DE10219581A1 - Pressenantrieb - Google Patents

Abstract

Es wird ein Antrieb für den Stößel von Schneid- und Umformpressen vorgeschlagen, der durch in weiten Bereichen regelbare Geschwindigkeits- und Kraftprofile einen vielfältigen Einsatz der Pressen gewährleistet. DOLLAR A Ermöglicht wird dieses durch die Verwendung von Fluidantrieben in Verbindung mit Regelpumpen, die unmittelbar oder mittelbar eine zum Antrieb des Pressenstößels vorgesehene Exzenter- oder Kurbelwelle antreiben.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf den Antrieb von Schneid- und Umformpressen, bei welchen eine Kurbel- oder Exzenterwelle über den Pleuel ein Pressenstößel vertikal bewegt, und insbesondere auf die Möglichkeit eines regelbaren Geschwindigkeits- und Kraftprofils für den Pressenstößel.
Stand der Technik
• In vielfältiger Weise ist es bekannt zur Erzielung günstiger Umform- und Transferbedingungen die Stößelgeschwindigkeit diesen optimal anzupassen. Ein einfacher Exzenter- oder Kurbelantrieb hat einen festen, sinusförmigen Bewegungsverlauf der den heutigen Anforderungen vollautomatisierter Pressen und den vielfältigen Ausführungsformen der umzuformenden Bauteilen nicht genügt. Auch die Umformung von Werkstoffen mit sehr unterschiedlichen Festigkeiten und Umformverhalten erfordern hoch flexible Pressenantriebe.
• Bereits vor geraumer Zeit wurden Antriebskonzepte entwickelt zur Modifizierung des Bewegungs- und Geschwindigkeitsverlaufs. Ausführlich ist dieses in der DE 14 52 772 beschrieben. Die Veränderung der Sinusform wurde durch den Einsatz von Hebel- und Gelenkantrieben erreicht.
• Nachteilig bei diesem Lösungsansatz ist das starre, einmalig festgelegte, Geschwindigkeitsprofil. Veränderungen sind nur durch Änderung der Hebellängen möglich, was jedoch in der Praxis am hohen Aufwand scheitert.
• Neuere Lösungen schlagen den Einsatz eines zweiten Antriebes vor, mit dem Ziel einer Bewegungsüberlagerung. So wird in der DE 198 10 406 A1 für eine Exzenterpresse ein Hauptantrieb und ein zusätzlicher Servoantrieb vorgeschlagen. Über Getriebestufen treibt der Hauptantrieb die Exzenterwelle an. Der mit dem Pressenstößel verbundene Pleuel ist auf einer weiteren, zusätzlichen Exzentereinrichtung schwenkbar gelagert. Diese zweite Exzentereinrichtung steht in Wirkverbindung mit einem Servoantrieb. Durch den Servoantrieb wird die zusätzliche Exzentereinrichtung bei Betrieb der Presse gezielt gegenüber der Exzenterwelle gedreht oder verschwenkt. Durch die relative Exzenterbewegung gegenüber der Exzenterwelle kann der Weg-Zeit-Verlauf der Stößelbewegung beeinflußt werden. Ein von der Sinusform abweichendes Bewegungsprofil bezogen auf die Zeit ist in bestimmten Bereichen möglich.
• Nachteilig bei dem vorgeschlagenen Konzept ist der große bauliche Aufwand. Zusätzlich zur Exzentrizität der Exzenterwelle muß eine weitere Exzentereinrichtung vorgesehen werden. Insbesondere ist neben dem Hauptantrieb noch ein zweiter Antrieb erforderlich. Zur Funktionalität des weiteren Antriebes gehört ein Regelkreis der in Abhängigkeit von der Drehbewegung des Hauptantriebes eine Regelgröße erzeugt, zur gezielten Verstellung der zweiten Exzentereinrichtung. Da die gesamte Drehmomentenabstützung während der Umformung von der weiteren Exzentereinrichtung aufgenommen wird muss auch die Dimensionierung der Bauteile entsprechend groß sein.
• Aufgabe und Vorteil der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln ein Antriebssystem für Schneid- und Umformpressen so zu gestalten, dass in einem weiten Bereich die unterschiedlichsten Geschwindigkeits- und Kraftprofile für Pressenstößel realisierbar sind.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Antrieb einer Exzenterpresse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Antriebssystems angegeben.
• Die Erfindung nutzt die Entwicklungen im Bereich der hydraulischen Antriebstechnik von sehr schnell geregelt verstellbaren Hydraulikmotoren bzw. Pumpen und schlägt vor, einen Hydraulikmotor mittel- oder unmittelbar mit einer Exzenter- oder Kurbelwelle zu verbinden. Bevorzugt wird dabei als Antrieb ein Hydraulikmotor verwendet, der in der Lage ist ein hohes Drehmoment zu erzeugen, wie beispielhaft bei einem Radialkolbenmotor. Der gesamte Antrieb besteht aus einem Motor, der eine Pumpe antreibt und einem oder mehrere, mit der Exzenter- oder Kurbelwelle verbundenen, Hydraulikmotoren. Beispielhaft kann ein Drehstrom und eine leistungsgeregelte Pumpe verwendet werden.
• Zusätzlich kann als Energiespeicher der Anbau eines Schwungrades zwischen dem Elektro-Antriebsmotor und der Pumpe vorgesehen werden.
• Wesentliche Vorteile der Erfindung sind:
  
