2st IPSUS Progress Meeting 12.o6.2oo8

Beitrag

FlexiStir:

prozess- und verfahrensentwicklungsorientierte

Rührreibschweißanlagentechnik

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Gliederung

1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

5. Ausblick

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1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

Schweißprozess:

spezifischer technisch-physikalischer Vorgang unter Nutzung von Wärme und/oder Kraft und Vermischen flüssiger oder plastifizierter Fügepartnerbestandteile zum Zwecke des Verbindens oder Schichtauftragens

Schweißverfahren:

konkreter Anwendungsfall, bei dem unter Nutzung eines bestimmtenSchweißprozesses reale Werkstücke aus definierten Materialien unter immer annähernd gleichen Bedingungen gefügt werden

Rührreibschweißen:

Festphasenschweißprozess, bei dem durch ein im Fügebereichrotierendes und trajetorial geführtes Werkzeug Reibung erzeugt, in Wärme umgesetzt und dadurch plastifiziertes Material durchmischt wird

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Bewegung:

Werkzeug-rotation

axiales Eindringen

trajektorialerVorschub

FSW-Prozessablauf, werkzeugbewegungsorientiert

1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

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1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

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Gliederung

1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

5. Ausblick

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Systemtechnische Betrachtung des FSW-Schweißprozesses

2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

Was ist prozessentwicklungsorientierte Anlagentechnik ???

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2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

Was ist prozessentwicklungsorientierte Anlagentechnik ???

mechanisch robuster, u.U. modularer Maschine – Antriebs -Steuerungsverbund zur Realisierung beliebiger geforderter Zusammenhänge von Prozesseingangsgrößen sowie Ort und Zeit

Ziel prozessentwicklungsorientierter Anlagentechnik ???

Erzielung reproduzierbarer Schweißergebnisse höchster (oder auchausreichender) mechanisch-technologischer Güte durch Variation der Prozessführung bezüglich der verwendeten Prozessführungsmodelle und deren Einstellgrößen sowie zeitparalleler Aufzeichnung aller relevanten Prozesskenngrößen; Wichtiges Merkmal scheint die einfache und auch nachträgliche Implementierbarkeit verschiedenster Adaptive-Control-Strategien sowie die Integrierbarkeit vorhandener Messsysteme zu sein.

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Gliederung

1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

5. Ausblick

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3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

ESAB SuperStir™Basic Machine

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Fünfachsportal-maschine, AdAPT-fähig (Adaptable, Adjustable, Pin Tool)Fa. MTS,

Airbus Deutschland GmbH Bremen

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

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Sechsachsportal-maschine, ISTIR 1.25

Eclipse Aviation

Eclipse500

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

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Bewertung ???

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

für uns:

- zu teuer;- nicht ausreichend supportet;- für den Einsatzzweck Prozessentwicklung nicht ausreichend geeignet;

Lösung ???

- eigenentwickelt- und gebaute Sondermaschinen für FSW und Varianten;

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3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

eigenentwickelt- und gebaute Sondermaschinen für FSW und Varianten

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Gliederung

1. Rührreibschweißen – Einblick in die Prozess- und Verfahrenswelt

2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

5. Ausblick

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kinematik:

aktiv: zweiachsig, kartesisch, Schubachsen

1. dof: Vorschubtisch, 400mm, max. 15m/min, 28kN bis 3,6m/min

2. dof: Traverse, 200mm

3. (dof: Pin, 11mm, 42kN bis 0,5mm/sec)

passiv: zweiachsig, klemmbare Drehachsen

1. dof: Klappgelenk 6° - 90°

2. dof: Toolanstellwinkel +/- 5°

zusätzlich, aktiv: zweiachsig, kartesisch, Schubachsen

1. dof: Justierachse Maschinengestell, seitlich, 100mm

2. dof: Nebenvorschb (hauptvorschubparallel)

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Kinematik:

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Kinematik:

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Antriebe:

- AC-Synchron-Servomotore, hochauflösende Absolutwertgeber;

(Positionierachsen, referenzerhaltend)

- hochpolige Synchronmaschinen, ungeregelt, drehüberwacht;

(Positionierachsen im Getriebeverbund, bei Hochlauf zu referenzieren)

- Asynchronmotore, geregelt betrieben, Resolver, feldschwächbar;

(Hauptspindelantriebe)

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Antriebe (Spindelleistungsbedarf):

zeitliches Umformvolumen: Produkt aus Querschnittsfläche Umformbereich (Nugget) und Vorschubgeschwindigkeit

Materialverhalten, Umformgrade: unbekannt

Prozesszieltemperatur: größer Rekristallisationstemperatur, kleiner Schmelztemperatur

thermischer Wirkungsgrad: etwa 1 (Vernachlässigung der Änderung der Summe der Grenzflächenenergien im Gefüge nach Rekristallisation)

Annahmen (Beispielwerte):

4 mm Stumpfstoß, Aluminium, Vorschubgeschwindigkeit 30 mm/min, Temperatur 450 °C, Drehzahl 700 min-1

TcvAPTcVEPTcmE ∆⋅⋅⋅⋅=>∆⋅⋅⋅==>∆⋅⋅=••

ρρ -- --

Skizzieren und vorrechnen, wenn Zeit! (auch Reibung Doppelschulterkonfiguration)

Antriebe (Positionierachsen Momentbedarf):

Vorrechnen, wenn Zeit! (für Kugelgewindetriebe)

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Steuerung:

- konform: IEC 61131, PLCopen, MotionControl und SoftMotion;

- Mehrachscontroller: 2,5D-Interpolation, G-Code-Interpretation;

- NC-Steuerung und SPS in einem Gerät;

- alle Antriebs- sowie Messsysteme über Feldbus angebunden;

