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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelvorrichtung zur Regelung
einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor.
Bei Kunststoffspritzgießmaschinen mit einem hydraulisch
betriebenen Zylinder treibt ein Elektromotor eine Pumpe an, die
dem Zylinder ein hydraulisches Druckmittel gemäß einer
Druck/Volumenstrom-Regelung zuführt. In Arbeitszyklen der
Kunststoffspritzgießmaschine gibt es Bereiche, in denen
der Druck geregelt wird, sowie weitere Bereiche, in denen der Volumenstrom
geregelt wird.
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In
der
EP 1 236 558 B1 wird
vorgeschlagen, die Drehzahl des Elektromotors an den angeforderten
Druck oder den angeforderten Volumenstrom anzupassen. Dafür
wird in einem Lernzyklus ein Drehzahl-Profil erstellt. Dieses Drehzahl-Profil
wird verwendet, um die Drehzahl während des Ablaufs der Arbeitszyklen
zu verändern. Zur Erstellung des Drehzahl-Profils wird
in einem Lernzyklus bei konstanter Drehzahl des Elektromotors zunächst
ein Fördervolumen-Profil für eine Verstellpumpe
erfasst. Im Anschluss daran wird aus der konstanten Drehzahl und dem
Fördervolumen-Profil ein Volumenstrombedarf-Profil ermittelt.
Aus dem Volumenstrombedarf-Profil wird schließlich das
Drehzahl-Profil bei einem konstanten Fördervolumen der
Verstellpumpe ermittelt. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass
es einen großen Speicherbedarf und einen hohen Aufwand
an Rechenoperationen benötigt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Regelvorrichtung
zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen
Aktor bereitzustellen, wobei der Speicherbedarf und die Zahl der
Rechenoperationen verringert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Verfahren zur Regelung einer Druckmittelzufuhr für
einen hydraulischen Aktor einer zyklisch arbeitenden Maschine bereitgestellt.
Der Aktor wird von einer Verstellpumpe mit einer Druckmittelmenge
versorgt, die durch ein von einer übergeordneten Steuerung
vorgegebenes Druck/Volumenstrom-Profil bestimmt ist. Die Verstellpumpe
wird ihrerseits von einem drehzahlgesteuerten Elektromotor angetrieben.
In einem Lernzyklus wird bei einer konstanten Drehzahl nL des Elektromotors mindestens ein Messwert
V eines Fördervolumens für die Verstellpumpe erfasst.
Aus dem mindestens einen Messwert V des Fördervolumens,
der konstanten Drehzahl nL und einem Grenzfördervolumen VG, das bei einer Drehzahlabsenkung nicht überschritten
werden soll, wird ein Drehzahl-Profil ermittelt. Dabei wird mindestens
ein Drehzahlwert n mittels der Beziehung n = nL·(V/VG) errechnet. Durch Verknüpfung
des Druck/Volumenstrom-Profils mit dem Drehzahl-Profil wird ein
an das Drehzahl-Profil angepasstes Druck/Fördervolumen-Profil
gebildet und in Arbeitszyklen der Maschine wird der Elektromotor
entsprechend dem ermittelten Drehzahl-Profil betrieben und die Verstellpumpe
entsprechend dem Druck/Fördervolumen-Profil angesteuert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also nach
dem Erfassen des zumindest einen Messwerts des Fördervolumens
unmittelbar aus diesem Messwert eine Solldrehzahl für den
Elektromotor ermittelt. Es wird somit unmittelbar aus den Messwerten
des Fördervolumens ein Drehzahl-Profil ermittelt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren besitzt somit den Vorteil,
dass das Ermitteln und Abspeichern eines Volumenstrombedarf-Profils
entfällt, was zu einer deutlichen Reduktion des Speicherbedarfes führt.
Zudem wird die Zahl der Rechenope rationen deutlich verringert, was
zu einer Verkürzung der Verfahrensdauer führt.
Insgesamt wird dadurch des Verfahren sowohl kostengünstiger
als auch schneller.
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Die
Anpassung des Drehzahlverlaufs an den jeweiligen Leistungsbedarf
wirkt sich auch vorteilhaft auf die Geräuschentwicklung
der Maschine bei ihrem Betrieb aus. Nach längerer Betriebsdauer,
beispielsweise wenn sich aufgrund von Abnutzungen mechanischer Teile
von Aktoren Leckölverluste vergrößert haben,
lässt sich auf einfache Weise eine Neuoptimierung des Drehzahl-Profils
durchführen. Dies gilt in gleicher Weise bei einem Austausch
von Aktoren.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Lernzyklus jeweils
höchstens ein erfasster Messwert des Fördervolumens
gespeichert. Die Speicherung der Messwerte des Fördervolumens
kann aber insbesondere auch vollständig entfallen. Die
erfassten Messwerte des Fördervolumens sind also zumindest
nicht gleichzeitig gespeichert, wodurch der benötigte Speicherplatz
weiter reduziert werden kann.
