DE102010038448B3

DE102010038448B3 - Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung und hydraulische Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010038448B3
Application number: DE102010038448A
Authority: DE
Inventors: Bert Brahmer
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: CN102725540B; WO2012013373A1; EP2433018B1; EP2433018A1; CN102725540A; US20120233990A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung mit einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit mit einem entlang einer Arbeitsrichtung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verfahrbaren Arbeitskolben, wobei ein Sollwert fur die Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung vorgegeben wird, und ein Istwert der Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung abgefragt wird, und die Bewegung des Arbeitskolbens in Abhängigkeit des Sollwertes und des Istwertes geregelt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine hydraulische Antriebsvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung mit einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit mit einem entlang einer Arbeitsrichtung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verfahrbaren Arbeitskolben, wobei ein Sollwert für die Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung vorgegeben wird, und ein Istwert der Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung abgefragt wird, und die Bewegung des Arbeitskolbens in Abhängigkeit des Sollwertes und des Istwertes geregelt wird.
Die Erfindung betrifft außerdem eine hydraulische Antriebsvorrichtung mit einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit und mit einem entlang einer Arbeitsrichtung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verfahrbaren Arbeitskolben, wobei eine Stelleinrichtung zur Vorgabe eines Sollwertes für die Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung vorgesehen ist, und wobei ein Istwert der Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung abfragbar ist, und wobei eine Regelrückkopplung vorgesehen ist, welche mit der Stelleinrichtung zur Vorgabe des Sollwertes in Abhangigkeit des Istwertes zusammenwirkt.
Die angesprochenen hydraulischen Antriebsvorrichtungen finden insbesondere bei Stanz-, Prage-, Nibbel- oder Biegemaschinen Verwendung. Wahrend eines Bearbeitungsprozesses ist dabei regelmäßig ein Doppelhub des Arbeitskolbens erforderlich, beispielsweise eine Bewegung ausgehend vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt und zurück zum oberen Totpunkt.
Für die Qualität des Arbeitsergebnisses der genannten Bearbeitungsmaschinen ist insbesondere die Präzision und Reproduzierbarkeit der Positionen des oberen und unteren Totpunktes entscheidend. Dies ist beispielsweise bei einem Prage- oder Biegevorgang ersichtlich, da hierbei die Position des unteren Totpunktes direkt die Verformung des bearbeiteten Werkstücks bestimmt.
In diesem Zusammenhang hat es sich als problematisch erwiesen, dass bei der Steuerung der Bewegung des Arbeitskolbens durch Vorgabe des Sollwertes regelmäßig der Istwert der Position des Arbeitskolbens vom Sollwert der Position abweicht. Dieses sogenannte Nachlaufen führt zu Ungenauigkeiten in der Prazision und Reproduzierbarkeit des oberen und/oder unteren Totpunktes, und damit zu Ungenauigkeiten im Fertigungsprozess.
Das Nachlaufen kann verschiedene Ursachen haben. Erfolgt beispielsweise die Versorgung der hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit zur Bewegung des Arbeitskolbens mit Hydraulikfluid über ein Proportionalventil mit einem verschiebbaren Ventilkolben zur Einstellung einer variablen Ventiloffnung, so ist der Ventilkolben aufgrund seiner üblicherweise geringeren Masse viel schneller steuerbar als der massereiche Arbeitskolben. Eine Veranderung des Sollwertes kann daher vergleichsweise schnell erfolgen, wogegen die Geschwindigkeit der Lageänderung des Arbeitskolbens durch Tragheitskräfte limitiert ist. Darüber hinaus konnen sich bei einer Steuerung mit einem Proportionalventil in der beschriebenen Art Probleme bei der Genauigkeit der Einstellung eines Istwertes daraus ergeben, dass bei der Proportional-Steuerung die Ventilöffnung proportional zur Abweichung des Istwertes vom Sollwert verandert wird. Bei Annaherung des Istwertes an den Sollwert wird die Ventiloffnung und damit der Volumenstrom durch das Steuerventil klein, was die Bewegung des Arbeitskolbens zur Sollposition verzögert.
Um bei einem Doppelhub den Arbeitskolben präzise und reproduzierbar zum oberen beziehungsweise unteren Totpunkt zu verfahren, sind folglich Maßnahmen zur Regelung und Abstimmung von Sollwert und Istwert erforderlich und verschiedenartig bekannt.
Zur Erläuterung des technischen Hintergrundes ist in 2a der zeitliche Verlauf von Sollwert (X_CMD) und Istwert (X_FBK) bei Ausfuhrung eines Doppelhubes zwischen einem oberen Totpunkt (OT) und einem unteren Totpunkt (UT) mit einer hydraulischen Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art dargestellt. Dabei ist auf der Abszisse die fortschreitende Zeit, auf der Ordinate die Position des Arbeitskolbens, aufgetragen. Ausgehend vom oberen Totpunkt OT wird zunächst der Sollwert X_CMD auf den unteren Totpunkt UT vorgegeben. In der Folge nähert sich der Istwert X_FBK dem unteren Totpunkt UT an. Aus den vorstehend geschilderten Gründen findet die zeitliche Veranderung des Istwertes X_FBK verzögert im Vergleich zum Sollwert X_CMD statt. Der Istwert X_FBK läuft dem Sollwert X_CMD hinterher („Nachlaufen”). Insbesondere im Bereich um den unteren Totpunkt UT verandert sich der Istwert X_FBK mit der Zeit nur langsam (erkennbar an der flachen Steigung der Kurve X_FBK), was auf die geringe Abweichung des Istwertes X_FBK vom Sollwert X_CMD zurückzufuhren ist.
