EP3003702B1

EP3003702B1 - Verfahren zur steuerung einer presse mit variabler getriebeübersetzung

Info

Publication number: EP3003702B1
Application number: EP14726132.5A
Authority: EP
Inventors: Dieter Reisch
Original assignee: L Schuler GmbH
Current assignee: L Schuler GmbH
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-05-21
Also published as: DE102013105468B4; CN105263699A; BR112015027825A2; CN105263699B; ES2685021T3; DE102013105468A1; US20160107407A1; WO2014191285A1; EP3003702A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Presse. Es handelt sich um eine weggebunden arbeitende Presse. Die Presse weist einen elektrischen Antriebsmotor auf, der dazu dient, einen Stößel in einer Hubrichtung zwischen einem oberen Umkehrpunkt und einem unteren Umkehrpunkt hin- und herzubewegen. Dafür ist der elektrische Antriebsmotor über ein Pressengetriebe mit dem Stößel bewegungsgekoppelt. Das Getriebe weist eine variable Getriebeübersetzung auf. Die Getriebeübersetzung ändert sich insbesondere abhängig davon, welche Stellung die Getriebeteile aufweisen bzw. welche Position der Stößel während seiner Hubbewegung aufweist. Bei solchen Pressengetrieben kann es sich beispielsweise um Exzentergetriebe oder Kniehebelgetriebe handeln. Die Getriebeübersetzung wird bei diesen Getrieben im Bereich des unteren Umkehrpunktes sehr groß und steigt rechnerisch gegen unendlich an.
Pressen mit einem elektrischen Antriebsmotor sind bekannt. Beispielsweise beschreibt DE 10 2010 006 120 A1 eine Presse mit einer Servo-Zieheinrichtung und einem Gelenkantrieb. Bei dieser Presse wird vorgeschlagen, dass Überlastsicherungen in Gestalt von Druckpolstern vorgesehen werden können.
DE 10 2007 026 727 A1 beschreibt eine Presse mit Servomotoren, bei der beispielsweise Hydraulikpolster als Überlastsicherungen vorgesehen werden können.
Bei dem aus DE 10 2005 040 263 A1 bekannten Verfahren zur Ansteuerung einer Presse wird der Stößelantrieb während seiner Arbeitsbewegung oder seiner Aufwärtsbewegung lagegeregelt. Bei geschlossenem Werkzeug wird von der Lageregelung in eine Momenten- oder Kraftregelung umgeschaltet.
US 2012/0111207 A1 beschreibt eine Steuereinrichtung für eine Servopresse und ein entsprechendes Steuerverfahren. Dabei wird ein Moment für den Servomotor berechnet, das zur Erzeugung der Presskraft verwendet wird. Ein weiteres Moment wird ermittelt, das im Rahmen der Positions- oder Geschwindigkeitsregelung des Pressenstößels die erforderlichen positiven oder negativen Beschleunigungen des Stößels bewirkt. Das Arbeitsmoment für die Presskraft und das Steuermoment im Rahmen der Positions- oder Geschwindigkeitsregelung werden separat begrenzt.
US 2012/0111207 A1 offenbart auch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus WO 2013/045105 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Ballen aus kompressiblem Material offenbart, beispielsweise landwirtschaftliches Material. Beim Komprimieren des Materials steigt die Kraft eines Stößels kontinuierlich an. Um zu vermeiden, dass diese Kraft einen Schwellenwert überschreitet, wird die Gegenhaltekraft durch einen zuvor komprimierten Ballen in einem Ausgangskanal erzeugt. In diesem Ausgangskanal sind Reibungselemente vorhanden, mit denen die Reibungskraft und somit die Gegenhaltekraft für den Stößel eingestellt werden kann.
Bei einer Motormomentsteuereinrichtung für eine Presse gemäß EP 0922562 A1 wird das Motormoment durch den entsprechenden Motorstrom begrenzt. Um die Presskraft gemäß einem vorgegebenen Sollwert zu erzielen, werden bei der Regelung des Motormoments die Beschleunigungen des Stößels berücksichtigt. Dadurch sollen ungewollte Abweichungen vom Sollwert der Presskraft vermieden werden.
US 2011/0061547 A1 beschreibt eine Presse und ein Steuerverfahren für die Presse, bei dem eine variable Leistungsregelung der Presse erfolgen soll. Hierfür wird eine Feldsteuerung des Elektromotors vorgeschlagen. Das Motormoment wird im Rahmen einer Positions- bzw. Geschwindigkeitsregelung des Stößels der Presse begrenzt. Diese Begrenzung erfolgt über entsprechend vorgegebene d- und q-Achsströme für den Elektromotor im Rahmen der Feldsteuerung.
Bei der aus JP 2009 208134 A vorgeschlagenen Servopresse soll eine Überlast durch übermäßige Wärme vermieden werden, um eine Beschädigung von Bauteilen, insbesondere Servoverstärkern, zu vermeiden. Hierfür wird abhängig vom Motormoment ein Integralwert auf Basis des Motorstromes und die dadurch erzeuge Wärme ermittelt. Die Wärme wird mit einem Wärmeschwellenwert verglichen. Wird der Wärmeschwellenwert überschritten, wird der Motorstrom reduziert. Die dadurch erzeugte Wärme wird begrenzt.
DE 10 2011 115 932 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vermeidung hoher Presskräfte. Ein Servomotor ist über ein Pressengetriebe mit variabler Getriebeübersetzung mit einem in Hubrichtung zwischen einem oberen Umkehrpunkt und einem unteren Umkehrpunkt bewegbar gelagerten Stößel verbunden. Das Antriebsmoment des Servomotors wird auf ein Arbeitsbegrenzungsdrehmoment begrenzt.
