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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für eine Presse.
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Bei
Pressen der in Rede stehenden Art handelt es sich um Anlagen, bei
welchen insbesondere kleinere Teile durch Umformprozesse bearbeitet
werden. Bei derartigen Pressen liegen die Presskräfte zur
Bearbeitung der Teile typischerweise im Bereich von 100 kN und 1000
kN. Dabei werden typischerweise mehrere hundert Bearbeitungen pro
Minute mit den Pressen durchgeführt. Derartige Pressen
können in Form von Stanzautomaten ausgebildet sein. Weiterhin
können mit derartigen Pressen auch Umformprozesse wie Schneiden,
Biegen und Prägen durchgeführt werden.
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Bekannte
Pressen weisen einen Stößel zur Durchführung
von Bearbeitungsvorgängen auf, wobei an dem Stößel
ein Werkzeugoberteil angeordnet ist, das zur Durchführung
von Umformprozessen mit einem stationär gelagerten Werkzeugunterteil
zusammenwirkt. Zur Erzeugung einer vertikalen Auf- und Ab-Bewegung
des Stößels ist ein elektrischer Antriebsmotor
vorgesehen. Wie beispielsweise in der
DE 20 2005 062 181 A1 beschrieben,
ist zudem ein Getriebe zur mechanischen Ankopplung des Antriebsmotors
an den Stößel vorgesehen. Das Getriebe ist beispielsweise
in Form eines Planetengetriebes ausgebildet.
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Derartige
Systeme weisen generell einen relativ aufwändigen mechanischen
Aufbau auf, was zu unerwünscht hohen Herstellkosten führt.
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Weiterhin
besteht bei derartigen Pressen generell ein Problem darin, den Stößel
ohne Verkippungen zu führen, um exakt reproduzierbare Uniformprozesse durchführen
zu können. Derartige Probleme treten insbesondere dann
auf, wenn am Stößel größere
Werkzeuge wie Folge-Verbundwerkzeuge befestigt sind, mit welchen
Folgen unterschiedlicher Umformprozesse, wie zum Beispiel Schneiden,
Biegen und Prägen von Teilen durchführbar sind.
Durch die dabei auftretenden, sehr unterschiedlichen Belastungen
des Stößels treten Verkippungen des Stößels
auf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebseinrichtung für
eine Presse bereitzustellen, welche einerseits einen kompakten,
kostengünstigen Aufbau aufweist und mittels derer reproduzierbare
Umformprozesse mit hoher Bearbeitungsqualität durchführbar
sind.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche
1 und 2 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und
zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung betrifft diese einen elektrischen Antriebsmotor,
welcher eine Exzenterwelle antreibt, die über ein Gestänge
mit einem Stößel gekoppelt ist. Die Bewegung der
Exzenterwelle ist in eine Arbeitsbewegung des Stößels
umgesetzt. Die Exzenterwelle ist die Antriebswelle des Antriebsmotors.
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Der
oder die Antriebsmotoren sind dabei jeweils bevorzugt von einem
Servomotor gebildet.
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Da
die Antriebswelle des oder jedes Antriebsmotors zugleich die Exzenterwelle
zur Auslenkung des Stößels über das Gestänge
bildet, braucht kein separates Getriebe vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße
Antriebseinrichtung weist somit einen besonders einfachen Aufbau
auf und kann daher kostengünstig hergestellt werden.
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Da
die Antriebswelle des Antriebsmotors zugleich die Exzenterwelle
bildet und somit ohne Zwischenschaltung eines Getriebes die Arbeitsbewegung
des Stößels erzeugt, bildet die erfindungsgemäße
Antriebseinrichtung ein mechatronisches Antriebssystem, mit welchem
Umformprozesse unterschiedlicher Ausprägung exakt durchführbar
sind. Derartige Umformprozesse können mit unterschiedlichen
Geschwindigkeiten des Stößels oder, wie beispielsweise
bei Stanzvorgängen, mit konstanter Geschwindigkeit des
Stößels vorgegeben sein. Diese Geschwindigkeiten
des Stößels können über das mechatronische
Antriebssystem exakt und reproduzierbar vorgegeben werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung weist die Antriebseinrichtung zwei
oder mehrere mechanisch entkoppelte Antriebsmotoren auf, welche gemeinsam
die Arbeitsbewegung des Stößels erzeugen. Die
Antriebswelle jedes Antriebsmotors, der bevorzugt wieder von einem
Servomotor gebildet ist, bildet wieder die Exzenterwelle, die über
ein Gestänge mit dem Stößel gekoppelt
ist.