Zur Einleitung der für einen Doppelhub erforderlichen Bewegungsumkehr ist bei dem Zeitverlauf gemaß 2a eine untere Positionsschwelle UT1 vorgegeben. Sobald der Istwert X_FBK die untere Positionsschwelle UT1 erreicht (zum Zeitpunkt T_UT1 in 2a), wird der Sollwert X_CMD auf den oberen Totpunkt OT zurückgefuhrt. Nach dieser Veränderung des Sollwertes X_CMD läuft der Istwert X_FBK zunächst noch in seine ursprungliche Richtung auf den unteren Totpunkt UT zu (beispielsweise aufgrund der Massenträgheit des Arbeitskolbens) und bewegt sich nach Bewegungsumkehr vom unteren Totpunkt UT in Richtung auf den oberen Totpunktes OT hin. Auch hierbei tritt aus den genannten Gründen wiederum eine Abweichung zwischen dem Istwert X_FBK und dem Sollwert X_CMD auf („Nachlaufen”), wobei die zeitliche Veränderung des Istwertes X_FBK umso langsamer wird, je mehr sich der Istwert X_FBK dem Sollwert X_CMD annähert.
Um ein Ende des Doppelhubes sinnvoll festlegen zu können, ist eine obere Positionsschwelle OT1 unterhalb des oberen Totpunktes OT vorgegeben. Zu einem Zeitpunkt T_OT1 erreicht der Istwert X_FBK die obere Positionsschwelle OT1. Die obere Positionsschwelle OT1 ist so nahe beim oberen Todpunkt OT gewählt, dass das Erreichen der oberen Positionsschwelle OT1 als Ende des Doppelhubs angesehen werden kann. In diesem Sinne kann die Zeitdauer vom Beginn des geschilderten Prozesses bis zur Zeit T_OT1 als Prozessdauer des Doppelhubes angesehen werden.
Ein ähnliches Regelverfahren lässt sich beispielsweise aus der EP 1 462 660 A1 entnehmen.
Beim Einsatz einer eingangs genannten hydraulischen Antriebsvorrichtung in Bearbeitungsmaschinen ist neben der Genauigkeit der Kolbenbewegung, das heißt der Präzision und Reproduzierbarkeit des oberen und unteren Totpunktes, außerdem die Schnelligkeit des Arbeitsprozesses entscheidend für die Wirtschaftlichkeit. Meist ist eine möglichst kurze Zeitdauer zur Ausführung eines Doppelhubes erwünscht. Dies macht schnelle Bewegungen und schnelle Bewegungsänderungen des Arbeitskolbens erforderlich.
Bei der zuvor beschriebenen Regelung des Doppelhubes mittels eines Proportionalventils tritt hierbei insbesondere das Problem auf, dass die Ventiloffnung des Proportionalventils und damit der Volumenstrom an Hydraulikfluid zur Versorgung der Antriebsvorrichtung bei geringer Abweichung des Istwertes vom Sollwert klein wird. Aus diesem Grund erfolgt die Positionseinstellung des Arbeitskolbens nur langsam, sobald der Istwert im Bereich des gewünschten Sollwertes (also insbesondere oberer und unterer Totpunkt) liegt. Dies kann zu einer unerwünscht langen Prozessdauer des Doppelhubes fuhren.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Betrieb einer hydraulischen Antriebsvorrichtung mit verbesserter Wirtschaftlichkeit zu ermoglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 4 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zur Ausführung eines Doppelhubes des Arbeitskolbens ausgehend vom oberen Totpunkt zunächst der Sollwert auf eine untere Ubersteuerposition unter dem unteren Totpunkt vorgegeben wird, und dann, wenn der Istwert einen Umschaltwert über dem unteren Totpunkt erreicht, der Sollwert zur Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens auf eine obere Übersteuerposition über dem oberen Totpunkt vorgegeben wird, und danach, wenn der Istwert einen Ruheschaltwert unter dem oberen Totpunkt erreicht, der Sollwert auf den oberen Totpunkt vorgegeben wird.
Die Anwendung dieses Verfahrens ist insbesondere zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung in Stanz-, Prage-, Nibbel- oder Biegemaschinen geeignet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während weitgehend der gesamten Bewegung ausgehend vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt und zurück bis zum Ruheschaltwert eine vergleichsweise große Abweichung zwischen dem vorgegebenen Sollwert und dem Istwert herbeigeführt. Im Unterschied zu dem eingangs dargestellten Stand der Technik wird demnach bewusst ein Nachlaufen der hydraulischen Antriebsvorrichtung herbeigeführt. Es wird daher nicht abgewartet, bis der Istwert nahezu mit dem Sollwert übereinstimmt.
