DE102018202060A1

DE102018202060A1 - Hydrostatische Anordnung

Info

Publication number: DE102018202060A1
Application number: DE102018202060.4A
Authority: DE
Inventors: Patric Bücker; Markus Kopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2019-08-14

Abstract

Offenbart ist eine hydrostatische Anordnung mit einem hydrostatischen Verbraucher mit einem hydrostatischen Druckraum, und mit einer Hydromaschine, die zur Druckmittelversorgung des Verbrauchers mit dem Druckraum fluidisch verbindbar, insbesondere verbunden ist, wobei die Hydromaschine von einer elektromotorischen Antriebsmaschine der Anordnung antreibbar ist und einen elektronisch ansteuerbaren Stellantrieb und ein darüber verstellbares Verdrängungsvolumen hat.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydrostatische Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine gattungsgemäße hydrostatische Anordnung zeigt beispielsweise die Druckschrift WO 2008 095 525 A1 . Sie hat einen hydrostatischen Verbraucher mit einem hydrostatischen Arbeitsraum. Des Weiteren hat sie eine Hydromaschine, die zur Druckmittelversorgung des Verbrauchers mit dem Arbeitsraum fluidisch verbunden ist. Dabei kann die Hydromaschine drehzahlvariabel angetrieben werden und hat ein verstellbares Verdrängungsvolumen mit einem elektronisch ansteuerbaren, beispielsweise elektromotorischen Stellantrieb. Der Verbraucher ist ein doppeltwirkender Hydrozylinder mit entgegenwirkenden Druck- oder Arbeitsräumen, der als Antrieb einer Presse oder Spritzmaschine Verwendung findet. Ein Hauptregelkreis der Anordnung mit einem Regler und einem unterlagerten Regler regelt im Eilgang des Verbrauchers dessen Position und /oder Geschwindigkeit und im Arbeitsgang des Verbrauchers den Druck im Druckraum. Beides erfolgt durch Drehzahlverstellung der Antriebsmaschine. Ein Nebenregelkreis ist dem Stellantrieb aufgeschaltet und bewirkt je nach Ausgestaltung entweder eine druckabhängige Zweipunktschaltung des Verdrängungsvolumens der Hydropumpe zwischen dessen Minimal- und Maximalwert oder eine Druckregelung im Druckraum. Der Regler des Hauptregelkreises und der Regler des Nebenregekreises erhalten dabei Sollwerte für die Position / Geschwindigkeit und den Druck von einer Ablaufsteuerung der Anordnung.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass das Verdrängungsvolumen nur rudimentär auf zwei Extremwerte (Zweipunktregelung) regelbar ist.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hydrostatische Anordnung mit differenzierterer Regelung des Verdrängungsvolumens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine hydrostatische Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung sind in den Patentansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
Eine hydrostatische Anordnung hat einen hydrostatischen Verbraucher, der wenigstens einen hydrostatischen Druckraum hat, und sie hat eine Hydromaschine zu dessen Druckmittelversorgung. Insbesondere ist der Verbraucher ein Hydrozylinder, über den beispielsweise ein Stempel einer Presse antreibbar ist. Alternativ könnte der Verbraucher beispielsweise als rotatorisch arbeitender Hydromotor ausgebildet sein. Die Hydromaschine ist dabei von einer elektromotorischen Antriebsmaschine der Anordnung mit insbesondere variabler Drehzahl antreibbar, insbesondere angetrieben. Zudem weist die Hydromaschine einen elektronisch ansteuerbaren, insbesondere angesteuerten, Stellantrieb zur Verstellung ihres Verdrängungsvolumens auf. Der Stellantrieb ist vorzugsweise elektromotorisch, insbesondere ein Servomotor. Vorzugsweise kann der Stellantrieb einen Frequenzumrichter aufweisen, der den Servomotor ansteuert. Die Anordnung hat zudem eine Steueranordnung, die wenigstens zur Ansteuerung der Antriebsmaschine hinsichtlich der Drehzahl, zur Ansteuerung des Stellantriebes hinsichtlich des Verdrängungsvolumens, sowie zur Regelung eines Druckes des wenigstens einen hydrostatischen Druckraumes und / oder einer Position und /oder Geschwindigkeit des hydrostatischen Verbrauchers ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß hat die Steueranordnung wenigstens zwei Regler. Einen, über den zur Regelung des Drucks und der Position und /oder Geschwindigkeit des Verbrauchers Stellwerte wenigstens der Drehzahl und des Verdrängungsvolumens vorgebbar sind. Und darüber hinaus einen unterlagerten Regler, über den das Verdrängungsvolumen in Abhängigkeit vom vorgegebenen Stellwert und von einem diesem zugehörigen Istwert mittels Ansteuerung des Stellantriebes regelbar ist.
Auf diese Weise ist eine hydrostatische Anordnung mit einer gegenüber dem Stand der Technik differenzierteren Regelung des Verdrängungsvolumens geschaffen.
