CN101370646B - 机械压力机驱动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作机械压力机的方法，所述压力机包括至少一个驱动电机(20)、用于控制至少一个所述电机的驱动控制装置、撞锤(23)以及机械装置(27，25)，机械装置(27，25)用于沿第一旋转方向将至少一个所述电机的旋转运动转换成所述撞锤的线性运动，所述撞锤的线性运动是所述撞锤沿着线性路径(S)降低和升高的运动以便操作所述压力机执行压制循环，所述压制循环包括压制部分和一个或多个非压制部分，通过向所述驱动控制装置提供控制输出，使得至少一个所述驱动电机的速度(WM)在所述压制循环的至少一个所述压制部分或非压制部分期间改变。所述压力机可以在生产循环之间反向。本发明还描述了压力机以及包括这种压力机的系统。

Description

机械压力机驱动系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于由毛坯压制、冲压或冲孔成金属零件的机械压力机。具体地，本发明公开了一种由电机驱动的机械压力机，该机械压力机具有用于控制从驱动电机到压力机的撞锤的动力传递的改进系统。 
背景技术
机械压力机常用于由钢毛坯或工件生产冲压的汽车零件。通常，压力机驱动装置和动力传递系统或运动部件经由飞轮驱动。飞轮的功能是储存完成一个循环必须的能量。飞轮借助于离合器和制动系统(可以是气动的或液压的)与运动部件连接和脱离。当要改变这样的压力机的模具或模型时，包括设定机械位置以补偿随时间的磨损等的设置过程通常是一个复杂而由耗时的过程，该过程包括需要大量技能和知识的机械调整。还需要对驱动链中的任何离合器或制动器进行维护。 
此外，一旦设置好用给定的模具工作，常规电机驱动的机械压力机、连杆压力机、曲柄压力机等的工作循环就得以固定。例如，一旦设定飞轮的速度并且离合器已啮合，则压力机将沿着固定的模式--例如图3、5(现有技术)所示的模式--运动，该模式会被重复需要的次数。压力机速度在此通过电机或机械传动部件--例如偏心轮--的转动速度、或压力机撞锤的线性速度进行描述。具有固定的循环意味着对压力机工作循环的任何调整或优化都需要打断生产过程，并且需要对驱动传动装置、飞轮等的机械部件进行调整，以便改变压力机循环或循环时间。图3(现有技术)示出了常规机械压力机的压制生产循环的一般性速度曲线图，它以压制速度Wp对时间的方式表示。生产循环时间是从开始到结束的一个完整生产循环的总时间，通常包括：从压制循环开始到压制速度Wp的短的加速时间；处于恒定压制速度Wp的时间段；实际压制操作的时间段P--这期间速度通常下降；压制后的一段时间--这期间速度逐渐重新升高到压制速度；以及最后的减速或制动时间段--这期间，在压制循环的终点，压力机停止。最后，通常当压力机被卸载和再装载时，压力机通常停留在停止状态一段时间。因而，生产循环从压制循环的起点开始，并终止于压制循环的终点加上所有停止的时间。
压力机通常通过机械制动停止。图5(现有技术)示出了一般的位置曲线图，它包括以撞锤位置对时间的形式表示的完整生产循环。该位置图示出了这样的循环：该循环以撞锤位置处于上止点(TDC)开始，然后撞锤加速到较低位置，直到压制阶段P开始，该压制阶段从压模和工件之间的冲击点I开始。撞锤继续向下移动到下止点(BDC)——最低的撞锤位置，这时压力机完全闭合。在BDC之后，撞锤加速朝向TDC返回，在TDC点处压力机再次处于完全开启位置。 
名称为Bottom Dead Centre Correction Device for Press ServoMachine、由Oyamada拥有的US 6,619,088记载了一种用于伺服压力机的下止点矫正设备，其中用伺服电机作为动力源将撞锤升高和降低。这样的压力机具有不需要飞轮来提供压制或冲压操作的能量的优点。具有这种传动类型的压力机通常具有高的峰值能量需求。然而，所示的设备具有滚珠丝杠驱动器，这种类型的传动直到目前为止通常在能够传递的力的大小方面受限，并且受到小压力机和/或高价值的冲压产品的制造成本的限制。 
从Aida-America公司的公开资料已知，使用伺服电机通过对滑动机构的直接驱动来驱动机械压力机(对比文件1)。这种直接驱动的伺服压力机类型具有不需要飞轮、离合器或制动器以及具有可编程的撞锤运动的优点。然而，伺服电机压力机对于某些产品可能具有高的峰值功率消耗，尤其是对于需要深拉的大产品更是如此。 
发明内容
根据本发明的一个或多个实施方案，提供一种用于操作机械压力机的改进方法，所述压力机包括至少一个驱动电机、用于控制所述电机的驱动控制装置、撞锤以及机械装置，所述机械装置用于将所述电机的旋转运动转换成所述撞锤的线性运动，所述撞锤的线性运动是所述撞锤沿着线性路径降低和升高的运动，以便操作所述压力机以执行生产循环，所述生产循环包括所述循环的压制部分和一个或多个非压制部分，其中，通过向所述驱动控制装置提供控制输出，使得所述驱动电机的速度在所述生产循环的至少一个所述压制部分或至少一个非压制部分期间得以 改变，并且所述压制循环包括大于360度的曲柄角的转动运动。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，其中至少一个所述驱动电机的速度在所述生产循环的至少一个非压制部分期间以受控方式改变，并且可以大于所述驱动电机在循环的所述压制部分期间的速度。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，其中至少一个所述驱动电机的速度在所述生产循环的起点和该循环的所述压制部分之间以可变方式受到控制，并达到比所述驱动电机在循环的所述压制部分期间的速度大的速度。 
