WO2006045275A2 - Antriebssystem einer umformpresse - Google Patents

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WO2006045275A2
WO2006045275A2 PCT/DE2005/001871 DE2005001871W WO2006045275A2 WO 2006045275 A2 WO2006045275 A2 WO 2006045275A2 DE 2005001871 W DE2005001871 W DE 2005001871W WO 2006045275 A2 WO2006045275 A2 WO 2006045275A2
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drive system
forming press
press according
drive
plunger
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WO2006045275A3 (de
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Uwe Darr
Werner Brand
Frank Ulrich
Rainer Hedler
Steffen Schmidt
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Müller Weingarten AG
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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
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B1/00—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen
    • B30B1/10—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by toggle mechanism
    • B30B1/103—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by toggle mechanism operated by screw means

Definitions

  • the invention relates to a drive system of a forming press having the features of the preamble of one of the claims 1 and 4.
  • Tappet is rigidly predetermined.
  • JP 2001300778 A a servo-motor-driven press is known, in which a numerically controlled motor drives a central spindle, the spindle nut is connected via a toggle mechanism with the two pressure points.
  • a first pair of levers on the one hand in each case hinged to the spindle nut and on the other hand in each case connected to a second pair of levers, whose second end is rotatably mounted fixed to the frame.
  • the one end of a third pair of levers is additionally mounted, the other end is articulated in the plunger.
  • the central spindle operates in reversing operation, wherein the reversing positions respectively correspond to the upper and lower reversal point of the plunger of the press.
  • the joint action of the central spindle on the adjacent pressure points, the control of the tilting behavior of the plunger is limited.
  • the vertically arranged central spindle requires an increased height. Since the direction of rotation of the spindle drive in the lower reversal point of the plunger takes place in the phase of high energy output, on the one hand, the power requirement is increased at a given number of cycles or limited the number of cycles at a given power.
  • This disadvantage also relates to a further servo-motor-driven press according to JP 2002103089 A, in which a separate spindle of one numerically controlled one
  • Motor is driven in combination with a
  • Knee lever acts on each a pressure point of the plunger.
  • the lever connected to the spindle nut is articulated in the common pivot point of the upper and lower legs of the toggle lever, whereby in conjunction with the horizontal
  • the invention has for its object to make a drive system for a forming press so that either increased drive speed for a given drive power or drive speed is reduced for a given number of cycles, the size and sequence of strokes, speed and force profiles is freely programmable. Furthermore, a short overall height of the head piece for driving the press is to be achieved with the most compact possible design become. For forming presses with several pressure points, the possibility of a tilt control of the ram should be created.
  • the core idea of the invention is to combine the advantages of hydraulic presses with regard to free programmability of the travel, speed and force profiles with the advantages of mechanical presses with regard to increased productivity, rigidity and path-controlled reproducibility of the lower reversal point. It is essential to the invention that one or more electric drives act as a servomotor in the form of a direct drive or with a downstream linear converter on a five-point toggle so that in addition to the free programmability of path, speed and force profiles flexible use of path and / or force-related motion sequences is possible. In the case of a force-applied ram movement, the lower reversal point is controlled in analogy to hydraulic presses as a function of the programmed forces.
  • the simple stroke of the electric drive corresponds to a simple ram stroke
  • the reversing of the electric drive is carried out in the lower reversal point of the plunger.
  • the high positioning accuracy and mechanical stiffness of the servo axis also allows a path-bound plunger movement with reversing the electric drive in the lower reversal point of the plunger. If the electric drive swings through the toggle lever in the lower reversal point of the plunger without stopping, in another mode of operation, the advantage of the path-controlled plunger movement of mechanical presses at high clock rates can be utilized. It is achieved with a simple stroke of the electric drive, a double ram stroke with forward and return stroke, which reduces energy consumption and the cycle rate of the press is increased.
  • the use of larger ram strokes is achieved by the advantageous embodiment of the five-point toggle lever by means of spatially separated hinge points of the input and output end of the double lever with the formation of a translation.
  • the drive modules which can be designed from direct drives or servomotors with downstream linear converters, for example in the form of spindles, can drive several pressure points jointly by means of an intermediate power divider and can also be assigned separately to a pressure point.
  • the individual pressure points respectively associated drive in the force and position control can be controlled separately, which on the one hand for parallel holding the plunger which can be developed due auserkittigem force attack tilting compensated and on the other hand, a target tilt can be achieved.
  • the energy balance of the press is improved by an exchange of energy takes place between the servomotor for the main movement of the plunger and other present in the press for secondary movements servomotors, for example for electric motor driven pulling means that in the cycle of movement during the braking phases in the Generator mode of the servo motors regenerated energy is fed into the servomotor located in the motor mode.
  • This effect can also be achieved if several presses belonging to a press line are operated out of phase relative to the plunger movement and an energy exchange takes place between the servomotor associated with each press for the main movement.
  • Fig. 2 common servo spindle drive for a tandem five-point toggle mechanism in a first
  • Fig. 8 diagram with movement and drive power for main and secondary movements
  • the drive 2 is shown for reasons of simplicity without the associated frame.
  • the drive is effected by means of knee lever 3 distributed to four pressure points (4) of the plunger 1, wherein the toggle lever 3 are each formed as a five-point toggle 25.
  • the plunger 1 is shown in the left half in its upper stroke position and in the right half in its lower stroke position.
  • the movement of the Quattro five-point toggle lever 25 is generated jointly by means of a central spindle drive.
  • two spindles 7 are each driven by a servomotor 5 with an intermediate gear 6.
