Maschinenbau 03.06.2011, 19:53 Uhr

Mit kräftigem Schwung zur Ressourceneffizienz

Zum Umformen von Karosserieblechen braucht man große Kräfte und sehr viel elektrische Energie. Mechanisch gekoppelte Schwungmassen trieben bisher den Stößel an und speicherten kurzfristig Energie für den nächsten Hub. Der Göppinger Pressenhersteller Schuler entkoppelt nun die Mechanik und spart Energie.

Schwungräder als Energiespeicher haben an großen Industriepressen Tradition. Nun hat Schuler aus Göppingen dabei die Mechanik entkoppelt. „Dadurch erzielen wir mit der bewährten, herkömmlichen Pressenmechanik eine deutlich höhere Produktivität, ohne die Werksnetze durch die Leistungsspitzen der neuen Pressenantriebe zu überlasten“, sagt Dieter Reisch, Leiter der Elektrokonstruktion bei Schuler Pressen. Von Pressen und Gesenkschmieden gehen, bedingt durch die Stößelhübe der Servomotoren, schwankende Netzbelastungen aus.

Bisher versuchte man dies entweder durch Konverterspeicher wie Kondensatoren oder mechanisch gekoppelte Schwungmassen zu reduzieren. Schuler verzichtet jetzt bei Karosseriepressen, Schnittpressen sowie Stanz- und Umformautomaten auf ein konventionelles, über eine Kupplung mit der Pressen-Antriebswelle mechanisch verbundenes Schwungrad. Die Schwungmasse wird elektrisch entkoppelt. Dazu werden alle Servohauptantriebe einer Presse über einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt, der über einen Umrichter vom Netz gespeist wird.

An diesen Zwischenkreis sind zusätzlich Asynchronmotoren mit Spitzenleistungen bis zu 1 MW pro Schwungrad, einer Nennleistung von 550 kW und hoher Rotormasse angeschlossen. Sie arbeiten wie Schwungräder: Durch ein intelligentes Energiemanagementsystem schalten die Motoren bei Energiebedarf der Pressenantriebe annähernd zeitgleich in den generatorischen Betrieb.

Im Gegensatz zu anderen elektrischen Energiespeicherlösungen wie Kondensatorspeichern kann dabei die Zwischenkreisspannung sehr konstant gehalten werden. Bei Energierückfluss aus den Pressenantrieben, also beim Bremsen, schalten die Motoren unmittelbar in den motorischen Betrieb. Auf diese Weise lassen sich hohe Energiedichten und Reaktionsgeschwindigkeiten im Millisekundenbereich erreichen. Somit ergibt sich resultierend eine sehr moderat ändernde Stromaufnahme der Pressenanlage.

Pro Zyklus bremsen und beschleunigen die Schwungradantriebe in diesem Beispiel je zwei Mal. Der Umrichter wirkt in diesem Zusammenhang wie ein stufenloses Getriebe. Das Energieprofil, also der Zeitverlauf des Energiebedarfs, einer Servopresse ist dabei abhängig von der Umformarbeit, dem Bewegungsprofil und der Anzahl der Zyklen pro Minute.

In der Regel ist die Umformgeschwindigkeit im unteren Totpunkt werkzeugbedingt vorgegeben. Also versucht man vom oberen Totpunkt möglichst schnell nach unten zu beschleunigen, kurz vor dem unteren Totpunkt auf Arbeitsgeschwindigkeit abzubremsen und konstant durch den Ziehbereich zu fahren.

Danach soll die Presse so schnell wie möglich geöffnet werden, damit ein Transfergerät die Teile entnehmen kann. Also wird zuerst schlagartig beschleunigt und nach einer gewissen Strecke wieder langsamer gefahren, eventuell auch im oberen Totpunkt angehalten, bis die Transfergeräte die Presse neu bestückt haben. Auf diese Weise gibt es mehrere Brems- und Beschleunigungszyklen. Bei 17 Hüben/min sind dies 68 Lastprofiländerungen, abhängig von Betriebsparametern und örtlichen Gegebenheiten.

„Mit konventionell gesteuerten Pressen ist dies nicht möglich“, sagt Prof. Michael Glöckler von der Fakultät für Maschinenbau der Hochschule Augsburg. Die starre mechanische Kopplung von Schwungrad und Stößel über Exzenter- oder Gelenkantrieb gibt eine feste, meist sinusförmige Kinematik vor. Dabei ist die Geschwindigkeit des Stößels direkt abhängig von der Drehzahl des Antriebsmotors.

Durch die jetzt erreichte freie Programmierbarkeit der Weg-Zeit-Verläufe und die frei programmierbare Hubhöhe können laut dem Wissenschaftler Produktivität und Energieeffizienz deutlich erhöht werden. Dies gelte besonders im Bereich Umformtechnik für die Automobilindustrie, die durch die Verwendung von hoch festen Dual- und Mehrphasenstählen immer höhere Bearbeitungsdrücke brauche, so Glöckler weiter.

Mit den neuen Servomotoren und einer entsprechend schnellen Regelung der Schwungmassespeicher kann man die Geschwindigkeiten sehr feinfühlig an Umformprozess und Produktionsprozess anpassen und im Werkstückdatenspeicher hinterlegen. „In der Regel liegen die Produktionssteigerungen bei 30 % bis 50 %, bei Schnittpressen sowie Stanz- und Umformautomaten teilweise ganz erheblich darüber“, erklärte Reisch.

Der spezifische Energieverbrauch, also die für einen Produktionshub erforderliche elektrische Energie, liegt dabei im Mittel um 10 % bis 30 % unterhalb des spezifischen Energieverbrauchs von herkömmlichen mechanischen Pressen, u. a. weil verlustbehaftete hydraulische Kupplungs- und Bremssysteme wegfallen sowie aufgrund der an sich schon systembedingt höheren Produktivität der Servopressen-Systeme. R. HENSEL

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  • R. Hensel

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