根据本发明的一个或多个实施方案，提供一种对操作机械压力机的方法的改进，该压力机包括至少一个驱动电机、用于控制该电机的驱动控制装置、压力机撞锤和用于将所述电机的旋转运动转变成所述撞锤的线性运动的曲柄构件或偏心轮，所述撞锤被设置为沿着线性路径降低和升高，以便操作所述压力机，并且通过该改进向所述驱动控制装置提供控制输出，使得沿着第一旋转方向进行的各个完整生产循环的各个压制循环扩展到大于360度的曲柄旋转角。 
根据本发明的一个实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括提供控制输出，以控制至少一个所述电机在压制循环的、在达到一个位置或者其它与这个位置相关的位置之前的第一部分期间加速到可以超过压制速度的速度，所述位置等于与压制循环相关的模具保护角。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，其中在模具和工件之间发生第一次接触的冲击角或位置之前，将电机速度从比压制期间的电机速度比压制期间的电机速度大的最高或最大速度降低到压制速度。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，使得当压力机的开启在模具和工件之间的第一冲击位置和下止点(BDC)或下止点附近之间时所述电机的速度能够以可变形式受到控制。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，使得例如在进行热冲压时在到达下止点(BDC)或下止点附近之后以可变方式控制所述电机的速度以停止一段时间。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，使得在到达下止点(BDC)或下止点附近之后将所述电机速度以可变方式控制为升高。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括在到达压制循环的卸载凸轮角(UC)或与卸载凸轮角相关的位置之后使所述电机速度从压制循环的减速位置开始减速。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括使所述电机减速并使沿着第一方向的压制循环在停止位置停止，该停止位置的曲柄角大于360度或者位于两次经过上止点(TDC)的位置。 
根据本发明的一个或多个实施方案，提供一种对操作机械压力机的方法的改进，该压力机包括至少一个驱动电机、用于控制所述电机的驱动控制装置、压力机撞锤以及曲柄构件，所述曲柄构件用于将所述电机的旋转运动转变成所述撞锤的线性运动，所述撞锤设置为沿着线性路径降低和升高以便操作所述压力机，通过该改进向所述驱动控制装置提供控制输出，使得在各个完整的所述生产循环结束时将至少一个所述驱动电机反转到第二旋转方向。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，使得所述电机从小于0度或在0度之前或在上止点(TDC)之前的起点位置开始加速，并且在沿着第一旋转方向的压制循环期间经过TDC两次。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，从而将所述撞锤移向每个压制循环的循环起点位置，所述循环起点位置是与沿着第一旋转方向的前一生产循环的终点位置相比沿着第二旋转方向后退多度的曲柄角。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，使得所述电机的旋转运动在各个连续的并且完整的生产循环之间从第一旋转方向反向到第二旋转方向。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，其中所述电机在第一生产循环期间，从小于0度或上止点(TDC)曲柄角的起点位置开始沿着第一旋转方向加速，并且在第二生产循环期间，从大于360度或TDC的起点位置开始沿着第二旋转方向加速。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的方法的形式提供改进，包括向所述驱动控制装置提供控制输出，使得所述电机在第一生产循环期间，从0度之前或到达TDC之前的减速位置开始沿着第一旋转方向减速，并且在第二生产循环期间，从大于360度或到达TDC之前的减速位置开始沿着相反的第二旋转方向减速。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的形式提供改进，该压力机包括驱动电机、用于控制该电机的驱动控制装置、压力机撞锤以及用于将所述电机的旋转运动转变成所述压力机撞锤的线性运动的构件，所述撞锤设置为沿着线性路径降低和升高，以便操作所述压力机，通过所述改进，将所述驱动控制装置设置为控制电机以提供完整的生产循环，所述压力机包括用于对沿着第一旋转方向的大于360度的旋转运动进行转换的旋转构件以及使所述电机的旋转方向能够反向的装置。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的形式提供改进，所述机械压力机包括被设置为用于在沿第一方向的完整生产循环之后使电机的旋转方向反向的计算机程序或软件装置。 
根据本发明的实施方案的另一方面，以一种机械压力机的形式提供改进，所述机械压力机包括电机，并且所述压力机包括用于确定压力机中的偏心轮旋转角、曲柄旋转角或撞锤的线性位置的位置传感器装置。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种包括电机的机械压力机的形式提供改进，所述压力机可以包括包含于所述电机中的用于确定该电机的轴的位置或速度的传感器装置。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的形式提供改进，所述压力机在所述控制装置或控制单元中包括用于测量或以其它方式确定所述电机的速度的装置。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的形式提供改进，其中用于将至少一个所述电机的旋转运动转变成所述撞锤的线性运动的 所述机械装置包括以下任何传动装置类型：曲柄、转向节、连杆、凸轮、丝杠、滚珠丝杠或齿条型机构。 
