuls oder den vom PC festgelegten Längenumrechnungswert bestimmt und mit der passiven Messwertrückmeldung des an der oberen Führungsrolle angeschlossenen Winkelgebers (programmgesteuert) abgestimmt. Dies ermöglicht ein einstellbares, hochpräzises und fehlerfreies Stanzverfahren für das Stanzblech. Der akkumulierte Fehler wird durch den im Programm festgelegten Fehlerkompensationsalgorithmus oder durch manuelle Online-Korrektur behoben, wodurch ein hoher Lochabstand der Gestellständer gewährleistet wird. Abbildung 2: Antriebsleistungsregelung. Abbildung 3: Automatische Zuführvorrichtung. Abbildung 3.4: Die automatische Zuführvorrichtung im Anlagensystem behebt die Nachteile der manuellen Zuführung des vorgebohrten Stahlbandes in die Gestellständer. Sie zeichnet sich durch einfache und zuverlässige Bedienung sowie hohe Regelgenauigkeit aus und steigert so die Arbeitsproduktivität erheblich. In Kombination mit einer Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionspresse erreicht sie eine Arbeitsfrequenz von 70 Hüben/Minute und einen Arbeitsdruck von über 2500 kN. Sie bildet ein eigenständiges Betriebssystem. 4. Hardware-Design des Steuerungssystems . 4.1 Eingangssignale: ① Stempelpositionserkennung: Erfassung durch Näherungsschalter oder Steuerung durch den Nockenregler der Presse; ② Erkennung des Vorhandenseins/Nichtvorhandenseins einer Materialplatte: Erfassung durch Lichtschranke oder Steuerung durch Endschalter. ③ Materialplattenspannungserkennung: Erfassung durch Kontaktschalter; ④ Materialplattenstauerkennung: Erfassung durch Lichtschranke oder Steuerung durch Endschalter; ⑤ Bedientasten: Start, Stopp, Not-Aus usw. auf dem Bedienfeld. 4.2 Ausgangssignale: ① Steuerung des Arbeitszyklus der Presse; ② Steuerung der Servomotoren: Vorwärts-, Rückwärts- und Positionssteuerung der oberen und unteren Führungsrollen; ③ Bremssteuerung: Öffnung und Schließung der Bremse gemäß Positionssteuerungsanforderungen, Steuerung der Bewegung der oberen und unteren Führungsrollen; ④ Kontrollleuchten: Start-, Betriebs- und andere Kontrollleuchten (teilweise werden mehrere Kontrollleuchten an der Presse verwendet); weitere Signale wie z. B. Fehlermeldungen. 4.3 Der AC-Positionsservoregler steuert als untergeordnete Maschine Start, Stopp und Drehzahlregelung des AC-Servomotors. Es empfängt nach der Digital-Analog-Wandlung eine analoge Steuerspannung vom Hauptsteuermikrocomputer und gibt diese an den Servoverstärker aus, der letztendlich die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung sowie die Gesamteinstellung des AC-Servomotors steuert. 5. Wichtige Aspekte beim Hardware-Design von Steuerungssystemen 5.1 Genauigkeit der Eingangssignalsteuerung: Das Verhältnis des Umfangs der Messwalze zur Anzahl der Impulse pro Umdrehung des inkrementellen Lichtschrankengebers sollte minimiert werden, da dies die Messgenauigkeit des Rückkopplungssignals bestimmt. Der Erfassungsabstand des Näherungsschalters sollte gering und die Empfindlichkeit hoch sein. Durch die Verwendung eines Lichtschrankengebers mit 1200 Linien/Umdrehung als Rückkopplungselement, der koaxial mit der passiven Messwalze montiert ist, kann die effektive Drehzahl des Motors präzise gemessen werden. Da der Lichtschrankengeber Impulse durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl aussendet und der Strahl auf der Geberwelle angebracht ist, erzeugt der Geber 1200 Impulse pro Umdrehung (3600). Diese Impulse hängen ausschließlich von der Wellendrehzahl ab und sind unabhängig von der tatsächlichen Servomotordrehzahl, der Motortemperatur usw. Durch die präzise Messung der Impulsanzahl des Lichtschrankengebers lassen sich die effektive Motordrehzahl und die tatsächliche Vorschublänge exakt bestimmen. Gleichzeitig kann die theoretische Drehzahl des Motors anhand des Sollwerts berechnet und mit dem Messwert verglichen werden. Der Fehlerwert wird digital an den Eingang des D/A-Wandlers ausgegeben und ändert so dessen Ausgangsspannung. Das Servosystem regelt daraufhin die Motordrehzahl und erzielt so eine konstante Drehzahl und präzise Stoppsteuerung. 