EP1880837A2 - Servopresse mit Energiemanagement - Google Patents

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EP1880837A2
EP1880837A2 EP07012985A EP07012985A EP1880837A2 EP 1880837 A2 EP1880837 A2 EP 1880837A2 EP 07012985 A EP07012985 A EP 07012985A EP 07012985 A EP07012985 A EP 07012985A EP 1880837 A2 EP1880837 A2 EP 1880837A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
press
energy
flywheel
power
control device
Prior art date
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Granted
Application number
EP07012985A
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English (en)
French (fr)
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EP1880837A3 (de
EP1880837B1 (de
Inventor
Martin Schmeink
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
L Schuler GmbH
Original Assignee
L Schuler GmbH
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=38626540&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1880837(A2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by L Schuler GmbH filed Critical L Schuler GmbH
Publication of EP1880837A2 publication Critical patent/EP1880837A2/de
Publication of EP1880837A3 publication Critical patent/EP1880837A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1880837B1 publication Critical patent/EP1880837B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B15/00—Details of, or accessories for, presses; Auxiliary measures in connection with pressing
    • B30B15/14—Control arrangements for mechanically-driven presses
    • B30B15/148—Electrical control arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D43/00—Feeding, positioning or storing devices combined with, or arranged in, or specially adapted for use in connection with, apparatus for working or processing sheet metal, metal tubes or metal profiles; Associations therewith of cutting devices
    • B21D43/02—Advancing work in relation to the stroke of the die or tool
    • B21D43/04—Advancing work in relation to the stroke of the die or tool by means in mechanical engagement with the work
    • B21D43/05—Advancing work in relation to the stroke of the die or tool by means in mechanical engagement with the work specially adapted for multi-stage presses

Definitions

  • the invention relates to a press plant and a method for operating such.
  • the invention relates to large parts presses, for example in the form of press lines, press lines or multi-stage large parts presses in the form of transfer presses.
  • Conventional presses have a mechanical press drive with an electric motor and a flywheel, which serves as an energy storage.
  • a crank drive, eccentric drive, toggle mechanism or the like converts the rotational movement of the flywheel shaft into a reciprocating plunger motion.
  • the flywheel is dimensioned so large that its speed fluctuations remain tolerable. It thus stores much more energy than required, for example, for a single forming operation. At least when the flywheel is fixed to the eccentric gear is connected, must be destroyed when stopping the press a corresponding amount of energy.
  • the DE 10 2005 026 818 A1 to a press with a die cushion, which is provided with electric drives.
  • the electric drives are connected to the drives for the main movement of the plunger and / or the secondary movements of workpiece transport elements via an at least sequentially usable guide shaft and on the other hand via energy storage and / or energy exchange modules.
  • the DE 198 21 159 A1 a deep drawing press whose ram is driven by servo motors via spindles.
  • the die cushion is also driven by servomotors via spindles.
  • the various servomotors of the ram are interconnected by electric waves.
  • the servomotors of the die cushion are connected by electric waves. Both servo motor groups can be controlled programmatically.
  • the press installation according to the invention has a DC intermediate circuit which is fed from a supply network via a controlled rectifier device.
  • This DC intermediate circuit supplies all the servo drive means of the press plant, ie the servo drive means of the ram as well as the servo drive means of the ancillaries, such as parts transport means or also clipboard, drawing cushion and the like.
  • the relevant servo drive devices are preferably supplied with power from the DC intermediate circuit via converter devices.
  • a flywheel storage device is connected to the DC voltage intermediate circuit, which can take energy from the DC voltage intermediate circuit and can feed back stored energy into the DC voltage intermediate circuit.
  • a higher-level control device controls the operation of the converter devices and controls them.
  • the regulation is preferably carried out with the aim of minimizing the network load peaks, ie the equalization of network load.
  • the sinking and rising of the intermediate circuit voltage can be detected and used, which is due to differences between energy consumption and supplying energy from the grid. If upper limits are set for the withdrawal of energy from the grid and the feeding back into the grid, differences remain at peak loads or recovery peaks, which are taken from the flywheel storage unit or fed back into it.
  • the braking process for the flywheel storage unit is initiated.
  • the flywheel is slowed down until the intermediate circuit voltage has reached the original value.
  • the acceleration process for the flywheel storage is initiated.
  • the flywheel is accelerated until the intermediate circuit voltage has reached the original (setpoint) value.
  • the current limits for feeding the energy into the DC link and for feeding energy back into the grid are preferably set so that the long-term rotational speed of the flywheel store averaged over several press strokes remains constant:
  • the feeding or regenerative energy can be influenced.
  • the current limits for feeding and regenerating are separate parameters and dynamically controllable externally.
  • flywheel speed it is possible, for example, to work as follows: After the servo press is switched on, first the flywheel of the flywheel accumulator is accelerated to the setpoint speed, ie approximately 2/3 of the maximum speed. With 2/3 speed, the flywheel storage is ready for energy extraction under speed reduction or for energy absorption by accelerating the flywheel from 2/3 to the maximum speed. In order to achieve as uniform a network load as possible, the current limits are lowered so that the current peaks are supplied as far as possible from the flywheel storage. This is his maximum speed. The flywheel speed varies between the maximum speed and a minimum speed near zero.
  • the current limits of the supply unit can be determined iteratively starting from a basic setting. The current limits are reduced during incorporation so far and until the flywheel accumulator reaches the upper and lower limit speed during its work. It can also be monitored whether the flywheel within a Pressenzyklusses reach the target speed again.
  • the flywheel storage device is preferably dimensioned so that a defined partial amount of its maximum capacity is sufficient to buffer all load fluctuations occurring in the press installation.
  • the difference between this partial amount and the maximum absorption capacity of the flywheel accumulator corresponds to the maximum amount of braking energy to be absorbed by the flywheel accumulator during an emergency stop of the press installation.
  • the flywheel storage can be used to a perfect equalization of network load, while on the other hand, a fast, but controlled and synchronized shutdown of all drives of the press system is possible.
  • the flywheel accumulator runs at maximum speed. There was no need to feed back into the grid.
  • the flywheel storage can be dimensioned slightly smaller to accommodate at least a large part of the returned from the press line braking energy at an emergency stop and to transfer the network load controlled by power consumption on power output.
  • the control device can be set up to detect the power converted to the servo drive devices. This can be done, for example, by measuring the time courses of the voltages and currents at the servomotors. Additionally or alternatively, power detection devices can be provided on the converter devices. If, for example, the DC currents flowing into the converter devices and the applied DC voltages are monitored, this results in a simple and reliable possibility of active power detection.
  • the control device can integrate the instantaneous powers that occur at each converter device or each servomotor during a press cycle, and thus determine the work that is expended or also fed back in a press cycle from the relevant drive.
  • the sum of these amounts of energy measured or calculated on the individual drives is the amount of energy required to carry out a press cycle and to be taken from the network. If this is divided by the duration of a press cycle, the power supply to be set at the rectifier device results in the DC intermediate circuit and thus the network load.
  • a complete upward and downward stroke of the plunger that is called a working stroke of the press.
  • the beginning and the end of this press cycle need not be in a plunger dead center but can be chosen arbitrarily. In a multi-stage press plant, the start and end times apply to one work cycle uniform for all elements and thus all servo drive devices of the press plant.
  • control device controls the rectifier device on the one hand as a function of the energy requirement to be recorded for one press cycle
  • it can control the flywheel storage as a function of the instantaneous power of the individual servo drive devices. If the control of the rectifier device results from the energy balance, the flywheel storage is controlled according to the power balance. At every moment it adds to the difference between the actual power consumption of the press and the power taken from the network.
  • the controller may also monitor the voltage of the DC link. This does not necessarily have to be kept constant. However, it is desirable to keep them within reasonable limits so as not to cause excessive voltages and, on the other hand, to prevent too little voltage from being applied to the operation of the converters.
  • FIG. 1 illustrates a press installation 1, to which at least one, but in the present exemplary embodiment, a plurality of individual presses 2, 3, 4 belong. These are used for the stepwise forming of a workpiece, e.g. a sheet metal part, such as a body part or the like, which passes through the presses 2, 3, 4 in succession.
  • the press 2 is designed as a drawing press while the presses represent 3, 4 follow-on presses.
  • Each press 2, 3, 4 each has a plunger 5, 6, 7.
  • At least one, preferably a plurality of servomotors 8, 9 serve to drive the plunger 5.
