DE202018003042U1 - Hydraulischer Zylinderantrieb und hydraulischer Pressenantrieb - Google Patents

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Abstract

Hydraulischer Zylinderantrieb (1) umfassend
zumindest eine an zumindest einem Zylinder angeordnete Zylinder-Kolben-Einrichtung (2) mit einem Zylinder-Kolben (3), einem Zylinder-Kolbenraum (4) und, bevorzugt, einem Zylinder-Ringraum (5),
einer fluidisch mit der Zylinder-Kolben-Einrichtung (2) verbundene Zylinder-Pumpenanordnung (7) mit zumindest einer Zylinder-Pumpe (8, 9), und
den Zylinder-Ringraum (5) und/oder den Zylinder-Kolbenraum (4) mit einem Druckmittel (6) fluidisch versorgende Druckleitungen (D1, D2, D3),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zylinder-Kolben-Einrichtung (2) einen reversibel arbeitenden Zylinder, insbesondere Differentialzylinder, umfasst,
dass die Zylinder-Pumpenanordnung (7) drehzahl- und/oder drehrichtungsvariabel antreibbar ist, und
dass die zumindest eine Zylinder-Pumpe (8, 9) als Verstellpumpe gebildet ist mit variablem Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkel.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Zylinderantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Etwa für Ziehkissen-Anwendungen oder für Umformanwendungen im Allgemeinen, beispielsweise für Umformvorgänge mit Gegenhaltekräften, für Verdränger-Einrichtungen oder für durch ein Zylinder-Ensemble eingespannte Prozesse, oder für Ziehkissen bei Ziehpressen zur Blechumformung, für Gegenhalter bei Verzahnungspressen mit Gegendruckprinzip, für Gegenhalter bei Kaltfließpressen mit Gegendruckprinzip, oder für Gegendruckzylinder bei Rohrbögenpressen werden derartige Zylinder eingesetzt respektive verwendet. Die hierin beschriebenen Zylinder werden regelmäßig beim maschinellen Umformen, insbesondere beim Tiefziehen, oder bei anderen maschinellen Pressvorgängen verwendet. Mit Hilfe von hydraulisch oder pneumatisch betriebenen Ziehkissen werden Umformprozesse lokal beeinflusst, etwa um Faltenbildungen zu vermeiden.
  • Der hierin beschriebene Zylinderantrieb für die verschiedenen Press- und/oder Umformvorgänge umfasst zumindest eine an zumindest einem Zylinder angeordnete Zylinder-Kolben-Einrichtung mit einem Zylinder-Kolben und einem Zylinder-Kolbenraum. Die Kolben-Einrichtung kann Merkmale einer Plungerpumpe respektive einer Plungerkolbens aufweisen. Es kann, bevorzugt, ein Zylinder-Ringraum vorgesehen sein. Der Zylinder-Kolben begrenzt Kolbenraum und Ringraum und ist darin beweglich. Der Zylinderantrieb umfasst ferner eine fluidisch mit der Zylinder-Kolben-Einrichtung verbundene Zylinder-Pumpenanordnung mit zumindest einer Zylinder-Pumpe. Außerdem umfasst der Zylinderantrieb Druckleitungen, welche den Zylinder-Ringraum und den Zylinder-Kolbenraum mit einem Druckmittel fluidisch versorgen.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine druckspeicherlose hydraulische Antriebsanordnung zum Antreiben einer einen (zusätzlichen) Zylinder für Umformeinrichtungen umfassenden Presseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10. Die Presseinrichtung umfasst dabei eine Pressen-Kolben-Einrichtung, welche über eine Pressen-Pumpenanordnung und über damit verbundene Druckleitungen hydraulisch antreibbar ist. Die Pressen-Kolben-Einrichtung verfügt über zumindest eine, eine Pumpenwelle umfassende, Pressen-Pumpe, welche bevorzugt drehzahl- und/oder drehrichtungsvariabel antreibbar ist. Die Pressen-Kolben-Einrichtung verfügt auch über einen Pressen-Pumpenantrieb, welcher die zumindest eine Pressen-Pumpe antreibt. Die zumindest eine Pressen-Pumpe ist als Verstellpumpe mit variablem Pressen-Pumpen-Schwenkwinkel gebildet und sie ist, insbesondere mittels einer (pumpenexternen) Pressen-Stelleinrichtung schwenkbar.
  • TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
  • Beispielsweise bei Ziehkissen-Anwendungen verdrängt ein Stößel das Ziehkissen, wobei die Verdrängungskräfte etwa 30% der Presskraft erreichen. Die Verdrängungskräfte dienen auch dem gezielten „Bremsen“ der Nachrückbewegung des Bleches beim Tiefziehen. Die Kraft des Ziehkissens wird in den meisten Fällen hydraulisch erzeugt. Je nach apparativen Vorgaben betreffend die Regelbarkeit und/oder die Gleichmäßigkeit des Zieh- oder Umformvorgangs sind alternativ pneumatisch betriebene Kissenvorrichtungen anzutreffen.
  • Bei anderen Umformanwendungen wird ebenfalls ein Stößel oder ein Zylinderbauteil mit Druck/Kraft beaufschlagt und gegen ein Werkstück oder mittels Werkzeug gegen die umzuformende Form bewegt.