In einer Weiterbildung ist der unterlagerte Regler in einer, insbesondere dezentralen Steuereinrichtung des Stellantriebs, insbesondere in einem Frequenzumrichter, implementiert. Alternativ kann der unterlagerte Regler in einer insbesondere zentralen Systemsteuereinrichtung implementiert ist. Vorzugsweise ist in der Systemsteuereinrichtung auch der Regler implementiert.
Der Stellwert des Verdrängungsvolumens kann in der Steueranordnung auf verschiedene Art gehandhabt sein. Beispielsweise durch einen Winkelwert oder einen Positionswert des Stellantriebes der Hydromaschine oder, im Falle der Ausgestaltung der Hydromaschine als verstellbare Axialkolbenmaschine, durch einen Schwenkwinkelwert der Schrägscheibe oder Schrägachse, oder durch eine Axialposition eines mit dem Stellantrieb und einem Stellglied der Hydromaschine gekoppelten Stellelementes, beispielsweise einer Spindelmutter eines mit dem Stellantrieb gekoppelten Spindeltriebes. Die Auswahl, auf welche Art der Stellwert des Verdrängungsvolumens dargestellt ist, erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit davon, welche Art des Wertes am effizientesten erfassbar ist, um in Folge als Istwert an den unterlagerten Regler zurückführbar ist. Als effizient erweist sich beispielsweise die Axialposition der genannten Stellelementes, insbesondere der Spindelmutter.
Das Verdrängungsvolumen ist in einer Weiterbildung in Abhängigkeit des Stellwertes und / oder eines diesem zugeordneten Istwertes in Form einer Umrechnungstabelle oder einer Funktion oder Relation in der Steueranordnung abgelegt. Insbesondere kann die Umrechnungstabelle oder Funktion oder Relation in der dezentralen Steuereinrichtung oder in der zentralen Steuereinrichtung abgelegt sein.
Der Verbraucher ist beispielsweise mit einer Presse, insbesondere einer horizontalen Reckpresse oder einer Ringziehpresse, einer Kunststoffspritzmaschine, einem Schmiedemanipulator, einer Stahlwerksausrüstung oder einer Ruderanlage koppelbar oder gekoppelt.
In einer Weiterbildung erfolgt die Regelung in Abhängigkeit von mechanischen und / oder hydraulischen Istwerten der Anordnung. Die Istwerte sind zumindest diejenigen der Drehzahl und /oder des Verdrängungsvolumens und / oder des Drucks im Druckraum und / oder einer Lage, Position, Geschwindigkeit eines Aktorgliedes des Verbrauchers. Das Aktorglied ist insbesondere ein Kolben oder eine Kolbenstange eines Hydrozylinders.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über die Druckregelung im wenigstens einen Druckraum eine Kraftregelung des Verbrauchers und über eine Druckmittelvolumenstromregelung des wenigstens einen Druckraumes die Geschwindigkeitsregelung des Verbrauchers erfolgt.
In einer Weiterbildung hat der hydrostatische Verbraucher einen, insbesondere dem bereits genannten hydrostatischen Druckraum entgegenwirkenden, zweiten hydrostatischen Druckraum. Dieser ist in einer Variante der Weiterbildung zu seiner Druckmittelversorgung mit einer zweiten Hydromaschine der Anordnung fluidisch verbindbar, insbesondere verbunden. In einer anderen Variante dieser Weiterbildung hat die Anordnung lediglich die eine, bereits genannte Hydromaschine, über die dann beide Druckräume, insbesondere mittels einem Richtungsventil der Anordnung, mit Druckmittel versorgbar sind.
Beide Hydromaschinen können von derselben Antriebsmaschine oder von getrennten Antriebsmaschinen der Anordnung angetrieben sein. Dies kann mit beispielsweise konstanter Drehzahl, beispielsweise mit etwa 1500U/min, über eine als Asynchronmotor ausgestaltete Antriebsmaschine, oder zumindest zeitweise mit variabler Drehzahl, insbesondere servomotorisch erfolgen. Der Antrieb kann beispielsweise mit gleicher Drehzahl beider Hydromaschinen oder in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander erfolgen. In einer möglichen Weiterbildung sind beide Hydromaschinen über eine gemeinsame Triebwelle mit der Antriebsmaschine gekoppelt. Alternativ oder ergänzend können die Hydromaschinen unabhängig voneinander mit variabler Drehzahl angetrieben sein, indem beide mit verschiedenen, drehzahlvariabel steuerbaren Antriebsmaschinen gekoppelt sind.
In einer Weiterbildung weist auch die zweite Hydromaschine ein verstellbares zweites Verdrängungsvolumen und einen elektronisch ansteuerbaren, insbesondere angesteuerten, insbesondere elektromotorischen Stellantrieb auf.