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Im
Gegensatz zu bekannten Antriebseinrichtungen wird somit nicht nur
an einem Punkt des Stößels ein Gestänge
angekoppelt, das von einem Antriebsmotor angetrieben wird und so
die Arbeitsbewegung des Stößels erzeugt. Vielmehr
sind nunmehr mehrere, jeweils von einem Antriebsmotor getriebene
Gestänge an den Stößel angekoppelt, wobei
diese Einheiten bevorzugt identisch ausgebildet und symmetrisch
bezüglich von Symmetrieebenen des Stößels
angeordnet sind. Damit wird an mehreren Punkten des Stößels
eine Krafteinleitung, die eine bessere Sicherung des Stößels
gegen unerwünschte Verkippungen bewirkt.
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Die
Führung des Stößels und damit die Qualität
der mit diesem durchzuführenden Umformprozesse kann dadurch
signifikant erhöht werden, indem die Motorströme
der Antriebsmotoren als Kenngrößen für
den Umformprozess ausgewertet werden. Da die Antriebsmotoren mechanisch
entkoppelt sind, liefern deren Ströme aktuelle Informationen über
den Kraftbedarf gerade durchgeführ ter Umformprozesse. Besonders
vorteilhaft können die Motorströme der Antriebsmotoren
dazu verwendet werden, um insbesondere während des laufenden
Umformprozesses eine Stößelverstellung vorzunehmen,
wodurch Verkippungen des Stößels unmittelbar nach
deren Entstehung ausgeglichen und eliminiert werden können.
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Dabei
weist jedes Gestänge eine Pleuelstange auf, an deren unteren
Ende ein Pleuelzapfen mit einem Außengewinde gelenkig angekoppelt
ist. Der Pleuelzapfen ist in einer im Stößel gelagerten
Mutter geführt, welche mittels eines Stellmotors betätigbar ist.
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Zur
Durchführung der Stößelverstellung ist dann
jedem Antriebsmotor ein Stellmotor in Form eines weiteren Servomotors
zugeordnet. Mit wenigstens einem Stellmotor wird dann in Abhängigkeit
der erfassten Motorströme aller Antriebsmotoren die diesem
zugeordnete Mutter betätigt, wodurch der Pleuelzapfen in
der Mutter verstellt wird und so eine entstandene Verkippung des
Stößels kompensiert wird. Die so vorgenommene
Stößelverstellung kann schnell und präzise
durchgeführt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist bei der
erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung eine Massenausgleichsvorrichtung
vorgesehen. Die Massenausgleichsvorrichtung weist eine der Anzahl
der Antriebsmotoren entsprechende Anzahl von Ausgleichsmassen auf,
welche gelenkig an den Stößel angekoppelt sind.
Jeweils eine Ausgleichsmasse ist einem von einem Antriebsmotor betätigten
Gestänge zugeordnet.
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Die
Funktionsweise der Massenausgleichsvorrichtung ist derart, dass
von einem Antriebsmotor generierten Bewegung eines Gestänges
eine Gegenbewegung der Ausgleichsmasse generiert wird, die in dem
Stößel entstehende Schwingungen kompensiert.
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Hierzu
sind die Ausgleichsmassen an die Masse des Stößels
in geeigneter Weise angepasst. Durch die so durchgeführte
Reduktion von Schwingungen wird die Qualität der mit der
Antriebseinrichtung durchgeführten Bearbeitungsprozesse
weiter verbessert.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1:
Erstes Ausführungsbeispiel einer Antriebseinrichtung für
eine Presse.
