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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Servopresse sowie eine mit einem Servoantrieb ausgerüstete Presse.
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Sowohl zur Umformung von massiven Metallbauteilen wie auch zur Umformung von Blechteilen kommen zunehmend Pressen in Gebrauch, deren Stößel mit einem vorzugsweise elektrischen Servoantrieb angetrieben ist. Dazu offenbart die
DE 10 2006 033 562 B3 Pressen, deren Stößel von Servomotoren angetrieben sind. Die Servomotoren erteilen dem jeweiligen Stößel eine auf und ab gehende Hubbewegung gemäß einer vorgegebenen Leitwinkel/Positions-Kurve. Durch die Programmierbarkeit der Steuerung der Servomotoren können Leitwinkel/Positions-Kurven erreicht werden, die weitgehend oder auch präzise solchen Kurven angenähert sind, wie sie früher von mechanischen Pressen erzielt wurden. Es können aber auch neuartige mit mechanischen Pressen nicht realisierte Kurven erreicht werden. Der Servoantrieb folgt vorgegebenen Kurven möglichst präzise. Dazu wird er üblicherweise positionsgeregelt betrieben.
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Derartige Pressen sind auch aus der
DE 10 2004 009 256 B4 bekannt. Diese Druckschrift offenbart den Antrieb eines Pressenstößels über ein zwischengeschaltetes Exzentergetriebe mittels mehrerer Servomotoren. Von den Servomotoren wird zumindest einer positionsgeregelt betrieben. Es wird so die gewünschte Leitwinkel/Positions-Kurve erreicht, die auch als Weg-Zeit-Kurve bezeichnet wird. Aus der Druckschrift ist es auch bekannt, einen der Motoren positionsgeregelt zu betreiben, während der andere Motor kraft- oder drehmomentgeregelt arbeitet. Dies vermeidet, dass einzelne Servomotoren aufgrund widersprechender Positionsmessungen oder Vorgaben gegeneinander arbeiten. So wird ermöglicht, dass insgesamt die vorgegebene Weg-Zeit-Kurve eingehalten wird.
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Generell wirken zwischen dem Stößel und einem Pressentisch, d. h. beim Umformen eines Werkstücks, erhebliche Kräfte, die bei Erreichen des unteren Totpunkts des Stößels zu einer elastischen Verformung der Presse führen. Der Pressentisch, der Stößel und das Pressenkopfstück können eine elastische Biegung erfahren. Pressenständer und Pleuel können elastisch gedehnt oder gestaucht sein. Durch diese elastische Verformung ist in den genannten Komponenten erhebliche Verformungsenergie gespeichert, die nach Durchlaufen des unteren Stößel-Totpunkts auf den Stößel antreibend wirkt. Der Pressenantrieb wirkt insoweit bremsend und führt den Stößel unter Abbau dieser elastisch gespeicherten Energie von dem Pressentisch kontrolliert weg. Im Falle einer Servopresse muss diese Bremsarbeit von dem Servoantrieb aufgebracht werden. Dies ist eine zusätzliche Belastung für die Servoantriebe. Weitere die Servoantriebe belastende Kräfte können aus dem Werkzeug oder dem Herstellungsprozess hervorgehen. Z. B. können Stickstofffedern, (ungesteuerte) Zieheinrichtungen, Auswerfer oder dergleichen vorgesehen, z. B. im Stößel untergebracht sein. Solche Aggregate wirken über einen größeren Weg und führen zu den o. g. erhöhten Belastungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Betrieb von Servopressen zu verbessern. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 und der Servopresse nach Anspruch 9 gelöst:
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Servoantrieb eines Pressenstößels allgemein entsprechend einer vorgegebenen Leitwinkel/Positions-Kurve bewegt, die die gewünschte Bewegung des Stößels darstellt. Im unmittelbaren Anschluss an den unteren Totpunkt des Pressenstößels wird jedoch eine Abweichung von dieser gewünschten Leitwinkel/Positions-Kurve zugelassen. Mit anderen Worten, für einen begrenzten Leitwinkelbereich wird eine höhere Positionstoleranz zugelassen. Dies betrifft insbesondere eine positive Positionstoleranz, bei der der Stößel weiter von dem Pressentisch weg ist als von der Leitwinkel/Positions-Kurve vorgegeben. Somit kann für einen definierten Leitwinkelbereich, der sich an den unteren Totpunkt des Stößels anschließt, das bremsende Moment des Servoantriebs reduziert werden. Die in den elastisch verformten Elementen der Presse gespeichert Energie kann zur Beschleunigung des Oberwerkzeugs, des Stößels und des Antriebstrangs genutzt werden. Falls die von der Leitwinkel/Positions-Kurve vorgegebene Bewegung langsamer ist als die sich durch die Entspannung der Presse ergebende Bewegung des Stößels -bremst der Servoantrieb diese Bewegung zumindest nicht mehr vollständig ab, sondern lässt vielmehr eine Beschleunigung der bewegten Teile zu. Der Stößel bewegt sich dadurch schneller und die in den elastisch verformten Teilen der Presse gespeicherte Energie wird in kinetische Energie des Pressenantriebs umgesetzt. Die Abweichung der Stößelposition von der Sollposition wird vorzugsweise zumindest so lange zugelassen, wie sich der Stößel oberhalb der Sollposition befindet. Der Servoantrieb muss nicht oder zumindest weniger gegen die an den Stößel wirkende Kraft arbeiten und wird somit entlastet.
