DE102018120001A1

DE102018120001A1 - Digitales Pumpenachsensteuerungssystem

Info

Publication number: DE102018120001A1
Application number: DE102018120001.3A
Authority: DE
Inventors: Giorgio Maria Consonni; Riccardo Matteo Prencipe
Original assignee: Moog Italiana SRL
Current assignee: Moog Italiana SRL
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-20
Also published as: EP3837398A1; WO2020035391A1; EP3837398B1; DE19752487T1; US20210317848A1

Abstract

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das digitale Pumpenachsensteuerungssystem eine Schaltung, die zumindest teilweise offen ist. Die Schaltung umfasst: einen Elektromotor, der eine erste und eine zweite hydraulische Maschine antreibt, wobei die erste und die zweite hydraulische Maschine drehfest miteinander verbunden sind; und mindestens einen Zylinder mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer des Zylinders durch eine erste Rohrleitung mit der ersten hydraulischen Maschine und die zweite Kammer des Zylinders durch eine zweite Rohrleitung mit der zweiten hydraulischen Maschine verbunden ist. Nach dieser Ausführungsform umfasst das System ferner ein erstes Ventil, das in der ersten Rohrleitung angeordnet ist; ein zweites Ventil, das in der zweiten Rohrleitung angeordnet ist; ein drittes Ventil, das in einer dritten Rohrleitung angeordnet ist, wobei die dritte Rohrleitung einen Abschnitt der ersten Rohrleitung, der zwischen der ersten hydraulischen Maschine und dem ersten Ventil angeordnet ist, und einen Abschnitt der zweiten Rohrleitung, der zwischen der zweiten hydraulischen Maschine und dem zweiten Ventil angeordnet ist, verbindet; es umfasst ferner einen offenen Tank, der den Einlässen der ersten und zweiten hydraulischen Maschinen das Hydraulikfluid zuführt. Das digitale Pumpensystem dieser bevorzugten Ausführungsform ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite hydraulische Maschine digitale variable Verdrängungspumpen sind, die jeweils eine positive und eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein digitales Pumpensystem, insbesondere auf ein digitales Pumpenachsensteuerungssystem.
Pumpenachsensteuerungssysteme sind im Stand der Technik sehr bekannt und werden meist zur Steuerung von Tiefziehmaschinen, Spritzgießmaschinen und allgemeinen Pressmaschinen verwendet. Jedoch sind ihre Verwendungen nicht auf diese Maschinentypen beschränkt und können für alle Maschinen verwendet werden, in denen ein Pumpensystem notwendig ist.
Eines der Hauptprobleme bei Pumpensteuerungssystemen und allgemein in elektrohydrostatischen Antriebseinheiten ist die große Energiemenge, die für einen Arbeitszyklus der Maschine benötigt wird. Leider erfordern viele Systeme aufgrund eines kontinuierlichen Energieverlusts in verschiedenen Stufen des Arbeitsprozesses auch mehr Energie.
Es ist daher die Aufgabe der folgenden Erfindung, ein Pumpenachsensteuerungssystem bereit zu stellen, das die erforderliche Energie für einen solchen Prozess nicht nur teilweise verringert, sondern auch teilweise wiedergewinnt und den unnötigen Verlust von Energie in einem Arbeitsprozess teilweise reduziert.
Die Aufgabe wird durch ein Pumpenachsensteuerungssystem wie im Anspruch 1 beschrieben zumindest teilweise gelöst. Die verschiedenen Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 13 spezifiziert. Ein Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems ist in den Ansprüchen 14 bis 20 spezifiziert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das digitale Pumpenachsensteuerungssystem eine Schaltung, die zumindest teilweise offen ist. Die Schaltung umfasst: einen Elektromotor, der eine erste und eine zweite hydraulische Maschine antreibt, wobei die erste und die zweite hydraulische Maschine drehfest miteinander verbunden sind; mindestens einen Zylinder mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer des Zylinders durch eine erste Rohrleitung mit der ersten hydraulischen Maschine und die zweite Kammer des Zylinders durch eine zweite Rohrleitung mit der zweiten hydraulischen Maschine verbunden ist. Nach dieser Ausführungsform umfasst das System ferner ein erstes Ventil, das in der ersten Rohrleitung angeordnet ist; ein zweites Ventil, das in der zweiten Rohrleitung angeordnet ist; ein drittes Ventil, das in einer dritten Rohrleitung angeordnet ist, wobei die dritte Rohrleitung mit einem Abschnitt der ersten Rohrleitung zwischen der ersten hydraulischen Maschine und dem ersten Ventil mit einem Abschnitt der zweiten Rohrleitung zwischen der zweiten hydraulischen Maschine und dem zweiten Ventil verbindet; die Ausführungsform umfasst ferner einen offenen Tank, der zu den Einlässen der ersten und der zweiten hydraulischen Maschine Hydraulikflüssigkeit zuführt. Das digitale Pumpensystem dieser bevorzugten Ausführungsform ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite hydraulische Maschine digitale variable Verdrängungspumpen sind, die jeweils eine positive und eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid erzeugen.
Gemäß der obigen Ausführungsform umfasst das System einen Elektromotor, der eine erste und eine zweite hydraulische Maschine antreibt. Diese hydraulischen Maschinen werden verwendet, um eine Verdrängung von Hydraulikfluid durch das System bereitzustellen und entsprechend der Ausführungsform sind sie drehfest miteinander verbunden, das heißt sie drehen sich in der gleichen Richtung.
