DE10314302B3

DE10314302B3 - Hydraulische Antriebsvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE10314302B3
Application number: DE10314302A
Authority: DE
Original assignee: Hartmann and Lammle GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo H and L Hydraulic GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: EP1462660A1; EP1462660B1; ATE299996T1; DE502004000026D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebsvorrichtung (10) für einen mit einem Bearbeitungswerkzeug koppelbaren Arbeitszylinder (12), der einen zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) bewegbaren, eine Kolbenstange (16) umfassenden Arbeitskolben (14) aufweist, mit einem Messsystem (38) zur Bestimmung der Psition des Arbeitskolbens (14), wobei der Arbeitskolben (14, 16) über eine Rückmeldung (18) ein den Arbeitszylinder (12) ansteuerbares Arbeitsventil (20) betätigt, und wobei die Rückmeldung (18) ein in einem Pilotzylinder (24) geführten, das Arbeitsventil (20) betätigenden Pilotkolben (26, 28) umfasst. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass eine Positionsabfrage (42) zur Bestimmung der Position des Pilotkolbens (26, 28) vorgesehen ist und dass ein in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens (14, 16) und der Position des Pilotkolbens (26, 28) betätigbares, den Pilotkolben (26, 28) ansteuerbares Pilotventil (44) vorgesehen ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft außerdem ein zugehöriges Verfahren und ein Regel-/Steuergerät.

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebsvorrichtung für eine mit einem Bearbeitungswerkzeug koppelbaren Arbeitszylinder, der einen zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) bewegbaren, eine Kolbenstange umfassenden Arbeitskolben aufweist, mit einem Messsystem zur Bestimmung der Position des Arbeitskolbens, wobei der Arbeitskolben über eine Rückmeldung ein den Arbeitszylinder ansteuerndes Arbeitsventil betätigt, und wobei die Rückmeldung einen in einem Pilotzylinder geführten, das Arbeitsventil betätigenden Pilotkolben umfasst. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung.

Derartige hydraulisch Antriebsvorrichtungen, wie sie beispielsweise aus der EP 1 138 958 A2 bekannt geworden sind, finden insbesondere bei Stanz-, Präge-, Nippel- oder Biegemaschinen Verwendung. Über die in der Regel mechanisch ausgeführte Rückmeldung zwischen dem Arbeitskolben und dem Arbeitsventil kopiert das Arbeitsventil den Bewegungsablauf des Arbeitskolbens. Aus diesem Grund wird das Arbeitsventil in der Regel auch mit Kopierventil bezeichnet.

Der aus der EP 1 138 958 A2 bekannte Pilotzylinder dient zur Einstellung des OT. Ein Umsteuern des Arbeitsventils im unteren Totpunkt des Arbeitskolbens wird hierbei durch das Messsystem, das die Position des Arbeitskolbens bestimmt, eingeleitet. Durch Verstellung der Position des Pilotkolbens im Pilotzylinder kann die OT-Position des Arbeitskolbens eingestellt werden. Während des Arbeitshubs ist die Rückmeldung von der Ventilbetätigung des Arbeitsventils getrennt.

Der bekannte Stand der Technik gemäß der EP 1 138 958 A2 weist allerdings den Nachteil auf, dass eine genaue Einstellung des OT nur bei relativ langsamer Geschwindigkeit des Pilotkolbens und somit auch des Arbeitskolbens möglich ist. Bei größeren Geschwindigkeiten macht sich ein Nachlaufen des Pilotkolbens und des Arbeitskolbens bemerkbar, was zu einem Abweichen des OT von seiner Sollposition führt. Bei einem Prägehub wird sowohl der OT als auch der UT über das Pilotventil und den Pilotzylinder mittelbar gesteuert. Die Ungenauigkeiten durch das Nachlaufen machen sich dann also auch im UT bemerkbar. Gerade die Genauigkeit des UT ist aber für die Qualität des Arbeitsprozesses entscheidend.

Insbesondere beim Prägevorgang ist es erforderlich, dass der UT des Arbeitskolbens exakt vorgebbar ist.

