DE102010017912A1

DE102010017912A1 - Hydraulischer Antrieb und Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs

Info

Publication number: DE102010017912A1
Application number: DE102010017912A
Authority: DE
Inventors: Bert Brahmer
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: DE102010017912B4

Abstract

Hydraulischer Antrieb (10), insbesondere Pressenantrieb für eine Umform- oder Schmiedepresse, mit einem Zylinder (12) und einem in dem Zylinder (12) verfahrbar gelagerten Presskolben (14), wobei der Presskolben (14) den Zylinder (12) in einen Pressdruckraum (16) und einen Rückhubraum (18) unterteilt, mit Druckerzeugungsmitteln zur Erzeugung eines Pressdrucks im Pressdruckraum (16), mit Druckerzeugungsmitteln zur Erzeugung eines Rückhubdrucks im Rückhubraum (18), und mit einer Steuereinheit (32), die die Druckerzeugungsmittel in Abhängigkeit von der jeweiligen Hublage des Presskolbens (14) und/oder vom jeweiligen im Pressdruckraum (16) und/oder Rückhubraum (18) herrschenden Druck regelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung derart ist, dass dann, wenn die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Presshubes angesteuert werden auch die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Gegendrucks im Rückhubraum derart angesteuert werden, dass die aus dem Pressdruck resultierende Kraft größer ist als die aus dem Gegendruck resultierende Kraft, so dass Hydraulikflüssigkeit komprimiert aus dem Rückhubraum gedrängt wird, und/oder dass die Regelung derart ist, dass dann, wenn die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Rückhubes angesteuert werden auch die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Gegendrucks im Pressdruckraum derart angesteuert werden, dass die aus dem Rückhubdruck resultierende Kraft größer ist als die aus dem Gegendruck resultierende Kraft, so dass Hydraulikflüssigkeit komprimiert aus dem Pressdruckraum gedrängt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb, insbesondere für einen Pressenantrieb oder eine Blechform- oder Schmiedepresse. Solche Antriebe umfassen einen Zylinder und einen in dem Zylinder zwischen einem oberen Todpunkt OT und einem unteren Todpunkt UT verfahrbar gelagerten Presskolben. Der Presskolben unterteilt dabei den Zylinder in einen Pressdruckraum und einen Rückhubraum, wobei der Pressdruckraum mit einer förderstromumkehrbaren Pressdruckpumpe verbunden ist, mit welcher Hydraulikflüssigkeit in den bzw. aus dem Pressdruckraum förderbar bzw. ablassbar ist. Ferner ist der Rückhubraum mit einer ebenfalls förderstromumkehrbaren Rückhubpumpe verbunden, mit der Hydraulikflüssigkeit in den bzw. aus dem Rückhubraum förderbar bzw. ablassbar ist.
Derartige Pressentriebe sind beispielsweise aus der DE 2 349 351 vorbekannt. Bei diesem Stand der Technik ist vorgesehen, dass die Pressdruckpumpe und die Rückhubpumpe auf einer gemeinsamen Welle liegen, die von einem Elektromotor angetrieben wird.
Ähnliche Pressenantriebe sind aus der DE 42 18 953 A1 vorbekannt.
Weitere Antrieb sind aus der EP 1 288 507 B1 und der DE 196 00 650 C2 bekannt. Diese Antriebe weisen zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Motoren-Pumpen-Einheiten auf. Die Antriebe arbeiten dabei derart, dass mit den Motoren-Pumpen-Einheiten, welche nicht angesteuert werden und deshalb nicht aktiv Hydraulikflüssigkeit fördern, eine Energie rückgewonnen wird.
Beim bekannten Stand der Technik kann es vorkommen, dass die Last, gegen welche der Presskolben arbeitet, sich unvorhergesehen ändert. Dies ist z. B. der Fall, wenn ein Werkstück sich beim Umformen plastisch verformt, oder beim Stanzen das Werkstück wunschgemäß reißt. In diesem Fall wird der Kolben und das durch ihn angetriebene Werkzeug sich ungewünscht beschleunigen. Ein schädliches Überschwingen der Kolbenposition kann die Folge sein. Ferner kann es vorkommen, dass im Werkzeug eine Federcharakteristik durch Niederhalter oder Federkissen hervorgerufen wird, die den Kolben zusätzlich in Richtung des Rückhub beschleunigt. Dadurch kann eine ungewollt schnelle Bewegung entstehen, welche das Werkzeug und/oder das Werkstück schädigt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die durch die unvorhergesehenen Änderungen der Prozesskräfte hervorgerufenen Beschleunigungen des Kolbens zu vermeiden. Mithin soll somit die Qualität der Lage-/Geschwindigkeits-/Druck-Regelung verbessert werden.