  • the associated, not shown spindle nut is mounted in the slider 8 and causes the linear converter 15, the conversion of the rotational movement of the spindle 7 in a linear movement of the slider 8.
  • the slider 8 serves as a power divider 19 for synchronous
  • a tab 12 is operatively connected on the one hand to the slider 8 and on the other hand to the first leg 10 of a double lever 9.
  • the double lever 9 is mounted on the rack side respectively in the double lever bearing 16 in the head piece, not shown.
  • the second leg 11 of the double lever 9 provides via the hinged connecting rod 13, the operative connection to the pressure points 4 in the plunger 1 ago.
  • the toggle lever 3 serves as a power amplifier for the axial force generated by the torque of the servomotor via the spindle 7 in the slider, which assumes its extreme value in the region of the extended position 18 of the toggle lever 3 for generating the pressing force required for the forming process.
  • an inner buckling layer 14 which adjusts as an acute angle between the second leg 11 and the connecting rod 13.
  • a flexible travel and speed characteristic is programmable for the movement of the plunger 1, wherein the transmission ratio of the toggle lever 3 is taken into account.
  • the position, speed and torque of the servo motors 5 is controlled by means of an NC controller 32 so that the desired movement and force curves can be achieved. It is essential that the motion sequences are generated in a first embodiment by means of guide shaft-controlled electronic cams, which specify the desired position of the plunger 1.
  • the forming press is on the one hand wegmap operated with a defined lower return point, which is in the extended position 18 of the bell crank 3.
  • the servo-driven forming press can be operated by force, by the force is limited control side in the extended position 18.
  • the axial force in the slider 8 can be generated by means of a direct drive 20 in the form of a linear motor 21.
  • a plurality of linear motors 21 are used for power amplification in an advantageous manner so that several secondary parts 23 are mounted either in the slider 8 or in the frame and operatively connected to several primary parts 24 in the frame or slider 8.
  • FIG. 2 shows in the second exemplary embodiment a common servo spindle drive for a tandem five-point toggle mechanism 25.
  • the plunger 1 is in the upper stroke position.
  • the right half shows the ram 1 in the area of the lower turning point.
  • Several servomotors 5 drive via a centralized gear 6 a horizontally mounted pair of spindles 7, each having a left-handed in the left half and a right-handed thread in the right half.
  • Each spindle 7 is connected via the separate sliders 8 with the five-point toggle mechanism 25 in operative connection.
  • the toggle lever 3 is designed so that it swings through at the lower reversal point of the plunger 1 without support and thus takes advantage of the path-bound plunger movement to achieve a high clock rate.
  • the plunger is not braked in the extended position 18 of the toggle lever during the phase of increased energy demand by the forming process.
  • the energy consumption is reduced.
  • the freely programmable servo motor 5 enables a flexible path characteristic.
  • each with symmetrically positioned buckling layer 14, 17 of the forward and return stroke of the plunger 1 is the same size, with all odd-numbered strokes of the plunger 1, a mirror program of the motion profile of the even strokes is mobile.
  • the pressing process per forming part takes place several times by the lower reversal point of the plunger 1 per pressing operation several times, suitably with different stroke, is passed.
  • the outer and inner buckling layers 14, 17 are positioned asymmetrically.
  • the input and output ends of the double lever 9 are arranged spatially separated. These are the first and second legs 10,11 in the double lever 9 to each other at an obtuse angle.
  • FIG. 3 A second embodiment of the tandem five-point toggle mechanism is shown in FIG. 3 in a perspective view.
  • the drive modules with the servomotors 5, gear 6, slider 8 and spindles 7 are each arranged laterally next to the head piece vertically in the region of the press stand 22 projecting downwards.
  • the slider 8 is in analogy to the preceding embodiments with two toggle levers 3 in operative connection.
  • a reduced overall height of the forming press is achieved in a compact design.
  • the following figures show drives 2 for forming presses with toggle levers 3, in which each pressure point of the plunger 1 is driven separately.
  • Fig. 4 shows two independently controllable pressure points 4, the five-point toggle mechanism 25 is driven in each case by a direct drive 20 designed as a linear motor 21.
  • the tab 12 is hinged to the linear motor 21 belonging to the primary parts 24, which are in operative connection with the associated secondary parts 23.
  • the toggle lever 3 is used to increase the force on the pressure points 20.
  • FIG. 5 shows the position of the five-point toggle lever 25 in its inner buckling position 14, while the outer buckling layer 17 is shown in Fig. 6.
  • drive module drives the servo motor 5 via intermediate gear 6 acting as a linear transducer 15 spindle 7 at.
  • the axially movable slider 8 transmits the movement in analogy to one of the preceding embodiments of the five-point toggle 25. Due to the individual, independent position and force control of the pressure points 4 parallel holding the plunger 1 is also possible with off-center force application. On the other hand, it is conceivable that a defined desired tilting of the plunger 1 during the pressing process is adjustable.
  • the essentially flywheel-free drives 2 by means of servomotors 5 can cause load fluctuations with not inconsiderable peak powers in the energy absorption from the supply network 29.
  • One way to improve the energy balance of the forming press is supported by Figures 7 and 8, described below.
  • further servomotors 28 for secondary movements in the forming press, such as drawing devices are used.
  • the path-time characteristic with the phase-related positions for the Plunger 1 and the drive of the pulling device 28 shown.
  • a further energy exchange can take place in the press cycle according to diagram Fig.8 in the phase of braking the servomotors for the plunger 1 to achieve the upper reversal point to the effect of the now fed back from the plunger 1 energy in the phase of run-up motor-driven drives for the pulling device 28 is supplied via the intermediate circuit coupling.
