Soft Sensor-based Servo Press Monitoring

Abstract

The force that a servo press exerts forming a workpiece is one the most important magnitudes in any metal forming operation. The process force, along with the characteristics of the die, is what shapes the workpiece. When the process force is greater than the maximum force for which the servo press was designed, the servo press integrity can be damaged. Therefore, the knowledge of the process force is of great interest for both, press manufacturers and users. As such, the metal forming sector is seeking systems that can monitor the process force and the operation of the servo press to analyse process’s performance and predict future deviations in the forming operation. Servo press users want to guarantee the quality of the formed parts and reduce facility downtimes due to malfunctions of the press. This dissertation addressed the monitoring of the process force and the dynamic performance of a servo press based on a model based statistical signal processing algorithm known as the dual particle filter (dPF). Initially both, the developed model of a servo press and the proposed dPF, have been experimentally evaluated and validated in a reduced scale test bench. The test bench has been designed and manufactured based on a design methodology that allows to replicate the kinematic and dynamic behaviour of different servo press facilities in the same test bench. The experimental validation has been also carried out in an industrial servo press under three different metal forming processes. The estimation results have proved the ability of the dPF to track the process force throughout the evaluated processes, obtaining a deviation lower than 5% with respect to the measured force signals at the maximum force position. The dPF algorithm has been accelerated by means of a field programmable gate array (FPGA) to achieve a real time estimation.

Serbo prentsa batek pieza gordin bat eraldatzeko egindako prozesuko indarra edozein konformatu eragiketako magnitude garrantzitsuenetarikoa da. Prozesuko indarra da, trokelaren ezaugarriekin batera, pieza gordina eraldatzen duena. Prozesuko indarra prentsak diseinuaren arabera jasan dezakeena baino handiagoa bada, prentsak kalteak izan ditzake bere osotasunean. Beraz, prozesuko indarraren ezagutza interes handikoa da, prentsa egileentzat zein erabiltzaileentzat. Hori dela eta, metal eraldatzearen sektoreak prozesuko indarra eta prentsa beraren funtzionamendua monitoriza ditzaketen sistemen bila diardute, prentsaren jarduera aztertu eta eraldatzeko operazioetan etorkizunean izan daitezkeen desbideraketak aurreikusteko. Prentsa erabiltzaileek fabrikatutako piezen kalitatea bermatzea eta funtzionamendu akatsengatiko prentsaren geldialdiak murriztea bilatzen dute. Tesi honek servo prentsa baten prozesuko indarra eta portarea dinamikoaren monitorizazioa jorratzen ditu, dual particle filter (dPF) izeneko modeloetan oinarritutako seinalaren prozesamendu estadistikoko algoritmo baten bitartez. Lehenik eta behin, garatutako servo prentsaren modeloa eta proposatutako dPFa eskalatutako entsegutarako banku batean ebaluatu eta balioztatu dira. Eskalatutako entsegutarako bankua serbo prentsa desberdinen portaera zinematiko eta dinamikoa erreplikatzea ahalbidetzen duen metodologia baten bitartez diseinatu eta gauzatu da. Esperimentu bidezko balioztatzea serbo prentsa industrial batean ere gauzatu da hiru konformatuko prozesu desberdinetan. Estimazio emaitzek dPFak prozesuko indarrari jarraitzeko duen ahalmena forgatu dute, neurtutako indarrarekiko %5ekoa baino txikiagoko desbideraketa lortuz indar maximoa egiten den puntuan. dPF algoritmoa field programmable gate array (FPGA) baten bitartez azeleratu da, denbora errealeko estimazioa lortzeko.

La fuerza que una servo prensa ejerce conformando una pieza es la magnitud más importante en cualquier operación de conformado. La fuerza aplicada, junto a las características del troquel, es la magnitud que da forma a la pieza. Cuando la fuerza de proceso es más grande que la fuerza máxima para la que fue diseñada la servo prensa, la integridad de ésta puede verse afectada. Por lo tanto, el conocimiento de la fuerza de proceso es de gr´an interés tanto para los fabricantes de prensas como para los usuarios de las mismas. Así pues, el sector del conformado está buscando sistemas capaces de monitorizar la fuerza de proceso y el funcionamiento de la servo prensa para analizar el proceso y predecir futuras desviaciones de las operaciones de conformado. Los usuarios de las servo prensas quieren garantizar la calidad de las piezas fabricadas y reducir las paradas de las servo prensas debidas al mal funcionamiento de las mismas. Esta tesis aborda la monitorización de la fuerza de proceso y el comportamiento dinámico de una servo prensa mediante un algoritmo de tratamiento estadístico de la señal conocido como el dual Particle Filter (dPF). Inicialmente, tanto el modelo desarrollado como el dPF propuesto han sido evaluados y validados experimentalmente en un banco de ensayos de escala reducida. El banco de ensayos ha sido diseñado y fabricado mediante una metodología de diseño que permite replicar el comportamiento cinem´atico y din´amico de distintas servo prensas en el mismo banco. La validación experimental también se ha llevado a cabo en una servo prensa industrial mediante tres procesos de conformado distintos. Los resultados de estimación han provado la habilidad del dPF para seguir la fuerza de proceso en los procesos evaluados, obteniendo una desviación menor que un 5% con respecto a las señales medidas en el punto donde se da la fuerza máxima. El algoritmo dPF ha sido acelerado mediante un filed programmable gate array (FPGA) para lograr estimaciones en tiempo real.