Fluidtechnik Hybridantrieb sorgt für Dynamik und Präzision bei Stanzmaschinen

Autor / Redakteur: Josef Ritzl und Manfred Kurz / Josef-Martin Kraus

Ein präziser Arbeitsantrieb für Stanzmaschinen profitiert von der dynamischen Regelung elektrischer Direktantriebe und der hohen Leistungsdichte der Hydraulik. Beides wurde in einem Hybridantrieb so miteinander kombiniert, dass der Stößel optimal gesteuert wird.

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Stanz-Nibbelmaschinen entwickeln sich zu universellen Werkzeugmaschinen für die Blechbearbeitung. Neben dem klassischen Stanzen und Nibbeln übernehmen sie vermehrt auch Umform-, Gewindeschneid- und Markierungsprozesse. Der Markt verlangt daher nicht nur immer höhere Hubzahlen beim Stanzen und Nibbeln, sondern auch mehr Präzision beim Umformen und Signieren.

Herkömmliche hydraulische Stanzantriebe können diesen Anforderungen nicht gerecht werden. Aufgrund der steigenden technischen Anforderungen stoßen sie an ihre Grenzen. Im Gegensatz dazu erfüllen rein elektromechanische Stanzantriebe zwar die Forderung nach hoher Präzision, jedoch erreichen sie bis heute nicht die hohe Bewegungsdynamik von hydraulischen Systemen. Außerdem sind die Anschaffungskosten für rein elektromechanische Stanzantriebe deutlich höher als die von klassischen hydraulischen Antriebssystemen.

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Stärken zweier Antriebstechniken in einer Stanzmaschine

Hoerbiger hat daher den Hybridantrieb HDDL (Hybrid Direct Drive Linear) entwickelt, der die besten Eigenschaften aus beiden Antriebstechniken zusammenführt. Das Resultat ist eine überragende Funktionalität, die einen neuen Standard für Stanzantriebe setzt. So vereint diese Entwicklung die Vorteile der servoelektrischen Linearantriebstechnik mit der hohen Leistungsdichte und Robustheit der Hydraulik.

Der eigens für Stanz-Nibbelmaschinen entwickelte, vom Betriebsmedium gekühlte Hochleistungslinearmotor kommt ohne eigene Läuferlagerung aus. Er arbeitet berührungslos. Eine wesentliche Voraussetzung für die überlegene Dynamik und Positioniergenauigkeit liegt in der direkten Koppelung an den hydraulischen Verstärker, der für Stanzanwendungen optimal ausgelegt ist. Die interne mechanische Rückführung der Stößelposition erfolgt direkt linear und damit absolut verzögerungsfrei.

Hybridantrieb erzeugt beim Stanzen bis zu 1300 Hübe pro Minute

Der Hybridantrieb erzeugt beim Stanzen bis zu 1300 Hübe pro Minute bei einer Hublänge von 3 mm. Die maximal erreichbare Stanzkraft beträgt 300 kN und der maximale Stanzhub 40 mm. Kennzeichnend für die hohe Präzision ist eine Positioniergenauigkeit < ±0,01 mm. So eignet sich der Hybridantrieb zum Stanzen von Präzisionsteilen.

Eine vollständige, hochdynamische Regelung und Kontrolle der Stößelbewegung bietet außerdem die Möglichkeit der Geräuschreduktion. Ein optimiertes Energiemanagement minimiert den Energieverbrauch, senkt somit die Betriebskosten und sorgt für Umweltschutz.

Stanzmaschinen-Hybridantrieb mit kompaktem Blockzylindergehäuse

Bild 1 (siehe Bildergalerie) zeigt den Aufbau des Hybridantriebes. In einem kompakten Blockzylindergehäuse (a) ist die Kolbenstange (b) axial verschiebbar geführt. In der Achse von Gehäuse und Kolbenstange befindet sich ein Steuerkolben (d), bei dem der untere Kolbenabschnitt in der Kolbenstange und der obere Kolbenabschnitt in einer Hülse (c) geführt wird.

Die Hülse (c) ist einerseits im Gehäuse verankert und ragt andererseits in die Kolbenstange hinein. Dadurch kann der Steuerkolben druckausgeglichen ausgeführt werden und unabhängig von Betriebs- und Arbeitsdruck leicht axial verschoben werden. Der Raum im Inneren des Linearmotors (e) ist mit dem Betriebsmedium gefüllt und wird nur vom leicht vorgespannten Tankdruck beaufschlagt.

