DE4416723A1 - Antriebssystem für einen hydraulischen Verbraucher, insbesondere einen Arbeitszylinder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für einen hydrau­ lischen Verbraucher, insbesondere einen Arbeitszylinder ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist von einem aus DE 32 02 015-C bekannten Antriebssystem ausgegangen, mit dem die Aufgabe gelöst wurde, die Bewegungsgeschwindigkeit eines in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens mit möglichst ge­ ringem Energieverlust und insbesondere unter Vermeidung des an einer Drosselstelle zur Einstellung der Bewegungsge­ schwindigkeit auftretenden Energieverlustes zu steuern. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es aus der vorgenannten Patent­ schrift bekannt, die an das Leitungsnetz konstanten Druckes angeschlossene sekundär geregelte Maschine mechanisch mit einer zweiten hydrostatischen Maschine mit konstantem Schluck- bzw. Fördervolumen zu kuppeln und den hydraulischen Verbraucher mit der zweiten hydrostatischen Maschine hydrau­ lisch zu verbinden. Dabei wird die Bewegungsgeschwindigkeit des hydraulischen Verbrauchers an einer Dosiereinrichtung im Drehzahlregelsystem der ersten hydrostatischen Maschine be­ stimmt und die Bewegungsrichtung des Verbrauchers wird von einem die Drehrichtung der ersten Maschine bestimmenden Ven­ til im Drehzahlregelsystem eingestellt.

Ein anderer Lösungsweg findet sich in DE 32 27 423 A1. Dabei erhält der Arbeitszylinder einen Druckmittelstrom über ein die Bewegungsrichtung bestimmendes Ventil von einem Motor, der eingangsseitig an ein Konstantdrucknetz angeschlossen ist. Dabei kann wahlweise die Pumpe oder der Motor verstell­ bar ausgeführt sein, so daß die Drehzahlregelung entweder an der Pumpe oder am Motor erfolgt. Das bekannte System bedient sich einer Leistungsverzweigung insofern, als der am Kon­ stantdrucknetz liegende Motor stets mechanisch die Pumpe und hydraulisch den Kolben des Arbeitszylinders antreibt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das bekannte Antriebssystem dahingehend zu verbessern, daß eine höhere Regelgeschwindigkeit und Dynamik erzielt und die Verluste des Antriebssystems durch Energierückgewinnung ver­ ringert werden.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß läuft die erste hydrostatische Maschine, also die sekundärgeregelte Einheit, drehzahlgeregelt mit einer bestimmten konstanten Drehzahl, die wählbar ist. Damit werden vom Verbraucher herrührende Laständerungen, die eine Drehzahländerung der gekuppelten Maschinen bedingen, ausge­ regelt. Die Bewegungsrichtung des Verbrauchers wird nicht mehr durch ein im Drehzahlregelsystem der ersten Maschine vorgesehenes, die Drehrichtung bestimmendes Ventil vorgenom­ men. Vielmehr wird für die erste Maschine eine bestimmte Drehrichtung vorgegeben, die im Betrieb gleichbleibt.

Die Bewegungsrichtung, Bewegungsgeschwindigkeit und die Po­ sition des Kolbens im Arbeitszylinder bzw. des Verbrauchers wird nun über die Schwenkwinkeleinstellung der zweiten hy­ drostatischen Maschine eingestellt. Die Schwenkwinkelein­ stellung der zweiten Maschine erfolgt entsprechend den Be­ dürfnissen der von dem Verbraucher anzutreibenden Last, z. B. einer hydraulischen Presse, beliebig bzw. entsprechend einem vorgegebenen Programm. Die im Programm gespeicherten Werte für die Bewegung und Position werden abgefragt und in An­ steuersignale für ein Ventil umgesetzt, das die Stellein­ richtung der zweiten Maschine ansteuert. Die Bewegungsrich­ tung des Verbrauchers erfolgt dadurch, daß die zweite hydro­ statische Maschine über Null verschwenkt wird.