  • Die von diesem Zylinder beim Betrieb des Zylinderantriebs aufgebrachte Gegenkraft ist abhängig von den Anforderungen des Werkzeugs. Oft reicht eine über den gesamten Hub im Wesentlichen konstante Kraft aus. Meist wird der Antrieb jedoch mit einem über den Hub veränderlichen Kraftprofil beaufschlagt. Die Anforderungen an die genaue Einhaltung des Kraft-Weg-Verlaufs sind häufig vergleichsweise hoch, was üblicherweise die Verwendung von dynamisch regelnden Druckventilen innerhalb der Antriebsanordnung begründet.
  • Beim Verdrängen des unter Druck stehenden Zylinders durch die Vorrichtung wird Öl im Kolbenraum über ein Druckventil entspannt und in einen Tank abgeführt. Dabei entsteht eine hohe Verlustleistung, die einerseits die Energiebilanz der Vorrichtung beeinträchtigt und andererseits zu einer unerwünschten Ölerwärmung führt, die wiederum durch aufwändige und kostenintensive Kühlungsmaßnahen zu beseitigen wäre.
  • Im Angesicht dieser Nachteile wurden bisweilen hydraulische Antriebskonzepte entworfen, wobei die „abgeführte“ Energie zumindest anteilig rekuperiert werden soll. Dabei wurde auch überlegt, einen Pumpenantrieb (Motor) beim Zieh- respektive Umformvorgang als Generator zu verwenden, so dass die erzeugte elektrische Energie der Vorrichtung zumindest anteilig wieder zugeführt werden soll.
  • Der hierfür nicht unerhebliche apparative Aufwand ist problematisch, ebenso die bei der mehrfachen Energieumwandlung (hydraulisch in elektrisch - elektrisch in hydraulisch - usw.) beobachteten Verluste. Hier setzt die Erfindung ein.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydraulisches Konzept bereitzustellen, das effizienter ist im Hinblick auf den Betriebs- respektive Umform-Energieaufwand, insbesondere bei reduzierten (Leistungs-)Verlusten. Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Zylinderantrieb nach Anspruch 1 gelöst. Der Zylinderantrieb eignet sich zum Antreiben eines Zylinderbauteils als Komponente einer Umformeinrichtung respektive eines Umformwerkzeugs im Allgemeinen, beispielsweise einer Ziehkisseneinrichtung, einer Gegendruckeinrichtung, einer Rohrbiegeeinrichtung oder ähnlichem. Bei dem Zylinderantrieb ist eine Zylinder-Kolben-Einrichtung vorgesehen, welche einen reversibel arbeitenden (Differential-)Zylinder umfasst und bei der die Zylinder-Pumpenanordnung drehzahl- und/oder drehrichtungsvariabel antreibbar ist. Die zumindest eine Zylinder-Pumpe ist als Verstellpumpe gebildet mit variablem Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkel.
  • Die Pumpe oder die Pumpen können beispielsweise als schwenkbare Axialkolbenpumpe gebildet sein, wobei Betriebsparameter wie etwa Druck, Fördervolumen und/oder Pumpleistung unter anderem vom Schwenkwinkel der Verstellpumpe abhängen. Etwa bei einer Ziehkisseneinrichtung folgt die Ziehkissen-Abwärtsbewegung zwangsweise dem Stößel. Im Regelfall folgt das Kissen auch der anschließenden Aufwärtsbewegung des Stößels, dabei wird das gezogene Bauteil ausgeworfen. Indem ein reversibel arbeitender (Differential-)Zylinder vorgesehen ist, kann der Zylinder etwa beim Einrichten des Werkzeugs auch autark in beiden Richtungen betrieben werden. Der doppeltwirkende Differentialzylinder bietet zudem den Vorteil den Zylinder vor dem Auftreffen des Stößels zu beschleunigen, um den entstehenden Schlag zu dämpfen.
  • Bevorzugt umfasst die Zylinder-Pumpenanordnung zwei Zylinder-Pumpen mit variablem Schwenkwinkel, welche mit einem (gemeinsamen) drehzahlvariablen Zylinder-Pumpenantrieb (Antriebsmotor) etwa über eine gemeinsame Antriebswelle verbunden sind. Motordrehzahl und optional auch -richtung werden über einen Controller und/oder einen Umrichter gesteuert. Es kann vorgesehen sein, dass der Umrichter Controllerfunktionen übernimmt.
  • Das Fördervolumen der beiden Zylinder-Pumpen ist im Wesentlichen eine Funktion des Flächenverhältnisses des im Zylinderantrieb enthaltenen Differentialzylinders. Die Bewegungsrichtung des Zylinder-Kolbens wird durch Änderung der Drehrichtung des Zylinder-Pumpenantriebs erzeugt, bei Installation einer externen Stelleinrichtung und einer von -100% bis +100% Fördervolumen schwenkbaren Pumpe alternativ auch durch Schwenken in den jeweils anderen „Vorzeichenbereich“ (Quadranten). Das Schwenken der Verstellpumpe wird dabei durch Algorithmen gesteuert, die in einer Steuereinheit abgearbeitet werden, beispielsweise innerhalb des Umrichters.
  • Für die Regelung der Zylinderkraft des Zylinderantriebs wird letztlich das Motormoment verwendet, was ein in apparativer und sicherheitsrelevanter Hinsicht kostengünstiger Umrichter zu erfüllen vermag, wodurch der apparative Aufwand im Zusammenhang mit Steuerungsaspekten reduziert wird. Eine aufwändige und womöglich störungsanfällige Steuereinheit kann entfallen.
