DE19733326A1 - Antriebseinrichtung für eine Umformmaschine und ein Verfahren zur Steuerung der Umformmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung und ein Verfah­ ren zur Steuerung einer Umformmaschine, insbesondere einer me­ chanischen Presse, nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 18.

Bei mechanischen Pressen mit einem Stößelantrieb, insbesondere Umformpressen, wie sie z. B. bei der Blechbearbeitung verwendet werden, ist es vielfach vorteilhaft, die Hubgeschwindigkeit in­ nerhalb eines Hubzyklus zu verändern, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen und die mechanische Belastung von Werkzeug und Ma­ schine sowie die Lärmemission zu reduzieren.

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Lösungen be­ kannt, bei denen die Hubgeschwindigkeit während eines Pressen­ hubs verändert werden kann.

So ist es zum Beispiel bekannt, einen Pressenantrieb mit zwei Schwungrädern und zugehörigen Kupplungen auszurüsten und durch wechselseitiges Schalten der Kupplungen ein gewünschtes Ge­ schwindigkeitsprofil des Pressenstößels einzustellen. Derartige Antriebe sind jedoch verhältnismäßig aufwendig und energetisch unwirtschaftlich.

Es ist ferner bekannt, für Pressenantriebe von Umformpressen einstufige Planetenradschaltgetriebe einzusetzen, bei denen über Kupplungs- und Bremskombinationen zwei unterschiedliche Getriebeabtriebsdrehzahlen eingerichtet werden. Dabei wird bei einer Verzögerung des Stößelantriebs die freiwerdende Energie als Reibungswärme an die Umgebung abgeführt. Die Reibungswärme ist somit reine Verlustenergie und in der Regel nicht weiter nutzbar. Bei der anschließenden Beschleunigung des Stößelan­ triebs muß die dafür notwendige Energie von außen zugeführt werden. Für diese Energiezufuhr ist oftmals ein Zusatzantrieb vorgesehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine An­ triebseinrichtung für eine Umformmaschine, insbesondere einer mechanischen Presse, der eingangs genannten Art, sowie ein Ver­ fahren zur Steuerung einer Umformmaschine, insbesondere zur Steuerung der im Anspruch 1 genannten Antriebseinrichtung, zu schaffen, die es gestattet, den energetischen Wirkungsgrad ei­ ner solchen Umformmaschine zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einer Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine formschlüssige Kupp­ lungseinrichtung zur Auswahl der auf die Antriebswelle übertra­ genen Drehzahl vorgesehen ist.

Vorzugsweise hat das Schwungrad eine direkte Antriebsverbindung mit der Antriebswelle, wenn die formschlüssige Kupplungsein­ richtung in einer ersten Stellung ist und eine übersetzte An­ triebsverbindung mit der Antriebswelle, wenn die formschlüssige Kupplungseinrichtung in einer zweiten Stellung ist.

Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens zur Steuerung einer Umformmaschine nach dem Oberbegriff des Anspru­ ches 18 gelöst durch Einspeisen der beim Abbremsen der Kurbel­ welle entnommene Energie in den Energiespeicher und Entnehmen der beim Beschleunigen der Kurbelwellen benötigten Energie aus dem Energiespeicher.

Vorzugsweise erfolgt das Umschalten von einer Antriebsdrehzahl in eine andere Antriebsdrehzahl in Abhängigkeit des Kurbelwin­ kels der Kurbelwelle und der relativen Stellung einer Schalt­ einrichtung.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht der zum Umschalten vorgesehenen Kupplungseinrichtung, und

Fig. 2 eine Seitenansicht der Antriebseinrichtung gemäß des Ausführungsbeispiels.

