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Die Erfindung betrifft eine Presse,
insbesondere eine Presse mit großer Presskraft, mit mindestens
einem Schwungrad und mindestens einem auf eine Welle wirkenden Wellenantrieb.
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Während
eines Pressvorganges müssen eine
Reihe von für
den Pressvorgang notwendigen Zusatzfunktionen ausgeführt werden.
Diese Zusatzfunktionen, wie beispielsweise Betätigen der Auswerfer, der Transfereinrichtungen,
des Zangenkastens und der Automatisierung, müssen zeitlich mit dem Pressvorgang
abgestimmt werden. Bisher ist für
die Synchronisation von frei programmierbaren Auswerferantrieben
oder weiteren Zusatzantrieben mit dem Pressvorgang eine hohe Energie
nötig,
da jeder dieser Antriebe gleichzeitig mit dem Pressenantrieb elektrische
Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnimmt. Durch die
gleichzeitige Energieentnahme kann es wegen einer Netzüberlastung zu
Störungen
im elektrischen Versorgungsnetz kommen. Außerdem müssen die elektrischen Versorgungsleitungen
entsprechend groß dimensioniert werden,
um die verschiedenen Antriebe gleichzeitig mit genügend Energie
versorgen zu können.
Insbesondere stellt jedoch die Bereitstellung von hohen Energiespitzen
häufig
ein großes
Problem dar, da nur eine begrenzte Menge an Energie verfügbar ist,
so dass es zu Engpässen
bei der Energieversorgung kommen kann.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, eine
Presse der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass
Engpässe
bei der Energieversorgung zukünftig
auch bei gleichzeitigem Betreiben von Presse und Zusatzfunktionen
ausgeschlossen sind.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch
eine Presse, insbesondere eine Presse mit großer Presskraft, mit mindestens
einem Schwungrad und mindestens einem auf eine Welle wirkenden Wellenantrieb,
wobei der mindestens eine Wellenantrieb und das mindestens eine
Schwungrad miteinander synchronisiert sind. Durch die Synchronisation des
mindestens einen Wellenantriebes mit dem mindestens einen Schwungrad
kann das mindestens eine Schwungrad dann seine Energie an eine Zusatzeinrichtung
abgeben, wenn die Energieentnahme des mindestens einen Wellenantriebes
aus dem elektrischen Versorgungsnetz während des Ziehvorganges maximal
ist. Da für
den Antrieb der Zusatzeinrichtung die in dem Schwungrad gespeicherte
Energie verwendet werden kann, muss für den Antrieb der Zusatzeinrichtung
keine zusätzliche
Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz bereitgestellt werden,
so dass Engpässe
bei der Energieversorgung, wenn Wellenantrieb und Zusatzeinrichtungen
gleichzeitig angetrieben werden, vermieden werden. Nachdem der Tiefziehvorgang
abgeschlossen ist, also ab dem unteren Umkehrpunkt des Pressenstößels, ist der
Energiebedarf des Wellenantriebes minimal, so dass dann Energie
aus dem Versorgungsnetz entnommen werden kann, um die Drehzahl des Schwungrades
wieder zu erhöhen
und somit die im Schwungrad gespeicherte Energie neu aufzuladen, ohne
dass es dabei zu Engpässen
bei der elektrischen Energieversorgung kommen kann.
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Vorteilhafterweise kann das mindestens
eine Schwungrad über
die Welle mit den durch das Schwungrad anzutreibenden Zusatzeinrichtungen, wie
beispielsweise Auswerfer, Transfereinrich tungen, Zangenkasten und
Automatisierungseinrichtungen, verbunden werden.
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Damit das mindestens eine Schwungrad
bei Bedarf die in ihm gespeicherte Energie abgeben kann, kann zwischen
dem mindestens einen Schwungrad und der Welle eine Kupplung angeordnet
sein, um das mindestens eine Schwungrad an die Welle anzukuppeln
oder von ihr abzukuppeln, sobald die in dem Schwungrad gespeicherte
Energie nicht mehr benötigt
wird oder abgegeben ist.
