DE102012104124A1

DE102012104124A1 - Verfahren und Vorrichtung zur adaptiven Steuerung einer hydraulischen Presse

Info

Publication number: DE102012104124A1
Application number: DE102012104124A
Authority: DE
Inventors: Matthias Graf; Bernd Bodenstein
Original assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Current assignee: Dieffenbacher GmbH Maschinen und Anlagenbau
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2013-11-14
Also published as: RU2014149769A; US20150158262A1; KR20150007342A; EP2846993A1; WO2013167610A1; JP2015521109A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Presse zum Urformen, Umformen, Stanzen beziehungsweise Bearbeiten von Werkstoffen oder Werkstücken wie Kunststoffformmassen, Tiefziehbleche, Schmiedeteile oder dergleichen, mit einer hydraulischen Antriebseinheit zum Heben und Senken eines Pressenstößels und eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, bei dem der Kolbenraum des Zylinders (3) der Antriebseinheit durch hydraulische Rohrleitungen (22) über ein Proportionalventil (23) und ein Freigabeventil (24) und mit einem aus mindestens zwei Gruppen (25a, 25b, 25c, ...) an Speicherflaschen gebildeter Hydraulikspeicher (25) so verbunden oder verbindbar ist, dass ein durch Gaskompression gespeichertes Expansionsvolumen in den Gruppen (25a, 25b, 25c, ...) an Speicherflaschen direkt oder indirekt über einen Kolbenspeicher die für einen Arbeitshub der Presse erforderliche Energie in Form von Volumenstrom und Druck liefert, und bei dem in den Gruppen (25a, 25b, 25c ...) an Speicherflaschen unterschiedliche Fülldrücke hergestellt oder herstellbar sind. Mit einem erfindungsgemäß bevorzugt an drei Betriebsarten anpassbarem Hydraulikspeicher (25) aus wenigstens zwei Gruppen (25a, 25b, 25c, ...) an Speicherflaschen ist es möglich, dass nach Produktionsbeginn eine Pressensteuerung, vorzugsweise automatisch, die Auslastung analysiert und dann entsprechend einzelne Gruppen (25a, 25b, 25c, ...) oder auch Partitionen von Speicherflaschen absperrt (Betriebsart 1) oder bei Ladevorgang am Ende des Zyklus das Gas in den Speicherflaschen umfüllt (Betriebsart 2) oder die einzelnen Gruppen an Speicherflaschen auf, an die Arbeitshubcharakteristik angepasste, unterschiedliche Druckniveaus anpasst (Betriebsart 3). In allen drei Fällen sind vorteilhaft keine Wartezeiten oder Umfüllzeiten erforderlich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Presse zum Urformen, Umformen, Stanzen beziehungsweise Bearbeiten von Werkstoffen oder Werkstücken wie Kunststoffformmassen, Tiefziehbleche, Schmiedeteile oder dergleichen, mit einer hydraulischen Antriebseinheit zum Heben und Senken eines Pressenstößels nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, nach dem Oberbegriff des Vorrichtungsanspruchs 10.
Bei hydraulischen Pressen ist der Pressenstößel mit einer oder mehreren Kolben-Zylindereinheiten verbunden. Wesentliche Kenngrößen des hydraulischen Antriebs stellen der Druck und der Förderstrom des Druckmediums dar. Über entsprechende Pumpen und Regeleinrichtungen (Leistungs-, Druck- und Hubregler) können beide Kenngrößen an den jeweiligen Arbeitsvorgang angepasst werden.
Je nach Art des Antriebes unterscheidet man hydraulische Pressen mit unmittelbarem Pumpenantrieb sowie hydraulische Pressen mit Speicherantrieb.
Beim unmittelbaren oder Direktantrieb wirkt eine von einem E-Motor angetriebene Konstant- oder Verstellpumpe (Hydropumpe) auf den Hauptarbeitszylinder, der zur Erzeugung der Presskraft auf der großen zylindrischen Kolbenfläche und zum Heben des Stößels auf der kleineren Ringfläche des Kolbens der Kolben-Zylindereinheit mit Druckmedium beaufschlagt wird. Die Pumpe sowie der Antriebsmotor müssen stets auf den größten Leistungsbedarf der Presse ausgelegt sein. Die Hochdruckpumpe kann dabei als Verstellpumpe bzw. verstellbare Hydropumpe ausgebildet, um eine stufenlose Verstellung der Fördermenge und damit der Stößelgeschwindigkeit einzustellen. Bei niedrigem Druck wird demnach eine große Flüssigkeitsmenge gefördert und dadurch dem Presswerkzeug eine große Geschwindigkeit vermittelt und umgekehrt. Dies ist für einen schnellen Hub als Eilgang und für eine hohe Kraftbeaufschlagung beim Umformvorgang zweckmäßig. Nachteilig ist jedoch, dass die Antriebsenergie der Pumpe ständig zwischen Null und einem Höchstwert wechselt. Dies gibt erhebliche Belastungen des Stromnetzes. Nachteilig am Direktantrieb ist weiterhin, dass die Lageenergie des Stößels sowie der abwärtsbewegten Massen des Systems ungenützt bleiben, da das aus dem Ringzylinder bei der Abwärtsbewegung des Kolbens ausströmende Druckmedium lediglich über ein Wegeventil in einen Tank oder Ölbehälter abgelassen wird.