  • Indem eine Pumpe vorgesehen ist oder vorzugsweise zwei Pumpen mit variablem Schwenkwinkel vorgesehen sind, ist-je nach anstehendem Druck - das Fördervolumen je Motorumdrehung veränderbar. Auf diese Weise kann das maximale Moment des angeschlossenen Motors reduziert werden, weil bei hohem Druck die Zylindergeschwindigkeit in gleicher Weise reduziert wird wie es beim Pressenstößel ohnehin üblich ist. Damit ist ein kleinerer, preiswerterer und letztlich energieeffizienterer Motor einsetzbar.
  • Ein weiterer Effizienzgewinn wird dadurch erreicht, dass durch den Einsatz von zwei Pumpen eine Anpassung der Förderströme für Ring- und Kolbenseite des Differentialzylinders möglich wird. Etwaige im Stand der Technik beschriebene Schaltventile, Rückschlagventile oder Akkumulatoren können entfallen, was die Apparatur vereinfacht, weniger störanfällig macht und Anschaffungs- und Betriebskosten reduziert. Die Entbehrlichkeit von Ventilen und Akkumulatoren mach den Zylinderantrieb außerdem sicherer. So besteht die hydraulische Seite der Zylindersteuerung aus nahezu ausfallsicheren Elementen wie Pumpen und Druckleitungen. Damit wird etwa mittels der im Umrichter integrierten und demnach zertifizierten Sicherheitsfunktionen (z. B. „sicherer Halt“, „sichere Bewegungsrichtung“, „sicher reduzierte Drehzahl“) auf effiziente und kostengünstige Weise ein Zylinderantrieb realisiert, der ohne weitere Zusatzeinrichtungen den gesetzlichen Sicherheitsanforderungen entspricht. Beispielsweise sind ohne nennenswerten apparativen Mehraufwand Einricht-Bewegungen der Vorrichtung mit sicher reduzierter Geschwindigkeit möglich.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Zylinderantrieb autark arbeitet ohne direkte Verbindung zur Antriebstechnik anderer Einrichtungen, Apparate und/oder Vorrichtungen. Es ist demnach eine Verwendung für hydraulische Pressen denkbar oder für elektromechanisch angetriebene Pressen. Die im Zylinderantrieb gewonnene elektrische Energie kann sowohl bei hydraulischen wie auch bei elektromechanischen Anlagen zum Antrieb eines Pressenstößels wiedergewonnen werden.
  • Im Ergebnis wird ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Zylinderantriebskonzept verwirklicht, einerseits mit dem beschriebenen Rekuperationsmerkmal unter Umgehung einer doppelten Energieumwandlung, andererseits als „Low-Cost“-Konzept für vergleichsweise einfache Anwendungen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Zylinderantriebs kann die Zylinder-Pumpenanordnung einen Zylinder-Pumpenantrieb, etwa einen Elektromotor, zum Antreiben der Zylinder-Pumpe umfassen. Es kann eine Zylinder-Getriebeanordnung vorgesehen sein, insbesondere zur Anpassung der Drehzahlen, vorzugsweise der Maximaldrehzahlen, von Zylinder-Pumpenantrieb und Zylinder-Pumpe, wobei die Zylinder-Getriebeanordnung zwischen der zumindest einen Zylinder-Pumpe und dem Zylinder-Pumpenantrieb angeordnet ist.
  • Ein Umrichter kann zum Steuern von Zylinder-Pumpenantriebs-Parametern verwendet werden, wobei die Parameter insbesondere umfassen: Drehrichtung und/oder Drehzahl und/oder Drehmoment des Zylinder-Pumpenantriebs (Motors) und/oder Schwenkwinkel der Zylinder-Verstellpumpe.
  • Ein Verstellen des Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkels der Verstellpumpe kann pumpenintern erfolgen, insbesondere mittels Druck und/oder Moment des Zylinder-Pumpenantriebs. Alternativ kann ein Verstellen des Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkels der Verstellpumpe mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen und/oder elektromechanisch antreibbaren, Stelleinrichtung erfolgen, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist. Zum Steuern dieser Stelleinrichtung(en) kann zumindest ein (vorzugsweise jeweils ein) Umrichter vorgesehen sein. Es kann zumindest ein Steuerventil vorgesehen sein, insbesondere bei einer hydraulisch verstellbaren Pumpe.
  • Bei einer Variante des Zylinderantriebskonzeptes kann zumindest ein Druck-Regelventil vorgesehen sein, welches insbesondere in einer den Kolbenraum oder den Ringraum mit einem Druckmitteltank verbindenden Druckleitung angeordnet ist. Insbesondere wenn die Dynamik der Regelung der Motordrehzahl und/oder der Pumpenschwenkeinrichtung nicht ausreicht, um den geforderten Verlauf des Kraft-Weg-Verlaufs des Zylinders darzustellen, kann ein Druck-Regelventil zweckmäßig sein.
  • Ein hydraulisches Konzept, das effizienter ist im Hinblick auf den Betriebs- respektive Umform-Energieaufwand, insbesondere bei reduzierten (Leistungs-)Verlusten, wird ferner durch eine druckspeicherlose hydraulische Antriebsanordnung zum Antreiben einer einen Zylinder für Umformeinrichtungen umfassenden Presseinrichtung nach Anspruch 9 verwirklicht. Bei dieser Antriebsanordnung ist der Zylinder für Umformeinrichtungen mittels eines hierin beschriebenen Zylinderantriebs antreibbar. Bei Pressen mit mehreren Zylindern für Umformeinrichtungen kann optional jeder Zylinder mit einem eigenen Pumpenaggregat ausgestattet und damit individuell betrieben werden.