Die durch die hydraulischen Maschinen bereitgestellte Flüssigkeitsverdrängung führt zu einer Bewegung der Stange im Zylinder. Der Zylinder weist zwei Kammern auf, wobei eine Kammer, die erste, über eine Rohrleitung mit der ersten hydraulischen Maschine und die zweite Kammer mit der zweiten hydraulischen Maschine über eine zweite Rohrleitung verbunden ist.
Die Ausdrücke „positive Verdrängung“ und „negative Verdrängung“ von Hydraulikfluid sind hierin definiert als eine Bewegung von Hydraulikfluid, das durch die hydraulischen Maschinen in Richtung des Zylinders erzeugt wird, und einer Bewegung von Hydraulikfluid, das von den hydraulischen Maschinen weg von dem Zylinder erzeugt wird. Bei einigen Fällen wird es auch als ein Pressen des Hydraulikfluids von der hydraulischen Maschinen und ein Ansaugen des hydraulischen Fluids von der hydraulischen Maschine beschrieben, jedoch wird diese Definition nur dann verwendet, wenn es klar ist, von wo und in was für eine hydraulische Maschine das Saugen und Pressen des Hydraulikfluids erfolgt.
Kennzeichnend für diese Ausführungsform ist die Tatsache, dass die erste und die zweite hydraulische Maschine sowohl digitale variable Verdrängungspumpen sind, die unabhängig voneinander eine positive und negative Verdrängung erzeugen können, (selbst wenn sie drehfest miteinander verbunden sind).
Von nun an werden die Begriffe „digitale variable Verdrängungspumpe“ und „Pumpe“ austauschbar verwendet.
Gemäß der Erfindung sind die zwei digitalen variablen Verdrängungspumpen drehfest miteinander verbunden. Sie können sowohl eine positive als auch eine negative Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit bereitstellen. Durch unterschiedliche Schalterstellungen der Ventile im System können somit verschiedene Arbeitszyklen des Zylinders, d. h. hohe Drehzahl oder Kraftgeschwindigkeit, in Abhängigkeit von der Aktion, die ein am Zylinder befestigtes Werkzeug erreichen muss, realisiert werden. Die drehfeste Verbindung der Verdrängungspumpen erfolgt vorteilhafterweise als eine Kraft, die eine der Pumpen in eine Drehrichtung drückt, was zu einer Drehung der anderen Pumpe führt. Der Elektromotor ist daher ein Energiegenerator, durch den ein Teil der Rotationsenergie eingespart oder zumindest wiederverwendet werden kann. In der Beschreibung werden diese Aspekte nachstehend detaillierter beschrieben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform stellen die digitalen variablen Verdrängungspumpen eine unabhängige oder abgestimmte Verdrängung von Hydraulikfluid bereit. Diese Freiheitsgrade bei der Art der Verdrängung, die jede Pumpe unabhängig voneinander erzeugen kann, garantiert eine bessere Einstellung der verschiedenen Arbeitszyklen der Presse, was zu einem besseren Energiemanagement führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die digitalen variablen Verdrängungspumpen ein unterschiedliches Volumen an Hydraulikfluid und/oder Hydraulikfluid mit unterschiedlichem Druck bereitstellen. Diese Ausführungsform fügt noch einen weiteren Freiheitsgrad hinzu, der garantiert, dass, obwohl die Pumpen drehfest verriegelt sind, sie jeweils unabhängig voneinander arbeiten können.
Die zwei digitalen variablen Verdrängungspumpen sind unabhängig voneinander und können daher unterschiedliche Volumina und unterschiedliche Drücke des Hydraulikfluids in unterschiedliche Richtungen bereitstellen, ungeachtet der Tatsache, dass sie drehfest miteinander verbunden sind.
Mit dem Begriff „gleiche Verdrängung“ ist daher gemeint, dass die Pumpen sowohl eine positive als auch eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid erzeugen. Das Volumen an Hydraulikfluid, das durch jede Pumpe verdrängt wird, ist jedoch nicht notwendigerweise das gleiche, und jede Pumpe kann einzeln eingestellt werden, um ein bestimmtes Volumen an Hydraulikfluid pro Sekunde zu verdrängen.
Bevorzugte Typen von digitalen variablen Verdrängungspumpen gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Axialkolbenpumpen, Schrägachsenpumpen, variable Verdrängungsflügelzellenpumpen, Radialkolbenpumpen oder ähnliche Arten von Pumpen.
Die digitalen variablen Verdrängungspumpen können auf verschiedene Weise arbeiten. Üblicherweise kann die Leistung einer variablen Verdrängungspumpe geändert werden, indem die Geometrie der Verdrängungskammer verändert wird, und insbesondere in Kolbenpumpen, indem der Winkel der Taumelscheibe durch Kippen verändert wird.
Bei invariablen Verdrängungsflügelzellenpumpen ist beispielsweise der Rotor nicht zentriert, und die Drehschieber sind nicht fixiert, sondern fahren sich aus und ziehen sich zusammen, wenn sich der Rotor dreht, was ermöglicht, dass die Pumpe den Druck des Fluids erhöht, indem es verdichtet wird, wenn sie das Fluid hindurchpresst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Zylinder ein Differentialzylinder mit einer Stangenkammer und einer Kolbenkammer. Dieser Zylindertyp ist besonders für ein Presssystem geeignet; jedoch, kann das System mit jedem erforderlichen Zylinder zusammen arbeiten, d. h. einem symmetrischen Zylinder, einem synchronisierten Zylinder, Teleskopzylinder und dergleichen.