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Um die Drehzahl der Hauptwelle entsprechend
der gewünschten
Synchronisation reduzieren zu können,
beispielsweise bei mehreren zu synchronisierenden Wellenantrieben,
kann die mit dem Wellenantrieb verbundene Welle mit einer Bremse
versehen sein. Diese Bremse kann beim Abbremsen der Welle die nicht
benötigte
Energie ins elektrische Versorgungsnetz zurückspeisen.
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Vorteilhafter Weise kann die Welle
eine Hauptwelle sein, die als Kurbelwelle ausgebildet sein kann.
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Unabhängig vom Wellenantrieb kann
das mindestens eine Schwungrad durch einen separaten Schwungradantrieb
angetrieben werden, um die in dem Schwungrad gespeicherte Energie
während
eines Zeitabschnittes wieder aufzuladen, wenn die von der Presse
aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnommene Energie minimal
ist.
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Wenn in dem mindestens einen Schwungrad verschiebbare
Massen, die zwischen dem Schwungradmittelpunkt und der Schwungradperipherie
verschoben werden können,
angeordnet sind, kann durch Verschieben der Massen die Drehzahl
je nach Erfordernis erhöht
oder reduziert werden, ohne dass dabei das Schwungrad durch Zufuhr
von äußerer Energie
beschleunigt oder durch Vernichtung von im Schwungrad gespeicherter
Energie verzögert
werden muss. Wenn die Massen vom Schwungradmittelpunkt zur Schwungradperipherie
verschoben werden, sinkt die Drehzahl des Schwungrades ab. Werden
die Massen von der Schwungradperipherie zum Schwungradmittelpunkt
hin verschoben, so steigt die Drehzahl des Schwungrades an.
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Besonders elegant lassen sich die
Schwungmassen verschieben, wenn sie hydraulisch und/oder pneumatisch
und/oder elektrisch verschoben werden.
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Um die Synchronisation zwischen dem
mindestens einen Schwungrad und dem Pressvorgang zu erreichen, kann
die Presse eine Einrichtung zur Überwachung
der Drehgeschwindigkeit des Schwungrades, eine Einrichtung zur Überwachung der
Drehbeschleunigung des Schwungrades und eine Einrichtung zur Zeitmessung
besitzen.
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Um Entnahmespitzen von Energie aus
dem elektrischen Versorgungsnetz zu vermeiden, ist es sinnvoll,
wenn die Presse eine Einrichtung zur Auswertung der benötigten Energie
und eine Einrichtung zur Prognostizierung der benötigten Energie
aufweist.
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Vorteilhafterweise können die
Einrichtung zur Auswertung der benötigten Energie und die Einrichtung
zur Prognostizierung der benötigten
Energie eine selbstlernende Einheit darstellen. Diese selbstlernende
Einheit, die vorteilhafterweise nach dem Prinzip der Fuzzy-Logik
arbeitet, kann Veränderungen
von Zielvorgaben erkennen und somit neue Zielvorgaben für die Zukunft
festlegen. Auf diese Weise können
beispielsweise Trends beim Drehzahlabfall erkannt und für die Zukunft
berücksichtigt
werden, so dass auch bei einem Drehzahlabfall eine Synchronisation
zwischen dem Schwungrad und dem Wellenantrieb der Hauptwelle sichergestellt
ist.
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Die Presse kann auch mit einem Programm zur
Simulation eines Umformprozesses verbunden sein. Diese Verbindung
der Presse mit dem Programm zur Simulation des Umformprozesses kann besonders
vorteilhaft in Verbindung mit der selbstlernenden Einheit verwendet
werden. In dem Umformprogramm sind Umformparameter wie beispielsweise
Temperatur, Werkstoff-Kennwerte, Umformgeschwindigkeit, Fließfähigkeit
und Umformkraft hinterlegt. Somit liefert das Simulationsprogramm
Vorgaben für
die selbstlernende Einheit, indem es der selbstlernenden Einheit
Ausgangswerte für
den Beginn des Pressvorganges bereitstellt. Mittels der Einrichtung
zur Auswertung der benötigten
Energie und der Einrichtung zur Prognostizierung der benötigten Energie
können
ständig
neue Umformparameter, die an die bestimmten Gegebenheiten der jeweiligen Presse
angepasst werden, der Pesse zur Verfügung gestellt.
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Um die in dem mindestens einen Schwungrad
gespeicherte Energie mit möglichst
geringen Verlusten optimal zu nutzen, kann die Presse eine Einrichtung
aufweisen, die eine nicht benötigte
Energiemenge von einem Schwungrad an ein anderes Schwungrad abgibt
und/oder in das elektrische Versorgungsnetz zurückspeist.
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Um unerwünschte Unwuchten in dem mindestens
einen Schwungrad zu vermeiden, kann das mindestens eine Schwungrad
eine Einrichtung zum Ausgleich einer Unwucht aufweisen.
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Um die mindestens einen Wellenantriebe miteinander
synchronisieren zu können,
können auch
die Wellen eine Einrichtung zur Überwachung der
Drehgeschwindigkeit aufweisen. Dies ist besonders bei Exzenterpressen
mit beispielsweise zwei Kurbelwellen von großer Bedeutung, damit die obere und
die untere Werkzeughälfte
entlang der Werkzeuglänge
und entlang der Werkzeugbreite parallel zueinander ausgerichtet
sind. Ferner kann die Einrichtung zur Überwachung der Drehgeschwindigkeit der
Welle erforderlich sein, um zu erkennen, ob die Welle zum gesamten
Pressvorgang synchronisiert ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine
Anordnung von mehreren Pressen nach einem der Ansprüche 1 bis
18, wobei deren mindestens einen Wellenantriebe und deren mindestens
einen Schwungräder miteinander
synchronisiert sind. Die erfindungsgemäße Synchronisation zwischen
dem mindestens einen Schwungrad und dem mindestens einen Wellenantrieb
bringt also besonders dann große
Vorteile, wenn mehrere Pressen, durch die nacheinander ein zu bearbeitendes
Werkstück
hindurchläuft,
hintereinander angeordnet sind. Da beim Betrieb mehrerer Pressen
gleichzeitig die Energieentnahme aus dem elektrischen Versorgungsnetz
besonders hoch ist, sind die erfindungsgemäßen Vorteile der Synchronisation
zwischen dem mindestens einen Schwungrad und dem mindestens einen
Wellenantrieb besonders gravierend.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand
der beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 mehrere
Antriebseinheiten, die zu verschiedenen Pressen gehören;
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2 eine
dreidimensionale Prinzipskizze einer Exzenterpresse mit zwei Kurbelwellen;
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3 eine
Hub- und Drehzahl-Kennlinie, die über der Zeit aufgetragen ist.
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1 zeigt
Antriebseinheiten 10, 20 und 30, die
jeweils zu zugehörigen
hier nicht näher
dargestellten Pressen gehören.
Die hier nicht näher
dargestellten Pressen sind hintereinander angeordnet, so dass sie
von einem zu bearbeitenden Werkstück nacheinander durchlaufen
werden. Die Antriebseinheiten 10, 20 und 30 sind
mit einem Wellenantrieb 11, 21 und 31 zum
Antreiben einer Hauptwelle 12, 22 und 32 versehen.
Die Hauptwellen 12, 22 und 32 wirken
sowohl auf den Antrieb des Pressenstößels wie auch auf weitere Zusatzeinrichtungen,
wie beispielsweise Auswerfer, Transfereinrichtungen, Zangenkasten
und Automatisierungseinrichtungen. Ferner besitzen die Antriebseinheiten 10, 20 und 30 ein Schwungrad 13, 23 und 33.
Die Schwungräder 13, 23 und 33 können über Kupplungen 14, 24 und 34 an
die Hauptwellen 12, 22 und 32 angekuppelt
werden, wenn dies in Folge eines erhöhten Energiebedarfes geboten
ist. Dann kann die in den Schwungrädern 13, 23 und 33 gespeicherte
Energie an die Hauptwellen 12, 22 und 32 abgegeben
werden, um zusätzlich zum
Pressenstößel Zusatzeinrichtungen
antreiben zu können.
