DE102017116784A1

DE102017116784A1 - Presse und Verfahren zum Betreiben einer Presse

Info

Publication number: DE102017116784A1
Application number: DE102017116784.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Fahrenbach
Original assignee: L Schuler GmbH
Current assignee: L Schuler GmbH
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2037-07-26
Also published as: DE102017116784B4; WO2019020427A1

Abstract

Es ist bevorzugt, wenn sich die Isthubposition (z_ist) des Stößels (12) während des Pendelbetriebs (PB) nicht ändert. Beim Ausführungsbeispiel entspricht die Sollhubposition (z_soll) des Stößels (12) dem unteren Umkehrpunkt (UT), indem der Stößel (12) eine Presskraft (F) bewirkt, die wiederum zu einer Auffederung des Pressengestells (11) führt, was schematisch in den Figuren (8) und (9) veranschaulicht ist. Befindet sich der Stößel (12) im unteren Umkehrpunkt (UT) (Istdrehlage α_ist = 180 Grad), hat die Auffederung ihren Maximalbetrag (a_max) (Figur 8). Wird durch den Pendelbetrieb (PB) die Istdrehlage (α_ist) um den Drehwinkel (δ) vergrößert oder verkleinert, bleibt die Auffederung (a) größer als Null, ist jedoch kleiner als der maximale Auffederungsbetrag (a_max) (Figur 9). Die oszillierende Bewegung des Rotors (17) führte mithin nicht dazu, dass sich die Isthubposition des Stößels (12) verändert, sondern lediglich dazu, dass der Betrag der Auffederung (a) während des Pendelbetriebs (PB) variiert. Durch den Pendelbetrieb (PB) wird somit keine ungewollte Positionsänderung des Stößels (12) herbeigeführt und dennoch wird ein Überlasten des Antriebs (13) bzw. des Antriebsmotors (14) und des Frequenzumrichters (29) vermieden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Presse mit einem Pressengestell und einem in Hubrichtung bewegbar gelagerten Stößel. Der Stößel ist mittels eines Antriebs in Hubrichtung bewegbar. Zu dem Antrieb gehört ein Getriebe, das eine Bewegungskopplung zwischen dem Stößel und einem Antriebsmotor herstellt. Durch Ansteuerung des Antriebsmotors kann die Kennlinie der Stößelbewegung beeinflusst werden, die die Bewegung (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung) und/oder Kraft abhängig von der Zeit oder einem Leitwinkel vorgibt.
DE 41 09 796 A1 beschreibt eine Presse mit einem Antrieb, bei dem der Antriebsmotor in Drehwinkelbereichen oszillierend angetrieben werden kann, um eine entsprechende Hubbewegung des Stößels zu erzeugen.
DE 10 2012 102 527 A1 offenbart ebenfalls eine Presse mit einem Antrieb, der unterschiedliche Betriebsmodi aufweist. In einem Betriebsmodus kann der Antrieb, der durch einen Exzenterantrieb gebildet ist, in einem vorgegebenen Winkelbereich oszillieren. Ein oszillierendes Antreiben ist beispielsweise auch in DE 10 2013 105 596 A1 beschrieben.
Antriebe mit Servomotoren sind zum Beispiel aus DE 11 2005 002 229 T5 sowie DE 10 2005 040 263 A1 bekannt. Aus DE 101 10 044 A1 ist die Möglichkeit einer Ansteuerung eines Drehstrommotors, beispielsweise durch Pulsweitenmodulation bekannt.
In der Praxis treten Schwierigkeiten auf, wenn der Stößel unter Last in einer Arbeitsposition bzw. einer Sollhubposition gehalten wird. Bei solchen statischen oder quasistatischen Betriebszuständen des Antriebs können sich Teile einer Steuereinrichtung zur Steuerung des Antriebs und/oder ein Antriebsmotor des Antriebs stark erwärmen. Die Erwärmung kann zu Effizienzverlusten und auch zu Beschädigungen führen.
Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Presse zu schaffen, bei denen eine Erwärmung von Teilen einer Steuereinrichtung und/oder eines Antriebs über einen Temperaturgrenzwert hinaus reduziert oder vollständig vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Presse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Presse mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Erfindungsgemäß hat die Presse ein Pressengestell, an dem ein Stößel in einer Hubrichtung bewegbar gelagert ist. Die Hubrichtung kann vertikal oder horizontal orientiert sein. Der Stößel kann horizontal neben, vertikal unter oder vertikal über dem Werkstück oder einem zu schließenden Werkzeug bzw. der zu schließenden Form angeordnet sein.
Der Stößel kann eine beliebige Funktion haben, beispielsweise ein Werkzeug zum Schließen einer Form aufweisen, ein Umformwerkzeug zum Umformen oder Bearbeiten eines Werkstücks aufweisen, ein Halteeinrichtung zum Halten eines Werkstücks aufweisen, usw. Daher kann der Stößel beispielsweise die Funktion eines Ziehstößels, eines Ziehkissens, eines Blechhaltestößels, eines Stößels zum Schließen eines Guss- oder Formwerkzeugs oder dergleichen sein. Unter dem Stößel ist hier irgend ein in Hubrichtung bewegbares Pressenteil zu verstehen, das dazu eingerichtet ist, eine vorgegebene Kraft in einer vorgegebenen Position auf eine Form und/oder ein Werkstück und/oder ein Werkzeug auszuüben.
