Marginale Spalte

Mit dem elektromechanischen Stanzkopf erreicht Trumpf eine höhere Dynamik bei gleichzeitig niedrigerer Leistungsaufnahme.
Foto: Trumpf GmbH + Co.KG

Das intelligente Energiemanagement mit Smart Energy Mode vermeidet Spitzenlasten auf der Netzseite und senkt Verluste im Netzanschlussstrang.

Drehen sich die beiden Gewindespindeln gegenläufig, stößt das Werkzeug. Drehen sie sich in dieselbe Richtung, rotiert es.

Halte Spannung!

November 2012

 

Bei der Entwicklung des elektromechanischen Stanzkopfs für die neue Stanzmaschine TruPunch 3000 setzte die Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH & Co. KG auf Kooperation mit Bosch Rexroth. Werner Erlenmaier und Stefan Büttner von Trumpf berichten, welche Fragen sie stellten und wie die Antworten darauf lauten.

 
 

Auch scheinbar ausgereifte Maschinenkonzepte und Technologien wie Stanzmaschinen verfügen noch immer über ein hohes Innovationspotenzial. Wenn man nicht nur etablierte Konzepte optimiert, sondern einen Schritt zurück geht, entdeckt man neue Wege, die Maschinenproduktivität zu steigern.

Die TruPunch 3000 ist die erste Stanzmaschine, die restgitterfrei arbeitet: Auf der Arbeitstafel bleibt kein Blechrest zurück, der abgeräumt werden muss. Das spart Arbeitszeit und durchschnittlich zehn Prozent Material. Grundlage hierfür bilden unter anderem Maschinenfunktionen, die auch von Rexroth gesteuert werden, sowie Programmfunktionen für die Blechbearbeitung.

Anfangs arbeiteten wir gar nicht an einer komplett neuen Stanzmaschine, sondern wollten nur eine wichtige Komponente verändern: den Stanzkopf. Der sollte nicht mehr hydraulisch, sondern servoelektrisch angetrieben werden. Von dieser Umstellung erhofften wir uns in erster Linie eine geringere Leistungsaufnahme.

Trumpf hat für den elektromechanischen Stanzkopf ein spezifisches Antriebssystem entwickelt und patentieren lassen. Es garantiert auch bei hoher Dynamik Präzision: Statt die Rotation des Stanzkopfs und die Hubbewegung getrennt voneinander anzutreiben, benutzen wir für beide Bewegungen zwei synchronisierte Motoren.

Wenn die beiden Gewindespindeln sich gleichmäßig in dieselbe Richtung verdrehen, kann das Werkzeug endlos rotieren – beispielsweise zur Rotation eines Trennwerkzeugs. Werden sie gegenläufig angetrieben, kommt es zu einer Hubbewegung des Stößels (siehe Illustration). Das Bauprinzip stand für uns also schon fest, bevor wir nach der passenden Steuerung suchten.

Die Anforderungen waren sehr hoch, da wir eine Stanzfrequenz von 1.000 Hüben pro Minute bei einem Lochabstand von einem Millimeter anstrebten. Die Möglichkeiten der Motion Logic Drive (MLD) im IndraDrive und deren Lageregeltakt von 0,5 Millisekunden gaben den Ausschlag, dass wir bei der Entwicklung des elektromechanischen Stanzkopfs wieder auf eine Partnerschaft mit Bosch Rexroth setzten.

Reduzierte Systemkomplexität

Zusammen entwarfen wir in regelmäßigen Entwicklungsgesprächen eine mechatronische Subsystemlösung, bei der die komplexe Kinematik von der dezentralen Steuerung im Antrieb beherrscht wird. Diese Kombination von zentraler und dezentraler Steuerung reduziert die Systemkomplexität: Die CNC Systemlösung IndraMotion MTX kontrolliert die Hauptachsen der Maschine, während die Stanzkopfkinematik von einem MLD-Regler auf Antriebsseite nahe am Ort des Geschehens – im Servoantrieb – kontrolliert wird.

Die übergeordnete IndraMotion MTX gibt der antriebsbasierten Steuerung die Sollwerte in harter Echtzeit vor. Dadurch kamen wir auf die nötige Rechengeschwindigkeit für die gewünschte Hubfrequenz.

Das ermöglicht schnellere Reaktionen, macht Lagekorrekturen wegen Temperaturgang möglich und erlaubt im Signierbetrieb bis zu 2.500 Hübe pro Minute mit antriebsinternem Sollwertgenerator sowie die Durchbrucherkennung mit Geschwindigkeitsanpassung für leises Stanzen. Bei der Rotation des Werkzeugs stellte sich die Frage: Wie exakt ist die Positionierung?

