CN102933364B - 用于运行机床中的被驱动的轴的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行机床中的尤其是压铸机中的被驱动的轴的装置和方法。其中，至少两个不同的驱动装置被耦联成一个共同的有效驱动装置，其中，用于每个驱动装置的性能数据和消耗数据以特性值或特性曲线的形式进行存储。为了尽可能能量优化地利用有效驱动装置，建议确定用于被驱动的轴的性能要求，在确定的性能要求的基础上确定出驱动装置的要求最小的能量消耗的那个运行组合并且用该确定的运行组合来驱动这些驱动装置。

Description

用于运行机床中的被驱动的轴的方法和装置
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分的用于运行机床中的被驱动的轴的方法和一种按照权利要求9的前序部分的装置。
机床，其中也包括压铸机（注模机），大多数都具有多个被驱动的轴，其具有部分地非常大的和不同的负荷区域。在压铸机中，例如注射过程，即将熔液输送到模具的腔中的过程，是具有可变性最大的要求的过程（工序）。在此情况下，必须依据应用情况控制一个极端的速度和压力范围。因此要求每秒十分之几毫米至每秒1米的注射速度。在负荷区域中这些要求可以从低于100bar延伸到高于2000bar。在极端考虑情况下，功率需求由此以一个直至20000的系数变化。如果用现今常用的驱动装置要求来覆盖这种应用宽度，那么该功率至少不能够在全部应用情况中以能量最优的方式被提供使用。因此，高的功率峰值仅仅直到一定的功率极限上能够直接地由液压的泵(例如调节泵或定量泵)直接地提供使用。自一定的功率极限起，需要中间存储(例如通过液压蓄能器)和从这种存储中调用功率。
本发明的目的是，给出一种用于在机床中的被驱动的轴的总驱动装置以及一种用于其运行的方法，该总驱动装置或该方法能够在预先设定的性能特性（功率特性）（Leistungsprofil）下(例如尽可能能量效益高地)覆盖尽可能宽的功率范围。
该目的按照方法方面通过在权利要求1中给出的特征实现和在按照装置方面通过在权利要求7中给出的特征实现。
按照本发明的构思，至少两个不同的驱动装置被耦联成一个共同的（联合的）有效驱动装置（作用驱动装置），其中，用于每个驱动装置的性能数据被存储和记载在特性值或特性曲线中(在此处，各个驱动装置的全部的特征数据和消耗数据被称为性能数据)。最好也可以将三个或更多个驱动装置“联接起来”。按照本发明，此时确定用于被驱动的轴的性能要求（功率要求）并且预先设定性能特性。作为性能特性，例如可以预先设定一个尽可能小的能量消耗或在总驱动装置的一定的最小动力性下的一个尽可能小的能量消耗，等等。在性能要求的基础上，确定出驱动装置的尽可能满足预先设定的特性(例如尽可能小的能量消耗)的那个运行组合。驱动装置然后用被确定的运行组合来驱动。
按照本发明，现在可以将具有不同的技术特性和性能的驱动装置联接起来。例如可以将电机作为电动马达与液压缸耦联，后者由液压泵和/或液压的蓄能器驱动。液压缸和被耦联的电机的组合然后作用于驱动轴上。泵以及蓄能器对液压缸(也包括同步缸或差动缸)的柱塞尤其是双作用的柱塞加载，其中，正是该柱塞又与电驱动装置连接。