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Die Entlastung des Servoantriebs bedeutet insbesondere eine Verringerung des Effektivdrehmoments und dadurch eine Entlastung des einen oder der mehreren Servomotoren, die den Stößel antreiben. Die Servomotoren müssen weniger Bremsenergie umsetzen. Dies entlastet die Servomotoren thermisch. Die Entlastung kann genutzt werden, um gegebenenfalls mit kleineren Servomotoren zu arbeiten als sonst erforderlich. Auch kann die am Umrichter umzusetzende Leistung vermindert werden. Weiter kann die ins Netz oder in Zwischenspeicher rückzuspeisende Leistung vermindert werden, wodurch Zwischenspeicher, sofern vorhanden, verkleinert und dennoch Netzbelastungsschwankung reduziert werden.
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Es ist möglich, die von dem Servoantrieb aufzubringende, das Aufsteigen des Stößel bremsende Gegenkraft nach Durchlaufen des unteren Stößel-Totpunkts auszusetzen oder auf einen anderen von Null verschiedenen Wert einzuregeln. Dieser Wert kann ein gegebener konstanter Wert sein. Er kann aber auch leitwinkel- oder zeitabhängig festgelegt werden. Auf diese Weise sind weiche Betriebsübergänge zwischen dem positionsgeregelten Betrieb und dem kraftgeregelten Betrieb des Servoantriebs möglich. Dieser Betriebsübergang betrifft vorzugsweise alle zu dem Servoantrieb gehörigen Servomotoren oder zumindest die sonst positionsgeregelt betriebenen Servomotoren gleichzeitig.
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Weitere Details vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen der Zeichnung oder der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Presse, in schematisierter Prinzipdarstellung,
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2 den leitwinkelabhängigen Verlauf der Bewegung des Pressenstößels als Diagramm,
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3 die zugehörige Leitwinkelabhängige Positionstoleranz als Diagramm und
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4 einen leitwinkelabhängigen Positionskraftverlauf als Diagramm.
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In 1 ist eine Servopresse 1 abstrakt und auf wenige Komponenten beschränkt schematisiert veranschaulicht. Die Servopresse 1 weist ein Pressengestell 2 auf, das zum Beispiel einen Pressentisch 3, Pressenständer 4, 5 und ein Kopfstück 6 umfassen kann. In oder an dem Pressengestell 2 kann ein Stößel 7 beweglich gelagert sein. Im Ausführungsbeispiel ist er oberhalb des Pressentisches 3 angeordnet und vertikal vorzugsweise linear auf und ab bewegbar. Der Stößel 7 trägt ein Oberwerkzeug 8. Der Pressentisch 3 trägt das zugehörige Unterwerkzeug 9. Die Bewegung des Stößels 7 in Richtung des Pfeils 10 wird als X-Richtung angegeben. Zur Erfassung der Stößelbewegung kann zumindest optional ein X-Positionssensor 11 vorgesehen sein.
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Der Stößel 7 kann über geeignete Getriebemittel, beispielsweise zwei Pleuel 12, 13, mit einem Servoantrieb 14 verbunden sein, der beispielsweise in dem Kopfstück 6 angeordnet ist. Der Servoantrieb 14 umfasst zum Beispiel einen oder auch mehrere Servomotoren 15, 16, die zum Antrieb von Exzentern 17, 18 oder anderen Mitteln zur Umsetzung von Antriebsbewegungen in eine Stößelbewegung dienen können. Die Servomotoren 15, 16 können die Exzenter 17, 18 unmittelbar direkt antreiben. Alternativ können sie wie dargestellt an ihren Abtriebswellen mit Ritzeln 19, 20 versehen sein, die jeweils mit einer Außenverzahnung der Exzenter 17, 18 kämmen und somit eine Zahnrad-Getriebeverbindung bilden.