Zwei Steuerkanten am unteren Kolbenabschnitt des Steuerkolbens (d) bilden mit zwei Steuerkanten in der Führungsbohrung der Kolbenstange ein hydraulisch-mechanisches Verstärkersystem, durch das die Kolbenstange (b) hydraulisch an die Lage des Steuerkolbens angekoppelt ist. So wird bei einer Verschiebung des Steuerkolbens nach unten über das obere Steuerkantenpaar der Kolbenraum mit dem Betriebsdruck verbunden, wodurch die Kolbenstange nach unten bewegt wird, bis die Verbindung wieder geschlossen ist. Bei einer Verschiebung des Steuerkolbens nach oben wird über das untere Steuerkantenpaar der Kolbenraum mit dem Tankdruck verbunden, so dass die Kolbenstange durch den Betriebsdruck im Stangenraum nach oben bewegt wird, bis die Verbindung zum Tankdruck wieder geschlossen ist.

Integrierter direkter Linearmotor verschiebt den Steuerkolben

Die Verschiebung des Steuerkolbens erfolgt durch einen voll in das Hydrauliksystem integrierten „direkten Linearmotor“. Der Läufer (f) des Linearmotors ist starr mit dem Steuerkolben verbunden und läuft im Motor ohne eigene Führung verschleißfrei. Durch einen nutlosen Aufbau der Wicklung ist der Linearmotor frei von störenden Rastkräften.

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Das Lagemesssystem (g) arbeitet nach dem magnetostriktiven Prinzip. Die Messwerte für die Lage der bewegten Motorkomponenten werden als absolute Werte mit einer Auflösung von einem Mikrometer bereitgestellt. Die mitbewegte Komponente des Lagemesssystems besteht aus einem Permanentmagnetsystem von nur wenigen Gramm.

Stanzmaschinen-Linearmotor für hohe Beschleunigungen ausgelegt

Die elektrischen Parameter des Linearmotors sind für hohe Beschleunigungen optimal der Antriebselektronik angepasst. Mit der Antriebselektronik wird der Linearmotor feldorientiert lagegeregelt.

Die Ansteuerung erfolgt über binäre Ein- und Ausgabesignale oder ein Feldbussystem wie Profibus DP, Ether-Cat oder CAN-Open. Damit lässt sich eine kundenspezifische Systemkoppelung zur Maschinensteuerung realisieren.

In den Bildern 2 bis 4 sind typische Stanz- und Signierzyklen mit dem Hybridantrieb dargestellt. So zeigt Bild 2 den Weg- und Druckverlauf im Kolbenraum des Arbeitszylinders beim Stanzen von 1 mm dickem Edelstahlblech (Durchmesser des Werkzeugs: 50 mm). Deutlich erkennbar ist der Druckanstieg beim Auftreffen des Stößels auf das Blech und der schlagartige Abbau des Arbeitsdrucks beim Abreißen des Bleches. Im Vergleich dazu zeigt sich die stetige und jederzeit kontrollierte Stößelbewegung.

Bessere Anpassung der Stanzmaschinen-Leistung als bei klassischen Zweidrucksystemen

Bild 3 zeigt einen 10-mm-Stanzhub bei variabler Hubgeschwindigkeit. Durch die gezielte Geschwindigkeitsvariation lässt sich der Geräuschpegel beim Stanzen deutlich reduzieren. Die Geschwindigkeitsänderung erfolgt hochdynamisch. In diesem Beispiel wird die Geschwindigkeit innerhalb weniger Millisekunden von 400 auf 100 mm/s verringert.

In Bild 4 wurden 1-mm-Signierhübe gemessen – bei einer Signierfrequenz von 3000 Hüben je Minute (50 Hübe pro Sekunde). Trotz dieser hohen Hubfrequenz, die der Hybridantrieb ermöglicht, ist die Wiederholgenauigkeit der Arbeitszyklen extrem hoch.

Hybridantrieb für Stanzmaschinen erhöht Energieeffizienz deutlich

Klassische Zweidrucksysteme arbeiten mit zwei fest eingestellten Druckwerten, zum Beispiel mit einem Niederdruck von 70 bar und einem Hochdruck von 250 bar. Dies bedeutet, dass schon bei relativ geringen Stanzkräften mit maximalem Druckniveau gearbeitet werden muss und es dadurch zu sehr hohen Leistungsverlusten kommt.

In dem von Hoerbiger entwickelten energieeffizienten Aggregat für den HDDL-Hybridantrieb ist es möglich, durch eine flexible Druckvorwahl eine optimale Anpassung an die benötigte Stanzkraft vorzunehmen und somit die sonst üblichen Leitungsverluste zu vermeiden (Bild 5).

Josef Ritzl ist Anwendungstechniker bei der Hoerbiger Automatisierungstechnik GmbH in Altenstadt. Manfred Kurz ist Entwickler im gleichen Unternehmen.

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