  • the time-related courses of the motor-driven and regenerative drive powers can be seen in each case for the plunger 1 and the drives of the pulling device 28 from the two middle curves of the diagram according to FIG. The resulting drive power is shown in the lower curve.
  • the load fluctuations can be reduced. It is also possible that an energy exchange between several forming presses takes place by the Umformpressen belonging to a press line are operated in phase with respect to their plunger movement and the energy is exchanged between the servomotors 5 for the main movement.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem einer Umformpresse mit dem entweder bei vorgegebener Antriebsleistung die Taktzahl gesteigert oder bei vorgegebener Taktzahl die Antriebsleistung reduziert wird, wobei die Größe und Folge von Hubwegen, Geschwindigkeits- und Kraftprofilen frei programmierbar ist. Des Weiteren soll bei möglichst kompakter Bauform eine kurze Bauhöhe des Kopfstückes für den Antrieb der Presse erreicht werden. Bei Umformpressen mit mehreren Druckpunkten soll die Möglichkeit einer Kippungsregelung des Stößels geschaffen werden. Die Lösung vereinigt die Vorteile von hydraulischen Pressen bezüglich freier Programmierbarkeit der Weg-, Geschwindigkeits- und Kraftprofile mit den Vorteilen mechanischer Pressen bezüglich erhöhter Produktivität, Steifigkeit und weggebundener Reproduzierbarkeit des unteren Umkehrpunktes. Erfindungswesentlich ist, dass ein oder mehrere Elektroantriebe als Servomotor in Form eines Direktantriebes oder mit nachgeordnetem Linearwandler auf einen Fünfpunkt-Kniehebel so wirken, dass neben der freien Programmierbarkeit von Weg-, Geschwindigkeits- und Kraftprofilen eine flexible Nutzung von weg- und/oder kraftgebundenen Bewegungsabläufen möglich ist.

Description

Antriebssystem einer Umformpresse
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem einer Umformpresse mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff einer der Patentansprüche 1 und 4.
Stand der Technik
Nach DE 14 52 772 A sind Pressen mit mechanischem Antrieb bekannt, bei denen einem primären Triebwerksteil, bestehend aus Motor, Schwungrad und Kupplungs-Bremskombination ein sekundärer Triebwerksteil mit Zahnradgetriebe zur
Leistungsverzweigung und jeweils den Druckpunkten zugeordneten Hubgetriebe mit Hebelmechanismus nachfolgt. Eine Veränderung des bei Kurbelantrieben sinusförmigen
Bewegungsablaufes wird hierbei durch den Einsatz von Hebel- und Gelenkantrieben erreicht. Es ist bei dieser Lösung nachteilig, dass neben den erhöhten Aufwendungen für die oben genannten Elemente des primären und sekundären Triebwerksteils das Weg- und Geschwindigkeitsprofil des
Stößels starr vorgegeben ist. Nach der JP 2001300778 A ist eine servomotorgetriebene Presse bekannt, bei der ein numerisch gesteuerter Motor eine Zentralspindel antreibt, deren Spindelmutter über einen Kniehebelmechanismus mit den beiden Druckpunkten verbunden ist. Dabei ist ein erstes Hebelpaar einerseits jeweils an der Spindelmutter angelenkt und andererseits jeweils mit einem zweiten Hebelpaar verbunden, dessen zweites Ende gestellfest drehbar gelagert ist. Im gemeinsamen Anlenkpunkt des ersten und zweiten Hebelpaares ist zusätzlich das eine Ende jeweils eines dritten Hebelpaares gelagert, dessen anderes Ende im Stößel angelenkt ist. Die Zentralspindel arbeitet im Reversierbetrieb, wobei die Umkehrlagen jeweils dem oberen und unteren Umkehrpunkt des Stößels der Presse entsprechen. Durch die gemeinsame Wirkung der Zentralspindel auf die benachbarten Druckpunkte ist die Steuerung des Kippverhaltens des Stößels eingeschränkt. Darüber hinaus erfordert die vertikal angeordnete Zentralspindel eine vergrößerte Bauhöhe. Da der Drehrichtungswechsel des Spindelantriebes im unteren Umkehrpunkt des Stößels in der Phase hoher Energieabgabe erfolgt, ist einerseits der Leistungsbedarf bei vorgegebener Taktzahl erhöht oder die Taktzahl bei vorgegebener Leistung eingeschränkt.
Diesen Nachteil betrifft ebenso eine weitere servomotorgetriebene Presse nach JP 2002103089 A, bei der eine Separatspindel von jeweils einem numerisch gesteuerten
Motor angetrieben wird, die in Kombination mit einem
Kniehebel auf je einen Druckpunkt des Stößels wirkt. Der mit der Spindelmutter verbundene Hebel ist in dem gemeinsamen Gelenkpunkt des oberen und unteren Schenkels des Kniehebels angelenkt, wodurch in Verbindung mit der horizontalen
Spindelanordnung die Größe des Stößelhubes eingeschränkt ist. Der Nachteil der energetisch ungünstigen Umkehrlage des Kniehebelmechanismus in der unteren Umkehrlage des Stößels der beiden letztgenannten Lösungen wird in dem hydromechanischen Antrieb der DE 199 18 700 Al dadurch vermieden, dass die einem hydraulischen Antriebszylinder nachgeordnete kinematische Kette bei einem einfachen Kolbenhub j eweils einen Stößel-Doppelhub mit Auf- und Abwärtsbewegung bewirkt, wobei die Umkehrlagen des Antriebszylinders der oberen, nicht zur Umformphase gehörenden Umkehrlage des Stößels entsprechen . Durch die mechanische Übersetzung des Hebelgetriebes wird bei verbleibendem erhöhten Steuer- und regelungstechnischen Aufwand die Baugröße des Antriebszylinders gegenüber konventionellen hydraulischen Pressen reduziert . Die Anwendung mehrerer hydraulischer Antriebszylinder erfordert eine mechanische Synchronisierung der Druckpunkte des Stößels , wodurch eine in j eden Druckpunkt separat , unabhängig voneinander steuerbare Krafteinleitung nicht vorgesehen ist . Die mit größeren Stößelhüben zunehmende Länge der Antriebszylinder beeinflusst infolge der Ölkompressibilität die Steifigkeit des Antriebes .
