DE102008011024A1

DE102008011024A1 - Schneidverfahren zum Vermindern eines Schnittschlags

Info

Publication number: DE102008011024A1
Application number: DE102008011024A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dipl.-Ing. Marthiens; Bernd-Arno Prof. Dr.-Ing. Behrens
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-08-27
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: WO2009106060A1; DE102009038715A1; DE102008011024B4; EP2250004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schneidverfahren zum Vee (10), die ein Schneidwerkzeug (30) besitzt. Erfindungsgemäß werden die Schritte (a) Erfassen eines Schnittschlagbeginns (tBeginn), und (b) nach Schnittschlagbeginn (tBeginn) Bestromen mindestens eines Linearmotors (38) so, dass eine Rückstellkraft (FRückstell(t)) auf das Schneidwerkzeug (30) aufgebracht wird, die einer durch den Schnittschlag ausgelösten Oszillation (Deltax(t)) des Schneidwerkzeugs (30) entgegenwirkt, vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneidverfahren zum Vermindern eines Schnittschlags einer Schneidmaschine, die ein Schneidwerkzeug besitzt. Bezüglich eines zweiten Aspekts betrifft die Erfindung eine Schneidschlagdämpfungsvorrichtung für eine Schneidmaschine.
Schneidverfahren, wie beispielsweise das Scherschneiden oder Stanzen von Blechen, werden in der Regel mit einer Schneidmaschine durchgeführt, die ein zweiteiliges Schneidwerkzeug besitzt, nämlich ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug. Das Oberwerkzeug wird von einem Antrieb mit einer Hubbewegung bewegt und führt eine Bewegung auf das Unterwerkzeug zu aus. Zu Beginn des Schneidvorgangs setzt es auf dem zu schneidenden Werkstück, beispielsweise dem Blech, auf, das auf dem Unterwerkzeug aufliegt. Die Kraft, die das Oberwerkzeug auf das Werkstück ausübt, steigt an, das heißt, die Schneidmaschine federt auf, bis der Werkstoff des Werkstücks entlang einer Schnittlinie schlagartig versagt und der Schnitt ausgeführt wird.
Im Moment des Versagens sinkt die Kraft zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug schlagartig ab. Dieses Phänomen wird als Schnittschlag bezeichnet. Durch den Schnittschlag kommt es zu einer Oszillation des Oberwerkzeugs relativ zum Unterwerkzeug, bei dem das Oberwerkzeug am Werkstück reibt und dadurch verschleißt. Aufgrund dieses Verschleißes singt die Bauteilqualität der geschnittenen Butzen. Beispielsweise ist der Schnitt weniger glatt, so dass der Rand des Butzens nachbearbeitet werden muss, was teuer ist. Um das zu vermeiden, muss das Schneidwerkzeug regelmäßig ausgetauscht werden, was aufwendig und teuer ist. Es werden daher Dämpfer zwischen dem Oberwerkzeug und einem das Oberwerkzeug bewegenden Antrieb vorgesehen, um die durch den Schnittschlag ausgelöste Oszillation des Schneidwerkzeugs möglichst rasch zu dämpfen.
Aus der WO 98/55779 ist ein elektromagnetischer Dämpfer bekannt, bei dem zwischen Reihen von Permanentmagneten Spulen angeordnet sind. Bei einer Bewegung der an dem zu dämpfenden Teilen befestigten Spulen relativ zu einem feststehenden Teil, wird in den Spulen eine elektrische Spannung induziert, die über einen elektrischen Verstärker verstärkt wird. Mit der verstärkten Spannung werden zweite Spulen bestromt, die zwischen den Permanentmagneten angeordnet sind. Das führt zu einer verstärkten Dämpfung. Nachteilig an diesem System ist, dass es für die großen beim Schnittschlag auftretenden Kräfte nicht geeignet ist.
