DE4421527C2 - Kurbelantrieb einer Kurbelpresse großer Preßkraft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbelantrieb einer Kurbelpresse großer Preßkraft, bei dem an einem über einen unteren Totpunkt und einen oberen Totpunkt hin- und herbewegbaren Stößel eine Kurbelwelle angreift, bei dem ein erstes Wellenende der Kurbelwelle mittels einer Kupplung mit einem laufenden Schwungrad kuppel­ bar ist, das von einem Haupt-Asynchronmotor her antreibbar ist, der an ein elek­ trisches Versorgungs-Netz angeschlossen ist, bei dem die Kurbelwelle mit einem zweiten Asynchronmotor verbunden ist, dem eine Bremseinrichtung und eine Energiespeichereinrichtung zugeordnet ist, und bei dem dem Haupt-Asynchronmo­ tor und dem zweiten Asynchronmotor eine Schaltung zugeordnet ist, die, bezogen auf eine 360°-Drehung der Kurbelwelle folgende Betriebszustände einstellt: Be­ schleunigen des Stößels mittels des zweiten Motors ab dem oberen Totpunkt, Kup­ peln des Schwungrades an die Kurbelwelle, Pressenhub durch den unteren Tot­ punkt, Entkuppeln des Schwungrades von der Kurbelwelle und Bremsen des Stö­ ßels unter Energiespeicherung.

Mit Kurbelantrieb ist hier auch ein Exzenterantrieb gemeint. Die Presse wird z. B. für die Massiv- und Blechumformung oder die Umformung von Keramikwerkstoff eingesetzt. Pressen mit Kurbelantrieb arbeiten mit Hubfrequenzen von ca. 30-140 Hüben/min. Zum Zwecke des Werkstofftransportes innerhalb des Pressenarbeits­ raums, z. B. von einer Preßstation in die andere oder beim Be- und Entladen, muß der Stößel in den meisten Betriebsfällen in seiner oberen Endlage, seinem oberen Totpunkt angehalten werden. Dies bedeutet Entkuppeln des Schwungrades vor Er­ reichen des oberen Totpunktes und Abbremsen der Bewegungsenergie aus Stößel, Schubstange und Kurbel- bzw. Exzenterwelle.

Bei einem bekannten (DE-OS 22 52 481) Kurbelantrieb der eingangs genannten Art, ist für den Haupt-Elektromotor keine besondere Elektromotor-Art angegeben und ist der zweite Motor eine druckgasgefüllte Kolben-Zylinder-Einrichtung, deren Kolben mit dem zweiten Wellenende der Kurbel verbunden ist. Die Schaltung, wel­ che die angegebenen Betriebszustände veranlassen soll, ist nicht näher spezifiziert. Mit dem bekannten Kurbelantrieb soll der Energieverbrauch herabgesetzt und die Netzbelastung vergleichmäßigt werden. Es sollen die dynamischen Beanspru­ chungen der Kupplung und einer mechanischen Reibungsbremse vermieden wer­ den, wobei die dynamischen Beanspruchungen mit Verschleiß, Wärmebelastung und Lärm verbunden sind.

Bei dem bekannten Kurbelantrieb ist der zweite Motor, der als druckgasgefüllte Kolben-Zylinder-Einrichtung, der die mechanische Reibungsbremse zugeordnet ist, ausgebildet ist, von Nachteil. Die Reibungsbremse muß den Stößel im oberen Tot­ punkt gegen die Kraft des Gasdrucks in der Kolben-Zylinder-Einrichtung festhal­ ten, was zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen nötig macht. Die als Energiespeicher­ einrichtung dienende Kolben-Zylinder-Einrichtung kann zum Beschleunigen nur weniger Energie abgeben, als beim Bremsen vernichtet wird und kann praktisch die Kurbelwelle bei weitem nicht auf die Drehzahl beschleunigen, die das ständig um­ laufende Schwungrad hat. Deshalb ist das Kuppeln mit einer merklichen dynami­ schen Beanspruchung der Kupplung verbunden. Obwohl das Bremsen im wesentli­ chen unter Kompression des Druckgases erfolgt, läßt sich eine merkliche dynami­ sche Belastung der mechanischen Reibungsbremse nicht vermeiden.