Aufgabe und Vorteil der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für eine Umformpresse so zu gestalten, dass entweder bei vorgegebener Antriebsleistung die Taktzahl gesteigert oder bei vorgegebener Taktzahl die Antriebsleistung reduziert wird, wobei die Größe und Folge von Hubwegen, Geschwindigkeits- und Kraftprofilen frei programmierbar ist. Des Weiteren soll bei möglichst kompakter Bauform eine kurze Bauhöhe des Kopfstückes für den Antrieb der Presse erreicht werden. Bei Umformpressen mit mehreren Druckpunkten soll die Möglichkeit einer Kippungsregelung des Stößels geschaffen werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Antriebssystem einer Presse mit den Merkmalen von jeweils einem der Patentansprüche 1 bis 4 gelöst. Weitere detaillierte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 3 bis 25 beschrieben.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, die Vorteile von hydraulischen Pressen bezüglich freier Programmierbarkeit der Weg-, Geschwindigkeits- und Kraftprofile mit den Vorteilen mechanischer Pressen bezüglich erhöhter Produktivität, Steifigkeit und weggebundener Reproduzierbarkeit des unteren Umkehrpunktes zu vereinigen. Erfindungswesentlich ist, dass ein oder mehrere Elektroantriebe als Servomotor in Form eines Direktantriebes oder mit nachgeordnetem Linearwandler auf einen Fünfpunkt-Kniehebel so wirken, dass neben der freien Programmierbarkeit von Weg-, Geschwindigkeits- und Kraftprofilen eine flexible Nutzung von weg- und/oder kraftgebundenen Bewegungsabläufen möglich ist. Bei kraftgebundener Stößelbewegung wird der untere Umkehrpunkt in Analogie zu hydraulischen Pressen in Abhängigkeit der programmierten Kräfte gesteuert. In dieser Betriebsart entspricht der einfache Hub des Elektroantriebes einem einfachen Stößelhub, wobei die Reversierbewegung des Elektroantriebes im unteren Umkehrpunkt des Stößels erfolgt. Die hohe Positioniergenauigkeit und mechanische Steife der Servoachse ermöglicht ebenso eine weggebundene Stößelbewegung mit Reversierbewegung des Elektroantriebes im unteren Umkehrpunkt des Stößels. Wenn der Elektroantrieb den Kniehebel im unteren Umkehrpunkt des Stößels ohne Halt durchschwingt, kann in einer weiteren Betriebsart der Vorteil der weggebundenen Stößelbewegung mechanischer Pressen bei hoher Taktrate genutzt werden. Dabei wird mit einem einfachen Hub des Elektroantriebes ein doppelter Stößelhub mit Vor- und Rücklaufhub erzielt, wodurch der Energieverbrauch reduziert und die Taktrate der Presse erhöht wird. Die Nutzung größerer Stößelhübe wird durch die vorteilhafte Ausgestaltung des Fünfpunkt-Kniehebels mittels räumlich getrennt angeordneter Gelenkpunkte des ein- und ausgangsseitigen Endes des Doppelhebels mit Bildung einer Übersetzung erreicht. Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die aus Direktantrieben oder Servomotoren mit nachgeordneten Linearwandlern, beispielsweise in Form von Spindeln, gestaltbaren Antriebsmodule sowohl mittels einem zwischenliegenden Leistungsverzweiger mehrere Druckpunkte gemeinsam antreiben können als auch jeweils separat einem Druckpunkt zuordenbar sind. Bei letzterer Ausgestaltung ist es vorteilhaft, dass der den einzelnen Druckpunkten jeweils zugeordnete Antrieb in der Kraft- und Lageregelung separat ansteuerbar ist, wodurch einerseits für eine Parallelhaltung des Stößels die infolge aussermittigem Kraftangriff entstehbare Kippung kompensierbar und andererseits eine Soll-Kippung erzielbar ist.
Es ist weiterhin erfindungswesentlich, dass die Energiebilanz der Presse dadurch verbessert wird, indem zwischen dem Servomotor für die Hauptbewegung des Stößels und weiteren in der Presse für Nebenbewegungen vorhandenen Servomotoren, beispielsweise für elektromotorisch antreibbare Zieheinrichtungen ein Energieaustausch so stattfindet, dass im Bewegungszyklus die während der Bremsphasen im Generatormodus der Servomotore rückgespeiste Energie in die im Motormodus befindlichen Servomotore eingespeist wird. Dieser Effekt ist auch erzielbar, wenn mehrere zu einer Pressenstrasse gehörenden Pressen bezüglich der Stößelbewegung phasenverschoben betrieben werden und ein Energieaustausch zwischen dem jeder Presse zugehörigen Servomotor für die Hauptbewegung stattfindet.