Vorzugsweise ist der jeweilige Stellantrieb, insbesondere über einen Spindeltrieb, zur Verstellung des Verdrängungsvolumens mit einem Stellglied der jeweiligen Hydromaschine, von dessen Stellung das Verdrängungsvolumen abhängt, gekoppelt.
In einer Weiterbildung umfasst die Steueranordnung eine zentrale Steuereinrichtung und, von dieser angesteuert, wenigstens jeweils eine dezentrale Steuereinrichtung zur Steuerung des jeweiligen Stellantriebes und der Antriebsmaschine. Von den dezentralen Steuerungen ist wenigstens eine als Frequenzumrichter ausgestaltet.
Die zentrale Steuereinrichtung kann beispielsweise als eine Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) und / oder als eine unter dem Namen „Motion Logic Control“ der Anmelderin bekannte Steuerung (MLC) ausgestaltet sein.
In einer Weiterbildung sind die Istwerte wenigstens diejenigen der Drehzahl, des einen Verdrängungsvolumens und des einen Drucks.
Im Falle der Fortbildung mit verstellbarem zweitem Verdrängungsvolumen sind dies zusätzlich der Istwert des zweiten Verdrängungsvolumens und der Istwert eines zweiten Drucks im zweiten Druckraum. Dann sind über die Steueranordnung der eine Druck und der vorzugsweise entgegenwirkende zweite Druck regelbar, sodass ein Gegenhalten möglich ist.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie die Geschwindigkeit und wenigstens der eine Druck wahlweise, also nicht gleichzeitig, regelbar sind.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie die Regelung mittels einer Verstellung wenigstens der Drehzahl und /oder des einen Verdrängungsvolumens erfolgt.
Vorzugsweise ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie die Regelung in Abhängigkeit erfasster und / oder in Abhängigkeit ermittelter Istwerte erfolgt.
Um einen Prozessablauf des Verbrauchers regeln zu können, ist die Steueranordnung in einer Weiterbildung derart ausgestaltet, dass über sie die Regelung in Abhängigkeit jeweils eines wegabhängigen und / oder zeitabhängigen Sollwertprofils - insbesondere eines Weg-Zeit Profils des Verbrauchers und / oder eines Druck-Zeitprofils des einen Drucks oder beider Drücke - erfolgt.
Vorzugsweise ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass in ihr wenigstens ein Sollwertprofil abgelegt ist. Vorzugsweise ist dieses in der zentralen Steuereinrichtung abgelegt.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass in ihr das oder die Sollwertprofile in, insbesondere verbraucherprozessabhängige, Wegabschnitte und / oder Zeitabschnitte unterteilt abgelegt ist oder sind.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie in Abhängigkeit der Abschnitte, wahlweise die Geschwindigkeit oder der oder die Drücke und / oder ein von der Steueranordnung ermittelbares Produkt aus Geschwindigkeit und Druck und / oder ein vom Produkt abhängiger Wert, insbesondere eine Leistung des Verbrauchers, regelbar ist oder sind.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie die Regelung der Geschwindigkeit, insbesondere in einem Eilgang des Verbrauchers, der durch eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit und geringe Last, insbesondere durch einen geringen Druck, charakterisiert ist, allein über die Verstellung der Drehzahl erfolgt. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit im Eilgang präzise und mit hoher Dynamik geregelt werden.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie die Regelung wenigstens des einen Drucks, insbesondere in einem Arbeitsgang des Verbrauchers, der durch eine vergleichsweise geringe oder eine null Geschwindigkeit und hohe Last charakterisiert ist, über die Regelung des ersten Verdrängungsvolumens erfolgt. Auf diese Weise kann der Druck im Arbeitsgang präzise und mit hoher Dynamik geregelt werden.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie in einem Übergang oder Übergangs-Prozessabschnitt, der zwischen Eilgang und Arbeitsgang erfolgt, eine Leistung des Verbrauchers regelbar ist. So ist eine Überlast beim Wechsel der Regelstrategie ausgeschlossen.
In einer Weiterbildung hat die Anordnung wenigstens eine Druckerfassungseinheit wenigstens zur Erfassung des einen Drucks, die mit der Steueranordnung signalverbunden ist. Vorzugsweise hat sie auch eine zweite Druckerfassungseinheit zur Erfassung des zweiten Drucks, die mit der Steueranordnung signalverbunden ist.
In einer Weiterbildung weist die Anordnung wenigstens eine Wegerfassungseinheit oder Winkelerfassungseinheit zur Erfassung eines Istwertes eines Weges oder Winkels, insbesondere Drehwinkels, des jeweiligen Stellantriebes, oder eines Schwenkwinkels der Hydromaschine auf, die mit der Steueranordnung signalverbunden ist. Dabei hängt das Verdrängungsvolumen vom Weg oder Winkel ab.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung, insbesondere der unterlagerte Regler, derart ausgestaltet, dass über sie eine Regelung des jeweiligen Verdrängungsvolumens in Abhängigkeit des erfassten oder ermittelten Istwertes Weges oder Winkels und des Stellwertes erfolgt.
