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Die
Erfindung betrifft ein Schneideerfahren zum Vermindern eines Schnittschlags
einer Schneidmaschine, die ein Schneidwerkzeug besitzt. Bezüglich eines
zweiten Aspekts betrifft die Erfindung eine Schneidmaschine mit
einem Kurbelantrieb zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Schneideerfahren,
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.
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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.
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Aus
der
WO 98/55779 ist
ein elektromagnetischer Dämpfer
bekannt, bei dem zwischen Reihen von Permanentmagneten Spulen angeordnet
sind. Bei einer Bewegung der an den 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.
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Aus
der
DE 195 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.
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Aus
der
EP 0 937 572 A2 sind
eine Presse und eine Stanzmaschine bekannt, die mit Linearmotoren
angetrieben sind. Nachteilig an derartigen Pressen ist, das sehr
starke Linearmotoren eingesetzt werden müssen, um die beträchtlichen
Kräfte aufzubringen.
Aus der
WO 98/55779
A1 ist ein Dämpfer
in Form eines Linearmotors bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch den Schnittschlag
ausgelösten
Oszillationen des Schneidwerkzeugs möglichst effizient und mit geringem
apparativem Aufwand zu dämpfen
und hierzu ein Verfahren sowie eine Schneidmaschine anzugeben.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch ein Schneideerfahren zum Vermindern eines Schnittschlags
einer Schneidmaschine, die ein Schneidwerkzeug umfasst, mit den
Schritten eines Bewegens eines Unterwerkzeug und eines Oberwerkzeugs
des Schneidwerkzeugs, zwischen denen ein Blech angeordnet ist, mittels
eines eine Kurbel umfassenden Antriebs aufeinander zu, 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.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt löst
die Erfindung das Problem durch eine eine Schneidmaschine mit einem
Kurbelantrieb, 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 eingerichtet ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
umfasst.
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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.
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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.
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Vorteilhaft
ist zudem, dass das Dämpfen
der durch den Schnittschlag ausgelösten Oszillation ohne aneinander
reibende und damit schnell verschleißende Teile erreicht wird.
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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.
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Im
Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Schneidwerkzeug
insbesondere ein zweiteiliges oder mehrteiliges Schneidwerkzeug
verstanden, das ein Oberwerkzeug und ein Unterwerkzeug umfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
besonders guter magnetischer Schluss und gleichzeitig eine magnetische
Abschirmung werden erhalten, wenn die Führungsmaschine ferromagnetisch
ist.
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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.
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Ein
besonders dynamischer Linearmotor wird erhalten, wenn das Sekundärteil mehrere
Zähne aufweist
und eine Zahnkopfwicklung mit offener Nut besitzt.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schneidmaschine,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schnittschlagdämpfungsvorrichtung,
die mit einem Tisch und einem Stößel einer
erfindungsgemäßen Schneidmaschine
verbunden ist,
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3 einen
schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Schnittschlagdämpfungsvorrichtung
aus 2,
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4 ein
Blechpaket eines Primärteils
eines Linearmotors der Schnittschlagdämpfungsvorrichtung gemäß 2,
wobei das Blechpaket ohne Spulen gezeigt ist,
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5 das
Blechpaket gemäß 4 mit
Spulen,
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6 eine
perspektivische Ansicht der Schnittschlagdämpfungsvorrichtung gemäß 2,
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7 eine
Explosionsansicht der Schnittschlagdämpfungsvorrichtung gemäß 6 und
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8 eine
Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Schnittschlagdämpfungsvorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Permanentmagnete 48.1... 48.16 sind mit einer
Magnetteilung τM zueinander angeordnet, die den Abstand
zweier Oberkanten benachbarter Permanentmagnete angibt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 8000 N. Durch die oben beschriebene Lagerung des Sekundärteils sind
um den Faktor 100 kleinere Kräfte
von den Führungsschienen 62 aufzunehmen.
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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.
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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.
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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.
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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 aS überschreitet,
so wird der entsprechende Zeitpunkt als Schnittschlagbeginn tBeginn festgesetzt.
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Die
elektrische Steuerung 74 steuert den Servo-Umrichter 78 so
an, dass dieser die Spulen +U, –U,
+V, –V,
+W, –W
mit einem Spulenstrom IStrang(t) bestromt,
so dass eine Rückstellkraft
FRückstell(t)
zwischen dem Primärteil 44 (2)
und dem Sekundärteil
(46) entsteht. Die Rückstellkraft
FRückstell(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 xlastfrei(t),
entgegenwirkt. Der lastfreie Hubpfad xlastfrei(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.
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Der
Servo-Umrichter 78 ist so ausgelegt, dass er einen maximalen
Strangstrom je Indexstrang von IStrang =
29 ADC liefert. Die Anlegezeit des Servo-Umrichters 78 beträgt 380 μs bei einem
Zeitraster von 200 μs.
Der Strom IStrang(t) durch die Spulen +U, –U, +V, –V, +W, –W steigt
in guter Näherung
linear an und hat nach zwei Millisekunden eine Stärke von IStrang = 29 A erreicht. Daraus resultiert
eine Rückstellkraft
FRückstell(t)
die ebenfalls im Wesentlichen linear mit der Zeit t ansteigt und
nach zwei Millisekunden 3500 N erreicht. In anderen Worten ist ein
Linearmotor bevorzugt, der eine maximale Rückstellkraft FRückstell,max von
mehr als 2000 N, insbesondere mehr als 3000 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.
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Da
der Schneidvorgang sich periodisch wiederholt, ist es möglich, den
Schnittschlagbeginn tBeginn mit hoher Genauigkeit
vorauszusagen. Ab einem Zeitpunkt, der eine Vorspannzeit tvorspann, die beispielsweise weniger als
500 ms beträgt,
vor dem Schnittschlagbeginn tBeginn liegt,
steuert die elektrische Steuerung 74 den Servo-Umrichter 78 so
an, dass eine Vorspannkraft Fvorspann sich
zu der Kraft addiert, die der Antrieb 14 auf das Werkstück aufbringt. Unmittelbar
nach dem Schnittschlagbeginn tBeginn wird dann
die Rückstellkraft
FRückstell angelegt,
die in eine Richtung entgegengesetzt der Vorspannkraft Fvorspann 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
- FRückstell(t)
- Rückstellkraft
- Fvorspann
- Vorspannkraft
- H
- Horizontale
- N
- Nutöffnung
- K
- Kehlungsbreite
- L
- Längsachse
- tBeginn
- Schnittschlagbeginn
- tvorspann
- Vorspannzeit
- +U, –U, –V, +V,
+W, –W
- Spule
- Δx(t)
- Oszillation
- xlastfrei(t)
- lastfreier
Hubpfad
- α, β
- Schwenkwinkel
- τM
- Magnetteilung
- τP
- Polteilung