  • Ein, insbesondere eigenständiges, hydraulisches Konzept, das ebenfalls effizienter ist im Hinblick auf den Betriebs- respektive Umform-Energieaufwand, insbesondere bei reduzierten (Leistungs-)Verlusten, wird außerdem durch eine druckspeicherlose hydraulische Antriebsanordnung zum Antreiben einer einen Zylinder für Umformeinrichtungen umfassenden Presseinrichtung nach Anspruch 10 verwirklicht. Hierbei ist die Pumpenwelle eine gemeinsame Welle der Pressen-Pumpe(n) und der Zylinder-Pumpe(n).
  • Es kann zweckmäßig sein, wenn eine Pressen-Getriebeanordnung vorgesehen ist, insbesondere zur Anpassung der Drehzahlen, vorzugsweise der Maximaldrehzahlen, von Pressen-Pumpenantrieb und Pressen-Pumpe(n), wobei die Pressen-Getriebeanordnung zwischen der zumindest einen Pressen-Pumpe respektive den Pressen-Pumpen und dem Pressen-Pumpenantrieb angeordnet ist.
  • Die Pressen-Kolben-Einrichtung kann einen Eilgangkolben umfassen. Es kann ferner eine Hilfs-Pumpenanordnung vorgesehen sein, welche fluidisch verbunden ist mit dem Zylinder-Kolbenraum und/oder mit dem Zylinder-Ringraum und/oder mit einem Raum, etwa einem Kolben- oder Ringraum des Eilgangkolbens, der Pressen-Kolben-Einrichtung.
  • Gemäß einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Pressen-Pumpenanordnung eine erste Pressen-Pumpe und eine zweite Pressen-Pumpe umfasst. Einzelne oder jede der Pressen-Pumpen können als Doppel- oder Mehrfachpumpe(n) ausgebildet sein, insbesondere mit jeweils eigenen Stelleinrichtungen. Die erste Pressen-Pumpe ist fluidisch mit dem Pressen-Kolbenraum der Pressen-Kolben-Einrichtung verbunden. Die zweite Pressen-Pumpe ist mit dem Pressen-Ringraum der Pressen-Kolben-Einrichtung fluidisch verbunden. Die erste Pressen-Pumpe, die zweite Pressen-Pumpe und die Zylinder-Pumpe weisen eine gemeinsame Pumpenwelle auf. Ein Verstellen eines ersten Pressen-Pumpen-Schwenkwinkels der ersten Pressen-Pumpe erfolgt demnach mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, ersten Pressen-Stelleinrichtung, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist. Ein Verstellen eines zweiten Pressen-Pumpen Schwenkwinkels der zweiten Pressen-Pumpe erfolgt mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, zweiten Pressen-Stelleinrichtung, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist. Ein Verstellen des Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkels der Zylinder-Pumpe erfolgt mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, Zylinder-Stelleinrichtung, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist. Vorzugsweise kann einen Umrichter-Anordnung vorgesehen sein, welche einen ersten Umrichter zum Steuern der ersten Pressen-Stelleinrichtung, einen zweiten Umrichter zum Steuern der zweiten Pressen-Stelleinrichtung und einen dritten Umrichter zum Steuern der Zylinder-Stelleinrichtung umfasst.
  • Die Rekuperation kann unmittelbar von der „bremsenden“ Zylinderpumpe über die gemeinsame Welle in die Hauptkolben-Pumpe erfolgen. Somit werden die zweifachen Umwandlungsverluste (Hydraulik - Elektrik und Elektrik - Hydraulik) vermieden. Dies führt erfahrungs- und versuchsgemäß zu etwa 10% höheren Rückspeisewerten. Bei einer Zylinderleistung von etwa 20 kW würden demnach etwa 2 kW zurückgespeist, d. h. etwa 2 kW mehr als gemäß Stand der Technik zu erwarten wäre. Dies bewirkt eine erhebliche Effizienzsteigerung der Vorrichtung.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die rückgespeiste Zylinderenergie die Bewegung des Hauptstößels beschleunigt. Ist beispielsweise ein Antriebsmotor mit einem maximalen Moment von etwa 200 Nm im Einsatz, so könnte bei einem über den Zylinder zurückgespeisten Moment von etwa 60 Nm die Kolbenpumpe des Pressenstößels mit im Wesentlichen 200 Nm + 60 Nm = 260 Nm angetrieben werden, weil die rekuperierte Energie über die Welle direkt eingespeist wird. Die StößelGeschwindigkeit steigt also um etwa 30%. Beim Umweg über die elektrische Rekuperation stünden dagegen auch bei einem über den Zylinder für die Umformeinrichtung zurückgespeisten Moment von etwa 60 Nm weiterhin nur 200 Nm an der Motorwelle zur Verfügung. Die Anlage würde also bei der rein elektrischen Rückspeisung nicht schneller, sie entnähme nur weniger Energie aus dem Stromnetz.