在运行总驱动装置时，现在可以实现各单独的、被联接起来的驱动装置的不同的组合。可以仅仅激活电驱动装置并且其它的(液压的)驱动装置可以被非激活地连接或连接在空转模式下。备选地，可以只有液压的泵运行并且另外的驱动装置又连接在空转模式下。按照第三实施例，可以仅仅操纵蓄能器。但是此外也可以实现前述单独的驱动装置的组合的驱动装置，即激活的蓄能器与激活的马达的组合，或激活的蓄能器与激活的泵的组合和激活的马达与激活的泵的组合。在第七实施例中，也可以同时实现激活的蓄能器，激活的马达和激活的泵的组合。由此具有关于驱动装置的七种不同的组合可能性。
如果采取预防措施，使得不仅电机作为电动马达而且作为发电机和此外液压的元件不仅作为泵而且作为液压马达来运行，那么这些备选方案还将增多。在这种情况下，针对激活的蓄能器和激活的马达的组合还有两个子组合，针对激活的蓄能器和激活的泵的组合也有两个子组合，针对激活的马达和激活的泵的组合有四个子组合和针对激活的蓄能器，激活的马达和激活的泵的组合也有四个子组合，因此，即总共有16种不同的组合可能性用于运行前述的总驱动装置。
依据电机和液压的元件的运行方式，即在相应的驱动模式或再生模式下，在当前描述的、由三个具有蓄能器的单独驱动装置构成的示例情况下，蓄能器的特性值有如可以被移动。这在后面还要借助于实施例进行详细说明。
但是作为驱动装置，除了所述的液压蓄能器，液压泵和电驱动装置以外，还可以有另外的驱动装置，如高力矩马达，线性驱动装置等等。组合可能性和可变化性依据组合情况相应地改变。
如果电机，利用该电机可以实现一种电动马达，也设计成可作为发电机驱动，那么在再生运行中多余的能量就可以转换成电能并且回馈到系统中。同样也适用于当液压的元件，其被驱动作为泵起作用，也作为液压马达被运行时的情况。如果该液压马达与一个另外的电机耦联，该电机也是可以作为发电机驱动的，那么也可以在再生模式下产生电能并且电能被回馈到系统中。
其它的优点和特征在从属权利要求中限定。
以下借助于具体的实施例和参照附图详细说明本发明。附图中，
图1显示了本发明的一个具体的设计方案的示意框图和
图2显示了按照在压铸机中图1所示的具体的设计方案，用于说明依赖于调节泵的不同的系统压力特性曲线的图形
图3显示了按照在压铸机中图1所示的具体的设计方案，用于说明依赖于电机的不同的注射力特性曲线的图形
图4显示了按照在压铸机中图1所示的具体的设计方案，用于说明在注射装置中的不同的负荷区域的图形。
图1中示出了用于被驱动的轴的总驱动装置，即在压铸机的一个注射单元中的轴向驱动装置，其由三个不同的驱动装置组成部分组成。
在此情况下，被驱动的轴的（本身没有示出的）被驱动的操作元件（例如注射蜗杆或注射柱塞）与示出的双作用的（双动的）柱塞的柱塞杆连接，该柱塞容纳在一个液压柱塞中并且形成液压的柱塞－缸单元2。该柱塞－缸单元具有在双作用的柱塞两侧的两个液压的压力室。柱塞当前是以传力配合的方式与电机连接。
该电机1是可以作为马达和发电机运行的、由定子和转子构成的单元，它经由传动机构(例如齿杆－小齿轮组合或螺母－主轴组合)作用于柱塞杆并且与柱塞杆作用连接。
柱塞-缸-单元2的压力室在阀门（例如比例阀，伺服阀或分配阀）10的中间连接下可以被施加压力流体。压力流体或者来自泵40，该泵经由可变地控制的马达来驱动。此外，泵40也可以作为液压马达工作，其中，与泵40连接的马达此时作为发电机起作用。
可选择地，在另一个阀门30的中间连接下，液压泵40可以与阀门10连接。
最后设置有液压的蓄能器3，在其中可以在压力下存储液压流体。该蓄能器3经由第三阀门20分别与阀门30和10连接，如图1中所示。