Wenn die in den Schwungrädern 13, 23 und 33 gespeicherte
Energie abgegeben ist oder nicht mehr benötigt wird, können die
Schwungräder 13, 23 und 33 mittels
den Kupplungen 14, 24 und 34 von den
Hauptwellen 12, 22 und 32 abgekuppelt
werden. Nachdem die Umformung abgeschlossen ist, fährt der
Pressenstößel wieder
zurück,
wobei die Presse für
diesen Vorgang nur relativ wenig Energie aus einem elektrischen
Versorgungsnetz entnehmen muss, so dass die in dem elektrischen
Versorgungsnetz bereit stehende Energie auch zum Beschleunigen der
Schwungräder 13, 23 und 33 verwendet
werden kann, um die Schwungräder 13, 23 und 33 mit neuer
in den Schwungrädern 13, 23 und 33 zu
speichernder Energie aufzuladen. Die Beschleunigung der Schwungräder 13, 23 und 33 geschieht
durch einen Schwungradantrieb 15, 25 und 35,
der somit unabhängig
vom Wellenantrieb 11, 21 und 31 ist.
Die Schwungräder 13, 23 und 33 verfügen über eine
Einrichtung 16, 26 und 36 zur Überwachung
der Drehgeschwindigkeit und über
eine Einrichtung 17, 27 und 37 zur Überwachung
der Drehbeschleunigung, die vorzugsweise als ein Ferraris-Sensor
ausgebildet ist. Die Einrichtungen 16, 26 und 36 zur Überwachung der
Drehgeschwindigkeit und die Einrichtungen 17, 27 und 37 zur Überwachung
der Drehbeschleunigung dienen zur Synchronisierung der Schwungräder 13, 23 und 33 mit
den Wellenantrieben 11, 21 und 31. Zusammen
mit einer Einrichtung zur Zeitmessung dienen die Einrichtungen 16, 26 und 36 zur Überwachung
der Drehgeschwindigkeit und die Einrichtungen 17, 27 und 37 zur Überwachung
der Drehbeschleunigung zur Auswertung und Prognostizierung der benötigten Energie.
Somit bilden die Einrichtungen 16, 26 und 36 zur Überwachung
der Drehgeschwindigkeit, die Einrichtungen 17, 27 und 37 zur Überwachung
der Drehbeschleunigung, die Auswerteeinrichtung und die Prognostiziereinrichtung
zusammen eine selbstlernende Einheit. Diese selbstlernende Einheit
kann bei jeder Presse der gesamten Pressenanordnung Veränderungen
von Zielvorgaben, beispielsweise Veränderungen bei der Drehzahl der
Schwungräder 13, 23 und 33,
erkennen und dann einen neuen Wert für die Zielvorgabe festlegen.
Außerdem
besitzt auch die Hauptwelle 12, 22 und 32 eine
hier nicht näher
dargestellte Einrichtung zur Überwachung
der Drehgeschwindigkeit, so dass, wenn erforderlich, die Hauptwelle 12, 22 und 32 mittels
einer Bremse 18, 28 und 38 auf eine gewünschte Drehzahl
abgebremst werden kann. Die Bremse 18, 28 und 38 kann
vorteilhafterweise die nicht benötigte Energie
in das elektrische Versorgungsnetz zurückspeisen, so dass es sich
sinnvollerweise anbietet, den Wellenantrieb 11, 21 und 31 gleichzeitig
auch als Bremse 18, 28 und 38 zu verwenden.
Jedoch können der
Wellenantrieb 11, 21 und 31 und die Bremse 18, 28 und 38 auch
separat ausgeführt
sein. Das Schwungrad 33 besitzt verschiebbare Schwungmassen 39,
die hydraulisch und/oder pneumatisch und/oder elektrisch verschoben
werden können. Durch
Verschiebung der Schwungmassen 39 kann die Drehgeschwindigkeit
des Schwungrades 33 verändert
werden, ohne dass dabei zusätzliche
Energie aus dem elektrischen Versorgungsnetz entnommen werden muss
oder dass in dem Schwungrad gespeicherte Energie vernichtet werden
muss. Auf diese Weise kann auch durch die Verschiebung der Schwungmassen 39 eine
Synchronisation des Schwungrades 33 mit der Hauptwelle 32 erzielt
werden. Ferner besitzt das Schwungrad 33 Einrichtungen 300,
mit denen eine Unwucht des Schwungrades 33 ausgeglichen
werden kann. Da die Antriebseinheiten 10, 20 und 30 zu
einer Pressenanordnung aus einzelnen hier nicht dargestellten Pressen
gehören, müssen auch
die Antriebseinheiten 10, 20 und 30 untereinander
bezüglich
des Pressvorgangs der gesamten Pressenanordnung synchronisiert sein.