Ein Nachlaufen des Arbeitskolbens tritt insbesondere deshalb auf, weil die Reaktion der Betätigung des Arbeitskolbens zweifach verzögert wird. Zum einen durch die Schaltzeit eines den Pilotzylinder ansteuernden Ventils und zum anderen durch das Nachlaufverhalten des Arbeitsventils. Das Signal des Messsystems des Arbeitszylinders ist folglich um die Summe dieser beiden Laufzeiten verzögert.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Antriebsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzubilden, dass auch bei hohen Geschwindigkeiten des Arbeitskolbens der OT und UT sehr genau vorgegeben werden kann und sich innerhalb eines sehr engen Toleranzfensters bewegt. Insbesondere soll die Reaktionszeit der Betätigung des Arbeitskolbens verkürzt werden.

Diese Aufgabe wird durch eine hydraulisch Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zu, Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Durch die zusätzliche Bestimmung der Position des Pilotkolbens und durch die damit einhergehende Ansteuerung des Pilotkolbens, kann das Arbeitsventil aktiv betätigt werden. Ein Nachlaufen des Arbeitskolbens, wie es aus der EP 1 138 958 A2 bekannt ist, kann gezielt verhindert werden. Die Positionsabfrage erfolgt erfindungsgemäß vorzugsweise kontinuierlich. Allerdings kann sie auch diskontinuierlich sein.

Die hydraulische Antriebsvorrichtung vergleicht insbesondere die Istposition des Pilotzylinders mit einer Sollposition, die abhängig von der Position des Arbeitskolbens ist, und betätigt in Abhängigkeit der Differenzgröße das Pilotventil.

Erfindungsgemäß steuert die hydraulische Antriebsvorrichtung das Pilotventil so an, dass ein vorauseilendes, frühes Betätigen des Arbeitsventils zur Kompensation von Reaktionszeiten erfolgt. Kompensiert werden sollen insbesondere die Reaktionszeiten des Arbeitsventils, Arbeitskolbens, Pilotventils und Pilotkolbens. Die Reaktionszeiten hängen insbesondere von den Massen und den Hubgeschwindigkeiten der Kolben ab. Dabei ist vorteilhaft nutzbar, dass die Eigenfrequenz des Systems bestehend aus Pilotzylinder, Pilotkolben und Pilotventil deutlich höher ist, als die Eigenfrequenz des Systems bestehend aus Arbeitszylinder, Arbeitskolben und Arbeitsventil. Diese Systeme stellen jeweils Feder/Masse-Systeme dar. Die Federkonstante wird gebildet durch die Steifigkeit der jeweils eingeschlossenen Hydrauliksäule im Pilotkreis oder Arbeitskreis, die Masse wird repräsentiert durch die Masse des Pilotkolbens für den Pilotkreis und die Masse der Arbeitskolbens plus Masse des Arbeitswerkzeuges. Da die Eigenfrequenz des Pilotsystems in der Praxis um den Faktor 3 oder mehr höher ist, als die des Arbeitssystems, kann das Pilotsystem sehr dynamisch zur vorausschauenden Sollwertgabe benutzt werden.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Arbeitsventil ausschließlich vom Pilotkolben betätigt wird. Dies hat den Vorteil, dass weitere Einflussgrößen, die ein Betätigen des Arbeitsventils bewirken, nicht auftreten. Das Arbeitsventil wird folglich lediglich durch den Pilotkolben der Rückmeldung betätigt. Das Arbeitsventil folglich keine direkte elektrische oder hydraulische Betätigung. Die Betätigung erfolgt ausschließlich indirekt über das Pilotsystem.

Die Position des Arbeitskolbens kann bei einer Ausführungsform der Erfindung unmittelbar über die Position der Kolbenstange bestimmt werden. Dabei kann an der Kolbenstange ein Signalgeber angeordnet sein, der mit einem ortsfest angeordneten Signalempfänger zusammenwirkt.