Erfindungsgemäß bleibt also die Drehrichtung der ersten Ma­ schine stets gleich und wird an dieser eine bestimmte kon­ stante Drehzahl eingestellt und nachgeregelt. Die Bewegungs­ geschwindigkeit des Verbrauchers wird dagegen mit der Schwenkwinkeleinstellung der zweiten hydrostatischen Ma­ schine und gegebenenfalls durch Änderung der Konstantdreh­ zahl der ersten Maschine eingestellt. Bei Reversierbetrieb wird die zweite Maschine dann über Null geschwenkt.

Erfindungsgemäß wird die hohe Auflösung im Regelverhalten dadurch erreicht, daß die Drehzahl der ersten Maschine dem Volumenbedarf der zweiten Maschine angepaßt wird, so daß an der zweiten Maschine für die jeweils gewünschte Geschwindig­ keit des Arbeitszylinders bzw. Verbrauchers ein möglichst grober Schwenkwinkel zur Verfügung steht, was zu einer ent­ sprechend hohen Auflösung führt.

Damit lädt sich eine höhere Regeldynamik sowie eine bessere Auflösung im Feinsteuerbereich erzielen. Ferner ergeben sich geringere Verluste, da die zu beschleunigenden Massenträg­ heitsmomente und die erforderliche Steuerleistung geringer sind. Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem für eine Presse wird erwartet, daß die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht wird und die installierte Leistung verringert wird. Dadurch, daß beide Maschinen im Schwenkwinkel über Null verschenkbar sind, lädt sich das Antriebssystem im vier Quadranten-Be­ trieb betreiben, d. h. wenn der Verbraucher von der Last her angetrieben wird, arbeitet die zweite Maschine als Motor und treibt die dann als Pumpe arbeitende erste Maschine an, die Druckmittel in das Konstantdrucknetz zurückfördert und einen an das Konstantdrucknetz angeschlossenen hydraulischen Spei­ cher lädt.

Vorzugsweise ist die Sekundäreinheit noch mit einem Gyro­ speicher gekuppelt, dessen Zusatzmassenträgheitsmoment der Regelstabilität förderlich ist. Die Zusatzmasse darf nicht zu grob sein, weil sonst die Drehzahldynamik abnimmt. Der Gyrospeicher ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn der Ar­ beitszylinder durch eine äußere Last angetrieben wird und so die erste Maschine von der zweiten Maschine angetrieben wird. Bei dieser Energierückgewinnung erhöht sich die Dreh­ zahl der ersten Maschine. Wird jetzt der Schwenkwinkel der ersten Maschine konstant gehalten, diese also nicht nachge­ regelt, so wird der Gyrospeicher beschleunigt und aufgela­ den, während die Bewegungsgeschwindigkeit des Zylinders durch Zurücknahme des Schwenkwinkels der zweiten Maschine ausgeglichen wird. Anschließend treibt der Gyrospeicher die erste Maschine an, liefert also die gespeicherte Energie zurück, bis die Drehzahl wieder auf den vorgegebenen Wert abgefallen ist.

Das erfindungsgemäße Antriebssystem eignet sich vorzugsweise für einen Gleichlauf zweier oder mehrerer Arbeitszylinder, da das Regelverhalten der beiden Systeme so gut ist, daß ein Gleichlauf eingeregelt werden kann.

Ferner ist ein Vorteil darin zu sehen, daß die sekundär ge­ regelte Maschine bezüglich der Nenngröße kleiner ausgeführt werden kann, wenn der maximale Druck und der maximale Volu­ menstrom, d. h. die Eckleistung nicht gleichzeitig auftreten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Antriebssystem für zwei, in Gleichlauf zu be­ tätigende Arbeitszylinder, und

Fig. 2 ein Antriebssystem mit einem elektrischen Dreh­ zahl- und Lageregler.