Es ist ein im Kurbelantrieb der eingangs genannten Art ähnlicher Kurbelantrieb be­ kannt (DE-PS 6 29 792), dessen beide Elektromotoren nicht als Asynchronmotoren angegeben sind und zudem nicht angegeben ist, daß einem zweiten Asynchronmo­ tor eine Energiespeichereinrichtung zugeordnet ist und ein Bremsen des Stößels un­ ter Energiespeicherung erfolgt. Dieser bekannte Kurbelantrieb läßt sich so betrei­ ben, daß beim Zuschalten mittels der Kupplung das Schwungrad die gleiche Dreh­ zahl wie die vom zweiten Motor getriebene Welle hat und daß der zweite Motor elektrisch gebremst wird. Bei einer solchen Bauweise wird die im zweiten Motor anfallende Bremsenergie in Wärmeenergie umgesetzt und muß der Hauptmotor beim Kuppeln die gleiche Drehzahl wie der zweite Motor haben, weshalb der Hauptmotor kontinuierlich mit dieser Drehzahl betrieben wird.

Es ist auch bekannt (DE-Zeitschrift drive & control 2-3/93, S. 14-21), bei einem Antrieb mit zwei Asynchronmotoren die beiden Asynchronmotoren jeweils fre­ quenzgeregelt zu gestalten und an einen von zwei steuerbaren Wechselrichtern an­ zuschließen. Es ist jedoch nicht ersichtlich, wie diese Bauweise auf einen Kurbelan­ trieb der eingangs genannten Art anwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kurbelantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem einerseits dynamische Belastungen der Kupplung und ei­ ner mechanischen Reibungsbremse mit Sicherheit völlig vermieden sind und ande­ rerseits die Energiespeicherung beim Bremsen des Stößels in wirtschaftlich brauch­ barer Weise erfolgt und die gespeicherte Energie in den Kurbelantrieb zurückge­ führt wird. Der erfindungsgemäße Kurbelantrieb ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Asynchronmotoren jeweils frequenzgeregelt sind und an einem von zwei steuerbaren Wechselrichtern angeschlossen sind, die ihrer­ seits einerseits über Gleichrichter an das Netz angeschlossen sind und andererseits über zwei steuerbare Schalter miteinander verbindbar sind, und daß den Betriebszu­ ständen folgende Schaltzustände zugeordnet sind:

• 1. a) beim Beschleunigen durch den vom Netz her beaufschlagten zweiten Asynchron­ motor speist der bezüglich der Drehzahl des Schwungrades generatorisch gesteu­ erte Haupt-Asynchronmotor über den geschlossenen ersten Schalter S1 den zwei­ ten Asynchronmotor zusätzlich, wobei der zweite Schalter S2 offen ist,
• 2. b) Zum Kuppeln werden beide Asynchronmotoren auf gleiche Drehzahl gesteuert, wobei der erste Schalter S1 geschlossen ist und der zweite Schalter S2 offen ist,
• 3. c) beim Pressenhub wird die Frequenz beider Wechselrichter heruntergesteuert und der erste Schalter S1 geöffnet, wobei der zweite Schalter S2 offen ist,
• 4. d) in Verbindung mit dem Entkuppeln wird der zweite Asynchronmotor auf die Frequenz 0 gesteuert und läuft der Haupt-Asynchronmotor weiter, wobei der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 offen sind, und
• 5. e) beim Bremsen speist der bezüglich der Drehzahl der Kurbelwelle generatorisch gesteuerte zweite Asynchronmotor über den geschlossenen zweiten Schalter S2 den Haupt-Asynchronmotor zusätzlich, der vom Netz her beaufschlagt das Schwungrad auf größere Drehzahl bringt, wobei der erste Schalter geöffnet ist.