Unter einem Differentialzylinder wird ein Zylinder verstanden, der mindestens zwei unterschiedliche Kammern mit unterschiedlichen Volumina aufweist. Die Stangenkammer ist definiert als die Kammer, in der die Stange am Kolben befestigt ist, während die Kolbenkammer die Kammer ist, in der sich der Kolbenkopf befindet. Alternativ kann eine Kolbenstange auf der Seite des Kolbens befestigt werden, jedoch muss sie einen kleineren Durchmesser aufweisen als die Stange auf der Stangenseite, damit der Zylinder als Differentialzylinder definiert wird. Das Werkzeug zum Pressen wird in der Regel an der größeren Stange angebracht.
Der Zylinder kann unabhängig von der Art des Zylinders nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in einem hohen Drehzahl- und/oder Kraftmodus betrieben werden.
In einem üblichen Arbeitstakt des Zylinders gibt es 4 Hauptphasen, die berücksichtigt werden müssen. Erstens muss der Zylinder schnell in Richtung des zu bearbeitenden Werkzeugs bewegt werden. Dies wird als „schnelles Herunterfahren“ bezeichnet und erfordert einen relativ geringen Druck des Hydraulikfluids, aber eine größere Volumenverdrängung.
Die zweite Phase ist die Phase, in der das Werkzeug bearbeitet wird. Dies ist die Phase, in der die meiste Festigkeit erforderlich ist, und wird daher als die „Kraftgeschwindigkeit“ des Zylinders definiert. In dieser Phase ist ein hoher Druck des Hydraulikfluids, aber wenig Volumen erforderlich.
In der dritten Phase findet eine Dekompression statt. Der während der vorherigen Phase erforderliche hohe Druck im System muss verringert werden, ohne eine Bewegung des Zylinders zu verursachen; dies wird durch Dekomprimieren des Hydraulikfluids im System erreicht.
Die vierte und letzte Phase ist die „schnelle Beschleunigung“, wobei der Zylinder von dem bearbeiteten Werkzeug schnell weggeschoben wird, beispielsweise für einen Werkzeugwechsel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Ventil an einer ersten Rohrleitung angeordnet, welche die erste Kammer des Zylinders mit der ersten hydraulischen Maschine verbindet. Das zweite Ventil ist an einer zweiten Rohrleitung angeordnet, welche die zweite Kammer des Zylinders mit der zweiten hydraulischen Maschine verbindet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind das erste und das zweite Ventil gesteuerte 2/2-Wege-Ventile mit einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand. Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform umfassen das erste und das zweite Ventil ferner eine Positionsüberwachungsvorrichtung, um die Sicherheitsmaßnahmen des Systems zu erhöhen und sicherzustellen, dass die Ventile korrekt geschaltet werden.
Das dritte Ventil ist auf einer dritten Rohrleitung angeordnet, welche die erste und die zweite Rohrleitung verbindet. Dieses dritte Ventil kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch ein 2/2-Wegeventil mit einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand sein. Eine Positionsüberwachungsvorrichtung an dem dritten Ventil kann auch in einigen weiteren Ausführungsformen angebracht werden.
Wie zuvor erwähnt, verbindet die dritte Rohrleitung die erste Rohrleitung mit der zweiten Rohrleitung. Durch Schalten des dritten Ventils ist es somit möglich, beide hydraulischen Maschinen gemeinsam auf der gleichen Kammer des Zylinders arbeiten zu lassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist ein weiterer Tank mit der zweiten Kammer des Zylinders durch ein viertes Ventil mit einem offenen und einem geschlossenen Zustand hydraulisch verbunden. Die Verwendung eines Tanks ist besonders vorteilhaft, sowohl in der Phase des schnellen Herunterfahrens als auch in der Phase der schnellen Beschleunigung, wie später detaillierter in der Beschreibung erläutert wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform und um Materialkosten für das System zu reduzieren, ist es möglich, dass der weitere Tank und der offene Tank ein einzelner Tank sind.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist ein gesteuertes Pilotventil zum Vorrüsten des vierten Ventils durch eine weitere Rohrleitung mit dem vierten Ventil verbunden. Das gesteuerte Pilotventil kann auf vielerlei Weise gesteuert werden, jedoch wird nach einer noch weiteren Ausführungsform eine Druckquelle mit dem gesteuerten Pilotventil verbunden, damit das Pilotventil durch das unter Druck stehende Hydraulikfluid aus der Druckquelle gesteuert wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen ist das Pilotventil ein gesteuertes 2/3-Wege-Ventil mit einem druckbeaufschlagten Zustand und einem drucklosen Zustand.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung einer der vielen Ausführungsformen des Systems, wie oben beschrieben, bereitzustellen.
Nach einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen, in denen der weitere Tank nicht vorhanden ist, wird eine nach unten gerichtete Bewegung des Zylinders durch Schalten des dritten Ventils auf „zu“, und durch Schalten des ersten und zweiten Ventils auf „offen“ erreicht. Ferner wird die erste digitale variable Verdrängungspumpe geschaltet, um eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen, und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe wird geschaltet, um eine positive Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen.
Durch Schließen des dritten Ventils werden gemäß diesem Verfahren die ersten und zweiten Rohrleitungen nicht miteinander verbunden, und die erste Pumpe arbeitet ausschließlich auf der ersten Kammer des Zylinders und die zweite Pumpe ausschließlich auf der zweiten Kammer des Zylinders.