Aus der DE 95 29 134 ist ein Reibungsdämpfer bekannt. Dieser weist jedoch den Nachteil auf, dass die nach dem Schnittschlag auftretenden Oszillationen des Schneidwerkzeugs nur schlecht gedämpft werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch den Schnittschlag ausgelösten Oszillationen des Schneidwerkzeugs möglichst effizient zu dämpfen.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Schneideerfahren zum Vermindern eines Schnittschlags einer Schneidmaschine, die ein Schneidwerkzeug umfasst, mit den Schritten eines Erfassens eines Schnittschlagbeginns und eines Bestromens mindestens eines Linearmotors so, dass eine Rückstellkraft auf das Schneidwerkzeug aufgebracht wird, die einer durch den Schnittschlag ausgelösten Oszillationen des Schneidwerkzeugs entgegenwirkt, nach Schnittschlagbeginn.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine Schnittschlagdämpfungsvorrichtung für eine Schneidmaschine, die einen Linearmotor, der zum Einwirken auf ein Schneidwerkzeug der Schneidmaschine angeordnet ist, eine Schnittschlagbeginn-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Schnittschlagbeginns und eine elektrische Steuerung oder Regelung, die geeignet ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfasst. Die Erfindung löst das Problem zudem durch die Verwendung eines elektrischen Linearmotors zum Dämpfen des Schnittschlags einer Schneidmaschine.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass bereits dann eine der Oszillation des Schneidwerkzeugs entgegenwirkende Rückstellkraft auf das Schneidwerkzeug aufgebracht werden kann, wenn sich beispielsweise das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug relativ zueinander im Wesentlichen noch nicht bewegen. Unmittelbar vor dem Schnittschlag ist die Schneidmaschine aufgefedert. Unmittelbar nach Beginn des Schnittschlags wird beispielsweise das Oberwerkzeug stark auf das Unterwerkzeug zu beschleunigt. Zu Beginn dieser Beschleunigung ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Ober- und Unterwerkzeug noch sehr gering. Die Beschleunigung jedoch beträchtlich. Durch Messen der Beschleunigung und durch unmittelbar daran anschließendes Bestromen des Linearmotors kann die Rückstellkraft sehr schnell aufgebracht werden.
Bei herkömmlichen Dämpfern hängt die Dämpfungskraft von einer Relativ-Geschwindigkeit zwischen Ober- und Unterwerkzeug oder aber von einer Relativ-Position von Ober- und Unterwerkzeug relativ zueinander ab. Aus der Bewegungscharakteristik des Oberwerkzeugs relativ zum Unterwerkzeug folgt aber, dass zunächst die Beschleunigung einen großen Wert annimmt und erst dann die Relativ-Geschwindigkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher die durch den Schnittschlag ausgelöste Oszillation des Schneidwerkzeugs, insbesondere die Oszillation eines Oberwerkzeugs zu einem Unterwerkzeug, deutlich besser dämpfen als Verfahren nach dem Stand der Technik.
Vorteilhaft ist zudem, dass das Dämpfen der durch den Schnittschlag ausgelösten Oszillation ohne aneinander reibende und damit schnell verschleißende Teile erreicht wird.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Dämpfung des Schnittschlags schnell sich ändernden Randbedingungen angepasst werden kann. Ändert sich beispielsweise die Masse des Oberwerkzeugs oder das Material von zu schneidendem Blech, so genügt eine Anpassung des zeitlichen Verlaufs des Bestromens des Linearmotors, um wiederum die optimale Dämpfung zu erhalten.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Schneidwerkzeug insbesondere ein zweiteiliges oder mehrteiliges Schneidwerkzeug verstanden, das ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erfassens einer Schneidwerkzeuglage entlang eines Hubpfads des Schneidwerkzeugs, eines Bestromens des mindestens einen Linearmotors so, dass das Schneidwerkzeug eine Vorspannkraft gegen ein zu schneidendes Werkstück aufbringt, vor dem Schnittschlagbeginn und eines Lösens der Vorspannkraft unmittelbar nach Schnittschlagbeginn. Dadurch wird erreicht, dass die zum Schneiden des Werkstücks notwendige Kraft zu einem gewissen Teil von dem Linearmotor aufgebracht wird. Die Schneidmaschine federt weniger aus, und der Schnittschlag kann noch schneller gedämpft werden.
Zum besonders schnellen Dämpfen des Schnittschlags umfasst das erfindungsgemäße Verfahren besonders bevorzugt den Schritt eines Aufbringens der Schnittkraft auf das Schneidwerkzeug nach dem Lösen der Vorspannkraft.
Der Schnittschlagbeginn kann besonders präzise erfasst werden, wenn das Erfassen des Schnittschlagbeginns ein Erfassen einer Beschleunigung des Schneidwerkzeugs, insbesondere eines Oberwerkzeugs, umfasst. Wie oben ausgeführt, ist unmittelbar nach Schnittschlagbeginn die Beschleunigung groß, die Relativ- Geschwindigkeit zwischen Oberwerkzeug und Unterwerkzeug jedoch gering. Eine hohe Beschleunigung ist daher ein deutliches und leicht messbares Anzeichen für den Schnittschlagbeginn.
In anderen Worten wird der Linearmotor so bestromt, dass er stets eine Rückstellkraft auf das Schneidwerkzeug oder einen Teil des Schneidwerkzeugs, wie beispielsweise das Oberwerkzeug oder das Unterwerkzeug, aufbringt, die zeitlich veränderlich ist und eine Phasenverschiebung gegenüber der zeitlich veränderlichen Schwingung des Schneidwerkzeugs, bzw. des Oberwerkzeugs gegenüber dem Unterwerkzeug, aufweist. Die Phasenverschiebung liegt dabei im Wesentlichen bei 180°. Hierunter ist zu verstehen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist, dass die Phasenverschiebung im Rahmen der Regelgenauigkeit bei 180° liegt. Es ist beispielsweise auch ausreichend, wenn die Phasenverschiebung zwischen 170° und 190° liegt.