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2:
Zweites Ausführungsbeispiel einer Antriebseinrichtung für
eine Presse.
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3:
Drittes Ausführungsbeispiel einer Antriebseinrichtung für
eine Presse.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer Antriebseinrichtung 1 für
eine Presse, wobei diese teilweise im Schnitt dargestellt ist. Die
Presse weist ein Pressengestell 2 in Schweiß-
oder Gusskonstruktion mit einem Pressentisch 3 auf. Der
Pressentisch 3 dient zur Aufnahme und Abstützung
eines nicht dargestellten Werkzeugunterteils. Weiterhin ist ein
Stößel 4 vorgesehen, welcher in vertikaler
Richtung Arbeitsbewegungen ausführt. An dem Stößel 4 wird
ein ebenfalls nicht dargestelltes Werkzeugoberteil befestigt. Zur
Durchführung von Umformprozessen wird durch den Stößel 4 das
Werkzeugoberteil gegen das Werkzeugunterteil bewegt. Die Bewegung des
Stößels 4 erfolgt in vertikaler Richtung,
in 1 angedeutet mit einem Doppelpfeil.
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Die
Presse kann beispielsweise als Stanzautomat ausgebildet sein, bei
welcher das Werkzeugoberteil und Werkzeugunterteil ein Stanzwerkzeug
bilden, mit welchem Stanzvorgänge durchgeführt
werden, bei welchen das Werkzeug mit konstanter, hoher Geschwindigkeit
bewegt wird. Weiterhin kann die Presse derart ausgebildet sein,
dass mit dem Werkzeug langsamere Umformprozesse durchgeführt werden,
wobei während eines solchen Umformprozesses die Geschwindigkeit
des Werkzeugs variieren kann. Insbesondere kann die Presse derart
ausgebildet sein, dass das Werkzeug ein Folge-Verbundwerkzeug bildet,
mit welchem in einer zeitlichen Abfolge nacheinander zum Beispiel
Schneid-, Biege- und Stanzprozesse als Umformprozesse durchgeführt
werden.
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Die
Antriebseinrichtung gemäß 1 umfasst
als Antriebsmotor 5 einen Servomotor. Der Servomotor weist
eine Antriebswelle auf, die in Form einer Exzenterwelle 6 ausgebildet
ist. An die im Pressengestell 2 gelagerte Exzenterwelle 6 ist
ein Gestänge mit einer Pleuelstange 7 angekoppelt.
An dem unteren Ende der Pleuelstange 7 ist ein Pleuelzapfen 8 gelenkig
angekoppelt. An der äußeren Mantelfläche
des Pleuelzapfens 8 ist ein Außengewinde 9 vorgesehen.
Der Pleuelzapfen 8 ist in einer Mutter 10 mit einem
Innengewinde gelagert, wobei das Innengewinde in Eingriff mit dem
Außengewinde 9 des Pleuelzapfens 8 steht.
Die Mutter 10 ist im Stößel 4 gelagert,
so dass diese gedreht werden kann.
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Durch
Drehen der Mutter 10 wird die Position des Pleuelzapfens 8 in
der Mutter 10 geändert und damit die Lage des
Stößels 4 in vertikaler Richtung variiert
Durch Betätigen der Mutter 10 erfolgt somit eine
Stößelverstellung.
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Die
Stößelverstellung erfolgt auf elektronischem Weg.
Hierzu ist ein Stellmotor 11 vorgesehen, der von einem
Servomotor gebildet ist. Durch den Stellmotor 11 wird ein
Betätigungsgestänge 12 betätigt,
wodurch die Mutter 10 verstellt wird.
