Kolbenpresse

Abstract

 Eine Kolbenpresse (10) weist einen Stößel (17) auf, der mit einem in einem Zylinder (15) laufenden Kolben (16) verbunden ist. Der Zylinder (15) ist über Ventile (42, 45) mit Druckluft beaufschlagbar.
Um Preßaufgaben mit geregeltem Weg/Zeit-Verlauf vornehmen zu können und eine ohne großen Installationsaufwand zu betreibende Kolbenpresse zur Verfügung zu haben, wirkt der Stößel (17) mit einem Wegmeßsystem (18) zusammen. Ein Ausgangssignal (s) des Wegmeßsystems (18) wird in einem Regler (37) mit vorgegebenen Sollwerten (s₀, s₁, s₂, s₃) verglichen. Der Regler (37) steuert elektropneumatische Servoventile (42, 45) zur Druckbeaufschla­gung des Zylinders (15) nach einem vorgegebenen Weg/Zeit-Verlauf (s_(t)) an (Fig. 1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolbenpresse mit einem Stößel, der mit einem in einem Zylinder laufendem Kolben verbunden ist, wobei der Zylinder über Ventile mit Druckluft beaufschlagbar ist.

[0002] Kolbenpressen der vorstehend genannten Art sind allgemein be­kannt. Zum Auslenken des Stößels wird die Druckluft über Schalt­ventile dem Kolben zugeführt, der den Stößel so lange bewegt, bis dieser auf das Werkstück auftrifft. Der Stößel wird dabei entweder mit voller Kraft auf das Werkstück aufgesetzt, die dem voreingestellten Druck der Druckluft entspricht, oder aber es sind Endlagenschalter vorgesehen, die bei Erreichen einer vorbestimmten Endstellung des Stößels die Ventile wieder schließen bzw. eine Rückholung des Stößels bewirken.

[0003] Die bekannten Kolbenpressen mit pneumatischem Antrieb haben damit den Nachteil, daß eine feinfühlige Regelung, insbesondere eine Weg/Zeit-Regelung, nicht möglich ist, weil der Stößel bekannter pneumatischer Kolbenpressen mit voller Kraft auf das Werkstück aufsetzt und allenfalls bei Erreichen eines Endschal­ters im Betätigungsdruck nachläßt.

[0004] Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpresse der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubil­den, daß der Stößel präzise lagegeregelt ausgelenkt werden kann.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stößel mit einem Wegmeßsystem zusammenwirkt, daß ein Ausgangs­signal des Wegmeßsystems in einem Regler mit vorgegebenen Soll­werten verglichen wird und daß der Regler elektropneumatische Servoventile zur Druckbeaufschlagung des Zylinders nach einem vorgegebenen Weg/Zeit-Verlauf ansteuert.

[0006] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil durch den regelbaren Weg/Zeit-Verlauf der Preßvorgang an unterschiedlichste Preßaufgaben angepaßt werden kann. Es können insbesondere besonders feinfühlige Preß­aufgaben gelöst werden, wobei die zu durchmessenden Wege und die Geschwindigkeiten, mit denen die Wege durchmessen werden, an die jeweilige Preßaufgabe angepaßt werden können.

[0007] Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Weg/Zeit-Verlauf in diskrete Bereiche unterschiedlicher Steigung aufgeteilt, wobei der Stößel aus einer Ruhestellung mit stufen­weise abnehmender Geschwindigkeit in eine Endstellung verfahren wird.

[0008] Diese Merkmale haben den Vorteil, daß zunächst mit relativ hoher Verfahrgeschwindigkeit, d.h. im Schnellgang, das Werkstück angefahren, dann in einem Arbeitshub der Großteil der Preßauf­gabe ausgeführt und schließlich in einem Positionierhub die Feineinstellung für das Erreichen der vorgegebenen Endlage vorgenommen werden kann.

