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Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Steuerung für eine sichere elektrohydraulische Achse. Solche elektrohydraulischen Steuerungen werden zum Beispiel bei Pressen oder bei Spritzgießmaschinen, sowie bei vielen weiteren Anwendungen der industriellen Automatisierung eingesetzt.
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Herkömmliche Pressen sind oft ventilgesteuert. Über ein Proportionalventil werden eine Geschwindigkeit oder eine Presskraft eines Pressenzylinders eingestellt. Sicherheitsanforderungen bezüglich der Arbeitssicherheit lassen sich beispielsweise durch Schaltventile umsetzen, welche in einer unbetätigten Stellung eine hydraulische Verbindung zum Pressenzylinder sperren. Die Schaltventile sind zudem durch einen Schalter, welcher die Schaltstellung erfasst, überwacht. Die DIN EN 12622:2001 zeigt in Anhang C ein Beispiel für eine hydraulische Pressensteuerschaltung, bei der Sicherheitsanforderungen beziehungsweise Arbeitsschutzerfordernisse umgesetzt sind.
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Es werden derzeit vermehrt Pressen konzipiert, bei welchen der Pressenzylinder durch eine Hydromaschine direkt mit einer vorgegebenen Druckmittelmenge angesteuert wird. Das Proportionalventil kann demgemäß entfallen. Die Hydromaschine besitzt an sich eine konstante Fördermenge. Allerdings wird die Drehzahl eines elektrischen Antriebs der Hydromaschine variiert, um so eine steuerbare Fördermenge der Hydromaschine zu erhalten.
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Solche Antriebe besitzen Vorteile in der Energieeffizienz. Zudem kann der hydraulische Schaltplan der Pressensteuerung vereinfacht werden.
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In der
DE 103 29 067 A1 ist eine elektrohydraulische Steuerung für eine Presse mit einer über einen drehzahlvariablen Antrieb angetriebenen Hydropumpe offenbart. Ein Zylinderraum eines Pressenzylinders, über den ein Kolben des Pressenzylinders in einer Pressrichtung mit einem Pumpendruck der Hydropumpe beaufschlagbar ist, ist in direkter Druckmittelverbindung mit der Hydropumpe. Ein Ringraum des Pressenzylinders zur Druckbeaufschlagung des Kolbens entgegen der Pressrichtung ist an einen Hydrospeicher angeschlossen, der über die Hydropumpe aufgeladen wird. Zur Druckbegrenzung des Pumpendrucks ist ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass eine Unterbrechung der Betätigung des Pressenzylinders in Pressrichtung, beispielsweise in einer Notsituation, lediglich durch Anhalten der Hydropumpe erfolgen kann. Die vorstehend genannte DIN EN 12622:2001 ist hierdurch nicht erfüllt.
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Die
DE 10 2009 058 408 A1 offenbart eine elektrohydraulische Steuerung mit einem Ventilblock, in dem vier Schaltventile angeordnet sind. Mit diesem wird ein Druckmittelvolumenstrom zwischen einer drehzahlvariablen Hydropumpe und einem Pressenzylinder gesteuert. Die Hydropumpe wird über einen elektrischen Antrieb angetrieben. Dieser ist von einer Stelleinheit gesteuert.