根据本发明的另一个实施方案，以一种机械压力机的形式提供改进，其中旋转质量的惯量部分地通过压力机的任何运动部件的惯量的变化来进行改变，所述运动部件例如为电机、压力机齿轮、齿轮箱或飞轮。压力机的运动部件的惯量的变化可以例如通过离合器或联轴器装置的接合或脱离而以在线或离线的方式进行。可实现惯量变化的压力机运动部件可由电机驱动。 
本发明包括一种改进的机械压力机、一种用于操作所述压力机的方法以及一种包括所述压力机的系统，所述压力机包括至少一个电机、以及电机控制装置，所述电机控制装置例如为特别设计的能够在不需要较大量的通常由飞轮提供的能量储存的情况下运行机械压力机的变频器或机械联轴器。为了在生产循环中驱动压力机，可以将飞轮、离合器以及优选地还包括制动器全部从常规机械压力机中去除，并且可将电机直接连接到压力机的运动机构或连杆机构。电机与曲柄(或撞锤)之间的直接驱动装置使得压力机沿着撞锤行程上的速度可以在压制循环的不同部分期间受到动态控制。压制循环的各部分例如：在运动的模具与待压制的工件或毛坯接触之前；在模具闭合后以及工件受压的部分循环期间；以及在模具再次开启以及压制结束和下一工件的压制开始之间的部分循环期间。 
所述改进的电机驱动装置和控制方法使得在总的生产循环的这些部分期间电机的速度可以变化，这对于现有技术的飞轮压力机是不可能的。电机速度甚至可以以连续的方式变化，使得电机速度和/或撞锤速度不限于一个或多个预定的速度。与现有技术的压力机相对，电机速度可在零和最大速度之间变化，该最大速度提供可比偏心轮的压制速度Wp大的偏心轮旋转速度W1。在现有技术中，带有飞轮的机械压力机受限于固定的曲轴速度，因为飞轮速度通常大约恒定。 
在本发明的实施方案中，通过对压力机和压力机控制装置进行设置而使得改进的压力机的电机所需要的尺寸降低，从而允许电机使得压制循环的加速到所需速度的部分更长。在一个或多个有利的实施方案中，改进的压力机控制方法设置为使得提供超过常规的360度曲柄旋转角或就TDC位置来说两次经过TDC的完整压制循环，并且与类似吨位的基于飞轮的机械压力机相比，对于完整生产压制循环，还可以具有较短的总生产循环 时间。包括大于360度的曲柄旋转角的压制循环可以至少两种方式之一获得，这将在下面详细说明。 
总之，这些方法包括在循环结束时将压力机反向，并且从前一循环的终点位置之前的位置开始下一循环；或者通过在该循环结束时将压力机反向，并且沿着与该第一压制循环的旋转方向相反的方向运行下一完整循环。 
该改进的压力机的主要优点在于电机速度可以在生产循环期间以可变方式受到控制。这可以得到在现有的机械压力机--例如飞轮压力机--中得不到的控制度以及操作精确度。得到的益处是，与等价的飞轮型机械压力机的生产循环时间相比，可以减少改进的压力机的生产循环的总时间。 
改进的压力机的另一优点在于，可以控制该压力机使得下行行程过程中需要的峰值功率得以降低。这在一个实施方案中通过使压制循环在压制循环的一个非0、非360度点处开始并停止而实现。另一个优点在于可以动态地控制压力机的操作，可以选择性地在压力机工作循环期间改变速度。这种可控性首先意味着，对于给定的动力装置，压力机可以执行预设的循环模式，以优化冲压过程和/或自动开启时间等。这意味着机械压力机将获得基本上只有液压机具有的主要特点：在总生产循环的位于生产循环的实际压制阶段之前或之后的各部分期间，能够以可变的方式控制速度。 
通常，与常规机械压力机相比的优选的优点是缩短了生产循环时间。然而，电机的速度也可以在压制循环的任何部分期间根据需要变化并且满足要求，一个限制条件是装载-压制-卸载之间的循环时间和压制时间不变。当与常规机械压力机相比时，本发明的压力机的优点可包括： 
○可控性：虽然在压制循环的压制部分期间预设的运动是合适的，但是可以在运动循环的其余部分期间进行控制。因而可以获得以下优点和特点： 
○在压力机开启/闭合期间速度提高(但是在例如循环的压制部分期间保持初始速度)，导致循环时间减少， 
○使用速度控制调节速度曲线，以通过降低压力机闭合过程中即将发生冲击时的速度来减小可听到的噪音、振动、应力等， 
○减小压力机的构造中的惯量， 
○减小惯量也意味着减小输入到压力机中的机械能或动能，从而提供更安全的装置和减小的机械应力， 
○减少所需的机械调整，并且简化压制阶段对压力机构造的调整，例如当校正模具磨损时对压制速度的调整， 
○将对液压机和带有复杂连杆系统的压力机的需求降至最低，因为本发明的电机驱动系统提供更好的可控性、更大的灵活性和缩短的设置时间。 
与已知的伺服压力机相比，优点包括： 
○驱动电机的给定压力机惯量比伺服压力机的小， 
○驱动电机的峰值功率需求降低。 
此外，可以在实际生产线上进行试验。例如，通过可变电机速度控制容易地实现慢的或渐进的压力机运动，例如在设置或维护操作过程中对压力机进行精加工。这又可以得到新的生产计划方式。 
另一个重要的优点在于本发明的压力机的运动可以与生产过程中涉及的其它机器的运行相适应。当例如通过转移设备或其它自动化设备将工件装载于压力机上和/或将冲压过的工件从压力机上卸载时，压力机的运动可以相对于生产过程中的其它机器而进行优化。生产过程中的这种其它机器可以是一个或多个机器人。与对例如自动装料器、其他装料器、装载/卸载机器人的装料的控制同步地控制压力机，这提供了装料/装载运动和压力机运动同步的优点，从而在不损害压制质量的情况下得到减小的总生产循环时间。 