[0009] Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Variante ist der Regler ein Zustandsregler mit einstellbaren Reglerparametern, der Stellsignale in Abhängigkeit vom Wegsignal, eines Geschwin­digkeitssignals sowie eines Beschleunigungssignals bildet und die Reglerparameter beim Übergang von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich selbsttätig umschaltbar sind.

[0010] Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Regelung in den ver­schiedenen Bereichen unterschiedlicher Steigung des Weg/Zeit-­Verlaufs jeweils optimal geregelt werden können, weil die den Regelvorgang bestimmenden Parameter des Reglers auf die jewei­lige Steigung und damit das jeweilige Werkstück angepaßt werden können.

[0011] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfaßt ein Drucksensor den auf den Zylinder wirkenden Druck oder die vom Stößel ausgeübte Preßkraft, vergleicht diese Werte mit einem vorgegebenen Soll-Wertebereich und betätigt bei Nichteinhaltung des Bereichs ein Anzeigeelement.

[0012] Diese Maßnahmen haben den besonderen Vorteil, daß zusätzlich überprüft werden kann, ob zum Durchmessen des vorgegebenen Weges, insbesondere zum Erreichen der vorgegebenen Endstellung des Stößels ein bestimmter Druck bzw. eine bestimmte Preßkraft aufgewendet oder dieser Druck bzw. diese Preßkraft unter Berück­sichtigung eines bestimmten Toleranzbereichs über-oder unter­schritten wurde. Auf diese Weise können Rückschlüsse auf die angelierferten Werkstücke gezogen werden. Wurde beispielsweise der vorgegebene Weg des Stößels mit einem zu geringen Druck bzw. einer zu geringen Preßkraft durchmessen, so kann dies darauf hindeuten, daß ein zu verformendes Werkstück aus einem zu weichen Ausgangsmaterial bestand oder daß bei miteinander zu verpressenden Werkstücken das Rohmaß eine zu lose Passung aufwies, während bei Überschreiten des vorgegebenen Druck-­bzw. Preßkraftbereichs entweder ein zu hartes Werkstück vorlag oder die Passung der miteinander zu verpressenden Werkstücke zu eng bemessen war. Da in beiden Fällen ein für die spezielle Anwendung nicht taugliches Werkstück vorliegen kann, kann auf diese Weise eine Unterscheidung zwischen einem Qualitätswerk­stück und einem Ausschußwerkstück vorgenommen werden.

[0013] Schließlich ist eine Ausführungsform der Erfindung besonders bevorzugt, bei der die Servoventile 3/2-Servoventile mit Vor­steuerventil sind. Durch diese Kombination eines Wege-Servo-­ventils mit einem Druck-Servoventil kann sowohl eine feinfühlige Drucksteuerung als auch eine exakte Positionierung des Presse­stößels erreicht werden.

[0014] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

[0015] Es versteht sich, daß die vorstehend geschilderten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0016] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Gesamtansicht einer erfindungsge­mäßen Kolbenpresse mit zugehöriger elektronischer und pneumatischer Steuerung;

Fig. 2 ein Weg/Zeit-Diagramm zur Erläuterung des geregelten Verfahrens des Pressenstößels bei der Presse gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Kennlinie eines erfindungsgemäß verwendeten Komparators zum Erkennen von Ausschuß.

[0017] In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kolbenpresse. Ein Maschinentisch 11 steht auf festem Untergrund auf. Auf dem Maschinentisch 11 ist ein Werkstück 12 zu erkennen, das beispielsweise mit einem Bolzen 13 verpreßt werden soll. Vom Maschinentisch 11 erstreckt sich ein Ständer 14 nach oben, der seitlich einen Zylinder 15 hält. Im Zylinder 15 läuft ein Kolben 16, der fest mit einem Stößel 17 verbunden ist.

[0018] Der Stößel 17 steht an einer geeigneten Stelle mit einem Wegmeß­system 18 in Verbindung. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich von der oberen Stirnfläche des Stößels 17 ein Stab 19, der ein induktives Element 20 trägt. Das Element 20 steht mit einer Spule 21 in Wechselwirkung. Es versteht sich jedoch, daß statt eines induktiven Wegmeßsystems 18 auch jedes andere geeignete Wegmeßsystem, beispielsweise ein kapazitives oder ein optisches oder ein sonstiges Wegmeßsystem Verwendung finden kann.