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Eine Ausgestaltung und Funktionsweise der Steuereinheit ist dieser Druckschrift nachteilig nicht zu entnehmen. Des Weiteren ist nachteilig, dass eine Umrüstung herkömmlicher elektrohydraulischer Steuerung, bei denen eine Regelung von Achsen über Proportionalventile erfolgt, mit der Steuerung gemäß der
DE 10 2009 058 408 A1 äußerst kostenintensiv und vorrichtungstechnisch aufwändig ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrohydraulische Steuerung zu schaffen, mit der kostengünstig und mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand herkömmliche elektrohydraulische Steuerungen, bei denen eine Regelung von Achsen über Proportionalventile erfolgt, umgerüstet werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrohydraulische Steuerung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat eine elektrohydraulische Steuerung für eine elektrohydraulische Achse eine drehzahlvariable hydraulische Maschine, bei der es sich insbesondere um eine Hydropumpe handelt. Die elektrohydraulische Achse hat zumindest einen hydraulischen Verbraucher, insbesondere einen Hydrozylinder für eine Abkantpresse. Die hydraulische Maschine dient zum Steuern des hydraulischen Verbrauchers. Zum Antreiben der hydraulischen Maschine ist ein elektrischer Antrieb vorgesehen, der mit dieser gekoppelt ist. Der elektrische Antrieb hat ein Stellglied, insbesondere eine Maschinensteuerung, zur Verstellung einer Drehzahl und seines Drehmoments. Durch den elektrischen Antrieb wird auch eine Drehzahl der mit diesem gekoppelten hydraulischen Maschine und ein Druckäquivalent des Drehmoments, bei dem die hydraulische Maschine Druckmittel fördern kann, verstellt. Das Stellglied steuert hierbei den elektrischen Antrieb vorteilhafterweise entsprechend einem Proportionalventil an.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass für das Stellglied ein herkömmliches Stellglied aus dem Stand der Technik für Proportionalventile eingesetzt werden kann. Die drehzahlvariable hydraulische Maschine beziehungsweise Hydropumpe, die mit dem elektrischen Antrieb gekoppelt ist, wird somit wie ein Proportionalventil angesteuert. Des Weiteren kann mit der erfindungsgemäßen elektrohydraulischen Steuerung eine herkömmliche Abkantpresse mit einem hydraulischen Antrieb, bei dem die Regelung der Achse über Proportionalventile erfolgt, auf einfache Weise auf einen hydraulischen Antrieb umgerüstet werden, bei dem die Regelung über eine drehzahlvariable Hydropumpe erfolgt, die einfach mit dem herkömmlichen Stellglied betrieben wird. Insgesamt kann die gesamte Sicherheitsfunktion einer konventionellen Presse beibehalten werden und ein Umbau durch die erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuerung ohne Eingriff in eine Sicherheitssteuerung und einer Sicherheitslogik der konventionellen Presse realisiert werden. Ein Eingriff beim Umbau in die herkömmliche Steuerung ist somit nicht erforderlich und bestehende Regler in der Steuerung können weiterverwendet werden.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verwendet das Stellglied als Drehzahlsollwert für den elektrischen Antrieb einen Sollwert für ein Proportionalventil, das in Form eines Regelventils eingesetzt ist, über das ein Druckmittelvolumenstrom zwischen einer hydraulischen Maschine und einem hydraulischen Verbraucher steuerbar ist. Die Höhe des Druckmittelvolumenstroms wird hierbei dann über die Höhe des Drehzahlsollwerts eingestellt. Bei Proportionalventilen erfolgt die Einstellung der Höhe des Druckmittelvolumenstroms durch eine Einstellung eines Öffnungsquerschnitts. Es werden somit Sollwerte des Proportionalventils verarbeitet, so dass neben der Nachbildung der Ventilcharakteristik auch eine sehr hohe Genauigkeit bezüglich der Positionierung erreicht wird.
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Vorzugsweise ist der hydraulische Verbraucher ein Hydrozylinder, bei dem ein Wegaufnehmer zur Messung eines Verschiebewegs eines Kolbens vorgesehen ist. Der Wegaufnehmer sendet dabei ein Messsignal als Istwert an das Stellglied. Ein derartiger Wegaufnehmer ist bei dem eingangs erläuterten Stand der Technik bekannt, weswegen das Stellglied aus herkömmlichen Ist- und Sollwerten dann einen Stellwert für den elektrischen Antrieb bestimmen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verwendet das Stellglied als Drehmomentsollwert für ein maximales Drehmoment des elektrischen Antriebs, insbesondere zur Druckbegrenzung, einen Sollwert für ein Proportionalventil, das in Form eines steuerbaren Druckbegrenzungsventils ausgestaltet ist, mit dem ein maximaler Druck eingestellt werden kann. Ein maximaler Druck des hydraulischen Verbrauchers wird somit über die Höhe des Drehmomentsollwerts eingestellt.