  • the plungers 6, 7 are accordingly driven by servomotors 10, 11, 12, 13.
  • the servo motors 8 to 13 drive the plunger 5, 6, 7 via a suitable gear, such as a screw jack. Direct drives, linear motors or other configurations can also be used.
  • a suitable gear such as a screw jack.
  • Direct drives, linear motors or other configurations can also be used.
  • Below the plunger 5 to 7 each have a press table 14, 15, 16 is arranged. Tools 17, 18, 19 whose bottom tool 17a, 18a, 19a rests on the press table 14, 15, 16 serve to reshape the workpieces.
  • the associated upper tool 17b, 18b, 19b is attached to the respective plunger 5, 6, 7.
  • the tool 17 is a pulling tool.
  • the lower tool 17a cooperates with a die cushion to which one or more servo drives 20, 21 may belong.
  • a parts transport device 22 is provided, to which one or more feeders 23 and handling units 24 may belong. These are provided with gripper means to create sheet metal parts in the tools 17, 18, 19 in and out of these. Between the presses 2, 3 and 3, 4 intermediate storage devices 25, 26 may be provided. These clipboards are also aggregates that can be equipped with their own servo drives.
  • the press installation 1 'illustrated in FIG. 2 is formed by a transfer press. It differs in that the presses 2, 3, 4 no separate press racks but are united to a transfer press by having a common press frame. In this one or more plunger 5, 6, 7 are arranged.
  • the above description applies to the embodiment of the press installation 1 'according to FIG. 2, but the intermediate shelves 25, 26 can be dispensed with.
  • FIG. 3 schematically illustrates the electric drive system 27 of the press installation 1, with which an energy management is carried out.
  • the drive system 27 includes all servomotors included in the energy management.
  • the servomotors 8, 9, 10, 11 of the presses 2 and 3 for the drive of the plungers 5, 6 and the servo drives 20, 21 of the die cushion are exemplarily illustrated.
  • These servo motors 8 to 11 and 20, 21 are fed via converter units 28, 29, 30, 31, 32, 33 from a common DC voltage intermediate circuit 34.
  • the converter units 28 to 33 convert the DC voltage into an AC voltage of the desired frequency and current intensity in order to operate the connected servomotors 8, 9, 10, 11, 20, 21.
  • a control device 35 is provided to control the individual converter units 28 to 33.
  • control device 35 inputs 39, 40, 41, which with means 42, 43, 44 for power detection in the servo motors 8, 9, 10, 11, 20, 21 on.
  • the devices 42 to 44 may be means with which the current flowing from the DC intermediate circuit 34 to the converters 28 to 33 is detected.
  • the DC intermediate circuit is supplied via a in the simplest case uncontrolled, but preferably controlled rectifier from a supply network 46 with voltage and power.
  • a power detector 47 may serve to convert the power supplied by the rectifier 45 to the DC link 34 in a characteristic manner Signal to be delivered to the controller 35.
  • To the drive system 27 also includes a flywheel 48, which has a unit formed by a motor 49 and a flywheel 50.
  • the power absorbed or output by the flywheel accumulator 48 can be detected by a power detection device 51 on the connecting line between the DC voltage intermediate circuit 34 and a converter 52 and reported to the control device 35 via a line.
  • the drive system 27 may incorporate any existing servomotors to be powered from the DC link.
  • the press plant 1 and 1 'and the drive system 27 operate as follows.
  • the movement curves of the individual servomotors 8, 9, 10, 11, 20, 21 are determined as a function of a central press cycle, for example by entering them as a data record or by programming them manually.
  • the press is then put into operation by the rectifier 45 is activated and supplies the DC intermediate circuit 34 with DC voltage.
  • the flywheel storage 48 is charged with a buffer energy, ie, an amount of energy required to buffer load peaks occurring at the servomotors 8, 9, 10, 11, 20, 21.
  • the buffer energy P is shown in FIG. 5 as a partial amount of a maximum storage energy M that the flywheel storage 48 can accommodate. It is at most as large as a maximum buffer value P max . This one is sized that a running at full speed press unit 1 can be braked and the remaining difference between maximum energy M and maximum buffer energy P max is sufficient to absorb the energy released during braking amount of energy.
  • FIG. 4 illustrates, for example, the power consumption and output of the servomotors 8, 9, plotted against the press angle ⁇ , which corresponds to a central press cycle. 360 ° of the press angle ⁇ correspond to the rotation of an eccentric shaft of a conventional press and thus in the press systems according to Figures 1 and 2 a full stroke and return stroke of the respective plunger 5, 6, 7th
  • the power consumption of the plunger drive according to curve I has a pronounced maximum, which occurs for example in the sheet metal forming.
  • the servo drives of the individual presses 2, 3, 4 may have different curves and work out of phase with each other.
  • Another diagram shows a curve II, which can characterize the power consumption and output of the servomotor 21 of the die cushion.
  • a pronounced regenerative section is present, for example, precisely where the servomotor of the plunger requires considerably positive power.
  • Another curve III characterizes the power consumption of further units, for example the intermediate shelves 25, 26 or the parts transport device 22 by way of example.
  • the control device 35 may, for example, be such that it detects the power consumption according to the curves I, II and III and thus determines the total work to be included.
  • This integral is illustrated separately in FIG. 4 for the curves I, II, III (curves Ia, IIa and IIIa).
  • the total integral ie the sum of the curves Ia, IIa, IIIa, gives the electric work to be taken up by the press plant 1 for a press cycle, which, when related to the press angle .alpha., Can be regarded as a constant power IV.
  • This power IV is taken from the network.
  • the flywheel accumulator 48 buffers the power in each press cycle, which illustrates a curve VII in FIG.
  • the inverter 52 is being controlled so that at any instant the power output from the DC link 34 is equal to the total work required for one press cycle divided by the time available for the press cycle.
  • the flywheel accumulator 48 passes through phases of energy absorption and phases of energy release. Its level is monitored by the controller 35. It locks and ensures that the flywheel accumulator 48 is running at the same speed at the beginning and end of each press cycle so that it will neither charge nor discharge over time. It also ensures that its memory content never exceeds a value P max . Thus, at any time a power reserve R (see Figure 5) available, which is sufficient to absorb the braking energy of the entire press system 1 in an emergency stop.
  • the energy management by the control device 35 is preferably operated so that the content of the flywheel reservoir 42 does not fall below a minimum value P min at any time of the press cycle.
  • the minimum value P min is set so that in case of failure of the supply network occurring at any time, the energy available in the flywheel storage 48 is sufficient to complete the commenced press cycle so that all drives are ordered and synchronized to a safe location drive and collisions are avoided.
  • the minimally stored and thus permanently present in the flywheel storage electrical work is at least as large as the required to carry out a press cycle electrical work.
  • the stored energy is slightly higher in order to be able to continue providing sufficient voltage even after the completion of the press cycle, information technology systems connected to it, for example computers and the like.
  • a press plant with energy management system has a flywheel storage, which on the one hand has sufficient capacity to absorb the energy to be absorbed in an emergency stop and on the other hand operated so that it has sufficient energy at any time to complete any started press cycle orderly.
  • a central control device monitors the operation of all connected to a DC voltage intermediate servo drive devices and the flywheel storage. The buffering of the electrical energy from the DC intermediate circuit results in a good efficiency. Aging, as occurs with capacitors, is avoided. It is obtained a high energy density and a reaction speed in the millisecond range, with any number of charging and discharging cycles is possible.
  • the flywheel storage is modularizable. Power increase can be obtained by parallel connection of flywheel storage. In any case, there is a long life.
  • the flywheel storage can be made overloadable. For example, its power consumption can be stored up to 160 percent, which can be exploited, for example, to carry out an emergency shutdown. If the flywheel storage is overloaded, its energy can be fed back into the network if the rectifier serving to supply the DC voltage intermediate circuit 34 is designed accordingly as a controllable converter.
  • the flywheel accumulator 48 can, as described, be controlled via the determination of the power balance of the individual drives. It is also possible to operate the flywheel storage using the voltage measured in the DC intermediate circuit 34. If this increases, the DC voltage intermediate circuit 34 is loaded by the flywheel storage 48 - it thus absorbs energy. If it drops, the control device returns energy from the flywheel storage 48 to the DC voltage intermediate circuit 34, so that it rises again. Load peaks within the press system 1 are thus kept away from the supply network 46.
  • the regulation is preferably carried out with the aim of minimizing the network load peaks, ie the equalization of network load.
  • the Falling and rising of the DC link voltage can be detected and used, which results from differences between energy consumption and energy supply from the network. If upper limits are set for the withdrawal of energy from the grid and the feeding back into the grid, differences remain at peak loads or recovery peaks, which are taken from the flywheel storage unit or fed back into it.
  • the braking process for the flywheel storage unit is initiated.
  • the flywheel is slowed down until the intermediate circuit voltage has reached the original value.
  • the acceleration process for the flywheel storage is initiated.
  • the flywheel is accelerated until the intermediate circuit voltage has reached the original (setpoint) value.
  • the power limits for feeding the energy into the DC link and for feeding energy back into the grid are preferably set so that the long-term rotational speed of the flywheel store, averaged over several press strokes, remains constant:
  • the feeding or regenerative energy can be influenced.
  • the power limits for feeding and regenerating are separate parameters and dynamically controllable externally.
  • the point of application of the energy support can be varied by the flywheel storage.
  • the regenerative power limits of the supply unit the starting point of the energy intake can be varied by the flywheel storage.
  • the flywheel of the flywheel accumulator is first set to the target speed, i. e.g. about 2/3 of the maximum speed accelerates.
  • the target speed of the flywheel storage is ready for energy extraction with speed reduction or energy absorption by accelerating the flywheel from target speed to the maximum speed.
  • the power limits are lowered so that the power peaks are supplied as far as possible from the flywheel storage. This is his maximum speed.
  • the flywheel speed varies between the maximum speed and a minimum speed near zero.
  • the power limits of the supply unit can be determined iteratively starting from a basic setting. The power limits are reduced during incorporation so far and until the flywheel accumulator reaches the upper and lower limit speed during its work. It can also be monitored whether the flywheel within a Pressenzyklusses reaches the target speed again.
  • the data once determined for a particular part (workpiece), in particular the performance limits for feeding the DC buses from the grid and for the return of energy from the DC bus to the grid can be stored in a workpiece data memory specific to each workpiece. Later, this data can be used without having to reprocess the press.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Presses (AREA)
  • Press Drives And Press Lines (AREA)

Abstract

Eine Pressenanlage mit Energiemanagementsystem weist einen Schwungradspeicher auf, der einerseits ausreichend Kapazität zur Aufnahme der bei einem Nothalt aufzunehmenden Energie hat und andererseits so betrieben wird, dass er zu jedem Zeitpunkt ausreichend Energie aufweist, um einen beliebigen angefangenen Pressenzyklus geordnet zu Ende zu führen. Eine zentrale Steuereinrichtung überwacht den Betrieb aller an einen Gleichspannungszwischenkreis (34) angeschlossenen Servoantriebseinrichtungen (20) und den Schwungradspeicher (48).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Pressenanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Großteilpressenanlagen, beispielsweise in Form von Pressenlinien, Pressenstraßen oder Mehrstufen-Großteilepressen in Form von Transferpressen.
  • Konventionelle Pressen weisen einen mechanischen Pressenantrieb mit einem Elektromotor und einem Schwungrad auf, das als Energiespeicher dient. Ein Kurbeltrieb, Exzentertrieb, Kniehebelgetriebe oder dergleichen wandelt die Drehbewegung der Schwungradwelle in eine hin und her gehende Stößelbewegung. Das Schwungrad wird so groß dimensioniert, dass seine Drehzahlschwankungen erträglich bleiben. Es speichert somit wesentlich mehr Energie als z.B. für einen einzigen Umformvorgang erforderlich. Zumindest wenn das Schwungrad fest mit dem Exzentergetriebe verbunden ist, muss beim Anhalten der Presse entsprechend viel Energie vernichtet werden.
  • In letzter Zeit werden zunehmend Überlegungen zu Servopressen bekannt, die zum Antrieb des Stößels und gegebenenfalls auch von Nebenaggregaten Servomotoren aufweisen. Diese Servomotoren treiben den Stößel oder die entsprechenden anderen Aggregate der Presse ohne Zuhilfenahme eines zusätzlichen Schwungrads an. Deshalb muss der betreffende Servomotor die von dem Stößel oder sonstigen Aggregat geforderten Leistungsspitzen aufbringen.
  • Z.B. offenbart die DE 10 2005 026 818 A1 dazu eine Presse mit einem Ziehkissen, das mit Elektroantrieben versehen ist. Die Elektroantriebe sind mit den Antrieben für die Hauptbewegung des Stößels und/oder den Nebenbewegungen von Werkstücktransportelementen über eine zumindest sequentiell nutzbare Leitwelle und andererseits über Energiespeicher und/oder Energieaustauschmodule verbunden.
  • Die Verbindung zwischen Hauptantrieben und Nebenantrieben sowie Ziehkissen durch Leitwellen und Energieaustauschmodule stellt einen erheblichen Aufwand dar.
  • Des Weiteren offenbart die DE 198 21 159 A1 eine Tiefziehpresse, deren Stößel durch Servomotoren über Spindeln angetrieben ist. Das Ziehkissen ist ebenfalls über Spindeln durch Servomotoren angetrieben. Die verschiedenen Servomotoren des Stößels sind untereinander durch elektrische Wellen verbunden. Ebenso sind die Servomotoren des Ziehkissens durch elektrische Wellen verbunden. Beide Servomotorgruppen sind programmgesteuert ansteuerbar.
  • Von servomotorgesteuerten Maschinen gehen schwankende Netzbelastungen aus. Dies kann im Einzelfall schon bei einer Einzelmaschine zu Schwierigkeiten führen und stört spätestens dann, wenn mehrere parallel arbeitende Maschinen gleichzeitig Spitzenlast haben. Trotz effizienter Antriebstechnik können dadurch Energieverluste auftreten, die es zu vermeiden gilt.
  • Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Pressenanlage zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird mit der Pressenanlage nach Anspruch 1 und dem Verfahren zum Betrieb einer Pressenanlage gemäß Anspruch 12 gelöst:
  • Die erfindungsgemäße Pressenanlage weist einen Gleichspannungszwischenkreis auf, der über eine gesteuerte Gleichrichtereinrichtung aus einem Versorgungsnetz gespeist ist. Dieser Gleichspannungszwischenkreis versorgt alle Servoantriebseinrichtungen der Pressenanlage, d.h. die Servoantriebseinrichtungen der Stößel als auch die Servoantriebseinrichtungen der Nebenaggregate, wie beispielsweise Teiletransporteinrichtungen oder auch Zwischenablagen, Ziehkissen und dergleichen. Die betreffenden Servoantriebseinrichtungen werden aus dem Gleichspannungszwischenkreis vorzugsweise über Umrichtereinrichtungen mit Leistung versorgt. An dem Gleichspannungszwischenkreis ist außerdem ein Schwungradspeicher angeschlossen, der aus dem Gleichspannungszwischenkreis Energie entnehmen und gespeicherte Energie in den Gleichspannungszwischenkreis zurückspeisen kann. Eine übergeordnete Steuereinrichtung kontrolliert den Betrieb der Umrichtereinrichtungen und steuert diese. Durch diese Maßnahmen wird es möglich, die Schwankungen der dem Netz entnommenen Leistung zu vermindern bzw. zu minimieren. Somit ergibt sich eine nahezu konstante Stromaufnahme der Pressenanlage. Dies vermindert wiederum die vom Quadrat der Stromstärke abhängigen ohmschen Leitungsverluste in den Zuleitungen zu der Pressenanlage. Außer der Verminderung der Netzverluste ergibt sich auch eine Erhöhung der Netzqualität, d.h. eine Verminderung von lastschwankungsinduzierten Spannungsschwankungen. Außerdem vermindern sich die Kosten für den Energieanschluss, denn die installierte Leistung muss nun nicht mehr der Spitzenleistung der Presse sondern lediglich der mittleren Leistungsaufnahme derselben entsprechen. Durch den Gleichspannungszwischenkreis und die Umrichter zwischen dem Pressenantrieb und dem Schwungrad kann sichergestellt werden, dass die Servomotoren des Pressenantriebs und das Schwungrad mit unterschiedlichen und voneinander unabhängigen Drehzahlen betrieben werden können. Die Umrichter bilden ein elektrisches stufenloses Getriebe.