Bei konventionellen mechanischen Umformpressen mit starrer Wegcharakteristik ist es mit dem Anspruch einer hoher Qualität der Einarbeitung neuer Werkzeuge erforderlich, dass in den zugeordneten Einarbeitungspressen eine den Produktionspressen äquivalente Weg- und Geschwindigkeits¬ charakteristik nutzbar ist. Dazu sind gegenwärtig vorwiegend hydraulische Einarbeitungspressen mit Hochgeschwindigkeits¬ antrieb bei flexibler Weg- Zeitcharakteristik nutzbar, deren Aufwendungen für die Nachbildung von Produktionspressen nicht unerheblich sind. Da das servomotorgetriebene Antriebssystem die Vorteile der mechanischen und hydraulischen Pressen vereinigt, steht eine im Wesentlichen identische Umformpresse für Einarbeitungszwecke und Produktion zur Verfügung.
Die Erfindungen werden nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt:
Fig. 1 Gemeinsamer Servo-Spindelantrieb für einen Quattro- Fünfpunkt-Kniehebelmechanismus
Fig. 2 Gemeinsamer Servo-Spindelantrieb für einen Tandem- Fünfpunkt-Kniehebelmechanismus in einer ersten
Ausgestaltung Fig. 3 Gemeinsamer Servo-Spindelantrieb für einen Tandem- Fünfpunkt-Kniehebelmechanismus in einer zweiten Ausgestaltung
Fig. 4 Separater Direktantrieb mit Linearmotoren für einen Fünfpunkt-Kniehebelmechanismus
Fig. 5 Separater Servo-Spindelantrieb für einen Fünfpunkt- Kniehebelmechanismus in der inneren Knicklage
Fig. 6 Separater Servo-Spindelantrieb für einen Fünfpunkt- Kniehebelmechanismus in der äußeren Knicklage Fig. 7 Energieausgleich zwischen Servoantrieben für die Haupt- und Nebenbewegung über Zwischenkreiskopplung
Fig. 8 Diagramm mit Bewegungsablauf und Antriebsleistung für Haupt- und Nebenbewegungen
Im ersten Ausführungsbeispiel ist aus Fig.l der perspektivische Ausschnitt einer Umformpresse ersichtlich, deren Antrieb 2 aus Gründen der Vereinfachung ohne das zugehörige Gestell dargestellt ist. Der Antrieb erfolgt mittels Kniehebel 3 verteilt auf jeweils vier Druckpunkte (4) des Stößels 1, wobei die Kniehebel 3 jeweils als Fünfpunkt- Kniehebel 25 ausgebildet sind. Der Stößel 1 ist in der linken Hälfte in seiner oberen Hublage und in der rechten Hälfte in seiner unteren Hublage dargestellt. Die Bewegung des Quattro- Fünfpunkt-Kniehebels 25 wird gemeinsam mittels eines zentralen Spindelantriebes erzeugt. Dazu werden zwei Spindeln 7 jeweils von einem Servomotor 5 mit zwischenliegendem Getriebe 6 angetrieben. Die zugehörige, nicht dargestellte Spindelmutter ist im Gleitstück 8 gelagert und bewirkt als Linearwandler 15 die Umwandlung der rotatorischen Bewegung der Spindel 7 in eine lineare Bewegung des Gleitstücks 8. Das Gleitstück 8 dient als Leistungsverzweiger 19 zur synchronen Bewegung des Quattro-Fünfpunkt-Kniehebels 25. Dazu ist jeweils eine Lasche 12 einerseits mit dem Gleitstück 8 und andererseits mit dem ersten Schenkel 10 eines Doppelhebels 9 wirkverbunden. Der Doppelhebel 9 ist jeweils in der Doppelhebellagerung 16 im nicht dargestellten Kopfstück gestellseitig gelagert. Der zweite Schenkel 11 des Doppelhebels 9 stellt über die angelenkten Pleuel 13 die Wirkverbindung zu den Druckpunkten 4 im Stößel 1 her. Der Kniehebel 3 dient als Kraftverstärker für die aus dem Drehmoment des Servomotors über die Spindel 7 im Gleitstück erzeugte Axialkraft, die im Bereich der Strecklage 18 des Kniehebels 3 ihren Extremwert zur Erzeugung der für den Umformvorgang erforderlichen Presskraft annimmt. Entsprechend der linken Hälfte in der Darstellung von Fig.l nehmen die Kniehebel 3 in der oberen Hublage des Stößels 1 eine innere Knicklage 14 ein, die sich als spitzer Winkel zwischen dem zweiten Schenkel 11 und dem Pleuel 13 einstellt.
Mittels der Servomotoren 5 ist für die Bewegung des Stößels 1 eine flexible Weg- und Geschwindigkeitscharakteristik programmierbar, wobei das Übersetzungsverhältnis des Kniehebels 3 berücksichtigt wird. Die Position, Drehzahl und Drehmoment der Servomotoren 5 wird mittels einer NC-Steuerung 32 so geregelt, dass die gewünschten Bewegungs- und Kraftverläufe erzielbar sind. Dabei ist wesentlich, dass die Bewegungsabläufe in einer ersten Ausgestaltung mit Hilfe von leitwellengesteuerten elektronischen Kurvenscheiben erzeugt werden, die die Sollposition des Stößels 1 vorgeben.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann auf eine direkte Kraft- oder Momentenmessung verzichtet werden, indem die Soll-Drehmomente der Servomotoren 5 in Abhängigkeit von der Beschleunigung, Getriebeübersetzung sowie weiteren Einflussgrößen, wie Temperatur und Reibung, so korrigiert und begrenzt werden, dass an der Wirkstelle am Stößel 1 die erforderliche Kraft erreicht wird. Mit dieser Antriebsgestaltung ist es möglich, dass die Umformpresse einerseits weggebunden mit einem definierten unteren ümkehrpunkt betrieben wird, der im Bereich der Strecklage 18 des Kniehebels 3 liegt. Andererseits kann in Analogie zu hydraulischen Pressen die servogetriebene Umformpresse kraftgebunden betrieben werden, indem im Bereich der Strecklage 18 die Kraft steuerungsseitig begrenzt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Axialkraft im Gleitstück 8 mittels eines Direktantriebes 20 in Form eines Linearmotors 21 erzeugt werden. Dazu werden in vorteilhafter Weise mehrere Linearmotoren 21 zur Kraftvervielfältigung so eingesetzt, dass mehrere Sekundärteile 23 entweder im Gleitstück 8 oder im Gestell gelagert und mit mehreren Primärteilen 24 im Gestell oder Gleitstück 8 wirkverbunden sind.