Die in Fig. 2 gezeigte Antriebseinrichtung einer mechanischen Presse verfügt in üblicher Weise über einen nicht näher gezeig­ ten Stößelantrieb, der durch ein Antriebsritzel 2 angetrieben wird. Die Antriebseinrichtung wird über ein Schwungrad 1, das gleichzeitig als Energiespeicher dient, angetrieben. Das Schwungrad 1 ist koaxial auf der Antriebswelle gelagert und re­ lativ zu dieser drehbar. Zur Antriebsverbindung des Schwungrads 1 mit der Antriebswelle des Pressenhauptantriebs (Stößelan­ trieb) ist eine Getriebeeinrichtung 3 in Form eines Umlaufrä­ dergetriebes, insbesondere eines Planetengetriebes, vorgesehen. Das Umlaufrädergetriebe 3 zur Drehmomentübertragung arbeitet im Dreiwellenbetrieb und verfügt über ein Antriebszahnrad, das koaxial mit der Antriebswelle verbunden ist. Das Antriebszahn­ rad ist im Eingriff mit einem ersten Zahnrad einer Umlaufzahn­ radeinrichtung. Die Umlaufzahnradeinrichtung weist das genannte erste Zahnrad und ein zweites Zahnrad, das koaxial mit dem er­ sten Zahnrad über eine gemeinsame Welle verbunden ist, auf. Diese Welle ist durch zwei Kugellager in einem Gehäuse der Ge­ triebeeinrichtung 3 gelagert. Dieses Gehäuse ist fest mit dem Schwungrad 1 verbunden, um die Antriebsenergie auf die Getrie­ beeinrichtung zu übertragen. Das zweite Zahnrad der Umlaufzahn­ radeinrichtung ist im Eingriff mit einem Zwischenzahnrad, das koaxial zum Antriebszahnrad, aber relativ zu diesem drehbar, angeordnet ist.

Zum Umschalten der Antriebsdrehzahl von einer Arbeitsgeschwin­ digkeit in eine höhere Leerlaufgeschwindigkeit steht das Um­ laufrädergetriebe 3 in Wirkverbindung in einer formschlüssigen Kupplung 4. Die formschlüssige Kupplung 4 hat dazu eine erste und eine zweite Arbeitsstellung. Ein Verbindungsteil verbindet das Zwischenzahnrad des Umlaufrädergetriebes mit einer Schalt­ scheibe 5 der formschlüssigen Kupplung 4. Die Schaltscheibe 5 ist axial verschiebbar, und über ein Vielkeilprofil 6 mit einem Zwischenteil verbunden. Die mit dem Zwischenzahnrad verbundene Schaltscheibe 5 wird über eine Schaltgabel 17, die über einen am Gestell 13 befestigten Zylinder 16 angesteuert wird, axial bewegt. Innerhalb des axialen Verschiebungsbereiches der Schaltscheibe 5 ist eine erste und zweite Gegenscheibe 8, 9 der formschlüssigen Kupplung 4 angeordnet. Die erste und zweite Ge­ genscheibe 8, 9 ist koaxial zur Schaltscheibe 5 angeordnet. Die Schaltscheibe 5 besitzt mehrere erste Mitnehmer 11, die auf ei­ ner Kreisbahn angeordnet sind. Die erste und zweite Gegenschei­ be 8, 9 besitzen mehrere zweite Mitnehmer 12, die auf einer Kreisbahn koaxial zur Antriebswelle gegenüberliegend zu den er­ sten Mitnehmern 11 der Schaltscheibe 5 angeordnet sind.

Die erste Gegenscheibe 8 ist in Wirkverbindung mit dem Gestell 13. Diese Verbindung erfolgt durch eine Friktionsscheibe 10, die zwischen der Gegenscheibe 8 und dem Gestell 13 angeordnet ist. Die Friktionsscheibe 10 wird durch eine Feder 21 gegen das Gestell 13 gedrückt, so daß eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der ersten Gegenscheibe 8 und dem Gestell 13 entsteht. Die zweite Gegenscheibe 9 ist über das Gehäuse des Umlaufräder­ getriebes 3 in Wirkverbindung mit dem Schwungrad 1. Zwischen der zweiten Gegenscheibe 9 und dem Gehäuse des Umlaufräderge­ triebes ist ebenfalls eine Friktionsscheibe 10 und eine Feder 21 angeordnet. Dadurch wird in vergleichbarer Weise, wie bei der ersten Gegenscheibe 8, eine formschlüssige Verbindung zwi­ schen der zweiten Gegenscheibe über das Gehäuse des Umlaufrä­ dergetriebes mit dem Schwungrad 1 hergestellt. Die Anpreßkraft der Federn 21 ist dabei so gewählt, daß unzulässig hohe Drehmo­ mentspitzen nicht in die jeweilige Baugruppen übertragen wer­ den.