Eine andere Antriebsvariante für hydraulische Pressen ist der Speicherantrieb. Hier fördert eine von einem E-Motor angetriebene konstant fördernde Pumpe zunächst in einen Hochdruckspeicher, aus welchem dann der Arbeitszylinder über ein Proportionalventil mit dem Speicherdruck gespeist wird. Dieser hohe Speicherdruck steht während des gesamten Arbeitshubes zur Verfügung. Innerhalb des Arbeitshubes, erfolgt der Kraftanstieg aus dem Umformprozess in der Regel zunächst langsam und nimmt mit zunehmendem Hub zumeist progressiv zu. Der Speicherdruck des Akkuspeichers nimmt dagegen mit zunehmender Volumenentnahme stetig ab. Es steht damit zunächst ein sehr hoher Speicherdruck in der anfänglichen Arbeitshubphase zu Verfügung, in der nur geringe Arbeitsdrücke abverlangt werden.
Bei einem Speicherantrieb wird Energie in z.B. mit Stickstoff vorgefüllte Akkuflaschen in Form von komprimiertem Gas (Stickstoff) gespeichert. Beim Arbeitsprozess einer Presse erfolgt bei jedem Zyklus ein über die Zeitachse von Null auf den prozessbedingten Arbeitsdruck ansteigender Druckverlauf. In den Phasen, wo der momentan benötigte Arbeitsdruck niedriger als der Druck in den Speicherflaschen ist, wird die überschüssige Energie über das Regelventil bzw. sonstige Drosselverluste nutzlos in Wärme umgewandelt. Die entstandene Wärme muss dann über die Kühlung abgeführt werden (weiterer Energieverbrauch).
Aus der DE 195 28 558 B4 ist ein Verfahren zum betreiben einer hydraulischen Presse bekannt, bei dem der Kolbenraum des Zylinders der Antriebseinheit durch hydraulische Rohrleitungen über einen Sicherheitsblock, Proportionalventil und Rückschlagventil mit einem Hydraulikspeicher so verbunden ist, dass das Volumen des Kolbenraums des Zylinders bei der Abwärtsfahrt des Pressenstößels in den Hydraulikspeicher übertragen wird und dass die im Hydraulikspeicher gespeicherte Energie über ein Freigabeventil zur Energieversorgung von hydraulischen Verbrauchern, die mit niedrigerem hydraulischen Druck als die Antriebseinheit arbeiten, genutzt wird.
Die Vorteile des Speicherantriebs gegenüber dem Pumpenantrieb sind insbesondere die geringere Anschlussleistung, die gleichmäßigere Netzbelastung sowie die hohe und schnelle Leistungsabgabe. Neben diesen Vorteilen hat der Speicherantrieb den Nachteil, dass er auf Maximalkraft des Zylinders ausgelegt werden muss. In der Regel wirken am Presszylinder je nach Teilespektrum variable Kräfte: nämlich kleine Kräfte bei kleinen Teile und große Kräfte bei großen Teilen. Werden auf einer Presse z.B. kleine Teile gefahren, die nur geringe Kräfte erfordern, muss der Speicher trotzdem auf das Druckniveau geladen werden, dass für die maximale Kraft erforderlich ist. Werden kleine Kräfte benötigt und das Volumen zur Versorgung des Presszylinders aus dem hoch vorgespannten Speicher entnommen, entstehen über der Hydrauliksteuerung hohe Druckgefälle. Diese werden in Wärme umgesetzt. Die Wärme muss dem Hydrauliksystem mit entsprechendem Aufwand entzogen werden. Das Volumen für den nächsten Zyklus muss mit entsprechender Energie auf das hohe Druckniveau gepumpt werden. Bisherige Speicherantriebe arbeiten daher im Teillastbetrieb unwirtschaftlich. Gleiches gilt für die Volumenentnahmemenge. Der Akkuspeicher wird auf das maximale Entnahmevolumen ausgelegt, entsprechend des maximalen Arbeitshubes. Viele Teile werden dann in der Praxis mit geringerem Arbeitshub umgeformt. Da bei geringerer Entnahmemenge der Druck im Speicher nicht soweit absinkt, bleibt eine höhere Differenz zwischen dem Speicherdruck und dem erforderlichen Arbeitsdruck bestehen, so dass beim Aufladen weit mehr Energie aufgewendet wird, als dies notwendig wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes, insbesondere wirtschaftlicheres, Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Presse anzugeben und eine zugehörige Presse zu schaffen, bei welcher der Speicherantrieb auf die jeweiligen Erfordernisse der herzustellenden Werkstücke, d.h. der zum Urformen bzw. Umformen erforderlichen Arbeitskraftverlaufs (Weg/Druck über Zeit), in seinem Füllzustand und seiner Energieabgabecharakteristik ideal angepasst wird. Insbesondere soll ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur adaptiven (selbstlernenden) Steuerung einer hydraulischen Presse bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe ist hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Vorrichtung kann eigenständig aber auch insbesondere zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Nachschaltung eines durch Gaskompression gespeichertes Expansionsvolumen in Gruppen an Speicherflaschen mit unterschiedlichen Fülldrücken aufzuteilen.
Insbesondere haben sich Gruppen an Speicherflaschen bewährt, welche abgestuft auf einen geringstmöglichen Druck gefüllt werden, der auf eine jeweilige Produktionsanforderung gekennzeichnet vornehmlich durch Arbeitsdruckverlauf und Entnahmevolumen, ideal insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz, angepasst ist.
Vorzugsweise kann in einer ersten Betriebsart, bei der die Presse mit geringerer Presskraft oder geringerem Arbeitshub betrieben wird, die eine Gruppe an Speicherflaschen gegenüber der anderen Gruppe an Speicherflaschen abgesperrt werden, was einer Verkleinerung des Speichervolumens entspricht. Bevorzugtes Ziel hierbei ist, das Speichervolumen vornehmlich soweit zu reduzieren, dass am Ende eines Arbeitshubes der Presse gerade noch der erforderliche Arbeitsdruck erreicht wird. Dies hat einen reduzierten Energiebedarf zum Laden einer oder mehrerer Gruppen an Speicherflaschen zum Vorteil, da der mittlere Ladedruck niedriger ist. Mit der ersten Betriebsart ist eine niedrigste Stufe der Effizienzsteigerung realisiert. Sie eignet sich gut für einen Teillastbetrieb.