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Es kann eine anderweitige Antriebsverbindung zwischen dem mindestens einen Servomotor 15 und dem Stößel 7 vorgesehen sein.
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Der Servoantrieb 14 untersteht der Steuerung einer Steuereinrichtung 21, die die Servomotoren 15, 16 vorzugsweise allgemein positionsgeregelt betreibt. Dazu dient der X-Positionssensor 11 oder alternativ oder gegebenenfalls auch ergänzend mindestens ein weiterer Positionssensor 22, 23, beispielsweise zur Erfassung der Drehposition des Ritzels oder des Rotors des Servomotors 19 und/oder 20 und/oder zur Erfassung der Drehposition des Exzenters 17 und/oder 18. Die Positionssensoren 22, 23 können beispielsweise Drehgeber sein. Sie sind mit der Steuereinrichtung 21 verbunden.
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Des Weiteren kann eine Kraftsensoreinrichtung 24 vorgesehen sein, die dazu dient, die an dem Stößel 7 wirksame Kraft oder alternativ ein an den Servomotoren 15, 16 auftretendes Antriebs- oder Bremsmoment zu erfassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel geschieht dies durch Überwachung des Motorstroms an zu den Servomotoren 15 führenden Leitungen 25. Die Steuereinrichtung 21 steuert die Servomotoren 15, 16 entsprechend der von einer Vorgabevorrichtung 26 vorgegebenen Leitwinkel/Positions-Kurve 27. Diese kann zum Beispiel als Datensatz in einem Speicher abgelegt sein. Es können nicht weiter veranschaulichte Mittel zur Eingabe und/oder Veränderung dieser Leitwinkel/Positions-Kurve vorgesehen sein.
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Die Leitwinkel/Positions-Kurve stellt einen Zusammenhang zwischen Stößelposition X und Pressenleitwinkel α her. Der Pressenleitwinkel α ist dabei der Winkel einer gedachten, tatsächlich aber nicht mehr existierenden Exzenterwelle, die bei konventionellen Pressen Teil des Stößelantriebs ist und die bei voller Umdrehung den Stößel einmal vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und zurück laufen lässt. Anstelle des „Leitwinkels α” kann bei der vorliegenden Erfindung auch ein Zeitmaßstab Anwendung finden.
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Die Leitwinkel/Positions-Kurve 27 ist in 2 gesondert veranschaulicht. Sie stellt die Schwingung des Stößels zwischen seinem oberen Totpunkt To und seinem unteren Totpunkt Tu dar. Der untere Totpunkt Tu liegt hier bei einem Leitwinkel α von 220°. Wird anstelle des Leitwinkels α ein Zeitmaßstab verwandt und dauert ein voller Pressenhub beispielsweise 3600 ms liegt der untere Totpunkt Tu dann entsprechend bei 2200 ms. Die dargestellte Leitwinkel/Positions-Kurve 27 dient lediglich der Veranschaulichung. Anders geformte Kurven, wie beispielsweise Kurven mit einer verlangsamten Annäherung an den unteren Totpunkt Tu, wie sie bei Ziehpressen Anwendung finden, sind ebenso anwendbar wie andere noch weiter abgewandelte Leitwinkel/Positionskurven.
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Die Steuereinrichtung 21 ist eine Positionsregeleinrichtung, die die Servomotoren 15, 16 allgemein so ansteuert, dass der Stößel 7 der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 mit einer möglichst geringen Toleranz Tol 1 folgt. Von diesem Prinzip macht die Steuereinrichtung 21 in unmittelbaren Anschluss an das Durchlaufen des unteren Totpunkts Tu eine Ausnahme. Für diesen Leitwinkelbereich B, der in 2 angedeutet ist, wird die zulässige Toleranz, mit der der Stößel 7 der Leitwinkelpositionskurve 27 folgt, zumindest vergrößert und im bevorzugten Falle ganz freigegeben. Die Freigabe erfolgt dabei zumindest für positive Toleranzen, d. h. für Fälle, in denen der Abstand X des Stößels 7 von dem Pressentisch 3 größer ist als von der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 vorgegeben. Steuerungstechnisch ist die Vergrößerung der Toleranz möglich, indem sie auf einen Wert größer oder gleich (> =) maximaler Stößelhub gesetzt wird, oder indem die positionskontrollierte Betriebsart der Servomotoren 15, 16 für den Bereich B durch eine kraftkontrollierte bzw. drehmomentkontrollierte Betriebsart ersetzt wird.