Ausgehend hiervon kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Presse vorzuschlagen, das eine zu hohe Pressenkraft sicher vermeidet, um Schäden an der Presse zu verhindern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Wie eingangs geschildert weist die Presse einen Pressenantrieb mit wenigstens einem elektrischen Antriebsmotor und einem Pressengetriebe auf, das eine Bewegungskopplung zwischen dem Antriebsmotor und dem Stößel herstellt. Der Stößel kann in einer Hubrichtung zwischen einem oberen Umkehrpunkt und einem unteren Umkehrpunkt hin- und herbewegt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine maximale Presskraft, die auch als Nennpresskraft bezeichnet wird, für die Presse vorgegeben. Anschließend wird ein positionsabhängiges Maximaldrehmoment für den wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor abhängig von der maximalen Presskraft und der variablen Getriebeübersetzung bestimmt. Die Getriebeübersetzung hängt von der Position des Stößels bei seiner Hubbewegung bzw. von einem zur Steuerung der Presse vorgegebenen Pressenwinkel ab. Der Pressenwinkel beschreibt eine vollständige Bewegung des Stößels von seinem oberen Umkehrpunkt in den unteren Umkehrpunkt und zurück zum oberen Umkehrpunkt, wobei sich der Pressenwinkel von 0° bis 360° ändert. Der untere Umkehrpunkt kann - abhängig von der Kinematik des Pressengetriebes - dabei einem Pressenwinkel von etwa 180° zugeordnet sein. Da sich die Getriebeübersetzung während der Hubbewegung des Stößels ändert, wird das Maximaldrehmoment abhängig von der Hubstellung bzw. abhängig vom Pressenwinkel vorgegeben.
Das positionsabhängige Maximaldrehmoment beschreibt für jede Hubstellung bzw. für jeden Pressenwinkel ein Antriebsmoment für den elektrischen Antriebsmotor, das nicht überschritten werden darf, um im weiteren Verlauf der Hubbewegung des Stößels die maximale Presskraft nicht zu überschreiten. Wenn das Antriebsmoment des wenigstens einen elektrischen Antriebsmotors das Maximaldrehmoment überschreitet, wird festgestellt, dass bei fortgesetzter Bewegung des Stößels und des Antriebsmotors mit dem vorgesehenen Antriebsmoment die maximale Presskraft überschritten werden würde.
Die positionsabhängige variierende Getriebeübersetzung und der Sollwert des Antriebsmomentes des wenigstens einen elektrischen Antriebsmotors sind bekannt. Daraus lässt sich ein Verlauf für ein Maximaldrehmoment abhängig vom Pressenwinkel oder der Stößelposition ermitteln der überschritten wird, bevor die maximale Presskraft überschritten wird. Dazu kann es beispielsweise kommen, wenn versehentlich mehrere Bleche in die Presse eingelegt werden oder der Bediener der Presse die Hubeinstellung - also die Position des unteren Umkehrpunktes - falsch vorgenommen hat. Wenn das Antriebsmoment das Maximaldrehmoment überschreitet, wird also rechtzeitig die Gefahr erkannt und es kann vor dem Überschreiten der maximalen Presskraft eine geeignete Maßnahme eingeleitet werden, um eine Beschädigung der Presse sicher zu vermeiden.
Bei der Bestimmung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments wird auch wenigstens ein die Auffederung der Presse beschreibender Parameter berücksichtigt. Dadurch kann für jeden Pressenwinkel bzw. für jede Stößelposition ein Maximaldrehmoment für den elektrischen Antriebsmotor definiert werden, dessen Überschreitung angibt, dass bei einer fortgesetzten Hubbewegung des Stößels vom oberen Umkehrpunkt in den unteren Umkehrpunkt ein Überschreiten der maximalen Presskraft zu erwarten ist.
Beispielsweise kann das Pressengetriebe ein Exzentergetriebe oder ein Kniehebelgetriebe aufweisen. Insbesondere weist das Pressengetriebe eine Getriebeübersetzung auf, die zunimmt, wenn sich der Stößel dem unteren Umkehrpunkt annähert. Aufgrund dieser sich ändernden Getriebeübersetzung reicht es nicht aus, das Motormoment zu überwachen. Die zunehmende Getriebeübersetzung steigt zum unteren Umkehrpunkt stark an und ist rechnerisch im unteren Umkehrpunkt unendlich groß. Deswegen reichen sehr geringe Antriebsmomente des elektrischen Antriebsmotors aus, um in der Nähe des unteren Umkehrpunkts die maximale Pressenkraft zu überschreiten. Aus diesem Grund wird der Pressenwinkel bzw. die Stößelposition und mithin die Getriebestellung in die Bestimmung eines positionsabhängigen Maximaldrehmoments einbezogen, so dass Pressenschäden wirksam vermieden sind.
Das positionsabhängige Maximaldrehmoment wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel für den gesamten Hub des Stößels bzw. für jeden Pressenwinkel zwischen 0° und 360° vorgegeben. Alternativ hierzu könnte es ausreichen, das positionabhängige Maximaldrehmoment zumindest innerhalb eines Nennkraftweges bei der Bewegung des Stößels vom oberen Umkehrpunkt in den unteren Umkehrpunkt in einem Bewegungsabschnitt bis zum Erreichen des unteren Umkehrpunkts vorzugeben. Der Nennkraftweg kann einige Millimeter bis zu einem Zentimeter der Stößelbewegung gemessen in Hubrichtung betragen.