Vorzugsweise kann in einer zweiten Betriebsart, bei der die Presse einen geringeren Betriebsdruck oder eine geringere Entnahmemenge benötigt, Gas aus einer aktiven Gruppe an Speicherflaschen in eine nicht aktive Gruppe an Speicherflaschen umgepumpt werden. Die aktive Gruppe oder Gruppen an Speicherflaschen können somit vorteilhaft durch Umfüllen von Gasmengen auf den bedarfsgerechten Ladedruck gefüllt werden und arbeiten energieeffizient. Gegenüber der ersten Betriebsart bringt die zweite Betriebsart eine verbesserte Energieeffizienz. Die zweite Betriebsart eignet sich ebenfalls gut für einen Teillastbetrieb.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine dritte Betriebsart bevorzugt, bei welcher zunächst die Gruppe an Speicherflaschen mit dem niedrigsten Fülldruck mit dem Kolbenraum des Zylinders verbunden wird und mit fortschreitendem Arbeitshub, die Gruppe an Speicherflaschen mit dem nächsthöheren Fülldruck und/oder weitere Gruppe an Speicherflaschen sequenziell mit stufenweise höheren Fülldrücken wirkverbunden werden. Die dritte Betriebsart nutzt das gesamte verfügbare Volumen des Hydraulikspeichers in kaskadierter Form. Mittels einer hinreichend hohen Anzahl an Gruppen druckabgestufter Speicherflaschen kann das Volumen des Hydraulikspeichers ideal an die Arbeitshubcharakteristik angepasst werden. Dies hat signifikante Energieeinsparungen sogar im Volllastbetrieb der Presse und damit eine bestmögliche Energieeffizienz zum Vorteil.
Das Zuschalten der nächsthöher druckgefüllten Gruppe an Speicherflaschen kann kurz vor Erreichen des Druckausgleiches zwischen dem Speicherdruck und dem Arbeitsdrucks im Kolbenraums des Zylinders erfolgen oder bei Unterschreiten der geforderten Arbeitshubgeschwindigkeit des Kolbens.
Insbesondere ist ein Zuschalten der nächsthöhergefüllten Gruppe an Speicherflaschen bevorzugt, bei der die vorherig eingesetzte Gruppe an Speicherflaschen geschlossen wird oder über ein entsperrbares Rückschlagventil selbsttätig schließt; insbesondere sobald der Speicherdruck des zugeschalteten Gruppe an Speicherflaschen größer ist als der verbleibende Speicherdruck in der vorherig eingesetzten Gruppe an Speicherflaschen.
In einer weitere Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass die kinetische Energie einer Stößel – Eilgangschließbewegung vor Erreichen einer Arbeitshub – Startposition, über die Schließzylinder abgebremst und das Verdrängungsvolumen und der Bremsdruck zum Befüllen der Gruppen an Speicherflaschen, insbesondere speziell der Gruppen mit geringem erforderlichen Fülldruck, verwendet werden
Erfindungsgemäße bevorzugt schließlich ist eine Pressensteuerung vorgesehen, welche automatisch die Auslastung der Presse analysiert und gemäß der erforderlichen Betriebsart steuert. Dabei benötigt die erste Betriebsart keine allzu hohe Intelligenz in der Steuerung. Alle Speicher sind gleich geladen und es werden nur einzelne Gruppen an Speicherflaschen zu- oder abgewählt. Die Steuerung der zweiten Betriebsart kann vorzugsweise adaptiv (selbstlernend) nach dem ersten Zyklus, ggf. schrittweise, durchgeführt werden. Demgegenüber erfordert die dritte Betriebsart, bei welcher kaskadierte, also mehrstufige, auf unterschiedlichen Druckniveaus gefüllte Gruppen an Speicherflaschen entsprechend der Kraft/Weg/Zeit Charakteristik eines Arbeitshubes der Presse bedarfsgerecht zu- und abgeschaltet werden, eine hohe Intelligenz in der adaptiven Regelung der einzelnen Druckniveaus.
Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich auch eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens wie zuvor beschrieben.
Mit einem erfindungsgemäß bevorzugt an drei Betriebsarten anpassbarem Hydraulikspeicher aus wenigstens zwei Gruppen an Speicherflaschen ist es möglich, dass nach Produktionsbeginn eine Pressensteuerung, vorzugsweise automatisch, die Auslastung analysiert und dann entsprechend einzelne Gruppen oder auch Partitionen von Speicherflaschen absperrt (Betriebsart 1) oder bei Ladevorgang am Ende des Zyklus das Gas in den Speicherflaschen umfüllt (Betriebsart 2) oder die einzelnen Gruppen an Speicherflaschen auf, an die Arbeitshubcharakteristik angepasste, unterschiedliche Druckniveaus anpasst (Betriebsart 3). In allen drei Fällen sind vorteilhaft keine Wartezeiten oder Umfüllzeiten erforderlich.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine deutlich energieeffizientere hydraulische Presse zum Urformen, Umformen, Stanzen beziehungsweise zum Bearbeiten von Werkstoffen bzw. Werkstücken wie Kunststoffformmassen, Tiefziehbleche, Schmiedeteile oder dergleichen, bereitgestellt, mit der eine Energierückgewinnung ermöglicht ist, welche speziell in der zweiten und mehr noch in der dritten Betriebsart sehr effizient genutzt werden kann, ohne wie bisher im Stand der Technik üblich, hierfür einen separaten Niederdruck-Hydraulikspeicher aufbauen zu müssen.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 einen Hydraulikschaltplan nach dem Stand der Technik;
2 einen Hydraulikschaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 einen Hydraulikschaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
4 den Druckverlauf mit erfindungsgemäßen Gruppen an Speicherflaschen; und
5 den unteren Betriebsdruck als Funktion von aktiven Gruppen an Speicherflaschen.
