DE102008028652B3

DE102008028652B3 - Pressendirektantrieb

Info

Publication number: DE102008028652B3
Application number: DE102008028652A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Fahrenbach
Original assignee: L Schuler GmbH
Current assignee: L Schuler GmbH
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-19
Also published as: US20110083568A1; US8776682B2; WO2009156199A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Presse mit einem elektrischen Direktantrieb, bei der auf Bewegungsübertragungsmittel, wie beispielsweise Zahnräder oder Übersetzungsgetriebe verzichtet werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pressenantrieb, beispielsweise für die Fertigung von Blechteilen oder auch zum Massivumformen.
Stand der Technik
In der Blechumformung werden seit längerer Zeit mechanisch angetriebene Pressen mit Schwungradantrieben verwendet. Bei solchen Pressen ist der Weg-Zeit-Verlauf des Stößels durch die Kinematik des Getriebes, welches die Antriebsenergie des Schwungrades auf den Stößel überträgt, vorgegeben. Änderungen im Weg-Zeit-Verlauf sind lediglich im Rahmen einer Hubverstellung möglich. Das Streben nach immer produktiveren Fertigungsprozessen und die ständig wachsenden Anforderungen an den Ziehprozess haben dazu geführt, dass in jüngster Zeit Blechteile auf so genannten Servopressen umgeformt werden.
Diese Servopressen werden mit variabler Servoantriebstechnik ausgerüstet und werden mit unterschiedlichen Presskräften ausgestattet. Angetrieben werden die Pressen durch ein oder mehrere Servomotoren, die direkt auf den Antriebsstrang wirken, ohne Schwungrad und ohne Kupplung. Bei Servopressen größerer Presskraft, kommen häufig drehmomentstarke Torquemotoren zum Einsatz. Die Motoren sind in Drehzahl und Drehrichtung so flexibel regulierbar, dass sich unterschiedliche Weg-Zeit-Verläufe des Stößels programmieren lassen. Vom sinusförmigen Verlauf einer Exzenterpresse über die Verläufe der Gelenkhebelantriebe bis hin zu bauteilspezifischen Kurven. Der Stößel lässt sich individuell positionieren, an jeder beliebigen Stelle bremsen oder beschleunigen und sogar im Pendelbetrieb betreiben. Letzteres ersetzt die mechanische Hubverstellung, indem der Exzenter zwischen zwei Punkten reversiert.
Eine derartige Servopresse offenbart die DE 10 2004 009 256 B4 . Die dort beschriebene Presse weist mehrere Servomotoren auf, die einen Stößel gemeinsam antreiben. Die Servomotoren arbeiten über ein Getriebe, welches ein Massenträgheitsmoment aufweist, auf den Stößel. Dieses Massenträgheitsmoment kann bedarfsweise durch ein zusätzliches Schwungrad noch verstärkt werden. Insgesamt ist das sich ergebende Massenträgheitsmoment jedoch nicht so groß bemessen wie bei herkömmlichen Pressen, bei denen das Schwungrad genügend Energie speichert, um einen Arbeitshub auszuführen. Es ist vielmehr so gering, dass die Servomotoren das Schwungrad aus dem Stillstand beschleunigen und wieder abbremsen können. Durch den beschriebenen Aufbau wird es möglich, einerseits die Pressen in Reversierbetrieb mit variablen Hüben zu betreiben, wobei das Schwungrad andererseits dafür sorgt, dass hohe Presskräfte realisiert werden können.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass trotz Vereinfachungen im Antrieb nach wie vor aufwendige und kostensintensive Bewegungsübertragungsmittel in Form von Zahnrädern notwendig sind. In der DE 41 09 796 C2 wird eine Einrichtung zum Pressen, Biegen und Stanzen von Metallwerkstücken offenbart, bei der ein Servomotor direkt auf einen Exzenter wirkt. Mit dieser Anordnung soll sowohl die Hubhöhe, als auch die Presskraft auf einfache Weise verändert werden. Darüber hinaus soll durch eine axiale Führung des Stempels dessen gleich bleibende flächige Berührung mit dem Werkzeug sichergestellt werden. Nachteilig an dieser Lösung ist sicherlich eine Beschränkung auf sehr kleine Presskräfte. Für größere Umformpressen mit mehreren Druckpunkten ist diese Ausführung nicht geeignet.
