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Die
Erfindung betrifft eine Servopresse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
Servopressen oder auch hydraulische Pressen werden in unterschiedlichsten
Anwendungen zur Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt. Derartige
Servopressen arbeiten besonders dann zuverlässig, wenn der am jeweiligen
Werkstück auszuführende Bearbeitungsprozess
bekannt ist, so dass der Verlauf der Hubbewegung der Servopresse von
vornherein festgelegt ist und als Eingangsparameter für die Servopressen
vorgegeben werden kann.
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Probleme
beim Einsatz derartiger Servopressen treten jedoch dann auf, wenn
der Bearbeitungsprozess des Werkstücks noch nicht vorbekannt ist.
Beispiele hierfür
sind die Bearbeitung von Werkstücken
im Prototypenbau und im Entwicklungs- oder Forschungsbereich. Hier
muss erst von der Bedienperson der optimale Bearbeitungsprozess
empirisch ermittelt werden. Hierzu ist es erforderlich, die Hubbewegung
des Pressenstößels feinfühlig an
die Beschaffenheit des Werkstücks
anzupassen, damit die von der Servopresse ausgeübten Kräfte nicht zu Beschädigungen
des Werkstücks
führen.
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Ein
derartiges empirisches Ermitteln eines optimalen Bearbeitungsprozesses
ist mit Servopressen nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich, da
die Bedienperson lediglich den Hub, die Kraft oder die Geschwindigkeit
der Servopresse vorab begrenzen kann, ohne jedoch zu wissen oder
eine rechtzeitige Rückmeldung
zu erhalten, ob diese Begrenzungen während des Bearbeitungsprozesses
sinnvoll sind.
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Aufgrund
dieser Mängel
werden bei derartigen Anwendungsfällen nicht Servopressen, sondern Handhebelpressen
eingesetzt. Ein wesentlicher Vorteil derartiger Handhebelpressen
besteht darin, dass die Bedienperson bei der Betätigung des Handhebels der Handhebelpresse
zur Bearbeitung des Werkstücks
durch die vom Pressenstößel ausgeübte Kraft
eine Gegenkraft am Handhebel spürt.
Aufgrund dessen kann die Bedienperson den Bearbeitungsvorgang feinfühlig abstimmen
und optimieren. So kann die Bedienperson insbesondere die auf das
Werkstück
ausgeübten
Kräfte
dosieren und begrenzen, um Beschädigungen
am Werkstück
oder an der Servopresse zu vermeiden. Weiter kann die Bedienperson
den Bearbeitungsprozess auch sofort stoppen, wenn durch die Gegenkraft
am Handhebel etwas Unerwartetes registriert wird.
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Nachteilig
bei der Verwendung von Handhebelpressen ist jedoch, dass diese nur
dann sinnvoll einsetzbar sind, wenn die Kräfte, die von dieser zur Bearbeitung
des Werkstücks
ausgeübt
werden müssen,
relativ gering sind. Werden die erforderlichen Kräfte jedoch
größer, ist
die mechanische Übersetzung
des Handhebels der Handhebelpresse nicht mehr ausreichend um den
Bearbeitungsprozess durchführen
zu können.
Dies beruht darauf, dass die mechanische Übersetzung des Handhebels nicht
beliebig gesteigert werden kann, da ansonsten entweder der Hub des
Pressenstößels immer
kleiner würde,
oder der Handhebel um viele Umdrehungen gedreht werden müsste, um
den erforderlichen Hub des Pressenstößels zu erreichen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Servopresse der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welche hinsichtlich ihrer Bedienbarkeit
verbesserte Eigenschaften aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Servopresse
umfasst einen von einem Antrieb angetriebenen, eine Hubbewegung
ausführenden
Pressenstößel. Zur
Betätigung
des Pressenstößels ist
ein von diesem mechanisch entkoppelter Handhebel vorgesehen, welcher in
vorgegebenen Betätigungsrichtungen
auslenkbar ist. Dem Handhebel ist eine Kraftrückmeldeeinheit zugeordnet,
mittels derer in Abhängigkeit
der mit dem Pressenstößel genierten
Kräfte
Gegenkräfte
generiert werden, welche auf den Handhebel entgegen dessen aktueller
Auslenkrichtung wirken.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mit dem Vorsehen
eines Handhebels für die
Servopresse die Vorteile einer Servopresse und einer Handhebelpresse
kombiniert werden. Einerseits können
mit der Servopresse hohe Kräfte
zur Bearbeitung von Werkstücken
erzeugt werden. Andererseits erhält
die Bedienperson bei der Betätigung des
Handhebels eine unmittelbare Rückmeldung über die
auf das Werkstück
ausgeübten
Kräfte,
indem sie die Gegenkraft am Handhebel spürt. Somit kann auch bei nicht
vorbekannten Bearbeitungsprozessen von Werkstücken der Bearbeitungsvorgang durch
die Bedienperson feinfühlig
abgestimmt und optimiert werden.
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Wesentlich
hierbei ist, dass der Handhebel nicht mechanisch gekoppelt ist.
Vielmehr sind der Handhebel und die diesem zugeordnete Kraftrückmeldeeinheit
elektrisch an den Antrieb der Servopresse gekoppelt, der vorteilhaft
als elektrischer Antrieb ausgebildet ist. Damit sind die mit der
erfindungsgemäßen Servopresse
durchzuführenden
Bearbeitungsvorgänge,
anders als bei einer Handhebelpresse, nicht durch die mechanische Übersetzung begrenzt.
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Vorteilhaft
weist die Kraftrückmeldeeinheit Mittel
zur Bestimmung der mit dem Pressenstößel generierten Kräfte auf.
Insbesondere ist als Mittel zur Bestimmung der mit dem Pressenstößel generierten Kräfte ein
Kraftsensor vorgesehen, mittels dessen die vom Pressenstößel auf
ein zu bearbeitendes Werkstück
ausgeübten
Kräfte
erfassbar sind.
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Damit
kann die auf den Handhebel auszugebende Gegenkraft genau an die
aktuell auf das Werkstück
wirkende Presskraft angepasst werden, so dass die Bedienperson mit
der Gegenkraft eine exakte Rückmeldung
für den
aktuell durchgeführten
Bearbeitungsvorgang erhält.
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Die
Funktionalität
der erfindungsgemäßen Servopresse
kann dahingehend noch erweitert werden, dass die Kraftrückmeldeeinheit
Mittel zur Bestimmung der Beschleunigungskräfte des Pressenstößels aufweist.
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Vorteilhaft
sind im elektrischen Antrieb die Motorströme als Maß für die Beschleunigungskräfte bestimmbar.
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Dabei
liefern die Motorströme
nicht nur ein Maß für die Beschleunigungskräfte allein,
sondern auch für
die gesamten, auf den Pressenstößel wirkenden
Kräfte.
Damit kann in diesem Fall prinzipiell auch auf einen separaten Kraftsensor
verzichtet werden.
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Die
so bestimmten Messwerte sind zwar durch Reibungsverluste im elektrischen
Antrieb etwas verfälscht,
wodurch die Messwerte richtungsabhängig sind und damit eine Hysterese
entsteht. Jedoch können
auf diese Weise die Beschleunigungskräfte sehr einfach und ohne zusätzlichen
konstruktiven Aufwand bestimmt werden.
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Durch
die Einbeziehung der Beschleunigungskraft in die Rückmeldung
für den
Handhebel erhält
die Bedienperson trotz einer gegebenenfalls großen Kraftübersetzung das Gefühl mit einer
Presse mit großen
bewegten Massen zu arbeiten. Als Schutz bei einem ein Auftreffen
des Pressenstößels auf
das Werkstück
mit sehr hohen Beschleunigungen kann eine mechanische Sicherung
vorgesehen sein, die bei Überlast
nachgibt.