Dadurch kann zunächst die Regelzeit zwischen Vorgabe eines gewünschten Sollwertes und Einstellung des zugehörigen Istwertes erheblich verkürzt werden. Dies wird beispielsweise deutlich bei einem Betrieb einer hydraulischen Antriebsvorrichtung mit einem als Proportionalventil arbeitenden Regelventil, bei dem eine Ventilöffnung zur Versorgung des hydraulischen Antriebes mit Hydraulikfluid proportional zur Abweichung zwischen dem Sollwert und dem Istwert bereitgestellt wird. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bewusst eine vergleichsweise große Abweichung zwischen Sollwert und Istwert herbeigefuhrt wird, wird in dem beschriebenen Regelventil nahezu über den gesamten Doppelhub eine große Ventiloffnung eingestellt. Daher wird die Antriebsvorrichtung mit einem vergleichsweise großen Volumenstrom an Hydraulikfluid versorgt und die Bewegung des Arbeitskolbens erfolgt insbesondere im Bereich um den oberen und den unteren Totpunkt schneller als bei dem beschriebenen bekannten Regelverfahren.
Insgesamt kann mit dem erfindungsgemaßen Betriebsverfahren eine deutlich verkürzte Prozessdauer fur einen Doppelhub unter Beibehaltung der Prazision der Kolbenbewegung im oberen und im unteren Totpunkt und folglich eine verbesserte Wirtschaftlichkeit erzielt werden.
Um eine hohe Präzision der Bewegung des Arbeitskolbens bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zu gewährleisten, wird der Umschaltwert (UT2) und/oder die untere Übersteuerposition (XUT) vorteilhafterweise derart gewählt, dass bei Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens der Istwert im unteren Totpunkt liegt.
Bei gewissen Anwendungen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Umschaltwert und/oder die untere Übersteuerposition derart gewählt wird, dass der Istwert stets oberhalb dem unteren Totpunkt ist.
Als weiterer Aspekt des erfindungsgemaßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass der Ruheschaltwert und/oder die obere Übersteuerposition derart gewahlt wird, dass der Istwert stets unterhalb oder gleich dem oberen Totpunkt ist. Dadurch wird verhindert, dass der Arbeitskolben über den oberen Totpunkt hinauslauft.
Sofern mit dem erfindungsgemaßen Verfahren eine hydraulische Antriebsvorrichtung betrieben wird, welche ein Regelventil zur Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit mit Hydraulikfluid zur Bewegung des Arbeitskolbens aufweist, wobei das Regelventil wenigstens zwischen einer Ausfahrstellung zur Bewegung des Arbeitskolbens in Arbeitsrichtung (das heißt in Richtung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt) und einer Einfahrstellung zur Bewegung des Arbeitskolbens entgegen der Arbeitsrichtung schaltbar ist, ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens dadurch, dass eine Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert bestimmt wird, und dass das Regelventil in Abhängigkeit der Regelabweichung in Einfahrstellung oder in Ausfahrstellung geschaltet wird.
Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe wird außerdem eine hydraulische Antriebsvorrichtung vorgeschlagen, welche eine hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit mit einem entlang einer Arbeitsrichtung zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt verfahrbaren Arbeitskolben aufweist, wobei außerdem eine Stelleinrichtung zur Vorgabe eines Sollwertes für die Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung vorgesehen ist, und wobei ein Istwert der Position des Arbeitskolbens entlang der Arbeitsrichtung abfragbar ist, und wobei außerdem eine Regelrückkopplung vorgesehen ist, welche mit der Stelleinrichtung zur Vorgabe des Sollwertes in Abhängigkeit des Istwertes zusammenwirkt. Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist die Stelleinrichtung derart ausgebildet, dass der Sollwert auf eine untere Übersteuerposition unter dem unteren Totpunkt und auf eine obere Übersteuerposition uber dem oberen Totpunkt vorgebbar ist und die Regelruckkopplung derart ausgebildet ist, dass ein Umschaltwert UT2 über dem unteren Totpunkt UT sowie ein Ruheschaltwert OT2 unter dem oberen Totpunkt OT vorgebbar ist, und dass die Regelruckkopplung derart mit der Stelleinrichtung zusammenwirkt, dass dann, wenn der Istwert den Umschaltwert UT2 erreicht, der Sollwert auf die obere Übersteuerposition XOT vorgegeben wird, und dass dann, wenn der Istwert den Ruheschaltwert OT2 aus Richtung des unteren Totpunktes UT erreicht, der Sollwert auf den oberen Totpunkt OT vorgegeben wird.
Die Regelrückkopplung bezeichnet dabei im weitesten Sinne Mittel zur Aufnahme und Verarbeitung des abgefragten Istwertes zur Vorgabe eines Sollwertes. Denkbar sind hierbei mechanische Rückkopplungen, beispielsweise zwischen Arbeitskolben und Stelleinrichtung, aber auch elektronische Einrichtungen.
Eine derartige Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise mit dem vorstehend erlauterten Verfahren betrieben werden. Daher sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vergleichsweise schnelle Kolbenbewegungen und Bewegungsanderungen möglich, was kurze Prozessdauern fur einen Doppelhub des Arbeitskolbens und damit einen Betrieb mit erhöhter Wirtschaftlichkeit ermoglicht.