Dadurch, dass die erste digitale variable Verdrängungspumpe eine negative Verdrängung bereitstellt und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe eine positive Verdrängung von Hydraulikfluid bereitstellt, wird eine Bewegung des Zylinders nach unten erreicht.
Genauer gesagt, wird das Fluid durch die erste digitale variable Verdrängungspumpe aus der ersten Kammer des Zylinders in den offenen Tank angesaugt, während das Hydraulikfluid aus dem offenen Tank durch die zweite digitale variable Verdrängungspumpe in die zweite Kammer des Zylinders angesaugt wird.
Dies bewirkt eine Bewegung des Zylinders nach unten, da der hohe Druck und das hohe Fluidvolumen in der zweiten Kammer die Stange des Zylinders nach unten drücken, während das Fluid aus der ersten Kammer des Zylinders durch die erste Pumpe in den offenen Tank freigegeben wird.
Da der hohe Druck in der zweiten Kammer des Zylinders den Zylinder nach unten drückt, muss das Hydraulikfluid in der ersten Kammer freigegeben werden. Das erste Ventil ist so eingestellt, dass es offen ist, und daher wird das Hydraulikfluid von der ersten Kammer des Zylinders durch die erste Rohrleitung und durch die erste Pumpe in den offenen Tank gepresst. Der Vorteil ist, dass daher von der erste Pumpe zum Erzeugen einer negativen Verdrängung aus der ersten Kammer in den offenen Tank weniger Energie benötigt wird. Die Fluidverdrängung aus der ersten Kammer des Zylinders bewirkt eine Drehbewegung der ersten Pumpe und erzeugt somit Energie. Positiv in dieser Ausführungsform ist, dass die Energie durch die Verdrängung von Hydraulikfluid nicht verloren geht, sondern entweder zur Unterstützung der Drehbewegung der Pumpe erneut verwendet, oder durch den Elektromotor zumindest teilweise eingespart und wieder in einigen anderen Verfahren erneut verwendet wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die nach oben gerichtete Bewegung des Zylinders durch Umschalten auf Schließen des dritten Ventils, und Umschalten zum Öffnen der ersten und zweiten Ventile erreicht; das Schalten der ersten digitalen variablen Verdrängungspumpe, um eine positive Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen und das Schalten der zweiten digitalen variablen Verdrängungspumpe, um eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen.
Mit der gleichen, aber entgegengesetzten Schlussfolgerung der obigen Ausführungsform wird ein Aufwärtsmoment des Zylinders erreicht. Die Energie, die durch die Drehbewegung der zweiten Pumpe erzeugt wird, kann wieder zum Bewegen der Pumpen wiederverwendet oder zumindest für eine weitere Anwendung gespeichert werden. Der Energieverbrauch wird daher minimiert.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems werden das erste, zweite und dritte Ventil offen geschaltet, und die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe werden geschaltet, um dieselbe Verdrängung von Hydraulikfluid zur zweiten Kammer des Zylinders zu liefern, so dass eine niedrige Kraft nach unten gerichtete Bewegung des Zylinders erreicht wird.
Ferner wirkt der Motor gemäß einer anderen Ausführungsform während einer Dekompressionsphase des Zylinders als ein Energiegenerator.
In einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens zur Verwendung eines digitalen Pumpensteuerungssystems in solchen Ausführungsformen des Systems, bei dem ein Tank an der Kolbenkammer des Zylinders angebracht ist, wird das zweite Ventil geschlossen, und das Pilotventil wird in einen drucklosen Zustand geschaltet, während das erste und dritte Ventil auf offen geschaltet werden. Des Weiteren sind die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe so geschaltet, dass sie die gleiche Verdrängung von Hydraulikfluid von der ersten Kammer des Zylinders zum offenen Tank bereitstellen, so dass der weitere Tank eine Verdrängung von Hydraulikfluid in die zweite Kammer bewirkt, um das Volumen des im System fehlenden Hydraulikfluids zu kompensieren.
In dieser Ausführungsform werden die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe so geschaltet, dass die gleiche Fluidverdrängung aus der ersten Kammer in den offenen Tank erfolgt, um eine Abwärtsbewegung des Zylinders zu erreichen. Diese Fluidverdrängung verursacht einen Zustand niedrigen Drucks in der zweiten Kammer. Dieser Unterdruck in der zweiten Kammer des Zylinders bewirkt, dass das vierte Ventil, das druckreguliert ist, öffnet und das Hydraulikfluid vom Tank in die zweite Kammer verdrängt wird.
Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, da bei zwei sich in die gleiche Richtung verdrängenden Pumpen eine schnellere Bewegung des Zylinders erreicht wird, wodurch die Zeitanforderungen an einen Prozesszyklus minimiert und folglich die allgemeinen Kosten minimiert werden.
Wie früher in der Anmeldung erwähnt, ist die Dekompressionsphase nach der Verarbeitung eines Werkzeugs für die geeignete und fehlerfreie Verwendung des Systems von grundlegender Wichtigkeit.
In einer noch weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das dritte Ventil geschlossen, und das Pilotventil wird in einen drucklosen Zustand geschaltet, wodurch das vierte Ventil geschlossen wird, während das erste und das zweite Ventil offen geschaltet werden. Diese Situation ist ähnlich den Ausführungsformen, bei denen der weitere Tank nicht im System vorhanden war (da das vierte Ventil geschlossen ist). Weiterhin erfolgt bei dieser Ausführungsform eine Dekompressionsphase des Zylinders, und die Verdrängung von Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer in den offenen Tank bewirkt eine Drehbewegung der zweiten digitalen variablen Verdrängungspumpe, durch die der Elektromotor als Energiegenerator wirkt.