Ein von einer Steuereinrichtung gesteuerter Antrieb hat einen mehrphasigen und beispielsweise dreiphasigen Antriebsmotor, der einen Rotor und einen Stator aufweist. Der Stator hat jeweils einen Motorstrang pro Phase. Der Rotor ist mittels eines Getriebes mit dem Stößel antriebsverbunden.
Die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Rotor in eine Solldrehlage zu drehen, um dadurch den Stößel in einer vorgegebenen Sollhubposition zu positionieren. In der Sollhubposition ist der Stößel insbesondere belastet und übt eine Press- oder Haltekraft aus. Die Press- oder Haltekraft kann beispielweise von einem am Stößel angeordneten ersten Werkzeugteil auf ein Werkstück oder auf ein zweites Werkzeugteil einwirken, das an einem Pressentisch angeordnet ist. Wenn der Stößel in der Sollhubposition stillgesetzt werden soll, muss der Antriebsmotor ein Drehmoment entsprechend der erforderlichen Press- oder Haltekraft aufbringen und steht dabei still. Dies kann dazu führen, dass ein Motorstrang deutlich stärker belastet wird als ein anderer oder mehrere andere Motorstränge und dadurch die Temperatur in dem stärker belasteten Motorstrang und mithin dem Antriebsmotor ansteigt. Dies kann zur Überschreitung eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes führen.
Um eine solche Überschreitung des Temperaturgrenzwertes zu vermeiden, ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, den Antriebsmotor in einen Pendelbetrieb umzuschalten, wenn sich der Stößel in eine Sollhubposition befindet, in der er gemäß der vorgegebenen Stößelkennlinie für eine gewisse Zeitdauer stillstehen oder quasi stillstehen soll. Die Sollhubposition des Stößels entspricht einer Solldrehlage des Antriebsmotors. In dem Pendelbetrieb wird der Rotor des Antriebsmotors in einem kleinen Drehwinkelbereich pendelnd angetrieben, der beispielsweise einem Umfangsabschnitt von maximal 3 bis 5 Zähnen (Magnetpolen) des Rotors entspricht. Der Drehwinkelbereich grenzt an die Solldrehlage unmittelbar an oder enthält die Solldrehlage. Während des Pendelbetriebs werden mehrere oder alle vorhandenen Motorstrang abwechselnd mit einem jeweiligen Strangstrom beaufschlagt, um die Pendelbewegung auszulösen. Die Steuereinrichtung kann die Strangströme beispielsweise pulsweitenmoduliert steuern. Dadurch wird die elektrische Leistung auf mehrere oder alle Motorstränge verteilt und die übermäßige Erwärmung eines Motorstrangs vermieden. Die Pendelbewegung bzw. der Drehwinkelbereich wird so klein wie möglich gewählt. Die Anzahl der im Pendelbetrieb mit einem jeweiligen Strangstrom beaufschlagten Motorstränge kann umso größer sein, je länger die Stillstandsdauer des Stößels und/oder je größer die Press- oder Haltekraft ist. Die Maxima der im Pendelbetrieb auftretenden Strangströme sind zeitversetzt, können sich aber zeitlich überlappen. Wenn im Pendelbetrieb ein Strangstrom ein Maximum aufweist, hat wenigstens einer der anderen Strangströme vorzugsweise ein Minimum.
Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Strangströme für jeden Motorstrang derart einzustellen, dass in jedem Motorstrang dieselbe mittlere Leistung eingestellt wird.
Vorzugsweise beträgt der Drehwinkelbereich maximal 10 Grad oder maximal 5 Grad.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn wenigstens ein Betriebszustandssensor vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, eine dem Betriebszustand des Antriebsmotors und/oder der Steuereinrichtung beschreibende Messgröße zu erfassen und an die Steuereinrichtung zu übermitteln. Beispielsweise kann wenigstens ein Temperatursensor vorhanden sein, der dazu eingerichtet ist, eine Temperatur des Antriebsmotors und/oder eines den Antriebsmotor ansteuernden Wechselrichters zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Betriebszustandssensor auch durch einen Stromsensor gebildet sein, der jeweils einen zugeordneten Strangstrom als Messgröße erfasst. Für jeden Strangstrom kann ein Stromsensor vorhanden sein. Als Betriebszustandssensor kann zusätzlich oder alternativ auch ein Drehlagensensor zur Erfassung der aktuellen Istdrehlage des Rotors und/oder ein Positionssensor zur Erfassung der Position des Stößels und/oder ein Kraftsensor zur Erfassung der aktuellen Press- oder Haltekraft am Stößel verwendet werden. Die von den Sensoren gemessenen Messgrößen werden an die Steuereinrichtung übermittelt.