Eine als zweiter Motor dienende druckgasgefüllte Kolben-Zylinder-Einrichtung, die im oberen Totpunkt im gespannten Zustand zu halten ist, ist entfallen. Da das Bremsen mittels des zweiten Asynchronmotors erfolgt, ist eine mechanische Rei­ bungsbremse entfallen. Beim Beschleunigen wird nicht nur dem zweiten Asyn­ chronmotor genügend Energie zugeführt, um die Kurbelwelle auf eine hohe Dreh­ zahl zu bringen, sondern auch der Haupt-Asynchronmotor samt dem Schwungrad in der Drehzahl verringert, so daß das Schwungrad und die Kurbelwelle mit tatsächlich gleicher Drehzahl gekuppelt werden und jegliche dynamische Belastung der Kupplung entfällt. Die beim Bremsen mittels des generatorisch betriebenen zweiten Asynchronmotors zurückgewonnene Energie wird durch eine Erhöhung der Drehzahl des Schwungrades gespeichert. Für das Beschleunigen liefert der generatorisch betriebene Haupt-Asynchronmotor Energie an den zweiten Asynchronmotor. Die Netzbelastung ist weiter vergleichmäßigt. Es sind keine dynamischen Belastungen einer mechanischen Reibungsbremse und der Kupplung mehr vorhanden.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn sich das Beschleu­ nigen auf 0°-120°, das Kuppeln auf 120°-150°, der Pressenhub auf 150°-210°, das Entkuppeln auf 210°-240° und das Bremsen auf 240°-360° bzw. 0° erstreckt. Bei diesen Winkelbereichen ist der Kur­ belantrieb für schwere Schmiedearbeiten optimal ausgelegt. Für Blech­ verformung sind die Grenzen der Winkelbereiche anders gesetzt.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn der Haupt- Aynchronmotor auf das Schwungrad über ein Drehzahl-Untersetzungs­ getriebe arbeitet, das am Schwungrad über ein im Durchmesser kleines Zahnrad angreift. Die Drehzahl-Untersetzung wird gewählt, um den Asynchronmotor hinsichtlich Bauvolumen und abgegebenes Drehmo­ ment günstig zu gestalten, wobei die Drehzahl-Untersetzung in zwei Stufen erfolgt.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es sodann, wenn der zweite Asynchronmotor auf die Kurbelwelle über ein Drehzahl-Untersetzungsge­ triebe arbeitet, das an einem an der Kurbelwelle angebrachten Groß­ kranz über ein im Durchmesser kleines Zahnrad angreift. Die Drehzahl- Untersetzung wird gewählt, um den Asynchronmotor hinsichtlich Bau­ volumen und abgegebenes Drehmoment günstig zu gestalten, wobei die Drehzahl-Untersetzung in zwei Stufen erfolgt.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es ebenso, wenn beide Asyn­ chronmotoren gleich ausgebildet sind. Dies vereinfacht und verbilligt den Aufbau des Kurbelantriebs.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und zeigt

Fig. 1 schematisch einen Kurbelantrieb einer Kurbelpresse großer Preß­ kraft mit einer ersten Schaltung,

Fig. 2 eine zweite Schaltung, die wahlweise zu der ersten Schaltung einsetzbar ist, und

Fig. 3 eine Grafik zur Verdeutlichung der Funktion des Kurbelantriebs gemäß Fig. 1.

Bei dem Kurbelantrieb gemäß Zeichnung ist jeweils ein Pressengestell mit einem unteren Querstück 1, zwei Ständern 2 und einem oberen Querstück 3 vorgesehen. Zwischen den Ständern 2 ist ein Stößel 4 auf- und abbewegbar geführt, der an dem unteren Ende einer Schubstange 5 angebracht ist, die Teil eines Kurbelantriebs 6 ist. Das obere Ende der Schubstange 5 ist an einer einfachen Kurbelwelle 7 drehbar angebracht, die an zwei Seiten in je einem der Ständer 2 drehbar gelagert ist und bei jedem der Ständer ein Wellenende 8 bildet. Es ist ein Haupt-Asyn­ chronmotor 9 am oberen Querstück 3 vorgesehen, der auf ein Getriebe 10 arbeitet, das über ein Vorgelege 11 und ein Triebzahnrad 12 ein Schwungrad 13 treibt, das koaxial zu der Kurbelwelle 7 drehbar gelagert ist. Am Pressengestell und zwar an dem einen Ständer 2 ist eine Fest­ stelleinrichtung 14 vorgesehen, die an dem Schwungrad 13 angreift, um den Kurbelantrieb 6 festzustellen. Das Schwungrad 13 trägt eine Aus­ gangswelle 15, die über eine Kupplung 18 mit dem einen Wellenende 8 der Kurbelwelle 7 verbunden bzw. verbindbar ist.

