DE19806751A1 - Presse oder Pressenanlage mit elektrischem Antrieb nach dem Linearmotoren-Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Presse oder Pressenanlage mit elektrischem Antrieb entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Pressen, Mehrstufenpressen, Schnelläuferpressen und dgl. Pressenanlagen dienen dem Schnitt und/oder der Umformung von metallischen wie auch nicht-metallischen Materialien in Blech-, Platinen- od. dgl. Form aus Streifen oder Bändern oder entspre­ chender Halbzeugform. Als Pressen bzw. Pressenanlagen kommen sowohl Schnelläu­ ferpressen mit hohen Taktzahlen und hohen Stößelgeschwindigkeiten in Betracht als auch Pressen zum Umformen mit erhöhtem Kraftaufwand und Arbeitsvermögen als auch solche mit mehreren Bearbeitungsstufen.

In den Druckschriften US-A-3,709,083, US-A-4,022,090, US-A-4,135,770, US-A-2,951,437, EP-B1-0554258 sind Pressen bzw. Stanzen mit elektrischem Direktan­ trieb publiziert mit gestellseitigen Erregerspulen und stößelseitigen Rotorteilen. Nach­ teilig ist bei derartigem Antrieb die hier erforderliche mechanische Blockierung der Stößelbewegung durch Anlage (Anschläge) im Pressengestell bzw. im Werkzeug.

Aus der US-A-5,357,779 ist die Verwendung eines Linearmotors in einer Presse zum Zurückführen eines werkzeugseitigen Teiles bekannt. Hierdurch ist es möglich, Bewegungen des Umformens und des Auswerfens voneinander zu trennen.

Desweiteren ist aus der US-A-4,155,300 die Verwendung eines Linearmotors als Alternative für den Hilfsantrieb des Stößels in einer hydraulisch wirkenden Presse be­ kannt. Hierdurch sollen höhere Hubzahlen erreicht werden. Der Hilfsantrieb kann ent­ weder weiter in Arbeitsrichtung wirken oder in Leerlauf geschaltet werden. Die Presse kann sowohl eine stehende mit vertikalem Stößelhub, als auch eine liegende Presse mit horizontalem Stößelhub sein.

Aus den Deutschen Offenlegungsschriften DE-A1-41 34 100 und DE-A1-43 41 661 sind Linearmotor-Antriebseinheiten nach dem Magnetschwebesystem bekannt ohne Hinweis auf deren Anwendung als Antriebsmittel für in Pressen bewegte Stößel.

Linearmotor-Antriebseinheiten bestehen aus einer Kombination gelagerter Gerad­ führungseinheiten und eines Linearmotors. Geradführungseinheiten bestehen beispiels­ weise aus einer Schiene vorgegebener Länge, auf der ein Schlitten bzw. Wagen vermit­ tels Wälzkörpern verschleppbar ist. Der hiermit gekoppelte Linearmotor ist im allgemei­ nen eine eigene Baueinheit, die mit dem Schlitten bzw. Wagen verbunden ist.

Mit einem Linearmotor ist es möglich, elektrische Energie direkt in eine geradli­ nige Bewegung umzusetzen.

Linearmotor-Antriebseinheiten sind in ihrem Aufbau robuste Kompakt-Einheiten Sie stellen sog. digitale intelligente Direktantriebe dar, deren Kräfte heute bis 14,5 kN reichen bei Beschleunigungen bis 450 m/s² und Geschwindigkeiten bis 300 m/min.

Der umfangreiche Stand der Technik führte nicht hin zu konstruktiven Lösungen hinsichtlich der Antriebsbewegung von Stößeln in Pressen bzw. Pressenanlagen. Der Stand der Technik zeigt auch, daß die Nutzung von Linearmotor-Antriebseinheiten ge­ danklich in eine andere Richtung verläuft.