Insbesondere tritt aufgrund der Dekompression eine Relaxation von Hydraulikfluid sowohl in den Zylinderkammern als auch in der Rohrleitung auf. Diese Entspannung bewirkt eine Verdrängung von Hydraulikfluid durch die Rohrleitungen, und durch die digitale variable Verdrängungspumpe wird eine Drehbewegung der Pumpe bewirkt. Diese Drehbewegung kann als Energie interpretiert werden, die der Motor erzeugt. Dies ist deutlich vorteilhaft, da es sich bei dieser Dekompressionsenergie sonst um verlorene Energie handeln würde, während sie bei dieser Ausführungsform durch den Elektromotor für einen anderen Prozess wiederverwendet oder zumindest gespeichert werden kann.
Folglich wird nach den verschiedenen Arbeitszyklen des Zylinders eine Ausführungsform mit einer Beschleunigungsbewegung des Zylinders bei hoher Drehzahl ebenfalls beschrieben. Insbesondere wird in einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens das Pilotventil in einen unter Druck stehenden Zustand geschaltet, wodurch das vierte Ventil geöffnet, und das erste und das dritte Ventile offen geschaltet und das zweite Ventil geschlossen werden. Weiterhin werden in dieser Ausführungsform die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe so geschaltet, dass sie die gleiche Verdrängung von Hydraulikfluid in Richtung der ersten Kammer des Zylinders bereitstellen, so dass der Zylinder bei hoher Drehzahl nach oben bewegt und das Hydraulikfluid in der zweiten Kammer des Zylinders in den Tank durch das offene vierte Ventil verdrängt wird.
Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da es den Tank mit einem Teil des Hydraulikfluids der zweiten Kammer „wieder auffüllt“. Wenn das zweite Ventil geschlossen ist, ist die Gewährleistung der Freisetzung von Hydraulikfluid wesentlich, wenn der Kolben nach oben geschoben wird. Dies wird durch Öffnen des vierten Ventils und Gewährleistung einer Verdrängung von Fluid aus der zweiten Kammer in den Tank erreicht.
Schließlich ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sowohl ein erfindungsgemäßes System als auch ein erfindungsgemäßes Verfahren für eine Pressmaschine, eine Tiefziehmaschine oder ähnliche Maschinen zu verwenden. Wie oben erwähnt, ist die Verwendung dieses Systems nicht auf Pressen beschränkt und kann bei beliebigen Verfahren, in denen eine Pumpe erforderlich ist, verwendet werden.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung von einer möglichen Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung und den Ansprüchen. Es wird darauf hingewiesen, dass Modifikationen oder Hinzufügungen, wie sie dem Fachmann unmittelbar abgeleitet werden, durch diese Beispiele abgedeckt werden. Weiterhin stellen die bevorzugten Ausführungsbeispiele keine Einschränkung der Erfindung dar, so dass auch Modifikationen und Ergänzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Die beigefügten Zeichnungen, die hierin aufgenommen sind und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, bestimmte Prinzipien der Erfindung zu erklären. In den Zeichnungen wird Folgendes gezeigt:

1 zeigt ein Pumpenachsensteuerungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a zeigt eine Schalteranordnung der Ventile für eine Abwärtsbewegung des Systems aus 1;
2b zeigt eine Schalteranordnung der Ventile für eine Aufwärtsbewegung des Systems aus 1;
3 zeigt ein Pumpenachsensteuerungssystem nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein weiterer Tank angeordnet ist;
4a zeigt eine Schaltanordnung der Ventile für eine Abwärtsbewegung des Systems aus 3;
4b zeigt eine Schaltanordnung der Ventile für eine Dekompressionsphase des Systems aus 3;
4c zeigt eine Schaltanordnung der Ventile für eine Aufwärtsbewegung des Systems aus 3.

Wie aus 1 ersichtlich ist, hat diese Ausführungsform von System 1 der vorliegenden Erfindung zwei digitale variable Verdrängungspumpen, genauer gesagt eine erste digitale variable Verdrängungspumpe 12 und eine zweite digitale variable Verdrängungspumpe 14. Die erste und die zweite Pumpe 12, 14 sind drehfest miteinander sowie mit einem Elektromotor 10 verbunden. Die Einlässe der beiden Pumpen 12 und 14 sind hydraulisch mit einem offenen Tank 50 verbunden, in dem entspanntes Hydraulikfluid verfügbar ist.
Ferner ist ein Zylinder 20, der in dieser Ausführungsform ein Differentialzylinder 20 mit einer ersten Kammer 22a, welche die Stangenkammer ist, und eine zweite Kammer 22b, welche die Kolbenkammer ist, im System 1 angeordnet.
Die erste Kammer 22a ist hydraulisch mit der ersten digitalen variablen Verdrängungspumpe 12 über eine erste Rohrleitung 32 über ein gesteuertes 2-Wege-Ventil 42 mit einer Positionsüberwachungsvorrichtung verbunden.
Die zweite Kammer 22b ist hydraulisch mit der zweiten digitalen variablen Verdrängungspumpe 14 über eine zweite Rohrleitung 34 über ein gesteuertes 2-Wegeventil 44 verbunden, das eine Positionsüberwachungsvorrichtung aufweist.
Zwischen dem ersten Ventil 42 und der ersten Pumpe 12 und zwischen dem zweiten Ventil 44 und der zweiten Pumpe 14 verbindet eine dritte Rohrleitung 36 die erste Rohrleitung 32 mit der zweiten Rohrleitung 34 und läuft über ein drittes gesteuertes 2-Wege-Ventil 46.