Die Figur 2 zeigt im zweiten Ausführungsbeispiel einen gemeinsamen Servo-Spindelantrieb für einen Tandem-Fünfpunkt- Kniehebelmechanismus 25. In der linken Hälfte befindet sich der Stößel 1 in der oberen Hublage. Die rechte Hälfte zeigt den Stößel 1 im Bereich des unteren Umkehrpunktes. Mehrere Servomotoren 5 treiben über ein zentralisiertes Getriebe 6 ein horizontal gelagertes Paar Spindeln 7 an, die jeweils in der linken Hälfte ein linksgängiges und in der rechten Hälfte ein rechtsgängiges Gewinde aufweist. Jede Spindel 7 steht über die separaten Gleitstücke 8 mit dem Fünfpunkt- Kniehebelmechanismus 25 in Wirkverbindung. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist der Kniehebel 3 so gestaltet, dass dieser im unteren Umkehrpunkt des Stößels 1 ohne Halt durchschwingt und damit den Vorteil der weggebundenen Stößelbewegung zur Erzielung einer hohen Taktrate nutzt. Dabei erreicht der Kniehebel 3, wie in der linken Hälfte dargestellt, mit einer inneren und einer äußeren Knicklage 14, 17 jeweils wechselweise den oberen Umkehrpunkt des Stößels 1. Dabei wird mit einem einfachen Hub des Gleitstückes 8 jeweils ein doppelter Hub des Stößels 1 mit Vor- und Rückhub erreicht. Dabei besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel der Stößel im Bereich der Strecklage 18 des Kniehebels während der Phase des erhöhten Energiebedarfs durch den Umformvorgang nicht abgebremst wird. Infolge des Durch- schwingens vom Kniehebel 3 durch den unteren Umkehrpunkt ist der Energieverbrauch reduziert.
Der frei programmierbare Servomotor 5 ermöglicht eine flexible Wegcharakteristik. Beim Durchschwingen des Kniehebels 3 mit jeweils symmetrisch positionierter Knicklage 14, 17 ist der Vor- und Rückhub des Stößels 1 gleich groß, wobei bei allen ungeradzahligen Hüben des Stößels 1 ein Spiegelprogramm des Bewegungsprofils der geradzahligen Hübe fahrbar ist.
Darüber hinaus kann es zur Herstellung eines Umformteiles vorteilhaft sein, dass der Pressvorgang je Umformteil mehrfach erfolgt, indem der untere Umkehrpunkt des Stößels 1 je Pressvorgang mehrfach, zweckmäßigerweise mit unterschiedlichem Hub, durchfahren wird. Infolge dieser unterschiedlichen Hübe sind jeweils die äußere und innere Knicklage 14, 17 asymmetrisch positioniert. Zur Nutzung größerer Stößelhübe ist es vorteilhaft, dass die ein- und ausgangsseitigen Enden des Doppelhebels 9 räumlich getrennt angeordnet sind. Dazu liegen die ersten und zweiten Schenkel 10,11 im Doppelhebel 9 zueinander im stumpfen Winkel.
Es ist ebenso denkbar, dass die separaten Gleitstücke 8 als Leistungsverzweiger 19 jeweils zwei Kniehebel 3 antreiben, so dass der Stößel 1 mit einem Quattro-Fünfpunkt-Kniehebel 25 wirkverbunden ist.
Eine zweite Ausgestaltung des Tandem-Fünfpunkt- Kniehebelmechanismus ist aus Fig. 3 in perspektivischer Ansicht ersichtlich. Hierbei sind die Antriebsmodule mit den Servomotoren 5, Getriebe 6, Gleitstück 8 und Spindeln 7 jeweils seitlich neben dem Kopfstück vertikal in den Bereich der Pressenständer 22 nach unten ragend angeordnet. Das Gleitstück 8 steht in Analogie zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen mit zwei Kniehebeln 3 in Wirkverbindung. In dieser Ausgestaltung wird bei kompakter Bauform eine reduzierte Bauhöhe der Umformpresse erreicht. Die folgenden Figuren zeigen Antriebe 2 für Umformpressen mit Kniehebeln 3, bei denen jeder Druckpunkt des Stößels 1 separat angetrieben wird.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt zwei voneinander unabhängig steuerbare Druckpunkte 4, deren Fünfpunkt-Kniehebelmechanismus 25 jeweils von einem als Direktantrieb 20 ausgebildeten Linearmotor 21 angetrieben wird. Dazu ist die Lasche 12 an dem zum Linearmotor 21 gehörenden Primärteilen 24 angelenkt, die mit den zugehörigen Sekundärteilen 23 in Wirkverbindung stehen. Neben der Wirkung mehrerer Linearmotoren 21 dient der Kniehebel 3 zur Kraftverstärkung auf die Druckpunkte 20.