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In
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird in dem Lernzyklus als konstante Drehzahl eine Nenndrehzahl
des Elektromotors verwendet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung erfolgt die Erfassung des mindestens
einen Messwerts des Fördervolumens in festen Zeitabständen.
Dies führt zu einem vereinfachten Verfahrensablauf, da
keine Variation der Zeitabstände erfolgt.
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Ein
das Fördervolumen der Verstellpumpe steuerndes Stellglied
kann mit einem Ausgangssignal eines Pumpenreglers beaufschlagt werden,
dem der Sollwert für das Fördervolumen der Verstellpumpe
und dessen Istwert sowie der Sollwert für den Druck und
dessen Istwert zugeführt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird aus der Differenz zwischen dem
Sollwert für das Fördervolumen der Verstellpumpe
und dessen Istwert eine erste Stellgröße für
das das Fördervolumen der Verstellpumpe steuernde Stellglied
gebildet. Zudem wird aus der Differenz zwischen dem Sollwert für
den Druck und dessen Istwert eine zweite Stellgröße
für das das Fördervolumen der Verstellpumpe steuernde
Stellglied gebildet. Die kleinere der beiden Stellgrößen wird
anschließend dem das Fördervolumen der Verstellpumpe
steuernden Stellglied zugeführt.
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Durch
die Minimalwertauswahl zwischen dem Ausgangssignal des Fördervolumenreglers
und dem Ausgangssignal des Druckreglers ist sichergestellt, dass
die durch das Druck/Volumenstrom Profil vorgegebenen Werte für
den Druck und den Volumenstrom nicht überschritten werden.
Die Regelung erfolgt derart, dass die eine Größe
so geregelt wird, dass ihr Istwert gleich dem entsprechenden Sollwert ist,
wobei der Istwert der jeweils anderen Größe kleiner
als ihr Sollwert ist. Dabei werden Werte des Drehzahl-Profils, die
größer als die theoretisch erforderlichen Werte
sind, durch Veränderung des Fördervolumens der
Verstellpumpe ausgeglichen.
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Der
Sollwert für den Volumenstrom kann dabei mit einem zu dem
Kehrwert der Drehzahl des Elektromotors proportionalen Faktor multipliziert
und das Produkt dem Pumpenregler als Sollwert für das Fördervolumen
der Verstellpumpe zugeführt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird ein die Drehzahl des
Elektromotors steuerndes Stellglied mit dem Ausgangssignal einer
Motorsteuerung beaufschlagt, in der das Drehzahl-Profil gespeichert
ist. Zudem wird der Motorsteuerung von der übergeordneten
Steuerung beim Beginn eines neuen Zyklus ein Zyklusstartsignal zugeführt.
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Die
sowohl für die Drehzahl des Elektromotors als auch für
das Fördervolumen vorgesehene Verstellmöglichkeit
erlaubt die Verwendung von Elektromotoren, bei denen die maximale Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahl kleiner als die maximale Änderungsgeschwindigkeit
des Fördervolumens der Verstellpumpe ist. Aufgrund der
geringeren Anforderungen an die Dynamik der Steuerung der Dreh zahl des
Elektromotors lassen sich kostengünstige Antriebe einsetzen.
Die kleinere Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl des
Elektromotors kann in dem Drehzahl-Profil dadurch berücksichtigt
werden, dass bei einer Erhöhung des Volumenstrombedarfs,
der die Drehzahl des Elektromotors nur verzögert folgen kann,
die Drehzahlerhöhung entsprechend früher beginnt.
Bei Verringerungen des Volumenstrombedarfs, der die Drehzahl des
Elektromotors nicht direkt folgen kann, wird die Drehzahl entsprechend
der Dynamik des Elektromotors langsamer verringert, bis die Drehzahl
wieder ihren Sollwert erreicht hat.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird daher aus dem Drehzahl-Profil
ein die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahl des Elektromotors beim Beschleunigen und/oder Verzögern
berücksichtigendes Mindestdrehzahl-Profil ermittelt.
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Dabei
kann die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahldes Elektromotors beim Beschleunigen durch eine Beschleunigungsrampe
und/oder einen zeitlichen Vorhalt in dem Mindestdrehzahl-Profil
berücksichtigt werden.
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Zudem
kann die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahl des Elektromotors beim Verzögern durch eine
Verzögerungsrampe und/oder einen zeitlichen Nachhalt in
dem Mindestdrehzahl-Profil berücksichtigt werden.
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In
Abschnitten des Mindestdrehzahl-Profils, in denen die Drehzahlwerte
kleiner als ein für den Betrieb der Verstellpumpe und/oder
des Elektromotors erforderlicher Minimalwert sind, wird dem Elektromotor
in einer weiteren Ausführungsform der Minimalwert als Drehzahl-Sollwert
zugeführt. Damit ist in vorteilhafter Weise die Schmierung
der Verstellpumpe sichergestellt. Zudem wird dadurch eine ausreichende
Kühlung des Elektromotors gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird in dem Lernzyklus mindestens ein Druckmesswert erfasst. Aus
einem zulässigen Drehmoment des Elektromotors und dem mindestens
einen Druckmesswert wird anschließend mindestens ein maximal
zulässiges Fördervolumen VFzul ermittelt.