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die zweiten Mitnehmer 12 der ersten und zweiten Gegenscheibe 8, 9 zum Eingriff mit den jeweils ge­ genüberliegenden Mitnehmern 11 der Schaltscheibe 5 vorgesehen. Da der Eingriff formschlüssig erfolgt, wird der auftretende Drehstoß beim Aufeinanderfahren der ersten und zweiten Mitneh­ mer 11, 12 durch ein Dämpfungsmaterial 14, mit dem die Anlage­ flächen der ersten und zweiten Mitnehmer 11, 12 belegt sind, gedämpft.

Am Gestell 13 ist ein Zylinder 16 befestigt, der von einem Ser­ voventil 15 angesteuert wird und eine Schaltgabel 17 bewegt. Diese Schaltgabel 17 ist mit der Schaltscheibe 5 verbunden, um diese axial zu bewegen. Die Ansteuerung des Servoventils 15 er­ folgt über eine Auswerteschaltung 22, die über eine Gruppe von Sensoren 18, 19, 20 die Schaltstellung der Schaltscheibe 5 und die relative Winkellage der ersten Mitnehmer 11 der Schalt­ scheibe 5 zu den zweiten Mitnehmern 12 der ersten und zweite Gegenscheibe 8, 9 ermittelt.

In einer ersten Stellung a der axial verschiebbaren Schalt­ scheibe 5 der formschlüssigen Kupplung 4 sind die ersten Mit­ nehmer 11 der Schaltscheibe 5, die der ersten Gegenscheibe 8 zugewandt sind, in Anlageverbindung mit den zweiten Mitneh­ mern 12 der ersten Gegenscheibe 8, die in kraftschlüssiger Verbindung mit dem Gestell ist, d. h., das Zwischenzahnrad ist in Wirkverbindung mit dem Gestell 13 und bleibt stehen. In dieser Schaltstellung dreht sich die Antriebswelle des Stö­ ßelantriebs in der Arbeitsgeschwindigkeit. In einer zweiten Stellung b der Schaltscheibe 5 sind die ersten Mitnehmer 11 der Schaltscheibe 5, die der zweiten Gegenscheibe 9 zugewandt sind, in Anlageverbindung mit den zweiten Mitnehmern 12 der zweiten Gegenscheibe 9, die in kraftschlüssiger Verbindung mit dem Gehäuse des Umlaufrädergetriebes ist, d. h., das Zwi­ schenzahnrad ist in Wirkverbindung mit dem Schwungrad 1. In dieser Schaltstellung dreht sich die Antriebswelle mit der hohen Leerlaufgeschwindigkeit. In einer Mittelstellung (gezeichnete Stellung in Fig. 2) ist die Schaltscheibe 5 mit keiner Gegenscheibe 8, 9 in Verbindung.

Die axiale Bewegung der Schaltscheibe 5 in die erste oder zweite Schaltstellung kann erfolgen, wenn die ersten Mitneh­ mer 11 der Schaltscheibe 5 in eine Lücke zwischen den zweiten Mitnehmern 12 der ersten oder der zweiten Gegenscheibe 8, 9 eintauchen können. Dieser Schaltzeitpunkt wird durch die Aus­ werteschaltung 22 bestimmt. Dazu wird über die Sensoren 18, 19, 20 die Lage der jeweiligen Elemente zueinander bestimmt.