  • Bei Einsatz einer motorischen Schwenkwinkelverstellung mit Servomotoren, Kugelrollspindel und entsprechend sicherem Drehwinkelgeber am Motor kann allein durch die im Umrichter integrierten, zertifizierten Sicherheitsfunktionen (z. B. „sicherer Halt“, „sichere Bewegungsrichtung“, „sicher reduzierte Drehzahl“) auf einfache Weise ein Antrieb realisiert werden, der ohne weitere Zusatzeinrichtungen den gesetzlichen Sicherheitsanforderungen entspricht. So sind auch hier Einricht-Bewegungen mit sicher reduzierter Geschwindigkeit möglich. Durch die zusätzliche Bremse am Motor können auch höchste Sicherheitsanforderungen erfüllt werden (z. B. PLe nach EN 13849-1).
  • Das hierin beschriebene Pressenantriebskonzept kann außer für Tiefziehpressen auch für viele andere hydraulischen Maschinen mit mehreren, bevorzugt gegeneinander wirkenden Zylindern genutzt werden, beispielsweise für Rohr-Biegeanlagen.
  • Ein insbesondere eigenständiges hydraulisches Konzept, das effizienter ist im Hinblick auf den Betriebs- respektive Umform-Energieaufwand, insbesondere bei reduzierten (Leistungs-)Verlusten, wird außerdem durch ein hydraulisches Antriebsverfahren zum Antreiben eines Zylinders verwirklicht. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die rekuperierte Energie Leistung dem verwendeten Zylinder und/oder der verwendeten Presse zugeführt wird.
  • Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Antriebskonzeptes für Zylinder respektive für Pressen dargestellt ist. Auch einzelne Merkmale der Ansprüche oder der Ausführungsformen können mit anderen Merkmalen anderer Ansprüche und Ausführungsformen kombiniert werden.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung zeigen
    • 1A/B Varianten eines Zylinderantriebs, jeweils in schematischer Darstellung,
    • 2 ein Antrieb einer Presseinrichtung mit Zylinder in schematischer Darstellung und
    • 3A/B Varianten eines Pressenantriebs, bei dem Pressen-Pumpen und Zylinderpumpe auf einer gemeinsamen Pumpenwelle angeordnet sind, in schematischer Darstellung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Ein Schema eines Zylinderantriebs 1 kann der 1 A entnommen werden. Das (in 1A nicht dargestellte) Werkzeug (Ziehkissen) wird über eine Zylinder-Kolben-Einrichtung 2 in Gestalt eines Differentialzylinders mit Kraft respektive Druck beaufschlagt. Die Zylinder-Kolben-Einrichtung 2 umfasst einen Zylinder-Kolben 3, der einen Zylinder-Kolbenraum 4 und einen Zylinder-Ringraum 5 der Kolben-Einrichtung 2 begrenzt. An dem Zylinder-Kolbenraum 4 ist die Druckleitung D1 angeschlossen, an dem Zylinder-Ringraum die Druckleitung D2. In den Druckleitungen D1, D2 wird ein Druckmittel 6 fluidisch gefördert.
  • Der hydraulische Zylinderantrieb 1 umfasst ferner eine Zylinder-Pumpenanordnung 7. Die Zylinder-Pumpenanordnung 7 wiederum umfasst eine erste, verstellbare, Zylinder-Pumpe 8 und eine zweite, verstellbare, Zylinder-Pumpe 9, die beide durch eine gemeinsame Pumpenwelle 10 mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Pumpen 8, 9 können beispielsweise als Axialkolbenpumpen gebildet sein. An der gemeinsamen Pumpenwelle 10 ist der elektromotorische Zylinder-Pumpenantrieb 11 mechanisch befestigt. Das motorische Antreiben der Pumpen 8, 9 erfolgt drehzahlvariabel und/oder drehrichtungsvariabel. Der Antriebsmotor 11 ist elektrisch mit einem Umrichter 12 verbunden. Zwischen Elektromotor 11 und den Pumpen 8, 9 ist ein Zylinder-Getriebe 13 vorgesehen zur Anpassung der jeweiligen Drehzahlen.
  • Die an dem Zylinder-Kolbenraum 4 angeordnete Druckleitung D1 ist mit der Druckseite 14 der ersten Zylinder-Pumpe 8 fluidisch verbunden. Die an dem Zylinder-Ringraum 5 angeordnete Druckleitung D2 ist mit der Druckseite 14 der zweiten Zylinder-Pumpe 9 fluidisch verbunden.
  • Gemäß 1A ist ein Controller 15 vorgesehen, der elektrisch mit dem Umrichter 12 verbunden ist (strichlierte Linie). Mit dem Controller 15 können, sofern dies bei der Zylinderantriebsvariante vorgesehen sein soll, andere Komponenten der Antriebseinrichtung 1 geregelt/gesteuert werden. Gemäß 1A sind das ein Positionssensor 16 zur Erfassung der Kolbenstellung und/oder ein Druckregelventil 17. Das (optionale) Druckregelventil 17 kann zweckmäßig sein, wenn die Dynamik der Regelung der (hydraulischen und/oder mechanischen) Antriebskomponenten nicht ausreicht, um den erforderlichen Kraft-Weg-Verlauf des Zylinders 3 zu realisieren. Das Druckregelventil 17 ist in der Druckleitung D3 angeordnet welche ansonsten die Druckleitung D1 und einen Druckmittel-Tank 18 fluidisch verbindet.