依据阀门10，20和30的位置，由此形成在柱塞-缸-单元2的压力室，蓄能器3和泵40之间的不同的连接可能性。例如，如果这样地定位阀门20和30，使得蓄能器3与泵按照流动方式相连接，那么一方面泵可以对蓄能器充电或者另一方面蓄能器驱动作为发电机的泵。在一方面相应地定位的阀门20或30和另一方面相应地定位的阀门10的情况下，泵40可以可选择地驱动柱塞-缸-单元2的双作用的柱塞或者对蓄能器3充电。如果阀门10，20和30被相应地定位，那么不仅泵40而且蓄能器3都可以在相同的方向上同时对双作用的柱塞加载。
由此依据阀门的转换位置，可以只通过作为电动马达作用的电机1，只通过泵40，只通过蓄能器或通过两个单独驱动装置的组合或所有单独驱动装置的组合来驱动没有示出的注射单元。此外，电机和液压的元件可以在再生模式下运行。
由此可以通过单独驱动装置的不同的组合最佳地满足针对被驱动的轴的、被确定的性能要求。依据组合方式，在此将消耗或多或少的能量。如果例如在蓄能器运行期间作为发电机工作的电机的多余能量被输回到系统中（例如馈送到中间电路中），那么可以避免能量的浪费并且由此提高驱动装置的效率。该系统，尤其是对各单独驱动装置相应地加载的(当前没有示出的)控制或调节机构，由存储的性能数据确定出对应于性能特性对该性能要求有利的运行组合。利用被确定的运行组合，各单独驱动装置然后被相应地加载或者在再生模式下运行。
从图4中可以看到在负荷点的覆盖方面各单独的驱动装置的组合的效果。在此情况下，负荷点可以对应于性能要求。
在图2，图3，图4的曲线图中，在横坐标上或者示出注射速度v或者示出按照比例相关的体积流Q和在纵坐标上示出注射力F或者按照比例相关的液压的压力p，其中，(在图4中)不同的负荷点被绘制在负荷特性曲线LK_1，LK_2，LK_3和LK_4上。依据负荷点落入的该曲线图的区域，该负荷点位于这样的一个区域中，在该区域中它可以被由图1中的其中一个单独的驱动装置(分驱动装置)或这些单独的驱动装置(分驱动装置)的一种组合覆盖。
因此曲线图(图2)的阴影区域110示出这样的区域，该区域仅仅通过运行液压泵或调节泵40就能够被覆盖。在此情况下，负荷点LP1_1(图4)通过调节泵40在直接的运行中在全压力下被覆盖。需要的油流量在此处为调节泵的有效功率（容量）的大约90%。这标出了调节泵40的功率极限。液压流体的通流量例如可以通过调节在相应的调节泵中的回转角（摆动角）以及也可以通过驱动的电动马达的转速调节来达到。能源效率在此是非常好的并且不仅在经由回转角的调节下而且在经由电动马达的转速的调节下都是非常良好的。在此情况下几乎没有节流损失。
负荷点LP1_2(图4)也可以仅仅通过调节泵40在直接的运行中以减小的压力覆盖。在此情况下油流量位于调节泵的功率的大约40%的范围中。减小的通流量又可以通过调节回转角以及也通过减小对泵驱动的电动马达的转速来实现。在此，在调节回转角情况下或在通过电动马达减小转速情况下实现不同的能量消耗值。
在曲线图中的阴影区域112(图3)可以直接地经由驱动装置借助于作为电动马达作用的电机1来覆盖。在此处可以看到，负荷点LP1_3(图4)不仅可以由电机1而且可以由调节泵40单独地覆盖。在此情况下几乎没有效率差别。
负荷点LP4_1，LP4_2，LP3_4，LP1_3和LP2_3可以通过电机1单独地覆盖。
在全部其余的负荷点中，在按照图1的实施例的总驱动装置中，蓄能器3必须作为能量储存器被接通。但是，在运行蓄能器3期间特性曲线可以通过液压的元件2的不同的运行方式(驱动或再生运行)以及通过电机1的不同的运行方式(驱动或再生运行)在曲线图中移动。