  • Die Steuereinrichtung steuert die Gleichrichtereinrichtung (sie auch als "Versorgungseinheit" bezeichnet wird) und legt fest, ob diese Energie in den Gleichspannungszwischenkreis (auch als "DC-Bus" bezeichnet) einspeist oder rückspeist. Dabei beachtet sie gegebene Stromgrenzen. Die Stromgrenzen können dynamisch festgelegt werden. Die Steuereinrichtung kann außerdem die Drehzahl des Schwungradspeichers und die Zwischenkreisspannung überwachen. Dabei kann sie das Einspeisen und Rückspeisen von Energie aus dem Netz in den DC-Bus und zurück anhand folgender Größen regulieren:
    • Obere Grenze der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Untere Grenze der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Sollwert der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Istwert der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Sollwert der Zwischenkreisspannung
    • Istwert der Zwischenkreisspannung
  • Die Regelung erfolgt dabei vorzugsweise mit dem Ziel der Minimierung der Netz-Lastspitzen, d.h. der Vergleichmäßigung der Netzbelastung. Zur Aktivierung des Schwungradspeichers kann das Sinken und Steigen der Zwischenkreisspannung erfasst und genutzt werden, das sich durch Unterschiede zwischen Energieverbrauch und Energielieferung aus dem Netz ergibt. Werden für die Energieentnahme aus dem Netz und die Rückspeisung in das Netz jeweils Obergrenzen festgesetzt, bleiben bei Lastspitzen oder Rückspeisespitzen Differenzbeträge übrig, die aus dem Schwungradspeicher entnommen oder in diesen rückgespeist werden.
  • Sinkt die Zwischenkreisspannung, wird der Bremsvorgang für den Schwungradspeicher eingeleitet. Das Schwungrad wird so lange abgebremst, bis die Zwischenkreisspannung den ursprünglichen Wert erreicht hat. Steigt die Zwischenkreisspannung, wird der Beschleunigungsvorgang für den Schwungradspeicher eingeleitet. Das Schwungrad wird so lange beschleunigt, bis die Zwischenkreisspannung den ursprünglichen (Soll-)Wert erreicht hat.
  • Die Stromgrenzen für das Einspeisen der Energie in den DC-Zwischenkreis und für das Rückspeisen von Energie in das Netz werden vorzugsweise so festgelegt, dass die langfristige, über mehrere Pressenhübe gemittelte Drehzahl des Schwungradspeichers konstant bleibt:
  • Mittels der dynamischen Änderbarkeit der Stromgrenzen für das Einspeisen und Rückspeisen von Energie in das oder aus dem Netz kann die speisende bzw. rückspeisende Energie beeinflusst werden. Die Stromgrenzen für das Einspeisen und Rückspeisen sind getrennte Parameter und von extern dynamisch ansteuerbar. Durch Änderung der Stromgrenze der Versorgungseinheit kann der Einsatzpunkt der Energie-Unterstützung vom Schwungradspeicher variiert werden. Durch Änderung der Rückspeise-Stromgrenze der Versorgungseinheit kann der Einsatzpunkt der Energie-Aufnahme vom Schwungradspeicher variiert werden.
  • Hinsichtlich der Schwungraddrehzahl kann z.B. wie folgt gearbeitet werden: Nach dem Einschalten der Servopresse wird zuerst das Schwungrad des Schwungradspeichers auf die Solldrehzahl, d.h. ungefähr 2/3 der maximalen Drehzahl beschleunigt. Mit 2/3 Drehzahl ist der Schwungradspeicher bereit für eine Energieentnahme unter Drehzahlreduzierung oder für eine Energieaufnahme durch das Beschleunigen der Schwungmasse von 2/3 auf die maximale Drehzahl. Um eine möglichst gleichförmige Netzbelastung zu erreichen, werden die Stromgrenzen so weit abgesenkt, dass die Stromspitzen so weit wie möglich von dem Schwungradspeicher geliefert werden. Damit wird sein Drehzahlhub maximal. Die Schwungraddrehzahl schwankt zwischen der Maximaldrehzahl und einer Minimaldrehzahl nahe Null.
  • Das Energieprofil (Zeitverlauf des Energiebedarfs) einer Servopresse ist abhängig von:
    • der Umformarbeit
    • dem Bewegungsprofil
    • der Anzahl der Zyklen pro Minute.
  • Deshalb ist eine optimale Festlegung der Stromgrenzen für die Herstellung eines Teils möglicherweise nicht optimal für die Herstellung eines anderen Teils. Zur Abhilfe können die Stromgrenzen der Versorgungseinheit ausgehend von einer Grundeinstellung iterativ festgelegt werden. Die Stromgrenzen werden beim Einarbeiten so weit und so lange verringert, bis der Schwungradspeicher bei seiner Arbeit die obere und die untere Grenzdrehzahl erreicht. Dabei kann auch überwacht werden, ob das Schwungrad innerhalb eines Pressenzyklusses die Solldrehzahl wieder erreich.
  • Die für ein bestimmtes Teil (Werkstück) einmal ermittelten Daten, insbesondere die Stromgrenzen für das Speisen des DC-Busses aus dem Netz und für das Rückspeisen von Energie aus dem DC-Bus in das Netz können werkstückspezifisch in einem Werkstückdatenspeicher abgelegt werden. Später kann auf diese Daten zurückgegriffen werden, ohne die Presse neu einarbeiten zu müssen.
  • Anstelle von Stromgrenzen (=Grenzwerte für den Strom) können auch Leistungsgrenzen (=Grenzwerte für die Leistung) herangezogen werden, wobei die vorige Beschreibung dann entsprechend gilt. Der Vorzug der Benutzung von Leistungsgrenzen liegt in der Unabhängigkeit der Gültigkeit der abgespeicherten Grenzwerte für die bei der Einarbeitung vorhandene, möglicherweise nicht konstante Netzspannung.
  • Durch die Begrenzung der Stromaufnahme bzw. Leistungsaufnahme der Gleichrichtereinrichtung und durch die Begrenzung des Strom und/oder der Leistung beim Rückspeisen ins Netz können für die Gleichrichtereinrichtung Bauelemente mit Nennströmen und Spitzenströmen verwendet werden, die geringer sind als die von der Pressenanlage geforderten Spitzenströme. Dies gestattet die Verkleinerung der Gleichrichtereinrichtung und die Verminderung des Investitionsaufwandes.
  • Die Schwungradspeichereinrichtung ist hinsichtlich der Speicherkapazität vorzugsweise so dimensioniert, dass ein festgelegter Teilbetrag ihrer Maximalkapazität ausreicht, alle in der Pressenanlage auftretenden Lastschwankungen zu puffern. Die Differenz zwischen diesem Teilbetrag und der maximalen Aufnahmekapazität des Schwungradspeichers entspricht der von dem Schwungradspeicher bei einem Nothalt der Pressenanlage maximal aufzunehmenden Bremsenergiemenge. Auf diese Weise wird einerseits sichergestellt, dass der Schwungradspeicher zu einer vollkommenen Vergleichmäßigung der Netzbelastung herangezogen werden kann, während andererseits ein schnelles, dabei aber kontrolliertes und synchronisiertes Stillsetzen aller Antriebe der Pressenanlage möglich wird. Nach einem Nothalt der Presse läuft der Schwungradspeicher mit maximaler Drehzahl. Eine Rückspeisung ins Netz musste nicht erfolgen.
  • Alternativ kann der Schwungradspeicher etwas kleiner dimensioniert werden, um bei einem Nothalt wenigstens einen großen Teil der von der Pressenanlage rückgelieferten Bremsenergie aufzunehmen und die Netzbelastung kontrolliert von Leistungsaufnahme auf Leistungsabgabe zu überführen.
  • Die Steuereinrichtung kann dabei dazu eingerichtet sein, die an den Servoantriebseinrichtungen umgesetzte Leistung zu erfassen. Dies kann beispielsweise durch Messung der Zeitverläufe der Spannungen und Ströme an den Servomotoren geschehen. Ergänzend oder alternativ können Leistungserfassungseinrichtungen an den Umrichtereinrichtungen vorgesehen sein. Werden beispielsweise die in die Umrichtereinrichtungen fließenden Gleichströme und die anliegenden Gleichspannungen überwacht, ergibt dies eine einfache und sichere Möglichkeit der Wirkleistungserfassung.