Andererseits ist denkbar, dass das Messsystems die Position des Arbeitskolbens mittelbar über die Position des Arbeitsventils und die Position des Pilotkolbens bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass auf ein Messsystem im Bereich des Arbeitskolbens verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß ist außerdem denkbar, dass der Pilotzylinder mit dem Arbeitskolben in beide Bewegungsrichtungen des Arbeitskolbens starr gekoppelt ist. Die Bewegung des Arbeitskolbens wird folglich unmittelbar auf den Pilotzylinder übertragen.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Pilotkolben mit dem Arbeitsventil in beide Bewegungsrichtungen des Pilotkolben starr gekoppelt ist. Die Bewegung des Pilotkolbens wird folglich unmittelbar zur Schaltung des Arbeitsventils verwendet. Alternativ dazu ist allerdings auch denkbar, dass der Pilotkolben das Arbeitsventil lediglich in eine Richtung betätigt, und dass die Betätigung des Arbeitsventils in die andere Richtung über beispielsweise entsprechende Federmittel erfolgt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dann, wenn der Pilotkolben zur Betätigung des Arbeitsventils wenigstens einseitig druckbeaufschlagbar ist. Bei einer Kopplung des Pilotkolbens mit dem Arbeitsventil ist die druckbeaufschlagbare Seite des Pilotkolbens diejenige, die dem Arbeitsventil abgewandt ist. Beim Verfahren des Kolbens in Richtung des UT kann damit eine rechtzeitige Einleitung des Schaltvorgangs zur Umsteuerung des Arbeitskolbens erreicht werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben einer hydraulisch Antriebsvorrichtung gemäß dem Anspruch 8 gelöst. Der Pilotkolben wird also im geschlossenen Regelkreis betrieben.

Dabei ist vorgesehen, dass ein vorauseilendes, frühes Betätigen des Arbeitsventils zur Kompensation der bereits beschriebenen Reaktionszeiten erfolgt. Ein derartiges Verfahren bewirkt folglich eine Vorsteuerung des Umsteuervorgangs des Arbeitszylinders. Der Arbeitszylinder wird über das Arbeitsventil, das seinerseits über den Pilotkolben angesteuert wird, so rechtzeitig umgesteuert, dass der UT des Arbeitskolbens exakt erreicht wird. Dazu wird der Pilotkolben so bewegt, dass das Arbeitsventil den Arbeitskolben in Richtung UT bewegt. Wird der Arbeitskolben in einer Position kurz vor dem UT (UT – dS) detektiert, so kann mit einer gezielten Vorsteuerung des Pilotkolbens das Arbeitsventil betätigt werden, so dass sich der Arbeitskolben in Richtung OT bewegt. Der Wert dS hängt hierbei von den Massen und Hubgeschwindigkeiten der einzelnen Kolben, insbesondere des Arbeitskolbens, ab. Damit können die Reaktionszeiten kompensiert werden.

Ein vorteilhaftes Verfahren ergibt sich dann, wenn die Position des Pilotkolbens (Istwert) mit einem Sollwert verglichen wird und wenn das Differenzsignal als Führungsgröße für die Bewegung des Pilotventils herangezogen wird. Der Sollwert kann hierbei insbesondere abhängig von der Position des Arbeitskolbens sein.