Die Vorrichtung wird dadurch weiter vorteilhaft ausgestaltet, dass eine Positionsabfrage zur Abfrage des Istwertes der Position des Arbeitskolbens, insbesondere entlang der Arbeitsrichtung, vorgesehen ist. Hierfur kommen beispielsweise optische, elektronische, magnetische oder mechanische Messeinrichtungen in Betracht.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass ein Regelventil zur Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit mit Hydraulikfluid zur Bewegung des Arbeitskolbens vorgesehen ist, wobei das Regelventil wenigstens zwischen einer Ausfahrstellung zur Bewegung des Arbeitskolbens in Richtung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt (das heißt in Arbeitsrichtung) und einer Einfahrstellung zur Bewegung des Arbeitskolbens in Richtung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt (das heißt entgegen der Arbeitsrichtung) schaltbar ist. Bei dieser Ausgestaltung muss zur Sollwertvorgabe lediglich das Regelventil betatigt werden.
Vorteilhaft ist dabei, wenn das Regelventil mit der Regelrückkopplung in Abhängigkeit des Sollwertes und in Abhängigkeit des Istwertes schaltbar ist. Die Regelrückkopplung wirkt in diesem Fall als Stelleinrichtung beziehungsweise umfasst die Stelleinrichtung oder ist ein Bestandteil der Stelleinrichtung.
Als weitere Ausgestaltung ist das Regelventil zwischen der Ausfahrstellung, der Einfahrstellung und einer Neutralstellung schaltbar, in welcher der Zylinder-Kolben-Einheit kein Hydraulikfluid zugefuhrt wird oder in welcher zumindest eine Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit mit Hydraulikfluid zur zum Zwecke der Bewegung des Arbeitskolbens unterbunden wird. Dadurch wird es ermöglicht, den Arbeitskolben in einer Ruheposition zu halten. Insbesondere kommt als Regelventil ein 3/3- oder ein 4/3-Wegeventil in Betracht.
Vorteilhafterweise ist die Regelruckkopplung dabei derart ausgebildet, dass ein Haltewert fur die Position des Arbeitskolbens vorgebbar ist, und dass das Regelventil in die Neutralstellung geschaltet wird, wenn der Istwert mit dem Haltewert oder sowohl der Sollwert als auch der Istwert mit dem Haltewert ubereinstimmt oder zumindest im Wesentlichen ubereinstimmt, beispielsweise innerhalb eines vorgebbaren Positionsfensters um den Haltewert oder zwischen einer Positionsschwelle und dem Haltewert liegt. Dadurch kann der Arbeitskolben in Ruhe gehalten werden, wenn das Ende eines Prozesses, beispielsweise Doppelhubes, erreicht ist.
Zur weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Regelventil als Stetigventil ausgebildet, und die Regelrückkopplung derart ausgebildet, dass die Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit mit einem umso großeren Volumenstrom erfolgt, je mehr der Istwert von dem Sollwert abweicht. Aufgrund dieser Proportionalregelung wird die Bewegung des Arbeitskolbens umso schneller, je mehr der zeitliche Istwert-Verlauf dem vorgegebenen zeitlichen Sollwert-Verlauf hinterherläuft. Das Regelventil ist beispielsweise als Proportionalventil mit einem verschiebbaren Ventilkolben ausgebildet, wobei durch Verschiebung des Ventilkolbens eine stetig veranderbare Ventiloffnung bereitstellbar ist.
Eine weitere Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass das Regelventil als Proportionalventil mit stetig veränderbarer Regeloffnung ausgebildet ist und dass die Regelrückkopplung derart ausgebildet ist, dass eine Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert bestimmbar ist, und dass die Regelöffnung proportional zur Regelabweichung veränderbar ist. Aufgrund der stetig veränderbaren Regeloffnung des Proportionalventils ist eine stetige Einstellung eines Volumenstroms durch das Regelventil möglich. Die Regelabweichung wird insbesondere als Differenz zwischen Sollwert und Istwert bestimmt, wobei beispielsweise ausgehend vom oberen Totpunkt in Richtung unterer Totpunkt einer Position ein positiver Wert zugeordnet wird, und daher die Regelabweichung positiv ist, wenn der Sollwert näher bei dem unteren Totpunkt ist als der Istwert. Selbstverständlich kann die Vorzeichenwahl auch in entgegengesetzter Weise erfolgen.
Um den Sollwert vorzugeben, umfasst die Stelleinrichtung vorzugsweise einen, insbesondere elektrischen, Linearmotor oder eine Drehmotor-Ritzel-Zahnstange-Einheit. Denkbar ist auch, dass die Sollwertvorgabe über einen Drehmotor erfolgt, der mit einem durch Drehung zwischen Einfahrstellung und Ausfahrstellung schaltbaren Regelventil zusammenwirkt. Dabei ist weiter denkbar, dass der Istwert über eine Zahnstange, die ein Ritzel kämmt, dem Regelventil durch Drehung des Ritzels zugeführt wird.