DE 199 16 369 B4 beschreibt einen Pressenantrieb mit einem programmgesteuerten Torquemotor, der über ein Getriebe auf ein Schlittenaggregat wirkt. WO 2004/056559 A1 offenbart eine weitere Pressvorrichtung mit einem Torquemotor als Direktantrieb.
Aufgabe und Vorteil der Erfindung
Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung einen Pressenantrieb zu entwickeln, welcher einerseits hohe Presskräfte mit einem variablen Stößelverlauf ermöglicht und andererseits einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin eine Presse mit einem elektrischen Direktantrieb auszustatten und gleichzeitig auf Bewegungsübertragungsmittel wie beispielsweise Zahnräder oder Übersetzungsgetriebe zu verzichten. Erreicht wird dies dadurch, dass in einem Exzenterantrieb ein Direktantrieb, bestehend aus Rotor und Stator zum Einsatz kommt welcher unmittelbar auf ein oder mehrere Pleuel wirkt. Der Direktantrieb treibt direkt einen oder mehrere Exzenter an, welche drehbar mit den Pleueln verbunden sind. Prinzipiell sind mehrere Variationen des erfindungsgemäßen Pressendirektantriebes möglich. In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der elektrische Direktantrieb zwischen einem Exzenter und einem auf dem Exzenter drehbaren Pleuel. Am Außendurchmesser der Exzenter befinden sich Permanentmagnete in einer Anzahl, welche einer benötigten Presskraft entsprechen. Am Innendurchmesser des Pleuels befinden sich den Permanentmag neten zugewandte Spulen. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Pressendirektantriebes entspricht im Wesentlichen der Wirkungsweise eines permanent erregten Synchronmotors. Ein Unterschied besteht in der Wirkungsweise des Rotors und des Stators im Verhältnis zum Gesamtsystem. Während bei einem herkömmlichen permanenterregten Synchronmotor der Stator stillsteht und der Rotor konzentrisch um den Stator rotiert, bewegt sich beim erfindungsgemäßen Pressendirektantrieb auch der Stator im Verhältnis zum Gesamtsystem Presse aufgrund der Exzentrizität der Permanentmagnetanordnung relativ zur Exzenterwelle. Betrachtet man allerdings die Bewegung des Pleuelinnendurchmessers zum Exzenteraußendurchmesser, so entspricht die Wirkungsweise dem Rotor-Stator-Prinzip eines permanenterregten Synchronmotors.
Das Pleuel ist in bevorzugter Weise über Gleitlager mit dem Exzenter drehbar verbunden. Somit ist gewährleistet, dass zwischen den Permanentmagneten, welche sich auf dem Außendurchmesser des Exzenters befinden, und den Spulen, welche sich auf dem Innendurchmesser des Pleuels befinden, ein in seiner Größe definierter Luftspalt befindet. Lediglich zwei Bauteile pro Antriebseinheit sind mit der Umgebungskonstruktion verbunden. Die Exzenterwelle ist im Kopfstück drehbar gelagert. Als Lagerung können dabei alle gängigen und dem Stand der Technik bekannten Lagerungsarten verwendet werden. Die zweite Verbindungsstelle befindet sich am Stößel. Diese ist wie bei einer konventionellen mechanischen Presse ausgeführt. Ein Bolzen, welcher mittig in einer Pleuelbohrung gelagert ist, ist an seinen äußeren Enden im Stößel bzw. im Druckpunkt des Stößels drehbar gelagert. Im Gegensatz zu den konventionellen Antrieben erfüllt die Verbindungsstelle im Stößel beim erfindungsgemäßen Pressendirektantrieb zusätzlich zur Bewegungs- und Kraftübertragung in vertikaler Richtung auch noch die Funktion eines Momentenlagers. Das Antriebsmoment stützt sich in der Stößellagerung über die Stößelführungen an den Ständern ab. Somit ist eine separate Drehmomentstütze für den erfindungsgemäßen Pressendirektantrieb nicht erforderlich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden und in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele.
Es zeigen:
1 Seitenansicht und Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Pressenantriebes
2 Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Pressenantriebes mit Doppelkniegelenk
3 Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Pressenantriebes mit zusätzlicher Lasche
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt den erfindungsgemäßen Pressendirektantrieb 1 in einer Seitenansicht und in einer Schnittdarstellung. Zu sehen ist die Exzenterwelle 2, welche in einem hier nicht dargestellten Kopfstück drehbar gelagert ist. Die Exzenterwelle 2 ist mit einem Exzenter 3 verbunden und versetzt diesen in eine Drehbewegung um die Exzenterwellenachse. Am Außendurchmesser des Exzenters 3 sind zahlreiche Permanentmagnete 4 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Exzenter 3 in Aluminium ausgeführt. Die geometrische Form und die Anzahl der Permanentmagnete 4 bzw. der Pole bestimmt die Größe des erzeugbaren Drehmoments und der resultierenden Presskraft. Den Permanentmagneten 4 gegenüber befinden sich Spulen 5, welche am Innendurchmesser des Pleuels 6 befestigt sind.