Aus der Publikation "Forschung Entwicklung Lehre" des Instituts für Produk­ tionstechnik und Umformmaschinen, Technische Hochschule Darmstadt, veröffentlicht Darmstadt 1997, Seite 43, ist unter Alternative Maschinenkonzepte eine Linearmotor- Stanzeinheit bekannt. Auf einer Grundplatte sind Werkzeugunterteile befestigt. Diesen stehen Werkzeugoberteile gegenüber, die an je einem Sekundärteil eines (von zwei) Linearmotors befestigt sind. Die Linearmotor-Stanzeinheit arbeitet ohne Stößel, also nur mit geringer Masse. Danach sind Linearmotor-Stanzeinheiten anwendbar zum Scherschneiden, auch in Verbindung mit anderen Umformverfahren. Der Artikel geht aus von kleinen, modulartigen Schneid- und Umformeinheiten. Als Vorteile werden hierbei angesehen, daß Pressenantriebe mit Linearmotoren Vorteile hydraulischer und mechanischer Pressen vereinen, ohne jedoch die eigentlichen, sich aus der Bewegung größerer Massen, die z. B. ein Stößel darstellt, ergebenden Probleme, wie Massenaus gleich und Gewichtsausgleich, Lageregelung bei Umformung, konstruktiver Umgestal­ tung der Pressen u. dgl. ergeben, zu erwähnen.

Demgegenüber ist es eine Aufgabe der Erfindung, Linearmotor-Antriebe in Pres­ sen als Hauptantrieb von einem oder mehreren Stößeln zu integrieren.

Diese Aufgabe ist gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Generell bedarf es hier der konstruktiven Neugestaltung der Pressen. Der Einbau der Linearmotor-Antriebe zwischen Pressengestell (Pressenständer) und Stößel behin­ dert nicht den Einsatz von möglicherweise erforderlichen linearen Führungen zwischen Pressengestell und Stößel.

Von besonderem Vorteil ist, daß sich sowohl weggebundene als auch kraftge­ bundene und energie- (arbeits-) gebundene Charakteristiken nachvollziehen lassen durch die Verwendung der dementsprechenden Größe als Führungsgröße in der Steue­ rung bzw. Regelung der Antriebe.

Die Erfindung nutzt den Gedanken für direkt betriebene, wie auch für indirekt betriebene Stößel.

Von weiterem besonderen Vorteil ist die Möglichkeit der Kraftvervielfachung für größere Schnitt- und Umformarbeiten und der zusätzlichen Einspeisung und Anpassung von Energie während der Umformung.

Als Folge unterschiedlich hoher Stößelhübe, Stanz- und Umformgeschwindigkei­ ten bedurfte es oftmals Stellglieder für eine separate Eintauchtiefenregelung. Diese können nunmehr entfallen aufgrund der reproduzierbaren hohen Genauigkeiten in der Verfahrbewegung der Linearmotor-Antriebe.

Der Stößel ist in seinen Weg-Zeit-Kriterien frei verfahrbar. Es entfallen aufwen­ dige mechanische Kurven- und/oder Gelenkantriebe, mit denen ohnehin nur von vom herein festgelegte Charakteristiken zu erreichen sind.

Desweiteren wird durch die Erfindung das Problem der Stößelkippung kompen­ siert, die als Folge wandernder Last bei der Umformung bzw. durch ungleiche Last hervorgerufen wird. Durch den Einsatz (Einbau) von mehreren Linearmotor-Antrieben an verschiedenen Stößelbereichen läßt sich über eine Folgesteuerung zwischen den An­ trieben die Stößelkippung über die Eingriffsdauer ausgleichen.

Von weiterem besonderen Vorteil ist die Möglichkeit des Ausgleichs von Mas­ senkräften direkt abgegriffen vom Stößel oder alternativ durch eine linearmotor-betrie­ bene Masse.

Als erfindungswesentlich wird angesehen, daß sich ein mehreren Linearmotoren gemeinsamer Rotorteil (Sekundärteil) oder Ständerteil (Primärteil) integral mit dem Pressengestell für mehrere Linearmotor-Antriebe nutzen läßt. Dieser Sekundärteil bzw. diese Primärteile läßt sich, bzw. lassen sich so für die Linearmotor-Antriebe des Stößels und zugleich für den oder die Linearmotor-Antriebe der Ausgleichsmasse vor­ teilhaft ausbilden.

Diese und weitere Vorteile bewirken die Merkmale des Anspruchs 1 und der in den weiteren Ansprüchen bevorzugt gekennzeichneten Ausführungsbeispiele.