In Abschnitten des Drehzahl-Profils, in denen das Grenzfördervolumen VG größer als das mindestens
eine maximal zulässige Fördervolumen VFzul ist, wird der Drehzahlwert n mittels
der Beziehung n = nL·(V/VFzul) errechnet. Damit wird sichergestellt,
dass der Elektromotor durch das für den Antrieb der Verstellpumpe
benötigte Drehmoment nicht überlastet wird. Die
druckabhängige Begrenzung des Drehzahl-Profils hebt die
Drehzahl soweit an, dass das zulässige Drehmoment des Elektromotors
nicht überschritten wird.
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Das
Drehzahl-Profil wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung gespeichert.
Das gespeicherte Profil wird dann in den Arbeitszyklen der Maschine abgerufen
und der Elektromotor entsprechend dem gespeicherten Drehzahl-Profil
betrieben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung der Druckmittelzufuhr
ist allgemein für Maschinen mit hydraulischen Aktoren geeignet,
bei denen sich Arbeitsabläufe zyklisch wiederholen, z.
B. bei Fertigungsmaschinen, wie Werkzeugmaschinen oder Kunststoffverarbeitungsmaschinen
zum Einspritzen von flüssigem Kunststoff in eine Form,
beispielsweise Spritzgießmaschinen. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist besonders geeignet für Steuer- und Regeleinrichtungen
mit digitaler Datenverarbeitung.
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Der
Elektromotor ist in einer Ausgestaltung als Asynchronmotor ausgebildet
und wird geberlos angesteuert. Geberlos bedeutet, dass es keinen Sensor
gibt, der die Drehzahl des Rotors misst und an die Steuerung des
Elektromotors rückmeldet. Ein Messen der Drehzahl ist grundsätzlich
aufwändig und verursacht mehr Kosten. Die geberlose Ansteuerung
verringert somit den Aufwand für die Regelschaltung.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Regelvorrichtung zur Regelung einer
Druckmittelzufuhr für einen hydraulischen Aktor einer zyklisch
arbeitenden Maschine. Bei dieser Maschine wird der Aktor von einer von
einem drehzahlgesteuerten Elektromotor angetriebenen Verstellpumpe
mit einer Druckmittelmenge versorgt, die durch ein von einer übergeordneten Steuerung
vorgegebenes Druck/Volumenstrom Profil bestimmt ist. Die Regelvorrichtung
weist einen Druckregler zum Regeln des Drucks der Druckmittelmenge
durch Ansteuern der Verstellpumpe auf. Zudem weist die Regelvorrichtung
eine Messvorrichtung zum Erfassen mindestens eines Messwerts V eines
Fördervolumens für die Verstellpumpe während
eines Lernzyklus der Maschine bei einer konstanten Drehzahl nL des Elektromotors und eine Drehzahlprofilermittlungsvorrichtung
zum Ermitteln eines Drehzahl-Profils des Elektromotors während des
Lernzyklus auf. Darüber hinaus weist die Regelvorrichtung
eine Einstellvorrichtung zum Betreiben des Elektromotors in Arbeitszyklen
der Maschine entsprechend dem während des Lernzyklus ermittelten Drehzahl-Profil
auf. Dabei ermittelt die Drehzahlprofilermittlungsvorrichtung das
Drehzahl-Profil aus dem mindestens einen Messwert V des Fördervolumens, der
konstanten Drehzahl nL und einem Grenzfördervolumen
VG, das bei einer Drehzahlabsenkung nicht überschritten
werden soll. Mindestens ein Drehzahlwert n wird mittels der Beziehung
n = nL·(V/VG)
errechnet.
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Die
Regelvorrichtung ermöglicht somit, den benötigten
Speicherplatz deutlich zu reduzieren.
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Die
Regelvorrichtung weist in einer Ausführungsform eine Speichervorrichtung
zum Speichern des Drehzahl-Profils auf. Der Elektromotor kann als Asynchronmotor
ausgebildet sein und geberlos angesteuert werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Baugruppe aus einer erfindungsgemäßen
Regelvorrichtung und einem Aktor, dessen Versorgung mit einem hydraulischen
Druck mittels der Regelvorrichtung bereitgestellt wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
einen Aktor einer Fertigungsmaschine mit der dazu gehörigen
Regelvorrichtung zur Erzeugung von hydraulischen Druckmengen.
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2 zeigt
Details der Regelvorrichtung aus 1.
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3 zeigt
eine Darstellung des in der Motorsteuerung gespeicherten Drehzahl-Profils.
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4 zeigt
eine Darstellung des in der Motorsteuerung gespeicherten Drehzahl-Profils,
in der zusätzlich zu der Darstellung der 3 die
maximale Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl berücksichtigt
ist.
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5 zeigt
eine Darstellung des in der Motorsteuerung gespeicherten Drehzahl-Profils,
in der zusätzlich zu der Darstellung der 4 ein
Minimalwert für die Drehzahl berücksichtigt ist.