In einer Weiterbildung hat der jeweilige Stellantrieb einen Servomotor und die Steueranordnung ist derart ausgestaltet, dass in ihr eine Relation zwischen einem Drehwinkel des Servomotors und dem Verdrängungsvolumen oder einer vom Verdrängungsvolumen abhängigen Größe der Hydromaschine, abgelegt ist. Die Relation kann als Rechenvorschrift und / oder Tabelle, insbesondere als „Look-Up-Table“ abgelegt sein. Der Servomotor übernimmt dabei die eigentliche Regelung mittels einem internen Sensor und Abgleich des von der zentralen Steuereinrichtung übergebenen Sollwertes und des vom Sensor erfassten Istwertes. Alternativ ist es möglich, dass ein sensorloser Stellantrieb verwendet wird und über die zentrale Steuereinrichtung der Sollwert / Istwert Abgleich und die Regelung des Verdrängungsvolumens erfolgt.
In einer Weiterbildung ist die Steueranordnung derart ausgestaltet, dass über sie wenigstens die Position und /oder Geschwindigkeit des Verbrauchers und der eine Druck in vier Betriebsquadranten der wenigstens einen Hydromaschine regelbar sind.
In Abhängigkeit beispielsweise reduzierter Genauigkeitsanforderungen an die Regelung kann beispielsweise auf eine Schwenkwinkelregelung verzichtet werden und das betreffende Verdrängungsvolumen wird allein in Abhängigkeit einer Lagebestimmung geregelt.
Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen hydrostatischen Anordnung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
1 zeigt eine hydrostatische Anordnung 1 mit einem als doppeltwirkendem Differentialzylinder ausgestalteten Verbraucher 2 und mit zwei mit jeweils verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestalteten Hydromaschinen 4, 6, die von einer drehzahlvariabel betreibbaren, als Elektromotor ausgestalteten, Antriebsmaschine 8 angetrieben sind, und mit einer Steueranordnung 10. Letztgenannte hat eine zentrale Steuereinrichtung 12, die beispielsweise als SPS und / oder als MLC ausgestaltet sein kann (Speicherprogrammierbare Steuerung und / oder „Motion Robot and Logic Control“ der Anmelderin). Die Steueranordnung 10 hat des Weiteren einen der einen Hydromaschine 4 zugeordneten Frequenzumrichter 14 und einen der zweiten Hydromaschine 6 zugeordneten zweiten Frequenzumrichter 16
Beide Hydromaschinen 4, 6 sind jeweils mit verstellbarem Verdrängungsvolumen ausgestaltet und haben jeweils einen Stellantrieb der als Servomotor 18, 20 ausgestaltet ist. Die Servomotoren 18, 20 sind jeweils über ein Getriebe 22, 24 mit einem Spindeltrieb 26, 28 mit einem hydromaschineninternen Stellelement gekoppelt, von dem das jeweilige Verdrängungsvolumen der Hydromaschinen 4, 6 abhängt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Hydromaschinen 4, 6 als hydrostatische Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise mit verschwenkbarer Schrägscheibe ausgestaltet. Das genannte Stellelement ist dann die Schrägscheibe der jeweiligen Hydromaschine 4,6, an der Arbeitskolben gleitend abgestützt sind (nicht dargestellt). Beide Hydromaschinen 4, 6 sind in allen vier Betriebsquadranten betreibbar, können also in beiden Drehrichtungen als Pumpe und als Motor betrieben werden.
Die eine Hydromaschine 4 ist über eine Arbeitsleitung 30 mit einem Druckraum 32, der den Kolbenraum des Hydrozylinders 2 darstellt, fluidisch verbunden. Die zweite Hydromaschine 6 ist über eine zweite Arbeitsleitung 34 mit einem zweiten Druckraum 36 des Hydrozylinders 2 verbunden, der aufgrund seiner kolbenstangenseitigen Anordnung als Ringraum ausgestaltet ist. Eine Kolbenstange 38 ist mit einer Wegerfassungseinheit 40, die mit der zentralen Steuereinrichtung 12 signalverbunden ist, gekoppelt. Auf diese Weise ist ein Lage-Istwert Sist eines Kolbens 42 des Hydrozylinders 2, der die beiden Druckräume 32, 36 separiert, an die zentrale Steuereinrichtung 12 signalübertragbar.
Der eine Druckraum 32 ist mit einer Druckerfassungseinheit 42 und der zweite Druckraum 36 mit einer zweiten Druckerfassungseinheit 44 fluidisch verbunden. Beide Arbeitsleitung 30, 34 und Druckräume 32, 36 sind über ein jeweiliges Druckbegrenzungsventil 46 gegen Überlast abgesichert. Über ein jeweiliges Nachsaugventil 48 kann in die betreffende Arbeitsleitung 30, 34 jeweils Druckmittel nachgesaugt werden.