Zur Abstützung des Drehmomentes in der technologischen Ar­ beitsphase wird eine Halteeinrichtung 23 in Form einer Feder­ drucklamellenbremse eingesetzt. Die Halteeinrichtung ist zwi­ schen dem Zwischenzahnrad und dem Gestell 13 angeordnet, um das Zwischenzahnrad direkt mit dem Gestell zu verbinden. Die Federdrucklamellenbremse wird geschaltet, nachdem der Antrieb von der Leerlaufgeschwindigkeit auf die Arbeitsgeschwindig­ keit durch die formschlüssige Kupplung 4 geschaltet wurde. Nachdem die formschlüssige Kupplung 4 geschaltet ist, kommt das Zwischenzahnrad zum Stillstand und wird nun von der Fe­ derdrucklamellenbremse festgehalten. Die Federdrucklamellen­ bremse bewirkt nur das Festhalten im statischen Zustand, so daß keine Energieverluste auftreten können. Nach erfolgtem Umformprozeß wird die Federdrucklamellenbremse wieder geöff­ net, und die formschlüssige Kupplung bringt über die Schwung­ radenergie die Kurbelwelle von der niedrigen auf die hohe Drehzahl. Der Umschaltzeitpunkt und der Winkelbereich für die Wirkdauer der jeweiligen Hubzahl sind über den Kurbelwinkel frei wählbar mit der Einschränkung, daß direkt in der Umform­ phase ein Umschalten der Drehzahl nicht möglich ist. In der erläuterten Ausführungsform kann erforderlichenfalls die Fe­ derdrucklamellenbremse auch als Aktivbremse zum Abbremsen ei­ nes sich drehenden Zwischenrads verwendet werden. D.h., die Halteeinrichtung (hier Federdrucklamellenbremse) kann unter allen Betriebsbedingungen aktivierbar sein. Die Arbeitssi­ cherheit der Presse bleibt unverändert und ist bestimmt durch die Reibungskupplung und Bremse (nicht gezeigt) des Hauptan­ triebs der Maschine.

Durch den Einsatz der formschlüssigen Kupplung 4 ist es mög­ lich, die Antriebsdrehgeschwindigkeit zu verändern, ohne die sonst üblichen hohen Energieverluste. Das Schwungrad 1 dient dabei als Energiespeicher, der beim Abbremsen des Stößelan­ triebs die freiwerdende Energie in Form von Drehenergie spei­ chert und beim Beschleunigen des Stößelantriebs diese Energie der Antriebseinrichtung wieder zuführt.

Claims (19)

1. Antriebseinrichtung für eine Umformmaschine, insbesonde­ re eine mechanischen Presse, mit einer schaltbaren Getriebe­ einrichtung zur Antriebsverbindung eines Schwungrades mit ei­ ner Antriebswelle eines Stößelantriebs, wobei die Drehzahl der Antriebswelle durch die schaltbare Getriebeeinrichtung einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine formschlüs­ sige Kupplungseinrichtung (4) zur Auswahl der auf die An­ triebswelle übertragenen Drehzahl vorgesehen ist.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schwungrad (1) eine übersetzte Antriebsver­ bindung mit der Antriebswelle aufweist, wenn die formschlüssi­ ge Kupplungseinrichtung (4) in einer ersten Stellung ist, und das Schwungrad (1) eine direkte Antriebsverbindung mit der Antriebswelle aufweist, wenn die formschlüssige Kupplungsein­ richtung (4) in einer zweiten Stellung ist.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schwungrad (1) koaxial zur Antriebswelle angeordnet ist, und eine Umlaufzahnradeinrichtung der Getrie­ beeinrichtung (3) drehbar und achsparallel in einem Abstand zur Antriebswelle mit dem Schwungrad (1) verbunden ist, und ein Antriebszahnrad der Getriebeeinrichtung (3) koaxial mit der Antriebswelle verbunden und in Eingriff mit der Umlauf­ zahnradeinrichtung ist, und ein Zwischenzahnrad (7) der Ge­ triebeeinrichtung (3) koaxial und relativ drehbar zum An­ triebszahnrad angeordnet und mit der Umlaufzahnradeinrichtung in Eingriff ist, wobei in der ersten Stellung der Kupplungs­ einrichtung (4) das Zwischenzahnrad mit einem ortsfesten Ge­ stell (13) verbunden ist, und in der zweiten Stellung der Kupplungseinrichtung das Zwischenzahnrad mit dem Schwungrad (1) verbunden ist.

4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kupplungseinrichtung (4) ein Verbindungs­ teil, das koaxial mit dem Zwischenzahnrad verbunden ist und eine Schaltscheibe (5) aufweist, die koaxial und axial ver­ schiebbar mit dem Verbindungsteil verbunden ist, und eine er­ ste Gegenscheibe (8), die mit dem Gestell (13) verbunden ist, und eine zweite Gegenscheibe (9), die mit dem Schwungrad (1) verbunden ist, aufweist, wobei die erste und zweite Gegen­ scheibe (8, 9) in einem Eingriffsbereich der axial verschieb­ baren Schaltscheibe (5) koaxial zu dieser angeordnet sind und auf der, der Schaltscheibe (5) zugewandten Seite, Ein­ griffseinrichtungen (12, 14) aufweisen, die zum formschlüssi­ gen Eingriff mit Eingriffseinrichtungen (11, 14) der Schalt­ scheibe (5) vorgesehen sind.