In dieser Anordnung nimmt beispielsweise der Antrieb 10 die
Funktion eines Master-Antriebs
und die Antriebe 20 und 30 die Funktionen von
Slave-Antrieben ein.
Die Betriebsparameter des Master-Antriebs 10 dienen somit
als Anhaltswerte für
die Betriebsparameter der Slave-Antriebe 20 und 30,
sodass die Slave-Antriebe 20 und 30 bezüglich des
Pressvorgangs der gesamten Pressenanordnung synchron zum Masterantrieb 10 laufen.
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2 zeigt
eine Exzenterpresse 200. Die Exzenterpress 200 ist
mit Kurbelwellen 201 und 202 als Hauptwellen ausgestattet.
An den einen Enden der Kurbelwellen 201 und 202 befinden
sich Wellenantriebe 203 und 204 und an den anderen
Enden Schwungräder 205 und 206.
Die Kurbelwellen 201 und 202 wirken über Stößel 207 auf
ein Werkzeug 208. Während
des Tiefziehvorgangs ist es wichtig, dass eine obere Werkzeughälfte 209 und
eine untere Werkzeughälfte 210 des
Werkzeuges 208 entlang der Werkzeuglänge und entlang der Werkzeugbreite parallel
zueinander ausgerichtet sind. Wenn die Parallelität der beiden
Werkzeughälften
nicht eingehalten werden kann, kommt es bezüglich der Werkzeugetrennebene
zwischen den beiden Werkzeughälften 209 und 210 zu
einem Synchronisationsfehlerwinkel α. Um die Parallelität der beiden
Werkzeughälften
einzuhalten, um also den Synchronisationsfehlerwinkel α auszuschließen, müssen die
beiden Kurbelwellen 201 und 202 miteinander synchronisiert sein.
Dazu müssen
die Kurbelwellen 201 und 202 hier nicht näher dargestellte
Einrichtungen zur Überwachung
der Drehgeschwindigkeit aufweisen.
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3 zeigt
den Verlauf 304 des Hubes des Pressenstößels über der Zeit als eine durchgezogene
Kurve. Die gestrichelt dargestellte Kurve 301 zeigt den
Verlauf des Hubes eines Auswerfers über der Zeit. Sobald zum Zeitpunkt
tu der Pressenstößel seinen unteren Umkehrpunkt
erreicht hat, beginnt der Auswerfer seinen Auswurfhub, so dass die
Kurven 304 und 301 ab dem Zeitpunkt tu bis
zum Zeitpunkt tE gleichzeitig ansteigen.
Während
des Ziehvorganges fällt
die in einer Kurve 302 dargestellte Drehzahl der Antriebswelle
des Pressenstößels bis
zum Zeitpunkt tu ab, die ab dem Erreichen
des unteren Umkehrpunktes wieder auf ihre Anfangsdrehzahl N0 beschleunigt wird. Die Drehzahl der Antriebswelle
des Auswerfers, die als eine gestrichelte Kurve
303 dargestellt
ist, steigt bis zum Zeitpunkt tu an. Dieser
Anstieg kann beispielsweise durch ein Verschieben der Schwungmassen 39 erreicht
werden. Ab dem Zeitpunkt tu wirft der Auswerfer
das Werkstück
aus dem Werkzeug aus, wodurch die Drehzahl der Antriebswelle des
Auswerfers zwischen den Zeitpunkten tu und
tE abfällt.
Nachdem das Werkstück
zum Zeitpunkt tE aus dem Werkzeug ausgeworfen
ist, verändert
sich der Hub des Auswerfers ab dem Zeitpunkt tE,
wie in Kurve 301 dargestellt, nicht mehr, bis der Auswerfer
wieder zurückgefahren
wird. Gleichzeitig steigt die Drehzahl des Auswerferantriebes ab
dem Zeitpunkt tE wieder an, bis sie den
Ausgangswert n0 wieder erreicht hat.