[0019] Vom Wegmeßsystem 18 führt eine elektrische Leitung 30 einmal direkt, einmal über eine Differenzierstufe 31 und ein weiteres Mal über eine Doppeldifferenzierstufe 33 zu einem Steuerge­rät 34. Bezeichnet man das vom Wegmeßsystem 18 erfaßte Wegsignal mit s, so liegen also die Signale s, ṡ und

am Steuergerät 34 an.

[0020] Über eine erste Tastatur 35 können dem Steuergerät 34 Soll­werte s₀, s₁, s₂, s₃ ... des Verfahrweges 17 des Stößels 17 vorgegeben werden.

[0021] Über eine zweite Tastatur 36 können weitere Sollwerte in das Steuergerät 34 eingegeben werden, z.B. ein oberer und ein unte­rer Grenzwert p₀, p_u eines Betreibsdrucks p der Kolbenpresse 10.

[0022] Das Steuergerät 34 umfaßt einen Regler 37, der vorzugsweise ein Zustandsregler an sich bekannter Bauart ist. Die Reglerkenn­linie ist über Reglerparameter in ebenfalls an sich bekannter Weise definierbar. Der Regler 37 ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einstellbaren Reglerparametern versehen, wie dies weiter unten noch erläutert werden wird.

[0023] Weiterhin umfaßt das Steuergerät 34 neben nicht dargestellten Komparatoren zum Vergleich des Ist-Weges s mit den Sollwerten s₀, s₁ ... noch einen Komparator 38 zum Vergleichen von Druck­werten p, wie dies weiter unten noch erläutert werden wird.

[0024] Oberhalb des Kolbens 16 erstreckt sich im Zylinder 15 ein oberer Raum 40. Dieser ist mit einer Pneumatikleitung 41 an ein elek­tropneumatisches 3/2-Servoventil angeschlossen, das intern mit einem Vorsteuerventil versehen ist, wie dies beispielsweise in DIN ISO 1219 unter 7.2 ausführlich dargestellt ist.

[0025] Ein unterer Raum 43 des Zylinders 15 unterhalb des Kolbens 16 ist mit einer Pneumatikleitung 44 an ein weiteres elektropneu­matisches 3/2-Servoventil 45 angeschlossen. Die Servoventile 42, 45 werden separat vom Regler 37 angesteuert.

[0026] Ein Drucksensor 50 erfaßt z.B. den Differenzdruck zwischen den Räumen 40 und 43 und liefert ein entsprechendes Signal p an den Komparator 38 im Steuergerät 34, dessen weiterer Eingang mit den mittels der zweiten Tastatur 36 vorgegebenen Grenzwer­ten p₀, p_u beschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann am Stößel 17 ein Kraftsensor 70 angeordnet sein, z.B. ein piezo­elektrischer Sensor, um die Preßkraft F zu erfassen, die der Stößel 17 auf das Werkstück 12/13 ausübt. Mittels der zweiten Tastatur 36 können dann in einer anderen Betriebsart Grenzwerte F₀, F_u vorgegeben werden.

[0027] Der Ausgang des Komparators 38 steuert ein Anzeigeelement 51.