Es ist vorteilhaft, wenn das Antriebsmoment des wenigstens einen elektrischen Antriebsmotors reduziert wird, wenn festgestellt wird, dass die Gefahr einer Überschreitung des Maximaldrehmoments besteht. Die Gefahr der Überschreitung des Maximaldrehmoments wird insbesondere dadurch erkannt, dass das aktuelle Antriebsmoment des wenigstens einen elektrischen Antriebsmotors größer ist als das ermittelte positionsabhängige Maximaldrehmoment. Zur Reduzierung des Antriebsmomentes kann beispielsweise der Motorstrom reduziert oder ganz abgeschaltet werden.
Bei Erkennung der Gefahr der Überschreitung des Maximaldrehmoments kann der Stößel über den elektrischen Antriebsmotor auch aktiv abgebremst werden. Beispielsweise kann hierfür der wenigstens eine elektrische Antriebsmotor in seinen Generatorbetrieb umgeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den wenigstens einen Antriebsmotor zur Erzeugung einer Bremskraft zu bestromen. Der Antriebsmotor wird dabei sozusagen derart angesteuert, dass er versucht seine Drehrichtung umzukehren und dadurch eine Bremskraft auf den Stößel erzeugt.
Überschreitet das Antriebsmoment das Maximaldrehmoment kann der Stößel gegenüber der vorgegebenen Stößelbewegung abgebremst werden und bei einer bevorzugten Ausführungsform in eine Referenzposition bewegt werden. Als Referenzposition dient insbesondere der obere Umkehrpunkt. Dadurch wird die Presse in einen definierten Zustand gebracht. Durch das Anheben des Stößels in die Referenzposition bzw. den oberen Umkehrpunkt wird der Zugang zum Werkstück ermöglicht. Der Bediener kann dann die Ursache für das drohende Überschreiten der maximalen Presskraft untersuchen und das Problem beseitigen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein optisches und/oder akustisches Alarmsignal erzeugt, wenn das Antriebsmoment das positionsabhängige Maximaldrehmoment überschreitet.
Bei der Ermittlung des Maximaldrehmoments werden auftretende Änderungen des Antriebsmoments berücksichtigt, die durch vorgegebene Beschleunigungen des Stößels verursacht sind. Abhängig von der in der Pressensteuerung hinterlegten Bewegungskennlinie des Stößels können während der Hubbwegeung des Stößels Antriebsmomentänderungen notwendig sein, um die zeitabhängige oder pressenwinkelabhängige Position und/oder Geschwindigkeit des Stößels an die vorgegebenen Sollwerte anzupassen. Als Beschleunigung des Stößels wird jede Geschwindigkeitsänderung angesehen, also Geschwindigkeitszunahmen und Geschwindigkeitsreduzierungen. Beispielsweise kann abhängig von der Umformaufgabe der Presse während eines Hubes die Drehzahl des wenigstens einen elektrischen Antriebsmotors variiert werden, um den Stößel in vorgegebenen Bewegungsabschnitten zu beschleunigen. Diese Änderungen des Antriebsmoments führen gegebenenfalls dazu, dass die Gefahr der Überschreitung der maximalen Pressenkraft entsteht, denn diese Antriebsmomentänderungen bewirken eine Änderung der kinetischen Energie des Stößels. Solche durch die Stößelbewegungskennlinie vorgegebenen bzw. bewirkten Antriebsmomentänderungen werden bei der Ermittlung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments berücksichtigt. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens erhöht werden und es werden fehlerhafte Bewertungen der auftretenden Presskraft vermieden.
Die durch die Beschleunigung des Stößels auftretenden Änderungen des Antriebsmoments, die bei der Ermittlung des Maximaldrehmoments berücksichtigt werden können, sind solche Antriebsmomentänderungen, die unabhängig von der Umformarbeit der Presse auftreten. Derartige Änderungen des Antriebsmoments können beispielsweise auf Basis der vorgegebenen Stößelbewegungskennlinie bestimmt werden. Diese Stößelbewegungskennlinie kann zum Beispiel aus der Simulation des Pressverfahrens oder aus der Pressensteuerung erhalten werden.
Erfindungsgemäß werden die durch Beschleunigungen des Stößels während seines Hubes auftretenden Änderungen des Antriebsmoments auch bei einem Testhub bzw. Leerhub des Stößels ohne Werkstück ermittelt werden. Wie erläutert lassen sich diese Änderungen anhand der Stößelbewegungskennlinie aus einer Simulation oder anhand eines Leerhubes vor der Inbetriebnahme der Presse ermitteln.
Erfindungsgemäß wird bei der Ermittlung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments zusätzlich ein hubzahlabhängiger Parameter zusätzlich zu den Änderungen des Antriebsmomentes berücksichtigt, die sich aus seiner Beschleunigung des Stößels unabhängig von seiner Umformarbeit ergeben. Mit zunehmender Hubzahl steigt auch die Beschleunigung des Stößels, was durch den hubzahlabhängigen Parameter berücksichtigt wird. Der hubzahlabhängige Parameter kann somit einen Faktor bilden, mit dem die unabhängig von der Umformarbeit auftretenden Antriebsmomentänderungen multipliziert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische blockschaltbildähnliche Darstellung eine Ausführungsbeispiels einer Presse,
Figur 2 ein schematisches Prinzipbild des Zusammenhangs zwischen einem Pressenwinkel und der Stößelbewegung,
Figur 3 einen stark schematisierten beispielhaften Verlauf für die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors der Presse sowie das ermittelte Maximaldrehmoment in einem Nennkraftweg,
Figur 4 eine stark schematisierte, beispielhafte Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors sowie der Stößelbewegung.

