Moc i energia w prasach zasilanych serwomotorami

W ostatnich latach rozwój wysokowydajnych serwomotorów o dużym momencie obrotowym oraz układów sterujących umożliwił opracowanie konstrukcji pras formujących metale napędzanych tymi urządzeniami. Zwykle napędowy układ sprzęgająco-hamujący z kołem zamachowym zastępowany jest zestawem serwomotorów. W tym przypadku brak jest praktycznie zmian w istniejących konfiguracjach przekładni, szczególnie mechanizmach posuwu.

Aplikacja tego rodzaju napędów pozwala jednak na zastosowanie zróżnicowanych charakterystyk ruchu, co stanowi zdecydowaną przewagę tego rozwiązania w porównaniu do pras mechanicznych. Zostało to potwierdzone w szeregu publikacji i aplikacji. Wysokość skoku jest ustalana zwykle w oparciu o mechanizm wahadłowy.
Niestety, mechanizm wahadłowy charakteryzują znaczące wady w porównaniu do mechanizmu obrotowego. Ponadto, poza dużym obciążeniem elementów i systemu smarowania, energia w takim układzie nie jest użytkowana optymalnie..

Z powyższych powodów firma Andritz Kaiser stosuje różnorakie rozwiązania przy konstrukcjach pras zasilanych serwomotorami. Kluczowe znaczenie w tym przypadku mają korzyści, które może zyskać klient.

Rozkład sił w prasach serwo

Moment obrotowy silnika wraz z zastosowaną przekładnią dostarcza zawsze stały moment na wałek mimośrodowy. Praca wymagana do formowania może być wykonana jedynie za pomocą tego momentu. Podstawowe związki przedstawione są na rys. 1. Zależności wskazują, że siła Fpl związana jest przed wszystkim z amplitudą skoku f(r).


Moment obrotowy dostępny w prasach serwo może być wyznaczony dla znanego zestawu silnik/przekładnia. Siła docisku prasy jest jednak zależna bezpośrednio od parametrów skoku. Dla danej, istniejącej konfiguracji napędu dostępna siła docisku w danym punkcie (np. 4 mm powyżej pozycji dolnej) jest zatem odwrotnie proporcjonalna do wysokości skoku.

Z drugiej strony oznacza to, że mniejsza wysokość skoku pozwala na uzyskanie większej siły nacisku. Zależność tą, przy stałym momencie na wale napędowym przedstawiono na rys. 2.


Stosownie do wymaganej siły docisku powinna istnieć możliwość dostosowania wysokości skoku. Firma Andrtiz Kaiser zdecydowała się zintegrować sprawdzoną, mechaniczną regulacje wysokości udaru w napędach pras serwo. Takie rozwiązanie posiada kilka zalet:

1. Eliminacja skoku wahadłowego:
Z uwagi na pracę w pełnym zakresie obrotu uzyskuje się bardziej równomierne obciążenie łożysk. W górnym zakresie wysokości cięcia, np. przy ograniczeniu prędkości, istnieje możliwość zapewnienia wymaganego okna czasowego dla transportu materiału nawet dla małych wysokości skoku.

2. Zwiększenie dostępnej siły nacisku:
Siła nacisku może zostać zwiększona o ponad 50% przy zastosowaniu małych wysokości skoku. Takie rozwiązanie jest wskazane szczególnie w procesach wymagających dużych mocy przy niewielkiej wysokości skoku, takich jak tłoczenie, kalibracja, cięcie itp.

3. Duże odstępy:
Jeśli wymagane jest utrzymanie dużych odstępów, np. dla gięcia czy rysowania przy niskich wartościach siły docisku, optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie skoków o dużej wysokości.

Powyższe zalety pozwoliły zaprojektować w firmie ANDRITZ KAISER prasę serwo zasilaną jednym silnikiem. Zastosowanie zwykłego mechanizmu regulacji pozwala na optymalną regulację siły docisku stosownie do wymagań procesu formowania.


Napęd pras rozwijany przez firmę ANDRITZ KAISER nie tylko nie ogranicza możliwości i elastyczności pras suwowych, lecz zwiększa liczbę zalet tych urządzeń.

Wymagania energetyczne
Celem aplikacji pras serwo jest optymalne wykorzystanie energii dla każdego procesu formowania i cięcia. Z tego powodu konieczne jest spełnienie następujących założeń:

1. Zużycie energii powinno być niższe niż porównywalnej prasy z mechanizmem wahadłowym.
2. Podczas skoku konieczna jest kompensacja wysoce zróżnicowanych wymagań energetycznych dla operacyjnego cyklu procesu.
3. Moc przyłączona dla pras serwo powinna być utrzymana na możliwie niskim poziomie.

Dla spełnienia tych wymagań firma ANDRITZ KAISER zastosowała następujące rozwiązania:

Sprzęgnięcie prasy z układem regulacji wysokości skoku pozwala na dobór optymalnego silnika napędowego. Oznacza to, że możliwe jest ograniczenie bezwładności układu i elementów mechanicznych w układzie napędowym przez zastosowanie jednego silnika (fig. 3).


Podczas pracy prasy, odpowiednio zwymiarowana bateria kondensatorów podłączona jest obwodem pośrednim. Układ stosowany jest do odzyskiwania, przechowywania i oddawania energii. Proces ten nie wiąże się ze stratami energii mechanicznej. W czasie pracy ciągłej wymagana moc pobierana jest bezpośrednio z linii zasilającej. Przebieg mocy w cyklu jest niemal identyczny z przebiegiem dla konwencjonalnych maszyn tnących i formujących.


W czasie postoju prasy towarzyszącego wymianie narzędzia, uszkodzeniu, braku materiału czy innych przerw, gdy tłok prasy pozostaje w spoczynku, układ nie pobiera energii. Brak zużycia energii oznacza również brak strat mocy towarzyszących pracy jałowej konwencjonalnych pras z kołem zamachowym. Wstępne badania laboratoryjne wskazują, że zastosowanie pras serwo pozwala ograniczyć zużycie energii o 30%.


Dalszy rozwój prowadzony we współpracy z firmą Siemens i Instytutem Fraunhofera skupia się na aktywnym zarządzaniu energią w celu jej skoordynowanego zużycia stosownie do realizowanego procesu.
Przewiduje się, że obok wymienionych wyżej zalet pras serwo (szczególnie urządzeń z regulacją wysokości skoku), ograniczone zostanie zużycie energii w stosunku do prezentowanego tutaj rozwiązania.

www.andritzkaiser.de

Cały artykuł dostępny w numerze 5/2008 MM

O Autorze

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę