Analysis of Process Control of Roller Leveling by Utilization of a FE Model with Integrated Closed-loop Control Structures
Final Report Abstract
Im Forschungsprojekt „Untersuchungen zur Prozessführung des Richtwalzens unter Nutzung eines FE-Modells mit integrierten Regelstrukturen“ ist eine Steuerung für den Richtwalzprozess entwickelt und getestet worden. Aus einer Analyse von Abhängigkeiten zwischen messbaren Prozessparametern und den Eigenschaften des Richtgutes wurde die resultierende Kraft im ersten Biegedreieck als geeignetste Größe für eine Prozesssteuerung identifiziert. Das Steuerungskonzept sieht eine numerische Berechnung dieser Kraft sowie der zugehörigen Anstellung des letzten Biegedreiecks, welche in einem planen Band resultiert, in Abhängigkeit der Richtguteigenschaften vor. Hieraus ergeben sich sogenannte Steuerkurven, welche der Anlage über entsprechende Ausgleichsfunktionen hinterlegt werden und damit eine schnelle prozessbegleitende Identifikation und Kompensation sich ändernder Richtguteigenschaften ermöglichen. Um zunächst eine ausreichend genaue numerische Abbildung des Richtwalzprozess und hierbei insbesondere der resultierenden Biegekraft zu ermöglichen, muss insbesondere das Materialverhalten des Richtgutes präzise abgebildet werden. Das Richtgut erfährt während des Prozesses eine alternierende Wechselbiegung, welche durch ein entsprechendes Materialmodell nach Lemaitre und Chaboche abgebildet wird. Um die einzelnen Parameter des Materialmodells zu bestimmen, wurden zyklische Zug-Druck-Versuche durchgeführt und durch inverse Simulation die Modellparameter bestimmt. Für jeden der drei untersuchten Werkstoffe (AA5005, DC01, DP1000) wurden auf diese Weise die Modellparameter bestimmt. Zur numerischen Berechnung der Kraft im ersten Biegedreieck und der zugehörigen Anstellung des letzten Biegedreiecks wurde ein FE-Modell des Richtwalzprozesses aufgebaut. Dieses FE-Modell wurde mittels einer Subroutine um einen Regelkreis erweitert. Dieser misst die Restkrümmung des auslaufenden Bandes und passt die Anstellung des letzten Biegedreiecks so lange an, bis ein planes Band die Anlage verlässt. Somit ist es möglich für eine gegebene Kombination der Richtguteigenschaften die für das Steuerungskonzept notwendige Kraft im ersten Biegedreieck und die Anstellung im letzten Biegedreieck in nur einem Simulationsdurchlauf zu ermitteln. Mit Hilfe des zuvor erstellten geregelten FE-Modells sind für verschiedene Kombinationen der Richtguteigenschaften Korrelationen zwischen der Kraft im ersten Biegedreieck und der Anstellung im letzten Biegedreieck bestimmt worden. Die Abhängigkeit zwischen diesen beiden Größen kann über geeignete funktionelle Zusammenhänge beschrieben und der Prozesssteuerung hinterlegt werden. Das in diesem Projekt umgesetzte Steuerungskonzept stellt eine Vorsteuerung dar, da basierend auf der Kraftmessung im ersten Biegedreieck die Anstellung des letzten durchlaufenen Biegedreiecks angepasst wird. Diese Vorsteuerung wurde zunächst über eine Subroutine in das FE-Modell des Richtwalzprozesses integriert und genutzt, um Bänder mit unterschiedlichen Festigkeiten über der Bandlänge zu richten. Dabei zeigte sich, dass über die Kraftmessung im ersten Biegedreieck die Bereiche unterschiedlicher Festigkeit detektiert werden können und eine Anpassung der Anstellung im letzten Biegedreieck ein konstant gutes Richtergebnis sicherstellt. Weiterhin wurde die Vorsteuerung auch auf eine bestehende Versuchsrichtanlage übertragen. Auch hier konnte gezeigt werden, dass die Vorsteuerung in der Lage ist über die Bandlänge variierende Krümmungen auszugleichen.
Publications
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Adjusting of Roller Levellers by Finite Element Simulations Including a Closed-loop Control, Advanced Materials Research Vol. 1018, pp. 207-214, 2014
M. Grüber, M. Oligschläger und G. Hirt
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The Effect of the Initial Stress and Strain State in Sheet Metals on the Roller Levelling Process, Key Engineering Materials Vol. 651-653, pp. 1023-1028, 2015.
M. Grüber, M. Oligschläger und G. Hirt
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Layout of the roller levelling process via controlled Finite Element Simulations, ICME 2016, Barcelona, April 12th -15th 2016
M. Grüber and G. Hirt
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Numerical Investigation of a Process Control for the Roller Levelling Process based on a Force Measurement, Materials Science Forum, Vol. 854, pp. 249-254, 2016
M. Grüber und G. Hirt