Diese sollen anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert werden.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine erste Presse, teilweise im Schnitt, mit Linearmotor-Antrieben,

Fig. 2 die Presse entsprechend einem gedachten Schnitt oberhalb des in Fig. 1 gezeigten Stößels,

Fig. 3 eine zweite Presse mit einem mechanisch mit dem Stößel wirkver­ bundenen Massenausgleich,

Fig. 4 die Presse entsprechend einem gedachten Schnittverlauf in Fig. 3 im Bereich des Massenausgleiches,

Fig. 5 eine Presse mit Stößel und Massenausgleich, angetrieben von ge­ meinsamen Linearmotor-Antrieben,

Fig. 6 eine Presse mit Stößel und Massenausgleich, angetrieben von ge­ trennten Linearmotor-Antrieben und

Fig. 7 eine Antriebssteuerung für den Massenausgleich.

Die Vorteile des Einsatzes von Linearmotor-Antrieben kommen sowohl bei ar­ beitsgebundenen Pressen, wie beispielsweise Spindelpressen oder Schmiedepressen als auch bei weggebundenen bzw. kraftgebundenen Pressen, wie mechanische Pressen oder hydraulische Pressen zum Tragen. Zu den Möglichkeiten nach der Erfindung gehören die geometrische Hintereinander-Anordnung mehrerer Linearmotoren-Antriebe je An­ triebsbereich, die zu Kraftvervielfachung führt bei elektrischer Parallelschaltung. Vor­ zugsanwendungsgebiet waren zunächst Schnelläuferpressen mit hohen Taktzahlen und hoher Stößelgeschwindigkeit. Die Erfindung ist auf derartige Pressen zum Schneiden und Lochen nicht beschränkt, da sich neben kraftgebundener auch weg- oder energie­ gebundene Charakteristiken realisieren lassen und die Erfindung somit auch für Pressen zum Umformen vorzusehen ist.

Die Presse in den Fig. 1 und 2 weist ein Pressengestell 1 auf aus einer Schweiß- oder Gußkonstruktion mit einem Pressentisch 2 zur Aufnahme und Abstützung eines Werkzeugunterteils eines Werkzeugs oder Werkzeugsatzes 4. Im Öffnungsbereich der Presse ist ein Pressenstößel 3 auf- und abverfahrbar in Führungen 8 gelagert. Es ver­ steht sich, daß bei einer liegenden Presse der Pressenstößel 3 dann horizontal und zwi­ schen seinen Unmkehrpunkten zu bewegen ist. Zum Antrieb des Pressenstößels 3 dienen Linearmotor-Antriebe 5, die zwischen Pressengestell 1 und Pressenstößel 3 im wesent­ lichen im Bereich der Führungen 8 integriert sind.

Mit den Positionen 6 bzw. 7 sind Primärteil und Sekundärteil eines oder mehrerer Linearmotor-Antriebe je Antriebsbereich vorgesehen. Primär- und Sekundärteile sind vertauschbar. Jedoch müssen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die pressenstößel­ seitigen Primärteile 6 über Kabelschlepp o. dgl. Energiezufuhrmittel versorgt werden. Der Sekundärteil erstreckt sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über die Gesamt­ bewegungslänge des Pressenstößels. Im Austauschfall befinden sich anstelle des Sekun­ därteils Primärteile in einer der Länge entsprechenden Anzahl.

Wie insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen ist, befinden sich die Linearmotor-An­ triebe 5 im wesentlichen im Bereich der Führungen 8, wobei im Einzelfall auf Füh­ rungen, integral mit der Presse, verzichtet werden kann, bei Einsatz von z. B. in der DE-A1 41 34 100 beschriebenen Linearmotor-Antriebseinheiten. Diese weisen Füh­ rungsmittel auf mit Wälzkörpermitteln zwischen Schiene und beweglichem Schlittenteil.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 und 2, wo­ bei der in den Führungen 8 gelagerte Pressenstößel 3 vermittels Linearmotor-Antrieben bewegbar ist. Im Kopfbereich der Presse 1 sind zwei Ausgleichsmassen in einem La­ gerpunkt 14 drehbeweglich gelagert, die in jeweils einem dem Lagerpunkt 14 fernen Bereich über Umlenkmittel 10 aus Lenkern 11 und Lasche 12 angelenkt sind. Die Len­ ker 11 sind in Lagerböcken 13 gestellseitig gelagert; die Lasche 12 ist anderenends am Pressenstößel 3 angelenkt.

Fig. 4 zeigt im einzelnen die doppelte Anordnung von Lenkern 11 und Laschen 12 und der Lagerböcke 13.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Presse mit Pressengestell 1, Pressentisch 2 und dem in Führungen 8 gelagerten Pressenstößel 3 gezeigt. Im Kopfbe­ reich der Presse ist eine Ausgleichsmasse 16 in Führungen 20 beweglich gelagert - ent­ sprechend der Erstreckung der Führungen.