Beide Hydromaschinen 4, 6 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer gemeinsamen Triebwelle 50 gekoppelt und werden darüber gemeinsam von der Antriebsmaschine 8 drehzahlvariabel angetrieben. Alternativ könnten sie beispielsweise separat von je einem Asynchron- oder Synchronmotor angetrieben sein. Die Steuereinheit 10 hat des Weiteren einen Frequenzumrichter 15, über den die Antriebsmaschine 8 angesteuert wird. Jede der Hydromaschinen 4, 6 hat eine Wegerfassungseinheit 52, 54, über die jeweils ein vom Verdrängungsvolumen V_A , V_B abhängiger Istwert der Position s_Aist , s_Bist des Spindeltriebes 26, 28 an eine individuelle, dezentrale Steuereinrichtung 14, 16 der jeweiligen Hydromaschine 4, 6 übertragbar ist. Über die Druckerfassungseinheiten 42, 44 ist der Istwert p_Aist des ersten Druckraums 32 und der Istwert p_Bist des zweiten Druckraumen 36 des Hydrozylinders 2 an die zentrale Steuereinrichtung 12 übertragbar.
Die Hydromaschinen 4, 6 sind jeweils im offenen hydraulischen Kreis betrieben und jeweils über eine Saugleitung 56, 58 mit einem Tank T fluidisch verbunden.
Die zentrale Steuereinrichtung 12 ist zur Übergabe eines zum Verdrängungsvolumen V_A bzw. V_B proportionalen Schwenkwinkel-Stellwertes a_Asoll bzw. a_Bsoll über eine Signalleitung 60 bzw. 62 mit der als Frequenzumrichter ausgestalteten dezentralen Steuereinrichtung 14 bzw. 16 der Hydromaschine 4 bzw. 6 signalverbunden. Zur Übergabe des zum Verdrängungsvolumen V_A bzw. V_B proportionalen Positions-Istwertes s_Aist bzw. s_Bist der Spindel 26 bzw. 28 ist die Wegerfassungseinheit 52 bzw. 54 mit der dezentralen Steuereinrichtung 14 bzw. 16 signalverbunden. In der dezentrale Steuereinrichtung 14 bzw. 16 ist dabei eine Relation zur Umrechnung des erfassten Istwertes Positions-Istwertes s_Aist bzw. s_Bist in einen Schwenkwinkel-Istwert a_Aist bzw. a_Bist abgelegt, sodass ein in der dezentralen Steuereinrichtung 14 bzw. 16 implementierter, unterlagerter Regler 14' bzw.16' eine Regelabweichung ermitteln kann und den Stellantrieb 18 bzw. 20 mit neuem Sollwert ansteuern kann.
Zudem ist die zentrale Steuereinrichtung 12 über eine Signalleitung 64 mit dem Frequenzumrichter 15 der Antriebsmaschine 8 verbunden. Über den in der Steueranordnung 10 implementierten Regler 12 werden, je nach Regelstrategie, Regelabweichungen zwischen den Sollwerten p_Asoll und / oder p_Bsoll der Druckräume 32, 36 und / oder s_soll des Verbrauchers 2 und den zugehörigen erfassten Istwerten p_Aist , P_Bist , s_ist ermittelt und in Sollwerte n_soll für die Antriebsmaschine 8 und / oder a_Asoll , a_Bsoll für die Hydromaschinen 4, 6 gewandelt. Über die Signalleitung 64 wird der Sollwert n_soll an den Frequenzumrichter 15 der Antriebsmaschine 8 übertragen, über die Signalleitungen 60, 62 werden wie bereits erwähnt die Sollwerte a_Asoll , a_Bsoll an die unterlagerten Regler übertragen.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 entspricht weitgehend dem ersten gemäß 1. Es wird daher im Folgenden vornehmlich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
Anstatt zweier dezentraler unterlagerter Regler weist die Steueranordnung 10 gemäß 2 nur einen zentralen unterlagerten Regler 12' auf. Wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel werden auch im zweiten Ausführungsbeispiel über den zentralen Regler 12, je nach Regelstrategie, Regelabweichungen zwischen den Sollwerten p_Asoll und / oder p_Bsoll der Druckräume 32, 36 und / oder s_soll des Verbrauchers 2 und den zugehörigen erfassten Istwerten p_Aist , p_Bist , s_ist ermittelt und in Stellwerte n_soll für die Antriebsmaschine 8 und / oder a_Asoll , a_Bsoll für die Hydromaschinen 4, 6 gewandelt. Die Übergabe der Stellwerte a_Asoll , a_Bsoll erfolgt nun aber nicht an zwei dezentrale unterlagerte Regler 14', 16' (vgl. 1) sondern zunächst an den zentralen unterlagerten Regler 12'. Dieser ermittelt dann Positions-Stellwerte s_Asoll , s_Bsoll und übergibt diese an die dezentralen Steuereinrichtungen (Frequenzumrichter) 14, 16 der Stellantriebe 18, 20. Je nach Art der in der Steuereinrichtung 14 bzw. 16 abgelegten Relation kann alternativ zum Positions-Stellwert s_Asoll bzw. s_Bsoll ein Drehwinkel- oder Drehzahlwerte n_Asoll oder n_Bsoll des Stellantriebes 18 bzw. 20 übergeben werden.