5.2 Im praktischen Betrieb ist der Betriebsstrom des Servosystems relativ hoch, was zu erheblichen Störungen des Mikrocomputers führen kann. Daher müssen Systemisolation und Störfestigkeit bei der Hardware-Schaltungsentwicklung berücksichtigt werden. Da ein serieller D/A-Wandler verwendet wird, sind für die Signalübertragung nur drei Leitungen erforderlich, wodurch Isolationsmaßnahmen relativ einfach sind. Der Lichtschrankengeber ist jedoch ebenfalls störanfällig; daher muss zusätzlich zur normalen Erdung die Erdungsleitung des Lichtschrankengebers zuverlässig geerdet sein. 5.3 Regelgenauigkeit des Ausgangssignals: Beispielsweise sollte die Ansprechzeit der Presse, der mechanischen oder pneumatischen Bremse so kurz wie möglich sein. Das analoge Steuersignal muss auf das jeweilige Servosystem abgestimmt sein. 5.4 Innerhalb eines bestimmten Fehlerbereichs kann die mechanische Präzisionsregelung des Systems die elektrische Regelgenauigkeit (Encoderimpulse) verbessern. Dies führt zu einer hohen Robustheit und ermöglicht es, in vielen Situationen die Anforderungen an eine hochpräzise Positionsregelung zu erfüllen. 6 Steuerungssystemsoftware 6.1 Die Hauptfunktionen des Programms sind: Anpassung der Produktproduktionsdaten und der PID-Parameter über die Mensch-Maschine-Schnittstelle; Datenübertragung und -verarbeitung zwischen PC und verschiedenen Modulen; PID-Regelalgorithmus für den Positionsregelkreis und Steuerung der Servomotorbewegung; sowie die Ansteuerung verschiedener zugehöriger Geräte. 6.2 Das Programm läuft hauptsächlich unter dem Betriebssystem DOS. Produktprozessparameter und PID-Parameter sind offen gestaltet, um Anpassungen an den tatsächlichen Produktionsprozess zu erleichtern. Weitere Parameter sind beispielsweise: Einstellen und Anpassen des Stanzschrittabstands; Anpassen der entsprechenden Anzahl von Ausgangsimpulsen für einen bestimmten Längenwert; Die Einstellung und Justierung der Pressensteuerungsgenauigkeit, der Servovorschubgenauigkeit und des Servovorschublängenwerts erfolgt ebenfalls in offener Form. 6.3 Das Hauptprogramm beinhaltet Fehlerwarnungen für bestimmte Anlagenteile, wodurch die Bedienbarkeit der Anlagen und die Kontrolle der Produktqualität deutlich verbessert und die Inspektionszeiten bei Anlagenfehlern reduziert werden. 7. Fazit: Die praktische Anwendung zeigt, dass die Wahl geeigneter PID-Parameter die Anforderungen an schnelle Reaktionszeit, hohe Genauigkeit und hohe Robustheit des Regelsystems erfüllt. Die höchste Regelgenauigkeit in der Praxis beträgt ca. ±0,1 mm, kumulative Fehler werden vermieden. Dieses Regelsystem eignet sich für die Produktion von hochpräzisen, offenen Kaltformstahlprodukten, insbesondere für Produkte wie Regalträger – also Kaltformstahlträger mit hochpräzisen Anforderungen an die Lochpositionierung an den Seiten – in Online-Vorstanzanlagen. Es erfüllt nicht nur die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit der Regalprodukte und die Stanzgenauigkeit der Trägerseiten, sondern verbessert auch die Produktqualität und senkt die Kosten der Massenproduktion. Es bietet somit einen gewissen Wettbewerbsvorteil.