在一个以上压力机在相同或相关的生产过程工作时，例如在一个压力机生产线中时，通过协调该过程或压力机生产线中所有压力机和装料器或转移机构/卸载器，例如装载/卸载机器人，本发明的压力机提供了优化压力机生产线的更大的机率。压力机之间和/或压力机与装载器/卸载器之间的协调可以通过例如使用单个控制器对这样一个生产线进行控制而实现，这由于本发明的一个或多个实施方案的压力机的改进的可控性而能够实现。协调或优化可以部分地通过对开启/闭合压力机期间的速度进行改变(同时，例如，保持循环的压制/冲压部分期间的所需速度和能量输出)而 实现，从而得到可根据例如以下参数进行优化的压力机运动：下游工艺的状态；或上游工艺的状态或其它考虑，例如总的功率或能量消耗；在压力机生产线中对功率消耗峰值进行平滑。 
在本发明方法的优选实施方案中，可以由包括一个或多个微处理器单元或计算机的计算设备进行执行或控制。控制单元包括用于存储一个或多个计算机程序的存储装置，以用于执行控制机械压力机运行的改进方法。优选地，这样的计算机程序包含用于使处理器执行上述方法的指令，所述方法将在下文中详细说明。在另一个实施方案中，计算机程序提供于计算机可读数据载体上，例如DVD、光或磁数据装置。 
附图说明
下面将参考具体附图仅以实例的方式说明本发明的实施方案，其中，其中： 
图1是本发明的一个实施方案的改进的机械压力机的示意性方块图； 
图2(现有技术)是示出一种已知机械压力机的移动元件和转动元件的示意图； 
图3(现有技术)是示出一种已知的压制循环的速度-时间曲线的示意图； 
图4是示出本发明一个实施方案的一种改进的压力机的压制循环的速度-时间曲线的示意图； 
图5(现有技术)是示出一种已知的压制循环的撞锤位置与时间的关系的示意性位置-时间曲线； 
图6a(现有技术)示出一种已知的压制循环的标准360度压制循环； 
图6b-6d以示意图示出了本发明实施方案的与起点/终点位置和旋转方向有关的压制循环； 
图7a是示出与角度和旋转方向相关的压制循环的示意图，图7b是本发明的一个双向实施方案； 
图8是示出与DP和UC角的位置相关的双向压制循环的示意图； 
图9是本发明一个实施方案的改进的机械压力机的操作方法的示意性流程图； 
图10是本发明另一个实施方案的改进的机械压力机的操作方法的示意性流程图。 
具体实施方式
图1示出本发明一个实施方案的一种改进的机械压力机的示意图。该图1以简化的方式示出压力机撞锤23、偏心传动轮27、压力机齿轮机构29和驱动电机20。该图1还示出电机电源以及控制装置21a和21b。该图示出由偏心传动轮27或曲柄及连杆25驱动做上下运动S的压力机撞锤23。该偏心传动轮又被以简化的横截面表示的压力机齿轮机构29所驱动，其中轮齿由剖面线表示。偏心轮由驱动电机20通过压力机齿轮机构驱动。驱动电机20可以是伺服电机，它设置有连接到电力系统或电网(未示出)上的反用换流器21a和整流器21b。可用其它电机控制装置进行替代。该图还示出可选的紧急制动器31a和可选的齿轮箱33，它们中的任何一个在需要时可以添加到压力机中。应当看到，该实施方案不通过离合器连接到飞轮。 
驱动电机可以具有所示的交流电源或直流电源。电机速度控制装置可以是变频器、所示的反用换流器/整流器或其它电机速度控制装置。所示的实施方案具有相对较大的驱动电机。 
或者，可以使用较小的电机，并且结构设计成包括额外惯量装置。额外惯量装置可以是小的恒定连接的飞轮，或者具有高惯量的电机，或者高惯量齿轮箱33或其它机械装置。额外惯量装置也可以是以某种方式可变的或可拆卸的。 
图2(现有技术)示意性地示出曲柄压力机型的机械压力机的移动元件和转动元件。在该设计型式中，一个偏心轮或曲柄通过一个单杆或连杆连接于往复撞锤上。也可以是多个偏心轮和/或连杆装置，例如2-4个偏心轮借助于2或4个连杆驱动一个撞锤。可以用其他机械连杆进行替换以提供动力的传递，例如转向节、连杆、凸轮、丝杠或滚柱丝杠或齿条型机构是已知的。例如，可以包括滚珠丝杠系统来将压力机中的变 速电机的旋转驱动运动转变成压力机撞锤的线性运动。类似地，某些双连杆和/或转向节机构也可以用于替换偏心机构。 
图2示出一个偏心轮27或曲柄，其上可枢转地设置有连杆25。当偏心轮旋转时，连接于偏心轮上的连杆的末端被沿着以双点划线表示的圆形路径牵拉。该连杆的另一端连接于撞锤(23，见图1)。该撞锤以线性行程S升降。压力机在360度循环中的角位置通常称为曲柄角CA，通常是连杆所处的半径r与基准线--例如所示的经过TDC和BDC的竖直中心线--之间所形成的角度。改进的机械压力机可以设置有一个以上变速电机。这些电机可以机械并联连接，以驱动单个齿轮29。在具有多于一个偏心轮的压力机中，各个偏心轮可以用用于各个偏心轮的一个或多个电机通过单独的齿轮29而独立地被驱动。 
图3的现有技术已在背景技术部分中简单地讨论过。它示出常规机械压力机的速度曲线图。图4示出根据本发明一个实施方案的改进的机械压力机操作方法的至少一个压制循环的示意图。该图以偏心速度W与时间的关系示出压制循环。它示出压制循环从零速度(图左侧)开始，并且加速到最高或最大压制速度W1的第一压前阶段。在第二压前阶段中，最大速度在W1保持一段时间，然后电机在第三压前阶段期间减速到选定的压制速度Wp。在下一阶段中即压制阶段P中，电机速度通常有所降低，同时在通过压制、冲压、冲孔等使工件变形的过程中由压制工具做功。压制阶段从模具与工件之间的第一冲击点I开始，一直进行到下止点(BDC)或下止点附近。紧随压制阶段之后，电机在第四非压制阶段再次加速到最高或最大速度，并且在第五非压制阶段中保持该最大速度。在再一个第六非压制阶段中，速度在压制循环结束时降低到零。 
在现有技术的机械压力机的常规速度曲线中，如图3中所示，对于常规飞轮压力机，将最大电机速度固定以提供固定的偏心速度和压制速度Wp。根据本发明的一个方面的改进的机械压力机配备有变速电机，所述变速电机可以在压制循环的非压制阶段期间加速到比压制速度更高的速度。这样可以缩短压力机的生产循环的总循环时间(另见关于生产循环的图5)。 