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1 zeigt
einen Aktor 11 einer Fertigungsmaschine sowie die dazu
verwendete Regelung zum Bereitstellen von hydraulischem Druckmittel
für diesen Aktor 11.
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Der
Aktor 11 ist z. B. ein Zylinder für eine zyklisch
arbeitende Fertigungsmaschine, die flüssigen Kunststoff
in eine Form einspritzt. Ein Arbeitszyklus unterteilt sich in mehrere
nacheinander ablaufende Abschnitte des Zyklus, die sich hinsichtlich
der benötigten Druckmenge unterscheiden. In diesen Abschnitten
erfolgt jeweils ein Arbeitsvorgang. Arbeitsvorgänge sind
beispielsweise ”Werkzeug schließen”, ”Kunststoff
einspritzen”, ”das Werkzeug öffnen”, ”eine
Nachdruckphase abwarten” oder ähnliches.
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In
diesen unterschiedlichen Abschnitten müssen unterschiedliche
Druckmengen dem Aktor 11 bereitgestellt werden, was mit
Hilfe eines Ventils 17 erfolgt. Eine Verstellpumpe 13 fördert
aus einem Tank 15 Druckmittel in eine Leitung 16,
woraufhin die Hydraulikflüssigkeit in der Leitung 16 einen
Druck p aufweist. Das Ventil 17 ist zwischen der Leitung 16 und
dem Aktor 11 vorgesehen. Dieses Ventil 17 steuert
den Volumenstrom von der Verstellpumpe 13 zu dem Zylinder 11 und
von dort zurück zum Tank 15. Das Ventil 17 wird
elektrisch von einer übergeordneten Steuerung 25 mit
einem Signal u1, das über eine Leitung 27 geleitet
wird, ange steuert. In diesem Fall wird der Volumenstrom durch das
Ventil 17 bestimmt und entspricht nicht dem Volumenstromsollwert,
den die Steuerung an die Regelpumpe vorgibt.
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Ein
Wegmessumformer 21 misst die Position der Kolbenstange
des Zylinders 11, wandelt diese Position in ein elektrisches
Signal s1 um, das über eine Leitung 23 an
die übergeordnete Steuerung 25 ausgegeben wird.
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Bei
einer anderen möglichen Ausführungsvariante ist
Ventil 17 ein Schaltventil, das die Druckmittelzufuhr der
Pumpe zum Aktor freigibt. Die Bewegung des Aktors wird direkt aus
der Pumpe gesteuert d. h. das Pumpenfördervolumen entspricht
der Aktorgeschwindigkeit.
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Zur
Steuerung des Drucks p in der Leitung 16 ist eine Regelvorrichtung
vorgesehen, die eine Einrichtung zur Regelung der Druckmittelzufuhr 10, einen
Druckmessumformer 40, ein Stellglied 31, einen
Messwertumformer 32, einen Frequenzumrichter 33,
einen Elektromotor 14, eine Welle 34 und die Verstellpumpe 13 enthält.
Die Einrichtung 10 empfängt von der übergeordneten
Steuerung 25 einen Sollwert ps für
den Druck und einen Sollwert Qs für den
Volumenstrom. Die Sollwerte ps und Qs entsprechen einem in, der übergeordneten
Steuerung gespeicherten Druck/Volumenstrom-Profil P(t)/Q(t).
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Zudem
empfängt die Vorrichtung 10 ein Zyklusstartsignal
yt0, das anzeigt, wann ein neuer Zyklus
beginnt, und ein Signal pi von dem Druckmessumformer 40,
der den Druck p in der Leitung 16 in ein entsprechendes
elektrisches Signal pi umwandelt. Als Ausgangssignale
gibt die Einrichtung 10 einen Sollwert ns für
die Drehzahl sowie ein Ausgangssignal yVF*
zur Einstellung des Fördervolumens aus. Das Signal ns empfängt der Frequenzumrichter 33,
der dementsprechend den Elektromotor 14 mit einer Frequenz
f so antreibt, dass die Drehzahl n des Elektromotors 14 gleich
dem Sollwert ns für die Drehzahl
ist. Die Drehbewegung des Elektromotors wird über die Welle 34 an
die Verstellpumpe 13 übertragen.
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In
der hier gezeigten Ausführungsform wird die Drehzahl n
des Elektromotors 14 nicht gemessen und rückgekoppelt,
die Drehzahl n wird somit im offenen Kreis gesteuert. In einer alternativen
Ausführungsform ist es auch möglich, die Drehzahl
zu messen und zu dem Frequenzumrichter 33 rückzuführen, um
die Drehzahl n des Elektromotors zu regeln. Dazu ist in 1 ein
mit der Welle 34 gekoppelter Tachogenerator 35 gezeigt,
welcher den Istwert ni der Drehzahl n liefert.
Der Istwert ni der Drehzahl n wird dann, wie
in 1 durch eine gestrichelte Linie 36 dargestellt,
dem Frequenzumformer 33 zur Regelung der Drehzahl n zugeführt.
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Das
Stellglied 31 empfängt das Ausgangssignal yVF* von der Einrichtung 10 und steuert
das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13.