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Im Stellglied ist vorteilhafterweise zusätzlich ein Dämpfungsregler vorgesehen, womit eine Regelgüte bezüglich einer Positionierung gewährleistet und das System bezüglich seiner Stabilität im dynamischen Verhalten möglichst robust ausgelegt werden kann.
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Für Kommunikationsleitungen zwischen dem Stellglied und dem elektrischen Antrieb können vorteilhafterweise herkömmliche Kommunikationsleitungen zwischen einem Stellglied und einem Proportionalventil eingesetzt werden. Bei den Kommunikationsleitungen handelt es sich beispielsweise um Analog-, Digital- oder Busleitungen. Bei einer Umrüstung einer konventionellen Presse durch die erfindungsgemäße Steuerung kann somit vorteilhafterweise auf die konventionelle Infrastruktur bezüglich der Kommunikationsleitungen zurückgegriffen werden.
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Fluidisch zwischen der hydraulischen Maschine und dem hydraulischen Verbraucher können überwachte Schaltventile zum Steuerung von Druckmittelströmungspfaden angeordnet sein. Vorzugsweise ist dann eine Sicherheitssteuerung vorgesehen, die die Schaltstellung der Schaltventile über diesen zugeordnete Überwachungseinrichtungen überwacht und bei bestimmten Schaltstellungen der Schaltventile eine Signalverbindung zwischen dem Stellglied und dem elektrischen Antrieb abschaltet. Dies führt zu einer Verbesserung der Sicherheit der elektrohydraulischen Steuerung.
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Des Weiteren kann der Sicherheitssteuerung das Messsignal des Wegaufnehmers für den Kolben des Hydrozylinders gemeldet werden, um bei bestimmten Werten des Messsignals die Signalverbindung zwischen dem Stellglied und dem elektrischen Antrieb abzuschalten. Hierdurch wird die Sicherheit der elektrohydraulischen Steuerung weiter erhöht.
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Im Folgenden wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einem hydraulischen Schaltbild und einem Blockschaltbild eine erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel und
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2 in einem Blockschaltbild die elektrohydraulische Steuerung gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Gemäß 1 ist eine elektrohydraulische Steuerung 1 für eine Presse 2 dargestellt. Bei dieser handelt es sich um eine Oberkolbenpresse oder um eine Abkantpresse. Eine Presskraft wird über zwei zueinander parallel angeordnete Hydrozylinder 4, 6 aufgebaut, bei denen es sich um Differentialzylinder mit einseitiger Kolbenstange 8 beziehungsweise 10 handelt. Die erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuerung 1 wird anhand des in der 1 linken Hydrozylinders 4 erläutert, wobei eine elektrohydraulische Steuerung für den rechten Hydrozylinder 6 entsprechend ausgebildet ist.
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Der Hydrozylinder
4 hat einen Zylinderraum
12 und einen Ringraum
14, die fluidisch über einen Ventilblock
16 mit einer drehzahlvariablen Hydropumpe
18 fluidisch verbindbar sind. In dem Ventilblock sind zur Steuerung der Druckmittelverbindung zwischen dem Hydrozylinder
4 und der Hydropumpe
18 vier Schaltventile
20 bis
26 angeordnet. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber wird auf eine genauere Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise des Ventilblocks
16 zusammen mit der Hydropumpe
18 und dem Hydrozylinder
4 an dieser Stelle verzichtet und auf den Eingangs erläuterten Stand der Technik
DE 10 2009 058 408 A1 verwiesen.