Bei asymmetrischen Werkstücken kann der Schnittschlag an unterschiedlichen Stellen entlang einer Schnittlinie zu unterschiedlichen Zeitpunkten eintreten. Es kommt dadurch zu einem leichten Verkanten des Schneidwerkzeugs, bzw. des Oberwerkzeugs relativ zum Unterwerkzeug. Hieraus resultiert eine Oszillation des Schneidwerkzeugs oder eines Ober- und/oder Unterwerkzeugs um eine Schwenkachse, was ebenfalls zu Verschleiß führt. Diese Oszillation wird vermieden, wenn das Erfassen des Schnittschlagbeginns und das Bestromen des mindestens einen Linearmotors an zwei, insbesondere an vier, Stellen durchgeführt wird, wobei die mindestens zwei Stellen insbesondere an Ecken des Schneidwerkzeugs angeordnet sind. In diesem Fall setzt die Rückstellkraft an einer Stelle, bei der der Schnittschlag früher eingesetzt hat, ebenfalls früher an, so dass die Oszillationen um die Schwenkachse deutlich reduziert werden.
Bevorzugt umfasst das Verfahren die Schritte eines Erfassens einer Winkellage des Schneidwerkzeugs und eines Bestromens des mindestens einen Linearmotors so, dass die Winkellage des Schneidwerkzeugs sich einer Soll-Winkellage annähert. So kann vorgesehen sein, dass die Soll-Winkellage dazu führt, dass ein Teil des Schneidwerkzeugs früher auf dem Werkstück aufsetzt als andere Teile des Schneidwerkzeugs. Beispielsweise wird die Soll-Winkellage so gewählt, dass der Schnittschlag entlang der Schnittlinie im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt eintritt. Unter der Winkellage wird insbesondere die Orientierung des Schneidwerkzeugs relativ zu einer Ebene verstanden, in der das Werkstück und/oder das Unterwerkzeug angeordnet ist.
Eine erfindungsgemäße Schnittschlagdämpfungsvorrichtung besitzt vorzugsweise einen Doppelkamm-Linearmotor. Unter einen Doppelkamm-Linearmotor wird insbesondere ein Linearmotor verstanden, bei dem zwei gegenüberliegend angeordnete Teil-Primärteile ein Permanentmagneten aufweisendes Sekundärteil umgeben. Doppelkamm-Linearmotoren bauen kurz und sind daher für kurzhubige Schneidmaschinen gut geeignet.
Besonders bevorzugt teilen sich beide Primärteile alle Permanentmagneten. In anderen Worten wirkt beispielsweise ein jeder Nordpol eines Permanentmagneten mit einem der Teil-Primärteile zusammen, wohingegen der Südpol des gleichen Permanentmagneten mit dem anderen Teil-Primärteil zusammenwirkt. Es existiert in anderen Worten nur eine Lage an Permanentmagneten für beide Teil-Primärteile des Primärteils. Vorteilhaft hieran ist die besonders kompakte Bauweise.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Sekundärteil eine Matrix aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, in der die Permanentmagnete eingebettet sind. Faserverstärkter Kunststoff hat eine hohe Festigkeit und hält die Permanentmagnete dadurch sicher am Platz. Gleichzeitig ist der Kunststoff elektrisch nicht leitend, so dass keine Wirbelströme induziert werden, was die Dynamik des Linearmotors beeinträchtigen könnte.
Eine besonders langlebige und gleichzeitig robuste Führung wird erhalten, wenn das Sekundärteil beidseits eine Führungsschiene aufweist, mittels der das Sekundärteil mittig zwischen den beiden Teil-Primärteilen geführt ist. Beispielsweise ist das Sekundärteil durch einen Führungswagen an den beiden Teil-Primärteilen geführt. Genau mittig zwischen den Teil-Primärteilen addieren sich die Anziehungskräfte der Primärteile zu Null, so dass die Anziehungskräfte, die von den beiden Teil-Primärteilen jeweils auf das Sekundärteil ausgeübt werden, vollständig über eine Verbindung der beiden Teil-Primärteile aufgefangen werden. Da folglich am Sekundärteil keine auf die Teil-Primärteile senkrecht zu wirkende Kräfte aufgefangen werden müssen, ist die Führung des Sekundärteils besonders verschleißarm.
Ein besonders guter magnetischer Schluss und gleichzeitig eine magnetische Abschirmung werden erhalten, wenn die Führungsmaschine ferromagnetisch ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist seitlich außerhalb der Führungsschiene ein Wegmesssensor, insbesondere ein magnetischer Wegmesssensor, zum Messen einer Position des Sekundärteils relativ zum Primärteil angeordnet. Der magnetische Wegmesssensor liefert trotz starker Permanentmagnete in seiner unmittelbaren Umgebung verlässliche Messwerte, da die ferromagnetische Führungsschiene einen magnetischen Schluss bewirkt, so dass außerhalb der Führungsschiene nur ein schwaches magnetisches Streufeld existiert.