An einem Zwischenträger 25 sind Linearmotor-Antriebe 15 quer zur Bewe­ gungsrichtung des Pressenstößels 3 verschieblich angeordnet, von denen einer von mehreren Linearmotor-Antrieben dargestellt ist.

Der gezeigte Linearmotor-Antrieb 15 ist einerseits mit einer Lasche 17 mit dem Pressenstößel 3, andererseits mit einer Lasche 17, z. B. in gleicher Ausführung mit der Ausgleichsmasse, in Drehlagern 19 bzw. 18 wirkverbunden. Mechanisch mit dem Pres­ senstößel wirkverbundene Ausgleichsmassen, deren Bedeutung, Aufbau und Anord­ nung sind beispielsweise in der EP-B1-455 988 beschrieben. Es versteht sich, daß entsprechend der Anzahl Anlenkpunkte 18, 19 an Ausgleichsmasse 16 und Pressenstößel 3 zumindest ein Linearmotor-Antrieb 15 vorgesehen ist, dem weitere Linearmotor-Antriebe elektrisch und kräftemäßig parallel geschaltet sind.

Fig. 6 zeigt in einem Pressengestell 1 einer Presse jeweils einen Pressenstößel 3 und einen Massenausgleich 21, die mechanisch voneinander getrennt sind. Der Pres­ senstößel 3 wird, wie in zuvor gezeigter Weise, vermittels Linearmotor-Antrieben 5 mit den Primär- und Sekundärteilen 7, 23 betrieben. Die Primärteile 23, die hier beispiels­ weise pressengestellseitig integriert sind, erstrecken sich über die Bewegungslänge des Pressenstößels 3 hinaus in den Bewegungsbereich der Ausgleichsmasse 21 mit dem Sekundärteil 22. Pressenstößel 3 und Ausgleichsmasse 21 können in gleichen Füh­ rungsmitteln 8 gleitend beweglich gelagert sein. Ein Vorteil der Anordnung der Primär­ teile 23 in dem pressengestellseitigen Teil der Presse ist gegenüber einer gegenstückli­ chen Anordnungsweise in der Vermeidung von Kabelschlepp für die Ansteuerung der Linearmotor-Antriebe zu sehen.

Im folgenden soll der in Fig. 7 dargestellte Schaltungsaufbau eines Antriebskon­ zeptes mit Massenausgleichsantrieben kurz erläutert werden. Generell werden Steue­ rungen grundsätzlicher Art von den Zulieferern für Linearmotor-Antriebe mit angebo­ ten. Die erforderliche Regelung ist eine mehrstufige Lageregelung, Geschwindigkeits­ regelung, sowie Strom-(Kraft-)Beschleunigungsregelung.

Der Stößelantrieb erfordert eine genaue Vorgabe der Stößelweg-Zeit-Charakte­ ristik als Steuerkurve. Die Antriebsregelung verfolgt eine Regelstrategie, die auf einem Soll-Ist-Vergleich der Lage, der Geschwindigkeit und des Stromes aufbaut. Die ge­ zeigte Presse 1 zeigt hierfür eine Linearmaßstabsabfrage 24 zum Soll-Ist-Vergleich von Stößelposition im Vergleichspunkt 26 und Geschwindigkeit im Vergleichspunkt 27, wobei sowohl der Soll- als auch der Istwert der Geschwindigkeit durch numerische Dif­ ferentiation der Lage ermittelt werden. In die Regelung der Geschwindigkeit geht der Geschwindigkeitsistwert ein, der Geschwindigkeitssollwert nach der Steuerkurve (Geschwindigkeitsvorsteuerung) wie auch die Geschwindigkeit nach Lageregelung. Die Stromregelung erhält als Eingangsgrößen Sollgeschwindigkeit und Iststromstärke. Nun erfolgt für den Antrieb des Stößels die Kommutierung des Stromes und die Leistungs­ verstärkung. Die Ausgleichsmasse muß die Beschleunigungen des Stößels nachfahren, nicht deren Weg, wozu die Geschwindigkeitsvorgaben in 32 laufend abgegriffen und mit denen des vergangenen Schrittes verglichen werden. Dabei ist zu beachten, daß die Bahn der Ausgleichsmasse begrenzt ist, die Lage des Stößels also in die Steuerung der Ausgleichsmasse Eingang finden muß. Zur Ansteuerung bzw. Beaufschlagung der Linearmotor-Antriebe 22 des hier im Pressentisch 2 angeordneten Massenausgleichs 21 dient ein weiterer Regelkreis mit den Bauteilen Beschleunigungsberechnung 28, Strom­ regler 29, Kommutierung 30 und einem Leistungsteil 31.