Figur 1 zeigt eine weggebunden arbeitende Presse 10 mit einem Pressengestell 11. Am Pressengestell 11 ist ein Stößel 12 in einer Hubrichtung R verschiebbar geführt gelagert. Ein Pressentisch 13 ist am Pressengestell 11 angeordnet. Der Stößel 12 trägt ein Oberwerkzeug 14 und am Pressentisch 13 ist ein Unterwerkzeug 15 angeordnet. Die beiden Werkzeuge 14, 15 arbeiten zum Umformen eines nicht dargestellten Werkstücks zusammen. Hierfür kann der Stößel 12 mit dem Oberwerkzeug 14 zum Pressentisch 13 bzw. dem Unterwerkzeug 15 hin bewegt werden.
Zum Bewegen des Stößels 12 dient ein Pressenantrieb 20. Der Pressenantrieb 20 weist wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor 21 sowie ein Pressengetriebe 22 auf. Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass ein einziger Antriebsmotor 21 vorhanden ist. Das erforderliche Antriebsmoment für die Presse 10 kann aber auch durch eine Kombination mehrerer Antriebsmotoren erreicht werden. Eine Steuereinrichtung 23 dient zur Steuerung oder Regelung des wenigstens einen elektrischen Antriebsmotors 21.
Das Pressengetriebe 22 weist keine konstant vorgegebene, sondern eine variable Getriebeübersetzung Ü auf. Die Getriebeübersetzung Ü ist abhängig von der Stößelposition z des Stößels 12 in Hubrichtung R betrachtet bzw. von einem Pressenwinkel α. Der Pressenwinkel α dient zur Beschreibung eines vollständigen Hubes des Stößels 12 ausgehend von einem oberen Umkehrpunkt OT bis zu einem unteren Umkehrpunkt UT, in dem der Stößel 12 die geringste Entfernung zum Pressentisch 13 aufweist, und wieder zurück zum oberen Umkehrpunkt OT. Ein beispielhafter Bewegungsablauf eines vollständigen Hubes ist in Figur 4 gestrichelt veranschaulicht. Da der Pressenwinkel α und die Stößelposition Z in einem vorgegebenen Zusammenhang stehen, kann die Getriebeübersetzung Ü als eine erste Funktion f₁ vom Pressenwinkel α oder als eine zweite Funktion f₂ von der Stößelposition Z angegeben werden.
Bei dem hier veranschaulichten Ausführungsbeispiel des Pressengetriebes 22 kann die Übersetzung Ü bei der Bewegung des Stößels 20 vom oberen Umkehrpunkt OT in den unteren Umkehrpunkt UT stetig zunehmen und gegen den Grenzwert unendlich gehen. Die Presse 10 weist beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 1 und 2 ein Exzentergetriebe 23 auf, das eine solche Getriebecharakteristik aufweist. Auch bei einem Kniehebelgetriebe oder einem Kurbelgetriebe ist die Getriebeübersetzung Ü positions- oder wegabhängig und im Verlauf eines Hubes nicht konstant.
Zur Erfassung der aktuellen Stellung des Stößels 12 bzw. zur Erfassung des Getriebewinkels α weist die Presse 10 einen Positionssensor 25 auf. Der Positionssensor 25 kann dem Stößel 12 und/oder einem Getriebeteil des Pressengetriebes 23 und/oder dem elektrischen Antriebsmotor 21 zugeordnet sein. Beispielsweise kann der Positionssensor 25 die Drehstellung einer Eingangswelle 26 des Pressengetriebes 22 erfassen, wie dies schematisch in Figur 1 veranschaulicht ist.
Die konkrete konstruktive Ausgestaltung des Pressengetriebes 22 kann verschieden sein. Beispielsweise kann der Stößel 12 über ein Pleuel 27 mit einem Ring 28 gelenkig verbunden sein, wobei der Ring 28 wiederum auf einer exzentrisch durch die Eingangswelle 26 angetriebene Scheibe 29 drehbar angeordnet ist. Alternativ zu dieser in Figur 1 dargestellten Ausführung kann das Pleuel 27 auch exzentrisch gegenüber der Eingangswelle 26 an der Scheibe 29 angelenkt sein (Figur 2). In diesem Fall kann die Scheibe 29 konzentrisch zur Eingangswelle 26 bzw. der Drehachse D angeordnet sein.
Bei derartigen Pressen 10 besteht die Gefahr, dass wegen der in bestimmten Bewegungsabschnitten des Stößels 12 herrschenden sehr großen Getriebeübersetzung Ü eine zu große Presskraft erzeugt wird, die die Presse 10 beschädigen kann. Um dies zu vermeiden wird erfindungsgemäß eine maximale Presskraft Fmax vorgegeben. Die maximale Presskraft kann auch als Nennkraft der Presse 10 bezeichnet werden. Zusätzlich kann ein Nennkraftweg s vorgegeben sein, innerhalb dem die maximale Presskraft Fmax auftreten darf. Der Nennkraftweg s endet im unteren Umkehrpunkt UT des Stößels 12 und kann beispielsweise 5 bis 6 mm lang sein, gemessen in Hubrichtung R. Über den Nennkraftweg s und die maximale Presskraft Fmax wird somit auch die Energie bestimmt, die der Presse 10 beim Umformen maximal entnommen werden kann.
Abhängig von dieser maximalen Presskraft Fmax und der positionsabhängigen Getriebeübersetzung Ü wird ein positionsabhängiges Maximaldrehmoment Mmax bestimmt bzw. berechnet. Das Maximaldrehmoment Mmax stellt einen Grenzwert für das Antriebsmoment M des elektrischen Antriebsmotors 21 dar. Auf diese Weise kann durch Überwachung des Antriebsmoments M für jede Stößelposition z bzw. für jeden Pressenwinkel α erkannt werden, ob die Gefahr besteht, dass die maximale Presskraft Fmax bei der Fortsetzung der Stößelbewegung gemäß der in der Steuereinrichtung 23 vorgegebenen Stößelbewegungskennlinie sowie dem vorgegebenen Antriebsmoment M überschritten wird. Somit ist gewährleistet, dass durch Vergleich des Antriebsmoments mit dem Maximaldrehmoment Mmax bereits bei einem Pressenwinkel α bzw. einer Stößelposition z die Gefahr der Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax erkannt wird, bevor dies tatsächlich der Fall ist. Auf diese Weise können Maßnahmen eingeleitet werden, die wirksam verhindern, dass die vom Stößel 12 aufgebrachte Kraft die maximale Presskraft Fmax überschreitet.