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Eine Schaltstellung der Schaltventile 20 bis 26 wird überwacht und an eine Sicherheitssteuerung 28 gemeldet, was durch zwei gepunktete Pfeillinien 30 und 32 verdeutlicht ist. Über die Sicherheitssteuerung 28 können die Schaltventile 20 bis 26 gesteuert werden, was durch die drei Pfeillinien 34, 36 und 38 in der 1 verdeutlicht ist. Die Hydropumpe 18 ist über einen elektrischen Antrieb 40 antreibbar, der mit der Hydropumpe 18 direkt über eine Kupplung 42 gekoppelt ist. Der elektrische Antrieb 40 ist über einen Frequenzumrichter 44 mit einer Maschinensteuerung 46 beziehungsweise einem Stellglied verbunden, die den elektrischen Antrieb 40 steuert. Der Frequenzumrichter 44 ist über Kommunikationsleitungen 48, bei denen es sich um analoge, digitale oder Busleitungen handeln kann, mit der Maschinensteuerung 46 verbunden. In der Kommunikationsleitung 48 ist ein elektrischer Schalter 50 vorgesehen zum Ein- und Ausschalten einer Verbindung zwischen der Maschinensteuerung 46 und dem Frequenzumrichter 44 beziehungsweise dem elektrischen Antrieb 40. Der Schalter 50 kann über die Sicherheitssteuerung 28 über eine Signalleitung 52 betätigt werden, beispielsweise wenn ein Schaltventil 20 bis 26 fehlerhaft schaltet. Ist die Kommunikationsleitung 48 aufgrund des Schalters 50 unterbrochen, so wird der elektrische Antrieb 40 ausgeschaltet.
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Die Sicherheitssteuerung 28 ist jeweils über eine Meldeleitung 54, 56 mit einem Wegaufnehmer 58 beziehungsweise 60 verbunden. Mit den Wegaufnehmern 58 und 60 ist ein Verschiebeweg und/oder eine Verschiebegeschwindigkeit der Kolben 8 beziehungsweise 10 der Hydrozylinder 4 beziehungsweise 6 bestimmbar und über die Meldeleitung 54 beziehungsweise 56 an die Sicherheitssteuerung 28 als Wert übertragbar. Diese gibt die Positionen der Kolben 8 beziehungsweise 10 an die Maschinensteuerung 46 über Signalleitungen 62 beziehungsweise 64 weiter.
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Bei der Maschinensteuerung 46 handelt es sich um eine herkömmliche für Proportionalventile einsetzbare Maschinensteuerung. Sollwerte, die bisher für Proportionalventile eingesetzt wurden, werden von der Maschinensteuerung 46 erfindungsgemäß zur Steuerung des elektrischen Antriebs 40 verwendet. Die Maschinensteuerung 46 bestimmt einen Drehzahlsollwert für den elektrischen Antrieb 40, bei dem es sich um einen Sollwert für ein Proportionalventil in Form eines Regelventils handelt und bisher als Sollwert beispielsweise für eine Stellung eines Ventilschiebers des Regelventils dient. Für den elektrischen Antrieb wird somit als Drehzahlsollwert der gleiche Sollwert wie für das Proportionalventil eingesetzt. Über die Drehzahl des elektrischen Antriebs 40, der dann die Hydropumpe 18 mit einer gleichen Drehzahl antreibt, wird die Größe des Druckmittelvolumenstroms zur Verstellung des Hydrozylinders 4 eingestellt. Je größer der Druckmittelvolumenstrom, desto größer die Drehzahl des elektrischen Antriebs 40. Der Drehzahlsollwert für den elektrischen Antrieb 40 wird über Werte der Wegaufnehmer, also Position und/oder Geschwindigkeit der Kolben 8 und 10 bestimmt. Die Werte der Wegaufnehmer 58 und 60 dienen somit als Ist-Werte für die Maschinensteuerung 46, die dann zusammen mit dem Drehzahlsollwert einen Stellwert für den elektrischen Antrieb 40 bestimmt.