Ein besonders dynamischer Linearmotor wird erhalten, wenn das Sekundärteil mehrere Zähne aufweist und eine Zahnkopfwicklung mit offener Nut besitzt.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Magnetteilung der Permanentmagnete im Wesentlichen 6/7 der Polteilung der Zähne des Sekundärteils entspricht. Auf diese Weise kann eine besonders große Kraft auf das Schneidwerkzeug aufgebracht werden.
Einen unabhängigen Gegenstand der vorliegenden Erfindung stellt ein elektromagnetischer Linearmotor dar, bei dem die Permanentmagnete des Sekundärteils in ein nicht elektrisch leitfähiges Medium eingebettet sind. Das elektrisch nicht leitfähige Medium kann beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere ein faserverstärkter Kunststoff sein. Der faserverstärkte Kunststoff ist insbesondere ein glasfaser- oder kohlenfaserverstärkter Kunststoff. Das elektrisch nicht leitfähige Material wird insbesondere zur Wirbelstromverringerung eingesetzt. Bevorzugt umfasst das Primärteil des Linearmotors Elektromagnete, die ihrerseits Blechpakete in Form von U-Profilen aufweisen. Dabei wird bevorzugt eine maximal große Nutöffnung verwendet. Bevorzugt beträgt ein Kupferfüllfaktor der Wicklungen des Primärteils mehr als 40%, insbesondere mehr als 55%. Ein besonders einfach zu fertigender Linearmotor wird erhalten, wenn die Kupferspulen in ein elektrisch nicht leitendes Medium gebettet sind, insbesondere, wenn die Spulen mit Tränkharz zu Formspulen verklebt und im verklebten Zustand in das Joch eingesetzt sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schneidmaschine,
2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schnittschlagdämpfungsvorrichtung, die mit einem Tisch und einem Stößel einer erfindungsgemäßen Schneidmaschine verbunden ist,
3 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Schnittschlagdämpfungsvorrichtung aus 2,
4 ein Blechpaket eines Primärteils eines Linearmotors der Schnittschlagdämpfungsvorrichtung gemäß 2, wobei das Blechpaket ohne Spulen gezeigt ist,
5 das Blechpaket gemäß 4 mit Spulen,
6 eine perspektivische Ansicht der Schnittschlagdämpfungsvorrichtung gemäß 2,
7 eine Explosionsansicht der Schnittschlagdämpfungsvorrichtung gemäß 6 und
8 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Schnittschlagdämpfungsvorrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schneidmaschine 10, die ein Gestell 12 und einen Antrieb 14 umfasst, der einen Stößel 16 mit einer Hubbewegung auf und ab bewegt. Der Antrieb 14 kann jeder beliebige Antrieb sein und umfasst im vorliegenden Fall eine Kurbelwelle 18, ein Schwungrad 20 und einen Elektromotor 22 zum Antreiben der Kurbelwelle 18. Das Gestell 12 umfasst einen Tisch 24, in den ein Un terwerkzeug 26 eingelassen ist. Das Unterwerkzeug 26 und das Oberwerkzeug 28 sind Teil eines Schneidwerkzeugs 30.
Wie in den beiden Teilzeichnungen links gezeigt, besitzt das Oberwerkzeug 28 einen Stempel 32, der einen um einen kleinen Betrag kleineren Außendurchmesser aufweist, als ein Innendurchmesser einer Ausnehmung 25 im Unterwerkzeug 26, das auch als Matrize bezeichnet wird. Der Schneidemaschine 10 wird durch einen nicht gezeigten Vorschub Blech zugeführt, das dann zwischen Oberwerkzeug 28 und Unterwerkzeug 26 gerät und gemäß der Form des Stempels 32 ausgeschnitten wird. Es entsteht der gewünschte Butzen.
2 zeigt das Schneidwerkzeug 30 gemäß 1 und den Stößel 16. Zwischen dem Stößel 16 und dem Tisch 24 ist eine Schnittschlagdämpfungsvorrichtung 36 angeordnet, die einen synchronen, doppelt planaren Linearmotor 38 sowie eine erste Befestigungsvorrichtung 40 zum Befestigen des Linearmotors 38 an dem Stößel 16 und eine zweite Befestigungsvorrichtung 42 zum Befestigen des Linearmotors 38 an dem Tisch 24 umfasst. Vom Antrieb 14 (vgl. 1) angetrieben, bewegt sich der Stößel 16 entlang eines linearen Hubpfads, der durch den Pfeil P angedeutet ist.