In der Figur sind alle Ventile in eine geschlossene Stellung geschaltet. Dies ist ein Zustand, der nahezu nie auftritt, aber hier verwendet wurde, um nur die Anordnung der verschiedenen Komponenten zu beschreiben. In der nächsten Figuren werden verschiedene Schaltstellungen der Ventile und die Folge dieser Schalteranordnungen im Detail beschrieben.
2a zeigt die Einstellung der Ventile von System 1 aus 1, die erforderlich sind, um eine Abwärtsbewegung des Zylinders 20 zu erreichen. Es werden für dieselben Objekte die gleichen Bezugsnummern verwendet, wie in 1.
Wie zu erkennen ist, wird das dritte Ventil 46 geschlossen, so dass die erste digitale variable Verdrängungspumpe 12 nur auf der ersten Kammer 22a des Zylinders 20 arbeitet, während die zweite digitale variable Verdrängungspumpe 14 nur auf der zweiten Kammer 22b des Differentialzylinders 20 arbeitet.
Selbst wenn die beiden Pumpen in dieser Ausführungsform drehfest mit einander verbunden sind, ist die Verdrängung von Hydraulikfluid durch die Pumpen unterschiedlich. Die erste Pumpe 12 liefert eine negative Verdrängung, die das Hydraulikfluid aus der ersten Kammer 22a des Differentialzylinders 20 zieht und es in den offenen Tank 50 freigibt.
Die zweite digitale variable Verdrängungspumpe 14 saugt stattdessen das Hydraulikfluid aus dem offenen Tank 50 an und drückt es mit einer positiven Verdrängung in die zweite Kammer 22b des Differentialzylinders 20, wodurch eine Abwärtsbewegung des Kolbens erzeugt wird, wie dem gestrichelten Pfeil in der Figur entnommen werden kann.
2b zeigt die Einstellung der Ventile des Systems 1 aus 1, die erforderlich ist, um eine Aufwärtsbewegung des Zylinders 20 zu erreichen. Gleiche Bezugszeichen werden für dasselbe Objekt wie in 1 verwendet.
Die Ausführungsform ist ähnlich der von 2a, und die Ventile haben die gleichen Einstellungen wie zuvor. Der Unterschied ist, dass die erste digitale variable Verdrängungspumpe 12 eine positive Verdrängung von Hydraulikfluid aus dem offenen Tank 50 in die erste Kammer 22a des Differentialzylinders 20 bereitstellt, während die zweite digitale variable Verdrängungspumpe 14 eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 22b in den offenen Tank 50 bereitstellt. Daher wird eine nach oben gerichtete Bewegung des Zylinders 20 erreicht.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Systems 1, bei der die erste Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, mit einem weiteren Tank 50 implementiert worden ist. Es werden für dieselben Objekte die gleichen Bezugsnummern verwendet, wie in 1.
Insbesondere ist ein Tank 50 hydraulisch mit der zweiten Kammer 22b des Differentialzylinders 20 durch ein viertes Ventil 51 verbunden, genauer gesagt mit einem druckgesteuerten Rückschlagventil 51.
Eine weitere Rohrleitung 53 verbindet das vierte Ventil 51 mit einem Druckgenerator über ein Pilotventil 52 mit einer druckbeaufschlagten und einer drucklosen Einstellung. Wenn das Pilotventil mit Druck beaufschlagt wird, wird das unter Druck stehendes Fluid in Richtung des vierten Ventils 51 verdrängt und öffnet es.
In der Figur sind alle Ventile in eine geschlossene Stellung geschaltet. Dies ist ein Zustand, der nahezu nie auftritt, aber hier verwendet wurde, um nur die Anordnung der verschiedenen Komponenten zu beschreiben. In der nächsten Figuren werden verschiedene Schaltstellung der Ventile und die Folge dieser Schalteranordnungen im Detail beschrieben.
4a zeigt eine Ventilschalteranordnung, in der der Zylinder 20 nach unten bewegt werden kann. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, sind das erste und das dritte Ventil 42 und 46 auf offen geschaltet wurden, während das zweite Ventil 44 auf geschlossen geschaltet und das Pilotventil 52 drucklos ist.
Sowohl die erste als auch die zweite digitale variable Verdrängungspumpe 12 und 14 arbeiten parallel und sorgen für eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid. Bei dieser Anordnung arbeitet die zweite digitale variable Verdrängungspumpe 14, die üblicherweise auf der zweiten Kammer 22b des Zylinders 20 arbeitet, zusammen mit der ersten digitalen variablen Verdrängungspumpe 12 auf der ersten Kammer 22a des Differentialzylinders 20.
Daher wird das Hydraulikfluid schnell und stark von der ersten Kammer 22a durch die Rohrleitung 32 und die Rohrleitung 36 und durch die zwei Pumpen 12, 14 in den offenen Tank 50 angesaugt.
Um ein Druckgleichgewicht zu haben, muss das Hydraulikfluid gleichzeitig in die Kammer 22b eintreten. In der Tat wird der Druck der Kammer 22b verringert, mit der Folge, dass sich das vierte Ventil 51 öffnet, und das Hydraulikfluid aus dem Tank 50b in die zweite Kammer 22b des Differentialzylinders 20 fließt.
4b zeigt die Ausführungsform des Systems 1, gemäß 3 in einer Dekompressionsphase.
Diese Phase beginnt, nachdem das System in der Kraftgeschwindigkeit gefahren, und das Werkzeug bearbeitet wurde. Vor der Dekompression ist der Druck des Hydraulikfluids in der zweiten Kammer 22b des Zylinders 20 sehr hoch. Bevor der Zylinder 20 wieder nach oben gedrückt werden kann, muss eine Dekompression des Hydraulikfluids in der zweiten Kammer 22b des Zylinders 20 auftreten.
Die Dekompression wird durch Schließen sowohl des dritten als auch des vierten Ventils 46 und 51 und beim Öffnen sowohl des ersten als auch des zweiten Ventils 42 und 44, ohne Aktivierung der zweiten Pumpe 14 erreicht.
Aufgrund des hohen Drucks in der zweiten Kammer 22b des Zylinders 20 bewirkt das Öffnen des zweiten Ventils eine Verdrängung von Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 22b durch die zweite Rohrleitung 34 und durch die Pumpe 14 in den offenen Tank 50. Dies verursacht eine Drehbewegung der Pumpe 14, die Energie erzeugt, die gleichzeitig als Hilfe zum Betreiben der ersten Pumpe 12 verwendet werden kann, die aktiv eine positive Verdrängung in die erste Kammer 22a bereitstellt. Alternativ kann die Energie auch gespeichert und für weitere Prozesse wiederverwendet werden.
Diese Ausführungsform ist äußerst vorteilhaft, da die durch die Drehbewegung der inaktiven Pumpe 14 erzeugte Energie nicht verloren geht, sondern für die Bewegung der ersten Pumpe 12 wiederverwendet wird.
Nach der Dekompression kann eine Bewegung des Zylinders in der Aufwärtsrichtung, wie in 4c gezeigt, erreicht werden.
In dieser Ausführungsform ist das zweite Ventil 44 geschlossen. Das erste und das dritte Ventil 42, 46 sind offen, so dass sowohl die erste 12 als auch die zweite 14 digital variable Verdrängungspumpe gemeinsam und parallel zusammen auf der ersten Kammer 22a für den Zylinder 20 arbeiten können.
Die beiden Pumpen saugen Hydraulikfluid aus dem offenen Tank 50 an und verdrängen es in die erste Kammer 22a des Zylinders 20. Der Kolben wird nach oben gedrückt, und folglich muss das Hydraulikfluid in der zweiten Kammer 22b des Zylinders freigegeben oder der Druck wird so hoch, dass es zu einem Ausfall des Systems sowie zu schweren Schäden kommen kann. Dafür wird das Ventil 52 unter Druck gesetzt, so dass das unter Druck stehende Fluid durch die Rohrleitung 53 fließt und bewirkt, dass sich das vierte Ventil 51 öffnet.
Auf diese Weise kann, wenn der Kolben nach oben gedrückt wird, das Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer 22b des Zylinders 20 in den Tank 50b entweichen. Auf diese Weise wird der Tank 50b wieder gefüllt, und das enthaltene Hydraulikfluid kann in einer weiteren Phase wieder verwendet werden.

1: digitales Pumpenachsensteuerungssystem
10: Elektromotor
12: erste digitale variable Verdrängungspumpe
14: zweite digitale variable Verdrängungspumpe
20: Zylinder
22a: erste Kammer des Zylinders
22b: zweite Kammer des Zylinders
32: erste Rohrleitung
34: zweite Rohrleitung
36: dritte Rohrleitung
42: erstes gesteuertes 2-Wege-Ventil
44: zweites gesteuertes 2-Wege-Ventil
46: drittes gesteuertes 2-Wege-Ventil
50: offener Tank
50b: Tank
51: druckgesteuertes Rückschlagventil
52: gesteuertes 3-Wege-Ventil
53: Rohrleitung
60: Druckquelle

Claims

Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) mit einer zumindest teilweise offenen Schaltung, umfassend: einen Elektromotor (10), der eine erste und eine zweite hydraulische Maschine (12, 14) antreibt, wobei die ersten und zweiten hydraulischen Maschinen (12, 14) drehfest miteinander verbunden sind; mindestens einen Zylinder (20) mit einer ersten Kammer (22a) und einer zweiten Kammer (22b), wobei die erste Kammer (22a) des Zylinders (20) über eine erste Rohrleitung (32) mit der ersten hydraulischen Maschine (12) und die zweite Kammer (22b) des Zylinders (20) über eine zweite Rohrleitung (34) mit der zweiten hydraulischen Maschine (14) verbunden ist; ein erstes Ventil (42), das in der ersten Rohrleitung (32) angeordnet ist; ein zweites Ventil (44), das in der zweiten Rohrleitung (34) angeordnet ist; ein drittes Ventil (46), das in einer dritten Rohrleitung (36) angeordnet ist, wobei die dritte Rohrleitung (36) einen Abschnitt der ersten Rohrleitung (32). der zwischen der ersten hydraulischen Maschine (12) und dem ersten Ventil (42) angeordnet ist, und einen Abschnitt der zweiten Rohrleitung (34), der zwischen der zweiten hydraulischen Maschine (14) und dem zweiten Ventil (44) angeordnet ist, verbindet; und einen offenen Tank (50) zum Liefern von Hydraulikfluid an Einlässe der ersten und zweiten hydraulischen Maschinen (12, 14), dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten hydraulischen Maschine (12, 14) digitale variable Verdrängungspumpen sind, die jeweils eine positive und eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid bereitstellen.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach Anspruch 1, wobei die digitalen variablen Verdrängungspumpen (12, 14) eine unabhängige oder koordinierte Verdrängung von Hydraulikfluid bereitstellen.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die digitalen variablen Verdrängungspumpen (12, 14) ein unterschiedliches Volumen an Hydraulikfluid und/oder Hydraulikfluid mit unterschiedlichem Druck in das System (1) liefern.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die digitalen variablen Verdrängungspumpen (12, 14) Axialkolbenpumpen, Schrägachsenpumpen, variable Verdrängungsflügelzellenpumpen, Radialkolbenpumpen oder dergleichen sind.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zylinder (20) ein Differentialzylinder (20) ist, insbesondere ein Differentialzylinder (20) mit einer Stangenkammer (22a) und einer Kolbenkammer (22a).