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Alternativ können die Servomotoren 15, 16 für den Leitwinkelbereich B ganz deaktiviert also stromlos geschaltet werden. Im Ergebnis durchläuft der Stößel 7 eine Kurve, die zumindest in dem Bereich B deutlich von der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 abweicht, ansonsten aber mit dieser weitgehend, d. h. innerhalb einer engen Toleranz genau übereinstimmt. Die sich an das Durchlaufen des unteren Totpunkts Tu in dem Leitwinkelbereich B anschließende Phase zulässiger Abweichung der Stößelbewegung von der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 ist diejenige Phase, innerhalb derer sich die in dem Pressengestell 2 und dem Antriebsstrang zwischen den Servomotoren 15, 16 und dem Stößel 7 vorhanden gespeicherte elastische Energie und gegebenenfalls in weiteren Energiespeichern gespeicherte Energie abbaut. Solche weiteren Energiespeicher können z. B. im Stößel oder Werkzeug vorhandene Stickstofffedern oder dergleichen sein.
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Die sich bei einer bestimmten Hubzahl ergebende Stößelbewegung ist in 2 durch einen gestichelten Kurvenabschnitt 28 veranschaulicht. Wie ersichtlich, weicht die tatsächliche durch den Kurvenabschnitt 28 markierte Stößelbewegung in dem Leitwinkelbereich B von der Vorgabe der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 deutlich ab. Die in 3 veranschaulichte Toleranz ist groß. Die Toleranz kann jedoch unterhalb eines Toleranzobergrenzwert Tol 2 bleiben, wenn dieser ausreichend groß bemessen ist oder wenn die Toleranz durch Umschalten von positionsgeregeltem Betreib zu kraftgeregelten Betrieb zumindest zu größeren X hin vollkommen freigegeben ist.
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Die Entlastung des Antriebs durch Werkzeugkräfte nach Durchlaufen des unteren Totpunktes und auch die Gestellauffederung sind zeitabhängig und weitgehend unabhängig von der Hubzahl. Das Programm zur Freigabe einer Regelabweichung der Stößelposition ist darauf eingerichtet, bei verschiedenen Hubzahlen zu arbeiten. Deshalb ergeben sich für andere Hubzahlen, als in 2 bis 4 zugrunde gelegt, auch andere Kurvenverläufe. Z. B. können die Länge des Bereichs B wie auch die Größe der tatsächlich auftretenden Toleranz (3) hubzahlabhängig variieren.
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Innerhalb des Leitwinkelbereichs B können die Servomotoren 15, 16 stromlos geschaltet werden. Die gesamte elastisch gespeicherte Energie wird dann zur Beschleunigung des Stößels 7 und des Oberwerkzeugs sowie des Antriebstrangs genutzt. Dies ist in vielen Fällen zweckmäßig. Jedoch kann es auch zweckmäßig sein, wenigstens einen Teil der elastisch gespeicherten Energie zum Beispiel durch Nutzbremsung zu nutzen, indem die Servomotoren 15, 16 im Generatorbetrieb geschaltet werden. Auch ist es möglich, die Servomotoren 15, 16 gezielt zu bestromen, um an dem Stößel 7 eine begrenzte bremsende Gegenkraft zu erzeugen. Diese Kraft kann bei Bedarf von der Steuereinrichtung 21 auf einen festen Wert begrenzt oder geregelt oder einem Zeitverlauf entsprechend reguliert werden, wie in 4 veranschaulicht. Zur Erfassung der an dem Stößel 7 wirkenden Kraft bzw. des Drehmoments an den Servomotoren 15, 16 können die in den Leitungen 25 auftretenden Ströme mittels der Kraftsensoreinrichtung 24 überwacht werden.