图4还示出改进的压力机生产循环的其他方面，所述方面是关于向压力机中装载毛坯或工件以及随后在压制(冲压、冲孔等)阶段之后将工件卸除。在压制循环开始时，将压力机打开并可以装载毛坯。随着压 力机在压前阶段中开始闭合，出现这样一个点，在该点之后压力机闭合的程度使得不再有足够的间隙来在不损害压模、工件或装填者的情况下装载工件。该点以曲柄角度量，在此称为模具保护角DP。(该点也可以其它方式表示，例如压制行程的位置、从TDC或BDC到撞锤和模具之间的线性距离等)。相应地，在压制阶段之后，非压制阶段中也存在这样一个点，在该点之后压力机开启到足以在不损害工件或模具的情况下卸除工件。该点以曲柄角度量，称为卸载凸轮角。卸载凸轮角(UC)在此用于指这样的限制点或时间：在该点或时间时模具已开启，并且开启到足以取出和卸载形成的工件。模具保护角和卸载凸轮角均可在一定程度上随着不同制品的生产而变化，尤其是根据所使用的毛坯或工件以及工件在模具上被冲下的深度这两者而变化。 
因而，在图4中，所示的压制循环的阶段包括压前阶段、压制阶段和压后阶段。因此压制循环可以描述为： 
○第一非压制阶段，通常加速使得在DP处或接近DP处达到最大压制速度W1； 
○第二阶段，保持在最大压制速度W1； 
○第三非压制阶段，尽可能晚地减速到Wp； 
○压制阶段，用于压制的目标速度为例如Wp； 
○第四非压制阶段，尽可能快地(正常)加速到W1； 
○第五非压制阶段，保持在例如W1的高速度； 
○第六非压制阶段，减速，通常从UC附近开始。 
由改进的控制方法提供的改进的压制循环通过缩短压制循环在DP和UC之间的非压制部分所耗费的时间，使得生产循环的总时间可以比现有技术的常规机械压力机的生产循环时间短。特别是，可以通过以提高的速度WM1运行驱动电机，从而以高于压制速度Wp的速度驱动偏心轮，然后降低到压制速度Wp或在循环结束时降低到零，来将最晚装载点DP到最早卸载点UC之间的时间段-表示为T2-缩短。这通过图4与图3(现有技术)相比T2的时间差ΔT2在图中示意性地表示出来。 虽然该改进的压制循环主要通过一个循环或独立的循环进行说明，但是可以应用于单行程操作和/或连续操作。在后一种情况下，压力机在生产循环之间根本不停。 
图5示出现有技术中的位置曲线图。它以撞锤位置对时间的形式示出了常规的360度压制循环。标示出了压制循环pc和生产循环PC。生产循环PC包括压制阶段P*、卸载阶段U和装载阶段L。T2是循环在DP和UC之间的部分。T2可以不同的方式定义。例如，T2通常是压力机内没有装载装置或卸载装置的时间段。另外，工件的实际压制(变形)阶段P也是在开始于DP角、结束于UC角的时间段T2过程中发生的。可以看出，常规压制循环的卸载阶段U和随后的装载阶段L占用了大量时间，即T1时间段。生产循环PC的总时间也可以表示为T1+T2。在本发明的实施方案中，通过提高电机速度WM(并因而提高偏心轮速度W和撞锤速度)使其超过压制速度WMp，提供了较短的时间段T2，从而可以缩短生产循环时间。 
图9是根据本发明一个实施方案的改进的机械压力机的操作方法的流程图。该方法包括一个压制阶段和多个非压制阶段。也可以说该方法包括多个压前阶段、一个压制阶段和多个压后阶段。从以上参照图4的说明中可以看出，该方法包括： 
60例如尽可能快地从启动加速到WM1 
61电机速度保持在最大速度WM1 
62尽可能晚地将电机速度从WM1降低到压制速度WMp 
63为压制阶段P设定电机目标速度，例如WMp 
64第四非压制阶段，例如尽可能快地加速到WM1 
65第五非压制阶段，将电机速度保持在最大速度例如WM1，优选直到接近UC 
66第六非压制阶段，减速至零。 
该方法包括的步骤控制改进的压力机，从而使得获得的总生产循环所耗费的时间尽可能少。当应用于独立压力机时，上述方法可以包括或 条件性地包括其它限制，以便例如与压力机的装载/卸载要求相协调，或者优化该压力机的峰值电力和/或能量消耗。该峰值电力和/或能量消耗可以例如关于减速期间的再生制动或加速进行优化。再例如汽车工业中，这种典型的生产量意味着改进的压力机生产线的能量优化特征在例如降低能量消耗方面可能是非常有利的。然而，改进的压力机生产线也可以用于其它冲压、切割、压制或深冲应用，在这些应用中将会见到机械压力机例如在冲裁和铸造硬币、以及用于某些家具。 
图10示出相关于图9的流程图所描述的方法的一种变形。在某些操作中，例如在热冲压过程中，需要使压力机在压制阶段停止，并将处于所施加压力下的工件保持一段时间，该段时间表示为THS。该停顿通常在BDC位置或其附近进行。增加一个或多个功能步骤以用于控制一个或多个实施方案的改进的压力机是一个简单的任务。图10示出了在压制阶段63期间或之后进行的额外阶段63HS： 
63HS将速度从WMp降至零并保持一段时间THS。 
64将电机尽可能快地(或以一个或多个根据另一方案的速度)加速到WM1。 
压力机的驱动电机的电能消耗可以通过使用再生制动得以改进或平稳化。电机可以部分地通过再生制动减速到降低的速度或零速度。例如电机速度在第一压前阶段中从WM1降至WMp，以及电机速度在压制之后从WM1降低至零。包括本发明一个实施方案的改进的压力机的系统可以包括能量回收装置，用于在例如减速或制动过程中从压力机中回收能量。这可以是任何回收装置，例如电的、机械的或化学的回收装置。这可以包括使用一个或多个电容器、蓄电池、机械设备，所述机械设备为例如飞轮、机械弹簧或包括可压缩流体储存器的设备。储存的能量主要在压制循环的下列阶段中的一个或多个中重新使用：压制循环开始时的初始加速；压制；压制后的再次加速。回收的能量也可以或者替代地反馈至供电系统。另外，或者作为减速过程中回收能量的替代，可以从包括系统的动能变化的压制运动中回收能量。例如，可以在压制循环的包括系统惯量变化的时间段中回收能量。 
根据本发明的另一个实施方案，压力机的驱动电机被控制为以一种改进的压制循环操作压力机，该压制循环扩展到超过360度曲柄角或以 压力机开启距离表示的等价量。常规的机械压力机具有高达360度的压制循环，并且压制循环通常在上止点(TDC)处开始并结束。图6a示出现有技术的一种标准压制循环。该图示出沿一个旋转方向的360度循环。该循环在0/360度处开始并结束。该图示意性地示出DP和UC的相对位置。 
