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2st IPSUS Progress Meeting 12.o6.2oo8

Beitrag

FlexiStir:

prozess- und verfahrensentwicklungsorientierte

Rührreibschweißanlagentechnik


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



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


Bewegung:

Werkzeug-rotation

axiales Eindringen

trajektorialerVorschub

FSW-Prozessablauf, werkzeugbewegungsorientiert



Gliederung





5. Ausblick


Systemtechnische Betrachtung des FSW-Schweißprozesses


Was ist prozessentwicklungsorientierte Anlagentechnik ???



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.


Gliederung





5. Ausblick



ESAB SuperStir™Basic Machine


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

Airbus Deutschland GmbH Bremen



Sechsachsportal-maschine, ISTIR 1.25

Eclipse Aviation

Eclipse500



Bewertung ???


für uns:

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

Lösung ???

- eigenentwickelt- und gebaute Sondermaschinen für FSW und Varianten;



eigenentwickelt- und gebaute Sondermaschinen für FSW und Varianten


Gliederung





5. Ausblick



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)



Kinematik:



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)



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)



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;


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


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;



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;



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;


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:


weitere Details der FlexiStir Anlage:


Kraftregelung - Kraftmessung



P1 P2

P4P3

y

x




zF

P1 P2

P4P3

y

x




zPzi

i

Pziz FFFF41

4

1

−=−= ∑=

P1 P2

P4P3

y

x




sF

P1 P2

P4P3

y

x




syxss FFF +=

P1 P2

P4P3

y

x




( ) ( ) x)um (Symmetrie ,

, und ! 0 mit

mit 0

! 0

4321

32411411321

432144332211

PsyPsyPsyPsy

PsyPsyPsyPsyPsyPsyPsyPsy

PsyPsyPsyPsysy

x

FFFF

FFFFyFFyFFy

yyyyyFyFyFyFzF

M

−=−=

==≠+=−−

=−=−=⋅+⋅+⋅+⋅=⋅=

=∑

P1 P2

P4P3

y

xx1 x2

x4x3

y1 y2

y4y3




( ) ( ) y)um (Symmetrie ,

, und ! 0 mit

mit 0

! 0

4231

43211431211

432144332211

PsxPsxPsxPsx

PsxPsxPsxPsxPsxPsxPsxPsx

PsxPsxPsxPsxsx

y

FFFF

FFFFxFFxFFx

xxxxxFxFxFxFzF

M

−=−=

==≠−−=+

−=−==⋅+⋅+⋅+⋅=⋅=

=∑

P1 P2

P4P3

y

xx1 x2

x4x3

y1 y2

y4y3




z

i

Pzi

i

Psyi

i

Psxi

i

Psyi

i

Psxi

FFFF

FF

=++

==

∑∑∑

∑∑

===

==

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!




•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




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



Option raumfestes/bewegtes Volumenelement:


Gliederung





5. Ausblick


5. Ausblick


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


Ende des Vortrags.

Dank für die Ihr Interesse!

Fragen?!

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