In Fig. 1 sind zwei Antriebssysteme für zwei Arbeitszylinder dargestellt. Jedes Antriebssystem besteht aus einer ersten hydrostatischen Maschine 20 als Sekundäreinheit, die über ein Rückschlagventil 18 an eine Leitung 23 mit einem Spei­ cher 19 angeschlossen ist. In der Druckleitung 23 wird von einer angetriebenen hydrostatischen Maschine 10 als Pri­ märeinheit, die mit einer Schwenkwinkelverstellung 11 verse­ hen ist, ein konstanter bzw. eingeprägter Druck aufrechter­ halten.

An der Druckleitung 23 ist außerdem ein zweites Antriebssy­ stem für einen zweiten Arbeitszylinder angeschlossen. Beide Antriebssysteme sind identisch, so daß im folgenden nur das eine Antriebssystem erläutert werden soll.

Die Verstellung des Förder- bzw. Schluckvolumens der Sekun­ däreinheit 20 erfolgt durch einen Stellzylinder 21. Je nach Belastung der zweiten hydrostatischen Maschine 40, die hydraulisch über die Leitungen 51 und 52 mit einem Arbeits­ zylinder 50 verbunden ist, stellt sich bei einer bestimmten Schwenkwinkeleinstellung der Sekundäreinheit 20 eine be­ stimmte Drehzahl ein. Die Einstellung der Drehzahl und damit der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 55 des Arbeitszy­ linders erfolgt also durch die Einstellung des Stellzylin­ ders 21.

In Fig. 1 ist eine hydraulische Drehzahlregelung mit einem mit den Maschinen 20, 40 gekuppelten hydraulischen Signalge­ ber 22 und einem Proportionalventil 26 dargestellt, dessen Anschluß P an die Druckleitung 23, und dessen Anschlüsse A und B an die Zylinderräume 37 und 38 des Stellzylinders 21 angeschlossen sind. An die Verbindungsleitung 35, 36 ist der Signalgeber 22 angeschlossen.

Der Signalgeber 22 liefert einen Volumenstrom entsprechend der Drehzahl der Maschinen 20, 40, also einen Volumenstrom, der dem Istwert der Drehzahl entspricht. An dem Proportio­ nalventil 26, das elektrisch ansteuerbar ist, wird ein Volu­ menstrom durch das Ventil eingestellt, der dem Sollwert der Drehzahl entspricht. Je nach Stellung des Proportionalven­ tils 26 gelangt der Steuerstrom über die Leitung 35 in den Zylinderraum 37 bzw. über die andere Verbindungsleitung 36 in den Zylinderraum 38 und verstellt den Kolben der Stell­ einrichtung 21 in die eine oder andere Richtung. Zu diesem Steuerstrom als Sollwert wird der Volumenstrom des Signalge­ bers 22 addiert bzw. subtrahiert und damit die Regelabwei­ chung erzeugt, die eine entsprechende Einstellung am Stellzylinder hervorruft und den Schwenkwinkel der Sekun­ däreinheit 20 so lange verändert, bis die Regelabweichung verschwindet und damit die gewünschte Drehzahl erreicht ist.

Weitere Ausführungen zur hydraulischen Drehzahlregelung fin­ den sich in den bereits genannten Druckschriften DE 32 02 015, wie auch beispielsweise in DE 34 18 599. Ferner kann die Verstellung der Stelleinrichtung 21 auch durch ein vor­ gesteuertes Ventil erfolgen, dessen Stellung vom Druckunter­ schied in den Leitungen 35 und 36 bestimmt ist. Ferner kann die Lage des Stellzylinders und damit der Istwert des Schwenkwinkels mechanisch auf das Ventil zurückgeführt wer­ den.