Die Steuereinrichtung kann so eingerichtet sein, dass der Pendelbetrieb an vorgegebenen Stellen oder Bereichen der Stößelkennlinie für die Stößelbewegung durchgeführt wird. Beim Durchfahren der Stößelkennlinie kann die Steuereinrichtung daher an den entsprechenden Stellen den Pendelbetrieb aktivieren. Dies kann beispielsweise unmittelbar nach Erreichen der Solldrehlage bzw. der Sollhubposition sein, in der der Stößel stillgesetzt werden soll. Alternativ ist es auch möglich, erst dann in den Pendelbetrieb umzuschalten, wenn zusätzlich zu dem Erreichen der Solldrehlage bzw. der Sollhubposition eine weitere Auslösebedingung erfüllt ist. Das Erfüllen der Auslösebedingung kann beispielsweise abhängig von einem Betrag einer erfassten Messgröße sein. Beispielsweise kann die Auslösebedingung erfüllt sein, wenn eine von einem Temperatursensor erfasste Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert überschreitet, der insbesondere kleiner ist als der einzuhaltende Temperaturgrenzwert, oder wenn ein Mittelwert eines Strangstromes einen Strangstromschwellenwert überschreitet.
Bevorzugt ist das Getriebe derart ausgestaltet, dass es einen von der Isthubposition des Stößels abhängigen Zusammenhang zwischen einer Drehlagenänderung und einer Änderung der Isthubposition des Stößels und somit eine positionsabhängige Übersetzung aufweist. Insbesondere hat die durch die Übersetzung vorgegebene Kennlinie zwischen der Istdrehlage und der Isthubposition an der Sollhubposition des Stößels ein lokales oder absolutes Minimum, so dass Drehlagenänderungen sich nur geringfügig auf die Isthubposition des Stößels auswirken. Die Auswirkungen des Pendelbetriebs auf die Isthubposition sind durch eine derartige Übersetzung gering.
Es ist bevorzugt, wenn der Stößel in seiner Sollhubposition mittelbar oder unmittelbar an einem Pressentisch anliegt und daher eine Press- oder Haltekraft auf ein Werkstück oder zwischen zwei Werkzeugteilen aufbringt. Der Drehwinkelbereich im Pendelbetrieb wird so gewählt, dass die erforderliche Press- oder Haltekraft aufrecht erhalten bleibt und somit auch im Pendelbetrieb stets einen vorgebbaren Kraftmindestwert nicht unterschreitet, der größer als Null ist. Die unmittelbare oder mittelbare Anlage des Stößels am jeweils gegenüberliegenden Ober- bzw. Unterwerkzeug, beispielsweise am Pressentisch, bleibt daher auch während des Pendelbetriebs stets aufrecht erhalten.
Bei einer Ausführungsform ist das Pressengestell elastisch aufgefedert, wenn der Stößel seine Press- oder Haltekraft in der Sollhubposition aufbringt. Die Auffederung ist ein Längenmaß für die elastische Verformung des Pressengestells. Wird anschließend in den Pendelbetrieb umgeschaltet, verändert sich dadurch die Auffederung des Pressengestells, und bleibt stets aufrecht erhalten oder erreicht allenfalls gerade eine Auffederung von Null, derart, dass die Stößelposition durch das Oszillieren des Antriebsmotors im Wesentlichen konstant bleibt, während sich der Betrag der Auffederung verändert. Bei der Verringerung der Auffederung kann die aus der Auffederung entnommene Energie über den Antriebsmotor in elektrische Energie umgewandelt und in einen Speicher zurückgespeist werden oder alternativ in Wärme umgewandelt werden.
Bei der Sollhubposition bzw. Arbeitsposition des Stößels kann es sich bevorzugt um den unteren Umkehrpunkt handeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Presse mit einem Antrieb und einer Steuereinrichtung,
2 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Frequenzumrichters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors des Antriebs,
3 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines Rotors und eines Stators eines Antriebsmotors, wobei der Stator eine Mehrzahl von Polpaaren aufweist,
4 eine schematische, beispielhafte Kennlinie zwischen einer Drehwinkellage des Rotors bzw. einer Motorwelle und einer Isthubposition des Stößels in Hubrichtung,
5 einen schematischen, beispielhaften zeitlichen Verlauf einer Isthubposition des Stößels sowie einer Istdrehlage des Rotors bzw. der Motorwelle,
6 und 7 jeweils einen schematischen, beispielhaften zeitlichen Verlauf von Strangströmen, die in jeweils einen Motorstrang des Antriebsmotors fließen,
8 eine schematische Darstellung einer Auffederung des Pressengestells, wenn sich der Stößel in einem unteren Umkehrpunkt befindet und
9 die Auffederung des Pressengestells gemäß 8, wenn der Rotor um einen vorgegebenen Drehwinkel aus seiner Solldrehlage gedreht wurde.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Presse 10 in einer stark vereinfachten, blockschaltbildähnlichen Darstellung. Die Presse 10 hat ein Pressengestell 11 an dem ein Stößel 12 in einer Hubrichtung z verschiebbar gelagert ist. Zum Bewegen des Stößels 12 in Hubrichtung z ist ein Antrieb 13 vorhanden. Zu dem Antrieb gehört ein Antriebsmotor 14 und ein Getriebe 15, das eine Bewegungskopplung zwischen dem Antriebsmotor 14 und dem Stößel 12 bereitstellt. Der Antriebsmotor 14 hat einen Stator 16 sowie einen Rotor 17. Eine Motorwelle 18 ist drehfest mit dem Rotor 17 sowie einem Exzenter 19 des Getriebes 15 verbunden. Der Exzenter 19 ist über einen Pleuel 20 mit dem Stößel 12 verbunden. Durch eine Drehung der Motorwelle 18 bzw. des Rotors 17 und die exzentrische Bewegung des Exzenters 19 kann der Stößel 12 in Hubrichtung z zwischen einem oberen Umkehrpunkt OT und einem unteren Umkehrpunkt UT bewegt werden.