Bei der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleicher Bauteile.
1 zeigt den Hydraulikschaltplan einer aus dem Stand der Technik bekannten Presse. Wie dargestellt besteht die Antriebseinheit für den Schließ- und Öffnungsvorgang des Stößels 1 in der Presse aus dem Kolben 2 und dem Zylinder 3 als Zylinderkolbeneinheit, welche mittels einer Energiequelle 8 angetrieben wird. Beim Schließvorgang wird der Kolben 2 in den Kolbenraum des Zylinders 3 geschoben und das Volumen im Kolbenraum wird dadurch verkleinert. Dieses Volumen muss über eine Rohrleitung 6 und einen Sicherheitsblock 5 geführt werden. Von dem Sicherheitsblock 5 wird das Volumen über die Rohrleitung 6 an einen Anschluss A eines Proportionalventils 7 geführt. Bei der Abwärtsbewegung der Presse ist das Proportionalventil 7 in der dargestellten Stellung angesteuert, das heißt, der Volumenstrom geht von A nach T in die Rohrleitung 6. Über ein Rückschlagventil 9, das durch den Lastenergiedruck aufgesteuert wird, geht das Volumen in einen Niederdruck-Hydraulikspeicher 10. Der Niederdruck-Hydraulikspeicher 10 ist in seinem Volumen so ausgelegt, dass er die Hilfs- oder Nebenbewegungen der Presse betreiben kann. Ist dieser Niederdruck-Hydraulikspeicher 10 gefüllt, was durch einen Druckmessaufnehmer 11 gemeldet wird, wird ein Schaltventil 12 eingeschaltet und das überschüssige Volumen in einen Tank 13 abgeleitet.
Die somit gespeicherte Energie in dem Niederdruck-Hydraulikspeicher 10 kann über die Leitung mit einem Freigabeventil 16 an die Nebenfunktion geführt und dort genutzt werden. Als Nebenfunktion gilt insbesondere der Hydraulik-Hilfskreis 20 für Zylindereinheiten, die mit einem Druckniveau von 40 bis 80 bar arbeiten können, wie dies beispielsweise bei einem dargestellten hydraulischen Kissen als Pressentisch der Fall ist. Gleichzeitig kann diese Energie auch für ein Steuerölsystem über eine Steuerölleitung 15 und ein Steuerölventil 14 als Steuerölenergieversorgung genutzt werden. Vor dem ersten Arbeitszyklus muss für den ersten Ladevorgang des Niederdruck-Hydraulikspeichers 10 von einer Hydraulikpumpe 19 über ein Rückschlagventil 18 bei gesperrtem Umlaufventil 17 durch die Rohrleitung der Niederdruck-Hydraulikspeicher 10 solange gefüllt werden, bis der Druckmessaufnehmer 11 die gewünschte Druckhöhe anzeigt. Diese Meldung ist eine Voraussetzung für den Start der Maschine.
In 1 mit einer strichpunktierten Linie getrennt ist die Darstellung einer Differentialschaltung mit Volumenausnützung, die neben der Energieeinsparung noch zur Vereinfachung von hydraulischen Elementen führt, zum Beispiel durch Verkleinerung der Pumpen in ihrem Volumen, aber auch von Ventilen in ihrem Volumendurchlass. Der Nutzen kommt beim Hochfahren der Presse zur Geltung, wobei in den größeren Kolbenraum des Zylinders 3 das überschüssige Öl des Ringraums 4 mit hineingefördert wird. Wenn über die Zylinderkolbeneinheit und Druckbeaufschlagung im Kolbenraum des Zylinders 3 die Presse nach oben fährt, wird das Volumen aus dem Ringraum 4 über das Schaltventil 21 in den Kolbenraum des Zylinders 3 zurückgeführt. Die damit zurückgeführte Menge muss von der Energieversorgungseinheit nicht gefördert werden. Der Vorteil liegt darin, dass somit die Pumpen als Energieversorgungseinheit nicht gefordert werden. Der Vorteil liegt weiter darin, dass somit die Pumpen als Energieversorgungseinheit nicht das volle Volumen aufbringen müssen, dass als Aufbrechkraft in dem Kolbenraum des Zylinders 3 erforderlich ist und über den ganzen Hub gebracht werden müsste. Auch die nach den Pumpen liegenden Ventile müssen nur die Restmenge an Volumen bewältigen. Dies bringt eine Kostenersparnis, weil die Aggregate nicht so groß wie bis dato üblich ausgelegt werden müssen.
2 und 3 zeigen je den Hydraulikschaltplan eines ersten beziehungsweise zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Wie dargestellt ist der Kolbenraum des Zylinders 3 der Antriebseinheit über hydraulische Rohrleitungen 22, ein Proportionalventil 23, ein Freigabeventil 24 mit einem Hochdruck-Hydraulikspeicher 25 verbunden oder verbindbar, welcher neben einer Hydraulikpumpe 26 (zum Laden) einen neuen, energieeffizienten Antrieb bzw. eine Energiequelle 8 der Presse bildet.
