Modellierung und Regelung von Warmrichtmaschinen

Projektschwerpunkte

• Modellbildung und -identifikation von mechanischen und hydraulischen Maschinenkomponenten
• Optimierungsbasierte, aktive Kompensation der elastischen Auffederung
• Reglerentwurf zur dynamischen Maschinenanstellung

Beschreibung

Warmrichtmaschinen werden bei der Blechherstellung in Walzwerken eingesetzt. Das Richten folgt im Produktionsablauf nach dem Walzen und Kühlen, um verbliebene Ebenheitsdefekte und Resteigenspannungen der Walztafeln zu reduzieren. Dazu werden die Walztafeln an Richtmaschinen durch wechselseitiges Überbiegen plastisch verformt.

Warmrichtmaschine mit Knickmechanismus.

Beim Richten von Grobblechen treten Prozesskräfte von einigen Meganewton auf, die zu einer elastischen Auffederung der Maschine im Bereich von mehreren Millimetern führen. Zur Einhaltung der Richtqualität muss diese Auffederung kompensiert werden, z.B. mit Hilfe von Aktoren oder einem Knickmechanismus. Gleichzeitig muss die Maschine vor Überlastung geschützt werden.

Daher sind hier die Analyse und die mathematische Modellierung des mechanischen und hydraulischen Aufbaus der Richtmaschine von Interesse. Die Schwerpunkte der Modellierung sind die elastische Auffederung der Maschinenkomponenten sowie Reibeffekte in den hydraulischen Aktoren und den Gelenken des Knickmechanismus.

Der Ausgangspunkt des mathematischen Auffederungsmodells ist ein Euler-Bernoulli-Balken-Modell der Richtrollen. Die elastische Abstützung der Richtrollen durch die Stützrollen, den Rahmen und die Ständer wird mit Nachgiebigkeitsmatrizen abgebildet. Das Modell wurde mit Hilfe instrumentierter Bleche validiert. Ein reduziertes finit-dimensionales Modell bildet die Grundlage der Berechnung einer optimalen Auffederungskompensation. Ein Optimierungsalgorithmus ermittelt die Anstellung der Aktoren so, dass die gewünschte Position und Form der Richtrollen und damit die gewünschte Walztafelkrümmung bestmöglich eingestellt wird. Dabei wird direkt im Optimierungsverfahren die mechanische Belastung der Maschinenkomponenten berücksichtigt und somit eine Überlastung der Richtmaschine vermieden. Zur Ermittlung der Verformungskräfte an der Walztafel steht ein nichtlineares Richtmodell zur Verfügung.

Die gezielte Krümmung der Richtrollen mit Hilfe des Knickmechanismus der Richtmaschine ist entscheidend für eine genaue Auffederungskompensation. Auf Basis eines validierten dynamischen Modells des Knickmechanismus wurde eine Regelung der Knickrahmen-Anstellung entwickelt, die eine gewünschte Richtrollenkrümmung auch unter der Wirkung der Richtkraft und Reibung in den Gelenken verlässlich einstellt.

Die entwickelten Lösungen konnten bereits erfolgreich an einer industriellen Warmrichtmaschine für Grobbleche in Betrieb genommen werden.

Ausgewählte Veröffentlichungen

• R. Brauneis, M. Baumgart, A. Steinboeck, and A. Kugi, Deflection Model Of A Multi-Actuator Gap Leveler, in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, pp. 11295-11300.
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  title = {Deflection Model Of A Multi-Actuator Gap Leveler},
  booktitle = {Proceedings of the 20th IFAC World Congress},
  year = {2017},
  volume = {50},
  number = {1},
  month = {7},
  pages = {11295-11300},
  doi = {10.1016/j.ifacol.2017.08.1647},
  address = {Toulouse, France},
  issn = {2405-8963},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, T. Kiefer, and A. Kugi, Modelling and experimental validation of the deflection of a leveller for hot heavy plates, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, vol. 21, iss. 3, p. 202–227, 2015.
  [BibTex] [Download]

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  Title = {Modelling and experimental validation of the deflection of a leveller for hot heavy plates},
  Author = {Baumgart, M. and Steinboeck, A. and Kiefer, T. and Kugi, A.},
  Journal = {Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems},
  Pages = {202--227},
  Volume = {21},
  Year = {2015},
  Number = {3},
  Doi = {10.1080/13873954.2014.941881},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, A. Kugi, G. Raffin-Peyloz, L. Irastroza, and T. Kiefer, Optimal Active Deflection Compensation of a Hot Leveler, in Proceedings of the IFAC Workshop on Automation in the Mining, Mineral and Metal Industries, Gifu, Japan, 2012, p. 30 – 35.
  [BibTex]

  @InProceedings{Baumgart12,
  author = {M. Baumgart and A. Steinboeck and A. Kugi and G. Raffin-Peyloz and L. Irastroza and T. Kiefer},
  title = {{O}ptimal {A}ctive {D}eflection {C}ompensation of a {H}ot {L}eveler},
  booktitle = {Proceedings of the IFAC Workshop on Automation in the Mining, Mineral and Metal Industries},
  year = {2012},
  month = {9},
  pages = {30 -- 35},
  doi = {10.3182/20120910-3-JP-4023.00009},
  address = {Gifu, Japan},
  }

• M. Baumgart, A. Steinboeck, A. Kugi, B. Douanne, G. Raffin-Peyloz, L. Irastroza, and T. Kiefer, Modeling and Active Compensation of the Compliance of a Hot Leveler, steel research international, vol. Special Edition ICTP2011, p. 337–342, 2011.
  [BibTex]

  @Article{Baumgart11a,
  Title = {{Modeling and Active Compensation of the Compliance of a Hot Leveler}},
  Author = {M. Baumgart and A. Steinboeck and A. Kugi and B. Douanne and G. Raffin-Peyloz and L. Irastroza and T. Kiefer},
  Journal = {steel research international},
  Pages = {337--342},
  Volume = {Special Edition ICTP2011},
  Year = {2011},
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• M. Baumgart, A. Steinboeck, A. Kugi, G. Raffin-Peyloz, B. Douanne, L. Irastorza, and T. Kiefer, Active compliance compensation of a hot leveler, in Proceedings of the 4th International Conference on Modelling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking, STEELSIM, METEC InSteelCon 2011, Düsseldorf, Germany, 2011.
  [BibTex]

  @InProceedings{Baumgart11,
  author = {M. Baumgart and A. Steinboeck and A. Kugi and G. Raffin-Peyloz and B. Douanne and L. Irastorza and T. Kiefer},
  title = {Active compliance compensation of a hot leveler},
  booktitle = {Proceedings of the 4th International Conference on Modelling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking, STEELSIM, METEC InSteelCon 2011},
  year = {2011},
  month = {6},
  address = {D\"usseldorf, Germany},
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Anwendungsbereiche

• Walzwerksautomatisierung
• Umformmaschinen