Um auch komplexe Bewegungsablaufe für den Arbeitskolben, beispielsweise einen Doppelhub mit abschnittsweise variierender Kolbengeschwindigkeit, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Präzision des oberen und des unteren Totpunktes zu ermoglichen, ist vorteilhafterweise eine CNC-Steuereinheit vorgesehen, mittels welcher die Stelleinrichtung zur Vorgabe des Sollwertes steuerbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung naher beschrieben und erläutert sind.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemaßen hydraulischen Antriebsvorrichtung;
2a zur Erläuterung des technischen Hintergrundes den zeitlichen Verlauf von Sollwert und Istwert bei einem Doppelhub;
2b den zeitlichen Verlauf von Sollwert und Istwert bei einem Doppelhub gemaß dem erfindungsgemaßen Verfahren.
Die in der 1 dargestellte hydraulische Antriebsvorrichtung 10 umfasst eine hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 12, welche einen in und entgegen einer Arbeitsrichtung 14 verfahrbaren Arbeitskolben 16 aufweist. Die Arbeitsrichtung 14 ist in der 1 mit einem Pfeil angedeutet. Der Arbeitskolben 16 ist zwischen einem oberen Todpunkt OT, welcher in 1 einem vollstandig entgegen der Arbeitsrichtung 14 eingefahrenen Zustand entspricht, und einem unteren Todpunkt UT (vollständig in Arbeitsrichtung 14 ausgefahrener Zustand des Arbeitskolbens 16) verfahrbar.
Zur Bestimmung eines Istwertes X_FBK, welcher die Position des Arbeitskolbens 16 entlang der Arbeitsrichtung 14 darstellt, ist eine Positionsabfrage 18 vorgesehen.
Der Arbeitskolben 16 begrenzt einen Ausfahrdruckraum A, der zur Bewegung des Arbeitskolbens 16 in Arbeitsrichtung 14 mit einem hydraulischen Druckfluid beaufschlagbar ist. Außerdem begrenzt der Arbeitskolben 16 einen Einfahrdruckraum B, welcher zum Einfahren des Arbeitskolbens 16 entgegen der Arbeitsrichtung 14 mit Druckfluid beaufschlagbar ist. Dabei ist die hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 12 als hydraulischer Differenzialzylinder ausgebildet, wobei die zur Bewegung des Arbeitskolbens 16 wirksame hydraulische Wirkflache für den Einfahrdruckraum B kleiner ist als die hydraulische Wirkflache für den Ausfahrdruckraum A.
Zur Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit 12 mit Hydraulikfluid weist die hydraulische Antriebsvorrichtung 10 ein Regelventil 20 auf. Das Regelventil 20 ist als 3/3-Wegeventil ausgebildet, welches einen mit dem Ausfahrdruckraum A in Verbindung stehenden Arbeitsanschluss, sowie einen Druckanschluss P und einen Tankanschluss T aufweist. Das Regelventil 20 ist zwischen drei Schaltstellungen a, 0, b schaltbar, wobei in der Schaltstellung a der Druckanschluss P mit dem Arbeitsanschluss d. h. mit dem Ausfahrdruckraum A in Verbindung steht. In der Schaltstellung b wird der Ausfahrdruckraum A mit dem Tankanschluss T verbunden. Die Schaltstellung 0 stellt eine Neutralstellung dar, in welcher der Antriebsdruckraum A gegen Zufuhr oder Abfuhr von Hydraulikfluid abgeschlossen ist. In allen drei Schaltstellungen ist der die kleinere hydraulische Wirkflache aufweisende Einfahrdruckraum B mit dem Druckanschluss P druckverbunden.
Zur Vorgabe eines Sollwertes X_CMD für die Position des Arbeitskolbens 16 ist bei der Antriebsvorrichtung 10 eine Stelleinrichtung 30 vorgesehen. Die Stelleinrichtung 30 umfasst einen Drehmotor M1, mittels welchem ein Ritzel 32 drehbar ist, welches eine Zahnstange 34 kammt. Die Zahnstange 34 ist daher durch den Drehmotor M1 verschiebbar. In der 1 ist darüber hinaus mit gepunkteter Linie eine alternative Realisierung dargestellt, welche einen Linearmotor M2 aufweist, mittels welchem die Stange 34 verschiebbar ist.
Die Sollwertvorgabe erfolgt im dargestellten Beispiel durch ein Zusammenwirken der Stelleinrichtung 30 mit dem Regelventil 20, wobei die Stelleinrichtung 30 insbesondere das Regelventil 20 betatigt.
Hierzu wird beispielsweise der Istwert X_FBK des Arbeitskolbens 16 uber ein Joch 38 mechanisch einem Steuereingang des Regelventils 20 zugefuhrt. Denkbar ist jedoch auch eine elektrische Zuführung. Hinsichtlich der Zufuhrung ist beispielsweise denkbar, dass das Regelventil 20 einen zwischen den Schaltstellungen a, 0, b zugeordneten Positionen verschiebbaren Ventilkolben (nicht dargestellt) umfasst, wobei durch Verschiebung des Ventilkolbens in die Stellung a (bzw. b) eine umso größere Regelöffnung des Regelventils 20 bereitgestellt wird, je weiter der Ventilkolben in die Stellung a (bzw. b) verschoben wird. Dabei ist der Ventilkolben über das Joch 38 mit der Bewegung des Arbeitskolbens 16 gekoppelt, so dass das Regelventil 20 in der Art eines Kopierventils arbeitet. Wie in 1 angedeutet, wirkt in diesem Fall die Stelleinrichtung 30 auf einen weiteren, nicht dargestellten, Steuereingang des Regelventils 20. Dieser weitere Steuereingang kann z. B. mit einer verschiebbar gelagerten Steuerbuchse (nicht dargestellt) des Regelventils zusammenwirken, wobei in der Steuerbuchse der Ventilkolben verschiebbar gelagert ist.