Wird ein Blech zwischen Ober- und Unterwerkzeug positioniert und bewegt sich der Stößel 16 nach unten, so kommt der Stempel 32 (vgl. 1) mit dem Blech in Kontakt, das einer weiteren Bewegung des Stempels 32 nach unten zunächst einen mechanischen Widerstand entgegensetzt. Durch die Kraft des Antriebs 14 wird der Stößel 16 weiter nach unten gedrückt, so dass es zu einer Auffederung kommt. Durch die Auffederung verformt sich beispielsweise die Kurbelwelle 18 elastisch.
Ist eine kritische Kraft überschritten, versagt das Blech schlagartig und der Stempel 32 dringt in die Ausnehmung 25 im Unterwerkzeug 26 (vgl. 1) ein. Es kommt zu einer Schwingung zwischen Oberwerkzeug 28 und Unterwerkzeug 26 und damit zu einer Schwingung zwischen dem Tisch 24 (vgl. 2) und dem Stößel 16. Dadurch kommt es zu einer Relativbewegung zwischen einem Primärteil 44 und einem Sekundärteil 46 des Linearmotors 38.
2 zeigt zudem schematisch Schwenkwinkel α, β, um die der Stößel 16 zu einer Horizontalen H geneigt sein kann. Gemäß einer Soll-Winkellage gilt α = 0 und β = 0.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Linearmotor 38. Es ist zu erkennen, dass das Sekundärteil 46 eine Vielzahl an Permanentmagneten 48.1, 48.2, ... 48.16 aufweist, die in alternierenden Polaritäten zueinander stehen.
Das Primärteil 44 umfasst ein erstes Teil-Primärteil 50.1 und ein zweites Teil-Primärteil 50.2, die zueinander im Wesentlichen spiegelsymmetrisch aufgebaut sind und sich bezüglich einer Längsachse L des Sekundärteils 46 gegenüberliegen. Wegen ihres symmetrischen Aufbaus wird im Folgenden lediglich das Teil-Primärteil 50.1 näher beschrieben.
Die Permanentmagnete 48.1 ... 48.16 sind mit einer Magnetteilung τ_M zueinander angeordnet, die den Abstand zweier Oberkanten benachbarter Permanentmagnete angibt.
Das erste Teil-Primärteil 50.1 besitzt ein geblättertes Blechpaket 52.1, das Zähne 54.1 ... 54.6 aufweist. Der erste Zahn 54.1 ist von einer Spule +U umgeben. Der zweite Zahn 54.2 ist von einer Spule –U umgeben, der dritte Zahn 54.3 ist von einer Spule –V umgeben, der vierte Zahn 54.4 ist von einer Spule +V umgeben, der fünfte Zahn 54.5 ist von einer Spule +W und der sechste Zahn ist von einer Spule –W umgeben. Jede der Spulen umgibt damit genau einen der Zähne 54.
4 zeigt das Blechpaket 52.1 ohne Spulen. Es ist zu erkennen, dass zwischen jeweils zwei Zähnen eine Nut 56.1 ... 56.5 ausgebildet ist. Die Nuten 56 besitzen an ihren dem Sekundärteil zugewandten Seiten, das heißt in 4 an ihrer oberen Seite, eine Nutöffnung N, die im Wesentlichen so groß ist wie eine Kehlungsbreite K am Fuße der Nuten. Hierdurch sinkt zwar die Kraftdichte des Linearmotors, gleichzeitig sinkt aber auch seine Induktivität. Es wird ein besonders schnell ansprechender Linearmotor erhalten, was für den vorliegenden Zweck vorteilhaft ist.
Das Blechpaket 52.1 besitzt randständige Zähne 54.7, 54.8, die mit dem ersten Zahn 54.1 und dem sechsten Zahn 54.6 jeweils eine Nut 56.6 bzw. 56.7 bilden, die in ihren geometrischen Abmessungen den übrigen Nuten 56.1 ... 56.5 entsprechen. Alle Nuten 56 haben damit die gleichen Querschnitte.
Die 4 lässt erkennen, dass jeweils zwischen übernächsten Nuten zentrisch unterhalb der Nut eine Längsbohrung 58.1 ... 58.4 in das Blechpaket 52.1 eingebracht ist. So befindet sich eine erste Längsbohrung 58.1 zwischen dem ersten Zahn 54.1 und dem ersten randständigen Zahn 54.7. Die zweite Längsbohrung 58.2 befindet sich zwischen dem zweiten Zahn und dem dritten Zahn unterhalb der Nut 56.2, die dritte Längsbohrung 58.3 befindet sich unterhalb der Nut 56.4 und die vierte Längsbohrung ist unterhalb der Nut 56.7 angeordnet. In anderen Worten umfasst das Blechpaket 52.1 des Linearmotors zentrisch unterhalb von Nuten zwischen Zähnen des Primärteils eine Längsbohrung zum Unterdrücken von parasitären magnetischen Feldlinien. Hierdurch wird erreicht, dass die magnetischen Feldlinien einer Spule nur kaum in benachbarte Zähne streuen.
