BRAHMER, Bert (Kneippstrasse 7, Karlsdorf, 76689, DE)
| Patentansprüche
1. Hydraulischer Antrieb, insbesondere für eine Presse, eine Stanz- oder Nibbelmaschine, 1.1 mit einem doppeltwirkenden Arbeitszylinder (3.5), dessen Kolben (3.6) eine in Einfahrrichtung wirksame erste Arbeitsfläche (3.15) und eine in Ausfahrrichtung wirksame zweite Arbeitsfläche (3.16) aufweist, die je einen Druckraum (3.7, 3.8) begrenzen, wobei
1.2 zum Einfahren und Ausfahren des Kolbens (3.6) in den und aus dem Arbeitszylinder (3.5) auf zumindest eine der Arbeitsflächen (3.15, 3.16) zumindest zwei unterschiedliche Drücke mittels eines Stellgliedes aufgeschaltet werden können, wobei
1.3 der hydraulische Antrieb eine Stelleinheit aufweist, die ein gedrosseltes Rückströmen von Hydraulikmedium aus dem von der ersten Arbeitsfläche (3.15) begrenzten ersten Druckraum (3.8) wahlweise ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass
1.4 der Antrieb Steuermittel aufweist, mit denen vor einem sprunghaften Beschleunigen des Kolbens (3.6) aufgrund dessen plötzlicher Kraftentlastung, die Stelleinheit derart ansteuerbar ist, dass durch eine von der Stelleinheit direkt oder indirekt bewirkte Drosselung der Rückströmung von Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum (3.8) ein hydraulisches Dämpfen der Bewegung des Kolbens (3.6) erfolgt.
2. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Leitung (B), über die Hydraulikmedium aus dem ersten
Druckraum (8) abströmen kann, eine Drossel (3.13) angeordnet ist, und die Stelleinheit, insbesondere in Form eines Wegeventils, in einer Bypass- Leitung (3.14), die parallel zu der Drossel (3.13) angeordnet ist. vorgesehen ist, um die Bypass-Leitung (3.14) wahlweise zu öffnen und zu verschließen.
3. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit ein Drosselventil umfasst, das in einer ersten Leitung (B), über die Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum (3.8) abströmen kann, angeordnet ist, und welches wenigstens zwei Schaltstellungen aufweist, bei welchen in einer ersten Schaltstellung die Drosselung der Rückströmung von Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum (3.8) erzielt wird und in der zweiten Schaltstellung eine vergleichsweise geringere Drosselung oder im Wesentlichen drosselungsfreie Rückströmung oder Einströmung von Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum (3.8) oder in den ersten Druckraum (3.8) erzielt wird.
4. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit, welche insbesondere als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist, derart in den hydraulischen Antrieb eingebunden ist, dass sie in Abhängigkeit des Verhältnisses vom Versorgungsdruck einer Druckquelle, insbesondere einer Pumpe (3.1) oder eines hydraulischen Speichers (3.3), zum Druck p A der im von der zweiten Arbeitsfläche (3.16) begrenzten zweiten Druckraum
(3.7) herrscht, in seine erste Schaltstellung mit Drosselung oder in seine zweite Schaltstellung mit verringerter Drosselung gebracht wird.
5. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit als 2/2-Wegeventil (3.10) ausgeführt ist.
6. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit derart in den Antrieb eingebunden ist, dass die in Abhängigkeit des Verhältnisses vom Versorgungsdruck einer Druckquelle, insbesondere einer Pumpe (3.1) oder eines hydraulischen Speichers (3.3), zum Druck p A , der im von der zweiten Arbeitsfläche (3.16) begrenzten zweiten Druckraum (3.7) herrscht, in Durchlassstellung oder Sperrstellung gebracht wird.
7. Hydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Steuerfläche (3.12) der Stelleinheit mit dem Druck des ersten Druckraums (3.8), einer an diesen angeschlossenen ersten Leitung (B) oder mit Versorgungsdruck einer Druckquelle, insbesondere einer Pumpe (3.1) oder eines hydraulischen Speichers (3.3), beaufschlagt wird, und eine zweite Steuerfläche (3.11) der Stelleinheit mit dem Druck aus dem zweiten Druckraum (3.7) oder einer an diesen angeschlossenen zweiten Leitung (A) beaufschlagt wird, wobei die
Stelleinheit in Abhängigkeit des Verhältnisses des auf die erste Steuerfläche (3.12) ausgeübten Druckes und des auf die zweite Steuerfläche (3.11) ausgeübten Druckes in Drosselstellung oder verminderte Drosselstellung beziehungsweise Durchlassstellung oder Sperrstellung gebracht wird.
8. Hydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitszylinder (3.5) als Differenzialzylinder ausgeführt ist.
9. Hydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckraum (3.7) zum Aus- oder Einfahren des Kolbens (3.6) mittels des Stellglieds mit Versorgungsdruck oder Tankdruck beaufschlagbar ist, und dass der erste Druckraum (3.8) bei nicht gedrosselter Rückströmung von Hydraulikmedium aus diesem ständig mit
Versorgungsdruck beaufschlagt ist.
10. Hydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckraum (3.7) mit einer Niederdruckquelle, einer Hochdruckquelle oder Tank verbindbar ist, und dass der erste Druckraum (3.8) stets mit der Niederdruckquelle verbunden ist.
11. Hydraulischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druckraum (3.7) und der erste Druckraum
(3.8) zum Aus- oder Einfahren des Kolbens (3.6) mittels des Stellglieds wechselseitig mit Versorgungsdruck oder Tankdruck beaufschlagt werden.
12. Verfahren zum Steuern eines hydraulischer Antriebs mit einem doppeltwirkenden Arbeitszylinder (3.5), dessen Kolben (3.6) eine in Einfahrrichtung wirksame erste Arbeitsfläche (3.15) und eine in Ausfahrrichtung wirksame zweite Arbeitsfläche (3.16) aufweist, die je einen
Druckraum (3.7, 3.8) begrenzen, wobei zum Einfahren und Ausfahren des Kolbens (3.6) auf zumindest eine Arbeitsfläche (3.15, 3.16) mittels eines Stellgliedes zumindest zwei unterschiedliche Drücke aufgeschaltet werden können, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem sprunghaften Beschleunigen des Kolbens (3.6) aufgrund dessen plötzlicher Kraftentlastung die Rückströmung von Hydraulikmedium aus dem von der ersten Arbeitsfläche (3.15) begrenzten ersten Druckraum (3.8) verstärkt gedrosselt wird, so dass die Ausfahrbewegung des Kolbens (3.6) hydraulisch gedämpft wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte Drosselung durch Schließen einer Bypass-Leitung (3.14) bewirkt wird, die parallel zu einer Drossel (3.13) in einer ersten Leitung (B), über die Hydraulikmedium vom ersten Druckraum (3.8) abströmen kann, angeordnet ist und die Drossel (3.13) umgeht.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließen der Bypass-Leitung (3.14) mittels einer Stelleinheit, insbesondere in Form eines 2/2-Wegeventils (3.10) bewirkt wird, welche(s) insbesondere in Abhängigkeit des Druckverhältnisses oder der Druckdifferenz zwischen dem Druck im zweiten Druckraum (3.7) oder in einer an diesem angeschlossenen zweiten Leitung (A) und dem Druck im ersten Druckraum (3.8), einer an diesen angeschlossenen ersten Leitung (B) oder dem Versorgungsdruck geschaltet oder gesteuert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die verstärkte Drosselung durch das Ansteuern oder das Schalten einer Stelleinheit bewirkt wird, welche in einer ersten Leitung (B), über die Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum (3.8) abgeführt wird, angeordnet ist, und welche insbesondere als 2/2-Wegeventil mit einer ersten Schaltstellung mit einer vergleichsweise stärkeren Drosselung und einer zweiten Schaltstellung mit einer vergleichsweise verringerten Drosselung ausgeführt ist, und die verstärkte Drosselung durch Schalten in die erste Schaltstellung bewirkt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinheit in Abhängigkeit des Druckverhältnisses oder der Druckdifferenz zwischen einem Druck in dem zweiten Druckraum (3.7) oder einer an diesem angeschlossenen zweiten Leitung (A) und dem Druck in dem ersten Druckraum (3.8), einer an diesem angeschlossenen ersten Leitung (B), oder dem Versorgungsdruck geschaltet wird. |
Hydraulischer Antrieb, insbesondere für Werkzeugmaschinen, und Verfahren zum
Steuern des hydraulischen Antriebs
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Antrieb insbesondere für Werkzeugmaschinen, beispielsweise für eine Presse, Stanzmaschine,
Nibbelmaschine und dergleichen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Steuern des hydraulischen Antriebs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Hydraulische Antriebe für Werkzeugmaschinen sind dem Fachmann bekannt. Die Figuren 1 , 2 und 4 beziehen sich auf vormals benutzte Anordnungen.