[0028] Die Wirkungsweise der Kolbenpresse 10 gemäß Fig. 1 ist wie folgt:
Der Benutzer der Kolbenpresse 10 gibt zunächst in Abhängigkeit vom jeweils zu bearbeitenden Werkstück 12, 13 mittels der ersten Tastatur 35 Wege ein, wobei s₀ die Ruheposition des Stößels 17 ist, wenn der Kolben 16 seine obere Endlage in Fig. 1 eingenom­men hat. Zwischen dem Wert s₀ und einem weiteren Wert s₁ durch­mißt der Stößel 17 den Leerraum bis hin zum Aufsetzen auf das Werkstück 12, 13. Vom Wert s₁ bis zu einem Wert s₂ erfolgt nun ein Arbeitshub, in dem die wesentliche Preßarbeit, beispiels­weise das Einpressen des Bolzens 13 in das Werkstück 12, voll­zogen wird. Schließlich ist noch ein kleiner Weg von dem Wert s₂ zu einem weiteren Wert s₃, in dem z.B. der Bolzen 13 exakt auf den Endwert positioniert wird. Der Benutzer gibt ferner Verfahrgeschwindigkeiten für den Stößel 17 in den verschiedenen Hubbereichen vor.

[0029] Der Benutzer gibt ferner mittels der zweiten Tastatur 36 einen Druckbereich zwischen einem unteren Wert p_u und einem oberen Wert p₀ oder einen Preßkraftbereich F₀ - F_u ein, wobei geprüft werden soll, ob der zum Auslenken des Stößels 17 erforderliche Druck p bzw. die aufgewendete Preßkraft F innerhalb dieses Wertebereichs p₀ - p_u bzw. F₀ - F_u liegt.

[0030] Mittels eines in Fig. 1 nicht dargestellten Schalters wird nun die Kolbenpresse 10 eingeschaltet. Das erste Servoventil 42 wird aus der in Fig. 1 eingezeichneten Stellung umgeschaltet, so daß Druckluft aus einem Reservoir über die Pneumatiklei­tung 41 in den oberen Raum 40 strömt. Der Kolben 16 bewegt sich nun nach unten, wobei mittels des Wegmeßsystems 18 die jeweilige Augenblickslage des Kolbens 16 bzw. des Stößels 17 erfaßt und entsprechend der vorgegebenen Weg/Zeit-Abhängigkeit durch Betätigen der Ventile 42, 45 ggf. nachgeregelt wird. Dem Regler 37 wird infolgedessen ein Wegsignal s, ein Geschwindig­keitssignal s sowie ein Beschleunigungssignal s zugeführt, und der Regler 37 erzeugt in Abhängigkeit von vorgegebenen Regler­parametern, die aus den vorgegebenen Werten s₀, s₁, s₂ und s₃ und den Verfahrgeschwindigkeiten bestimmt wurden, das analoge Steuersignal für die Servoventile 42 und 45.

[0031] In Fig. 2 ist das zugehörige Weg/Zeit-Diagramm aufgetragen. Die Kolbenpresse 10 wurde zum Zeitpunkt t₀ eingeschaltet und hat bis zum Zeitpunkt t₁ den Leerhub zwischen der oberen Aus­gangsposition s₀ und dem Aufsetzen s₁ auf dem Bolzen 13 durch­messen. Wie sich aus dem relativ steilen Verlauf im Intervall t₀ bis t₁ ergibt, geschieht dieser Leerhub mit relativ hoher Verfahrgeschwindigkeit. Zum Zeitpunkt t₁ erkennt das Wegmeß­system 18, daß der vorgegebene Wert s₁ erreicht worden ist. Im Regler 37 werden nun die Reglerparameter umgeschaltet, wie aus dem kurzen Überschwinger in Fig. 2 zu erkennen ist. Durch ent­sprechendes Betätigen der Servoventile 42 und 45 setzt nun der Kolben 16 mit Stößel 17 seinen Weg etwas langsamer fort, bis zum Zeitpunkt t₂ der Arbeitshub beendet ist und sich der Bol­zen 13 bereits nahezu in seiner Endposition befindet. Zum Zeit­punkt t₂ wird erkannt, daß der nächste vorgegebene Grenzwert s₂ erreicht wurde, und der Regler 37 wird nochmals in seinen Reglerparametern umgeschaltet, so daß nun in einem Positionier­hub die Endposition des Bolzens 13 relativ langsam angefahren werden kann, bis schließlich der Endwert s₃ zum Zeitpunkt t₃ erreicht wurde.