图6b示出一种实施方案，其中可以比标准压制循环有更长的时间用于电机的加速。该图示出可以在不等于0/360度或TDC的位置处开始和/或结束的压制循环。 
图6c示出压力机双向操作的实施方案。用实线示出的顺时针循环Sc从10点左右的起点1处开始，继续顺时针旋转至约2点左右的DPc，旋转至10点左右的UCc，并在2点左右的终点1处结束。根据工艺或产品要求，起点/终点位置可以比图中所示更接近TDC，但很少比UC角更远。类似地，然后压力机沿虚线所示的反向旋转，从2点左右的起点2处开始，继续逆时针旋转至约11点左右的DPAC，继续旋转至2点左右的UCAC，并在10点左右的终点2处结束，该终点2与顺时针旋转的起点1是同一位置。 
图6d示出一种替代实施方案，其中压力机沿第一旋转方向转过大于360度的压制循环。在生产循环结束时，压力机再倒转至起点位置。图6d示出10点左右的起点，沿实线示出的顺时针旋转至1点左右的DPC，顺时针旋转至10点左右的UCC，继续旋转从而在2点左右处的终点结束。然后压力机沿逆时针方向反转RAC到10点左右的起点位置。该起点和终点位置可以如以上示例所示地关于TDC对称，也可以不对称；并且该起点和终点也可以比图示更接近TDC。起点/终点通常不会比UC角或其附近离TDC更远。 
图7a示意性地示出以曲柄角度进行图解的改进的压制循环。图7a示出压制循环1，该压制循环1包括沿第一顺时针方向的循环Sc，见箭头3。该循环从约300度、角度4处的点2处开始，继续顺时针转过360度以上，到达约60度、角度5处的终点。 
图7b示出沿第二旋转方向的循环，用虚线表示的循环SAC从约60度的角度6处开始，并且继续逆时针转过360度以上，到达可以为约300度的角度9处的终点10。本实施方案的改进的压制循环扩展到360度以 上，并且在每次操作后改变旋转方向。这不同于对常规机械压力机进行的、每次操作中在同一位置--通常为TDC--处开始并结束的常规方法。 
图8中示出图7a或7b的循环以角度表示的加速和减速点的示例。因此，进行第一顺时针操作Sc，例如从300度处开始，加速直到到达40度(该示例中40度也是模具保护角DP)。压力机从300度处开始减速，该角度在该示例中也表示为卸载凸轮角UC，并且在60度处停止。然后下一操作从60度开始，并且沿相反的旋转方向--逆时针--加速直到320度，该角度表示为镜像于模具保护角DPm。减速从60度处开始，该角度也可以镜像于卸载凸轮角，直到在300度处停止。因而在图7a、7b和8中，连续的压制循环大于360度，并且不同方向的循环在同一点--60度处开始和结束。请注意图7a、7b中所示的示例性的第一和第二循环不是必须在同一点处开始并停止。 
使用上述改进的方法，可以将压力机系统控制为电机在大约100度范围内使压力机撞锤加速(以及在120范围内减速)，这大于典型的常规机械压制循环(如图6a所示)或改进的压制循环(如图6b所示)中约40度的加速范围。因此，具有给定的最大扭矩输出的电机能够加速到全速，使得具有约两倍大的惯量。更大的惯量又使得有更多的能量(动能)可用于实际的压制过程，使得压制循环的压制部分过程中必须直接来自电机的能量较少。这使得可以使用较小的电机。模拟表明，对于给定的循环时间，与采用常规的或改进的常规压制循环的操作相比，双向操作使得可以使用扭矩小30％的电机。 
在以上示例中，卸载凸轮角(离顶端60度)用作双向操作的起点和终点位置。是否使用该角也取决于附属机械的尺寸、装载装置/卸载装置或例如机器人之类转移设备、以及工件的尺寸与压力机压模深度的对比。虽然不带工件的转移设备或机器人可以该角度进入压力机，但是带有工件的机器人或转移设备可能需要更大的压力机开口。如果是这样，那么例如模具保护角(例如离顶端40度)可用作起点和终点位置。因而，在所给的示例中，第一操作从320度处开始，加速到40度，从320度处开始减速，在40度处停止。双向操作与机械压力机的常规标准操作相比仍带来很大的好处。 
同样，根据压力机和工件，模具保护角及卸载凸轮角的值可以与此 处所给的示例不同。 
根据本发明的另一个实施方案，提供对用于操作机械压力机的方法的改进，所述压力机包括驱动电机，其中压力机在多个连续的压制生产循环操作之间向回运动，而不是对于每个交替的循环均改变压制操作的旋转方向。该实施方案对于由于设计或其它原因而不能被反向驱动完整的压制循环的压力机特别有利。 
图7a示意性地示出起点为2的压制循环Sc，该起点在该示例中是顺时针旋转的起点2，起点2是约300度的角度4。第一循环顺时针行过约480度，到达约60度的角度5处的循环终点11。在第一循环的终点11处，压力机然后沿相反的旋转方向RAC转回与前一压制循环相同的起点Sc。 
在每个压制循环具有相同的旋转方向并且在每个压制循环之间都换向的情况下，改进的压制循环的控制和加速和/或减速可以变化。例如，压制循环的起点和终点位置可以变化。压制循环可以例如从300度处开始，顺时针加速行过100度到达40度处，并转过成型阶段。在压制或成型之后，可以从300度处开始减速，并且可以行过100度到达60度处的终点。然后，在例如机器为压力机卸载/装载的时间段内，压力机从60度处向回运动RAC至300度处，使得下一操作准备好从300度处再次开始，并且仍是沿顺时针或正向开始。当空载时间--例如卸载/装载--过程中有足够的时间用于向回运动时该方法最有效，因此其应用相对于双向操作而言有所受限，这取决于所计划的具体成型操作的要求。 
如参照例如图9或10所述，一个或多个微处理器(或处理器或计算机)包括中央处理单元CPU，该CPU执行根据本发明一个或多个方面的方法的步骤。该方法或这些方法借助于一个或多个计算机程序执行，这些程序至少部分地存储于所述一个或多个处理器可存取的存储器内。可以理解的是，用于实施本发明方法的计算机程序也可以在一个或多个通用目的的工业微处理器或计算机上运行，而不用一个或多个经过特殊改型的计算机或处理器运行。 