Durch eine derartige Anordnung wird erreicht, dass das Regelventil 20 in die Schaltstellung a geschaltet wird, sofern der Sollwert X_CMD dem Istwert X_FBK in Arbeitsrichtung 14 vorauseilt. Umgekehrt wird das Regelventil 20 in die Schaltstellung b geschaltet, wenn der Sollwert X_CMD hinter dem Istwert X_FBK zurückbleibt. Das Regelventil 20 wird in die Neutralstellung 0 geschaltet, wenn der Sollwert X_CMD mit dem Istwert X_FBK übereinstimmt.
Um den Sollwert X_CMD in Abhängigkeit des Istwertes X_FBK vorzugeben, ist bei der hydraulischen Antriebsvorrichtung 10 eine Regelrückkopplung 40 vorgesehen. Die Regelrückkopplung 40 umfasst eine Steuereinrichtung 42, welcher der von der Positionsabfrage 18 abgefragte Istwert X_FBK, beispielsweise als elektrisches Signal, zugeführt wird. In Abhängigkeit des Signals X_FBK erzeugt die Steuereinrichtung 42 dann ein Ausgangssignal zur Vorgabe des Sollwertes X_CMD für die Stelleinrichtung 30.
Die Antriebsvorrichtung 10 umfasst ferner eine CNC-Steuereinrichtung 50, beispielsweise zur Vorgabe eines zeitlichen Bewegungsablaufes. Mittels der CNC-Steuereinrichtung 50 sind zeitlich veränderliche Lagewerte X vorgebbar, welche der Steuereinrichtung 42 ebenfalls zugeführt werden. Die Steuereinrichtung 42 steuert folglich die Stelleinrichtung 30 zur Vorgabe des Sollwertes X_CMD einerseits in Abhängigkeit des Istwertes X_FBK, andererseits in Abhängigkeit der Lagewerte X.
Im Folgenden wird nun anhand der 2b der zeitliche Verlauf des Sollwertes X_CMD sowie des Istwertes X_FBK bei Durchfuhrung eines Doppelhubes des Arbeitskolbens 16 mit der hydraulischen Antriebsvorrichtung 10 erläutert, wobei auf die in der 1 dargestellte hydraulische Antriebsvorrichtung 10 Bezug genommen wird. In der Darstellung der 2b sind auf der Ordinate Positionswerte aufgetragen, welche einer Position des Arbeitskolbens 16 entlang der Arbeitsrichtung 14 entsprechen, und auf der Abszisse der Zeitverlauf aufgetragen.
Zu Beginn des Prozesses befindet sich der Arbeitskolben 16 im oberen Totpunkt OT, d. h. in einem eingefahrenen Zustand entgegen der Arbeitsrichtung 14. Dementsprechend liegen der Istwert X_FBK und der Sollwert X_CMD im oberen Totpunkt OT. Denkbar ist jedoch auch, dass der Sollwert X_CMD auf einen anderen Wert eingestellt ist und sich der Istwert X_FBK nur momentan im oberen Todpunkt (OT) befindet.
Zur Einleitung eines Doppelhubes zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT wird zunächst der Sollwert X_CMD auf eine untere Übersteuerposition XUT unter dem unteren Todpunkt UT vorgegeben.
Bei der Antriebsvorrichtung 10 erzeugt hierzu die CNC-Steuereinrichtung 50 einen entsprechenden Lagewert X, welcher der Steuereinrichtung 42 zugeführt wird. Die Steuereinrichtung 42 steuert dann den Drehmotor M1 der Stelleinrichtung 30 derart an, dass das Regelventil 20 in die Schaltstellung a geschaltet wird. Dabei wird beispielsweise ein in dem Regelventil 20 vorgesehener Ventilkolben entsprechend verschoben. Dementsprechend wird die mögliche Geschwindigkeit, mit welcher der Sollwert X_CMD vom oberen Totpunkt OT zu der unteren Übersteuerposition XUT gefuhrt werden kann, insbesondere durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilkolbens limitiert. Folglich wird in 2b der Sollwert X_CMD nicht stufenartig, sondern kontinuierlich auf die untere Übersteuerposition XUT geführt.
Andererseits ist auch denkbar, dass der zeitliche Verlauf des Sollwertes X_CMD gezielt in kontinuierlicher Weise durch die CNC-Steuereinrichtung 50 vorgegeben wird.
Aufgrund der Massenträgheit des Arbeitskolbens 16 und/oder aufgrund des begrenzten Volumenstromes von Hydraulikfluid durch das Regelventil 20 folgt der Istwert X_FBK dem Sollwert X_CMD nicht unmittelbar, sondern bleibt mit fortschreitender Zeit hinter diesem zurück.