Dazu ist der Hochdruck-Hydraulikspeicher 25 erfindungsgemäß in mehrere Gruppen 25a, 25b, 25c, ... an Speicherflaschen so unterteilt oder unterteilbar, dass ein durch Gaskompression gespeichertes Expansionsvolumen in den Gruppen 25a, 25b, 25c ... an Speicherflaschen direkt oder indirekt über einen Kolbenspeicher oder vergleichbaren Medientrenner die für einen Arbeitshub der Presse erforderliche Energie in Form von Volumenstrom und Druck liefert.
Dabei sind alle Speicherflaschen auf den maximalen Betriebsdruck (z.B. 305 bar) füllbar. Wird ein geringerer Betriebsdruck oder geringere Entnahmemenge benötigt, also die Presse mit geringerer Presskraft oder geringerem Arbeitshub betrieben, ist durch eine geeignete gasseitige Ventilsteuerung in Verbindung mit einem „Kompressorbetrieb“ des Kolbenspeichers ermöglicht, den Fülldruck in einer oder mehreren Flaschengruppen 25a, 25b, 25c ... abzusenken.
Insbesondere haben sich Gruppen 25a, 25b, 25c ... an Speicherflaschen bewährt, welche abgestuft auf einen geringstmöglichen Druck gefüllt werden, der auf eine jeweilige Produktionsanforderung gekennzeichnet vornehmlich durch Arbeitsdruckverlauf und Entnahmevolumen, ideal insbesondere im Hinblick auf Energieeffizienz, angepasst ist.
Vorzugsweise kann in einer ersten Betriebsart, bei der die Presse mit geringerer Presskraft oder geringerem Arbeitshub betrieben wird, die eine Gruppe 25a, ... an Speicherflaschen gegenüber der anderen Gruppe 25b, ... an Speicherflaschen abgesperrt werden. Werden am Stößel kleinere Kräfte benötigt, können einzelne oder eine mehrere Gruppe 25a, 25b, 25c, ... an Speicherflaschen über Absperrventile verschlossen werden. Damit fällt das Druckniveau im Speicher 25 bei Entnahme stärker ab. Dies sei anhand eines Beispiels verdeutlicht: Würde man einen Speicher 25 nur mit zwei statt mit achtzehn Speicherflaschen betreiben, würde das Druckniveau bei max. Entnahme von gewöhnlich 305 bar auf 105 bar abfallen. Die anschließende Speicherladung erfolgt dann von 105 bar auf 305 bar, mit einem mittleren Druck von 205 bar, anstatt wie bisher mit 290 bar.
Vorzugsweise kann in einer zweiten Betriebsart, bei der die Presse einen geringeren Betriebsdruck oder eine geringere Entnahmemenge benötigt, Stickstoff oder vergleichbares Gas, mit welchen die Speicherflaschen vorbefüllt sind, aus einer aktiven Gruppe 25a ... an Speicherflaschen in eine nicht aktive Gruppe 25b ... an Speicherflaschen umgepumpt werden. Dabei wird das Druckniveau beispielsweise in einer Flaschengruppe 25a ... abgesenkt. Der aktive Kolbenspeicher wird somit besser an das benötigte Druckniveau angepasst. Druckverluste sind geringer. Der „überflüssige“ Stickstoff befindet sich in z.B. zwei Flaschengruppen 25b und 25c, die abgesperrt sind. In diese ist der Stickstoffdruck dann auf einem höheren Niveau (z.B. max. 350 bar). Dies sei wiederum anhand eines Beispiels verdeutlicht: Würde man zehn von achtzehn Flaschen im Fülldruck von 305 bar auf 205 bar senken und das abgepumpte Stickstoffgas in den restlichen acht Flaschen zwischenspeichern, so würde der Druck bei max. Entnahme von 205 bar auf 105 bar abfallen. Die anschließende Speicherladung erfolgt dann von 105 bar auf 205 bar, mit einem mittleren Druck von 155 bar, anstatt wie bisher mit 290 bar bzw. 205 bar im oben genannten Fall der ersten Betriebsart.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine dritte Betriebsart bevorzugt, bei welcher zunächst die Gruppe 25a ... an Speicherflaschen mit dem niedrigsten Fülldruck mit dem Kolbenraum des Zylinders verbunden wird und mit fortschreitendem Arbeitshub, die Gruppe 25b ... an Speicherflaschen mit dem nächsthöheren Fülldruck und/oder weitere Gruppe 25c ... an Speicherflaschen sequenziell mit stufenweise höheren Fülldrücken wirkverbunden werden. Diese Nutzung des in zu- und abschaltbaren Gruppen aufgeteilten Antriebspeichers ermöglicht vorteilhaft die Nutzung des gesamten verfügbaren Volumens in kaskadierter (mehrgestufter) Form. Hierbei werden die einzelnen Gruppen 25a, 25b, 25c, ... auf unterschiedliche Druckniveaus gefüllt, und während des Arbeitshubes zunächst einzelne Flaschenspeicher oder die Gruppe 25a ... an Speicherflaschen mit dem geringsten Druckniveau aktiv geschaltet, während die restlichen Gruppen 25b, 25c, ... verschlossen bleiben. Bei Volumenentnahme sinkt der Druck in der aktiven Gruppe 25a an Speicherflaschen und der Arbeitsdruck im Zylinder steigt. Nähert sich der erforderliche Arbeitsdruck dem in der aktiven Gruppe 25a ... an Speicherflaschen verfügbaren Restdrucks, wird die im Fülldruck nächsthöhere Gruppe 25b ... an Speicherflaschen zugeschaltete und die zuletzt aktive abgeschaltet. Auch die dritte Betriebsweise sei wiederum anhand eines Beispiels verdeutlicht: Würde man sechs von achtzehn Flaschen im Fülldruck von 305 bar auf 105 bar senken, weitere sechs Flaschen von 305 bar auf 205 bar senken und die restlichen sechs Flaschen auf 305 bar belassen, kann ein Arbeitszyklus im Volllastbetrieb gefahren werden, indem das erste Drittel des Arbeitshubes aus der ersten Gruppe 25a ... entnommen wird (Druckabsenkung von 105 bar auf 90 bar), das zweite Drittel aus der zweiten Gruppe 25b ... mit einer Druckabsenkung von 205 bar auf 180 bar und das dritte Drittel aus der dritten Gruppe 25c ... mit einer Druckabsenkung von 305 bar auf 275 bar. Die anschließende Speicherladung erfolgt dann in der ersten Gruppe 25a ... von 90 bar auf 105 bar, in der zweiten Gruppe 25b ... von 180 bar auf 205 bar und in der dritten Gruppe 25c ... von 275 bar auf 305 bar. Dies entspricht dann einem mittleren Druck von 193 bar anstelle von bislang üblichen 290 bar im Volllastbetrieb.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in 3 – analog wie in 1 dargestellt und beschrieben – ein Hilfskreis 20 für Zylindereinheiten, die mit einem Druckniveau von 40 bis 80 bar arbeiten können, wie dies beispielsweise bei hydraulischen Kissen für einen Pressentisch der Fall ist, vorgesehen.