Diese Aufgabe wird mit einem hydraulischen Pressenantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung versuchen die Druckerzeugungsmittel stets Hydraulikflüssigkeit ihre zugeordneten Druckräume zu fördern. Dadurch entsteht beim Presshub ein Gegendruck im Rückhubraum und beim Rückhub ein Gegendruck im Pressdruckraum. Die Höhe der jeweiligen Gegendrücke ist mittels der Steuereinheit und insbesondere vorzusehenden Drucksensoren wählbar und regelbar.
Bei der Verwirklichung der Druckerzeugungsmittel als Pumpen-Motoren-Einheiten werden bei gleichzeitiger Ansteuerung der Motoren die Drehmoment-Sollwerte der Motoren gegeneinander wirken.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Kompressionsmodul von Hydraulikflüssigkeit, welche stets einen gewissen Anteil von Luft aufweist druckabhängig ist. Der Luftanteil liegt regelmäßig im Beriech von 1% und darunter. Der Kompressionsmodul steigt mit dem Druck. Die druckabhängige Erhöhung des Kompressionsmoduls einer Hydraulikflüssigkeit ist besonders ausgeprägt bei kleinen Drücken.
Die Grafik gemäß 1 [Quelle: Murrenhoff, Grundlagen der Fluidtechnik, ISBN 3-8265-9446-0, S. 120] verdeutlicht dies.
Ein größerer Kompressionsmodul hat eine größere Steifigkeit der Ölsäule zur Folge.
Der Presskolben bildet mit seiner eigenen und den fest angekoppelten Massen in guter Näherung einen Feder-Masse-Schwinger, wobei die Federn durch die Ölsäulen im Pressdruckraum sowie im Rückhubraum gebildet werden. Durch Erhöhung des Drucks der Hydraulikflüssigkeit erhöhen sich auch die Federsteifigkeiten und somit auch die Eigenfrequenz des Feder-Masse-Schwingers. Die erhöhte Eigenfrequenz des Feder-Masse-Schwingers (= Last) erhöht die Phasenreserve des Gesamtregelkreises. Mithin kann bei einem System, bei welches Druck-vorgespannt ist, die gesamte Regelung dynamischer ausgeführt werden.
Auf der jeweils antreibenden Seite des Presskolbens liegt ohnehin ein Druck vor, welcher notwendig ist um die Bewegung zu erzwingen. Gemäß dem vorbekannten Stand der Technik ist es aber generell ein Ziel, den Druck auf der Hydraulikflüssigkeit abgebenden Seite möglichst klein zu halten, da dies energetisch vorteilhaft ist. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung der Gegendruck auf der jeweils Hydraulikflüssigkeit abgebenden Seite gezielt erhöht, wobei ein Energieverlust zur Erlangung der besseren Regeleigenschaften in Kauf genommen wird.
Durch die Erfindung kann der Presskolben, je nach Anwendung oder Verwendung des Pressenantriebs, wegabhängig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unterschiedlichen Kräften verfahren werden. Dennoch kann ein geregelter Betrieb in jeder Hublage des Presskolbens gewährleistet werden.
Eine Förderstromumkehrung der Pumpen wird insbesondere durch eine Drehrichtungsumkehrung der Pumpen und der zugehörigen Motoren erreicht. Die Motoren können dazu insbesondere entsprechend angesteuert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In der 2 ist ein erfindungsgemäßer Pressenantrieb 10 dargestellt, der einen Zylinder 12 und einen Presskolben 14 aufweist. Der Presskolben 14 unterteilt dabei den Zylinder in einen Pressdruckraum 16 und in einen Rückhubraum 18. Die den Pressdruckraum 16 begrenzende aktive Fläche des Presskolbens 14 ist größer als die den Rückhubraum 18 begrenzende aktive Fläche. Der Kolben 14 ist zwischen einem oberen Todpunkt OT und einem unteren Todpunkt UT in vertikaler Richtung verfahrbar. Der Pressdruckraum 16 ist über ein Rückschlagventil 50 mit einem Nachsaugraum 52 verbunden.