Nach einer Zeit T_UT2 erreicht der Istwert X_FBK einen unteren Umschaltwert UT2. Dies wird von der Positionsabfrage 18 detektiert und der Steuereinrichtung 42 zugeführt. Daraufhin wird der Sollwert X_CMD mittels der Stelleinrichtung 30 auf eine obere Übersteuerposition XOT vorgegeben.
Wie oben erläutert, erfolgt auch diese Veranderung des Sollwertes X_CMD nicht stufenartig, sondern mit einem stetigen Zeitverlauf. Insbesondere ist in 2b erkennbar, dass der Sollwert X_CMD ausgehend von dem Zeitpunkt T_UT2 für eine gewisse Zeitdauer noch unterhalb des unteren Totpunktes UT liegt. Folglich nähert sich der Istwert X_FBK der Position des Arbeitskolbens 16 auch nach dem Zeitpunkt T_UT2 noch weiter dem unteren Totpunkt UT an, bevor eine Bewegungsumkehr erfolgt und sich der Istwert in Richtung des oberen Totpunktes OT zurückbewegt.
Zu einem Zeitpunkt T_OT2 uberschreitet der Istwert X_FBK aus Richtung des unteren Totpunktes UT einen Ruheschaltwert OT2 unterhalb des oberen Totpunktes OT. In der Folge wird der Sollwert X_CMD von der oberen Übersteuerposition XOT auf den oberen Totpunkt OT zurückgeführt.
Bei dem Beispiel gemäß 2b ist einerseits die untere Übersteuerposition XUT und andererseits der Umschaltwert UT2 derart gewahlt, dass der Istwert X_FBK bei Bewegungsumkehr gerade im unteren Totpunkt UT liegt. Durch geeignete Wahl des Umschaltwertes UT2 und/oder der unteren Ubersteuerposition XUT kann jedoch der Istwert X_FBK zum Zeitpunkt der Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens 16 insbesondere auf einen frei wählbaren Wert zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT eingestellt werden.
Darüber hinaus kann der Bewegungsverlauf des Istwertes X_FBK nach der Bewegungsumkehr durch geeignete Festlegung des Ruheschaltwertes OT2 und/oder der oberen Übersteuerposition XOT beeinflusst werden.
Die Geschwindigkeit der Veränderung des Istwertes X_FBK kann zum einen unmittelbar dadurch variiert werden, dass der Sollwert X_CMD mit einem entsprechenden Zeitverlauf vorgegeben wird.
Kommt fur das Regelventil 20, wie oben erlautert, ein Proportionalventil zum Einsatz, so ist der Volumenstrom an Hydraulikfluid durch das Regelventil 20 umso größer und damit die Bewegung des Arbeitskolbens 16 umso schneller, je stärker der Istwert X_FBK vom Sollwert X_CMD abweicht. Somit kann die Rate der Veränderung des Istwertes X_FBK auch dadurch beeinflusst werden, dass die Abweichung zwischen Istwert X_FBK und Sollwert X_CMD entsprechend eingestellt wird. Auch dies kann durch Auswahl der unteren Übersteuerposition XUT, dem Umschaltwert UT2, der oberen Übersteuerposition XOT und dem Ruheschaltwert OT2 erfolgen. Insbesondere kann dadurch eine schnelle oder auch eine verzögerte Bewegungsumkehr herbeigeführt werden.
Zu Vergleichszwecken ist in der 2b eine obere Positionsschwelle OT3 eingezeichnet, welche der Istwert X_FBK zu einem Zeitpunkt T_OT3 überschreitet. Wie bei der Erlauterung zum technischen Hintergrund in der 2a dient diese obere Positionsschwelle OT3 dazu, ein Ende des Doppelhubes zu definieren. Die Zeitdauer vom Beginn des Prozesses bis zum Zeitpunkt T_OT3 dient daher als Maß fur die Prozessdauer des Doppelhubes. Aus einem Vergleich der 2a und 2b ist ersichtlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Prozessdauer um eine Zeitspanne T_G (eingezeichnet bei 2a) verkürzt werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung (10) mit einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit (12) mit einem zwischen einem oberen Todpunkt (OT) und einem unteren Todpunkt (UT) verfahrbaren Arbeitskolben (16), wobei ein Sollwert (X_CMD) für die Position des Arbeitskolbens (16) vorgegeben wird, und ein Istwert (X_FBK) der Position des Arbeitskolbens (16) abgefragt wird, und die Bewegung des Arbeitskolbens (16) in Abhangigkeit des Sollwertes (X_CMD) und des Istwertes (X_FBK) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausfuhrung eines Doppelhubes des Arbeitskolbens (16) ausgehend vom oberen Todpunkt (OT) zunächst der Sollwert (X_CMD) auf eine untere Ubersteuerposition (XUT) unter dem unteren Todpunkt (UT) vorgegeben wird, und dann, wenn der Istwert (X_FBK) einen Umschaltwert (UT2) über dem unteren Todpunkt (UT) erreicht, der Sollwert (X_CMD) zur Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens (16) auf eine obere Ubersteuerposition (XOT) über dem oberen Todpunkt (OT) vorgegeben wird, und danach, wenn der Istwert (X_FBK) einen Ruheschaltwert (OT2) unter dem oberen Todpunkt (OT) erreicht, der Sollwert (X_CMD) auf den oberen Todpunkt (OT) vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltwert (UT2) und/oder die untere Übersteuerposition (XUT) derart gewählt wird, dass bei Bewegungsumkehr des Arbeitskolbens (16) der Istwert (X_FBK) im unteren Todpunkt (UT) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ruheschaltwert (OT2) und/oder die obere Übersteuerposition (XOT) derart gewählt wird, dass der Istwert (X_FBK) stets unterhalb oder gleich dem oberen Todpunkt (OT) ist.