• - Durch eine einfache Regelung des Hydraulikdruckes und/oder der Fluidmenge kann die Stößelgeschwindigkeit und Stößelkraft in weiten Bereichen geregelt werden. Ausgenutzt wird dabei in einer sog. Leistungsregelung die Tatsache, dass das Produkt aus Druck und Fördermenge konstant ist. Die für einen Pressenantrieb geforderten Bedingungen einer schnellen Schließ- oder Öffnungsbewegung bei geringer Kraft und eine beim Umformen reduzierte Stößelgeschwindigkeit bei hoher Umformkraft werden in günstiger Weise erfüllt.
• - Durch eine Nullpunktregelung der Antriebspumpe kann die Stößelgeschwindigkeit bis auf ein Minimum bzw. Stillstand geregelt werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der Auftreffstoß, bei dem Aufsetzen des Oberwerkzeuges auf das Unterwerkzeug, wesentlich reduziert bzw. vermieden wird. In vorteilhafter Weise ist dadurch auch eine Vereinfachung der Ziehkissenregelung möglich, dass z. B. eine Kissenvorbeschleunigung zur Vermeidung des Auftreffstoßes entfallen kann. Die Nullpunktregelung wird zusätzlich verwendet um beim Start der Anlage zunächst das Schwungrad auf die gewünschte Drehzahl hochzufahren. Bevorzugt wird das Schwungrad unmittelbar mit der Antriebswelle der Fluidpumpe verbunden. Aufgrund der relativ hohen Motordrehzahl kann die Schwungmasse reduziert werden. Die während dem Umformvorgang aus dem Antrieb bzw. dem Schwungrad entnommene Energie wird während dem Öffnungs- und Schließhub wieder ausgeglichen.
• - Die Regelcharakteristik des Antriebes gewährleistet den Einsatz der Presse in unterschiedlichsten Anwendungen. Ohne Probleme kann die Presse z. B. als sogenannte Einarbeitungspresse, d. h. mit sehr geringer Hubzahl, wie auch als Produktionspresse, mit hoher Hubzahl, betrieben werden.
• - Als Besonderheit ist auch die Nachbildung des Bewegungsablaufes einer Großteilstufenpresse möglich. Somit können neue Werkzeuge unter gleichen kinematischen Bedingungen wie auf der Produktionspresse eingearbeitet werden, ohne die wesentlich teurere Großteilstufenpresse zu blockieren.
• - In vorteilhafter Weise wird das Fluidsystem als sog. geschlossenes System ausgeführt, wodurch nur geringfügige Verluste auftreten und ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Es entstehen keine sog. Pendelvolumen durch den kontinuierlichen Medienfluß und es sind keine Steuerblöcke erforderlich. Auch die Zahl und die Querschnittsgröße der Rohrleitungen kann begrenzt werden.
• - Im Gegensatz zu dem Antrieb von hydraulischen Pressen, mittels Zylinder, ist mit Ausnahme bei einem Überlastfall, keine Bewegungs- bzw. Drehsinnumkehr erforderlich. Der Wirkungsgrad wird verbessert und die Hubzahl ist höher.
• - Da die Hebel der Gelenkantriebe entfallen und auch die Zahl der Zahnräder wesentlich oder ganz reduziert wird, kann das Kopfstück der Presse erheblich vereinfacht werden. Durch die bessere Gestaltungsmöglichkeit ist eine Festigkeitsoptimierung möglich. Eine Reduzierung der Bauhöhe des Kopfstückes und damit der Presse ist erreichbar. Diese Maßnahmen und der geringere Montageaufwand ergibt eine kostengünstige Lösung.
• - Die bei konventionell mechanisch angetriebenen Pressen erforderlichen Überlastsicherungen, zum Schutz der Maschine und der Werkzeuge, können entfallen. Es wird eine Druckbegrenzung für den Fluidmotor als Funktion vom Kurbelwinkel vorgesehen. Ein vorgegebenes Druckprofil wird dabei mit dem jeweiligen Ist-Druck, bezogen auf den Kurbelwinkel, verglichen. Zugeordnet zu einem Kurbelwinkel kann somit eine bestimmte Preßkraft nicht überschritten werden. Im Falle einer Überlastung kann die Fluidpumpe auf Null geregelt werden oder durch Drehsinnumkehr ein Bremsmoment erzeugen bzw. den Stößel hochfahren.
• - Ebenfalls durch einfache Maßnahmen kann das Kippen des Stößels und damit ein Gleichlauf erreicht werden. Dabei werden beispielhaft 3 Möglichkeiten vorgeschlagen:
  • 1. Eine Torsionswelle,
  • 2. in bekannter Weise über Zahnräder und
  • 3. hydraulisch über sogenannte Rotationsverstärker die als hydraulische Synchronisation mittels Servoregelung auf die Fluidantriebe einwirkt.
• Wenn eine Synchronisation nicht gewollt ist und an jedem Punkt der Stößelaufhängung eine regelbare Kraft wirken soll, können entsprechend der Zahl der Aufhängungspunkte, Fluidantriebe verwendet werden, die separat regelbar sind.
• Es wird dabei eine Wirkung auf den Umformprozeß erzielt der vergleichbar einer Blechhalterregelung ist. Diese Regelung kann zu einer Vereinfachung der Ziehkissenregelung führen.