Ein auf die Druckpunkte 4 jeweils separat wirkender Servo- Spindelantrieb ist aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich. Fig.5 zeigt die Stellung des Fünfpunkt-Kniehebels 25 in seiner inneren Knicklage 14, während die äußere Knicklage 17 in Fig. 6 dargestellt ist.
Im jeweils rechts und links neben dem Stößel 1 im Bereich der Pressenständer 22 angeordneten Antriebsmodul treibt der Servomotor 5 über zwischenliegendes Getriebe 6 die als Linearwandler 15 wirkende Spindel 7 an. Das axial bewegbare Gleitstück 8 überträgt die Bewegung in Analogie zu einem der voranstehenden Ausführungsbeispiele auf den Fünfpunkt- Kniehebel 25. Durch die individuelle, voneinander unabhängige Lage- und Kraftregelung der Druckpunkte 4 ist eine Parallelhaltung des Stößels 1 auch bei außermittigem Kraftangriff möglich. Andererseits ist es denkbar, dass eine definierte Soll-Kippung des Stößels 1 während des Pressvorganges einstellbar ist.
Die im Wesentlichen schwungscheibenlosen Antriebe 2 mittels Servomotoren 5 können Lastschwankungen mit nicht unerheblichen Spitzenleistungen bei der Energieaufnahme aus dem Versorgungsnetz 29 bewirken. Eine Möglichkeit, die Energiebilanz der Umformpresse zu verbessern, wird, gestützt durch die Figuren 7 und 8, nachfolgend beschrieben. Neben den Servomotoren 5 für die Hauptbewegung des Stößels 1 kommen weitere Servomotoren 28 für Nebenbewegungen in der Umformpresse, wie beispielsweise Zieheinrichtungen, zum Einsatz. In der oberen Hälfte von Fig.8 ist die Weg-Zeit- Charakteristik mit den phasenbezogenen Positionen für den Stößel 1 und den Antrieb der Zieheinrichtung 28 dargestellt. Nach dem Auftreffpunkt von Stößel 1 auf die Zieheinrichtung wird diese von den Servomotoren 5 des Stößels 1 aktiv bewegt, wobei die zugehörigen Antriebe 28 im Generatormodus durch Bremsung die erforderliche Kraft der Zieheinrichtung für den Umformvorgang aufbringen. In dieser Phase mit größtem Energiebedarf für die motorisch betriebenen Servomotoren 5 des Stößel 1 wird infolge der generatorisch betriebenen Servomotoren der Zieheinrichtung 28 Energie rückgespeist. Da die beiden Servomotoren 5 für die Hauptbewegung und die Antriebe für die Zieheinrichtung 28 über ihre Servoverstärker 27 über einen gemeinsamen Zwischenkreis 26 entsprechend Fig. 7 gekoppelt sind, erfolgt zwischen den Servomotoren 5 für die Bewegung des Stößels 1 und den Antrieben 28 für die Zieheinrichtung ein Energieaustausch.
Ein weiterer Energieaustausch kann im Pressenzyklus nach Diagramm Fig.8 in der Phase des Bremsens der Servomotoren für den Stößel 1 zur Erreichung des oberen Umkehrpunktes dahingehend erfolgen, indem die nunmehr vom Stößel 1 rückgespeiste Energie den in der Phase des Hochlaufs motorisch betriebenen Antrieben für die Zieheinrichtung 28 über die Zwischenkreiskopplung zugeführt wird. Die zeitbezogenen Verläufe der motorisch und generatorisch wirkenden Antriebsleistungen sind jeweils für den Stößel 1 und die Antriebe der Zieheinrichtung 28 aus den beiden mittleren Kurven des Diagramms nach Fig.8 ersichtlich. Die resultierende Antriebsleistung ist in der unteren Kurve dargestellt. Durch den Energieaustausch über die Zwischenkreiskopplung können die Lastschwankungen reduziert werden. Es ist ebenso möglich, dass ein Energieaustausch derart zwischen mehreren Umformpressen stattfindet, indem die zu einer Pressenstrasse gehörenden Umformpressen bezüglich ihrer Stößelbewegung phasenverschoben betrieben werden und die Energie zwischen den Servomotoren 5 für die Hauptbewegung ausgetauscht wird.
Bezugszeichenliste
1 Stößel
2 Antrieb 3 Kniehebel
4 Druckpunkt
5 Servomotor
6 Getriebe
7 Spindel/Spindelantrieb 8 Gleitstück
9 Doppelhebel
10 erster Schenkel
11 zweiter Schenkel
12 Lasche 13 Pleuel
14 innere Knicklage des Kniehebels
15 Linearwandler
16 Doppelhebellagerung
17 äußere Knicklage des Kniehebels 18 Bereich der Strecklage des Kniehebels
19 Leistungsverzweiger
20 Direktantrieb
21 Linearmotor
22 Pressenständer 23 Sekundärteil
24 Primärteil Fünf punkt-Kniehebelmechanismus Zwischenkreiskopplung Servoverstärker Antriebe für Zieheinrichtung Versorgungsnetz Versorgungsmodul Achsregler NC-Steuerung

Claims

Patentansprüche
1. Antriebssystem einer Umformpresse mit einem Kniehebelmechanismus für die Bewegung des Stößels (1), wobei mit mindestens einem Servomotor (5) mehrere Druckpunkte (4) gemeinsam angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Servomotor (5) als Direktantrieb (20) auf einen gemeinsamen Leistungsverzweiger (19) wirkt, der jeweils mit mindestens zwei Kniehebeln (3) verbunden ist, wobei der
Richtungswechsel des Servomotors (5) entweder zwischen einer Knicklage (14, 17) und dem Bereich der Strecklage
(18) oder zwischen einer inneren und äußeren Knicklage
(14, 17) des Kniehebels (3) erfolgt.