Hydraulische Antriebsvorrichtung (10) mit einer hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit (12) mit einem zwischen einem oberen Todpunkt (OT) und einem unteren Todpunkt (UT) verfahrbaren Arbeitskolben (16), wobei eine Stelleinrichtung (30) zur Vorgabe eines Sollwertes (X_CMD) für die Position des Arbeitskolbens (16) vorgesehen ist, und wobei ein Istwert (X_FBK) der Position des Arbeitskolbens (16) abfragbar ist, und wobei eine Regelrückkopplung (40) vorgesehen ist, welche mit der Stelleinrichtung (30) zur Vorgabe des Sollwertes (X_CMD) in Abhängigkeit des Istwertes (X_FBK) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (30) derart ausgebildet ist, dass der Sollwert (X_CMD) auf eine untere Übersteuerposition (XUT) unter dem unteren Todpunkt (UT) und auf eine oberere Übersteuerposition (XOT) über dem oberen Todpunkt (OT) vorgebbar ist, und die Regelrückkopplung (40) derart ausgebildet ist, dass ein Umschaltwert (UT2) über dem unteren Todpunkt (UT) sowie ein Ruheschaltwert (OT2) unter dem oberen Todpunkt (OT) vorgebbar ist, und dass die Regelrückkopplung (40) derart mit der Stelleinrichtung (30) zusammenwirkt, dass dann, wenn der Istwert (X_FBK) den Umschaltwert (UT2) erreicht, der Sollwert auf die obere Übersteuerposition (XOT) vorgegeben wird, und dass dann, wenn der Istwert (X_FBK) den Ruheschaltwert (OT2) aus Richtung des unteren Todpunktes (UT) erreicht, der Sollwert (X_CMD) auf den oberen Todpunkt (OT) vorgegeben wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionsabfrage (18) zur Abfrage des Istwertes (X_FBK) der Position des Arbeitskolbens (16) vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Regelventil (20) zur Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit (12) mit Hydraulikfluid zur Bewegung des Arbeitskolbens (16) vorgesehen ist, wobei das Regelventil (20) wenigstens zwischen einer Ausfahrstellung (a) zur Bewegung des Arbeitskolbens (16) in Richtung vom oberen Todpunkt (OT) zum unteren Todpunkt (UT) und einer Einfahrstellung (b) zur Bewegung des Arbeitskolbens (16) in Richtung vom unteren Todpunkt (UT) zum oberen Todpunkt (OT) schaltbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, das Regelventil (20) mit der Regelrückkopplung (40) in Abhängigkeit des Sollwertes (X_CMD) und des Istwertes (X_FBK) schaltbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (20) zwischen der Ausfahrstellung (a), der Einfahrstellung (b) und einer Neutralstellung (0) schaltbar ist, in welcher eine Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit (12) mit Hydraulikfluid zur Bewegung des Arbeitskolbens (16) unterbunden wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelrückkopplung (40) derart ausgebildet ist, dass ein Haltewert für die Position des Arbeitskolbens (16) vorgebbar ist, und dass das Regelventil (20) in die Neutralstellung (0) geschaltet wird, wenn der Istwert (X_FBK) mit dem Haltewert oder der Sollwert (X_CMD) und auch der Istwert (X_FBK) mit dem Haltewert zumindest im Wesentlichen übereinstimmt.
Vorrichtung nach einem der Anspruche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (20) als Stetigventil ausgebildet ist, und die Regelruckkopplung (40) derart ausgebildet ist, dass die Versorgung der Zylinder-Kolben-Einheit (12) mit einem umso größeren Volumenstrom erfolgt, je mehr der Istwert (X_FBK) von dem Sollwert (X_CMD) abweicht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (20) als Proportionalventil mit stetig veranderbarer Regelöffnung zur stetigen Einstellung eines Volumenstroms von Hydraulikfluid durch das Regelventil (20) ausgebildet ist, und dass die Regelrückkopplung (40) derart ausgebildet ist, dass eine Regelabweichung zwischen Sollwert und Istwert bestimmbar ist, und dass die Regeloffnung proportional zur Regelabweichung veränderbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Anspruche 4–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung (30) einen Linearmotor (M2) oder eine Drehmotor-Ritzel-Zahnstange-Einrichtung (M1, 32, 34) umfasst.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4–12, dadurch gekennzeichnet, dass eine CNC-Steuereinheit (50) vorgesehen ist, mittels welcher die Stelleinrichtung (30) zur Vorgabe des Sollwertes (X_CMD) steuerbar ist.