Call number: LD2668 .T4 1952 S25 / Master of Science

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The thesis presents the development of force controller to maintain desired normal forces during a very stiff contact operation conducted in a Computer Numerical Control (CNC) machine. Force controller approach described in this thesis requires the accurate knowledge of the nominal tool path a priori. Obtaining the nominal tool path accurately is carried out by a vision based profile tracking system presented in this thesis. Both the force control and visual profile tracking systems require the development of an active control system to respond to force and vision signals. To facilitate the active control, a two-stage approach has been taken. The first stage is to bring the CNC machine under real-time control of an external computer. The second stage is the design of the active axis controller. This is achieved by adding sensor feedback loops to the external axis controller. The purpose of the active vision based profile tracking system is to automatically generate the tool path accurately. Emphasis is on combining low resolution vision with visual control of the precision CNC machine to attain the accuracy required for metal spinning. Combination of visual profile tracking and an edge detection method that gives sub-pixel accuracy were used to obtain the required tool path. A curvature detection algorithm was developed to identify segments of the tool path by assuming that the tool path consists of circular and straight line segments. The developed active force controller operates in a dynamic setup and is used to maintain tool forces at desired levels. The complete control system operates in a manner similar to reaction compensation and the force controller can be viewed as an integrating on-off controller with minimum integral wind-up effect. As a result, a direct dependency of the control efforts on error signals has been eliminated. In addition, the force controller brings in artificial damping that ensures the stability of the control system. To demonstrate the effect of the force controller, spun component qualities were assessed.

The thesis presents the development of force controller to maintain desired normal forces during a very stiff contact operation conducted in a Computer Numerical Control (CNC) machine. Force controller approach described in this thesis requires the accurate knowledge of the nominal tool path a priori. Obtaining the nominal tool path accurately is carried out by a vision based profile tracking system presented in this thesis. Both the force control and visual profile tracking systems require the development of an active control system to respond to force and vision signals. To facilitate the active control, a two-stage approach has been taken. The first stage is to bring the CNC machine under real-time control of an external computer. The second stage is the design of the active axis controller. This is achieved by adding sensor feedback loops to the external axis controller. The purpose of the active vision based profile tracking system is to automatically generate the tool path accurately. Emphasis is on combining low resolution vision with visual control of the precision CNC machine to attain the accuracy required for metal spinning. Combination of visual profile tracking and an edge detection method that gives sub-pixel accuracy were used to obtain the required tool path. A curvature detection algorithm was developed to identify segments of the tool path by assuming that the tool path consists of circular and straight line segments. The developed active force controller operates in a dynamic setup and is used to maintain tool forces at desired levels. The complete control system operates in a manner similar to reaction compensation and the force controller can be viewed as an integrating on-off controller with minimum integral wind-up effect. As a result, a direct dependency of the control efforts on error signals has been eliminated. In addition, the force controller brings in artificial damping that ensures the stability of the control system. To demonstrate the effect of the force controller, spun component qualities were assessed.

Das Formdrücken findet seine industrielle Anwendung in der Herstellung rotationssymmetrischer Hohlbauteile für kleine und mittlere Losgrößen. Diese Bauteile werden häufig in einem weiteren Verfahrensschritt als Vorform für die Herstellung profilierter Hohlkörper genutzt. Verfahrensbedingt tritt bereits bei der Vorformherstellung eine ungewollte Blechdickenabnahme auf. Um diese Blechdickenabnahme zu minimieren, wurde anhand numerischer Methoden das Verfahren des Rotationsschwenkbiegens an der Professur Virtuelle Fertigungstechnik der TU Chemnitz entwickelt. Das Prinzip dieses inkrementellen Umformprozesses basiert auf einer Verfahrenskombination des konventionellen Drückens und des Schwenkbiegens, mit dem Ziel der faltenfreien Herstellung von Hohlbauteilen bei gleichzeitiger minimaler Blechausdünnung. Die als Halbzeug verwendete Ronde wird zu Beginn des Prozesses auf eine formgebende Matrize gespannt und in Rotation versetzt. Durch die Schwenkbewegung eines zylindrischen Umformwerkzeuges wird das ebene Blech an die Kontur der Matrize angelegt, wobei keine Relativbewegung zwischen Blech und Werkzeug stattfindet. Demzufolge entstehen minimale Zugspannungen in der Blechebene und die Blechausdünnung wird deutlich verringert. Durch die Durchmesserreduzierung bilden sich jedoch ebenso tangentiale Druckspannungen aus, welche zu einer ungewollten Faltenbildung führen können. Im Rahmen des Vortrages werden anhand von FEM-Simulationen Möglichkeiten vorgestellt, um diese Druckspannungen zu reduzieren oder gezielt zur Vorformherstellung für profilierte Hohlbauteile zu nutzen.