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Die
Antriebseinrichtung 1 gemäß 1 bildet
ein mechatronisches Antriebssystem für die Presse. Dieses
Antriebssystem benötigt weder ein Getriebe noch mechanische
Kupplungen, noch ein Schwungrad als Energiespeicher. Die Antriebswelle des
Antriebsmotors 5 bildet zugleich die Exzenterwelle 6,
durch deren Drehbewegung über das Gestänge mit
der Pleuelstange 7 unmittelbar die Vertikalbewegung des
Stößels 4 zur Durchführung der Umformprozesse
er zeugt wird. Die Antriebseinrichtung 1 weist somit eine äußerst
geringe Anzahl mechanischer Komponenten auf. Als weitere, in 1 nicht
dargestellte mechanische Komponente muss lediglich eine dem Servomotor
zugeordnete Bremse vorgesehen sein, um bei einem Notstopp unkontrollierte
Bewegungen des Antriebsmotors 5 und des Stößels 4 zu
verhindern.
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Ein
weiteres Merkmal des mechatronischen Antriebssystems besteht in
der elektronischen Stößelverstellung. Hierzu wird
durch Messen der Motorströme des Antriebsmotors 5 der
Kraftbedarf während des Umformprozesses in einer Steuereinheit fortlaufend
erfasst. In Abhängigkeit der erfassten Motorströme
wird mittels der Steuereinheit der Stellmotor 11 zur Durchführung
der Stößelverstellung angesteuert. Im Gegensatz
zu bekannten mechanischen Stößelverstellungen,
die nur einmalig vor Durchführung der Umformprozesse durchgeführt
werden können, kann bei der Antriebseinrichtung 1 gemäß 1 die
elektronische Stößelverstellung auch während der
Umformprozesse durchgeführt werden, um diese gezielt zu
optimieren.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Antriebseinrichtung 1 für
eine Presse. In Übereinstimmung mit der Ausführungsform
gemäß 1 ist wiederum ein Pressengestell 2 mit
einem Pressentisch 3 zur Aufnahme eines Werkzeugunterteils
und ein Stößel 4 zur Aufnahme eines Werkzeugoberteils vorgesehen.
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Im
Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 weist
die Antriebseinrichtung 1 gemäß 2 zur
Generierung der Arbeitsbewegungen zwei identisch ausgebildete mechanisch
entkoppelte Antriebssysteme auf. Jedes dieser Antriebssysteme weist
einen Antriebsmotor 5a, 5b in Form eines Servomotors auf.
Die Antriebsmotoren 5a, 5b sind identisch ausgebildet
und entsprechen der Ausführungsform gemäß 1,
das heißt jeder Antriebsmotor 5a, 5b weist
als Antriebswelle eine Exzenterwelle 6a, 6b auf.
Die daran angekoppelten Gestänge mit Pleuelstangen 7a, 7b sowie
die Komponenten der Stößelverstellung, nämlich
die Pleuelzapfen 8a, 8b mit den Außengewinden 9a, 9b und
die Mut tern 10a, 10b entsprechen ebenfalls der
Ausführungsform gemäß 1.
Dasselbe gilt für die Stellmotoren 11a, 11b in Form
von Servomotoren mit den nachgeordneten Betätigungsgestängen 12a, 12b zur
Durchführung der Stößelverstellung.
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Die
Komponenten der beiden Antriebssysteme sind symmetrisch zur Symmetrieebene
des Pressengestells 2 und des Stößels 4 ausgebildet.
Insbesondere sind die Gestänge mit den Pleuelstangen 7a, 7b und
Pleuelzapfen 8a, 8b symmetrisch zur Symmetrieebene
angeordnet und sorgen so für eine symmetrische Kraftbeaufschlagung
des Stößels 4 über die Antriebsmotoren 5a, 5b.
Die Längsachsen der Exzenterwellen 6a, 6b laufen
dabei parallel in Abstand zueinander, wobei die Längsachsen
der Exzenterwellen 6a, 6b senkrecht zur Zeichenebene
in 2 orientiert sind.
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Durch
die symmetrische Betätigung des Stößels 4 über
die von den Antriebsmotoren 5a, 5b betätigten
Gestänge, wird eine gleichmäßige, symmetrische
Kraftbeaufschlagung des Stößels 4 erzielt,
wodurch bereits die Gefahr von Stößelverkippungen
signifikant reduziert ist.