因此，调节泵的不同的运行引起蓄能器的速度轴的零点的移动。没有泵的运行时，蓄能器特性曲线通过特性曲线120(图2)表征。该特性曲线由于在液压线路中的节流损失而随着注射速度v下降。如果现在调节泵40被作为驱动装置接入，那么特性曲线在曲线图中向右移动(现在是图2中的特性曲线124)。如果调节泵被作为液压马达使用，那么蓄能器附加地驱动液压的元件，由此特性曲线向左移动(图2中的特性曲线122)。在最后的情况中，蓄能器3的液压功率不仅供给柱塞-缸-单元2，而且现在也供给作为液压马达工作的调节泵40。
以相同的方式，在相应地接入电机1情况下，蓄能器3的特性曲线在曲线图中向上或向下移动。电动马达的力或作为发电机运行的电机的力与蓄能器在柱塞上的力相加或相减，从而依据电动马达的运行方式，蓄能器特性曲线没有被移动(图3，特性曲线128)，在作为马达作用的电机情况下被向上移动(图3，特性曲线129)和在作为发电机作用的电机情况下被向下移动(图3，特性曲线126)。就此而言，依据驱动装置的组合可以不同地覆盖不同的负荷点。
负荷点LP2_1，LP3_1(图4)只能够在系统的最大的负荷程度情况下被覆盖。这意味着，全部三个可供使用的分驱动装置必须共同地产生一个功率并且输入到系统中。换言之，这意味着，电机1作为电动马达工作，蓄能器3用于在相同的方向上对柱塞加载并且液压的元件作为调节泵40工作(在图4中的SL1，SL2，SL3描绘了在各组成部分的不同的运行方式下可能的系统功率特性曲线)。
尽管随着注射速度增大节流损失不可避免地也增大，这意味着，能量效率下降。但是通过单独系统一般地完全不能或者几乎不能提供这些上述性能要求。
负荷点LP2_2可以只通过蓄能器3的支持来覆盖。但是，为了使蓄能器中的节流损失尽可能小，附加地借助于作为电动马达作用的电机1施加一个负荷，以便将负荷压力提高到最大可能的水平(电机1的再生运行)。在此获得的电能可以输回到中间电路中。该被输回的能量例如可以在注射过程期间由调节泵用于对储存器充电或者直接地用于驱动另外的连接在中间电路上的机器或者也可以输回到电网中。在这种方法中节流损失在该工作点处保持很小。产生的损失对应于在各能量转换期间的效率。
负荷点LP3_3也位于曲线图的一个区域中，在该区域中需要通过蓄能器3的支持。经由阀门的节流损失可以通过调节泵的再生转换(现在是液压马达功能)被减小到最低程度。
最后，负荷点3_2也必须通过蓄能器3的支持来覆盖。附加地，要求的功率的剩余部分例如通过作为电动马达作用的电机1来施加。剩余功率的该部分也应该仅仅如此大，即使得经由阀门的节流损失被保持最小。
通过本发明和前述方法，可以以非常高的能量效率构造一种总驱动装置，其中各响应的驱动装置部分的相应的功能（强度）(动力，精度)能够得到充分利用。尤其是通过再生利用电机以及液压的元件可以在系统中保持在其它情况下在运行蓄能器期间损失的能量。
总体上，在此情况下仅仅留下曲线图的一小的区域，该区域不能够理想地适配于希望的性能特性 (在此处是能量效率)。
此外，该系统允许模块性（模块化）。因此，例如可以在小的速度要求情况下仅仅直接地使用调节泵运行。相反，在具有高速度的较小扭矩要求情况下可以利用电的驱动系统。在高的注射生产量情况下，可选择地，附加地接入具有蓄能器的储能系统。
这些系统可以在订购压铸机期间暂时只能够被单独地出售(例如只有液压的驱动装置)。但是可以用另外的分驱动装置进行补充装备。原则上也可以将前述设计构思扩展到其它的驱动轴或驱动元件上。关于驱动轴，可以在压铸机情况下例如在闭合力方面，在压紧力方面等等，使用相应的设计理念。
附图标记表
1电机(发电机，电动马达)
2双作用的柱塞-缸-单元
3蓄能器
10第一阀门
20第二阀门
30第三阀门
40液压的元件(液压泵;液压马达)