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Besonders
vorteilhaft weist die Kraftrückmeldeeinheit
als Einheit zur Generierung der Gegenkräfte einen Elektromotor oder
einen Zugmagneten auf.
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Mit
diesen Einheiten kann schnell und exakt auf rein elektrischem Weg
die für
die Bedienperson am Handhebel spürbare
Gegenkraft erzeugt werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung ist mit der Einheit zur Generierung
der Gegenkräfte
die Funktion einer Rückstellfeder
des Handhebels darstellbar.
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Durch
die so gewährleistete
Nachbildung einer Rückstellfeder
ist gewährleistet,
dass der Handhebel nach Loslassen wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt.
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Besonders
vorteilhaft ist ein Wegsensor zur Bestimmung der Auslenkposition
des Handhebels vorgesehen. Die mit dem Wegsensor bestimmten Auslenkpositionen
bilden Sollwerte für
die Hubbewegung des Pressenstößels. Die
mit dem Wegsensor erfassten Auslenkpositionen des Handhebels werden
in den Antrieb oder in eine den Antrieb steuernde Steuereinheit
eingelesen.
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Auf
diese Weise wird mit elektrischen Mitteln eine Ankopplung des Handhebels
an den Antrieb der Servopresse erreicht, wodurch gewährleistet
ist, dass eine bestimmte Auslenkung des Handhebels definiert in
einen bestimmten Hubwert des Pressenstößels umgesetzt wird.
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Hierbei
ist im Antrieb oder in der Steuereinheit als funktionaler Zusammenhang
zwischen der Auslenkposition des Handhebels und dem Hub des Pressenstößels eine
Wegübersetzung
vorgegeben, wobei die Wegübersetzung
applikationsspezifisch vorgebbar ist.
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Hier
wird vorteilhaft ausgenutzt, dass der Handhebel nicht mehr mechanisch,
sondern elektrisch beziehungsweise mit elektronischen Mitteln an den
Antrieb und den Pressenstößel der
Servopresse angekoppelt ist. Die Vorgabe der Hubwerte ist damit nicht
mehr abhängig
von einer mechanischen Übersetzung
des Handhebels.
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Die
Wegübersetzung
kann vielmehr frei als Kennlinie vorgegeben werden und damit insbesondere
an applikationsspezifische Randbedingungen optimal angepasst werden.
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Ebenso
kann im Antrieb oder in der Steuereinheit als funktionaler Zusammenhang
zwischen der mit dem Pressenstößel generierten
Kraft und der auf den Handhebel ausgeübten Gegenkraft eine Kraftübersetzung
vorgebbar sein, wobei die Kraftübersetzung
applikationsspezifisch vorgebbar ist.
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Damit
kann auch die Gegenkraft und damit die Rückmeldung am Handhebel auf
eine bestimmte Kraft des Pressenstößels unabhängig von dieser vorgegeben
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Servopresse.
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2:
Diagramm einer Wegübersetzung
für die
Servopresse gemäß 1.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Servopresse 1.
Die Servopresse 1 umfasst als Antrieb einen elektrischen
Antrieb 2, mittels dessen ein Pressenstößel 3 angetrieben
wird, so dass dieser, wie mit dem Doppelpfeil P1 angedeutet, eine
lineare Hubbewegung ausführt.
Anstelle eines elektrischen Antriebs 2 kann als Antrieb
prinzipiell auch ein hydraulischer Antrieb eingesetzt werden. Im
vorliegenden Fall ist im elektrischen Antrieb 2 eine nicht
gesondert dargestellte Steuereinheit integriert, die von einem Mikroprozessor
oder dergleichen gebildet ist. Alternativ kann die Steuereinheit
auch eine separate Einheit sein.
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Mit
dem Pressenstößel 3 wird
ein Werkstück 4 bearbeitet,
welches in einer Aufnahme 5 gelagert wird.