5 zeigt das Blechpaket 52.1 mit den zugehörigen Spulen. Die Spulen werden zunächst unabhängig vom Blechteil 52.1 gewickelt und mit Tränkharz fixiert. Anschließend werden die Spulen +U, –U, –V, +V, + W, –W im ausgehärteten Zustand über die zugehörigen Zähne 54.1 ... 54.6 geschoben und fixiert. Durch dieses Vorgehen wird ein Kupferfüllfaktor von über 50% erreicht, woraus eine hohe Kraftdichte bei geringer Induktivität folgt. Zum Wickeln der Spulen wird beispielsweise ein Runddraht mit einem Durchmesser von 1 mm bis 2 mm verwendet.
Bei permanent erregten Linearmotoren kommt es zu Kraftschwankungen, wenn im unbestromten Zustand eine magnetische Flussdichte B_y in einem Luftspalt zwischen Primärteil und Sekundärteil keinen sinusförmigen Verlauf annimmt. Ein Polbedeckungsverhältnis
beschreibt das Verhältnis der Magnetbreite bzw. der Polteilung b_p zur Polteilung bzw. Polbreite τ_p. Bevorzugt beträgt das Polbedeckungsverhältnis 0,80 bis 0,90. Es wird dann ein annähernd sinusförmiger Verlauf der Flussdichte B_y im Luftspalt zwischen Primärteil und Sekundärteil in Abhängigkeit von der Position in Längsrichtung L des Sekundärteils erreicht (vgl. 3). Die Position des Sekundärteils relativ zum Primärteil in Längsrichtung L entspricht einer x-Koordinate.
6 zeigt die Schnittschlagdämpfungsvorrichtung 36 in einer perspektivischen Ansicht. Es ist zu erkennen, dass das erste Teil-Primärteil 50.1 und das zweite Teil-Primärteil 50.2 beidseits über jeweils ein Verbindungselement 60.1 bzw. 60.2 verbunden sind. Zentrisch zwischen den Teil-Primärteilen 50.1, 50.2 ist das Sekundärteil 46 angeordnet, das beidseits der Permanentmagneten 48 jeweils eine T-förmige Führungsschiene 62.1, 62.2 aufweist. Die Führungsschienen 62.1, 62.2 besitzen auf ihren dem jeweiligen Verbindungselement 60.1 bzw. 60.2 zugewandten Seiten einen Führungssteg 64.1 bzw. 64.2 (in 6 nicht sichtbar) mit denen sie am jeweiligen Verbindungselement 60.1 bzw. 60.2 längsverschiebbar gelagert sind. Beim Betrieb des Linearmotors entstehen zwischen Primär- und den Teil-Sekundärteilen Kräfte bis 8 000 N. Durch die oben beschriebene Lagerung des Sekundärteils sind um den Faktor 100 kleinere Kräfte von den Führungsschienen 62 aufzunehmen.
7 zeigt eine Explosionsansicht des Linearmotors 38. Es ist zu erkennen, dass die Permanentmagnete 48.1 ... 48.12 in einer Matrix 66 aus einem Nichtleiter, nämlich aus glasfaserverstärktem Kunststoff eingebettet sind. Jeder Permanentmagnet besitzt zwei Breitseiten, die direkt einem der beiden Teil-Primärteile 50.1 bzw. 50.2 zugewandt sind. In anderen Worten teilen sich die beiden Teil-Primärteile 50.1, 50.2 die Permanentmagneten. Der Linearmotor 38 wird auch als Doppelkamm-Linearmotor bezeichnet.
Es ist zudem zu erkennen, dass Schrauben 68.1 ... 68.4 durch die Längsbohrungen 58.1 ... 58.4 greifen und an Teilelementen 70.1, 70.2 des Verbindungselementes 60.1 befestigt sind.
Seitlich außerhalb der ersten Führungsschiene 62.1 ist ein Wegsensor 72 angeordnet, der die x-Position des Sekundärteils 46 relativ zum Primärteil 44 erfasst und an eine schematisch eingezeichnete elektrische Steuerung 46 weiterleitet. Die elektrische Steuerung 74 steht zudem in Kontakt mit einem in 2 schematisch eingezeichneten Beschleunigungssensor 76, der eine Beschleunigung des Stößels 16 und damit das Oberwerkzeug erfasst. Die elektrische Steuerung 74 steht zudem in Kontakt mit einem Servo-Umrichter 78, der als Frequenzumrichter arbeitet und der über nicht eingezeichnete elektrische Leitungen mit den Spulen +U, –U, +V, –V, +W, –W in Kontakt steht und diese bestromt. Der Servo-Umrichter 78 hat eine Gesamtleistung von 11,2 kW.
Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stößel 16 (1) in eine Hubbewegung entlang eines sich periodisch wiederholenden Hubpfads gebracht. Erfasst der Beschleunigungssensor 76 eine Beschleunigung a, die auf den Tisch 24 bzw. das Unterwerkzeug 26 zu orientiert ist und einen Schwellenwert a_S überschreitet, so wird der entsprechende Zeitpunkt als Schnittschlagbeginn t_Beginn festgesetzt.