  • Indem die Pumpen 8, 9 des Zylinderantriebs 1 gemäß 1A (pumpenintern) schwenkbar sind, etwa in Abhängigkeit von Druck oder Motormoment, ist z. B. das Fördervolumen je Motorumdrehung veränderbar. Auf diese Weise kann dass maximale Moment des angeschlossenen Motors 11 reduziert werden, weil bei hohem Druck die Zylindergeschwindigkeit in gleicher Weise reduziert wird wie es beim Pressenstößel ohnehin üblich ist. Damit ist ein kleinerer, kostengünstigerer Motor 11 einsetzbar. Schließlich erlaubt der Einsatz von zwei Pumpen 8, 9 gemäß 1A eine effiziente Anpassung der Förderströme für die Ring- und Kolbenseite des Differentialzylinders 2.
  • Bei der in 1B schematisch dargestellten Variante des Zylinderantriebs 1 ist eine pumpenexterne Stelleinrichtung 19 zum Schwenken der Verstellpumpen 8, 9 vorgesehen, welche jeweils an einem (eigenen) Umrichter 20 einer Umrichter-Anordnung 21 (elektrisch) angeschlossen sind. Die Umrichter-Anordnung 21 ist elektrisch mit dem Controller 15 verbunden. Gemäß der 1B ist ein Druckregelventil (17) nicht vorgesehen.
  • Eine druckspeicherlose hydraulische Antriebseinrichtung 100 zum Antreiben einer einen Zylinder für Umformeinrichtungen umfassenden Presseinrichtung 150 ist schematisch in 2 abgebildet. Die Presseinrichtung 150 umfasst eine ebenfalls als Differentialzylinder gebildete Pressen-Kolben-Einrichtung 102, an der - gemäß einer Variante - ein Eilgangkolben 151 angeordnet ist. Der Pressen-Kolbenraum 104 des Pressen-Differentialzylinders 102 ist mit der Druckseite 114 einer ersten Pumpe 108 einer Pressen-Pumpenanordnung 107 über die Druckleitung L2 fluidisch verbunden. Der Pressen-Ringraum 105 des Pressen-Differentialzylinders 102 ist über die Druckleitung L1 fluidisch mit der Druckseite 114 einer zweiten Pressen-Pumpe 109 der Pressen-Pumpenanordnung 107 verbunden. Die Saugseite 122 der ersten Pressen-Pumpe 108 ist fluidisch mit dem Kolbenraum 152 des Eilgangkolbens 151 der Pressen-Kolben-Einrichtung 102 über die Druckleitung L3 verbunden. Die Pressen-Pumpenanordnung 107 umfasst eine Pumpenwelle 110, welche gemeinsame Welle der ersten Pressen-Pumpe 108 und der zweiten Pressen-Pumpe 109 ist. Eine, vorzugsweise beide, Pressen-Pumpen können als Verstellpumpe gebildet sein, d. h. als schwenkbare Pumpen, welche um einen Schwenkwinkel verschwenkbar sind, um das Fördervolumen je Umdrehung zu verändern.
  • Die gemeinsame Pumpenwelle 110 der Pressen-Pumpenanordnung 107 ist mechanisch mit dem Pressen-Pumpenantrieb 111 verbunden, wobei der Pressen-Pumpenantrieb 111 als drehzahlvariabel und/oder drehrichtungsvariabel betreibbarer Elektromotor 111 gebildet ist. Zwischen dem Motor 111 und den Pumpen 108, 109 ist wahlweise ein Getriebe 113 angeordnet.
  • Die Presseinrichtung 150 gemäß 2 umfasst einen Zylinderantrieb 1, dessen Komponenten und fluidische sowie elektrische Beschaltung - mit Ausnahme eines optionalen Druckregelventils - bereits anhand der 1A erläutert wurde. Zylinderantrieb 1 und Pressen-Pumpenanordnung 107 respektive Pressen-Kolben-Einrichtung 102 haben einen gemeinsamen Druckmitte-Tank 18.
  • Die Pressenantriebs-Varianten gemäß der 3A und 3B umfassen Pumpenanordnungen 107 mit einer ersten und einer zweiten Pressen-Pumpe 108, 109 sowie mit einer Zylinder-Pumpe 8, wobei diese drei Pumpen (erste Pressen-Pumpe 108, zweite Pressen-Pumpe 109 und Zylinder-Pumpe 8) an einer gemeinsamen Pumpenwelle 110 mechanisch angeschlossen sind. Gemäß 3A ist die Druckseite 14 der Pumpe 8 fluidisch über die Druckleitung L5 mit dem Kolbenraum 5 der Zylinder-Kolbeneinrichtung 2 verbunden und die Saugseite 22 der Pumpe 8 über die Leitung L4 mit dem Zylinder-Ringraum 4. Jede der drei Pumpen 8, 108, 109 ist pumpenextern mittels jeweils einer Stelleinrichtung 19, 119 elektromechanisch ooder hydraulisch verschwenkbar. Für jede Stelleinrichtung 19, 119 ist bei elektromechanischer Verstellung jeweils ein Umrichter 20, 120 einer Umrichter-Anordnung 121 vorgesehen, bei hydraulischer Verstellung wäre dies ein entsprechendes Steuerventil. Ein vierter Umrichter 120 ist elektrisch mit dem elektromotorischen Pressen-Pumpenantrieb 111 verbunden.