Die Figur 1 zeigt den prinzipiellen apparativen Aufbau eines herkömmlichen hydraulischen Antriebs für eine Stanzmaschine. Eine Druckversorgungseinrichtung umfasst in der in Figur 1 gezeigten üblichen
Ausgestaltung eine Konstantpumpe 1.1 zur Erzeugung eines Betriebsdrucks sowie ein auf einen erwünschten Ausgangsdruckbereich einstellbares erstes Druckbegrenzungsventil 1.2. In das Versorgungsnetz ist ein erster hydraulischer Speicher 1.3 geschaltet, durch dessen Einsatz sich der Volumenstrom im Versorgungsnetz kurzeitig erhöhen lässt.
Ein erster Druckraum 1.8 im Arbeitszylinder 1.5 des Antriebs ist über die erste Leitung B stets mit der Druckquelle verbunden, wohingegen ein zweiter Druckraum 1.7 im Arbeitszylinder 1.5 mittels dem 3-Wegeventil wahlweise mit der Druckquelle oder einem Tank 1.9 verbunden werden kann. Die beiden Druckräume 1.7, 1.8 sind durch den Kolben 1.6 des Arbeitszylinders 1.5 voneinander getrennt, wobei die Fläche am Kolben 1.6, die mit Druck aus dem ersten Druckraum 1.8 beaufschlagt ist, aufgrund der einseitigen Kolbenstange kleiner ist als die Fläche des Kolbens 1.6, die mit Druck aus dem zweiten Druckraum 1.7 beaufschlagt ist.
Das Ausfahren des Kolbens 1.6 beziehungsweise der mit diesem verbundenen Kolbenstange erfolgt durch Verbinden des zweiten Druckraumes 1.7 mit der Druckquelle, wobei die maximale Ausfahrkraft durch das Flächenverhältnis der beiden genannten die Druckräume 1.7, 1.8 begrenzenden und sich gegenüberstehenden Flächen des Kolbens 1.6 bestimmt wird. Durch Ausfahren des Kolbens 1.6 wird das Stanzwerkzeug (nicht dargestellt) an das Werkstück (nicht dargestellt) herangeführt und anschließend weiterbewegt.
Durch den Widerstand, den das Werkstück der Kolbenbewegung entgegensetzt, wird der Kolben 1.6 zunächst abgebremst, und in dem zweiten Druckraum 1.7 baut sich entsprechend der erforderlichen Schnittkraft der notwendige Druck auf. Entsprechend dem E-Modul des Hydrauliköls in dem zweiten Druckraum 1.7 wird eine Federenergie in der ölsäule im zweiten Druckraum 1.7 gespeichert, das heißt die ölsäule wird sozusagen vorgespannt.