  • Die Steuereinrichtung kann einerseits die an jeder Umrichtereinrichtung bzw. jedem Servomotor während eines Pressenzyklus auftretenden Augenblicksleistungen integrieren und somit die in einem Pressenzyklus von dem betreffenden Antrieb aufgewandte oder auch rückgespeiste Arbeit bestimmen. Die Summe dieser an den einzelnen Antrieben gemessenen bzw. errechneten Energiemengen ist die zur Durchführung eines Pressenzyklus erforderliche, dem Netz zu entnehmende Energiemenge. Wird diese durch die Zeitdauer eines Pressenzyklus geteilt, ergibt sich die an der Gleichrichtereinrichtung einzustellende Leistungseinspeisung in den Gleichspannungszwischenkreis und somit die Netzbelastung. Unter Pressenzyklus wird in diesem Zusammenhang ein vollständiger Aufwärts- und Abwärtshub des Stößels d.h. ein Arbeitstakt der Presse bezeichnet. Anfang und Ende dieses Pressenzyklus müssen nicht in einem Stößeltotpunkt liegen sondern können beliebig gewählt werden. Bei einer mehrstufigen Pressenanlage gelten Anfangs- und Endzeitpunkt für einen Arbeitszyklus einheitlich für alle Elemente und somit alle Servoantriebseinrichtungen der Pressenanlage.
  • Während die Steuereinrichtung somit einerseits die Gleichrichtereinrichtung in Abhängigkeit von dem für einen Pressenzyklus zu verzeichnenden Energiebedarf steuert, kann sie andererseits den Schwungradspeicher in Abhängigkeit von der Augenblicksleistung der einzelnen Servoantriebseinrichtungen steuern. Ergibt sich die Steuerung der Gleichrichtereinrichtung aus der Energiebilanz wird der Schwungradspeicher entsprechend der Leistungsbilanz gesteuert. Er ergänzt in jedem Augenblick die Differenz zwischen der tatsächlichen Leistungsaufnahme der Presse und der dem Netz entnommenen Leistung.
  • Die Steuereinrichtung kann außerdem die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises überwachen. Diese muss nicht notwendigerweise konstant gehalten werden. Es ist jedoch zweckmäßig, sie innerhalb vernünftiger Grenzen zu halten, um keine zu hohen Spannungen auftreten zu lassen und um andererseits zu verhindern, dass zu wenig Spannung für den Betrieb der Umrichter ansteht.
  • Bei der Festlegung der Steuerstrategie aller Umrichter wird vorzugsweise zunächst davon ausgegangen, dass alle Servoantriebseinrichtungen ausschließlich entsprechend den Bearbeitungsablauf der Werkstücke angesteuert, d.h. ohne Rücksicht auf etwaige auftretende Spitzenlasten angesteuert werden. Die auftretenden Lastspitzen werden durch den Schwungradspeicher aufgefangen. Somit hat der Bediener bei der Festlegung von Hubzahlen, Umformkräften, Beschleunigungen und dergleichen volle Gestaltungsfreiheit. Er kann das Leistungsvermögen aller Antriebe maximal ausnutzen, ohne dabei Rücksicht auf die Leistungsaufnahme der Pressenanlage insgesamt nehmen zu müssen.
  • Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden Verfahrensansprüchen sowie der Zeichnung und der Beschreibung.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Pressenanlage als Pressenlinie mit Servoantriebseinrichtungen für die Stößel und Nebenaggregate in schematisierter Darstellung,
    Figur 2
    eine Pressenanlage, ausgebildet als Transferpresse mit mehreren servomotorgetriebenen Pressenstufen und servomotorgetriebenen Nebenaggregaten,
    Figur 3
    das elektrische Schema der Pressenanlage nach Figur 1 oder Figur 2,
    Figur 4
    Diagramme zur Veranschaulichung des Leistungsbedarfs verschiedener Servoantriebseinrichtungen und des Schwungradspeichers und
    Figur 5
    ein Diagramm zur Darstellung der Dimensionierung der Kapazität des Schwungradspeichers.
  • In Figur 1 ist eine Pressenanlage 1 veranschaulicht, zu der zumindest eine, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aber mehrere einzelne Pressen 2, 3, 4 gehören. Diese dienen der stufenweisen Umformung eines Werkstücks, z.B. eines Blechteils, wie eines Karosserieteils oder dergleichen, das die Pressen 2, 3, 4 nacheinander durchläuft. Die Presse 2 ist als Ziehpresse ausgebildet während die Pressen 3, 4 Folgepressen darstellen. Jede Presse 2, 3, 4 weist jeweils einen Stößel 5, 6, 7 auf. Zum Antrieb des Stößels 5 dienen zumindest ein, vorzugsweise mehrere Servomotoren 8, 9. Entsprechend sind die Stößel 6, 7 von Servomotoren 10, 11, 12, 13 angetrieben. Die Servomotoren 8 bis 13 treiben den Stößel 5, 6, 7 über ein geeignetes Getriebe an, wie beispielsweise ein Spindelhubgetriebe. Es können auch Direktantriebe, Linearmotoren oder anderweitige Konfigurationen zur Anwendung kommen. Unterhalb der Stößel 5 bis 7 ist jeweils ein Pressentisch 14, 15, 16 angeordnet. Zur Umformung der Werkstücke dienen Werkzeuge 17, 18, 19, deren Unterwerkzeug 17a, 18a, 19a auf dem Pressentisch 14, 15, 16 ruht. Das zugehörige Oberwerkzeug 17b, 18b, 19b ist an dem jeweiligen Stößel 5, 6, 7 befestigt. Das Werkzeug 17 ist ein Ziehwerkzeug. Das Unterwerkzeug 17a arbeitet mit einem Ziehkissen zusammen, zu dem ein oder mehrere Servoantriebe 20, 21 gehören können.
  • Um den Teiletransport zu bewirken, ist eine Teiletransporteinrichtung 22 vorgesehen, zu der ein oder mehrere Feeder 23 und Handlingeinheiten 24 gehören können. Diese sind mit Greifermitteln versehen, um Blechteile in die Werkzeuge 17, 18, 19 hinein und aus diesen heraus zu schaffen. Zwischen den Pressen 2, 3 und 3, 4 können Zwischenablageeinrichtungen 25, 26 vorgesehen sein. Auch diese Zwischenablagen sind Aggregate, die mit eigenen Servoantrieben versehen sein können.
  • Die in Figur 2 veranschaulichte Pressenanlage 1' wird durch eine Transferpresse gebildet. Sie unterscheidet sich dadurch, dass die Pressen 2, 3, 4 keine gesonderten Pressengestelle aufweisen, sondern zu einer Transferpresse vereinigt sind, indem sie ein gemeinsames Pressengestell aufweisen. In diesem sind ein oder mehrere Stößel 5, 6, 7 angeordnet. Die vorstehende Beschreibung gilt für die Ausführungsform der Pressenanlage 1' nach Figur 2 entsprechend, wobei jedoch auf die Zwischenablagen 25, 26 verzichtet werden kann.
  • Figur 3 veranschaulicht schematisch das elektrische Antriebssystem 27 der Pressenanlage 1, mit dem ein Energiemanagement durchgeführt wird. Zu dem Antriebssystem 27 gehören alle in das Energiemanagement einbezogenen Servomotoren. In Figur 3 sind dazu beispielhaft die Servomotoren 8, 9, 10, 11 der Pressen 2 und 3 für den Antrieb der Stößel 5, 6 und die Servoantriebe 20, 21 des Ziehkissens veranschaulicht. Diese Servomotoren 8 bis 11 sowie 20, 21 werden über Umrichtereinheiten 28, 29, 30, 31, 32, 33 aus einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis 34 gespeist. Die Umrichtereinheiten 28 bis 33 wandeln dabei die Gleichspannung in eine Wechselspannung gewünschter Frequenz und Stromstärke um, um die angeschlossenen Servomotoren 8, 9, 10, 11, 20, 21 zu betreiben. Eine Steuereinrichtung 35 ist dazu vorgesehen, die einzelnen Umrichtereinheiten 28 bis 33 zu steuern. Sie weist dazu entsprechende Steuerausgänge 36, 37, 38 auf. Außerdem weist die Steuereinrichtung 35 Eingänge 39, 40, 41 auf, die mit Einrichtungen 42, 43, 44 zur Leistungserfassung in den Servomotoren 8, 9, 10, 11, 20, 21 auf. Beispielsweise können die Einrichtungen 42 bis 44 Mittel sein, mit denen der aus dem Gleichspannungszwischenkreis 34 den Umrichtern 28 bis 33 zufließende Strom erfasst wird.