Mit anderen Worten überschreitet das vom elektrischen Antriebsmotor 21 aufgebrachte Antriebsmoment M bereits das ermittelte Maximaldrehmoment Mmax, bevor die vom Stößel 12 aufgebrachte Kraft die maximale Presskraft Fmax erreicht. Dies kann anhand der bekannten Getriebeübersetzung Ü, der vorgegebenen maximalen Presskraft Fmax, der bekannten Stößelbewegung und vorzugsweise zusätzlich aus wenigstens einem, die Auffederung der Presse 10 beschreibenden Auffederungsparameter ermittelt werden. Der Auffederungsparameter beschreibt die elastische Auffederung der Presse während des Umformens des Werkstücks. Die Auffederung ist bei der wegabhängig arbeitenden Presse 10 abhängig von dem Umformweg des Stößels 12 ab dem Aufsetzen auf das Werkstück bis zum unteren Umkehrpunkt UT.
In Figur 3 ist ein beispielhafter stark vereinfachter Verlauf für das Maximaldrehmoment Mmax dargestellt. Das positionsabhängige Maximaldrehmoment Mmax kann für den gesamten Hub des Stößels 12 vom oberen Umkehrpunkt OT in den unteren Umkehrpunkt UT und zurück zum oberen Umkehrpunkt OT angegeben werden. Zumindest wird der Verlauf für das Maximaldrehmoment Mmax im Bereich des Nennkraftweges s bestimmt und überwacht. Im einfachsten Fall wird das Maximaldrehmoment Mmax auf Basis einer konstanten Drehzahl n für den elektrischen Antriebsmotor 21 angegeben, wie es mit durchgezogenen Linien in Figur 3 schematisch veranschaulicht ist. Das Maximaldrehmoment Mmax steigt zu Beginn des Nennkraftweges s stark auf einen Maximalwert an und fällt mit einer betragsmäßig kleineren Steigung zum unteren Umkehrpunkt UT wieder ab. Es entsteht ein sägezahnförmiger Verlauf, der in Figur 3 sehr stark schematisiert dargestellt ist.
Alternativ hierzu können auch Änderungen der Drehzahl n des Antriebsmotors 21 und mithin Beschleunigungen des Stößels 12 bei der Bestimmung des Maximaldrehmoments Mmax berücksichtigt werden, was in Figur 3 durch die gestrichelten Abschnitte veranschaulich ist. Solche Drehzahländerungen können abhängig von der Umformaufgabe durch eine Bewegungskennlinie K für den Stößel 12 vorgegeben und in der Steuereinrichtung 23 abgespeichert sein. Die Steuereinrichtung steuert den Antriebsmotor 21 an, so dass sich der Stößel 12 entsprechend der vorgegebenen Bewegungskennlinie K bewegt. Eine einfache Bewegungskennlinie K für eine konstante Drehzahl n ist beispielhaft in Figur 4 gestrichelt dargestellt.
Drehzahländerungen des Antriebsmotors 21, die durch die Bewegungskennlinie K für den Stößel 12 vorgegeben sind, führen auch zur Veränderung des vom elektrischen Antriebsmotor 21 bereitgestellten Antriebsmoments M. Solche Änderungen, die unabhängig von der Umformarbeit sind , werden bei der Bestimmung des Maximaldrehmoments Mmax berücksichtigt. Dadurch können fehlerhafte Bewertungen hinsichtlich einer bevorstehenden Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax vermieden werden.
In Figur 3 ist lediglich beispielhaft angenommen, dass sich bei einem ersten Pressenwinkel α1 die Drehzahl n des elektrischen Antriebsmotors bis zu einem zweiten Pressenwinkel α2 verringert. Der Stößel 12 wird dabei abgebremst. Der Betrag und/oder die Richtung des Antriebsmoments M des elektrischen Antriebsmotors 21 ändern sich entsprechend. Um diese Beschleunigung des Stößels 12 zu berücksichtigen, wird in dem Bereich zwischen dem ersten Pressenwinkel α1 und dem zweiten Pressenwinkel α2 das Maximaldrehmoment Mmax um den Betrag verringert, um den abhängig von der Beschleunigung des Stößels 12 das Antriebsmoment M des elektrischen Antriebsmotors 21 verändert wird. In Figur 3 ist die Veränderung des Maximaldrehmoments Mmax gestrichelt dargestellt.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Beispiel ist weiterhin beispielhaft angenommen, dass ab einem dritten Pressenwinkel α3 bis zum unteren Umkehrpunkt UT die Drehzahl n des elektrischen Antriebsmotors 21 erhöht wird. Um den Stößel 12 entsprechend zu beschleunigen ist ein betragsmäßig erhöhtes Antriebsmoments M des elektrischen Antriebsmotors 21 notwendig. Das Maximaldrehmoment Mmax wird um einen Betrag angehoben, der dem Betrag der Änderung des Antriebsmomentes M entspricht, was in Figur 3 ebenfalls gestrichelt gezeigt ist.
Somit werden Änderungen des Antriebmoments M, die zur Beschleunigung des Stößels 12 führen und unabhängig von der Umformarbeit beispielsweise durch eine Bewegungskennlinie K für den Stößel 12 vorgegeben sind, bei der Ermittlung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments Mmax berücksichtigt. Der Betrag und der Verlauf der Drehzahl n und die dabei auftretenden Drehzahländerungen können abhängig von der Umformaufgabe der Presse 10 verschieden sein und sind in Figur 3 lediglich beispielhaft vereinfacht dargestellt. Es können auch nicht-lineare Drehzahlverläufe auftreten.
Das Maximaldrehmoments Mmax kann für die Stößelposition zu Beginn des Nennkraftweges s beispielsweise wie folgt berechnet werden:
Annahmen:

Nennkraftweg s= 8 mm,
Pressenwinkel zu Beginn des Nennkraftweges α_s = 9°,
Exzenterradius r = 650 mm,
maximale Presskraft Fmax = 18.000 kN,
Übersetzung Ü(α_s) = 17.

Der Weg c, den der Exzenter an seinem Exzenterradius um die Drehachse des Exzenters zurücklegt ergibt sich dann zu: $c = r * \sin (α_{s}) .$
Das Maximaldrehmoment Mmax bei einem Pressenwinkel α=α_s beträgt dann: $M \max (α_{s}) = \frac{c * F \max}{Ü (α_{s})} .$
Mit den oben genannten Zahlenwerten ergibt sich beispielsgemäß als Maximaldrehmoment Mmax = 108.000 Nm.
Die Steuereinrichtung 23 vergleicht das aktuell vom elektrischen Antriebsmotor 21 aufgebrachte Antriebsmoment M mit dem ermittelten positionsabhängigen Maximaldrehmoment Mmax. Sobald das Antriebsmoment M das Maximaldrehmoment Mmax überschreitet, wird die Gefahr der Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax erkannt. Übersteigt das Motordrehmoment zu Beginn des Nennkraftweges s somit bei dem oben dargestellten Beispiel den Wert von 108.000 Nm, wird die Gefahr der Überschreitung der maximalen Pressenkraft Fmax erkannt. Zu diesem Zeitpunkt werden Maßnahmen eingeleitet. Insbesondere wird das Antriebsmoment M des elektrischen Antriebsmotors 21 reduziert, um die vom Stößel 12 aufgebrachte Kraft zu reduzieren. Selbst wenn aufgrund der Trägheit und der Geschwindigkeit des Stößels 12 ein sofortiges Anhalten des Stößels 12 nicht möglich ist, kann durch die Reduzierung des Antriebsmoments M um einen ausreichenden Betrag unter Berücksichtigung der positionsabhängigen Getriebeübersetzung Ü die Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax verhindert werden. Die in der Rotation gespeicherte rotatorische Energie wird dann in eine Auffederung der Presse umgewandelt, die sich anhand der rotatorischen Energie und der Steifigkeit der Presse berechnen lässt.
Ergibt die Berechnung, dass die Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax allein durch die Drehmomentabschaltung nicht gewährleistet werden kann, wird vorzugsweise ein Bremsmittel der Presse 10 verwendet, um die fortgesetzte Bewegung des Stößels 12 schneller zu stoppen oder sogar umzukehren. Beispielsweise kann der elektrische Antriebsmotor 21 in seinen Generatorbetrieb umgeschaltet werden und als Bremsmittel dienen. Es können zusätzlich oder alternativ auch andere Bremsmittel, wie beispielsweise eine Reibungsbremse vorgesehen sein.
Es ist somit auch möglich, den elektrischen Antriebsmotor 21 in seinen Generatorbetrieb umzuschalten, wenn die Gefahr der Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax festgestellt wurde. Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass bei einem vierten Pressenwinkel α4 das aktuell anliegende Antriebsmoment M des elektrischen Antriebsmotors 21 das vorgegebene Maximaldrehmoment Mmax überschreitet. Beispielsgemäß wird der Stößel 12 durch Drehrichtungsumkehr des elektrischen Antriebsmotors 21 zunächst abgebremst und in die entgegengesetzte Richtung zurückbewegt. Tatsächlich tritt dabei anders als in Figur 4 lediglich schematisch veranschaulicht keine senkrechte Flanke für die Drehzahl n auf. Zunächst muss die bewegte Masse angehalten und in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt werden. Der Stößel 12 wird dann in eine Referenzposition bewegt, die beim Ausführungsbeispiel dem oberen Umkehrpunkt OT entspricht. Die tatsächliche Bewegung Z(α) des Stößels 12 (durchgezogene Linie in Figur 4) folgt hier nicht mehr der vorgegebenen Bewegungskennlinie K.
Anhand des maximalen Drehmoments des Antriebsmotors 21 kann die maximale Bremsleistung abhängig von Drehzahl berechnet und daraus die mittlere Bremsleistung ermittelt werden. Beispielsweise kann als mittlere Bremsleistung die Hälfte der maximalen Bremsleistung angenommen werden. Abhängig von der Rotationsenergie lässt sich dann die erforderliche Bremszeit und die während der Bremszeit zurückgelegte Winkeldifferenz des Pressenwinkels α bzw. der während der Bremszeit zurückgelegte Stößelweg berechnen.