In einem Bereich einer Isthubposition z_ist um dem unteren Umkehrpunkt UT übt der Stößel 12 beispielsgemäß eine Presskraft F aus. Beispielsweise kann in dem Stößel 12 ein erstes Werkzeugteil 21 und an einem mit dem Pressengestell 11 verbundenen Pressentisch 22 ein zweites Werkzeugteil 23 angeordnet sein. Die Presskraft F kann zwischen den beiden Werkzeugteilen 21, 23 erzeugt werden. Alternativ kann beispielsweise zwischen den Werkzeugteilen 21, 23 auch ein Werkstück eingelegt sein.
Zur Ansteuerung des Antriebs 13 ist eine Steuereinrichtung 28 vorhanden. Die Steuereinrichtung 28 steuert beim Ausführungsbeispiel über Steuersignale S1 bis S8 einen Frequenzumrichter 29 an. Der Frequenzumrichter 29 ist dazu eingerichtet, den Antriebsmotor 14 zu steuern. Der Frequenzumrichter 29 ist mit einer Versorgungsspannung verbunden, beispielsweise mit einer Netzspannung und bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Drehstromnetz mit den Phasen L1, L2 und L3. Alternativ zum veranschaulichten Ausführungsbeispiel könnten auch lediglich eine oder mehrere Phasen des Drehstromnetzes zum Betreiben des Antriebs 13 verwendet werden.
Der Frequenzumrichter 29 kann in verschiedenen Varianten ausgeführt sein. Ein Ausführungsbeispiel ist in 2 veranschaulicht, wobei die Darstellung lediglich beispielhaft ist und unterschiedliche Topologien für den Frequenzumrichter 29 verwendet werden können.
Beispielsgemäß weist der Frequenzumrichter 29 eine Gleichrichterschaltung 30 auf, um die Wechselspannungen der Phasen L1, L2, L3 in eine gleichgerichtete erste Spannung U1 umzuwandeln. Die Gleichrichterschaltung 30 kann beispielsweise als Diodenschaltung aufgebaut sein. Beispielsgemäß ist mit jeder der Phasen L1, L2, L3 ein Diodenpaar mit zwei Dioden 31 verbunden, wobei die eine Diode mit ihrer Kathode an die betreffende Phase und mit ihrer Anode an einen ersten Gleichrichterausgang 32 angeschlossen ist, während die jeweils andere Diode 31 des Diodenpaares mit ihrer Anode mit der zugeordneten Phase L1 oder L2 oder L3 und mit ihrer Kathode mit einem zweiten Gleichrichterausgang 33 verbunden ist. Zwischen den beiden Gleichrichterausgängen 32, 33 liegt die gleichgerichtete erste Spannung U1 an.
Die Gleichrichtung kann alternativ zu der beschriebenen Diodenschaltung auch über durch die Steuereinrichtung 28 angesteuerte Halbleiterschalter erfolgen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist an die Gleichrichterausgänge 32, 33 ein Zwischenkreis 34 angeschlossen, der beispielsgemäß einen Kondensator 35 und optional eine Spule 36 aufweist. Die Spule 32 und der Kondensator 35 sind zwischen dem ersten Gleichrichterausgang 32 und dem zweiten Gleichrichterausgang 33 in Reihe geschaltet. An dem Kondensator 35 liegt eine zweite Spannung U2 an. Die zweite Spannung U2 ist gegenüber der ersten Spannung U1 geglättet.
Die zweite Spannung U2 ist eingangsseitig an eine Wechselrichterschaltung 37 angelegt. Die Anzahl der Ausgänge der Wechselrichterschaltung 37 entspricht der Anzahl der anzusteuernden Motorstränge 38 des Antriebsmotors 15. Bei der hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsform des Drehstrommotors 14 sind im Stator 16 vier Motorstränge 38 vorhanden. Der Antriebsmotor 14 hat eine große Polpaarzahl, so dass jeder Strang 38 mehrere Pole bildet. Wie es schematisch in 3 veranschaulicht ist, bildet der eine Strang 38 die ersten Pole p1, der zweite Strang 38 die zweiten Pole p2, der dritte Strang 38 die dritten Pole p3 und der vierte Strang 38 die vierten Pole p4. Diese sind in Drehrichtung des Rotors über dem Umfang verteilt nacheinander im Stator 17 angeordnet.