Zwischen der äußeren Oberfläche der Permanentmagnete 4 und der den Permanentmagnete 4 gegenüberliegende Oberfläche der Spulen 5 befindet sich ein Luftspalt von in der Regel wenigen Millimeter. Werden die Spulen 5 mit Strom durchflossen, so wird über die Permanentmagnete 4 eine Kraft in Umfangsrichtung erzeugt, welche ein Verdrehen des Pleueldurchmessers gegenüber dem Exzenter 3 bewirkt.
Auf die Beschreibung der detaillierten elektromagnetischen Wirkungsweise zwischen den Permanentmagneten 4 und den Spulen 5 wird hier verzichtet, weil sie exakt dem Funktionsprinzip eines dem Stand der Technik bekannten permanent erregten Synchronmotors entspricht.
Der Pleuel 6 und der Exzenter 3 sind über Gleitlager 7 drehbar miteinander verbunden. Am antriebsfernen Ende des Pleuels 6 befindet sich eine Bohrung 8 in der ein Bolzen 9 mittels eines Gleitlagers 10 gelagert ist. Dieser Bolzen 9 ist an seinen äußeren Enden mit dem Stößel 11 drehbar verbunden. Der Stößel 11 ist seinerseits über eine nicht dargestellte Linearführung so mit den Ständern 12 verbunden, dass dieser sich in vertikaler Richtung bewegen kann. Wird nun aufgrund des elektrischen Direktantriebes der Exzenter 3 relativ zum Pleuel 6 verdreht, so ergibt sich aufgrund der Lagerung der Exzenterwelle 2 im Kopfstück 25 und der Lagerung des Bolzens 9 im Stößel 11 eine vertikale Bewegung des Stößels 11.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Pressenantriebes dargestellt. Der Antrieb des Pleuels 13 erfolgt analog zu der in 1 dargestellten Antriebsvorrichtung. Zwischen einem Exzenter 14, welcher mit einer Antriebswelle 15 fest verbunden ist, und dem Pleuel 13 befinden sich die Aktivelemente des Direktantriebes, in diesem Falle Permanentmagnete 16 und Spulen 17. Die Permanentmagnete 16 befinden sich am Außendurchmesser des Exzenters 14, die Spulen 17 am Innendurchmesser des Pleuels 13. Denkbar wäre aber auch eine Anordnung der Permanentmagnete 16 am Pleuel 13 und der Spulen 17 am Exzenter 14. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt der angetriebene Pleuel 13 nicht direkt, sondern über eine Hebelage, in diesem Fall über einen Doppelkniegelenkmechanismus 18, auf einen Stößel 19. Der Doppelkniegelenkmechanismus 18 besteht aus einem linken Kniegelenkmechanismus 20a und einem rechten Kniehebelmechanismus 20b. Jeder der beiden Kniehebelmechanismen 20 besteht aus oberen Hebeln 21a und 21b und unteren Hebeln 22a und 22b. Die oberen Hebel 21a und 21b sind über Verbindungshebel 23a und 23b mit den unteren Hebeln 22a uns 22b verbunden. Die oberen Hebel 21a und 21b sind in den Gelenkpunkten 24a und 24b in einem Kopfstück 25 bzw. daran angebauten Bauteilen gelagert. Die unteren Hebel 22a und 22b sind in den Gelenkpunkten 26a und 26b mit dem Stößel 19 verbunden. Die Hebel 29a und 29b sind auf der antriebsabgewandten Seite in den Gelenkpunkten 27a und 28a mit dem linken Kniehebelmechanismus 20a und in den Gelenkpunkten 27b und 28b mit dem rechten Kniehebelmechanismus 20b verbunden. Ebenfalls mit den Gelenkpunkten 27b und 28b verbunden ist der Pleuel 13. Bewegt sich nun der Pleuel 6 aufgrund des angetriebenen Exzenter 14, so wird diese Bewegung über den Doppelkniegelenkmechanismus 18 so auf den Stößel 19 übertragen, dass dieser eine vertikale Auf- und Abbewegung ausführt.