Hierbei erwies sich die Eigensteifigkeit der Motoren als Herausforderung. Die bei der Rotation über Kugelgewindetrieb hinterlegten Steifigkeiten sind in der Regel nicht exakt gleich. Doch da wir mit zwei Motoren in Kombination fahren und eine hohe Genauigkeit haben, mussten wir die unterschiedlichen Steifigkeiten über Parameteranpassung in der Steuerung ausgleichen. Mit dem Engineeringtool IndraWorks steht außerdem für CNC und das Motion-Logic-System sowie die Antriebe ein einheitliches Softwaretool bereit, das die Programmierung und Inbetriebnahme der Maschine vereinfacht.

Intelligentes Energiemanagement

Das zweite große Thema in den Entwicklungsgesprächen war der Energieverbrauch.

  • Da bei Stanzmaschinen naturgemäß hohe Motordrehzahlen bei Beschleunigung und Verzögerung auftreten, ist eine hohe Zwischenkreisspannung erforderlich
  • Die Zwischenkreisspannung sollte jedoch nicht abhängig sein von der jeweiligen Netzspannung, sie muss also geregelt sein.
  • Um die Netzbelastung zu reduzieren, wollten wir ständigen Ein- und Rückspeisebetrieb vermeiden.

Diese drei Anforderungen konnten weder mit reinen Einspeiseversorgern noch mit Ein- und Rückspeiseversorgern erfüllt werden. Wir übertrugen Bosch Rexroth die Aufgabe, hierfür eine Lösung zu finden. Eine spezielle Software für rückspeisefähige Netzversorgungsmodule in Verbindung mit dem modularen IndraDrive erreicht nun auch bei stark schwankenden Prozessleistungen eine nahezu konstante Netzbelastung.

Zudem bleibt der Zwischenkreis im Weitspannungsbereich unabhängig von der Netzspannung. Energiespeicher im Zwischenkreis vermeiden die Rückspeisung. Überschüssige Energie wird im Kondensator gespeichert und zum Beschleunigen wiederverwendet. Dieser Smart Energy Mode vereint somit die Vorteile von einspeisenden wie ein- und rückspeisenden Versorgern. Führte das zyklische Beschleunigen und Verzögern des Stanzkopfs bei herkömmlichen Lösungen zu hohen Pulsbelastungen auf der Netzseite, ist die Netzbelastung nun deutlich reduziert. Die Performance hingegen bleibt konstant.

Geringere Netzanforderung

Das spart Energie: Die netzseitige Spitzenleistung wird im Vergleich zur herkömmlichen Lösung ohne Smart Energy Mode von circa 50 auf 22 Kilowatt mehr als halbiert. Bei durchschnittlichen Arbeitsgeschwindigkeiten an der Maschine verringert sich die mittlere Leistungsaufnahme um 30 Prozent auf 5,9 Kilowatt.

Die thermische Auslastung des eingesetzten Versorgermoduls sinkt von 95 auf 65 Prozent. Von unseren Kunden erhalten wir mittlerweile die Rückmeldung, dass die maximalen Anlaufströme bei der TruPunch 3000 geringer sind als bei Wettbewerbern – allerdings bei gleicher Leistungsaufnahme.

Durch den internen Kondensator können Pufferbatterien kleiner dimensioniert werden, denn die Anforderungen an das Netz sind weniger hoch. Das spart Kosten, ebenso wie der deutlich verminderte Energieverbrauch pro Zyklus und die niedrigere benötigte Anschlussleistung für die Maschine.

Durch die verbesserte Netzverträglichkeit (cos phi und TPF = 1,0) und reduzierte Verluste in Netzfilter und Drossel profitieren Anwender nun zusätzlich von geringerer Netzrückwirkung. Als der Stanzkopf Serienreife erreichte, konnte er in die neue TruPunch 3000 eingesetzt werden und steigerte dort den Gesamtwirkungsgrad der Maschine zusätzlich.

 
 
 

Autoren

 

Werner Erlenmaier,

Leiter Entwicklung und Konstruktion Stanz- und Kombimaschinen,

TRUMPF GmbH + Co. KG

Stefan Büttner,

Leiter Produktmanagement Stanz- und Kombimaschinen,

TRUMPF GmbH + Co. KG