5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eingriffseinrichtungen der Schaltscheibe (5) erste Mitnehmer (11) aufweisen, und die Eingriffseinrich­ tungen der ersten und zweiten Gegenscheibe (8, 9) zweite Mit­ nehmer (12) aufweisen, wobei die ersten und zweiten Mitnehmer (11, 12) in Abhängigkeit der Stellung der formschlüssigen Kupplungseinrichtung (4) sich miteinander in Eingriff befin­ den.

6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten und zweiten Mitnehmer (11, 12) auf einer Kreisbahn angeordnet sind, die konzentrisch zur Dreh­ achse des Zwischenzahnrades ist.

7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Mitnehmer (11, 12) an ihren Anlageflächen ein schlagdämpfendes Material (14) aufweisen.

8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung der ersten Gegen­ scheibe (9) mit dem Schwungrad (1), und die Verbindung der zweiten Gegenscheibe (8) mit dem Gestell (13) kraftschlüssig ist.

9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung der ersten und zweiten Gegenscheibe (8, 9) mit dem Schwungrad (1) bzw. dem Gestell (13) jeweils eine Friktionsscheibe (10) aufweist, die durch am Umfang verteilte Fehlerelemente (21) beaufschlagt ist, wobei die Federkraft der Federelemente (21) das maximal übertragbare Drehmoment der formschlüssigen Kupplungseinrich­ tung (4) bestimmt.

10. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltgabel (17) zur axialen Bewegung der Schaltscheibe (5) vorgesehen ist.

11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltgabel (17) durch einen am Gestell (13) befestigten Zylinder (16) bewegbar ist.

12. Antriebseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Halteeinrichtung (23) zur Verbindung des Zwischenzahnra­ des (7) mit dem Gestell (13) aufweist.

13. Antriebseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halteeinrichtung (23) bei stehendem Zwi­ schenrad aktivierbar ist.

14. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (23) eine Federdrucklamellenbremse ist.

15. Antriebseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kupplungseinrichtung (4) aufweist.

16. Antriebseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Sensoreinrichtung (18, 19, 20) und eine Auswerteeinrichtung (22) zur Ermittlung der Schaltfreigabe der formschlüssigen Kupplungseinrichtung (4) in Abhängigkeit einer Sollwinkelstellung der Antriebswelle und der relativen Lage der ersten und zweiten Mitnehmer (11, 12) zueinander.

17. Antriebseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung ein Schaltsignal bereit­ gestellt, wenn die Kurbelwelle in der Sollwinkelstellung ist, und die ersten Mitnehmer (11) der Schaltscheibe (5) und die zweiten Mitnehmern (12) der ersten oder zweiten Gegenscheibe (9, 8) sich in einer schaltbaren Stellung zueinander befinden.

18. Verfahren zur Steuerung einer Umformmaschine, insbesondere einer mechanischen Presse, mit einem Energiespeicher und einer Mehrzahl schaltbarer Antriebsdrehzahlen einer Kurbelwelle eines Stößelantriebs, wobei das Umschalten zwischen den Antriebsdreh­ zahlen in einem lastfreien Zustand innerhalb einer Kurbelwel­ lenumdrehung erfolgt, gekennzeichnet durch Einspeisen der beim Abbremsen der Kurbelwelle entnommenen Energie in den Energie­ speicher, Entnehmen der beim Beschleunigen der Kurbelwelle be­ nötigten Energie aus dem Energiespeicher.

19. Verfahren zur Steuerung einer Umformmaschine nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Umschalten von einer Antriebsdrehzahl in eine andere Antriebsdrehzahl in Abhängigkeit des Kurbelwin­ kels der Kurbelwelle und der relativen Stellung einer Schalt­ vorrichtung.