- externe (Mess-)systeme sind einbindbar;

- auch herkömmliches digitales/analoges E/A-Feld ist bedienbar;

- diverse serielle Standards werden bedient;

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Analysis plot load control tricept 600

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

15 20 25 30 35 40 45

Time [s]

Lo

ad

[N

]

Effective Load

Default Load

Welding process: Friction Stir Welding

Welding Speed 300 mm/minWeldlength 120 mm

Material: Al 5454

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

DAQ - Datenaufzeichnung:

- Aufzeichnung aller Wege, Geschwindigkeiten, Kräfte, Momente und Maschinenzustände auf dem Zeitstrahl, 100Hz, Jitter<1ms;

- Aufzeichnung um zusätzliche Kanäle erweiterbar;

- Erstellen einer csv-Datei je Schweißung bis 300sec;

- Daten über Netzwerk abrufbar;

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

HMI (Human Machine Interface):

- zweikanaliger, mehrstufiger TOTMANN- oder Zustimmtaster;

- vollgrafikfähiges Handbediengerät auf Basis eines embedded PC,

- netzwerk- und ftp-fähig;

- zweikanaliger NOTAUS;

- TouchScreen, Softkeys;

- stoß- und fallresistent;

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Prozessführungsmodelle:

1. alle Achsen weggeregelt positioniert, zeit- oder weggesteuerte Rampenverläufe für Achs-und Spindelgeschwindigkeiten, (herkömmliches FSW, einteiliges einseitiges Tool);

2. wie 1., aber Axialkraftregelung für Tool;

3. wie 1., aber Zweischultertool mit festem Spalt, gleich-/gegenläufig;

4. wie 3., aber Zweischulterwerkzeug mit kraftgeregeltem Spalt;

5. wie 1. oder 2. oder 3., aber mit kraftgeregeltem Vorschub;

6. wie 5., aber mit festem Vorschub-Drehzahl-Verhältnis;

7. temperaturabhängige Erzeugung von Führungsgrößen; ?????

8. plastifizierungszustandsabhängige Führungsgrößengenerierung (HLR);

9. hybride Regelung: Pin über Wurzel weg- und Schulter kraftgeregelt;

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Prinzip: Verspannen des Werkzeugführungsstranges im harten Kontakt

�Kraftmessung: piezoelektrische Kraftwandler in zwei Ebenen

�Stellglied: synchroner elektromechanischer Doppelantrieb

�Regler: Proportionalregler

�Regelkreis: einschleifiger Regelkreis mit Geschwindigkeitsschnittstelle

Kraftregelung:

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

weitere Details der FlexiStir Anlage:

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Kraftregelung - Kraftmessung

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

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P1 P2

P4P3

y

x

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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zF

P1 P2

P4P3

y

x

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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zPzi

i

Pziz FFFF41

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1

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P1 P2

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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sF

P1 P2

P4P3

y

x

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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syxss FFF +=

P1 P2

P4P3

y

x

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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( ) ( ) x)um (Symmetrie ,

, und ! 0 mit

mit 0

! 0

4321

32411411321

432144332211

PsyPsyPsyPsy

PsyPsyPsyPsyPsyPsyPsyPsy

PsyPsyPsyPsysy

x

FFFF

FFFFyFFyFFy

yyyyyFyFyFyFzF

M

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=−=−=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅=

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P1 P2

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y

xx1 x2

x4x3

y1 y2

y4y3

4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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xx1 x2

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y1 y2

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Kraftregelung - Kraftmessung

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z

i

Pzi

i

Psyi

i

Psxi

i

Psyi

i

Psxi

FFFF

FF

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==

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∑∑

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4

1

4

1

4

1

4

1

4

1

0 0

•Summe der Auflagerkräfte in z-Richtung ist unabhängig von der Größe und Richtung der Seitenkraft und ist die Prozessaxialkraft!

•Bei identischen Kraftwandler-kennlinien führt eine Summation der Einzelwandlerladungen zur prozess-kraftrepräsentierenden Gesamtladung!

•Obwohl die Prozessaxialkraft in den Wandlern zu Druckkräften führt, kann der einzelne Wandler auf Zug beansprucht werden und muss deshalb vorgespannt sein!

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Kraftregelung - Kraftmessung

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•bei integrierendem Streckencharakter führt ein Proportionalregler zu stationärer Genauigkeit

v = dz/dt = kp(Fsoll – Fist)

Streckencharakter und Reglerentwurf:

• mechanisches Federsystem

• Kraft ist proportional zum Verspannweg

• zeitliche Änderung der Kraft ist proportional zur Verspanngeschwindigkeit

v F

t

Kraftregelung – Regelkreis

Fz

HMI/CNC

+

-

evz = kp* e

vz zFz =cz* z

Fz

∫ ⋅= dtvz

∑= =

NC

izi

z

C

m

QF

4

1yxzPP FFFQ ,,4...1 →

Fx Fy

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Option raumfestes/bewegtes Volumenelement:weitere Details der FlexiStir Anlage:

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4. Sondermaschine FlexiStir: Kinematik, Antriebe, Steuerung, DAQ, HMI, Prozessführungsmodelle

Option raumfestes/bewegtes Volumenelement:

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2. Maschine – Prozess – Werkstück - Interaktion

3. existierende Anlagen und maschinelle Lösungen

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5. Ausblick

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5. Ausblick

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5. Ausblick

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Am Ende kriegen wir es in den Griff.Aber es dauert noch ein bisschen.Es wird schneller gehen, wenn Sie sich alle beteiligen.

Bis dahin denken Sie auch an Fügen durch:

Rollfalzen

Nieten

Kleben.

5. Ausblick

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Ende des Vortrags.

Dank für die Ihr Interesse!

Fragen?!