Daneben bietet dieses System aber erstmalig auch die Möglichkeit, Energie wieder in den Gruppen 25a, 25b, 25c, ... an Speicherflaschen zurückzuführen. Wird beim Pressvorgang beispielsweise der Stößel 1 der Presse verzögert, so erfolgt dies heutzutage über die Rückzugszylinder, indem die Regelventile den Öldurchfluss verengen und somit die Energie in Wärme umwandeln. Der Bremsdruck beträgt beispielsweise 140 bar in den Rückzugszylindern.
Durch mehrstufige Gruppen an Speicherflaschen 25a, 25b, 25c, ..., wie mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, besteht nun die Möglichkeit dieses verdrängte Öl in die entsprechende Sektion in den Hydraulikspeicher 25 zurückzuführen und damit die Energie für den nächsten Schließvorgang wieder verfügbar zu haben. Dies war bisher nicht möglich, da der Hydraulikspeicher sich stets auf einem höheren Druckniveau befand.
In ähnlicher Weise kann auch das beim Schließvorgang im Tischkissen verdrängtes Hydrauliköl in einen bekannten Niederdruck-Hydraulikspeicher 10 zurückgeführt werden und somit die Energie rückgewonnen werden.
Soweit mit den vorschlagen System anpassbarer Gruppen an Speicherflaschen eine Absenkung z.B. auch der sog. PLL- Kraft einhergeht, kann für eine ausreichende Druckversorgung für den Rückzug ein bekannter Niederdruck-Hydraulikspeicher 10 vorgesehen sein, der die fraglichen Funktionen bedient.
Es versteht sich, dass die Speicherflaschen des in den 2 und 3 gesondert eingezeichneten Niederdruck-Hydraulikspeichers 10 Bestandteil oder Gruppe des Hochdruck-Hydraulikspeichers 25 sein kann.
4 zeigt den Druckverlauf ABC mit erfindungsgemäßen Gruppen 25a, 25b, 25c ... an Speicherflaschen. Dargestellt ist, wie beim Arbeitsprozess einer Presse bei jedem Zyklus ein über die Zeitachse von Null auf den prozessbedingten Arbeitsdruck P ansteigender Druckverlauf erfolgt. Ebenfalls dargestellt ist, wie mit mehrstufigen Gruppen 25a, 25b, 25c, ... an Speicherflaschen mit Bündeln von z.B. 70 bar, 140 bar, 210 bar und 280 bar eine abgestufte Entnahme des momentan erforderlichen Druckmediums aus dem nächsthöherliegenden Flaschenbündel entnommen werden kann, wodurch die Verlustleistung stark minimiert wird. Erkennbar ist auch, wie das Laden L mittels Ladepumpen gemäß dem Druckverlauf S bei konventionellen Hydraulikspeichern einsparbar ist.
Dabei ist in einer ersten Betriebsart vorgesehen, einzelne Speicherflaschen oder auch Partitionen von Speicherflaschen 25a, 25b, 25c ... komplett abzusperren. Dadurch wird der Energiebedarf zum Laden des Hochdruck-Hydraulikspeichers 25 auf den Ausgangsdruck reduziert und somit vorteilhaft Energie gespart.
Alternativ ist in einer zweiten Betriebsart vorgesehen, den Stickstoff in andere vorhandene Flaschengruppen 25a, 25b, 25c ... umzupumpen. Sind z.B. drei Gruppen je 600 l; 250 bar vorhanden, wird eine Gruppe mittels des vorhandenen Kolbenspeichers und zusätzlicher Ventile auf 70 bar entleert, zwei Gruppen werden dabei auf 340 bar gefüllt. Die Presse wird danach mit einer Gruppe 600 l; 70 bar betrieben. Die zwei nun 340 bar- Gruppen werden nicht benötigt. Dies beruht auf den Realgasgesetzen, demnach die Speicherwirkung des Gases bei hohen Drücken deutlich ungünstiger als bei niedrigen Drücken ist. Erfolgt ein Werkzeugwechsel auf das Werkzeug mit hoher Kraft kann durch Betätigen der Ventilsteuerung in allen Flaschengruppen 25a, 25b, 25c ... gleicher Druck von 250 bar hergestellt werden.