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zylinder (20) mit hoher Drehzahl und/oder mit Kraftgeschwindigkeit betreibbar ist.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Ventil (42, 44) gesteuerte 2/2-Wege-Ventile mit einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand sind.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste und das zweite Ventil (42, 44) ferner eine Positionsüberwachungsvorrichtung umfassen.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das dritte Ventil ein gesteuertes 2/2-Wege-Ventil mit einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand ist.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Tank (50b) über ein viertes Ventil (51) mit einem offenen und einem geschlossenen Zustand hydraulisch mit der zweiten Kammer (22b) des Zylinders (20) verbunden ist.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach Anspruch 10, wobei ein gesteuertes Pilotventil (52) zum Öffnen des vierten Ventils (51) über eine weitere Rohrleitung (53) mit dem vierten Ventil (51) verbunden ist.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach Anspruch 11, wobei ein Druckgenerator mit dem gesteuerten Pilotventil (52) verbunden ist, um das Pilotventil (52) durch druckbeaufschlagtes Hydraulikfluid zu steuern, das von einer Druckquelle (60) kommt.
Digitales Pumpenachsensteuerungssystem (1) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Pilotventil (52) ein gesteuertes 2/3-Wege-Ventil mit einem Druckbeaufschlagungszustand und einem Druckverringerungszustand ist.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: das dritte Ventil (46) zum Schließen geschaltet ist, und das erste und das zweite Ventil (42, 44) zum Öffnen geschaltet sind; die erste digitale variable Verdrängungspumpe (12) geschaltet ist, um eine positive Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen, und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe (14) geschaltet ist, um eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen, sodass eine Aufwärtsbewegung des Zylinders erreicht wird.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: das dritte Ventil (46) zum Schließen geschaltet ist, und die erste digitale variable Verdrängungspumpe (12) geschaltet ist, um eine negative Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen, und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe (14) geschaltet ist, um eine positive Verdrängung von Hydraulikfluid bereitzustellen, sodass eine Abwärtsbewegung des Zylinders erreicht wird.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei: das erste, zweite und dritte Ventil (42,44,46) offen geschaltet sind, und die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe (12, 14) so geschaltet sind, dass sie dieselbe Verdrängung von Hydraulikfluid zur zweiten Kammer (22b) des Zylinders (20) bereitstellen, sodass eine geringe Kraftabwärtsbewegung des Zylinders (20) erreicht wird.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Motor (10) während einer Dekompressionsphase des Zylinders (20) als Energiegenerator fungiert.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach Anspruch 12 oder 13, wobei: das zweite Ventil (44) geschlossen geschaltet und das Pilotventil (52) in den Druckverringerungszustand geschaltet sind, und das erste und das dritte Ventil (42, 46) offen geschaltet sind, und die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe (12, 14) so geschaltet sind, dass sie dieselbe Verdrängung von Hydraulikfluid aus der ersten Kammer (22a) des Zylinders (20) zu dem offenen Tank (50) bereitstellen, sodass der Tank (50b) eine Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit in die zweite Kammer (22a) bewirkt, um das Volumen an Hydraulikfluid im System (1) zu kompensieren.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach Anspruch 12 oder 13, wobei: das dritte Ventil (46) geschlossen geschaltet und das Pilotventil (52) in einen drucklosen Zustand geschaltet sind, so dass das vierte Ventil (51) geschlossen ist; das erste und das zweite Ventil(42, 44) offen geschaltet sind; sodass eine Dekompressionsphase des Zylinders (20) erfolgt und eine Verdrängung von Hydraulikfluid aus der zweiten Kammer (22b) zu dem offenen Tank (50) eine Drehbewegung der zweiten digitalen variablen Verdrängungspumpe (14), durch welche der Motor (10) als Energiegenerator fungiert, bewirkt wird.
Verfahren zur Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems nach Anspruch 12 oder 13, wobei: das Pilotventil (52) in den druckbeaufschlagten Zustand geschaltet ist, wobei das vierte Ventil (51) geöffnet wird, und das erste und das dritte Ventil (42, 46) geöffnet geschaltet und das zweite Ventil (44) geschlossen geschaltet sind; und die erste und die zweite digitale variable Verdrängungspumpe (12, 14) so geschaltet sind, dass sie dieselbe Verdrängung von Hydraulikfluid zur ersten Kammer (22a) des Zylinders (20) erzeugen, sodass der Zylinder eine Aufwärtsbewegung bei hoher Drehzahl ausführt und das Hydraulikfluid in der zweiten Kammer (22b) des Zylinders (20) durch das offene vierte Ventil (51) in den Tank (50b) verdrängt wird.
Verwendung des digitalen Pumpenachsensteuerungssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gemäß dem Verfahren der Ansprüche 14 bis 20, für eine Bügelmaschine, eine Tiefziehmaschine oder ähnliche Maschinen.