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Um einen maximalen Druck im System einzustellen wurde im Stand der Technik ein steuerbares proportional verstellbares Druckbegrenzungsventil eingesetzt, das über die konventionelle Maschinensteuerung gesteuert wird. Ein Sollwert für den maximalen Druck des Proportionalventils aus dem Stand der Technik wird als Drehmomentsollwert für den elektrischen Antrieb 40 von der Maschinensteuerung 46 verwendet. Mit dem maximal möglichen Drehmoment des elektrischen Antriebs 40 wird ein maximal möglicher Druck bestimmt. Je höher ein maximaler Druck der elektrohydraulischen Steuerung 1 sein soll, desto höher ist das mögliche Drehmoment des elektrischen Antriebs 40. Eine Biegekraft der Presse 2 wird somit durch eine Begrenzung des Drehmoments des elektrischen Antriebs während einer Pressphase limitiert.
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In der Maschinensteuerung 46 ist noch ein Dämpfungsregler vorgesehen, um die Regelgüte bezüglich einer Positionierung zu gewährleisten und um das System bezüglich einer Stabilität im dynamischen Verhalten möglichst robust auszulegen.
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Durch die erfindungsgemäße elektrohydraulische Steuerung 1 können die gesamten Sicherheitsfunktionen einer konventionellen Presse beibehalten werden, wobei diese dann von Proportionalventilen auf Schaltventile mit einer Drehzahlvariablen Hydropumpe umgebaut werden kann, ohne in eine Sicherheitssteuerung einzugreifen, da die Maschinensteuerung beibehalten werden kann. Diese steuert somit anstelle von Proportionalventilen den elektrischen Antrieb 40 mit den gleichen Sollwerten.
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In der 2 ist die Maschinensteuerung 46 und die Sicherheitssteuerung 28 für beide Hydrozylinder 4 und 6 dargestellt. Die Maschinensteuerung 46 ist über die Kommunikationsleitung 48 entsprechend der 1 mit dem Frequenzumrichter 44 verbunden, an dem der elektrische Antrieb 40 angeschlossen ist, der die Hydropumpe 18 antreibt. Die Hydropumpe 18 ist über den Ventilblock 16 mit dem Zylinderraum 12 und dem Ringraum 14 des Hydrozylinders 4 verbunden. Der Schalter 50 ist entsprechend der 1 über die Signalleitung 52 der Sicherheitssteuerung 28 betätigbar. Von dem Ventilblock 16 der Schaltventile, von denen in der 2 zwei beispielhaft abgebildet sind, wird die Schaltstellung an die Sicherheitssteuerung 28 gemeldet, was durch die Pfeillinien 30 und 32 dargestellt ist. Die Sicherheitssteuerung 28 wiederum betätigt die Schaltventile des Ventilblocks 16, was durch die Pfeillinien 34 bis 38 verdeutlicht ist. Zum Steuern des in der 2 oberen Hydrozylinders 6 ist die Maschinensteuerung 46 über eine Kommunikationsleitung 66 mit einem weiteren Frequenzumrichter 68 verbunden, an den ein elektrischer Antrieb 70 zum Antreiben einer Hydropumpe 72 angeschlossen ist. Die Hydropumpe 72 ist über einen weiteren Ventilblock 74, der Schaltventile aufweist, mit einem Zylinderraum 76 und einem Ringraum 78 des Hydrozylinders 6 verbunden. In der Kommunikationsleitung 66 ist ebenfalls ein Schalter 80 vorgesehen, der über eine Signalleitung 82 von der Sicherheitssteuerung 28 betätigbar ist. Die Sicherheitssteuerung 28 kommuniziert mit den Schaltventilen des Ventilblocks 24 entsprechend wie mit dem Ventilblock 16.
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Die Wegaufnehmer 58 und 60 sind, siehe auch 1, über Meldeleitungen 54 beziehungsweise 56 mit der Sicherheitssteuerung 28 verbunden. Eine jeweilige Meldeleitung 54 und 56 ist dabei an zwei CPU's 84 und 86 der Sicherheitssteuerung 28 angeschlossen und über die Signalleitung 62 beziehungsweise 64 mit der Maschinensteuerung 46 verbunden. Durch die zwei CPU's ist die Sicherheitssteuerung 28 redundant ausgestaltet, wodurch beim Ausfall einer CPU 84, 86 die gemeldeten Werte der Wegaufnehmer 58 und 60 durch die nicht ausgefallene CPU weiter verarbeitet werden können, was die Sicherheit der elektrohydraulischen Steuerung 1 deutlich erhöht.
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Durch den Einsatz der Sicherheitssteuerung 28 in Kombination mit den Wegaufnehmer 58 und 60 kann sowohl eine maximale Biegegeschwindigkeit der Presse sicher begrenzt und eine sichere Drehmomentenfreischaltung erreicht werden. Dabei ersetzt die Sicherheitsfunktion „sichere maximale Geschwindigkeit" die beim konventionellen System durch konstante Schluckvolumen der Hydropumpe und fester Motordrehzahl gegebene obere Grenze bezüglich des Volumenstroms. Die Sicherheitsfunktion „sicherer Halt” gewährleistet die Momentenfreischaltung der Antriebe im Stillstand und verhindert den Druckaufbau, was in konventionellen Systemen durch das Ansteuersignal der proportional verstellbaren Druckbegrenzungsventile abgesichert ist. Durch den Einsatz der Sicherheitssteuerung 28 innerhalb der Antriebe werden die im Bereich der Pressen, insbesondere der Abkantpressen, gültigen Sicherheitsnormen erfüllt.
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Offenbart ist eine elektrohydraulische Steuerung für eine elektrohydraulische Achse, welche zumindest einen hydraulischen Verbraucher umfasst. Hierbei ist eine drehzahlvariable hydraulische Maschine, insbesondere eine Hydropumpe, zum Steuern des hydraulischen Verbrauchers vorgesehen. Die hydraulische Maschine wird über einen elektrischen Antrieb angetrieben, der mit dieser gekoppelt ist. Der elektrische Antrieb hat ein Stellglied zur Verstellung seiner Drehzahl und seines Drehmoments. Das Stellglied steuert den elektrischen Antrieb entsprechend einem Proportionalventil.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrohydraulische Steuerung
- 2
- Presse
- 4
- Hydrozylinder
- 6
- Hydrozylinder
- 8
- Kolben
- 10
- Kolben
- 12
- Zylinderraum
- 14
- Ringraum
- 16
- Ventilblock
- 18
- Hydropumpe
- 20
- Schaltventil
- 22
- Schaltventil
- 24
- Schaltventil
- 26
- Schaltventil
- 28
- Sicherheitssteuerung
- 30
- Pfeillinie
- 32
- Pfeillinie
- 34
- Pfeillinie
- 36
- Pfeillinie
- 38
- Pfeillinie
- 40
- elektrischer Antrieb
- 42
- Kupplung
- 44
- Frequenzumrichter
- 46
- Maschinensteuerung
- 48
- Kommunikationsleitung
- 50
- Schalter
- 52
- Signalleitung
- 54
- Meldeleitung
- 56
- Meldeleitung
- 58
- Wegaufnehmer
- 60
- Wegaufnehmer
- 62
- Signalleitung
- 64
- Signalleitung
- 66
- Kommunikationsleitung
- 68
- Frequenzumrichter
- 70
- elektrischer Antrieb
- 72
- Hydropumpe
- 74
- Ventilblock
- 76
- Zylinderraum
- 78
- Ringraum
- 80
- Schalter
- 82
- Signalleitung
- 84
- CPU
- 86
- CPU
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10329067 A1 [0005]
- DE 102009058408 A1 [0007, 0008, 0025]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 12622:2001 [0002]
- DIN EN 12622:2001 [0006]