所述计算机程序包括使用等式、算法、数据、存储值和计算等使计算机或微处理器执行前述方法的计算机程序代码元素或软件代码部分， 所述方法为例如参照图9、10以及图4的速度曲线而说明的方法，以及参照关于在多于一个旋转方向上驱动压力机的图6b-d、7、8而说明的方法。该程序的一部分可以存储于上述处理器中，但也可以存储于ROM、RAM、PROM、EPROM或EEPROM芯片等或其它合适的存储装置中。这些程序或其中的一些程序也可以部分地或整体地作为固件在其他合适的计算机可读介质上或介质中进行本地(或中心)存储、或者存储于非永久性存储器中、闪存中；或存储于数据服务器上，所述介质例如磁盘、CD-ROM或DVD盘、硬盘、磁-光存储装置。也可使用其它已知并且合适的介质，包括移动式存储介质，例如索尼记忆棒(TM)和其它移动式闪存、硬盘驱动器等。程序也可以部分来自数据网络，包括公共网络例如Internet。所述计算机程序也可以部分地设置成能够在大约同一时间在多个不同的计算机上、计算机系统上运行的分布式应用。 
生产系统可以包括一个或多个根据本发明一个或多个实施方案的改进的压力机。例如在压力机生产线中可以包括一个或多个压力机，这种情况下多个压力机加工相同或相关的产品。生产可以包括多个压力机生产线，所述生产线包括一个或多个根据本发明的一个或多个实施方案的改进的压力机。在生产系统范围内，上述用于优化单个独立压力机的优化方法和协调方法可以扩展到压力机组。这样，例如回收的能量可以由其它机器消耗，而不仅仅是一个独立的改进的压力机。一个以上的机器的合计峰值功率或功率使用情况可以被优化或协调，以便例如降低总峰值功率消耗，或降低功率使用中具有潜在破坏性的峰值或尖峰。对压力机生产线的总功率使用情况的这种考虑也可以引入对加速时间、减速时间等的限制，这可以成为诸如参照图6所述的方法中的要素。例如，为了获得生产循环的最短可能时间，使压力机在例如图9的步骤60中尽可能快地加速；但是该加速度可以变化至小于最大值，以避免压力机生产线整体同时到达功率峰值。加速到WM1的第一次加速即步骤60可以不是线性的，并且可以设置为与一个时间段--即装载装置插入工件所需的时长--相匹配，因而至少耗费一个给定的时间而到达DP角，而不是最大的和/或直线加速。类似地，通常与例如图9的步骤62、66相关的所实施的再生制动可以设置为有限制地将回收的能量提供给同一压力机、另一机器、压力机生产线或电力系统的中任意一项。 
压力机之间的这种协调或优化可以用于改进的压力机的其他方面。 例如，当优化压力机生产线时，可以选择或调节各个压力机上的各个压制循环的起点/终点位置。这为设置压力机生产线的最优总生产时间提供了更大的自由度。 
应当注意的是，虽然以上说明了本发明的示例性实施方案，但是可以对所公开的实施方案做出多种变化或修改而不偏离所附的权利要求所限定的本发明的范围。 
参考文献： 
1.High-tech presses，Servo technology meets mechanicalpresses by Dennis Boerger，Stamping Journal November 2003，thefabricator.com 

Claims (42)

1.一种用于操作机械压力机的方法，所述压力机包括至少一个驱动电机(20)、用于控制所述至少一个电机的驱动控制装置、撞锤(23)以及用于操作所述压力机以执行压制循环的机械装置(27，25)，所述压制循环包括压制部分和一个或多个非压制部分，其特征在于，通过向所述驱动控制装置提供控制输出，使得所述至少一个驱动电机的速度(WM)在所述压制循环的至少一个压制部分或至少一个非压制部分期间得以改变，并且所述压制循环包括大于360度的曲柄角的转动运动。
2.权利要求1的方法，其中所述驱动电机的速度(WM)在所述压制循环的所述至少一个非压制部分期间被控制而改变，使其大于所述驱动电机在所述压制循环的所述压制部分(P，63)期间的速度(WMP)。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述驱动电机的扭矩在所述压制循环的至少一个压制部分或至少一个非压制部分期间受控制。
4.根据权利要求1的方法，其中沿着生产循环的第一旋转方向进行的各个完整的所述压制循环延伸超过360度的曲柄角或偏心轮(27)旋转角。
5.根据权利要求1的方法，其中沿着第一旋转方向进行的各个完整压制循环包括在各个完整压制循环的终点使所述驱动电机反转并沿着第二旋转方向运行的步骤。
6.根据权利要求1的方法，其中所述驱动电机从起点位置(Sc)开始沿着第一旋转方向加速，其中所述起点位置不等于上止点或0/360度。
7.根据权利要求1的方法，其中所述驱动电机在所述压制循环的到达一个位置之前的第一部分期间在所述驱动控制装置的作用下加速，所述位置取决于与模具和工件相关的模具保护角(DP)的位置。
8.根据权利要求1的方法，其中所述驱动电机的速度保持在比压制期间的电机速度(WMp)大的最高或最大速度(WM1)一段时间。
9.根据权利要求7的方法，通过向所述驱动控制装置提供控制输出，在模具和工件之间的第一冲击位置(I)之前，使电机速度从比压制期间的电机速度(WMp)大的最高或最大速度(WM1)降低到压制速度(WMp)。
10.根据权利要求1的方法，通过向所述驱动控制装置提供控制输出，使得当在模具和工件之间的第一冲击位置和下止点(BDC)之间压力机开启时所述电机的速度能够改变。
11.根据权利要求1的方法，通过向所述驱动控制装置提供控制输出，在到达下止点或下止点附近时使所述电机减速并使所述压力机维持在停止状态一段时间(THS)。
12.根据权利要求1的方法，其中以可变方式控制所述驱动电机的速度，从而在所述压制循环的位于下止点或下止点附近之后的所述压制部分期间，使所述压力机的速度从静止加速到慢速。
