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