Sobald diese Referenzposition erreicht ist, wird die Presse 10 angehalten. Es kann auch ein optischer und/oder akustischer Alarm ausgegeben werden. Der Bediener der Presse 10 kann dann nach der Ursache suchen, die zu der Gefahr der Überschreitung der maximalen Presskraft Fmax geführt hat. Dies kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass versehentlich mehrere Bleche oder Werkstücke in die Presse 10 eingelegt wurden. Eine andere Fehlerursache kann darin bestehen, dass der Stößelhub und mithin die Position des unteren Umkehrpunktes UT verstellt und zu nahe am Pressentisch 13 beziehungsweise dem Unterwerkzeug 15 eingestellt wurde. Auch dadurch kann es zu unzulässig hohen Presskräften kommen.
Die Beschleunigungen des Stößels 12, die sich unabhängig von der Umformarbeit beispielsweise aus einer vorgegebenen Bewegungskennlinie K für den Stößel 12 ergeben, können auf verschiedene Weise ermittelt werden. Zum Beispiel ist es möglich, diese Beschleunigungen und dadurch verursachte Änderungen des Antriebsmoments M des elektrischen Antriebsmotors 21 aus einer Simulation des Betriebs der Presse 10 zu erhalten. Beispielsgemäß wird beim Einrichten der Presse 10 ein Leerhub ohne das Einlegen eines Werkstücks durchgeführt. Die dabei auftretenden Änderungen des Antriebsmomentes M können ermittelt und gespeichert werden. Da kein Werkstück vorhanden ist, sind die Änderungen des Antriebsmoments M auf die eingestellte, vorgegebene Bewegungskennlinie K für den Stößel 12 und die sich daraus ergebenden Beschleunigungen des Stößels 12 zurückzuführen.
Wenn auf diese Weise die Änderungen des Antriebsmomentes M, die nicht durch Umformungen, sondern durch vorgegebene gewünschte Beschleunigungen des Stößels 12 bedingt sind, ermittelt wurden, können diese bei der Berechnung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments Mmax berücksichtigt werden, wie dies im Zusammenhang mit Figur 3 erläutert wurde. Diese Änderungen können auch an verschiedenen Hubzahlen für die Presse 10 angepasst werden. Beispielsgemäß wird bei der Ermittlung des positionsabhängigen Maximaldrehmomentes Mmax zusätzlich ein hubzahlabhängiger Parameter berücksichtigt, der beispielsweise ein Faktor sein kann, mit dem die ermittelte Änderung des Antriebsmomentes M multipliziert wird, die sich aus dem Leerhub ergeben hat. Dadurch werden erhöhte betragsmäßige Beschleunigungen berücksichtigt, die sich bei der Erhöhung der Hubzahl der Presse 10 ergeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Presse 10. Die Presse 10 weist einen elektrischen Antriebsmotor 21 und ein Pressengetriebe 22 mit variabler Getriebeübersetzung Ü auf. Ein Stößel 12 der Presse 10 ist in Hubrichtung R bewegbar gelagert und über das Pressengetriebe 22 mit dem elektrischen Antriebsmotor 21 verbunden. Die Getriebeübersetzung Ü kann bei der Bewegung des Stößels von einem oberen Umkehrpunkt OT zu einem unteren Umkehrpunkt UT stetig zunehmen und stark ansteigen. Um ein Überschreiten einer vorgegebenen maximalen Presskraft Fmax der Presse 10 zu vermeiden, wird ein positionsabhängiges Maximaldrehmoment Mmax für den elektrischen Antriebsmotor 21 vorgegeben. Die Steuereinrichtung vergleicht das jeweils anliegende Antriebsmoment M mit dem positionsabhängigen Maximaldrehmoment Mmax. Sobald das Antriebsmoment M das positionsabhängige Maximaldrehmoment Mmax überschreitet, wird daraus die Gefahr erkannt, dass die vom Stößel 12 aufgebrachte Kraft die maximale Presskraft Fmax bei einer fortgesetzten Umformbewegung überschreiten wird. Die Steuereinrichtung 12 reduziert dann das Antriebsmoment M um eine Beschädigung der Presse 10 zu vermeiden.