Der zentrale unterlagerte Regler 12' kann natürlich intern in zwei eigenständige Regler aufgeteilt sein, die jeweils die Stellgrößen s_Asoll oder s_Bsoll bzw. n_Asoll oder n_Bsoll anhand ihrer Vorgabewerte a_Asoll oder a_Bsoll und den gemessenen Ist-Werten einstellen.
Zum besseren Verständnis zum Wirken der Steueranordnung 10 erfolgt nun eine Beschreibung eines Pressvorgangs anhand dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1, wobei die Kolbenstange 38 mit beispielsweise einem Stempel einer Tiefziehpresse (nicht dargestellt) gekoppelt ist.
Zu Beginn sei angenommen, dass der Kolben 42 entgegen der Schwerkraft g (Pfeil in 1) in seine obere Endlage verfahren ist, in welcher der erste Druckraum 32 minimal und der zweite Druckraum 36 maximal expandiert sind.
Zunächst gilt es, die Presse über den Kolben 42 möglichst schnell, im sogenannten „Eilgang“, in eine Lage zu verfahren, in der der Stempel bis nahe an das zu pressende Blech herangefahren ist oder sogar in Kontakt mit diesem ist. Hierzu werden über den Regler 12 der Steueranordnung 10 die Stellwerte a_Asoll , a_Bsoll der Verdrängungsvolumina der Hydromaschinen 4, 6 mit jeweils maximalem Wert an die unterlagerten Regler 14', 16' der dezentralen Steuereinrichtungen 14, 16 (Frequenzumrichter) übertragen. Gleichzeitig wird über den Regler 12 an den Frequenzumrichter 15 der Drehzahl-Stellwert n_soll(t) der Antriebsmaschine 8 übertragen. Dies entspricht einer Regelung der Geschwindigkeit v(t) des Verbrauchers 2. Die Drücke p_A , p_B bleiben dabei ungeregelt und stellen sich insbesondere in Abhängigkeit der Bewegung des Kolbens 42 ein. Der genannte Eilgang erfolgt dabei bei hoher Geschwindigkeit des Kolbens 42 und im Prinzip ohne eine wirksame Arbeitslast. Die maximalen Verdrängungsvolumina V_Amax , V_Bmax der Hydromaschinen 4, 6 sind dabei im gleichen Verhältnis zueinander ausgelegt, wie die Kolbenfläche des Druckraums 32 zur Ringstirnfläche des Druckraums 36. Über die Wegerfassungseinheit 40 erfolgt der Abgriff des zeitabhängigen Ist-Profils s_ist der Lage des Kolbens 42 und dessen Übermittlung an den Regler 12. Diese gleicht den Istwert s_ist mit dem Sollwert s_soll(t) ab und ermittelt daraus einen neuen Stellwert n_soll , mit dem der Frequenzumrichter 15 angesteuert wird. Die Geschwindigkeitsregelung des Kolbens 42 erfolgt somit allein über die Drehzahlregelung der Antriebsmaschine 8 über den Regler 12 und den Frequenzumrichter 15, wobei vom Regler 12 und die unterlagerten Regler 14', 16' die Verdrängungsvolumina V_A , V_B konstant gehalten werden.
Mit eintretendem Kontakt des Stempels zum tiefzuziehenden Blech tritt die Regelung in einen neuen Prozessabschnitt ein, in dem zwar immer noch die Geschwindigkeit in genannter Weise, jedoch auf einen bedeutend geringeren Wert geregelt wird, da das Ziehen des Blechteils langsam zu erfolgen hat. Trifft der Stempel auf das Ziehkissen, so folgt in der Regelung ein weiterer Prozessabschnitt, in der die Geschwindigkeitsregelung aufgegeben wird - der Stempel kann keinen weiteren Hub durchführen - und stattdessen auf eine Kraftregelung übergegangen wird. Hierzu wird über den Regler 12 die Drehzahl n der Antriebsmaschine 8 konstant gehalten und das Verdrängungsvolumen V_A der Hydromaschine 4, die den Druckraum 32 füllt, wird zurückgefahren. Die Hydromaschine 4 wird nun über den Regler, genauer