Die elektrische Steuerung 74 steuert den Servo-Umrichter 78 so an, dass dieser die Spulen +U, –U, +V, –V, +W, –W mit einem Spulenstrom I_Strang(t) bestromt, so dass eine Rückstellkraft F_Rückstell(t) zwischen dem Primärteil 44 (2) und dem Sekundärteil (46) entsteht. Die Rückstellkraft F_Rückstell(t) ist so gewählt, dass sie einer Oszillation Δx(t) des Stößels 16, also der Differenz zwischen der momentanen Position x(t) des Stößels 16 relativ zu seinem lastfreien Hubpfad x_lastfrei(t), entgegenwirkt. Der lastfreie Hubpfad X_lastfrei(t) ist derjenige Pfad entlang der x-Achse, den der Stößel 16 in Abhängigkeit von der Zeit beschreibt, wenn kein Werkstück bearbeitet wird und folglich auch kein Schnittschlag ensteht.
Der Servo-Umrichter 78 ist so ausgelegt, dass er einen maximalen Strangstrom je Indexstrang von I_Strang = 29 A_DC liefert. Die Anlegezeit des Servo-Umrichters 78 beträgt 380 μs bei einem Zeitraster von 200 μs. Der Strom I_Strang(t) durch die Spulen +U, –U, +V, –V, +W, –W steigt in guter Näherung linear an und hat nach zwei Millisekunden eine Stärke von I_Strang = 29 A erreicht. Daraus resultiert eine Rückstellkraft F_Rückstell(t) die ebenfalls im Wesentlichen linear mit der Zeit t ansteigt und nach zwei Millisekunden 3 500 N erreicht. In anderen Worten ist ein Linearmotor bevorzugt, der eine maximale Rückstellkraft F_{Rückstell,max} von mehr als 2 000 N, insbesondere mehr als 3 000 N, aufbringen kann. Die Zeit, innerhalb der diese maximale Rückstellkraft erreicht wird, beträgt bevorzugt weniger als 3 ms. Die Regelung des Linearmotors 38 erfolgt in Echtzeit.
Da der Schneidvorgang sich periodisch wiederholt, ist es möglich, den Schnittschlagbeginn t_Beginn mit hoher Genauigkeit vorauszusagen. Ab einem Zeitpunkt, der eine Vorspannzeit t_vorspann, die beispielsweise weniger als 500 ms beträgt, vor dem Schnittschlagbeginn t_Beginn liegt, steuert die elektrische Steuerung 74 den Servo-Umrichter 78 so an, dass eine Vorspannkraft F_vorspann sich zu der Kraft addiert, die der Antrieb 14 auf das Werkstück aufbringt. Unmittelbar nach dem Schnittschlagbeginn t_Beginn wird dann die Rückstellkraft F_Rückstell angelegt, die in eine Richtung entgegengesetzt der Vorspannkraft F_vorspann wirkt.
8 zeigt eine schematische Ansicht der Baumaße der erfindungsgemäßen Schnittschlagdämpfungsvorrichtung 36. Eine Primärteilhöhe der Teil-Primärteile 50.1, 50.2 beträgt bevorzugt weniger als 500 mm. Eine Breite der Teil-Primärteile beträgt bevorzugt weniger als 200 mm. Besonders günstig ist ein Verfahrweg von weniger als 150 mm und mehr als 50 mm.
Es ist günstig, zwei, drei, vier oder mehr der oben beschriebenen aktiven Schnittschlagdämpfungsvorrichtungen am Stößel 16 vorzusehen, insbesondere an seinen Ecken. So können auch Oszillationen der Schwenkwinkel α, β gedämpft werden.

10: Schneidmaschine
12: Gestell
14: Antrieb
16: Stößel
18: Kurbelwelle
20: Schwungrad
22: Elektromotor
24: Tisch
26: Unterwerkzeug
28: Oberwerkzeug
30: Werkzeugs
32: Stempel
36: Schnittschlagdämpfungsvorrichtung
38: Linearmotor
40: erste Befestigungsvorrichtung
42: zweite Befestigungsvorrichtung
44: Primärteil
46: Sekundärteil
48: Permanentmagnet
50: Teil-Primärteil
52: Blechpaket
54: Zahn
56: Nut
58: Längsbohrung
60: Verbindungselement
62: Führungsschiene
64: Führungssteg
66: Matrix
68: Schraube
70: Teilelementen
72: Wegsensor
74: Steuerung
76: Beschleunigungssensor
78: Servo-Umrichter
F_Rückstell(t): Rückstellkraft
F_vorspann: Vorspannkraft
H: Horizontale
N: Nutöffnung
K: Kehlungsbreite
L: Längsachse
t_Beginn: Schnittschlagbeginn
t_vorspann: Vorspannzeit
+U, –U, –V, +V, +W, –W: Spule
Δx(t): Oszillation
x_lastfrei(t): lastfreier Hubpfad
α, β: Schwenkwinkel
τ_M: Magnetteilung
τ_P: Polteilung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 98/55779 [0004]
- DE 9529134 [0005]

Claims

Schneidverfahren zum Vermindern eines Schnittschlags einer Schneidmaschine (10), die ein Schneidwerkzeug (30) besitzt, mit den Schritten (a) Erfassen eines Schnittschlagbeginns (t_Beginn), und (b) nach Schnittschlagbeginn (t_Beginn) Bestromen mindestens eines Linearmotors (38) so, dass eine Rückstellkraft (F_Rückstell(t)) auf das Schneidwerkzeug (30) aufgebracht wird, die einer durch den Schnittschlag ausgelösten Oszillation (Δx(t)) des Schneidwerkzeugs (30) entgegenwirkt.