  • Die Anordnung dreier wellenseitig gekoppelter Verstellpumpen 8, 108, 109 gemäß des in 3A gezeigten Antriebskonzepts ermöglicht einen effizienten Energierespektive Leistungsaustausch zwischen den anzutreibenden Verbrauchern (2, 102, 150). So kann Energie/Leistung rekuperiert werden und die verbauten Komponenten können kleiner dimensioniert werden, was Herstellungs- und Betriebskosten reduziert.
  • Gemäß der in 3B dargestellten Variante des Antriebskonzepts ist ein Hilfsmotor 153 und eine damit verbundene Hilfspumpe 154 vorgesehen, etwa zur Druckmittelförderung in und/oder aus wenig leistungsrelevante(n) Volumina, wie etwa dem Eilgangkolbenraum 152 oder dem Zylinder-Ringraum 5. Das Konzept gemäß 3B gestattet, dass die Druckleitung L4 zwischen der Saugseite 22 der Zylinder-Pumpe 8 und dem Zylinder-Ringraum 5 entfällt. Die Versorgung des Zylinder-Ringraums 5 und des Eilgangkolbenraums 152 erfolgt über die Hilfsdruckleitung L6 und L7, wobei die Druckseite 14 der Hilfspumpe 154 über Leitungen L6 und L7 mit dem Ringraum 4 verbunden ist und mit dem Kolbenraum 152 des Eilgangkolbens 151. Die Druckseite 14 der Pumpe 8 ist über die Leitung L5 mit dem Kolbenraum 5 der Zylinder-Kolben-Einrichtung 2 fluidisch verbunden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Zylinderantrieb
    2
    Zylinder-Kolben-Einrichtung
    3
    Zylinder-Kolben
    4
    Zylinder-Kolbenraum
    5
    Zylinder-Ringraum
    6
    Druckmittel
    7
    Zylinder-Pumpenanordnung
    8
    Pumpe
    9
    Pumpe
    10
    Pumpenwelle
    11
    Zylinder-Pumpenantrieb, Motor
    12
    Umrichter
    13
    Zylinder-Getriebe
    14
    Druckseite
    15
    Controller
    16
    Positionssensor
    17
    Druckregelventil
    18
    Druckmitteltank
    19
    Stelleinrichtung
    20
    Umrichter
    21
    Umrichter-Anordnung
    22
    Saugseite
    100
    Antriebseinrichtung
    102
    Pressen-Kolben-Einrichtung
    103
    Pressen-Kolben
    104
    Pressen-Kolbenraum
    105
    Pressen-Ringraum
    107
    Pressen-Pumpenanordnung
    108
    Pumpe
    109
    Pumpe
    110
    Pumpenwelle
    111
    Pressen-Pumpenantrieb, Motor
    112
    Umrichter
    113
    Pressen-Getriebe
    114
    Druckseite
    115
    Controller
    116
    Positionssensor
    119
    Stelleinrichtung
    120
    Umrichter
    121
    Umrichter-Anordnung
    122
    Saugseite
    150
    Presseinrichtung
    151
    Eilgangkolben
    152
    Eilgangkolbenraum
    153
    Hilfsmotor
    154
    Hilfspumpe
    D1
    Druckleitung
    D2
    Druckleitung
    D3
    Druckleitung
    L1
    Druckleitung
    L2
    Druckleitung
    L3
    Druckleitung
    L4
    Druckleitung
    L5
    Druckleitung
    L6
    Druckleitung
    L7
    Druckleitung

Claims (15)

  1. Hydraulischer Zylinderantrieb (1) umfassend zumindest eine an zumindest einem Zylinder angeordnete Zylinder-Kolben-Einrichtung (2) mit einem Zylinder-Kolben (3), einem Zylinder-Kolbenraum (4) und, bevorzugt, einem Zylinder-Ringraum (5), einer fluidisch mit der Zylinder-Kolben-Einrichtung (2) verbundene Zylinder-Pumpenanordnung (7) mit zumindest einer Zylinder-Pumpe (8, 9), und den Zylinder-Ringraum (5) und/oder den Zylinder-Kolbenraum (4) mit einem Druckmittel (6) fluidisch versorgende Druckleitungen (D1, D2, D3), dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Kolben-Einrichtung (2) einen reversibel arbeitenden Zylinder, insbesondere Differentialzylinder, umfasst, dass die Zylinder-Pumpenanordnung (7) drehzahl- und/oder drehrichtungsvariabel antreibbar ist, und dass die zumindest eine Zylinder-Pumpe (8, 9) als Verstellpumpe gebildet ist mit variablem Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkel.
  2. Zylinderantrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder-Pumpenanordnung (7) einen Zylinder-Pumpenantrieb (11) zum Antreiben der Zylinder-Pumpe (8, 9) umfasst.
  3. Zylinderantrieb (1) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Zylinder-Getriebeanordnung (13), insbesondere zur Anpassung der Drehzahlen, vorzugsweise der Maximaldrehzahlen, von Zylinder-Pumpenantrieb (11) und Zylinder-Pumpe (8, 9), wobei die Zylinder-Getriebeanordnung (13) zwischen der zumindest einen Zylinder-Pumpe (8, 9) und dem Zylinder-Pumpenantrieb (11) angeordnet ist.
  4. Zylinderantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Umrichter (12) zum Steuern von Zylinder-Pumpenantriebs-Parametern, insbesondere umfassend Drehrichtung und/oder Drehzahl und/oder Drehmoment des Zylinder-Pumpenantriebs (11) und/oder Schwenkwinkel der Zylinder-Pumpe (8, 9).