  • Der Gleichspannungszwischenkreis wird über einen im einfachsten Fall ungesteuerten, vorzugsweise aber gesteuerten Gleichrichter aus einem Versorgungsnetz 46 mit Spannung und Leistung versorgt. Eine Leistungserfassungseinrichtung 47 kann dazu dienen, die von dem Gleichrichter 45 an den Gleichspannungszwischenkreis 34 gelieferte Leistung in ein kennzeichnendes Signal umzusetzen, das an die Steuereinrichtung 35 geliefert wird.
  • Zu dem Antriebssystem 27 gehört außerdem ein Schwungradspeicher 48, der eine aus einem Motor 49 und einem Schwungrad 50 gebildete Einheit aufweist. Die von dem Schwungradspeicher 48 aufgenommene oder abgegebene Leistung kann durch eine Leistungserfassungseinrichtung 51 an der Verbindungsleitung zwischen dem Gleichspannungszwischenkreis 34 und einem Umrichter 52 erfasst und über eine Leitung an die Steuereinrichtung 35 gemeldet werden.
  • Während in Figur 3 lediglich einige ausgewählte Servomotoren und deren zugehörige Umrichter veranschaulicht sind, versteht es sich, dass das Antriebssystem 27 alle vorhandenen Servomotoren einbeziehen kann, die aus dem Gleichspannungszwischenkreis zu speisen sind.
  • Die Pressenanlage 1 sowie 1' und das Antriebssystem 27 arbeiten wie folgt.
  • Um die Pressenanlage 1 in Betrieb zu setzen, werden zunächst die Bewegungskurven der einzelnen Servomotoren 8, 9, 10, 11, 20, 21 in Abhängigkeit von einem zentralen Pressentakt festgelegt, indem sie beispielsweise als Datensatz eingegeben oder auch von Hand programmiert werden. Die Presse wird dann in Betrieb gesetzt, indem der Gleichrichter 45 aktiviert wird und den Gleichspannungszwischenkreis 34 mit Gleichspannung versorgt. Über den Umrichter 52 wird der Schwungradspeicher 48 mit einer Pufferenergie aufgeladen, d.h. einem Energiebetrag, der erforderlich ist, um an den Servomotoren 8, 9, 10, 11, 20, 21 auftretende Lastspitzen zu puffern. Die Pufferenergie P ist in Figur 5 als Teilbetrag einer maximalen Speicherenergie M dargestellt, die der Schwungradspeicher 48 aufnehmen kann. Sie ist höchstens so groß wie ein maximaler Pufferwert Pmax. Dieser ist so bemessen, dass eine in voller Geschwindigkeit laufende Pressenanlage 1 notgebremst werden kann und die verbleibende Differenz zwischen Maximalenergie M und maximaler Pufferenergie Pmax ausreicht, um den beim Bremsen frei werdenden Energiebetrag aufzunehmen.
  • Es werden dann die einzelnen Umrichter 28, 29, 30, 31, 32, 33 so angesteuert, dass die angeschlossenen Servomotoren die gewünschten Bewegungen vollführen. Figur 4 veranschaulicht dabei beispielsweise die Leistungsaufnahme und -abgabe der Servomotoren 8, 9, aufgetragen über dem Pressenwinkel α, der einem zentralen Pressentakt entspricht. 360° des Pressenwinkels α entsprechen der Umdrehung einer Exzenterwelle einer herkömmlichen Presse und somit bei den Pressenanlagen nach Figur 1 und 2 einem vollen Hub und Rückhub des jeweiligen Stößels 5, 6, 7.
  • Wie ersichtlich, weist die Leistungsaufnahme des Stößelantriebs gemäß Kurve I ein ausgeprägtes Maximum auf, das beispielsweise bei der Blechumformung auftritt. Außerdem kann ein negativer Teil vorhanden sein, was Energierückspeisung bedeutet. Die Servoantriebe der einzelnen Pressen 2, 3, 4 können unterschiedliche Kurven aufweisen und zueinander phasenversetzt arbeiten.
  • Ein weiteres Diagramm zeigt eine Kurve II, die die Leistungsaufnahme und -abgabe des Servomotors 21 des Ziehkissens charakterisieren kann. Ein ausgeprägter rückspeisender Abschnitt ist beispielsweise gerade dort vorhanden, wo der Servomotor des Stößels erheblich Positivleistung fordert.
  • Eine weitere Kurve III kennzeichnet beispielhaft die Leistungsaufnahme weiterer Aggregate, beispielsweise der Zwischenablagen 25, 26 oder der Teiletransporteinrichtung 22.
  • Die Steuereinrichtung 35 kann beispielsweise so beschaffen sein, dass sie die Leistungsaufnahmen gemäß der Kurven I, II und III integriert und somit die aufzunehmende Gesamtarbeit bestimmt. Dieses Integral ist in Figur 4 für die Kurven I, II, III jeweils gesondert veranschaulicht (Kurven Ia, IIa und IIIa). Das Gesamtintegral, d.h. die Summe der Kurven Ia, IIa, IIIa ergibt die von der Pressenanlage 1 für einen Pressentakt aufzunehmende elektrische Arbeit, die, wenn sie auf den Pressenwinkel α bezogen wird, als konstante Leistung IV aufgefasst werden kann. Diese Leistung IV ist dem Netz zu entnehmen. Um dies zu erreichen, puffert der Schwungradspeicher 48 in jedem Pressentakt die Leistung, was in Figur 4 eine Kurve VII veranschaulicht. Mit anderen Worten, der Umrichter 52 wird gerade so gesteuert, dass zu jedem Zeitpunkt die von dem Gleichspannungszwischenkreis 34 abgehende Leistung einem Wert entspricht, der gleich der gesamten, für einen Pressenzyklus erforderlichen Arbeit geteilt durch die für den Pressenzyklus zur Verfügung stehende Zeit ist.
  • Wie ersichtlich, durchläuft der Schwungradspeicher 48 Phasen der Energieaufnahme und Phasen der Energieabgabe. Dabei wird sein Füllstand von der Steuereinrichtung 35 überwacht. Sie legt fest und stellt sicher, dass der Schwungradspeicher 48 zu Anfang und zu Ende jedes Pressenzyklus mit der gleichen Drehzahl läuft, so dass er sich mit der Zeit weder auflädt noch entlädt. Außerdem stellt sie sicher, dass sein Speicherinhalt zu keinem Zeitpunkt einen Wert Pmax überschreitet. Somit steht in jedem Zeitpunkt eine Leistungsreserve R (siehe Figur 5) zur Verfügung, die ausreicht, bei einem Nothalt die Bremsenergie der gesamten Pressenanlage 1 aufzunehmen. Außerdem wird das Energiemanagement durch die Steuereinrichtung 35 vorzugsweise so betrieben, dass der Inhalt des Schwungradspeichers 42 zu keinem Zeitpunkt des Pressenzyklus einen Minimalwert Pmin unterschreitet. Der Minimalwert Pmin ist so festgelegt, dass bei einem zu einem beliebigen Zeitpunkt stattfindenden Ausfall des Versorgungsnetzes die in dem Schwungradspeicher 48 zur Verfügung stehende Energie ausreicht, um den angefangenen Pressenzyklus zu Ende zu führen, so dass alle Antriebe geordnet und synchron in eine sichere Lage fahren und Kollisionen vermieden werden. Die minimal gespeicherte und somit in dem Schwungradspeicher dauerhaft vorhandene elektrische Arbeit ist mindestens so groß wie die zur Durchführung eines Pressenzyklus erforderliche elektrische Arbeit. Vorzugsweise ist die gespeicherte Energie etwas höher, um auch nach Vollendung des Pressenzyklus angeschlossene informationstechnische Anlagen, beispielsweise Computer und dergleichen, noch ausreichend mit Spannung weiter versorgen zu können.