Der Pressenantrieb 10 umfasst ferner eine mit dem Pressdruckraum 16 über eine Leitung 20 verbundene Pressdruckpumpe 22 sowie eine mit dem Rückhubraum 18 über eine Leitung 24 verbundene Rückhubpumpe 26. Beide Pumpen 22 und 26 sind insbesondere förderstromumkehrbar.
Die den Leitungen 20 bzw. 24 abgewandte Förderseite der Pumpe 22 bzw. 26 ist mit einem Hydrauliktank 28 verbunden. Zum Betreiben der Rückhubpumpe 26 ist ein zugehöriger Elektromotor M1 vorgesehen. Der Elektromotor M1, und damit die Pumpe 26, wird über eine Steuerleitung 30 von einer Steuereinheit 32 angesteuert. Entsprechend wird die Pressdruckpumpe 22 von einem zugehörigen Elektromotor M2, der über eine Steuerleitung 34 von der Steuereinheit 32 angesteuert wird, angetrieben.
Die beiden Elektromotoren M1 und M2, und damit die beiden Pumpen 22, 26 sind folglich unabhängig voneinander über die Steuereinheit 32 antreibbar.
Zur Bestimmung der jeweiligen Hublage des Presskolbens 14 ist am Zylinder 12 ein Wegsensor 36 vorgesehen, der über eine Leitung 38 mit der Steuereinheit 32 verbunden ist. Dadurch kann die Steuereinheit 32 die Elektromotoren M1 und M2 in Abhängigkeit der jeweiligen Hublage unabhängig voneinander gezielt ansteuern bzw. regeln.
Zur Stabilisierung des Regelkreises werden weitere Regelgrößen der Steuereinheit 32 zugeführt. Über Drehsensoren 40 werden die Drehwinkel, und damit die Fördermengen, der Elektromotoren M1 und M2 bzw. der jeweils zugehörigen Pumpen 22, 26 der Steuereinheit 32 mitgeteilt. Ferner wird der im Pressdruckraum 16 herrschende Druck 21 von einem Drucksensor 42 aufgenommen und der Steuereinheit 32 mitgeteilt. Entsprechend wird über einen Drucksensor 44 der im Rückhubraum 18 herrschende Druck P2 erfasst und ebenfalls der Steuereinheit 32 mitgeteilt.
In der Druckleitung 20 ist, wie in der Figur angedeutet, eine Pressensicherheitssteuerung 46 gemäß DIN EN 693 vorgesehen. Entsprechend ist in der Druckleitung 24 eine Halteventilsteuerung 48 gemäß DIN EN 693 vorhanden.
Der Pressenantrieb 10 kann aufgrund der getrennten möglichen Ansteuerung der Elektromotoren M1 und M2 bzw. der zugehörigen Pumpen 22, 26 sehr flexibel eingesetzt werden. Insbesondere kann eine vom Hub des Kolbens 14 abhängige Presskraft bereitgestellt werden. Entsprechend kann insbesondere eine hubabhängige Verfahrgeschwindigkeit des Kolbens 14 bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise wird der Pressenantrieb 10 wie folgendermaßen beschrieben betrieben:
Ausgehend vom oberen Todpunkt wird der Presskolben 14 in Richtung unterer Todpunkt dadurch bewegt, dass mit der Pressdruckpumpe 22 Hydraulikflüssigkeit in den Pressdruckraum 16 gepresst wird. Zeitgleich wird mit dem Motor M1 und der Pumpe 26 ein Gegendruck derart aufgebaut, dass die aus dem Pressdruck resultierende Kraft größer ist als die aus dem Gegendruck resultierende Kraft, so dass Hydraulikflüssigkeit komprimiert aus dem Rückhubraum 18 gedrängt wird. Eine Überwachung des Drucks erfolgt über den Drucksensor 42.
Bei Erreichen des unteren Todpunkts UT, also nach Bearbeitung des Werkstücks, wird vorteilhafterweise über die Rückhubpumpe 26 Hydraulikflüssigkeit aus dem Tank 28 in den Rückhubraum 18 gefördert. Hierzu wird der Motor M1 entsprechend von der Steuereinheit 32 angesteuert. Dabei wird der Motor M2 derart angesteuert, dass im Pressdruckraum 16 ein Gegendruck erzeugt wird, wobei die aus dem Rückhubdruck resultierende Kraft größer ist als die aus dem Gegendruck resultierende Kraft, so dass Hydraulikflüssigkeit komprimiert aus dem Pressdruckraum 16 gedrängt wird. Der Druck in der Druckleitung 24 kann dabei über den Drucksensor 44 überwacht werden und der Steuereinheit 32 mitgeteilt werden.
Der jeweilige Gegendruck liegt dabei im Bereich von etwa 20 bar, wodurch gewährleistet wird, dass die Hydraulikflüssigkeit ausreichend komprimiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2349351 [0002]
DE 4218953 A1 [0003]
EP 1288507 B1 [0004]
DE 19600650 C2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Quelle: Murrenhoff, Grundlagen der Fluidtechnik, ISBN 3-8265-9446-0, S. 120 [0011]
DIN EN 693 [0025]
DIN EN 693 [0025]