Claims (13)

1. Presse oder Pressenanlage mit elektrischem Antrieb nach dem Linearmotoren- Prinzip, mit Pressengestell (1), Pressentisch (2) und zumindest einem Pressenstößel (3) zur Aufnahme von Werkzeugunterteil(en) (4) und Werkzeugoberteil(en) (4), wobei jeder Pressenstößel (3) auf- und ab- bzw. hin- und herbewegbar in dem Pressengestell (1) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptantrieb des Pressenstößels (3) durch Antriebsmittel nach dem Linearmotoren-Prinzip (5, 6, 7, 15, 23) erfolgt und die hierzu erforderlichen Linearmotoren (5, 6, 7, 15, 23) antriebsmäßig zwischen dem Pressengestell (1) und innerhalb diesem und dem Pressenstößel (3) bzw. jedem der Pressenstößel (3) angeordnet ist.

2. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearmotoren (5, 6, 7) als Direktantriebe im Bereich der Führungen (8) des Pressenstößels (3) angeord­ net sind.

3. Presse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsmittel (8) zwischen Pressengestell (1) und Pressenstößel (3) durch Linearmotoren (5, 6, 7) ersetzt sind.

4. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Linearmotor (15) vorhanden ist, der über Bewegungsumlenkmittel indirekt an dem Pressenstößel (3) angreift.

5. Presse nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl ange­ ordneter Linearmotoren (5, 6, 7, 22, 23) im Bereich jeder Führung (8).

6. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein mehreren Linearmotoren (5) gemeinsamer Rotorteil (Sekundärteil 7) am Pressengestell (1) zwi­ schen diesem und dem Pressenstößel (3) über die Gesamtbewegungslänge des Pressen­ stößels (3) erstreckt und der Statorteil (Primärteil 6) bzw. Statorteile am Pressenstößel (3) angeordnet bzw. in diesen integriert sind.

7. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein mehreren Linearmotoren (5) gemeinsamer Rotorteil (Sekundärteil 7) zwischen Pressengestell (1) und Pressenstößel (3) über die Gesamtbewegungslänge des Pressenstößels (3) hin­ ausgehend erstreckt für Haupt- und Nebenantriebe.

8. Presse nach den Ansprüchen 1, 6 oder 7, daß die Ständerteile (Primärteile 6) mehrerer Linearmotoren (5) über den Bewegungsbereich des Pressenstößels (3) und darüber hinausgehend pressengestellseitig, die Sekundärteile (7) stößelseitig integriert sind.

9. Presse nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem über die Bewegungslänge des Pressenstößels (3) hinausgehenden Bereich der Linearmotoren (5) eine Ausgleichsmasse (21) pressengestellseitig verschieblich gelagert ist, deren integrierte Linearmotoren (22, 23) direkt, im anderen Fall über eine Folge­ steuerung im Master-Slave-Betrieb zum Stößelantrieb ansteuerbar sind.

10. Presse nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem über die Bewegungslänge des Pressenstößels (3) hinausgehenden Bereich eine Ausgleichsmasse (9) pressengestellseitig beweglich gelagert ist, die mechanisch mit dem Pressenstößel (3) wirkverbunden ist.

11. Presse nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Linearmotor-Antrieb (15) angeordnet ist, der quer zur Hauptrichtung (Bewegungsrichtung) des Pressenstößels (3) wirksam gelagert ist und mit Umlenkmit­ teln (17, 18) zur Umlenkung der Bewegung zwischen Linearmotor (15) und Pressen­ stößel (3).

12. Presse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen sowohl für den Pressenstößel (3) als auch für die Ausgleichsmasse (21) von einem, ggf. mehreren gemeinsamen Linearmotoren (15) abgegriffen werden.

13. Presse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linearmotoren (5, 6, 7) direkt im Parallelbetrieb, im anderen Fall im Master-Slave-Betrieb gesteuert sind.