  • Eine Pressenanlage mit Energiemanagementsystem weist einen Schwungradspeicher auf, der einerseits ausreichend Kapazität zur Aufnahme der bei einem Nothalt aufzunehmenden Energie hat und andererseits so betrieben wird, dass er zu jedem Zeitpunkt ausreichend Energie aufweist, um einen beliebigen angefangenen Pressenzyklus geordnet zu Ende zu führen. Eine zentrale Steuereinrichtung überwacht den Betrieb aller an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Servoantriebseinrichtungen und den Schwungradspeicher. Die Pufferung der elektrischen Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis ergibt einen guten Wirkungsgrad. Alterung, wie sie bei Kondensatoren auftritt, wird vermieden. Es wird eine hohe Energiedichte und eine Reaktionsgeschwindigkeit im Millisekundenbereich erhalten, wobei eine beliebige Anzahl von Lade- und Entladezyklen möglich ist. Der Schwungradspeicher ist modularisierbar. Leistungserhöhung kann durch Parallelschaltung von Schwungradspeichern erhalten werden. In jedem Fall ergibt sich eine lange Lebensdauer. Für kurze Zeiten, beispielsweise 60 Sekunden, kann der Schwungradspeicher überlastfähig gestaltet werden. Beispielsweise kann seine Leistungsaufnahme auf bis zu 160 Prozent gespeichert werden, was beispielsweise für die Durchführung einer Notabschaltung ausgenutzt werden kann. Ist der Schwungradspeicher überladen, kann seine Energie ins Netz rückgespeist werden, wenn der zur Versorgung des Gleichspannungszwischenkreises 34 dienende Gleichrichter entsprechend als steuerbarer Umrichter ausgebildet ist.
  • Der Schwungradspeicher 48 kann, wie beschrieben, über die Bestimmung der Leistungsbilanz der einzelnen Antriebe gesteuert werden. Es ist auch möglich, den Schwungradspeicher anhand der im Gleichspannungszwischenkreis 34 gemessenen Spannung zu betreiben. Steigt diese wird der Gleichspannungszwischenkreis 34 durch den Schwungradspeicher 48 belastet - er nimmt somit Energie auf. Sinkt sie, gibt die Steuereinrichtung aus dem Schwungradspeicher 48 Energie auf den Gleichspannungszwischenkreis 34 zurück, so dass sie wieder ansteigt. Lastspitzen innerhalb der Pressenanlage 1 werden somit vom Versorgungsnetz 46 fern gehalten.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform steuert die Steuereinrichtung die Gleichrichtereinrichtung (sie auch als "Versorgungseinheit" bezeichnet wird) und legt fest, ob diese Energie in den Gleichspannungszwischenkreis (auch als "DC-Bus" bezeichnet) einspeist oder rückspeist. Dabei beachtet sie gegebene Leistungsgrenzen. Die Leistungsgrenzen können dynamisch festgelegt werden. Die Steuereinrichtung kann außerdem die Drehzahl des Schwungradspeichers und die Zwischenkreisspannung überwachen. Dabei kann sie das Einspeisen und Rückspeisen von Energie aus dem Netz in den DC-Bus und zurück anhand folgender Größen regulieren:
    • Obere Grenze der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Untere Grenze der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Sollwert der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Istwert der Schwungradspeicherdrehzahl
    • Sollwert der Zwischenkreisspannung
    • Istwert der Zwischenkreisspannung
  • Die Regelung erfolgt dabei vorzugsweise mit dem Ziel der Minimierung der Netz-Lastspitzen, d.h. der Vergleichmäßigung der Netzbelastung. Zur Aktivierung des Schwungradspeichers kann das Sinken und Steigen der Zwischenkreisspannung erfasst und genutzt werden, das sich durch Unterschiede zwischen Energieverbrauch und Energielieferung aus dem Netz ergibt. Werden für die Energieentnahme aus dem Netz und die Rückspeisung in das Netz jeweils Obergrenzen festgesetzt, bleiben bei Lastspitzen oder Rückspeisespitzen Differenzbeträge übrig, die aus dem Schwungradspeicher entnommen oder in diesen rückgespeist werden.
  • Sinkt die Zwischenkreisspannung, wird der Bremsvorgang für den Schwungradspeicher eingeleitet. Das Schwungrad wird so lange abgebremst, bis die Zwischenkreisspannung den ursprünglichen Wert erreicht hat. Steigt die Zwischenkreisspannung, wird der Beschleunigungsvorgang für den Schwungradspeicher eingeleitet. Das Schwungrad wird so lange beschleunigt, bis die Zwischenkreisspannung den ursprünglichen (Soll-)Wert erreicht hat.
  • Die Leistungsgrenzen für das Einspeisen der Energie in den DC-Zwischenkreis und für das Rückspeisen von Energie in das Netz werden vorzugsweise so festgelegt, dass die langfristige, über mehrere Pressenhübe gemittelte Drehzahl des Schwungradspeichers konstant bleibt:
  • Mittels der dynamischen Änderbarkeit der Leistungsgrenzen für das Einspeisen und Rückspeisen von Energie in das oder aus dem Netz kann die speisende bzw. rückspeisende Energie beeinflusst werden. Die Leistungsgrenzen für das Einspeisen und Rückspeisen sind getrennte Parameter und von extern dynamisch ansteuerbar. Durch Änderung der Leistungsgrenzen der Versorgungseinheit kann der Einsatzpunkt der Energie-Unterstützung vom Schwungradspeicher variiert werden. Durch Änderung der Rückspeise-Leistungsgrenzen der Versorgungseinheit kann der Einsatzpunkt der Energie-Aufnahme vom Schwungradspeicher variiert werden.
  • Hinsichtlich der Schwungraddrehzahl kann z.B. wie folgt gearbeitet werden: Nach dem Einschalten der Servopresse wird zuerst das Schwungrad des Schwungradspeichers auf die Solldrehzahl, d.h. z.B. ungefähr 2/3 der maximalen Drehzahl beschleunigt. Mit Erreichen der Solldrehzahl ist der Schwungradspeicher bereit für eine Energieentnahme unter Drehzahlreduzierung oder für eine Energieaufnahme durch das Beschleunigen der Schwungmasse von Solldrehzahl auf die maximale Drehzahl. Um eine möglichst gleichförmige Netzbelastung zu erreichen, werden die Leistungsgrenzen so weit abgesenkt, dass die Leistungsspitzen so weit wie möglich von dem Schwungradspeicher geliefert werden. Damit wird sein Drehzahlhub maximal. Die Schwungraddrehzahl schwankt zwischen der Maximaldrehzahl und einer Minimaldrehzahl nahe Null.
  • Das Energieprofil (Zeitverlauf des Energiebedarfs) einer Servopresse ist abhängig von:
    • der Umformarbeit
    • dem Bewegungsprofil
    • der Anzahl der Zyklen pro Minute.
  • Deshalb ist eine optimale Festlegung der Leistungsgrenzen für die Herstellung eines Teils möglicherweise nicht optimal für die Herstellung eines anderen Teils. Zur Abhilfe können die Leistungsgrenzen der Versorgungseinheit ausgehend von einer Grundeinstellung iterativ festgelegt werden. Die Leistungsgrenzen werden beim Einarbeiten so weit und so lange verringert, bis der Schwungradspeicher bei seiner Arbeit die obere und die untere Grenzdrehzahl erreicht. Dabei kann auch überwacht werden, ob das Schwungrad innerhalb eines Pressenzyklusses die Solldrehzahl wieder erreicht.
  • Die für ein bestimmtes Teil (Werkstück) einmal ermittelten Daten, insbesondere die Leistungsgrenzen für das Speisen des DC-Busses aus dem Netz und für das Rückspeisen von Energie aus dem DC-Bus in das Netz können werkstückspezifisch in einem Werkstückdatenspeicher abgelegt werden. Später kann auf diese Daten zurückgegriffen werden, ohne die Presse neu einarbeiten zu müssen.
  • Bei Netzausfall werden alle Servoantriebe kontrolliert gebremst. Die kinetische Energie der bewegten Massen wird durch Generatorbetrieb der Servomotoren in den Gleichspannungszwischenkreis 34 gebracht und letztendlich in den Schwungradspeicher 48 überführt. Beim kontrollierten Bremsen wird somit die Synchronisation aller Servomotoren und somit insbesondere die Synchronisation zwischen Teiletransport und Stößelbewegung aufrecht erhalten. Die Stößel können in eine sichere Ruheposition gefahren werden, in der sie beispielsweise zu verriegeln sind. Daten können geordnet abgespeichert werden. Datenverarbeitungsanlagen können mit der Energie aus dem Schwungradspeicher 48 weiter betrieben werden. Eine Zerstörung von Umrichter- und Antriebselektronik durch unkontrollierten Anstieg der Zwischenkreisspannung wird wirksam vermieden. Ebenso wird eine Desynchronisation einzelner Antriebe mit der Gefahr von Kollision von Teilen der Pressenanlage vermieden.