Claims

Hydraulischer Antrieb (10), insbesondere Pressenantrieb für eine Umform- oder Schmiedepresse, mit einem Zylinder (12) und einem in dem Zylinder (12) verfahrbar gelagerten Presskolben (14), wobei der Presskolben (14) den Zylinder (12) in einen Pressdruckraum (16) und einen Rückhubraum (18) unterteilt, mit Druckerzeugungsmitteln zur Erzeugung eines Pressdrucks im Pressdruckraum (16), mit Druckerzeugungsmitteln zur Erzeugung eines Rückhubdrucks im Rückhubraum (18), und mit einer Steuereinheit (32), die die Druckerzeugungsmittel in Abhängigkeit von der jeweiligen Hublage des Presskolbens (14) und/oder vom jeweiligen im Pressdruckraum (16) und/oder Rückhubraum (18) herrschenden Druck regelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung derart ist, dass dann, wenn die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Presshubes angesteuert werden auch die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Gegendrucks im Rückhubraum derart angesteuert werden, dass die aus dem Pressdruck resultierende Kraft größer ist als die aus dem Gegendruck resultierende Kraft, so dass Hydraulikflüssigkeit komprimiert aus dem Rückhubraum gedrängt wird, und/oder dass die Regelung derart ist, dass dann, wenn die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Rückhubes angesteuert werden auch die Druckerzeugungsmittel zur Erzeugung eines Gegendrucks im Pressdruckraum derart angesteuert werden, dass die aus dem Rückhubdruck resultierende Kraft größer ist als die aus dem Gegendruck resultierende Kraft, so dass Hydraulikflüssigkeit komprimiert aus dem Pressdruckraum gedrängt wird.
Antrieb (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung derart ist, dass der Gegendruck einen Absolutwert im Bereich von 3 bis 50 bar, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 30 bar und weiter vorzugsweise im Bereich 10 bis 25 bar liegt.
Dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung eines Pressdrucks im Pressdruckraum zur Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Pressdruckraum von einer dem Pressdruckraum (16) zugeordneten förderstromumkehrbaren Pressdruckpumpe (22) und einem die Pressdruckpumpe (22) antreibenden Pressdruckpumpenmotor (M2) gebildet sind, durch welche Hydraulikflüssigkeit in den Pressdruckraum (16) förderbar ist und
dass das Mittel zur Erzeugung eines Rückhubdrucks im Rückhubraum (18) zur Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit aus dem Rückhubraum von einer dem Rückhubraum (18) zugeordneten förderstromumkehrbaren Rückhubpumpe (26) und einem die Rückhubpumpe (26) antreibenden Rückhubpumpenmotor (M1) gebildet werden, durch welche Hydraulikflüssigkeit in den Rückhubraum (18) förderbar ist,
Antrieb (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung derart ist, dass Drehmomentsollwerte des Rückhubpumpenmotor (M1) und des Pressdruckpumpenmotors (M2) gegeneinander wirkend sind.
Antrieb (10) nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressdruckpumpe (22) und/oder die Rückhubpumpe (26) einen Drehzahl- bzw Drehwinkelsensor (40) zur Drehzahl- bzw. Drehwinkelbestimmung umfassen und/oder dass ein Wegsensor (36) zur Hublagebestimmung des Presskolbens (14) vorgesehen ist und/oder dass Drucksensoren zur Erfassung des im Pressdruckraum (16) und/oder Rückhubraum (18) herrschenden Drucks vorgesehen sind.
Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs (10), insbesondere eines Antriebs (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antrieb (10) einen Zylinder (12) und einen verfahrbar gelagerten Presskolben (14) und Mitteln zur Erzeugung eines Pressdrucks im Pressdruckraum und zur Erzeugung eines Rückhubdrucks im Rückhubraum (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn ein Pressdruck im Pressdruckraum erzeugt wird auch im Rückhubraum ein Gegendrucks derart erzeugt. wird, dass die gegen den Gegendruck aus dem Rückhubraum gedrängte Hydraulikflüssigkeit komprimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendruck im Bereich von 3 bis 50 bar, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 30 bar und weiter vorzugsweise im Bereich 10 bis 25 bar liegt.