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Zur
Betätigung
des Pressenstößels 3 ist
ein Handhebel 6 vorgesehen, der von den vorgenannten Komponenten
der Servopresse 1, insbesondere dem Pressenstößel 3,
mechanisch entkoppelt ist. Der Handhebel 6 ist an einer
Schwenklagerung 7 schwenkbar gelagert und kann in der mit
dem Doppelfeil P2 bezeichneten Schwenkrichtung geschwenkt werden.
Generell sind auch andere Auslenkbewegungen mit dem Handhebel 6 denkbar.
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Dem
Handhebel 6 ist ein Wegsensor 8 zugeordnet, mittels
dessen die aktuelle Schwenkbewegung des Handhebels 6 erfasst
wird. Der Wegsensor 8 ist im vorliegenden Fall von einem
Winkelgeber gebildet, mit dem die Schwenkbewegung, das heißt Drehbewegung
des Handhebels 6 erfasst wird. Die vom Wegsensor 8 generierten
Messwerte werden über
eine Zuleitung 8a oder berührungslos in die Steuereinheit
des elektrischen Antriebs 2 eingelesen und bilden Sollwerte
für die
Hubbewegung des Pressenstößels 3.
Hierzu ist in der Steuereinheit vorzugsweise eine Kennlinie hinterlegt,
die eine eindeutige Zuordnung von Schwenkpositionen des Handhebels 6 zu
den jeweiligen Hubwerten des Pressenstößels 3 definiert.
Die Ansteuerung des elektrischen Antriebs 2 durch die Steuereinheit
erfolgt dann derart, dass für den
jeweiligen aktuellen Messwert des Wegsensors 8 über die
Kennlinie der hierzu gehörende
Hubwert des Pressenstößels 3 ausgelesen
wird, welcher dann über
den elektrischen Antrieb 2 eingestellt wird.
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Auf
diese Weise erfolgt definiert der Kraftaufbau des Pressenstößels 3 zur
Bearbeitung des Werkstücks 4.
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Die
Kennlinie definiert eine Wegübersetzung,
das heißt
einen funktionalen Zusammenhang zwischen dem Hub des Pressenstößels 3 und
der Schwenkposition des Handhebels 6. Im einfachsten Fall
existiert ein linearer Zusammenhang zwischen beiden Größen. Vorteilhaft
sind in der Steuereinheit mehrere unter schiedliche Wegübersetzungen
abgespeichert, wobei je nach aktueller Applikation die hierfür geeignete
Wegübersetzung
aktiviert werden kann.
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2 zeigt
ein Beispiel einer solchen Wegübersetzung.
In dem Diagramm gemäß 2 ist
der Pressenhub des Pressenstößels 3 in
mm gegenüber dem
Hebelhub des Handhebels 6 in Prozent aufgetragen. Dabei
entspricht der Wert 0% des Hebelhubs der Schwenkposition des Handhebels 6 in
seiner Grundstellung. Der Wert 100% des Hebelhubs entspricht der
maximal möglichen
Auslenkung des Handhebels 6.
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Bei
der in 2 dargestellten Wegübersetzung existiert ein nichtlinearer
Zusammenhang zwischen Pressenhub und Hebelhub. Dabei werden in den
ersten 50% des Hebelhubs 90 mm des Pressenhubs und in den zweiten
50% des Hebelhubs weitere 10 mm des Pressenhubs gefahren. Dabei
kann der gesamte Pressenhub von 100 mm dem maximal möglichen
Pressenhub oder einem Teil hiervon betragen.
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Die
Servopresse 1 gemäß 1 weist
weiterhin eine Kraftrückmeldeeinheit
auf, mittels derer in Abhängigkeit
der mit dem Pressenstößel 3 generierten
Kräfte
Gegenkräfte
generiert werden, welche auf den Handhebel 6 entgegen der
aktuellen Schwenkbewegung wirken.
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Die
Kraftrückmeldeeinheit
weist im vorliegenden Fall zur Erfassung der Kräfte des Pressenstößels 3 einen
Kraftsensor 9 auf, der in der Aufnahme 5 für das Werkstück 4 integriert
ist und die auf das Werkstück 4 ausgeübten Kräfte, das
heißt
die Pressenkräfte,
misst.