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Die insoweit beschriebene Servopresse 1 arbeitet wie folgt:
In Betrieb bewegt der Servoantrieb den Stößel 7 zunächst entsprechend der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 von dem oberen Totpunkt To bis zu dem unteren Totpunkt Tu. Dabei hält die Steuereinrichtung 21 eine sehr geringe Toleranz ein, so dass der Stößel 7 der vorgegebenen Kurve 27 sehr genau folgt. Ist der untere Totpunkt Tu erreicht oder durchlaufen, schaltet die Steuereinrichtung 21 in einen anderen Modus um, in dem eine Abweichung der Position X des Stößels 7 gegen die vorgegebene Leitwinkel/Positions-Kurve 27 zumindest zu größeren X möglich und erlaubt ist. Zugleich werden die Servomotoren 15, 16 entweder stromlos geschaltet oder mild bremsend eingesetzt. Dieses geschieht für einen Leitwinkelbereich B, der vorgegeben sein kann. Wenn sein Ende erreicht ist, wird wieder auf positionsgeregelten Betrieb mit geringer Toleranz umgeschaltet.
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Das Ende des Leitwinkelbereichs B kann fix sein. Es kann auch einstellbar sein. Es ist auch möglich, es adaptiv festzulegen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 21 so ausgelegt sein, dass sie automatisch dann auf positionskontrollierten Betrieb zurückschaltet, wenn die tatsächliche Stößelposition X mit der vorgegebenen Leitwinkel/Positions-Kurve übereinstimmt.
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In Weiterentwicklung ist es auch möglich, dann, wenn die Abweichung zwischen der tatsächlichen Stößelposition und der durch die Leitwinkel/Positions-Kurve 27 vorgegebenen Stößelposition sich allmählich dem Wert Null annähert, allmählich auf positionsgeregelten Betrieb zurück zu schalten, so dass ein weicher Übergang zwischen dem Kurvenabschnitt 28 und der Leitwinkel/Positions-Kurve 27 erreicht wird. Dies ist in 2 an der Übergangsstelle 29 veranschaulicht.
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Die Erfindung betrifft den Betrieb einer Servopresse 1 nach Durchlaufen des unteren Totpunkts Tu durch den Stößel 7. Erreicht der Stößel 7 seinen unteren Stößelpunkt Tu ist durch die eintretende Gestellauffederung Energie in dem Pressengestell und dem Antriebsstrang gespeichert.
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Nach Durchlaufen des unteren Totpunkts Tu bewegt sich der Stößel 7 wieder aufwärts. Die aus der elastischen Verformung resultierenden Kräfte wirken auf den Antriebsstrang beschleunigend. Die Regelung des Servoantriebs 14 arbeitet normalerweise gegen diese Kräfte, was eine zusätzliche Belastung darstellt. Erfindungsgemäß wird, wenn nun die vorgegebene Bewegung langsamer ist als die sich aus den äußeren Kräften und Momenten ergebende resultierende Bewegung, diese nicht mehr durch den Servoantrieb 14 abgebremst, sondern eine Beschleunigung des Stößels 7 zugelassen. Der Stößel 7 bewegt sich dadurch schneller und die elastisch gespeicherte Energie wird zumindest teilweise in kinetischer Energie des Pressenantriebs und des Stößels umgesetzt.
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Werkzeugabhängig wird anschließend die Regelung wieder aktiviert und der Antrieb synchronisiert sich auf die Leitwinkel/Positions-Kurve. Bei Pressenantrieben mit stark unterschiedlichen Stößelgeschwindigkeiten vor und nach dem unteren Totpunkt Tu kann der Antriebstrang vor Überlastung geschützt werden, weil er nach dem unteren Totpunkt momentenfrei geschaltet wird.
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Außerdem kann die neue Sollkurve noch zusätzlich zum Beispiel an den sich einstellenden Kurvenabschnitt 28 angepasst werden, zum Beispiel um die Freigängigkeit für ein Transfersystem zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servopresse
- 2
- Pressengestell
- 3
- Pressentisch
- 4, 5
- Ständer
- 6
- Kopfstück
- 7
- Stößel
- 8
- Oberwerkzeug
- 9
- Unterwerkzeug
- 10
- Pfeil
- 11
- X-Positionssensor
- 12, 13
- Pleuel
- 14
- Servoantrieb
- 15, 16
- Servomotoren
- 17, 18
- Exzenter
- 19, 20
- Ritzel
- 21
- Steuereinrichtung
- 22, 23
- Positionssensoren
- 24
- Kraftsensoreinrichtung
- 25
- Leitungen
- 26
- Vorgabeeinrichtung
- B
- Leitwinkelbereich
- 27
- Leitwinkel/Positions-Kurve
- 28
- Kurvenabschnitt
- 29
- Stelle
- Tu, To
- Totpunkte
- Tol
- zulässiger Toleranzbereich
- α
- Leitwinkel