Um die wirtschaftliche Relevanz und die Flexibilität des Formdrückens zu erweitern, ist ein Maschinen- und Steuerungskonzept entwickelt worden, dass auch die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen erlaubt. Neben experimentellen Untersuchungen zur Verfahrensentwicklung wurde ebenfalls eine numerische Verfahrensoptimierung des neu entwickelten Prozesses „Unrunddrücken“ durchgeführt, um unrunde Bauteile falten- und rissfrei sowie mit geringer Blechdickenreduktion herstellen zu können. In ersten experimentellen Untersuchungen wurden die technologischen Haupteinflussgrößen auf die Versagensformen Falten- und Rissbildung sowie die Blechausdünung ermittelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist ein kalibriertes Simulationsmodell erarbeitet worden, mit dem es möglich ist, das Prozessverständnis zu erhöhen und somit die Versagensfälle ganzheitlich über den Prozess zu betrachten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für das Unrunddrücken abzuleiten. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl die Falten- und Rissbildung als auch die Blechdickenreduktion durch die Optimierungsmaßnahmen deutlich reduziert werden können. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Verfahren des Unrunddrückens stellt einen effizienten, kostengünstigen und vor allem flexiblen Fertigungsprozess für die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen mit nahezu konstantem Blechdickenverlauf dar.

Um die wirtschaftliche Relevanz und die Flexibilität des Formdrückens zu erweitern, ist ein Maschinen- und Steuerungskonzept entwickelt worden, dass auch die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen erlaubt. Neben experimentellen Untersuchungen zur Verfahrensentwicklung wurde ebenfalls eine numerische Verfahrensoptimierung des neu entwickelten Prozesses „Unrunddrücken“ durchgeführt, um unrunde Bauteile falten- und rissfrei sowie mit geringer Blechdickenreduktion herstellen zu können. In ersten experimentellen Untersuchungen wurden die technologischen Haupteinflussgrößen auf die Versagensformen Falten- und Rissbildung sowie die Blechausdünung ermittelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen ist ein kalibriertes Simulationsmodell erarbeitet worden, mit dem es möglich ist, das Prozessverständnis zu erhöhen und somit die Versagensfälle ganzheitlich über den Prozess zu betrachten. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um Optimierungsmaßnahmen für das Unrunddrücken abzuleiten. Es konnte experimentell nachgewiesen werden, dass sowohl die Falten- und Rissbildung als auch die Blechdickenreduktion durch die Optimierungsmaßnahmen deutlich reduziert werden können. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Verfahren des Unrunddrückens stellt einen effizienten, kostengünstigen und vor allem flexiblen Fertigungsprozess für die Herstellung von nichtrotationssymmetrischen Bauteilen mit nahezu konstantem Blechdickenverlauf dar.

Das Formdrücken findet seine industrielle Anwendung in der Herstellung rotationssymmetrischer Hohlbauteile für kleine und mittlere Losgrößen. Diese Bauteile werden häufig in einem weiteren Verfahrensschritt als Vorform für die Herstellung profilierter Hohlkörper genutzt. Verfahrensbedingt tritt bereits bei der Vorformherstellung eine ungewollte Blechdickenabnahme auf. Um diese Blechdickenabnahme zu minimieren, wurde anhand numerischer Methoden das Verfahren des Rotationsschwenkbiegens an der Professur Virtuelle Fertigungstechnik der TU Chemnitz entwickelt. Das Prinzip dieses inkrementellen Umformprozesses basiert auf einer Verfahrenskombination des konventionellen Drückens und des Schwenkbiegens, mit dem Ziel der faltenfreien Herstellung von Hohlbauteilen bei gleichzeitiger minimaler Blechausdünnung. Die als Halbzeug verwendete Ronde wird zu Beginn des Prozesses auf eine formgebende Matrize gespannt und in Rotation versetzt. Durch die Schwenkbewegung eines zylindrischen Umformwerkzeuges wird das ebene Blech an die Kontur der Matrize angelegt, wobei keine Relativbewegung zwischen Blech und Werkzeug stattfindet. Demzufolge entstehen minimale Zugspannungen in der Blechebene und die Blechausdünnung wird deutlich verringert. Durch die Durchmesserreduzierung bilden sich jedoch ebenso tangentiale Druckspannungen aus, welche zu einer ungewollten Faltenbildung führen können. Im Rahmen des Vortrages werden anhand von FEM-Simulationen Möglichkeiten vorgestellt, um diese Druckspannungen zu reduzieren oder gezielt zur Vorformherstellung für profilierte Hohlbauteile zu nutzen.