In der Figur ist eine erfindungsgemäße hydraulische Antriebsvorrichtung 10 für einen Arbeitszylinder 12 gezeigt, der einen zwischen einem unteren Totpunkt UT und einem oberen Totpunkt OT bewegbaren Arbeitskolben 14 aufweist. Der Arbeitskolben 14 umfasst eine Kolbenstange 16. Der Kolben 14 beziehungsweise die Kolbenstange 16 betätigt über eine Rückmeldung 18 ein den Arbeitszylinder 12 ansteuerndes Arbeitsventil 20. Die Rückmeldung 18 umfasst hierbei ein mit der Kolbenstange 16 gekoppeltes Joch 22 und einen an dem Joch 22 angeordneten Pilotzylinder 24, in dem ein Pilotkolben 26 verschiebbar gelagert angeordnet ist. Das Arbeitsventil 20 wird über eine Kolbenstange 28 des Pilotkolbens 26 betätigt.
Bei dem Arbeitsventil 20 handelt es sich um ein federvorgespanntes 3/3-Stetigventil. Der Pilotkolben 26 wirkt dabei über die Kolbenstange 28 gegen ein Federmittel 30. Das Arbeitsventil 20 sieht insgesamt drei Anschlüsse vor, einen Druckanschluss P, einen Tankanschluss T und einen Verbraucheranschluss A zum oberen Druckraum 32 des Arbeitszylinders 14. Der dem Druckraum 32 gegenüberliegende, durch den Kolben 14 abgetrennte Druckraum 34 ist über einen Anschluss B und über eine Leitung 36 mit dem Druckanschluss P verbunden.
Der Druckraum 32 ist in der in der Figur dargestellten Mittelstellung n des Arbeitsventils 20 geschlossen; der Druckraum 34 ist mit der Druckleitung P verbunden. In der Betätigungsstellung a des Ventils 20 wird der Druckraum 32 mit dem Druckanschluss P verbunden. Da die dem Druckraum 32 zugewandte Kolbenfläche größer ist als die dem Druckraum 34 zugewandte, wird dann eine nach unten gerichtete Kraft zur Verfügung gestellt und der Arbeitskolben wird nach unten bewegt. In der Betätigungsstellung b ist der Druckraum 32 mit der Tankleitung T verbunden. Aufgrund des in dem Druckraum 34 anstehenden Drucks wird der Kolben 14 nach oben bewegt.
Die Vorrichtung 10 weist außerdem ein Messsystem 38 auf, mit dem die Position des Arbeitskolbens 14 beziehungsweise der Kolbenstange 16 bestimmt werden kann. Das Messsystem kann beispielsweise einen an der Kolbenstange 16 angeordneten Signalgeber und vorzugsweise mehrere ortsfest angeordnete Signalempfänger aufweisen. Das Messsystem 38 ist mit einem Steuer-/Regelgerät 40 verbunden, in dem die von dem Messsystem 38 erfassten Werte ausgewertet werden.
Die Vorrichtung 10 umfasst außerdem eine die Position des Pilotkolbens 26 beziehungsweise dessen Kolbenstange 28 kontinuierlich erfassende Positionsabfrage 42. Entsprechend dem Messsystem 38 kann die Positionsabfrage ebenfalls Signalgeber am Pilotkolben und ortsfest angeordnete Signalempfänger aufweisen. Zur Datenauswertung ist die Positionsabfrage 42 mit dem Steuer-/Regelgerät 40 verbunden. Die Positionsabfrage 42 kann als elektrisches oder hydromechanisches System ausgeführt sein.
Der Pilotkolben 24 wird über ein Pilotventil 44 angesteuert, das von dem Steuer-/Regelgerät 40 betätigt wird.
Zur Bestimmung der Position des Arbeitskolbens 14 kann anstelle des Messsystems 38 die Position des Arbeitskolbens 14 über die Stellung des Arbeitsventils 20 in Verbindung mit der Position des Pilotkolbens 28 bestimmt werden.
Durch die Bestimmung der Position des Arbeitskolbens 14 zum einen und der Position des Pilotkolbens 26 zum anderen kann vorteilhafterweise der Arbeitskolben 14 mit einer erhöhten Dynamik bei gleichzeitig verbesserter Prozesssicherheit angesteuert werden. Dazu wird die Position des Pilotkolbens 28 bestimmt und das den Pilotkolben ansteuernde Pilotventil 44 in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens 16 und des Pilotkolbens 28 betätigt. Die Positionsabfrage 42 liefert hierzu ein Istwertsignal 46, das mit einem Sollwertsignal 48 verglichen wird, wobei das Differenzsignal 50 als Führungsgröße für die Bewegung des Pilotventils 44 herangezogen wird. Das Sollwertsignal 48 ist hierbei insbesondere abhängig von der Istposition des Arbeitskolbens 16. Das Sollsignal 48 resultiert folglich aus dem Istsignal 52 des Messsystems 38. Die Führungsgröße für die Betätigung des Arbeitsventils 20 und damit für die Bewegung des Arbeitskolbens 14 wird folglich durch einen inneren Regelkreis gebildet, der das Pilotventil 44, die Position des Pilotkolbens 28, die Positionsabfrage 42 und den Vergleich des Istwerts 46 mit dem Sollwert 48 im Steuer-/Regelgerät 40 umfasst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 hat insbesondere den Vorteil, dass mit ihr eine gezielte Vorsteuerung des Umsteuervorgangs des Arbeitskolbens 14 durchgeführt werden kann. Dazu wird der Arbeitskolben 14 in Richtung UT bewegt. Mit dem Messsystem 38 kann bestimmt werden, wann der Arbeitskolben 14 eine Position nahe dem Umkehrpunkt UT erreicht. Von einer Position UT-dS, also kurz vor Erreichen des Umkehrpunkts UT, betätigt das Steuer-/Regelgerät 40 das Pilotventil 44, wodurch der Pilotkolben 26 den Umsteuervorgang durch Betätigung des Arbeitsventils 20 einleitet. Durch eine derart gezielte Vorsteuerung des Umsteuervorgangs kann erreicht werden, dass der UT exakt erreicht wird beziehungsweise in seinem sehr kleinen Toleranzfenster liegt. Der Wert dS hängt hierbei insbesondere von den Massen, Hubgeschwindigkeiten und Reaktionszeiten der einzelnen Kolben und Ventile ab.
Durch Zwischenschaltung eines aktiv betätigbaren Pilotzylinders 24 mit eigenem Meßsystem und Regelkreis in die in die Rückmeldung 18 kann folglich die Dynamik und die Prozesssicherheit erhöht werden.