[0032] Es schließt sich nun bevorzugt eine kurze Haltephase an, bis der Kolben 16 durch entsprechendes Betätigen der Servoventile 42, 45 wieder in seine obere Ausgangslage zurück­fährt.

[0033] Während des Arbeitshubs und des Positionierhubs, d.h. zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₃, hat das Steuergerät 34 mittels des Komparators 38 den jeweils aufgewendeten Druck mit dem Druck­intervall p_u - p₀ verglichen. Die entsprechende Kennlinie des Komparators 38 ist in Fig. 3 dargestellt. Man erkennt, daß ein Qualitätssignal Q abgeleitet wird, das im Intervall p₀ - p_u den Wert 1 und außerhalb dieses Intervalls den Wert 0 annimmt. Ein Anzeigeelement 51 wird deswegen nur dann (oder bei entspre­chender Logik nur dann nicht) angesteuert, wenn zum Durchmessen des Weges bis zum Wert s₃ ein Druck aufgewendet werden mußte, der im Intervall p₀ - p_u lag. Entsprechendes gilt im Falle der Preßkraftüberwachung, wenn festgestellt wird, ob die ausgeübte Preßkraft F im Intervall F_u - F₀ liegt.

[0034] Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenpresse 10 wurden im Regler 37 Verstärkungsfaktoren zwi­schen 100 und 1000 eingestellt. Hierdurch ergab sich eine Ein­preßgenauigkeit des Weges s von ± 0,01 mm. Bei einer Zeitkon­stante des Antriebssystems zwischen 10 und 50 ms war zum Errei­chen dieser Einpreßgenauigkeit ein Bewegungsgeschwindigkeit in der Positionierphase, d.h. zwischen t₂ und t₃ etwa 1 mm/s erforderlich.

Ansprüche

1. Kolbenpresse (10) mit einem Stößel (17), der mit einem in einem Zylinder (15) laufenden Kolben (16) verbunden ist, wobei der Zylinder (15) über Ventile (42, 45) mit Druck­luft beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (17) mit einem Wegmeßsystem (18) zusammenwirkt, daß ein Ausgangssignal (s) des Wegmeßsystems (18) in einem Regler (37) mir vorgegebenen Sollwerten (s₀, s₁, s₂, s₃) verglichen wird und daß der Regler (37) elektropneumatische Servoventile (42, 45) zur Durckbeaufschlagung des Zylinders (15) nach einem vorgegebenen Weg/Zeit-Verlauf (s_(t)) an­steuert.

2. Kolbenpresse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg/Zeit-Verlauf (s_(t)) in diskrete Bereiche unter­schiedlicher Steigung aufgeteilt ist, wobei der Stößel (17) aus einer Ruhestellung (s₀) mit stufenweise abnehmen­der Geschwindigkeit in eine Endstellung (s₃) verfahren wird.

3. Kolbenpresse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (37) ein Zustandsregler mit einstellbaren Reg­lerparametern ist, der Stellsignale in Abhängigkeit vom Wegsignal (s) eines Geschwindigkeitssignals (ṡ) sowie eines Beschleunigungssignals (

) bildet und daß die Reg­lerparameter beim Übergang von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich selbsttätig umschaltbar sind.

4. Kolbenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor (50) den auf den Zy­linder (15) wirkenden Druck (p) erfaßt, mit einem vorgege­benen Soll-Wertebereich (p₀ - p_u) vergleicht und bei Nicht­einhaltung des Bereichs (p₀ - p_u) ein Anzeigeelement (51) betätigt.

5. Kolbenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kraftsensor (70) die vom Stößel (17) ausgeübte Preßkraft (F) erfaßt, mit einem vorgegebenen Sollwertbereich (F₀ - F_u) vergleicht und bei Nichteinhal­tung des Bereichs (F₀ - F_u) ein Anzeigeelement (51) betä­tigt.

6. Kolbenpresse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Servoventile 3/2-Servoventile (42, 45) mit Vorsteuerventil sind.

Zeichnung