Claims (26)

  1. Pressenanlage (1), insbesondere Großteile-Pressenanlage,
    mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34), der über eine Gleichrichtereinrichtung (45) aus einem Versorgungsnetz (46) gespeist ist,
    mit zumindest einer elektrischen, über eine Umrichtereinrichtung (28) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) gespeiste Servoantriebseinrichtung (8) für zumindest eine Pressenstufe (2), zu der ein von der Servoantriebseinrichtung (8) angetriebener Stößel (5) und ein bezüglich des Stößels (5) ortsfest angeordneter Pressentisch (14) gehören,
    mit zumindest einer Teiletransporteinrichtung (22), die wenigstens ein Werkstückgreifermittel aufweist, dem zumindest eine elektrische, über eine Umrichtereinrichtung (32) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) gespeiste Servoantriebseinrichtung (20) zugeordnet ist,
    mit einem Schwungradspeicher (48), der über eine Umrichtereinrichtung (52) an den Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) angeschlossen ist, um Energie aus diesem zu entnehmen und Energie in diesen zurück zu speisen, und
    mit einer Steuereinrichtung (35), die an die Umrichtereinrichtungen (28, 32, 52) und, falls diese steuerbar ist, an die Gleichrichtereinrichtung (45) angeschlossen ist, um diese zu steuern.
  2. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) außerdem mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) verbunden ist, um die Spannung in diesem zu erfassen.
  3. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Servoantriebseinrichtungen (8, 20) dem Bearbeitungsablauf der Werkstücke entsprechend steuert.
  4. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Gleichrichtereinrichtung (45) und den Schwungradspeicher (48) während des Betriebs der Pressenanlage (1) so steuert oder regelt, dass die Netzleistungsaufnahme innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten wird.
  5. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Gleichrichtereinrichtung (45) Stromgrenzen oder Leistungsgrenzen sowohl für die Strom-bzw. Leistungsentnahme aus dem Netz sowie auch für die Strom-bzw. Leistungsrückspeisung in das Netz einhält.
  6. Pressenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrom- bzw. Leitungsgrenzen so festgelegt sind, dass der Drehzahlhub des Schwungradspeichers (48) maximal wird.
  7. Pressenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrom- bzw. Leitungsgrenzen so festgelegt sind, dass der Drehzahlverlauf des Schwungradspeichers in allen aufeinander folgenden Pressenzyklen der gleiche ist.
  8. Pressenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrom- bzw. Leitungsgrenzen so festgelegt sind, dass die Netzbelastung minimiert ist.
  9. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Gleichrichtereinrichtung (45) und den Schwungradspeicher (48) während des Betriebs der Pressenanlage (1) so steuert oder regelt, dass die Netzleistungsaufnahme konstant bleibt.
  10. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umrichtereinrichtung (28, 32, 52) eine Leistungserfassungseinrichtung (42, 44, 51) zugeordnet ist, die mit der Steuereinrichtung (35) verbunden ist, um ein die aktuell umgesetzte Leistung kennzeichnendes Signal an diese zu senden.
  11. Pressenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die von allen Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) während eines Pressenzyklus umgesetzten Leistungen über einen Pressenzyklus integriert, um die an jeder Servobetriebseinrichtung (28, 32, 52) umgesetzte Arbeit zu bestimmen.
  12. Pressenanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung die Summe der an den Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) umgesetzten Arbeit bestimmt und die Gleichrichtereinrichtung (45) so steuert, dass während eines Pressenzyklus dem Versorgungsnetz (46) eine dieser entsprechende Energiemenge entnimmt.
  13. Pressenanlage nach Anspruch 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) den Schwungradspeicher (48) so steuert, dass die in ihm gespeicherte Energie bei stationärem Betrieb der Pressenanlage (1) zu Beginn eines Pressenzyklus gleich der in ihm gespeicherten Energie zu Ende eines Pressenzyklus ist.
  14. Pressenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) den Schwungradspeicher (48) so steuert, dass er zu jedem Zeitpunkt des Pressenzyklus ein verbleibendes Fassungsvermögen aufweist, das ausreicht, um die bei einem Nothalt der Pressenanlage (1) von den Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) zurück gespeiste Energie aufzunehmen.
  15. Pressenanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) den Schwungradspeicher (48) so steuert, dass dieser bei einem Nothalt der Pressenanlage außerdem Netzenergie aufnehmen kann, um die Netzbelastung kontrolliert von dem Betriebswert auf Null zu fahren.
  16. Verfahren zum Betrieb einer Pressenanlage (1), insbesondere Großteile-Pressenanlage,
    mit einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34), der über eine gesteuerte Gleichrichtereinrichtung (45) aus einem Versorgungsnetz (46) gespeist ist, wobei an der Gleichrichtereinrichtung (45) die dem Versorgungsnetz (46) entnommene Leistung erfasst wird,
    mit zumindest einer elektrischen, über eine Umrichtereinrichtung (28) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) gespeiste Servoantriebseinrichtung (8) für zumindest eine Pressenstufe (2), zu der ein von der Servoantriebseinrichtung (8) angetriebener Stößel (5) und ein bezüglich des Stößels (5) ortsfest angeordneter Pressentisch (14) gehören,
    wobei an der Umrichtereinrichtung (29) die in die oder aus der Servobetriebseinrichtung (8) fließende Leistung erfasst wird,
    mit zumindest einer Teiletransporteinrichtung (22), die wenigstens ein Werkstückgreifermittel aufweist, dem zumindest eine elektrische, über eine Umrichtereinrichtung (32) aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) gespeiste Servoantriebseinrichtung (20) zugeordnet ist, wobei an der Umrichtereinrichtung (32) die in die oder aus der Servobetriebseinrichtung (20) fließende Leistung erfasst wird,
    mit einem Schwungradspeicher (48), der über eine Umrichtereinrichtung (52) an den Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) angeschlossen ist, um Energie aus diesem zu entnehmen und Energie in diesen zurück zu speisen,
    wobei an der Umrichtereinrichtung (52) die in den oder aus dem Schwungradspeicher (48) fließende Leistung erfasst wird, und
    mit einer Steuereinrichtung (35), die die Umrichtereinrichtungen (28, 32, 52) und, falls sie steuerbar ausgebildet ist, die Gleichrichtereinrichtung (45) anhand der erfassten Leistungen steuert.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) außerdem mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (34) verbunden ist und die Spannung in diesem erfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) dem Bearbeitungsablauf der Werkstücke entsprechend steuert.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Gleichrichtereinrichtung (45) und den Schwungradspeicher (48) während des Betriebs der Pressenanlage (1) so steuert oder regelt, dass die Netzleistungsaufnahme innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die Gleichrichtereinrichtung (45) und den Schwungradspeicher (48) während des Betriebs der Pressenanlage (1) so steuert oder regelt, dass die Netzleistungsaufnahme konstant bleibt.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umrichtereinrichtung (28, 32, 52) eine Leistungserfassungseinrichtung (42, 44, 51) zugeordnet ist, die mit der Steuereinrichtung (35) verbunden ist und ein die aktuell umgesetzte Leistung kennzeichnendes Signal an diese sendet.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) die von allen Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) während eines Pressenzyklus umgesetzten Leistungen über einen Pressenzyklus integriert, um die an jeder Servobetriebseinrichtung (28, 32, 52) umgesetzte Arbeit zu bestimmen.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung die Summe der an den Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) umgesetzten Arbeit bestimmt und die Gleichrichtereinrichtung (45) so steuert, dass während eines Pressenzyklus dem Versorgungsnetz (46) eine dieser entsprechende Energiemenge entnimmt.
  24. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) den Schwungradspeicher (48) so steuert, dass die in ihm gespeicherte Energie bei stationärem Betrieb der Pressenanlage (1) zu Beginn eines Pressenzyklus gleich der in ihm gespeicherten Energie zu Ende eines Pressenzyklus ist.
  25. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (35) den Schwungradspeicher (48) so steuert, dass er zu jedem Zeitpunkt des Pressenzyklus ein verbleibendes Fassungsvermögen aufweist, das ausreicht, um die bei einem Nothalt der Pressenanlage (1) von den Servoantriebseinrichtungen (28, 32, 52) zurück gespeiste Energie aufzunehmen.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung () den Schwungradspeicher so steuert, dass dieser bei einem Nothalt der Pressenanlage außerdem Netzenergie aufnehmen kann, um die Netzbelastung kontrolliert von dem Betriebswert auf Null zu fahren.
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