In 3 ist der erfindungsgemäße Pressendirektantrieb 1 in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Zusätzlich zu dem bereits in 1 dargestellten Antriebsprinzips sind in den beiden dargestellten Antriebssträngen jeweils an den Exzentern 30 in den Gelenkpunkten 31 Laschen 32 angelenkt, welche wiederum in den Gelenkpunkten 33 im Kopfstück 34 gelagert sind. Durch diese Kinematik können deutlich größere Presskräfte realisiert werden bzw. bei gleicher Presskraft können deutlich kleinere Antriebe eingesetzt werden. Die beiden in 3 dargestellten Antriebsstränge haben keine mechanische Synchronisation, beispielsweise in Form eines Zwischenrades. Die Synchronisation erfolgt elektronisch über die Regelung der elektrischen Antriebe. Durch diese elektronische Regelung ist auch eine Kippungsregelung des hier nicht dargestellten Stößels durch eine bewusst unsynchrone Antriebsregelung möglich. Wird diese Kippungsregelung eingesetzt, sind am Stößel entsprechende Vorkehrungen an der Stößelführung notwendig damit die entstehenden Parallelitätsabweichungen aufgefangen werden können.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst auch alle Ausgestaltungen im Rahmen des erfindungsgemäßen Gedankens.

1: Pressendirektantrieb
2: Exzenterwelle
3: Exzenter
4: Permanentmagnete
5: Spulen
6: Pleuel
7: Gleitlager
8: Bohrung
9: Bolzen
10: Gleitlager
11: Stößel
12: Ständer
13: Pleuel
14: Exzenter
15: Antriebswelle
16: Permanentmagnete
17: Spulen
18: Doppelkniegelenkmechanismus
19: Stößel
20a: linker Kniehebelmechanismus
20b: rechter Kniehebelmechanismus
21a, b: oberer Hebel
22a, b: unterer Hebel
23a, b: Verbindungshebel
24a, b: Gelenkpunkte
25: Kopfstück
26a, b: Gelenkpunkte
27a, b: Gelenkpunkte
28a, b: Gelenkpunkte
29a, b: Hebel
30: Exzenter
31: Gelenkpunkte
32: Laschen
33: Gelenkpunkte
34: Kopfstück

Claims

Presse mit einem Pressenantrieb mit einem oder mehreren Pleueln (6), welche über einen oder mehrere Exzenter (3) angetrieben werden, wobei die Bewegungen des oder der Exzenter (3) von elektrischen Direktantrieben erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass sich der elektrische Direktantrieb jeweils zwischen einem Exzenter (3) und einem Pleuel (6) befindet und eine Relativbewegung zwischen Exzenter (3) und Pleuel (6) bewirkt.
Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Exzenter Permanentmagnete (4) und am Pleuel (6) Spulen (5) angeordnet sind oder umgekehrt.
Presse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Direktantrieb ein permanenterregter Synchronantrieb ist.
Presse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Direktantrieb als leistungsverdichteter Antrieb ausgeführt wird.
Pressenantrieb nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Pleuel (6) am antriebsfernen Ende drehbar gelagert ist, und dass diese Lagerung als Drehmomentstütze des Pressendirektantriebes (1) wirksam ist.
Pressenantrieb nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (3) mit einer Exzenterwelle (2) fest verbunden ist, welche in einem Kopfstück drehbar gelagert ist.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Pressendirektantriebe (1) modular, auf einem Stößel (11) wirkend einsetzbar sind.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungs- und Kraftübertragung des Pleuels (6) auf den Stößel (11) mittels einer Hebelage erfolgt.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungs- und Kraftübertragung mittels einer Hebelage in Form mindestens eines Kniehebelmechanismus erfolgt.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser für Einfach- oder Mehrgelenkantriebe einsetzbar ist.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Schleppsynchronisation für Modulbauweise mit nicht überbestimmter Führung kombiniert wird.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schleppabweichung im Master-Slave-System sich nicht überbestimmt auswirkt und dass die Gelenkbolzen zusammen mit einem oder mehreren Kulissensteinen gleichzeitig zur Stößelführung verwendet werden.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in einer Dreifachpresse mit Zieheinrichtung verwendet wird.
Pressenantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pleuel (6) in einem Faserverbundwerkstoff ausgeführt wird.