Der Messwertumformer 32 gibt ein elektrisches Signal, das
den Ist-Wert VFi des Fördervolumens
der Verstellpumpe 13 anzeigt, aus.
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Die
Einrichtung 10 enthält zudem einen Pumpenregler 41,
eine Motorsteuerung 42, einen Multiplizierer 44 und
ein Rechenglied 45. Der Multiplizierer 44 ist
als Proportionalglied mit einem steuerbaren Verstärkungsfaktor
KQ ausgeführt. Das Rechenglied 45 empfängt
als Eingangssignal den Sollwert ns für
die Drehzahl und gibt dessen Kehrwert an seinen Ausgang als das
Signal KQ aus. Der Multiplizierer empfängt
an seinen Eingängen den Sollwert QS für
den Volumenstrom sowie das Signal KQ.
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Der
Multiplizierer 44 bildet folglich aus dem Sollwert QS für den dem Zylinder zuzuführenden
Volumenstrom unter Berücksichtung der Drehzahl n des Elektromotors 14 einen
Sollwert VFs für das Fördervolumen
der Verstellpumpe 13. Der Pumpenregler 41 empfängt
als Eingangssignal den Ist-Wert VFi für
das Fördervolumen, den Ist-Wert pi für
den Druck, den Sollwert VFs für
das Fördervolumen sowie den Sollwert ps für
den Druck und gibt an seinem Ausgang das Ausgangssignal yVF* für das Fördervolumen
aus.
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2 zeigt
Details des Pumpenreglers 41 aus 1. Der Druckregler 41 weist
ein erstes Summationsglied 48, ein zweites Summationsglied 51,
einen Fördervolumenregler 49, einen Druckregler 52 und
ein Minimalwertauswahlglied 50 auf.
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Das
erste Summationsglied 48 bildet aus dem Sollwert VFs und dem Ist-Wert VFi für
das Fördervolumen der Verstellpumpe 13 eine Regeldifferenz, die
dem Fördervolumenregler 49 als Eingangssignal zugeführt
wird.
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Das
mit yVF bezeichnete Ausgangssignal des Fördervolumenreglers 49 ist
dem Minimalwertauswahlglied 50 als erstes Eingangssignal
zugefügt. Das zweite Summationsglied 51 empfängt
den Sollwert ps für den Druck und
den Ist-Wert pi für den Druck,
woraus durch Subtraktion die Regeldifferenz für den Druck
gebildet und an den Druckregler 52 ausgegeben wird. Der
Druckregler 52 gibt als Ausgangssignal den Wert yp an das Minimalwertauswahlglied 50,
das den Wert yp an seinem zweiten Eingang
empfängt. Das Minimalwertauswahlglied 50 wählt
das kleinere der beiden Eingangssignale yVF und
yp aus und leitet diesen Minimalwert als
Stellgröße yVF* für
die Einstellung des Fördervolumens VF an
das Stellglied 31 weiter. Sowohl die Regelung des Fördervolumens
VF als auch die Regelung des Drucks p erfolgt
mit Hilfe des Einstellens des Fördervolumens der Verstellpumpe 13.
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Die Übertragungsverhalten
des Fördervolumenreglers 49 und des Druckreglers 52 weisen
jeweils einen Proportional- und einen Differentialanteil auf.
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In
der übergeordneten Steuerung 25 ist ein Druck/Volumenstrom-Profil
p(t)/Q(t) für die Druckmittelzufuhr des Zylinders 11 insbesondere
während der Fertigungszyklen gespeichert. Die Erfindung
sieht vor, ein Drehzahl-Profil n(t) für den Elektromotor 14 zu
erstellen, das den Verlauf der Drehzahl n während eines
Fertigungszyklus vorgibt. Hierzu wird der Elektromotor 14 zunächst
mit der konstanten Drehzahl nL betrieben.
Die Regelung des dem Zylinder 11 zugeführten Volumenstroms
erfolgt dabei allein durch den Pumpenregler 41. Der Pumpenregler 41 sorgt
dafür, dass die Verstellpumpe 13 dem Zylinder 11 den
Volumenstrom zu führt, der erforderlich ist, um die durch das
Druck/Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) vorgegebenen Werte einzuhalten.
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Durch
die Regelung von Druck p und Volumenstrom Q stellt sich ein von
der Verstellpumpe 13 geförderter Volumenstrom
ein, der sowohl das Kompressionsvolumen des Druckmittels als auch
Leckverluste berücksichtigt, also Einflussgrößen,
die einer Berechnung nur schwer zugänglich sind. Dies gilt in
gleicher Weise für den Volumenstrombedarf des Zylinders 11 bei
einer Druckregelung.
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Es
ist vorteilhaft, als konstante Drehzahl nL die
größte Drehzahl nmax,
mit der der Elektromotor 14 in den Fertigungszyklen betrieben
werden soll, zu wählen. Bei dieser Drehzahl handelt es
sich in der Regel um die Nenndrehzahl des Elektromotors 14.