gesagt der Druck p_A im Druckraum 32, wird nun über den Regler 12 und den unterlagerten Regler 14' druckgeregelt, indem bei konstanter Drehzahl n die Verstellung des Verdrängungsvolumens V_A mittels dem Servomotor 18 erfolgt. Dabei erfolgt der Druckabgriff im ersten Druckraum 32 über die Druckerfassungseinheit 42 und über die Meldung des Istwertes p_Aist an den Regler 12. Dieser passt je nach Abweichung des Istwertes P_Aist vom Sollwert p_Asoll den Stellwert a_Asoll des Verdrängungsvolumens V_A der Hydromaschine 4 an. Die Hydromaschine 4 dreht dabei mit der Drehzahl n, wobei kein Hub des Kolbens 42 erfolgt, sondern lediglich unter hohem Druck ein Leckagestrom der ersten Hydromaschine 4 über deren Leckageleitung 59 zum Tank T ausgeglichen wird
Ist das zuvor geschilderte, druckgeregelte Nachhalten mit hohem Druck beendet, so erfolgt ein weiterer Prozessabschnitt des schnellen Zurückfahrens des Kolbens 42 in seine obere Endlage. Dies erfolgt, indem vom Regler 12 wieder die Maximalwerte der Stellwerte a_Asoll und a_Bsoll vorgegeben werden und die Antriebsmaschine 8 über die Erhöhung der Drehzahl n beschleunigt wird. Vor diesem Prozessabschnitt kann ein Prozessabschnitt Dekomprimieren oder Dekompression erfolgen, indem das im Druckraum 32 unter Druck stehende Druckmittel über die erste Hydromaschine 4 strömt und diese somit kurzzeitig antreibt und die Antriebsmaschine 8 vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb zur Rekuperation von Antriebsenergie wechselt. Dies kann bei gleichbleibendem Schwenkwinkel a_A mittels einem Reversieren der Drehrichtung der Hydromaschine 4 erfolgen oder es erfolgt alternativ bei gleichbleibender Drehrichtung der Hydromaschine 4 mittels einem Durchstellen oder Durchschwenken des Versdrängungsvolumens V_A der ersten Hydromaschine 4 auf ein Versdrängungsvolumen V_A jenseits von V_A = null.
Beiden Ausführungsbeispielen ist gemein, dass über die hydrostatische Anordnung 1 ein pumpengeregelter, drehzahlvariabler Direktantrieb des Verbrauchers 2 mit zwei servomotorisch geregelten Verstellpumpen 4, 6 realisiert ist. Die Anordnung weist aufgrund der Servomotorik zur Verstellung der Verdrängungsvolumina V_A und V_B und der Drehzahl n und der beschriebenen Reglerarchitektur eine hohe Verstelldynamik und Präzision auf und ermöglicht daher eine differenzierte, präzise und dynamische Kraftregelung (Druckregelung) und Druckmittelvolumenstromregelung (Geschwindigkeitsregelung) des Verbrauchers 2, sowie eine Momenten- und Leistungsregelung der Antriebsmaschine 8.
Über die erfindungsgemäß ausgestaltete hydrostatische Anordnung 1 ist ein Gegenhalten realisierbar, da eine Druckregelung in beiden Druckräumen 32, 36 in allen Betriebsquadranten der Hydromaschinen 4, 6 möglich ist.
Alle Regelaufgaben liegen bei der hydrostatischen Anordnung 1 auf der Seite der, insbesondere elektronischen, Steueranordnung 10 ohne Verwendung herkömmlicher, hydraulischer Regler oder Regelventile. Der Betrieb und die Wartung Steueranordnung 10 können daher über einen elektromechanisch ausgebildeten Fachmann, ohne dass Kenntnisse hydromechanischer Regler oder Regelventile nötig wären, erfolgen. Durch die Abwesenheit hydromechanischer Regler oder Regelventile kann eine Regelung in allen vier Betriebsquadranten der Hydromaschinen 4, 6 unabhängig von einer Stelldruckmittelquelle erfolgen.