• - In vorteilhafter Weise kann das Antriebssystem auch als eine Art Baukasten standardisiert werden. So können alternativ zur Verwendung von einem großen Fluidmotor auch mehrere kleine Antriebe eingesetzt werden. Auch die Aufteilung einer Pumpe in zwei Pumpen ist möglich, wobei eine Pumpe mit großen Fördervolumen als Bewegungspumpe und eine Hochdruckpumpe mit geringen Fördervolumen Anwendung findet.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung anhand einer Zeichnung für ein Ausführungsbeispiel.
• Die Figur zeigt:
• Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Pressenstößels mit dem erfindungsgemäßen Antrieb
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
• Mit Pressenstößel 1 sind die Pleuel 2 verbunden. Die Darstellung zeigt eine sogenannte 2-Punktaufhängung in Längswellenausführung. Die Längswellenausführung bedeutet, dass die Exzenterwelle 3 parallel zur Bedienseite der Presse angeordnet ist. Das andere Ende der Pleuel ist an den Exzentern der Exzenterwelle 3 angeordnet. Beispielhaft sind zwei Fluidantriebe 4, stirnseitig mit dem Exzenterwellenende 3, verbunden. Diese Fluidantriebe 4 wirken als hydraulische Motoren und erzeugen die Drehbewegung der Exzenterwelle 3. Einen geschlossenen, hydraulischen Kreislauf bilden die Hydraulikleitungen 5, 6 die, die Fluidantriebe 4 mit der Pumpe 7 verbinden. Die Pumpe 7 kann eine hochdynamische, verstellbare Schrägscheiben-Axialkolbenpumpe sein. Zur Verstellung dient der Leistungsregler 9. Da die Antriebsleistung, als Produkt vom Volumenstrom und hydraulischen Druck, konstant ist, wird z. B. bei steigendem Druck die Fördermenge zurückgeregelt. Da der Druck einen unmittelbaren Zusammenhang zur Umformkraft darstellt, wird somit bei steigender Umformkraft die Umformgeschwindigkeit, aufgrund des reduzierten Volumenstroms, verringert. Je weiter der Leistungsregler 9 den symbolischen Pfeil 10, der Pumpe 7, in Richtung der Vertikalen verschiebt, umso höher steigt der Druck und analog dazu reduziert sich der Volumenstrom. Das System steht, d. h. die Exzenterwelle 3 führt keine Umdrehung aus, wenn der Pfeil 10 in der Vertikalen steht. Neben einer gewollten Ruheposition kann diese Regelfunktion auch im Überlastfall auftreten. Wie bereits beschrieben wird der Überlastfall regeltechnisch als Soll-Ist-Vergleich der Druckwerte, bezogen auf die jeweilige Kurbelstellung, ausgelöst. Die erforderlichen Regel- und Abfrageelemente wie Druck-, Drehzahl und Drehwinkelmesser sind bekannt und nicht weiter dargestellt. Wenn die Pumpenregelung aus der Nullstellung weiter geregelt wird, d. h. Pfeil 10 bewegt sich weiter in linker Schwenkrichtung, dann ändert sich die Drehrichtung der Pumpe 7 und der Stößel 1 wird hochgefahren. Die Stößelgeschwindigkeit und die Stößelkraft, d. h. Umformkraft, kann somit über den Druck und den Volumenstrom beliebig in weiteren Bereichen geregelt werden. Eine weitere Erweiterung der Regelmöglichkeit ist gegeben, wenn der Elektromotor 11 als in seiner Drehzahl regelbarer Motor ausgeführt wird. Der Elektromotor 11 ist über eine feste Kupplung 12 mit der Pumpe 7 verbunden und treibt diese an. Als bekannter Energiespeicher dient Schwungrad 8. Die Fluidantriebe 4 können mit bekannten und nicht näher dargestellten Drehmomentenstützen versehen sein. Werden die Drehmomentenstützen verdrehbar angebaut, z. B. mittels Zylinderbetätigung, so kann der Fluidantrieb 4 auf die jeweils erforderlichen Drehmomente eingestellt werden, wodurch eine höhere Lebensdauer durch eine Reduzierung der Drücke erreicht wird.
• Zur Gewährleistung eines Gleichlaufes der Fluidantriebe 4 können beim dargestellten Ausführungsbeispiel die beschriebenen Rotationsverstärker verwendet werden.
• Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Beispiel beschränkt. Sie umfaßt auch alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen des erfinderischen Gedankens. So gilt der erfindungsgemäße Gedanken ohne Einschränkung für Pressen mit mehreren Exzenterwellen, wie auch für Querwellenantriebe. Ebenso kann die Stößelaufhängung als Einzel- oder Mehrpunktaufhängung ausgeführt sein. Eine unterschiedliche Druckregelung der einzelnen Stößelaufhängungspunkte ist ebenfalls möglich. Zu dieser Funktion kann jedem Stößelaufhängungspunkt ein eigener Fluidantrieb, mit regelbarer Pumpe, zugeordnet werden. Auch kann die Pumpe 7 eine Konstantpumpe sein und durch Verwendung eines Fluidspeichers mit Regelventil ist die Stößelgeschwindigkeit veränderbar.
• Statt mit einem Regelkreis kann der Antrieb auch als Steuervorgang betrieben werden. Aufgrund der bei einer Nullserie ermittelten Daten, wird dann eine Sollkurve mit Toleranzbereich vorgesehen dem der Pressenantrieb folgt.