Claims

Hydraulische Antriebsvorrichtung (10) für einen mit einem Bearbeitungswerkzeug koppelbaren Arbeitszylinder (12), der einen zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) bewegbaren, eine Kolbenstange (16) umfassenden Arbeitskolben (14) aufweist, mit einem Messsystem (38) zur Bestimmung der Position des Arbeitskolbens (14), wobei der Arbeitskolben (14, 16) über eine Rückmeldung (18) ein den Arbeitszylinder (12) ansteuerbares Arbeitsventil (20) betätigt, und wobei die Rückmeldung (18) einen in einem Pilotzylinder (24) geführten, das Arbeitsventil (20) betätigenden Pilotkolben (26, 28) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionsabfrage (42) zur Bestimmung der Position des Pilotkolbens (26, 28) vorgesehen ist, dass ein mit dem Messsystem (38) und der Positionsabfrage (42) verbundenes Regel-/Steuergerät (40) vorgesehen ist, dass das Regel-/Steuergerät (40) in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens (14, 16) und der Position des Pilotkolbens (26, 28) ein den Pilotkolben (26, 28) betätigendes Pilotventil (44) derart rechtzeitig ansteuert, dass ein vorauseilendes, frühes Betätigen des Arbeitsventils (20) zur Kompensation von Reaktionszeiten erfolgt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsventil (20) ausschließlich vom Pilotkolben (26, 28) betätigt wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (38) die Position des Arbeitskolbens (14, 16) unmittelbar über die Position der Kolbenstange (16) bestimmt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (38) die Position des Arbeitskolbens (14) mittelbar über die Position des Arbeitsventils (20) und die Position des Pilotkolbens (26) bestimmt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotzylinder (24) mit dem Arbeitskolben (14, 16) in beide Bewegungsrichtungen des Arbeitskolben starr gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkolben (26, 28) mit dem Arbeitsventil (20) in beide Bewegungsrichtungen des Pilotkolben (26) starr gekoppelt ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pilotkolben (26, 28) zur Bestätigung des Arbeitsventils (20) wenigstens einseitig druckbeaufschlagbar ist.
Verfahren zum Betreiben einer hydraulischen Antriebsvorrichtung (10), nach insbesondere einem der vorhergehenden Ansprüche, für einen mit einem Bearbeitungswerkzeug koppelbaren Arbeitszylinder (12), der einen zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) bewegbaren, eine Kolbenstange (16) umfassenden Arbeitskolben (14) aufweist, wobei die Position des Arbeitskolbens (14, 16) bestimmt wird und der Arbeitskolben (14, 16) über eine Rückkopplung (18) ein den Arbeitszylinder (12) ansteuerndes Arbeitsventil (20) betätigt, und wobei die Rückkopplung (18) einen in einem Pilotzylinder (24) geführten Pilotkolben (26, 28) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Pilotkolbens (26, 28) bestimmt wird und dass ein den Pilotkolben (26, 28) ansteuerndes Pilotventil (44) in Abhängigkeit von der Position des Arbeitskolbens (14, 16) und des Pilotkolbens (26, 28) derart betätigt wird, dass ein vorauseilendes, frühes Betätigen des Arbeitsventils (20) zur Kompensation von Reaktionszeiten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Pilotkolbens (26, 28) (Istwert 46) mit einem Sollwert (48) verglichen wird und dass das Differenzsignal als Führungsgröße (50) für die Betätigung des Pilotventils (44) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (48) abhängig von der Position (52) des Arbeitskolbens (14, 16) ist.