Beim Bruch des Werkstücks kommt es zu einer sprungartigen Kraftentlastung des Kolbens 1.6 und in der Folge zu dessen explosionsartigen Beschleunigung in Ausfahrrichtung. Das öl in dem ersten Druckraum 1.8 wird durch den in Ausfahrrichtung herausschnellenden Kolben 1.6 aus dem ersten Druckraum 1.8 ausgestoßen und über die erste Leitung B in Richtung auf den Speicher 1.3 zu zurückgedrängt, bei gleichzeitiger den Kolben 1.6 beschleunigenden Expansion der ölsäule in dem zweiten Druckraum 1.7. Zu diesem Zeitpunkt muss das 3- Wegeventil 1.4 möglichst schnell für den Rückhub des Kolbens 1.6 umgesteuert werden, wobei es zu einer Unterbrechung der ölversorgung in der zweiten Leitung A, die mit dem zweiten Druckraum 1.7 verbunden ist, kommt. Wenn diese
Unterbrechung zeitlich mit der infolge des sogenannten Schnittschlages erhöhten Ausfahrgeschwindigkeit des Kolbens 1.6 zusammenfällt, kommt es in der zweiten Leitung A zu Unterdrücken, die ihrerseits zu störenden Geräuschen und zur Kavitation an den Steuerkanten oder dem Gehäuse des 3-Wegeventils 1.4 führen.
Die Figur 2 zeigt den prinzipiellen apparativen Aufbau eines weiteren herkömmlichen hydraulischen Antriebs ähnlich zu jenem aus der Figur 1 , jedoch
mit einem 4/3-Wegeventil 2.1 anstelle des 3-Wegeventils (3/3-Wegeventils) 1.4 aus der Figur 1. Auch dieses 4/3-Wegeventil 2.1 kann, wie das 3-Wegeventil 1.4 aus der Figur 1 , ebenfalls als Stetigventil oder Schaltventil ausgeführt sein. Abweichend von der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform wird jedoch mit der Druckquelle kein konstanter Druck auf die erste Leitung B und damit den ersten Druckraum 1.8 ausgeübt, sondern der erste Druckraum 1.8 wird immer dann mit der Druckquelle verbunden, wenn der zweite Druckraum 1.7 mit dem Tank 1.9 verbunden ist, und mit dem Tank 1.9 verbunden, wenn der zweite Druckraum 1.7 mit der Druckquelle verbunden ist. In der Mittelstellung des 4/3-Wegeventils 2.1 sind beide Druckräume 1.7, 1.8 sowohl von der Druckquelle als auch vom Tank
1.9 getrennt, wohingegen gemäß der Figur 1 ausschließlich der zweite Druckraum 1.7 in der Mittelstellung des 3-Wegeventils 1.4 sowohl von der Druckquelle als auch dem Tank 1.9 getrennt wird.
Der in der Figur 2 gezeigten Ausführung liegen dieselben Probleme zugrunde, wie sie zu der Ausführungsform gemäß der Figur 1 dargestellt wurden.
Die Figur 4 zeigt einen Weg/Zeit-Graphen des Kolbens 1.6 des herkömmlichen hydraulischen Antriebs von Fig.1. Darin bezeichnet TOS („top of sheet") die Oberseite des Werkstückes, bei dem es sich um ein Blech handelt. Entsprechend bezeichnet BOS („bottom of sheet") die Unterseite des Werkstückes. Zunächst befindet sich der Kolben im oberen Totpunkt TDC („top dead center"). Im zweiten Druckraum 1.7 herrscht der Gleichgewichtsdruck po. Beim Ausfahren des Kolbens 1.6 mit der Vorhubgeschwindigkeit 4.3 herrscht ein Druck, der etwas größer als der Gleichgewichtsdruck ist.
Sobald der Kolben 1.6 das Werkstück erreicht, wird der Kolben 1.6, wie oben erläutert, abgebremst und beim Bruch des Werkstücks schließlich durch die vorgespannte ölsäule im zweiten Druckraum 1.7 sehr stark beschleunigt, so dass sich temporär eine Schnittgeschwindigkeit 4.4 einstellt, die ein Vielfaches der Vorhubgeschwindigkeit 4.3 beziehungsweise der Rückhubgeschwindigkeit 4.5 beträgt (Schnittschlag). Wenn nun der ölnachfluss durch das umgesteuerte 3-
Wegeventil unterbrochen ist, sackt der in der zweiten Leitung A herrschende Druck, wie durch den steilen Gradienten 4.1 ersichtlich wird, bis hin zur Kavitation, erkennbar an den Drücken um 0 bar (4.2), ab.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 676 547 A1 beschreibt eine
Mengenregelvorrichtung und ein Senkbremsventil mit einer Messblende, über welcher eine vorbestimmte Druckdifferenz eingehalten wird und dadurch die Geschwindigkeit der Verstellung eines Hydraulikzylinders konstant gehalten werden soll. Weicht die Druckdifferenz von ihrem vorbestimmten Wert ab, wird ein Regelkolben, welcher eine durchströmende Hydraulikfluidmenge regelt, solange den Hydraulikfluidstrom verändernd verschoben, bis die Druckdifferenz über der Messblende wieder bei ihrem vorbestimmten Wert liegt.