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Der
Optimierungsvorgang weist eine Reihe von Lernzyklen auf, in denen
die Verstellpumpe 13 mit der konstanten Drehzahl nL angetrieben wird. In einem ersten Lernzyklus
wird die Dauer eines Fertigungszyklus durch Messung der Zeitdauer
zwischen zwei Zyklusstartimpulsen ermittelt. Aus der Dauer eines
Fertigungszyklus und der Anzahl der in der Motorsteuerung 42 für
die Speicherung von Werten zur Verfügung stehenden Speicherplätze
wird der zeitliche Abstand Δt für die Erfassung
der zu speichernden Werte ermittelt. In einem weiteren Lernzyklus werden
im Abstand von Δt die Istwerte VFi des
Fördervolumens erfasst. Aus jeweils einem Messwert V des
Fördervolumens, also jeweils einem der Istwerte VFi, der konstanten Drehzahl nL und
einem Grenzfördervolumen VG, das
bei einer Drehzahlabsenkung nicht überschritten werden
soll, wird in diesem Lernzyklus ein Drehzahl-Profil n(t) ermittelt.
Dabei werden die Drehzahlwerte n mittels der Beziehung n = nL·(V/VG)
errechnet.
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Es
empfiehlt sich, das Grenzfördervolumen VG so
zu wählen, dass er in der Nähe des Nennwerts des
Fördervolumens VF der Verstellpumpe 13 liegt. Damit
eine Regelreserve zur Verfügung steht, wird das Grenzfördervolumen
VG so gewählt, dass es ungefähr
90% des Nennwerts des Fördervolumens VF der
Verstellpumpe 13 entspricht. Dieser Wert ist im folgenden
mit VF90 bezeichnet.
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Dabei
ist zu jedem Zeitpunkt innerhalb des Lernzyklus jeweils höchstens
ein erfasster Messwert V des Fördervolumens gespeichert.
Die Speicherung der Messwerte V des Fördervolumens kann
aber insbesondere auch vollständig entfallen.
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Steuert
man die Drehzahl des Elektromotors 14 gemäß dem
auf diese Weise ermittelten Drehzahl-Profil n(t) an, würde
sich unter idealen Bedingungen das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 auf den Wert
VF90 einstellen. In der Praxis ist jedoch das
Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13 während
eines Zyklus nicht konstant, insbesondere da sich die Drehzahl n
des Elektromotors 14 nicht so schnell ändern lässt
wie das Fördervolumen VF der Verstellpumpe 13.
Dazu kommt, dass insbesondere im Hinblick auf die Schmierung der
Verstellpumpe 13, der Kühlung des Elektromotors 14 und
das maximal zulässige Drehmoment des Elektromotors 14 seine Drehzahl
n nicht beliebig verringert werden darf.
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3 zeigt
den zeitlichen Verlauf eines Drehzahl-Profils n(t) zwischen zwei
Zyklusstartsignalen, die mit t01 und t02 bezeichnet sind. Das in dem Lernzyklus
ermittelte Drehzahl-Profil n(t) ist als gestrichelte Linie 60 dargestellt.
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Im
Folgenden wird davon ausgegangen, dass die Drehzahl n des Elektromotors 14 nicht
so schnell geändert werden kann, wie es das Drehzahl-Profil 60 vorsieht.
Um das Drehzahl-Profil 60 an die bauartbedingte maximal
mögliche Änderungsgeschwindigkeit des Elektromotors 14 anzupassen, wird
die Differenz von zwei aufeinanderfolgenden Drehzahlwerten ausgewertet.
Dabei wird der erste Drehzahlwert von dem zweiten, auf den ersten
Drehzahlwert folgenden Drehzahlwert subtrahiert. Dividiert man diese
Differenz durch den zeitlichen Abstand Δt der zwei aufeinanderfolgenden
Drehzahlwerte, erhält man die Änderungsgeschwindigkeit. des
Drehzahl-Profils an dieser Stelle des Zyklus. Dabei entspricht ein
positiver Wert einer Beschleunigung und ein negativer Wert einer
Verzögerung.
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In
einem ersten Durchgang wird geprüft, ob die Differenz zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Drehzahlwerten negativ und ihr Betrag
größer als ein Wert Δnmax– ist,
der der maximal möglichen Verzögerung des Elektromotors 14 entspricht.
Ist bei negativem Vorzeichen der Differenz ihr Betrag größer
als Δnmax–, wird der zweite
der beiden Drehzahlwerte so geändert, dass er um Δnmax– kleiner als der vorhergehende
Drehzahlwert ist. Mit den jeweils folgenden Drehzahlwerten wird
in der gleichen Weise verfahren, bis der Verlauf des ursprünglichen
Drehzahl-Profils 60 wieder erreicht ist. Ist der Betrag
der Differenz kleiner als Δnmax–,
werden die jeweiligen Drehzahlwerte beibehalten. Der sich dabei
ergebende Drehzahlverlauf ist als ausgezogene Linie 61 dargestellt.