Bezugszeichenliste:

10: Presse
11: Pressengestell
12: Stößel
13: Pressentisch
14: Oberwerkzeug
15: Unterwerkzeug

20: Pressenantrieb
21: elektrischer Antriebsmotor
22: Pressengetriebe
23: Steuereinrichtung

25: Positionssensor
26: Eingangswelle
27: Pleuel
28: Ring
29: Scheibe

α: Pressenwinkel
α1: erster Pressenwinkel
α2: zweiter Pressenwinkel
α3: dritter Pressenwinkel
α4: vierter Pressenwinkel

D: Drehachse
Fmax: maximale Presskraft
K: Bewegungskennlinie für den Stößel
M: Antriebsmoment
Mmax: Maximaldrehmoment
n: Drehzahl
OT: oberer Umkehrpunkt
Ü: Getriebeübersetzung
UT: unterer Umkehrpunkt
s: Nennkraftweg
Z: Stößelposition

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Presse (10)
mit einem elektrischen Antriebsmotor (21), der über ein Pressengetriebe (22) mit variabler Getriebeübersetzung (Ü) mit einem in Hubrichtung (R) zwischen einem oberen Umkehrpunkt (OT) und einem unteren Umkehrpunkt (UT) bewegbar gelagerten Stößel (12) verbunden ist und mit einer Steuereinrichtung (23), die den elektrischen Antriebsmotor (21) steuert oder regelt, mit folgenden Schritten:
- Vorgeben einer maximalen Presskraft (Fmax) für die Presse (10),

- Bestimmen eines positionsabhängigen Maximaldrehmoments (Mmax) für den elektrischen Antriebsmotor (21) abhängig von der maximalen Presskraft (Fmax) und der Getriebeübersetzung (Ü),

- Steuern oder Regeln des elektrischen Antriebsmotors (21), derart dass die vom Stößel (12) ausgeübte Presskraft über die gesamten Hubbewegung kleiner ist als die maximale Presskraft (Fmax),
dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments (Mmax) wenigstens ein die Auffederung der Presse (10) beschreibender Parameter berücksichtigt wird,
dass bei der Ermittlung des positionsabhängigen Maximaldrehmoments (Mmax) durch wegabhängig vorgegebene Beschleunigungen des Stößels (12) auftretende Änderungen des Antriebsmomentes (M) berücksichtigt werden,
dass die durch Beschleunigungen des Stößels (12) auftretende Änderungen des Antriebsmomentes (M) bei einem Leerhub des Stößels (12) ermittelt werden,
und dass aus den bei einem Leerhub des Stößels (12) ermittelten Änderungen des Antriebsmomentes (M) und einem hubzahlabhängigen Parameter das positionsabhängige Maximaldrehmoment (Mmax) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeübersetzung (Ü) des Pressengetriebes (22) zunimmt, wenn sich der Stößel (12) dem unteren Umkehrpunkt (UT) annähert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Pressengetriebe (22) ein Exzentergetriebe oder ein Kniehebelgetriebe ist oder aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das positionsabhängige Maximaldrehmoment (Mmax) zumindest innerhalb eines Nennkraftweges (s) bis zum unteren Umkehrpunkt (UT) vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmoment (M) des elektrischen Antriebsmotors (21) reduziert wird, wenn festgestellt wird, dass die Gefahr einer Überschreitung der maximalen Presskraft (Fmax) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (12) abgebremst wird, wenn festgestellt wird, dass die Gefahr einer Überschreitung der maximalen Presskraft (Fmax) besteht.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (21) entgegen seiner aktuellen Drehrichtung zum Abbremsen des Stößels (12) angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antriebsmotor (21) in seinen Generatorbetriebszustand umgeschaltet wird oder zur Erzeugung einer Bremskraft angesteuert wird, wenn festgestellt wird, dass die Gefahr einer Überschreitung der maximalen Presskraft (Fmax) besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (12) in eine Referenzposition (OT) bewegt wird, wenn festgestellt wird, dass die Gefahr einer Überschreitung der maximalen Presskraft (Fmax) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die durch Beschleunigungen des Stößels (12) auftretende Änderungen des Antriebsmomentes (M) anhand einer vorgegebenen Stößelbewegungskennlinie (K) bestimmt werden.