Eine dritte Betriebsart sieht ein kaskadiertes Zu- und Abschalten einzelner Gruppen 25a, 25b, 25c, ... an Speicherflaschen vor.
Mit an die Betriebsarten sich anpassbare Gruppen 25a, 25b, 26c ... an Speicherflaschen ist es möglich, dass nach Produktionsbeginn, die Pressensteuerung automatisch die Auslastung analysiert und dann entsprechend einzelne Speicherflaschen oder auch Partitionen 25a, 25b, 25c ... von Speicherflaschen absperrt (Betriebsart 1) oder bei Ladevorgang am Ende des Zyklus das Gas in den Speicherflaschen umfüllt (Betriebsart 2) oder kaskadiert abruft (Betriebsart 3). In allen Fällen sind vorteilhaft keine Wartezeiten oder Umfüllzeiten erforderlich.
Dabei ist es grundsätzlich möglich, den Hydraulikspeicher 25 so zu dimensionieren, dass die Hydraulikanlage bei variablen Teilespektrum energieeffizienter betrieben werden kann, als dies bislang im Stand der Technik bereitgestellt ist. Dazu kann der Speicher 25 mit einem geringeren Druck von beispielsweise 70 bar befüllt werden. Mit Hilfe einer vorhandenen Speicherladeschaltung wird das Volumen in Abhängigkeit von der benötigten Umformkraft auf das entsprechende Druckniveau gefördert.
Dies verdeutlichen auch die nachstehenden Beispiele 1 bis 3:
Beispiel 1 bei bisheriger Auslegung:

Entnahme 100 Liter
Vorspanndruck 270 bar
Akkugröße 335 l
Gasvolumen 1800 l

Beispiel 2 bei neuer Auslegung:	Beispiel 3 bei neuer Auslegung:
Entnahme 100 Liter	Entnahme 100 Liter
Vorspanndruck 70 bar	Vorspanndruck 140 bar
Akkugröße 5850 l	Akkugröße 2100 l
Gasvolumen 1800 l	Gasvolumen 1800 l

Bei Auslegung des Speichers auf Vorspanndruck 70 bar wird der Speicher ca. siebzehnmal Größer als bei bisheriger Auslegung.
Mit der vorliegenden Erfindung ist dagegen eine gestufte Anpassung des Speicherdruckes an benötigten Kraftbedarf (Arbeitsdruck) vorgeschlagen. Diese Anpassung kann bevorzugt während eines Wechsels des Werkzeuges, welches eine andere max. Kraft erfordert, erfolgen.
Bewährt haben sich beispielsweise die folgenden drei Druckstufen:

1 Stufe: hohe Kräfte Vorspanndruck im Akku 210 bar

2 Stufe: mittlere Kräfte Vorspanndruck im Akku 140 bar

3 Stufe: niedrige Kräfte Vorspanndruck im Akku 70 bar
5 schließlich zeigt den unteren Betriebsdruck als Funktion von aktiven Gruppen 25a, 25b, 25c, ... an Stickstoffflaschen.
Die vorliegende Erfindung sei abschließend anhand der nachfolgenden Aspekte veranschaulicht: Bislang werden Pressen für den maximal notwendigen Druck ausgelegt, beispielsweise vierzig Flaschen als Druckspeicher. Alle diese Flaschen müssen immer, auch wenn beispielsweise eine Charge mit 5000 Pressenhüben und nur halber Kraft gefahren wird, vollständig aufgeladen werden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein adaptives (selbstlernendes) System angeboten. Im Beispielsfall der 5000 Teile, die mit einem Werkzeug gefahren werden, stellt die Pressensteuerung in einer erfindungsgemäßen Presse vorzugsweise automatisch, beispielsweise nach einer bestimmten Anzahl von (x) Zyklen fest, dass auch weniger Speicherflaschen im Hydraulikspeicher (Gasspeicher) ausreichen würden, und reduziert den Fülldruck in einer oder mehreren (X) Flaschen oder Gruppen an Speicherflaschen nach einer der oben beschriebenen Betriebsarten.
Das nachfolgende Rechenbeispiel verdeutlicht den energiebilanztechnischen Vorteil:
Maximale Aufladung auf 290 bar bei 40 Flaschen (energieintensivere Aufladung im höheren Bereich, bedeutet 40 Flaschen von 250 auf 290 bar anzuheben ist teurer als in einem niedrigeren Druckbereich oder bei weniger Flaschen).