Die Feststelleinrichtung 14 hält das Schwungrad 13 und damit den Stößel 4 im oberen Totpunkt oder in einer anderen vorwählbaren Stel­ lung fest. Das Schwungrad 13, die Kurbelwelle 7, die Schubstange 5 und der Stößel 4 werden dann mittels eines zweiten Asynchronmotors 19 bis ca. 30° vor dem unteren Totpunkt auf die der Hubfrequenz ent­ sprechende Drehzahl, z. B. 60 Umdrehungen/min, beschleunigt. Von ca. 30° vor dem unteren Totpunkt bis zum unteren Totpunkt wird die im Schwungrad gespeicherte Energie oder je nach Bedarf ein Teil der ge­ speicherten Energie während der Umformung in das Werkstück einge­ leitet. Die Schwungmassen werden über den unteren Totpunkt hinaus drehzahlgeregelt für den Rückhub bewegt. Ab ca. 30° nach dem unte­ ren Totpunkt erfolgt ein generatorisches Bremsen mit Rückführung der Energie.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Hauptmotor 9 ein Asyn­ chronmotor. Zwischen der an dem Schwungrad 13 vorgesehenen Aus­ gangswelle 15 und dem Wellenende 8 ist die Kupplung 18 in Form einer schaltbaren Eingriffskupplung 18 vorgesehen. Am zweiten Ende der Kurbelwelle 7 greift der zusätzlich vorgesehene frequenzgeregelte Asynchronmtor 19 an, der bremsend als Generator arbeitet. Bei dem Asynchronmotor ist auch eine Sicherheitshalteeinrichtung 20 vorge­ sehen. Der zweite Asynchronmotor 19 greift an einem Untersetzungs­ getriebe 16 an, das z. B. als Planetenradgetriebe ausgebildet ist und mit einem kleinen Zahnrad an einem gezahnten Großkranz 17 angreift, der am Wellenende 8 der Kurbelwelle 7 sitzt.

Mittels des Haupt-Asynchronmotors 9 wird über das Vorgelege 11 das Schwungrad 13 auf die Drehzahl gebracht, die der nominellen Hubfre­ quenz der Presse entspricht, z. B. 60 Umdrehungen/min. Dabei wird die der Presse zugeordnete Umformenergie im Schwungrad gespeichert und durch den konstruktiv vorbestimmten Drehzahlabfall des Schwungrades während der Umformung an das umzuformende Mate­ rial abgegeben. Es werden mittels des frequenzgeregelten zweiten Asynchronmotors 19, der mit der Kurbelwelle 7 direkt gekuppelt ist, die Kurbelwelle, die Schubstange 5 und der Stößel 4 entsprechend der Schwungrad-Drehzahl beschleunigt. Bei Synchronlauf von Schwungrad und Kurbelwelle wird über die schaltbare Kupplung 18 das Schwungrad zugeschaltet. Aufgrund des Synchonlaufs sind beim Ankuppeln Schalt­ stoß, Lärmentwicklung und Verschleiß vermieden. Von ca. 30° vor dem unteren Totpunkt bis zum unteren Totpunkt erfolgt die Umfor­ mung des Werkstücks. Für den Rückhub des Stößels bleibt das Schwungrad zunächst bis ca. 30° nach dem unteren Totpunkt ange­ kuppelt. Ab ca. 30° nach dem unteren Totpunkt folgt die Entkupplung des Schwungrades, und die Bewegungsenergie von Kurbelwelle, Schubstange und Stößel wird mittels des an die Kurbelwelle installier­ ten, jetzt als Generator arbeitenden zweiten Asynchronmotor 19 zu­ rückgeführt.

Für die Frequenzregelung der beiden Asynchronmotoren 9, 19 ist je­ weils an das Netz 21 eine Folge eines Gleichrichters 22, 23 und eines Wechselrichters 24, 25 angeschlossen, die ihrerseits jeweils an einen der beiden Asynchronmotoren angeschlossen sind. Die dem Gleichrichter zugewendeten Seiten der beiden Wechselrichter 24, 25 sind über zwei zueinander parallele Schalter S1, S2 miteinander verbunden. Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 ist jeder Wechselrichter über den einen gemeinsamen Gleichrichter an das Netz angeschlossen und bei der Schaltung gemäß Fig. 2 ist jeder Wechselrichter über einen eigenen Gleichrichter an das Netz angeschlossen. Die Schaltung ist je­ weils mit weiteren Schaltelementen 31 versehen, wie sie bei Schaltun­ gen zum frequenzgeregelten Steuern von Asynchronmotoren üblich sind.