13.根据权利要求1或8的方法，其中所述电机从一个减速位置开始减速，所述减速位置取决于该压制循环的卸载凸轮角(UC)的位置。
14.根据权利要求4的方法，其中所述电机减速并且沿着所述第一旋转方向的压制循环在一个位置结束，该位置的曲柄角大于360度或者位于第二次经过上止点之后的位置。
15.根据权利要求1的方法，其中控制所述电机使得所述压力机从第一旋转方向向第二旋转方向反转经过位于第一压制循环的终点(11，7)和第二压制循环的起点(Sc，4)之间的多个度数。
16.根据权利要求1的方法，其中控制所述电机使得所述电机的旋转运动在各个连续的并且完整的压制循环之间从第一旋转方向(C)反向到相反的第二旋转方向(AC)。
17.根据权利要求1的方法，其中部分地通过再生制动使至少一个所述电机减速到降低的速度或零速度。
18.根据权利要求1的方法，其中在到达卸载凸轮角(UC)或卸载凸轮角附近时，为同步目的以可变方式将所述驱动电机的速度控制为使得所述压力机减速一段时间，而在到达下一压制循环的模具保护角(DP)位置或模具保护角位置附近之前使所述压力机再次加速。
19.根据权利要求1的方法，其中以可变方式控制所述驱动电机的速度，从而在连续的压制循环之间不停止所述压力机的情况下以连续的操作操作所述压力机。
20.根据权利要求1的方法，其中控制所述驱动电机的速度以优化或最小化所述压力机的下列任意项：峰值功率消耗、能量消耗、循环时间或其任意组合。
21.一种机械压力机，包括至少一个驱动电机、用于控制所述电机的驱动控制装置、撞锤、以及用于操作所述压力机以执行压制循环的机械装置，所述压制循环包括压制部分和一个或多个非压制部分，其特征在于，所述驱动控制装置使至少一个所述驱动电机的速度(WM)在所述压制循环的至少一个所述压制部分或至少一个非压制部分期间变化，并且所述压制循环包括大于360度的曲柄角的转动运动。
22.根据权利要求21的机械压力机，所述驱动控制装置能够将所述驱动电机的速度控制为在所述压制循环的至少一个非压制部分期间变化。
23.根据权利要求21的机械压力机，所述驱动控制装置设置为在所述压制循环的至少一个压制部分或至少一个非压制部分期间控制所述驱动电机的扭矩。
24.根据权利要求21的机械压力机，所述驱动控制装置能够将所述驱动电机的速度控制为在所述循环的至少一个所述非压制部分期间变化，并且所述驱动电机的速度能够大于所述压制循环的所述压制部分期间所述驱动电机的速度。
25.根据权利要求21的机械压力机，包括惯量装置，所述惯量装置机械地耦合于从电机(20)到连杆(25)或其它联结机构再到压力机撞锤(23)的传动链中。
26.根据权利要求25的机械压力机，其中所述惯量装置包括以下任意项：低惯量飞轮、高惯量驱动电机、高惯量齿轮箱。
27.根据权利要求21的机械压力机，其中所述电机被设置成能够沿着第一旋转方向或第二旋转方向反转和操作。
28.根据权利要求21的机械压力机，其中所述电机的旋转方向能够在第一生产循环之后被反向。
29.根据权利要求21的机械压力机，其中用于将至少一个所述电机的旋转运动转变成所述撞锤的线性运动的所述机械装置包括以下传动装置类型中的任意项：曲柄、转向节、连杆、凸轮、丝杠或齿条型机构。
30.根据权利要求21的机械压力机，包括位于所述驱动电机和所述压力机的撞锤之间的无离合传动装置。
31.根据权利要求21的机械压力机，其中所述电机被控制为在连续的所述压力机生产循环期间驱动所述压力机，并且使得所述压力机的速度能够在任一所述压力机生产循环的一个或多个部分期间变化，从而能够使得完成各个连续的所述生产循环的时间不相同。
32.根据权利要求21的机械压力机，其中所述压力机包括用于能量再生的能量再生装置，所述能量再生装置被设置为在制动或减速过程中回收能量。
33.根据权利要求29的机械压力机，其中所述丝杠是滚珠丝杠。
34.一种包括至少一个机械压力机的系统，所述压力机包括至少一个驱动电机、用于控制所述电机的驱动控制装置、撞锤、旋转轴、用于操作所述压力机的机械装置、以及至少一个装载和/或卸载设备，所述压力机具有循环的压制部分和一个或多个非压制部分，其特征在于，其中所述系统中包括的至少一个所述压力机设置为：向所述驱动控制装置提供控制输出，使得所述驱动电机的速度在生产循环或压制循环的至少一个所述压制部分或至少一个非压制部分期间以受控方式改变，并且所述压制循环包括大于360度的曲柄角的转动运动。
35.根据权利要求34的系统，其中所述生产循环的沿第一旋转方向的所述压制循环大于360度，并且至少一个所述压力机的电机在各个所述压制循环的终点反转。
36.根据权利要求34的系统，其中所述系统包括用于监视和/或控制所述压力机的生产或设置操作的至少一个控制单元。
37.根据权利要求34的系统，其中至少一个控制单元包括用于控制至少一个所述压力机的至少一个驱动电机的速度和/或扭矩的一个或多个计算机程序。
38.根据权利要求34或37的系统，其中该系统包括用于在减速或制动过程中从至少一个所述压力机的至少一个所述电机回收能量的能量回收装置。
39.根据权利要求38的系统，其中该系统包括用于在减速或制动过程中从至少一个所述压力机回收能量的能量回收装置，所述能量回收装置包括以下列出的任意项：电容器、蓄电池、飞轮、可压缩流体的储存器。
40.根据权利要求34或39的系统，其中该系统包括：用于从至少一个所述压力机的至少一个所述电机回收能量的能量回收装置；以及用于优化至少一个所述压力机和至少一个其它机器的峰值功率和/或能量消耗的装置。
41.权利要求21-33中任意一项的机械压力机的用途，所述机械压力机用于以下任意项的单行程操作或连续操作：压制、弯曲、成型、冲压、热冲压、深拉、冲裁、切割、冲孔。
42.权利要求34-40的系统的用途，所述系统用于对以下任意操作进行设置、精加工或生产设置操作：压制、弯曲、成型、冲压、热冲压、深拉、冲裁、切割、冲孔。
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