Offenbart ist eine hydrostatische Anordnung mit einem hydrostatischen Verbraucher mit wenigstens einem hydrostatischen Druckraum und einer Hydromaschine zur Druckmittelversorgung des Druckraumes. Die Hydromaschine ist mit einer elektromotorischen Antriebsmaschine gekoppelt und hat ein von einem elektromotorischen Stellantrieb verstellbares Verdrängungsvolumen. Dabei ist eine Steueranordnung vorgesehen, über die mittels einem Regler der Steueranordnung eine Geschwindigkeit des Verbrauchers und /oder der Druck des Druckraumes in Abhängigkeit von mechanischen und hydraulischen Istwerten der Anordnung regelbar ist. Zudem hat die Steueranordnung wenigstens einen unterlagerten Regler zur Regelung wenigstens des einen Verdrängungsvolumens.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008095525 A1 [0002]

Claims

Hydrostatische Anordnung mit einem hydrostatischen Verbraucher (2), der wenigstens einen hydrostatischen Druckraum (32, 36) hat, und mit einer Hydromaschine (4, 6) zur Druckmittelversorgung des Verbrauchers, wobei die Hydromaschine (4, 6) von einer elektromotorischen Antriebsmaschine (8) der Anordnung (1) mit einer Drehzahl (n) antreibbar ist und einen elektronisch ansteuerbaren Stellantrieb (18, 20) und ein darüber verstellbares Verdrängungsvolumen (V_A, V_B) hat, und mit einer Steueranordnung (10), die einen Regler (12) und einen diesem unterlagerten Regler (12'; 14', 16') hat, und die zur Ansteuerung der Antriebsmaschine (8) hinsichtlich der Drehzahl (n) und zur Ansteuerung des Stellantriebes (18, 20) hinsichtlich des Verdrängungsvolumens (V_A, V_B), sowie zur Regelung eines Druckes (p_A, p_B) des wenigstens einen hydrostatischen Druckraumes (32, 36) und / oder einer Position (s) und / oder Geschwindigkeit (v) des hydrostatischen Verbrauchers (2) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass über den Regler (12) die Drehzahl (n) und das wenigstens eine Verdrängungsvolumen (V_A, V_B) als Stellwerte (n_soll, G_Asoll, a_Bsoll) vorgebbar sind, und dass das wenigstens eine Verdrängungsvolumen (V_A, V_B) über den unterlagerten Regler (12'; 14', 16'), in Abhängigkeit des vorgegebenen Stellwertes (a_Asoll, a_Bsoll) des wenigstens einen Verdrängungsvolumens (V_A, V_B) und eines diesem Stellwert (a_Asoll, a_Bsoll) zugeordneten Istwertes (a_Aist, a_Bist; s_Aist, s_Bist), mittels Ansteuerung des Stellantriebes (18, 20) regelbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei der unterlagerte Regler (14', 16') in einer Steuereinrichtung (14, 16) des Stellantriebs (18, 20), insbesondere in einem Frequenzumrichter, implementiert ist, oder wobei der unterlagerte Regler (12') in einer Systemsteuereinrichtung implementiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regelung in Abhängigkeit von mechanischen und /oder hydraulischen Istwerten (s_ist, n_ist, a_Aist, a_Bist, p_Aist, p_Bist; s_ist, nist, s_Aist, s_Bist, p_Aist, p_Bist) der Anordnung (1) erfolgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der hydrostatische Verbraucher (2) einen, dem hydrostatischen Druckraum (32) entgegenwirkenden, zweiten hydrostatischen Druckraum (36) und eine zweite Hydromaschine (6) zu dessen Druckmittelversorgung hat.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hydromaschine (4, 6) von der Antriebsmaschine (8) zumindest zeitweise mit verstellbarer oder variabler Drehzahl (n) antreibbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass über sie die Regelung in Abhängigkeit wenigstens eines wegabhängigen oder zeitabhängigen Sollwertprofils (p_Asoll, p_Bsoll, s_soll) erfolgt.
Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass in ihr das oder die Sollwertprofile (p_Asoll, p_Bsoll, s_soll) in Wegabschnitte und / oder Zeitabschnitte unterteilt abgelegt ist oder sind.
Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass über sie in Abhängigkeit der Abschnitte, die Position (s) und / oder Geschwindigkeit (v) und / oder der oder die Drücke (p_A, p_B) und / oder ein von der Steueranordnung (10) ermittelbares Produkt aus Geschwindigkeit (v) und Druck (p_A, p_B) und /oder ein vom Produkt abhängiger Wert, insbesondere eine Leistung des Verbrauchers (2), regelbar ist oder sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass über sie die Regelung der Geschwindigkeit (v), insbesondere in einem Eilgang des Verbrauchers (2), insbesondere mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit (v) und geringer Last, über die Verstellung der Drehzahl (n) erfolgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass über sie die Regelung des oder der Drücke (p_A, p_B), insbesondere in einem Arbeitsgang des Verbrauchers (2), insbesondere mit vergleichsweise geringer oder null Geschwindigkeit (v) und hoher Last, über die Verstellung des Verdrängungsvolumens (V_A, V_B) erfolgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass über sie in einem Übergang, ausgehend von einem Eilgang des Verbrauchers (2) mit vergleichsweise hoher Geschwindigkeit (v) und geringer Last hin zu einem Arbeitsgang des Verbrauchers (2) mit vergleichsweise geringer oder null Geschwindigkeit (v) und hoher Last, oder ausgehend vom Arbeitsgang hin zum Eilgang, eine Leistung des Verbrauchers (2) regelbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Druckerfassungseinheit (42, 44) zur Erfassung des Drucks (p_A, p_B), die mit der Steueranordnung (10) signalverbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer Wegerfassungseinheit (52, 54) oder Winkelerfassungseinheit zur Erfassung eines Weges oder Winkels des Stellantriebes (18, 20), die mit der Steueranordnung (10) signalverbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass über sie eine Regelung des Verdrängungsvolumens (V_A, V_B) in Abhängigkeit des Weges oder Winkels erfolgt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stellantrieb von einem Servomotor (18, 20) gebildet ist und die Steueranordnung (10) derart ausgestaltet ist, dass in ihr eine Relation zwischen einem Drehwinkel des Servomotors (18, 20) und dem Verdrängungsvolumen (V_A, V_B) abgelegt ist.