2. Antriebssystem einer Umformpresse mit einem Kniehebelmechanismus für die Bewegung des Stößels (1), wobei mit mindestens einem Servomotor (5) mehrere Druckpunkte (4) gemeinsam angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Servomotor (5) über mindestens einen nachgeordneten Linearwandler ' (15) auf einen gemeinsamen Leistungsverzweiger (19) wirkt, der jeweils mit mindestens zwei Kniehebeln (3) verbunden ist, wobei der Richtungswechsel des Servomotors (5) entweder zwischen einer Knicklage (14, 17) und dem Bereich der Strecklage (18) oder zwischen einer inneren und äußeren Knicklage (14, 17) des Kniehebels (3) erfolgt.
3. Antriebssystem einer Umformpresse mit einem Kniehebelmechanismus für die Bewegung des Stößels (1), wobei mit mindestens einem Servomotor (5) jeweils ein Druckpunkt (4) separat angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Servomotor (5) als Direktantrieb (20) auf den Kniehebel (3) wirkt, wobei der Richtungswechsel des Servomotors (5) entweder zwischen einer Knicklage (14, 17) und dem Bereich der Strecklage (18) oder zwischen einer inneren und äußeren Knicklage (14, 17) des Kniehebels (3) erfolgt.
4. Antriebssystem einer Umformpresse mit einem Kniehebelmechanismus für die Bewegung des Stößels (1), wobei mit mindestens einem Servomotor (5) jeweils ein Druckpunkt (4) separat angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Servomotor (5) über mindestens einen nachgeordneten Linearwandler (15) auf den Kniehebel (3) wirkt, wobei der Richtungswechsel des Servomotors (5) entweder zwischen einer Knicklage (14, 17) und dem Bereich der Strecklage (18) oder zwischen einer inneren und äußeren Knicklage (14, 17) des Kniehebels (3) erfolgt.
5. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantrieb (20) als Linearmotor (21) ausgestaltet ist.
6. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearwandler
(15) als Spindelantrieb (7) ausgestaltet ist.
7. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungsverzweiger (19) ein gemeinsames Gleitstück (8) für mindestens zwei Druckpunkte (4) vorgesehen ist.
8. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungsverzweiger (19) ein gemeinsames Gleitstück (8) für vier Druckpunkte (4) vorgesehen ist.
9. Antriebssystem einer ümformpresse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zentralangetriebene Spindeln (7) auf ein gemeinsames Gleitstück (8) wirken.
10 . Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zentralangetriebene Spindeln ( 7 ) auf mindestens zwei unabhängige Gleitstücke ( 8 ) wirken .
11. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelantrieb (7), bestehend aus mindestens einem mit jeweils rechts- und linksgängigem Gewinde versehenen Paar Spindeln, horizontal zwischen den Druckpunkten (4) angeordnet ist.
12. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantrieb (20) jeweils mit oder ohne Leistungsverzweiger (19) oder der Servomotor (5) mit nachgeordnetem Linearwandler (15) jeweils mit oder ohne Leistungsverzweiger (19) vertikal oder schräg im Bereich der Pressenständer (22) angeordnet ist.
13. Antriebssystem einer Ümformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Richtungswechsel des Servomotors (5) zwischen einer äußeren und inneren Knicklage (14, 17) des Kniehebels (3) die Größe und Folge von Hubwegen frei programmierbar ist.
14. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere und innere Knicklage (14, 17) des Kniehebels (3) symmetrisch positioniert sind.
15. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,dass die äußere und innere Knicklage (14, 17) des Kniehebels (3) asymmetrisch positioniert sind.
16. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei allen ungeradzahligen Hüben des Stößels (1) ein Spiegelprogramm des Bewegungsprofils der geradzahligen Hübe des Stößels (1) fahrbar ist.
17. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des
Stößels (1) mittels einer redundant wirkenden, mit dem Servomotor (5) gekoppelten oder unabhängigen Bremseinrichtung blockierbar ist.
18. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den Druckpunkten (4) jeweils zugeordnete Kniehebel (3) symmetrisch zueinander angeordnet ist.
19. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Längenverhältnis der zweiten und ersten Schenkel (11, 10) des Doppelhebels (9) des Kniehebels (3) größer als eins ist,
20. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Linearmotoren (21) jeweils zugeordneten, im Gleitstück (8) gelagerten Sekundärteile (23) mit den gestellseitig gelagerten Primärteilen (24) wirkverbunden sind.
21. Antriebssystem einer Umformpresse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Linearmotoren
(21) jeweils zugeordneten, im Gleitstück (8) gelagerten Primärteile (24) mit den gestellseitig gelagerten Sekundärteilen (23) wirkverbunden sind.
22. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kniehebel (3) als Fünfpunkt-Kniehebelmechanismus (25) ausgebildet ist, dessen Doppelhebel (9) einen ersten Schenkel (10) und einen zweiten Schenkel (11) aufweist.
23. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 22, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Schenkel (10, 11) des Doppelhebels (9) einen stumpfen Winkel bilden.
24. Antriebssystem einer Umformpresse nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreise
(26) der Servoverstärker (27) von den Servomotoren (5, 28) für die Haupt- und Nebenbewegungen der ümformpresse direkt miteinander gekoppelt sind.
25. Antriebssystem einer Umformpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umformpresse als Nebenbewegung die Antriebe für Zieheinrichtungen (28) wirken.
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