Stellt die adaptive, d.h. anpassungsfähig bzw. sich anpassend verhaltende (selbstlernende), Pressensteuerung fest, dass nach x-Presszyklen aber eigentlich nur 25 oder 30 Flaschen notwendig wären, werden die übrigen Flaschen aufgeladen und von den aktiven Flaschen (Akku) getrennt. Sie stehen für einen plötzlichen Maximalbetrieb noch zur Verfügung, aber die aus der Erfahrung gezeigten Zyklen geben Grund zur Annahme, dass auch die nächsten Zyklen (werkzeugabhängig) mit der gleichen notwendigen Kraft gefahren werden können. (1434)
Bezugszeichenliste

1: Stößels
2: Kolben
3: Zylinder
4: Ringraum
5: Sicherheitsblock
6: Rohrleitungen
7: Proportionalventil
8: Energiequelle für Zylinderkolbeneinheit
9: Rückschlagventil
10: Niederdruck-Hydraulikspeicher
11: Druckmessaufnehmer
12: Schaltventil
13: Tank
14: Steuerölventil
15: Steuerölleitung/Steuerkreisversorgung
16: Freigabeventil
17: Umlaufventil
18: Rückschlagventil
19: Hydraulikpumpe
20: Hydraulik-Hilfskreis
21: Schaltventil
22: Rohrleitungen
23: Proportionalventil
24: Freigabeventil
25: Hochdruck-Hydraulikspeicher, umfassend wenigstens zwei Gruppen 25a, 25b, 25c, ... an Druckgas-Speicherflaschen
26: Hydraulikpumpe
p: Druck
P: Arbeitsdruckverlauf der Presse
a, b, c: Druckverlaufskurven erfindungsgemäßer Gruppen 25a, 25b, 25c, an Speicherflaschen
ABC: Gesamtdruckverlauf eines erfindungsgemäßen Hydraulikspeichers 25
S: Druckverlauf konventioneller Hydraulikspeicher
L: Laden konventioneller Hydraulikspeichers durch Hydraulik-/Ladepumpe(n)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19528558 B4 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Presse zum Urformen, Umformen, Stanzen beziehungsweise Bearbeiten von Werkstoffen oder Werkstücken wie Kunststoffformmassen, Tiefziehbleche, Schmiedeteile oder dergleichen, mit einer hydraulischen Antriebseinheit bestehend aus einer hydraulisch betätigbaren Zylinderkolbeneinheit zum Heben und Senken eines Pressenstößels, bei dem der Kolbenraum des Zylinders (3) der Antriebseinheit durch hydraulische Rohrleitungen (22) über ein Proportionalventil (23) und ein Freigabeventil (24) und mit einem aus mindestens zwei Gruppen (25a, 25b, 25c, ...) an Speicherflaschen gebildeter Hydraulikspeicher (25) so verbunden oder verbindbar ist, dass ein durch Gaskompression gespeichertes Expansionsvolumen in den Gruppen (25a, 25b, 25c, ...) an Speicherflaschen direkt oder indirekt über einen Kolbenspeicher die für einen Arbeitshub der Presse erforderliche Energie in Form von Volumenstrom und Druck liefert, und bei dem in den Gruppen (25a, 25b, 25c ...) an Speicherflaschen unterschiedliche Fülldrücke hergestellt oder herstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (25a, 25b, 25c ...) an Speicherflaschen abgestuft auf einen geringstmöglichen Druck gefüllt werden, der auf eine jeweilige Produktionsanforderung angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einer ersten Betriebsart, bei der die Presse mit geringerer Presskraft oder geringerem Arbeitshub betrieben wird, die eine Gruppe (25a, ...) an Speicherflaschen gegenüber der anderen Gruppe (25b, ...) an Speicherflaschen abgesperrt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in einer zweiten Betriebsart, bei der die Presse einen geringeren Betriebsdruck oder eine geringere Entnahmemenge benötigt, Gas aus einer aktiven Gruppe (25a, ...) an Speicherflaschen in eine nicht aktive Gruppe (25b, ...) an Speicherflaschen umgepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in einer dritten Betriebsart zunächst die Gruppe (25a, ...) an Speicherflaschen mit dem niedrigsten Fülldruck mit dem Kolbenraum des Zylinders verbunden wird und mit fortschreitendem Arbeitshub, die Gruppe (25b, ...) an Speicherflaschen mit dem nächsthöheren Fülldruck und/oder weitere Gruppe (25c, ...) an Speicherflaschen sequenziell mit stufenweise höheren Fülldrücken wirkverbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Zuschalten der nächsthöher druckgefüllten Gruppe (25b, ...) an Speicherflaschen kurz vor Erreichen des Druckausgleiches zwischen dem Speicherdruck und dem Arbeitsdrucks im Kolbenraums des Zylinders erfolgt oder bei Unterschreiten der geforderten Arbeitshubgeschwindigkeit des Kolbens.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuschalten der nächsthöhergefüllten Gruppe (25b, ...) an Speicherflaschen, die vorherig eingesetzte Gruppe (25a, ...) an Speicherflaschen geschlossen wird oder über ein entsperrbares Rückschlagventil selbsttätig schließt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie einer Stößel – Eilgangschließbewegung vor Erreichen einer Arbeitshub – Startposition, über die Schließzylinder abgebremst und das Verdrängungsvolumen und der Bremsdruck zum Befüllen der Gruppen (25a, 25b, 25c, 25d ...) an Speicherflaschen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Pressensteuerung automatisch die Auslastung der Presse analysiert und gemäß der erforderlichen Betriebsart steuert.
Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, zum Betreiben einer hydraulischen Presse zum Urformen, Umformen, Stanzen beziehungsweise zum Bearbeiten von Werkstoffen bzw. Werkstücken wie Kunststoffformmassen, Tiefziehbleche, Schmiedeteile oder dergleichen, mit einer hydraulischen Antriebseinheit, bestehend aus einer hydraulisch betätigbaren Zylinderkolbeneinheit zum Heben und Senken eines Stößels, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkolbeneinheit, bestehend aus Kolben (2), Zylinder (3) und ggf. Ringraum (4), ein Proportionalventil (23), ein Freigabeventil (24), und ein aus mindestens zwei Gruppen (25a, 25b, 25c ...) an Speicherflaschen gebildeter Hydraulikspeicher (25) verbunden oder verbindbar durch Rohrleitungen (22) zugeordnet sind, so dass ein durch Gaskompression gespeichertes Expansionsvolumen in den Gruppen (25a, 25b, 25c ...) an Speicherflaschen direkt oder indirekt über einen Kolbenspeicher die für einen Arbeitshub der Presse erforderliche Energie in Form von Volumenstrom und Druck liefert, und dass in den Gruppen (25a, 25b, 25c ...) an Speicherflaschen unterschiedliche Fülldrücke eingestellt oder einstellbar sind.