Die zweite hydrostatische Maschine 40 ist ebenfalls eine verstellbare Einheit, deren Schwenkwinkel und damit Hubvolu­ men von einer nicht dargestellten Stelleinrichtung einstell­ bar ist, womit sich die Geschwindigkeit des Kolbens 55 ent­ sprechend einer bestimmten Drehzahl ergibt. Die Ansteuerung der Stelleinrichtung für die Maschine 40 erfolgt beliebig, z. B. mit Hilfe eines vorgegebenen Programms, das durch den Betrieb der von dem Arbeitszylinder anzutreibenden Last, beispielsweise einem hydraulischen Pressenzylinder, bestimmt ist. Auch die Umsteuerung für die Bewegungsrichtung des Kol­ bens 55 erfolgt an der Maschine 40 durch Schwenken über Null. Mit den Maschinen 20, 40 ist ein Schwungrad 58 gekup­ pelt, das als mechanischer Energiespeicher dient.

Entsprechend der jeweiligen Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 55 wird die Grunddrehzahl der Sekundäreinheit 20 so eingestellt, daß in dem zu erwartenden Drehzahlbereich die zweite hydrostatische Maschine 40 möglichst grobe Schwenk­ winkel einstellt, so daß die Auflösung bzw. Regelempfind­ lichkeit maximal ist. In Kombination mit der gleichbleiben­ den Drehrichtung der Maschine 20 und deren Drehzahlregelung auf eine bestimmte, entsprechend wählbare Konstantdrehzahl ergibt sich mit der Schwenkwinkelverstellung der zweiten Ma­ schine 40 eine hohe Regeldynamik und ein besseres Ansprech­ verhalten, insbesondere im Feinsteuerbereich. Das Regelver­ halten ist so günstig, daß die beiden in Fig. 1 dargestell­ ten Pressenzylinder 50 im Gleichlauf betrieben werden kön­ nen. Treibt die in Fig. 1 dargestellte Masse 53 den Kolben 55 an, so erfolgt Energierückgewinnung, indem die Maschine 40 nunmehr als Motor arbeitend die Maschine 20 antreibt. Diese kann dann entweder als Pumpe arbeitend Druckmittel in den Speicher 19 schieben. Erfolgt aber in diesem Zustand der Energierückgewinnung keine Nachregelung der Sekundäreinheit 20, so beschleunigt die Antriebsleistung das Schwungrad 58, so daß sich die Drehzahl des Antriebssystems erhöht. Die Be­ wegungsgeschwindigkeit des Kolbens 55 wird durch die Stell­ einrichtung an der Maschine 40 nachgeregelt. Anschließend kann die im Schwungrad gespeicherte Energie wiederum die Se­ kundäreinheit 20 und damit die zweite Maschine 40 antreiben, bis die voreingestellte Drehzahl wieder erreicht ist.

In Fig. 2 ist ein Antriebssystem für einen einfach wirkenden Arbeitszylinder 43 dargestellt, der über eine Leitung 41 mit der zweiten hydrostatischen Maschine 40 verbunden ist. Die Drehzahlregelung der Sekundäreinheit 20 erfolgt dagegen elektrisch. Der Istwert der Drehzahl wird an einem Tachoge­ nerator 60 oder Impulsgeber erzeugt. In einem Vergleichs­ glied 61 wird aus dem Istwert der Drehzahl und einem vorge­ gebenen Sollwert der Drehzahl eine Regelabweichung gebildet, die einem Drehzahlregler 62 zugeführt wird. An den Drehzahl­ regler 62 schließt sich ein Schwenkwinkelregler 63 an, der eine Regelabweichung für den Schwenkwinkel erhält, die in einem weiteren Vergleichsglied 64 aus dem Schwenkwinkel- Sollwert, also dem Ausgangssignal des Drehzahlreglers 62 und dem Schwenkwinkel-Istwert gebildet wird, der von einem Schwenkwinkel-Aufnehmer 65 erzeugt wird. Das Ausgangssignal des Schwenkwinkelreglers 63 wird über einen Regelverstärker 66 an das Proportionalventil 26 bzw. Servoventil geführt, das in der bereits beschriebenen Weise die Verstellung des Stellzylinders 21 für die Sekundäreinheit 20 vornimmt.