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Dennoch
können, insbesondere bei Umformprozessen mit sehr unterschiedlichen,
zeitabhängigen Belastungen, Stößelverkippungen
auftreten. Diese können mit der Antriebseinrichtung 1 auf
elektronischem Weg über die Stößelverstellung
zeitabhängig während des Umformprozesses kompensiert werden.
Hierzu werden in der Steuereinheit die Motorströme der
Antriebsmotoren 5a, 5b separat erfasst. Da die
Antriebsmotoren 5a, 5b mechanisch entkoppelt sind,
liefern die Motorströme ortsaufgelöst den Kraftbedarf
für den Stößel 4. Eine Stößelverkippung
wird durch Asymmetrie der Motorströme der beiden Antriebsmotoren 5a, 5b festgestellt.
In Abhängigkeit hiervon werden die Stellmotoren 11a, 11b über
die Steuereinheit in unterschiedlicher Weise angesteuert, so dass
die Muttern 10a, 10b von diesen in unterschiedlicher
Weise betätigt werden, wodurch die Stößelverkippung
eliminiert wird.
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3 zeigt
eine Erweiterung der Ausführungsform gemäß 2.
Die Ausbildung des Pressengestells 2 sowie die Komponenten
der Antriebseinrichtung 1 in 3 entsprechen
der Ausführungsform gemäß 2.
In Erweiterung zur Ausführungsform gemäß 2 ist
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 zusätzlich
eine Massenausgleichsvorrichtung vorgesehen.
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Die
Massenausgleichsvorrichtung umfasst zwei identisch ausgebildete,
symmetrisch zur Symmetrieebene des Pressengestells 2 angeordnete Subsysteme
Jedes dieser Subsysteme weist eine Ausgleichsmasse 13a, 13b an
einer Stange 14a, 14b auf, die in der Mitte gelenkig
an dem Pressengestell 2 gelagert ist. An das freie Ende
jeder Stange 14a, 14b ist ein Ende der Gelenkstange 15a, 15b gelenkig angekoppelt.
Das andere freie Ende der Gelenkstange 15a, 15b ist
gelenkig am Stößel 4 befestigt. Die erste
Ausgleichsmasse 13a mit der ersten Stange 14a befindet
sich oberhalb der Pleuelstange 7a. Die zweite Ausgleichsmasse 13b mit
der zweiten Stange 14b befindet sich oberhalb der Pleuelstange 7b.
Die Ausgleichsmassen 13a, 13b sind an die Masse
des Stößels 4 angepasst.
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Bei
Durchführen von Arbeitsbewegungen des Stößels 4 führen
die Ausgleichsmassen 13a, 13b Gegenbewegungen
zum Stößel 4 auf, wodurch ein Entstehen
oder Aufschaukeln von Schwingungen in der Presse vermieden wird.
Um den Massenausgleich optimal an den Stößel 4 und
dessen Arbeitsbewegungen anzupassen, sind die Ausgleichsmassen 13a, 13b bevorzugt
verstellbar angeordnet.
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- 1
- Antriebseinrichtung
- 2
- Pressengestell
- 3
- Pressentisch
- 4
- Stößel
- 5
- Antriebsmotor
- 5a
- Antriebsmotor
- 5b
- Antriebsmotor
- 6
- Exzenterwelle
- 6a
- Exzenterwelle
- 6b
- Exzenterwelle
- 7
- Pleuelstange
- 7a
- Pleuelstange
- 7b
- Pleuelstange
- 8
- Pleuelzapfen
- 8a
- Pleuelzapfen
- 8b
- Pleuelzapfen
- 9
- Außengewinde
- 9a
- Außengewinde
- 9b
- Außengewinde
- 10
- Mutter
- 10a
- Mutter
- 10b
- Mutter
- 11
- Stellmotor
- 11a
- Stellmotor
- 11b
- Stellmotor
- 12
- Betätigungsgestänge
- 12a
- Betätigungsgestänge
- 12b
- Betätigungsgestänge
- 13a
- Ausgleichsmasse
- 13b
- Ausgleichsmasse
- 14a
- Stange
- 14b
- Stange
- 15a
- Gelenkstange
- 15b
- Gelenkstange
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202005062181
A1 [0003]