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Ausgehend
von dem Drehzahlverlauf 61 werden in einem zweiten Durchgang
die gespeicherten Drehzahlwerte in der entgegengesetzten Richtung
verglichen, d. h. es wird – am Ende des Zyklus beginnend
bis zurück zu seinem Anfang – jeweils die Differenz
zwischen dem betrachteten Drehzahlwert und dem diesem vorhergehenden
Drehzahlwert gebildet, wobei im nächsten Schritt der jetzt
als ”vorhergehender Drehzahlwert” berücksichtigte
Drehzahlwert zum ”betrachteten Drehzahlwert” wird.
Dabei wird der betrachtete Drehzahlwert von dem vorhergehenden Drehzahlwert
subtrahiert und jeweils geprüft, ob die Differenz zwischen
den zwei benachbarten Drehzahlwerten negativ und ihr Betrag größer
als ein Wert Δnmax+ ist, der der
maximal möglichen Beschleunigung des Elektromotors 14 entspricht.
Ist bei negativem Vorzeichen der Differenz ihr Betrag größer als Δnmax+, wird der zweite der beiden Drehzahlwerte, d.
h. der vorhergehende Drehzahlwert, so geändert, dass er
um Δnmax+ kleiner als der betrachtete
Drehzahlwert ist. Mit den jeweils folgenden Drehzahlwerten wird
in gleicher Weise verfahren, bis der Verlauf des ursprünglichen
Drehzahl-Profils 61 erreicht ist. Der sich dabei ergebende
Drehzahlverlauf ist in 4 als dick ausgezogene Linie 62 dargestellt.
Die Linie 62 gibt ein Mindestdrehzahl-Profil n*(t) wieder, das
die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
des Elektromotors 14 beim Beschleunigen und Verzögern
berücksichtigt.
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Um
eine ausreichende Schmierung der Verstellpumpe 13 sowie
eine ausreichende Kühlung des Elektromotors 14 sicherzustellen,
darf ein Minimalwert nmin der Drehzahl nicht
unterschritten werden. Dieser Drehzahlwert ist von der jeweils verwendeten Verstellpumpe 13 abhängig.
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Um
diese Forderung zu berücksichtigen, werden in einem weiteren
Durchgang die gespeicherten Drehzahlwerte mit dem Minimalwert nmin verglichen und der aktuelle Drehzahlwert
durch den Minimalwert nmin ersetzt, wenn
der aktuelle Drehzahlwert kleiner als der Minimalwert nmin ist.
Der sich dabei ergebende Drehzahlverlauf ist in 5 zusammen
mit dem Drehzahlverlauf 60 als ausgezogene Linie 63 dargestellt.
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In
den 3 bis 5 wird also die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahl des Elektromotors 14 beim Beschleunigen durch eine
Beschleunigungsrampe in dem Mindestdrehzahl-Profil n*(t) berücksichtigt.
Die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahl des Elektromotors 14 beim Verzögern
wird durch eine Verzögerungsrampe in dem Mindestdrehzahl-Profil
n*(t) berücksichtigt.
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Alternativ
oder zusätzlich dazu kann die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahldes Elektromotors 14 beim Beschleunigen durch einen
zeitlichen Vorhalt und/oder die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit
der Drehzahl des Elektromotors 14 beim Verzögern
durch einen zeitlichen Nachhalt in dem Mindestdrehzahl-Profil n*(t) berücksichtigt
werden.
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Elektromotoren
dürfen nur kurzzeitig überlastet werden, ohne
Schaden zu nehmen. Dabei gilt, dass die Überlastung desto
größer sein darf, je kürzer sie auftritt.
Eine Überlastung des Elektromotors 14 tritt zum
Beispiel dann auf, wenn das zum Antrieb der Verstellpumpe 13 erforderliche
Drehmoment, das durch das Produkt aus dem Druck p und dem Fördervolumen
VF bestimmt ist, größer
als das im Folgenden mit Mdzul bezeichnete
zulässige Drehmoment des Elektromotors 14 ist.
Da nur in seltenen Fällen bei maximalem Fördervolumen
der maximale Druck erzeugt werden muss, reicht es aus, einen Elektromotor
zu verwenden, dessen Nenndrehmoment kleiner als das maximale Drehmoment
der Verstellpumpe 13 ist.
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Um
eine Beschädigung des Elektromotors zu vermeiden, ist vorgesehen,
in dem Lernzyklus, in dem das Drehzahl-Profil n(t) erfasst wird,
mindestens einen Druckmesswert zu erfassen. Hierzu ist der Motorsteuerung 42 der
Istwert pi des Drucks zugeführt. Aus
dem zulässigen Drehmoment Mdzul des
Elektromotors 14, das als Erfahrungswert aus dem Nenndrehmoment
des Elektromotors 14 bestimmt wird, und dem mindestens
einen Druckmesswert wird anschließend mindestens ein maximal
zulässiges Fördervolumen VFzul(t)
nach der Beziehung VFzul = K1·(Mdzul/pi) ermittelt.