Schneideerfahren nach Anspruch 1 mit den Schritten (i) Erfassen einer Schneidwerkzeuglage (x(t)) entlang eines Hubpfads des Schneidwerkzeugs (30), (ii) vor dem Schnittschlagbeginn (t_Beginn) Bestromen des mindestens einen Linearmotors (38) so, dass das Schneidwerkzeug (30) eine Vorspannkraft (F_vorspann) gegen ein zu schneidendes Werkstück aufbringt, und (iii) unmittelbar nach Schnittschlagbeginn (t_Beginn) Lösen der Vorspannkraft (F_vorspann).
Schneideerfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Schritte (iv) nach dem Lösen der Vorspannkraft (F_vorspann) Bestromen des mindestens einen Linearmotors (38) so, dass die Rückstellkraft (F_Rückstell(t)) auf das Schneidwerkzeug (30) aufgebracht wird.
Schneideerfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des Schnittschlagbeginns (t_Beginn) ein Erfassen einer Beschleunigung (a) des Schneidwerkzeugs (30) umfasst.
Schneideerfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Erfassen des Schnittschlagbeginns (t_Beginn) und – das Bestromen des mindestens einen Linearmotors (38) an mindestens zwei, insbesondere an vier, Stellen durchgeführt wird, wobei die mindestens zwei Stellen insbesondere an Ecken des Schneidwerkzeugs (30) angeordnet sind.
Schneideerfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch die Schritte: – Erfassen einer Winkellage (α, β) des Schneidwerkzeugs (30) und – Bestromen des mindestens einen Linearmotors (38) so, dass die Winkellage (α, β) des Schneidwerkzeugs (30) sich einer Soll-Winkellage annähert.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung für eine Schneidmaschine, gekennzeichnet durch (a) einen Linearmotor (38), der zum Einwirken auf ein Schneidwerkzeug (30) der Schneidmaschine (10) angeordnet ist, (b) einer Schnittschlagbeginn-Erfassungsvorrichtung (76, 74) zum Erfassen eines Schnittschlagbeginns (t_Beginn) und (c) einer elektrischen Steuerung (74) oder Regelung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (38) ein Doppelkamm-Linearmotor ist.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearmotor (38) – ein Permanentmagneten aufweisendes Sekundärteil (46) und – zwei gegenüberliegend angeordnete Teil-Primärteile besitzt, – die Teil-Primärteile sich alle Permanentmagneten teilen.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (46) eine Matrix (66) aus faserverstärktem Kunststoff aufweist, in der die Permanentmagnete (48) eingebettet sind.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (46) beidseits eine Führungsschiene (62) aufweist, mittels der das Sekundärteil (46) mittig zwischen den beiden Teil-Primärteilen (50.1, 50.2) geführt ist.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsschiene (62) ferromagnetisch ist.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich außerhalb der Führungsschiene (62) ein Wegmesssensor (72), insbesondere ein magnetischer Wegmesssensor (72), zum Messen einer Position (x) des Sekundärteils (46) relativ zum Primärteil (44) angeordnet ist.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (46) mehrere Zähne aufweist und eine Zahnkopfwicklung mit offener Nut (56) besitzt.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil (46) sechs Spulen in der Reihen folge +U, –U, –V, +V, +W, –W besitzt, die auf jeweils getrennte Zähne (54) wirken.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne des Sekundärteils (46) eine Polteilung (τ_P) besitzen, und die Permanentmagnete eine Magnetteilung (τ_M) besitzen, wobei die Magnetteilung (τ_M) im Wesentlichen 6/7 der Polteilung entspricht.
Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittschlagbeginn-Erfassungsvorrichtung einen Beschleunigungssensor (76) umfasst.
Schneidmaschine mit einer Schnittschlagdämpfungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schneidmaschine (10) eine Schnellläufer-Schneidmaschine ist, die ausgebildet ist für eine Hubfrequenz von mehr als 100 Hübe pro Minute.