Claims (10)

1. Antrieb für einen Pressenstößel mit einer drehbar gelagerten und angetriebenen Exzenterwelle und mit Pleuel die auf dem Exzenter der Exzenterwelle drehbar gelagert sind und diese Pleuel mit ihrem anderen Ende am Pressenstößel schwenkbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb mindestens ein Fluidantrieb (4) ist, der unmittelbar oder über eine Getriebestufe mittelbar mit der Exzenterwelle (3) verbunden ist und das dieser Fluidantrieb (4) über mindestens eine Pumpe (7) antreibbar ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (7) eine regelbare Pumpe ist die durch einen, in seiner Drehzahl konstanten oder regelbaren, Elektromotor (11) und gegebenenfalls zusätzlich mit einem Schwungrad (8) antreibbar ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Pumpe (7), durch einen Leistungsregler (9), im hydraulischen Druck und/oder Volumenstrom regelbar ist.

4. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Exzenterwelle (3) mindestens zwei Fluidantriebe (4) stirnseitig wirkverbunden sind.

5. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Fluidantriebe (4) einem Niederdruck- und einem Hochdruckantrieb aufweisen.

6. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Pleuel (2) als Stößelanlenkpunkt mindestens ein Fluidantrieb (4) und eine regelbare Pumpe (7) zugeordnet ist.

7. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Gleichlauf von Pressenstößel (1) mindestens eine Torsionswelle oder Zahnradpaar oder ein hydraulischer Rotationsverstärker vorgesehen ist.

8. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Pumpe (7) durch den Leistungsregler (9) in eine Null- oder eine den Drehsinn von der regelbaren Pumpe (7) und dem Fluidantrieb (4) umkehrbaren Stellung regelbar ist.

9. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (7) eine Konstantpumpe ist die in Wirkverbindung mit einem Fluidspeicher mit Regelventil ist.

10. Antrieb nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (7) mit Fluidantrieb (4) und gegebenenfalls Fluidspeicher ein geschlossener Kreislauf ist.