Mit K1 ist dabei eine Konstante bezeichnet,
die die Dimensionen der miteinander verknüpften Größen
berücksichtigt. In Abschnitten des Drehzahl-Profils n(t),
in denen das Grenzfördervolumen VG größer
als das mindestens eine maximal zulässige Fördervolumen
VFzul(t) ist, wird der Drehzahlwert n mittels
der Beziehung n = nL·(V/VFzul(t)) errechnet. Damit lässt
sich bei gleichem Volumenstrom das für den Antrieb der
Verstellpumpe 13 erforderliche Drehmoment so weit verringern,
dass das zulässige Drehmoment des Elektromotors 14 nicht
unzulässig lange überschritten wird.
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Nach
der Ermittlung des Drehzahl-Profils n(t) bzw. gegebenenfalls nach
der Ermittlung des Mindestdrehzahl-Profils n*(t) wird das Ausgangssignal der
Motorsteuerung 42 von konstanter Drehzahl nmax auf
eine variable Drehzahl entsprechend dem Drehzahl-Profil n(t) bzw.
gegebenenfalls dem Mindestdrehzahl-Profil n*(t) umgeschaltet. Das
Zyklusstartsignal yt0 synchronisiert das
in der Motorsteuerung 42 gespeicherte Drehzahl-Profil n(t)
bzw. gegebenenfalls n*(t) mit dem in der übergeordneten
Steuerung 25 gespeicherten Druck/Volumenstrom-Profil P(t)/Q(t).
Während der Fertigungszyklen erfolgt die Steuerung der
Drehzahl des Elektromotors 14 durch das in der Motorsteuerung 42 gespeicherte
Drehzahl-Profil n(t) bzw. gegebenenfalls n*(t). Die Regelung von
Druck und Volumenstrom erfolgt entsprechend dem in der übergeordneten
Steuerung 25 gespeicherten Druck/Volumenstrom-Profil p(t)/Q(t) durch
den Pumpenregler 41. Dabei wird ausgehend vom dem Sollwert
QS für den Volumenstrom unter Berücksichtigung
der Drehzahl des Elekt romotors 14 ein Sollwert VFs für das Fördervolumen
der Verstellpumpe 13 gebildet. Hierzu ist dem Rechenglied 45 ein
Signal zugeführt, das ein Maß für die
Drehzahl ist, mit dem die Verstellpumpe 13 angetrieben
wird.
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Bei
diesem Signal handelt es sich im einfachsten Fall um das dem Frequenzumformer 33 zugeführte
Ausgangssignal nS der Motorsteuerung 42, wie
in der 1 dargestellt. Es ist aber auch möglich, bei
einer Drehzahlerfassung dem Rechenglied 45 den Istwert
ni der Drehzahl zuzuführen. Alternativ
ist es auch möglich, durch ein Modell, das z. B. in dem Frequenzumformer 33 enthalten
ist, aus dem Ausgangssignal nS der Motorsteuerung 42 ein
dem Istwert ni der Drehzahl angenähertes
Signal zu erzeugen und dieses dem Rechenglied 45 zuzuführen. Das
Modell zur Erzeugung eines dem Istwert ni der Drehzahl
angenäherten Signals kann aber auch in der Motorsteuerung 42 enthalten
sein.
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Da
den Aktoren der Fertigungsmaschine schon während des Optimierungsvorgangs
der Volumenstrom zugeführt wird, der durch das Druck/Volumenstrom-Profil
p(t)/Q(t) der übergeordneten Steuerung vorgegeben ist,
können bereits während des Optimierungsvorgangs
Werkstücke von der Fertigungsmaschine hergestellt werden.
Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Drehzahl-Profil ermittelt ist,
läuft der Elektromotor mit konstanter Drehzahl, und die Steuerung
des Volumen-Stroms erfolgt nur durch die Änderung des Fördervolumens
der Verstellpumpe. Nachdem das Drehzahl-Profil ermittelt worden
ist, wird zusätzlich die Drehzahl des Elektromotors entsprechend
dem Drehzahl-Profil n(t) bzw. gegebenenfalls dem Mindestdrehzahl-Profil
n*(t) gesteuert. Dabei erfolgt eine Verstellung des Fördervolumens
der Verstellpumpe im wesentlichen dann, wenn kleinere Korrekturen
oder schnelle Änderungen des dem Aktor zuzuführenden
Volumenstroms erforderlich sind.
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- 10
- Einrichtung
zur Regelung der Druckmittelzufuhr
- 11
- Zylinder
- 13
- Verstellpumpe
- 14
- Elektromotor
- 15
- Tank
- 16
- Leitung
- 17
- Ventil
- 21
- Wegemessumformer
- 23
- Leitung
- 25
- übergeordnete
Steuerung
- 27
- Leitung
- 31
- Stellglied
- 32
- Messwertumformer
- 33
- Frequenzumrichter
- 34
- Welle
- 40
- Druckmessumformer
- 41
- Pumpenregler
- 42
- Motorsteuerung
- 44
- Multiplizierer
- 45
- Rechenglied
- 48
- erstes
Summationsglied
- 49
- Fördervolumenregler
- 50
- Minimalwertauswahlglied
- 51
- zweites
Summationsglied
- 52
- Druckregler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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