Jeder Strang wird durch einen Strangstrom I1, I2, I3, I4 des Frequenzumrichters 29 bzw. der Wechselrichterschaltung 37 beaufschlagt. Die Wechselrichterschaltung 37 hat vier Ausgänge 39, die mit jeweils einem Motorstrang 38 verbunden sind. Jedem Ausgang 39 der Wechselrichterschaltung 37 ist eine Brückenschaltung 40 zugeordnet, die beim Ausführungsbeispiel jeweils zwei angesteuerte Schalter, beispielsweise Halbleiterschalter, wie etwa IGBTs, aufweist. Jeder angesteuerter Schalter wird durch ein Steuersignal S1 bis S8 der Steuereinrichtung 28 zwischen einem sperrenden und einem leitenden Zustand umgeschaltet. Dabei kann abhängig von der Schaltstellung der Schalter einer Brückenschaltung 40 der betreffende Ausgang 39 entweder mit dem höheren Potential der zweiten Spannung U2 oder dem niedrigeren Potential der zweiten Spannung U2 elektrisch verbunden werden. Das geringere Potential der zweiten Spannung U2 kann ein Massepotential sein. Somit kann ein Strangstrom I1, I2, I3, I4 in einen jeweiligen Motorstrang 38 positiv sein und elektrische Energie zuführen oder negativ sein und elektrische Energie aus dem betreffenden Motorstrang abführen.
Es sei an dieser Stelle darauf hingeqwiesen, dass eine Vielzahl von bekannten Topologien für Wechselrichterschaltungen existiert und alternativ auch eine andere bekannte Wechselrichterschaltung verwendet werden kann. Zum Beispiel könnte die zweite Spannung U2 in mehrere gleich große Eingangsspannungen unterteilt und jeweils an einen von mehreren Eingängen der Wechselrichterschaltung 37 angelegt werden. Dadurch können die Strangstrom I1, I2, I3, I4 stufenweise erhöht oder verringert werden.
Wie es in 1 außerdem veranschaulicht ist, werden der Steuereinrichtung 28 bestimmte Sensorwerte bzw. Messwerte übermittelt. Beispielsgemäß können die Strangströme I1 bis I4 gemessen und an die Steuereinrichtung 28 übermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Temperatursensor 45 vorhanden sein, der eine Temperatur an dem Antriebsmotor 14 oder alternativ an dem Frequenzumrichter 29 bzw. der Wechselrichterschaltung 37 erfasst und an die Steuereinrichtung 28 übermittelt. Beispielsgemäß kann außerdem ein Drehlagensensor 46 zur Erfassung der Istdrehlage α_ist des Rotors 17 bzw. der Motorwelle 18 vorhanden sein. Die Istdrehlage α_ist kann auch im Bereich des Exzenters 15 oder an einer anderen drehfest mit dem Rotor 17 verbundenen Stelle ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Istdrehlage α_ist unmittelbar am Rotor 17 oder der Motorwelle 18 in der Nähe des Rotors 17 erfasst. Zusätzlich oder alternativ zum Drehlagensensor 46 kann ein Positionssensor zur Erfassung der Isthubposition z_ist des Stößels 12 am Pressengestell 11 und/oder am Stößel 12 vorhanden sein. Ein Kraftsensor 47 kann zur Messung der Presskraft F vorhanden und z.B. am Stößel 12 oder am Pressentisch 22 angeordnet sein.
In 4 ist eine Stößelkennlinie dargestellt, die den Zusammenhang zwischen der Isthubposition z_ist des Stößels 12 und der Istdrehlage α_ist des Rotors 17 bzw. der Motorwelle 18 beschreibt. Diese Stößelkennlinie stellt den Zusammenhang bei unbelastetem Stößel 12, d.h. bei einem Stößelhub zwischen dem oberen Umkehrpunkt OT und dem unteren Umkehrpunkt UT und zurück ohne Presskraft F dar. Die in 4 dargestellte Kennlinie ist durch das Getriebe 15 bewirkt und ist nicht linear. Eine Änderung der Istdrehlage α_ist um einen vorgegebenen Betrag hat daher bei unterschiedlichen Isthubpositionen z_ist des Stößels 12 unterschiedlich größere Positionsänderungen des Stößels 12 zur Folge. Insbesondere ist im Bereich des unteren Umkehrpunkts UT die Steigung der Kennlinie sehr klein, so dass eine Änderung der Drehlage im Bereich des unteren Umkehrpunkts nur eine geringe Auswirkung auf die Isthubposition z_ist des Stößels 12 haben kann.
5 zeigt beispielhafte Verläufe der Isthubposition z_ist des Stößels 12 sowie der jeweils zugehörigen Istdrehlage α_ist jeweils abhängig von der Zeit t. Anhand dieser beispielhaften zeitlichen Verläufe kann die Arbeitsweise der Presse 10 bzw. das Verfahren zum Betreiben der Presse 10 erläutert werden.
Es sei zunächst angenommen, dass sich der Stößel 12 zum Zeitpunkt t = 0 in seinem oberen Umkehrpunkt OT befindet. Ausgehend davon wird durch eine Drehung des Rotors 17 um 180 Grad eine Stößelbewegung verursacht, bis sich der Stößel in seinem unteren Umkehrpunkt UT befindet, was beispielsgemäß zu einem ersten Zeitpunkt t1 der Fall ist. Wenn sich der Stößel 12 im unteren Umkehrpunkt UT oder im Bereich des unteren Umkehrpunktes UT befindet, übt er eine Presskraft F aus. Bei einigen Anwendungen kann es erforderlich sein, diese Presskraft für eine gewisse Zeitdauer aufrecht zu erhalten, so dass der Stößel in seinem unteren Umkehrpunkt gehalten werden muss. Dieses Erfordernis kann dazu führen, dass einer der Motorstränge 38 eine Temperatur oberhalb eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes erreicht, was erfindungsgemäß vermieden wird.