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Die
mit dem Kraftsensor generierten Messwerte werden über eine
Zuleitung 10 oder berührungslos
als Eingangsgrößen einen
Elektromotor 11 zugeführt,
mittels dessen die Gegenkraft für
den Handhebel 6 generiert wird. Anstelle des Elektromotors 11 kann
auch ein elektronisch steuerbarer Zugmagnet oder Drehmagnet verwendet
werden.
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In
dem Elektromotor 11 oder in einer zugeordneten Rechnereinheit
ist wenigstens eine Kraftübersetzung
abgespeichert, welche einen funktionalen Zusammenhang zwischen der
Pressenkraft und der für
den Handhebel 6 zu generierenden Gegenkraft definiert.
Vorteilhaft sind dort mehrere Kraftübersetzungen als Kennlinien
abgespeichert, wobei applikationsspezifisch die für eine Bearbeitung
eines Werkstücks 4 geeignete
Kennlinie aktiviert werden kann. Anhand der aktivierten Wegübersetzung
wird zur Ansteuerung des Elektromotors 11 für den jeweils ermittelten
Messwert der Pressenkraft der aktuelle Wert der Gegenkraft ausgelesen
und mittels des Elektromotors 11 erzeugt.
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Die
so generierte Gegenkraft am Handhebel 6 spürt die Bedienperson
als Antwortgröße auf die aktuelle
Pressenkraft. Somit kann die Bedienperson anhand der am Handhebel 6 generierten
Gegenkraft den Bearbeitungsvorgang feinfühlig steuern, indem sie den
Handhebel 6 in geeigneter Weise auslenkt.
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Die
Kraftrückmeldung
kann dadurch noch weiter komplettiert werden, indem zusätzlich zur Pressenkraft
auch auf den Pressenstößel 3 wirkende Beschleunigungskräfte erfasst
werden. Hierzu kann prinzipiell ein separater Beschleunigungssensor
vorgesehen sein. In diesem Fall definiert die Wegübersetzung
einen Zusammenhang zwischen der Gegenkraft aus der der Pressenwert
und die Beschleunigungskraft besteht, einerseits und der Gegenkraft andererseits,
das heißt
die Kraftrückmeldung
am Handhebel 6 ist zusätzlich
abhängig
von der Beschleunigungskraft.
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Alternativ
kann die Gesamtkraft aus Pressenkraft und Beschleunigungskraft auch
durch eine intern im elektrischen Antrieb 2 erfolgende
Messung der Motorströme
bestimmt werden. In diesem Fall ergeben sich bedingt durch Reibungsverluste
des elektrischen Antriebs 2 richtungsabhängige Werte
für die gemessenen
Kräfte,
das heißt,
es entsteht eine Hysterese.
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Die
gemessenen Beschleunigungskräfte können insbesondere
bei Auftreten hoher Beschleunigungen zur Begrenzung der Geschwindigkeit
des Pressenstö ßels 3 genutzt
werden, um zu verhindern, dass der Pressenstößel 3 aufgrund der
Trägheit
des elektrischen Antriebs 2 ungebremst auf das Werkstück 4 auffährt.
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Schließlich kann
mit den Komponenten der Kraftrückmeldeeinheit
eine Rückstellfeder
für den Handhebel 6 simuliert
werden, indem mittels des Elektromotors der Handhebel 6 bei
Loslassen durch die Bedienperson in seine Ausgangslage zurück bewegt
wird.
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- 1
- Servopresse
- 2
- elektrischer
Antrieb
- 3
- Pressenstößel
- 4
- Werkstück
- 5
- Aufnahme
- 6
- Handhebel
- 7
- Schwenklagerung
- 8
- Wegsensor
- 8a
- Zuleitung
- 9
- Kraftsensor
- 10
- Zuleitung
- 11
- Elektromotor