Die Grafik gemäß Fig. 3 verdeutlicht die verschiedenen Be­ triebszustände während einer 360°-Drehung der Kurbelwelle. Vom oberen Totpunkt OT weg gibt es zunächst den Bereich 26 des Be­ schleunigens, an den sich der Bereich 27 des Kuppelns anschließt. So­ dann folgt der Bereich 28 des Pressenhubs, an den sich der Bereich 29 des Endkuppelns anschließt, der in dem Bereich 30 des Bremsens über­ geht, der am oberen Totpunkt OT endet.

Claims (4)

1. Kurbelantrieb einer Kurbelpresse großer Preßkraft,
bei dem an einem über einen unteren Totpunkt und einen oberen Totpunkt hin- und herbewegbaren Stößel eine Kurbelwelle angreift,
bei dem ein erstes Wellenende der Kurbelwelle mittels einer Kupplung mit ei­ nem laufenden Schwungrad kuppelbar ist, das von einem Haupt-Asynchronmo­ tor her antreibbar ist, der an ein elektrisches Versorgungs-Netz angeschlossen ist,
bei dem die Kurbelwelle mit einem zweiten Asynchronmotor verbunden ist, dem eine Bremseinrichtung und eine Energiespeichereinrichtung zugeordnet ist, und
bei dem dem Haupt-Asynchronmotor und dem zweiten Asynchronmotor eine Schaltung zugeordnet ist, die, bezogen auf eine 360°-Drehung der Kurbelwelle, folgende Betriebszustände einstellt:
Beschleunigen des Stößels mittels des zweiten Motors ab dem oberen Totpunkt, Kuppeln des Schwungrades an die Kurbelwelle, Pressenhub durch den unteren Totpunkt, Entkuppeln des Schwungrades von der Kurbelwelle, Bremsen des Stö­ ßels unter Energiespeicherung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Asynchronmotoren (9, 19) jeweils frequenzgeregelt und an einen von zwei steuerbaren Wechselrichtern (24, 25) angeschlossen sind, die ihrerseits einerseits über Gleichrichter (22, 23) an das Netz (21) angeschlossen sind und an­ dererseits über zwei steuerbare Schalter S1, S2 miteinander verbindbar sind, und
daß den Betriebszuständen folgende Schaltzustände zugeordnet sind:

• a) beim Beschleunigen durch den vom Netz (21) her beaufschlagten zweiten Asynchronmotor (19) speist der bezüglich der Drehzahl des Schwungrades (13) generatorisch gesteuerte Haupt-Asynchronmotor (9) über den geschlosse­ nen ersten Schalter S1 den zweiten Asynchronmotor (9) zusätzlich, wobei der zweite Schalter S2 offen ist,
• b) zum Kuppeln (27) werden beide Asynchronmotoren (9, 19) auf gleiche Dreh­ zahl gesteuert, wobei der erste Schalter S1 geschlossen ist und der zweite Schalter S2 offen ist,
• c) beim Pressenhub (28) wird die Frequenz beider Wechselrichter (24, 25) her­ untergesteuert und der erste Schalter S1 geöffnet, wobei der zweite Schalter S2 offen ist,
• d) in Verbindung mit dem Entkuppeln (29) wird der zweite Asynchronmotor (19) auf die Frequenz 0 gesteuert und läuft der Haupt-Asynchronmotor (9) weiter, wobei der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 offen sind, und
• e) beim Bremsen (30) speist der bezüglich der Drehzahl der Kurbelwelle (7) ge­ neratorisch gesteuerte zweite Asynchronmotor (19) über den geschlossenen zweiten Schalter S2 den Haupt-Asynchronmotor (9) zusätzlich, der vom Netz (21) her beaufschlagt das Schwungrad (13) auf größere Drehzahl bringt, wobei der erste Schalter S1 geöffnet ist.

2. Kurbelantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Beschleu­ nigen (26) auf 0°-120°, das Kuppeln (27) auf 120°-150°, der Pressenhub (28) auf 150°-210°, das Entkuppeln (29) auf 210°-240° und das Bremsen (30) auf 240°-360° bzw. 0° erstreckt.

3. Kurbelantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupt- Asynchronmotor (9) auf das Schwungrad (13) über ein Drehzahl-Untersetzungs­ getriebe (10, 11) arbeitet, das am Schwungrad (13) über ein im Durchmesser klei­ nes Zahnrad (13) angreift.

4. Kurbelantrieb nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Asynchronmotoren (9, 19) gleich ausgebildet sind.