  5. Zylinderantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellen des Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkels der Verstellpumpe (8, 9) pumpenintern erfolgt, insbesondere mittels Druck und/oder Moment des Zylinder-Pumpenantriebs (11).
  6. Zylinderantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstellen des Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkels der Verstellpumpe (8, 9) mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, Zylinder-Stelleinrichtung (19) erfolgt, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist.
  7. Zylinderantrieb (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch zumindest einen Umrichter (20) zum Steuern der zumindest einen, insbesondere elektromechanisch antreibbaren, Zylinder-Stelleinrichtung (19), und/oder durch zummindest ein Steuerventil.
  8. Zylinderantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch zumindest ein Druck-Regelventil (17), welches insbesondere in einer den Zylinder-Kolbenraum (4) oder den Zylinder-Ringraum (5) mit einem Druckmitteltank (18) verbindenden Druckleitung (D3) angeordnet ist.
  9. Druckspeicherlose hydraulische Antriebsanordnung (100) zum Antreiben einer einen Zylinder für Umformeinrichtungen umfassenden Presseinrichtung (150), wobei die Presseinrichtung (150) eine Pressen-Kolben-Einrichtung (102) umfasst, welche über eine Pressen-Pumpenanordnung (107) und über damit verbundene Druckleitungen (L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, D1, D2, D3) hydraulisch antreibbar ist, wobei die Pressen-Kolben-Einrichtung (101) über zumindest eine, eine Pumpenwelle (110) umfassende, Pressen-Pumpe (108, 109) verfügt, welche drehzahl- und/oder drehrichtungsvariabel antreibbar ist, wobei die Pressen-Kolben-Einrichtung (102) über einen Pressen-Pumpenantrieb (111) verfügt, welcher die zumindest eine Pressen-Pumpe (108, 109) antreibt, und wobei die zumindest eine Pressen-Pumpe (108, 109) als Verstellpumpe gebildet ist mit variablem Pressen-Pumpen-Schwenkwinkel, insbesondere mittels, vorzugsweise pumpenexterner, Pressen-Stelleinrichtung (119), dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder für Umformeinrichtungen mittels einem Zylinderantrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 antreibbar ist.
  10. Druckspeicherlose hydraulische Antriebsanordnung (100) zum Antreiben einer einen Zylinder für Umformeinrichtungen umfassenden Presseinrichtung (150) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenwelle (110) eine gemeinsame Welle der Pressen-Pumpe (108, 109) und der Zylinder-Pumpe (8) ist.
  11. Antriebsanordnung (100) nach Anspruch 9 oder 10 gekennzeichnet durch eine Pressen-Getriebeanordnung (113), insbesondere zur Anpassung der Drehzahlen, vorzugsweise der Maximaldrehzahlen, von Pressen-Pumpenantrieb (111) und Pressen-Pumpe (108, 109), wobei die Pressen-Getriebeanordnung (113) zwischen der zumindest einen Pressen-Pumpe (108, 109) und dem Pressen-Pumpenantrieb (111) angeordnet ist.
  12. Antriebsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressen-Kolben-Einrichtung (102) einen Eilgangkolben (151) umfasst.
  13. Antriebsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Hilfs-Pumpenanordnung (153, 154), welche fluidisch verbunden ist mit dem Zylinder-Kolbenraum (4) und/oder mit dem Zylinder-Ringraum (5) und/oder mit einem Raum (152) der Pressen-Kolben-Einrichtung (102).
  14. Antriebsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressen-Pumpenanordnung (107) eine erste Pressen-Pumpe (108) und eine zweite Pressen-Pumpe (109) umfasst, wobei die erste Pressen-Pumpe (108) fluidisch mit dem Pressen-Kolbenraum (104) der Pressen-Kolben-Einrichtung (102) verbunden ist, wobei die zweite Pressen-(109) Pumpe mit dem Pressen-Ringraum (105) der Pressen-Kolben-Einrichtung (102) fluidisch verbunden ist, wobei die erste Pressen-Pumpe (108), die zweite Pressen-Pumpe (109) und die Zylinder-Pumpe (8) eine gemeinsame Pumpenwelle (110) aufweisen, wobei ein Verstellen eines ersten Pressen-Pumpen-Schwenkwinkels der ersten Pressen-Pumpe (108) mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, ersten Pressen-Stelleinrichtung (119) erfolgt, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist, wobei ein Verstellen eines zweiten Pressen-Pumpen Schwenkwinkels der zweiten Pressen-Pumpe (109) mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, zweiten Pressen-Stelleinrichtung (119) erfolgt, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist, und wobei ein Verstellen des Zylinder-Pumpen-Schwenkwinkels der Zylinder-Pumpe (8) mittels zumindest einer, insbesondere pumpenexternen, Zylinder-Stelleinrichtung (19) erfolgt, welche vorzugsweise hydraulisch oder elektromechanisch betreibbar ist.
  15. Antriebsanordnung (100) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Umrichter-Anordnung (121) umfassend einen ersten Umrichter (120) zum Steuern der ersten Pressen-Stelleinrichtung (119), einen zweiten Umrichter (120) zum Steuern der zweiten Pressen-Stelleinrichtung (119) und einen dritten Umrichter (20) zum Steuern der Zylinder-Stelleinrichtung (19).
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