110可以通过液压泵直接覆盖的负荷区域
112可以通过电驱动装置直接覆盖的负荷区域
114可以通过蓄能器或附加地通过蓄能器覆盖的负荷区域
116用于储能系统的速度轴的零位置的移动
118用于储能系统的力轴的零位置的移动
120至129各种特性曲线

Claims (16)

1.用于在机床中运行被驱动的轴的方法，其中，至少两个不同的驱动装置被耦联成一个共同的有效驱动装置，其中，用于每个驱动装置的性能数据被存储在特性值或特性曲线中，其特征在于，
-预先设定用于驱动装置的性能特性，
-确定用于被驱动的轴的性能要求，
-在所述性能要求的基础上，由性能数据确定驱动装置的得到所述性能特性的那种运行组合和
-用被确定的所述运行组合来驱动所述驱动装置。
2.按照权利要求1所述的方法，
其特征在于，
预先设定一种具有尽可能小的能量消耗的性能特性。
3.按照权利要求2所述的方法，
其特征在于，
预先设定一种在小的能量消耗下具有一定的最小动力性的性能特性。
4.按照前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，
至少一个驱动装置通过电机形成，所述电机依据要求不仅作为驱动马达而且作为发电机运行。
5.按照权利要求4所述的方法，
其特征在于，
在将电机作为发电机运行时产生电能并且该电能被输回到一个系统中。
6.按照权利要求1所述的方法，
其特征在于，
至少一个驱动装置包括液压的元件，所述液压的元件依据要求作为被驱动的泵或作为液压马达运行并且由阀门控制。
7.按照权利要求6所述的方法，
其特征在于，
作为液压的元件运行的液压马达驱动一个另外的、作为发电机的电机，所述电机产生电能并且将电能输回到所述系统中。
8.按照权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述机床是压铸机。
9.用于在机床中运行被驱动的轴的装置，包括至少两个不同的驱动装置，它们被耦联成一个共同的有效驱动装置，其中，用于每个驱动装置的性能数据被存储在特性值或特性曲线中，以及一个控制或调节机构，其与不同的驱动装置连接，以控制所述不同的驱动装置，
其特征在于，
-一种性能特性可以被预先设定并且
-所述控制或调节机构被设计成，
--用于确定用于被驱动的轴的性能要求和
--用于在所述性能要求的基础上，确定被耦联的驱动装置的得到所述预先设定的性能特性的那种运行组合和
-所述驱动装置可以用被确定的所述运行组合来驱动。
10.按照权利要求9所述的装置，
其特征在于，
至少一个驱动装置包括液压蓄能器，所述液压蓄能器由阀门控制。
11.按照权利要求10所述的装置，
其特征在于，
至少一个驱动装置包括电机，所述电机被设计用于不仅作为马达而且作为发电机来作用。
12.按照权利要求11所述的装置，
其特征在于，
所述电机和它的组成部件被设计用于将电能回馈到一个系统中。
13.按照权利要求10至12中任一项所述的装置，
其特征在于，
至少一个驱动装置包括液压的元件，所述液压的元件被设计用于依据要求作为被驱动的泵或作为液压马达来运行。
14.按照权利要求13所述的装置，
其特征在于，
所述液压的元件与一个另外的电机耦联。
15.按照权利要求14所述的装置，
其特征在于，
所述另外的电机和它的组成部件被设计用于将电能回馈到所述系统中。
16.按照权利要求9所述的装置，
其特征在于，
所述机床是压铸机。
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