Nach dem Erreichen der beispielsgemäß durch den unteren Umkehrpunkt UT gebildeten Sollhubposition z_soll (erster Zeitpunkt t1) wird der Antriebsmotor 14 ab einem zweiten Zeitpunkt t2 in einen Pendelbetrieb PB umgeschaltet. Während des Pendelbetriebs PB steht der Rotor 17 des Antriebsmotors 14 nicht still, sondern führt in einem Drehwinkelbereich 2δ eine oszillierende Bewegung aus. Der Drehwinkelbereich 2δ schließt sich unmittelbar an die Solldrehlage α_soll bzw. die Sollhubposition z_soll an oder weist diese auf. Beim Ausführungsbeispiel entspricht die Sollhubposition z_soll dem unteren Umkehrpunkt UT und die entsprechende Solldrehlage α_soll = 180 Grad. Der Drehwinkelbereich 2δ kann symmetrisch oder unsymmetrisch um die Solldrehlage α_soll herum angeordnet werden und ist beim Ausführungsbeispiel 180°-δ bis 180°+δ, so dass sich ein Drehwinkelbereich von 2δ ergibt (3 und 4).
Der Drehwinkelbereich 2δ ist dabei so gewählt, dass mehrere uns beispielsgemäß jeder der Motorstränge 38 während des Pendelbetriebs PB nur für eine bestimmte Zeitdauer mit einem vorgegebenen Strangstrom I1, I2, I3, I4 beaufschlagt wird, wobei diese Zeitdauer kürzer ist als die Periodendauer während des Pendelbetriebs PB. Dadurch kann der Strommittelwert bzw. der Mittelwert der elektrischen Leistung in den während dem Pendelbetrieb PB verwendeten Motorsträngen 38 begrenzt werden, so dass eine Erwärmung eines Motorstrangs 38 über einen vorgegebenen Temperaturgrenzwert hinaus vermieden wird. Dadurch kann die Belastung des Antriebsmotors 14 reduziert und dessen Lebensdauer verlängert werden. Auch wird die Belastung der steuerbaren Schalter in den Brückenschaltungen 40 der Wechselrichterschaltung 37 reduziert und deren Lebensdauer vergrößert.
Zu einem dritten Zeitpunkt t3 ist es vorgesehen, dass der Stößel 12 seine Sollhubposition z_soll (unterer Umkehrpunkt UT) verlässt und in den oberen Umkehrpunkt OT zurückbewegt wird. Dementsprechend wird der Pendelbetrieb PB zum dritten Zeitpunkt t3 beendet und der Stößel 12 wird durch eine fortgesetzte Drehung des Antriebsmotors 14 in den oberen Umkehrpunkt OT zurückbewegt, den er zu einem vierten Zeitpunkt t4 erreicht. Üblicherweise beginnt das Verfahren nach dem Erreichen des oberen Umkehrpunktes OT wieder von vorne.
In den 6 und 7 sind beispielhafte zeitliche Verläufe für die Strangströme I1 bis I4 stark vereinfacht dargestellt. Beim Ausführungsbeispiel nach 6 werden die vier Strangströme I1 bis I4 sequentiell aufeinanderfolgend mit jeweils einem Stromimpuls beaufschlagt, wodurch der Rotor 16 pendelt. Außerhalb des Stromimpulses (hier: Rechteckimpuls) ist der jeweilige Strangstrom I1 bis I4 jeweils gleich Null. Bei dieser Ansteuerung ist der Strommittelwert für die Strangströme I2, I3 größer als für die Strangströme I1 und I4 während des Pendelbetriebs PB. Um dem abzuhelfen, kann die Zeitdauer des Stromimpulses für den ersten Strangstrom I1 und den vierten Strangstrom I4 jeweils doppelt so groß gewählt werden, wie die Zeitdauer für die Stromimpulse in den der zwischenliegenden Motorsträngen (zweiter Strangstrom I2 und dritter Strangstrom I3). Dadurch wird der Strommittelwert in allen Motorsträngen 38 gleich groß (7).
Die Ansteuerungsschemata gemäß der 6 und 7 entsprechen Vollschritten beim Ansteuern eines von einem Schrittmotor gebildeten Antriebsmotors 14. Abhängig von der Ausführung des Antriebsmotors 14 können zum Pendeln während des Pendelbetriebs PB auch die entsprechend anderen geeigneten Stromverläufe gewählt werden.
Wie es sich aus 5 ergibt, ist es möglich, dass der Pendelbetrieb PB nicht unmittelbar bei Erreichen der Sollhubposition begonnen wird. Das Umschalten in den Pendelbetrieb PB kann abhängig von einer Auslösebedingung erfolgen. Beispielsweise kann die Auslösebedingung erfüllt sein, wenn die vom Temperatursensor 46 gemessene Temperatur einen vorgegebenen Temperaturschwellenwert überschreitet. Es ist auch möglich, dass die Auslösebedingung erfüllt wird, wenn seit dem Erreichen der Sollhubposition z_soll des Stößels 12 eine vorgegebene Zeitdauer (hier z.B. t2-t1) abgelaufen ist oder wenn ein Kraftschwellenwert für die Presskraft F überschritten oder während einer Mindestzeitdauer überschritten wird. Über einen oder mehreren Sensoren - z.B. den Temperartursensor 46 und/oder den Kraftsensor 47 und/oder Stromsensoren für die Strangströme I1 bis I4 - lassen sich Betriebszustände der Presse 10 bzw. des Antriebs 13 erfassen, die dafür charakteristisch sind, dass die Gefahr einer zu hohen Temperatur des Antriebsmotors 14 und/oder des Frequenzumrichters 29 und insbesondere der Wechselrichterschaltung 37 besteht. Zur Vermeidung einer Überschreitung eines vorgegebenen Temperaturgrenzwertes kann dann in den Pendelbetrieb PB umgeschaltet werden.
Das Umschalten in den Pendelbetrieb PB kann alternativ oder zusätzlich zu den Messwerten auch durch die entsprechende Kennlinie für den zeitabhängigen Verlauf der Stößelposition und/oder der Drehlage vorgegeben werden. Diese Kennlinie ist zur Steuerung der Presse 10 in der Steuereinrichtung 28 bekannt.
Es ist bevorzugt, wenn sich die Isthubposition z_ist des Stößels 12 während des Pendelbetriebs PB nicht oder zumindest nicht wesentlich ändert. Beim Ausführungsbeispiel entspricht die Sollhubposition z_soll des Stößels 12 dem unteren Umkehrpunkt UT, indem der Stößel 12 eine Presskraft F bewirkt, die wiederum zu einer Auffederung a des Pressengestells 11 führt, was schematisch in den 8 und 9 veranschaulicht ist. Befindet sich der Stößel 12 im unteren Umkehrpunkt UT (Istdrehlage α_ist = 180 Grad), hat die Auffederung a ihren Maximalbetrag a_max (8). Wird durch den Pendelbetrieb PB die Istdrehlage α_ist um den Drehwinkel δ vergrößert oder verkleinert, bleibt die Auffederung a größer als Null, ist jedoch kleiner als der maximale Auffederungsbetrag a_max (9). Die oszillierende Bewegung des Rotors 17 führt mithin nicht dazu, dass sich die Isthubposition z_ist des Stößels 12 verändert, sondern lediglich dazu, dass der Betrag der Auffederung a während des Pendelbetriebs PB variiert. Durch den Pendelbetrieb PB wird somit keine ungewollte Positionsänderung des Stößels 12 herbeigeführt und dennoch wird ein Überlasten des Antriebs 13 bzw. des Antriebsmotors 14 und des Frequenzumrichters 29 vermieden.
Die Erfindung betrifft eine Presse 10 und ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Presse 10 hat einen entlang eines Pressengestells 11 in einer Hubrichtung z bewegbar gelagerten Stößel 12, der über einen Antrieb 13 mit einem Antriebsmotor 14 in Hubrichtung z bewegt wird. Der Antriebsmotor 14 des Antriebs 13 wird bei stillstehendem Pressenstößel 12 während des Erzeugens einer Presskraft F in einen Pendelbetrieb PB umgeschaltet, um eine zu große Erwärmung des Antriebsmotors 14 oder dessen elektrische Ansteuerung, beispielsweise eines Frequenzumrichters 29, zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: Presse
11: Pressengestell
12: Stößel
13: Antrieb
14: Antriebsmotor
15: Getriebe
16: Stator
17: Rotor
18: Motorwelle
19: Exzenter
20: Pleuel
21: erstes Werkzeugteil
22: Pressentisch
23: zweites Werkzeugteil
28: Steuereinrichtung
29: Frequenzumrichter
30: Gleichrichterschaltung
31: Diode
32: erster Gleichrichterausgang
33: zweiter Gleichrichterausgang
34: Zwischenkreis
35: Kondensator
36: Spule
37: Wechselrichterschaltung
38: Motorstrang
39: Ausgang
40: Brückenschaltung
45: Temperatursensor
46: Drehlagensensor
47: Kraftsensor
α_ist: Istdrehlage
α_soll: Solldrehlage
δ: Drehwinkel
F: Presskraft
I1: erster Strangstrom
I2: zweiter Strangstrom
I3: dritter Strangstrom
I4: vierter Strangstrom
L1: erste Phase des Drehstromnetzes
L2: zweite Phase des Drehstromnetzes
L3: dritte Phase des Drehstromnetzes
p1: erster Pol
p2: zweiter Pol
p3: dritter Pol
p4: vierter Pol
S1-S8: Steuersignal
t: Zeit
t1: erster Zeitpunkt
t2: zweiter Zeitpunkt
t3: dritter Zeitpunkt
t4: vierter Zeitpunkt
U1: erste Spannung
z: Hubrichtung
z_ist: Isthubposition
z_soll: Sollhubposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4109796 A1 [0002]
DE 102012102527 A1 [0003]
DE 102013105596 A1 [0003]
DE 112005002229 T5 [0004]
DE 102005040263 A1 [0004]
DE 10110044 A1 [0004]

Claims

Presse, mit einem Pressengestell (11) und einem am Pressengestell (11) in eine Hubrichtung (z) bewegbar gelagerten Stößel (12), mit einem durch eine Steuereinrichtung (28) gesteuerten Antrieb (13), der einen Antriebsmotor (14) aufweist, der einen Rotor (17) und einen Stator (16) mit mehreren Motorsträngen (38) aufweist, wobei der Rotor (17) mittels eines Getriebes (15) mit dem Stößel (12) antriebsverbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (28) dazu eingerichtet ist, den Rotor (17) zur Positionierung des Stößels (12) in einer vorgegebenen Sollhubposition (z_soll) in eine Solldrehlage (α_soll) zu drehen, und den Antriebsmotor (14) nach dem Erreichen der Solldrehlage (α_soll) in einen Pendelbetrieb (PB) umzuschalten, wobei der Rotor (17) im Pendelbetrieb (PB) in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich (2δ) um seine Motorwelle (17) oszillierend angetrieben wird, wobei der Drehwinkelbereich (2δ) die Solldrehlage (α_soll) enthält oder an diese unmittelbar angrenzt, und wobei im Pendelbetrieb (PB) zumindest zwei der Strangströme (I1, I2, I3, I4), die in einen zugeordneten Motorstrang (38) fließen, abwechselnd erhöht und verringert werden.
Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) dazu eingerichtet ist, die Strangströme (I1, I2, I3, I4) pulsweitenmoduliert zu steuern.
Presse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelbereich (2δ) maximal 10° oder maximal 5° beträgt.
Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Betriebszustandssensor (45, 46, 47) vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, eine den Betriebszustand des Antriebsmotors (14) und/oder von elektrischen Steuermitteln beschreibende Messgröße zu erfassen und an die Steuereinrichtung (28) zu übermitteln.
Presse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Betriebszustandssensor durch wenigstens einen Temperatursensor (45) gebildet ist, der dazu eingerichtet ist eine Temperatur des Antriebsmotors (14) und/oder eines den Antriebsmotor (14) ansteuernden Wechselrichters (29) als Messgröße zu erfassen und an die Steuereinrichtung (28) zu übermitteln.
Presse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Betriebszustandssensor durch wenigstens einen Stromsensor gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, einen der Strangströme (I1, I2, I3, I4) als Messgröße zu erfassen und an die Steuereinrichtung (28) zu übermitteln.
Presse nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebszustandssensor durch einen Drehlagensensor (46) gebildet ist, der dazu eingerichtet ist, die Istdrehlage (α_ist) des Rotors (17) als Messgröße zu erfassen und an die Steuereinrichtung (28) zu übermitteln.
Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) dazu eingerichtet ist, nach dem Erreichen der Solldrehlage (α_soll) nur dann in den Pendelbetrieb (PB) umzuschalten, wenn eine zusätzliche Auslösebedingung erfüllt ist.
Presse nach Anspruch 8 und nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (28) dazu eingerichtet ist, das Erfüllen der Auslösebedingung abhängig von wenigstens einer erfassten Messgröße zu prüfen.
Presse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Steuereinrichtung (28) dazu eingerichtet ist, das Erfüllen der Auslösebedingung festzustellen, wenn die erfasste Temperatur einen Auslöseschwellenwert überschreitet und/oder wenn ein Mittelwert wenigstens eines Strangstromes (I1, I2, I3, I4) einen Strangstromschwellenwert überschreitet.
Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die drehlagenabhängige Positionsänderung des Stößels (12) beschreibende Kennlinie in der Sollhubposition (z_soll) ein Minimum aufweist.
Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (12) oder ein am Stößel (12) angeordnetes erstes Werkzeugteil (21) in der Sollhubposition (z_soll) an einem an einem Pressentisch (22) angeordneten Werkstück oder einem zweiten Werkzeugteil (23) anliegt und dass der Drehwinkelbereich (2δ) derart vorgegeben ist, dass diese Anlage aufrechterhalten bleibt.
Presse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Pendelbetrieb (PB) ein Betrag einer elastischen Auffederung (a) des Pressengestells (11) verändert.
Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollhubposition (z_soll) des Stößels (12) einem unteren Umkehrpunkt (UT) entspricht.
Verfahren zum Betreiben einer Presse (10), mit einem Pressengestell (11) und einem am Pressengestell (11) in eine Hubrichtung (z) bewegbar gelagerten Stößel (12), mit einem steuerbaren Antrieb (13), der einen Antriebsmotor (14) aufweist, der einen Rotor (17) und einen Stator (16) mit mehreren Motorsträngen (38) aufweist, wobei der Rotor (17) mittels eines Getriebes (15) mit dem Stößel (12) antriebsverbunden ist, mit folgenden Schritten: - Drehen des den Rotors (16) in eine Solldrehlage (α_soll), um den Stößels (12) in einer vorgegebenen Sollhubposition (z_soll) zu positionieren, - Umschalten des Antriebsmotors (14) in einen Pendelbetrieb (PB) nach dem Erreichen der Solldrehlage (α_soll), wobei der Rotor (17) im Pendelbetrieb (PB) in einem vorgegebenen Drehwinkelbereich (2δ) um seine Motorwelle (18) oszillierend angetrieben wird, und wobei der Drehwinkelbereich (2δ) die Solldrehlage (α_soll) enthält oder an diese unmittelbar angrenzt, und wobei im Pendelbetrieb (PB) zumindest zwei der Strangströme (I1, I2, I3, I4), die in einen zugeordneten Motorstrang (38) fließen, abwechselnd erhöht und verringert werden.