Claims (11)

1. Antriebssystem für mindestens einen hydraulischen Verbraucher, insbesondere Arbeitszylinder, bei dem eine ver­ stellbare hydrostatische Maschine als Sekundäreinheit an einen Leitungsstrang angeschlossen ist, in dem ein einge­ prägter bzw. konstanter Druck aufrechterhalten wird, mit einer mit der ersten Maschine mechanisch gekuppelten zweiten hydrostatischen Maschine, die hydraulisch mit dem Verbrau­ cher verbunden ist, und mit einer Drehzahlregelung der ersten Maschine, bei der ein die Drehzahl der Sekundärein­ heit bestimmendes Signal als Sollwert mit einem von einem mit der Sekundäreinheit gekuppelten Signalgeber erzeugten Signal als Istwert der Drehzahl verglichen wird und mit der Regelabweichung die Stelleinrichtung der Sekundäreinheit zu deren Schwenkwinkeleinstellung angesteuert wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zweite hydrostatische Maschine (40) ebenfalls verstellbar ist, die Bewegungsrichtung des Ver­ brauchers (43, 50) durch Schwenken der zweiten Maschine über Null einstellbar ist, die Bewegungsgeschwindigkeit des Ver­ brauchers durch Einstellen des Schwenkwinkels der zweiten Maschine (40) veränderbar ist, die Drehrichtung der ersten hydrostatischen Maschine (20) unverändert auf einer Grund­ drehzahl bleibt und die auf einen wählbaren konstanten Wert einstellbar ist.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schwenkwinkel der zweiten Maschine belie­ big, insbesondere programmgesteuert, veränderbar ist.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Drehzahl der ersten hydrostati­ schen Maschine (20) jeweils ein Wert eingestellt wird, bei der dem Verbraucher ein Volumenstrom zugeführt wird, bei dem die Regelung der zweiten Maschine optimal ist.

4. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für eine maximale Auflösung bei der Geschwin­ digkeitseinstellung des Verbrauchers der Schwenkwinkel der zweiten hydrostatischen Maschine (40) auf möglichst große Werte einstellbar ist.

5. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Pressenzylinder (50) als Verbraucher von je einem Antriebssystem im Gleichlauf betä­ tigbar sind.

6. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antriebssystem mit einem Gyrospeicher (58) gekuppelt ist.

7. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung der ersten Maschine (20) hydraulisch erfolgt, wobei an einem Ventil (26) ein Steuerstrom als Sollwert für die Drehzahl der Se­ kundäreinheit eingestellt wird, von einem mit der Sekun­ däreinheit (20) gekuppelten Signalgeber (22) ein Steuerstrom als Istwert der Drehzahl erzeugt wird, durch einen Vergleich der beiden Steuerströme eine Regelabweichung gebildet wird, mit der die Stelleinrichtung der Sekundäreinheit zu deren Schwenkwinkeleinstellung angesteuert wird.

8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregelung der Sekun­ däreinheit (20) elektrisch erfolgt, wobei ein Drehzahlregler (62) die Regelabweichung zwischen einem Sollwertsignal und einem von einem Tachogenerator (60) bzw. Impulsgeber gelie­ ferten Istwertsignal zugeführt wird.

9. Antriebssystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Schwenkwinkelregler (63) vorgesehen ist, der ein Fehlersignal erhält, das aus dem Ausgangssignal des Drehzahlreglers (62) als Sollwert und dem Schwenkwinkel der Stelleinrichtung (21) als Istwert gebildet ist, und daß von dem Schwenkwinkelregler (63) ein Ventil (26) zur Ansteuerung des Stellzylinders (21) betätigt wird.

10. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Antrieb eines einfach wirkenden Arbeitszylinders, da­ durch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der hydrostati­ schen Maschine (40) mit dem Zylinder des Arbeitszylinders (43) und der andere Anschluß mit dem Tank verbunden ist.

11. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Antrieb eines doppelt wirkenden Arbeitszylinders, da­ durch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der hydrostati­ schen Maschine (40) mit dem einen Zylinderraum des Arbeits­ zylinders (50) und der andere Anschluß mit dem gegenüberlie­ genden Zylinderraum verbunden ist.