Somit offenbart die EP 0 676 547 A1 eine Mengenregelvorrichtung, die auf einen unerwünschten Volumenstrom von Hydraulikmedium, der sich aufgrund des Prozesses eingestellt hat, reagiert, um den Volumenstrom wieder auf den gewünschten Wert zu bringen.
Die Patentschrift DE 196 08 582 B4 beschreibt einen Hydrokompensator zur Druckstoßglättung in der Rücklaufleitung eines hydraulischen Systems. In der Rücklauf- oder Tankleitung ist ein Rückschlagventil und eine dazu parallel geschaltete Düse vorgesehen. Der Schließkörper des Rückschlagventils wird von einer Druckfeder gegen einen Sitz gedrückt. Die Kraft, die die Druckfeder auf den Schließkörper ausübt, entspricht einem bestimmten Druck in dem Tankleitungsabschnitt zwischen einem Wegeventil und dem Rückschlagventil. Erst wenn dieser Druck überschritten ist, öffnet das Rückschlagventil. Die Düse bewirkt, dass der Druck in dem genannten Tankleitungsabschnitt nach einer gewissen Zeit auf Atmosphärendruck absinkt. Somit wird hier ein Dämpfer in der Tankleitung dargestellt, welcher wiederum auf änderungen des Druckes in der Tankleitung reagiert.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 484209 A1 beschreibt eine hydraulische Betätigungsvorrichtung, insbesondere für ein Cabriofaltdach. Die Betätigungsvorrichtung umfasst einen doppeltwirkenden Zylinder und eine Drosseleinrichtung, welche wahlweise in einen gedrosselten und einen nicht gedrosselten Zustand geschaltet wird. Solange der Kolben des Zylinders durch Druckbeaufschlagung einer Kammer im Zylinder aktiv ausgefahren wird, wird die Drosseleinrichtung im nichtdrosselnden Zustand gehalten. Wenn das Faltdach jedoch aufgrund der Gravitation am Kolben des Zylinders zieht und dadurch auf die Windschutzscheibe aufzuschlagen droht, wird die Geschwindigkeit des Kolbens schneller als durch die Druckbeaufschlagung vorgegeben ist, was zu einem Druckverlust in der Zylinderkammer führt. Ein Steuerkolben stellt diesen Druckverlust fest und schaltet als Reaktion hieraus die Drosseleinrichtung in den gedrosselten Zustand. Hierdurch wird die Ausfahrbewegung des Kolbens gebremst.
Auch bei der gemäß der EP 1 484 209 A1 beschriebenen Lösung reagiert der hydraulische Antrieb auf einen bereits erfolgten Druckabfall in einer Kammer eines doppeltwirkenden Arbeitszylinder, was bedeutet, dass eine unerwünschte Beschleunigung des Kolbens bereits stattgefunden hat. Bei Anwendung des genannten Antriebs in einer Werkzeugmaschine würde dies bedeuten, dass die störenden Geräusche und die Kavitation nach wie vor eintreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Antrieb, insbesondere für eine Werkzeugmaschine, beispielsweise Stanzmaschine, Nibbelmaschine oder eine Presse, anzugeben, bei welcher die beschriebenen störenden Geräusche und die Kavitation beseitigt oder zumindest vermindert werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch einen hydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Der hydraulische Antrieb, der insbesondere für eine Presse, eine Stanz- oder Nibbelmaschine vorgesehen ist, weist einen doppeltwirkenden Arbeitszylinder auf, dessen Kolben eine in Einfahrrichtung wirksame erste Arbeitsfläche und eine in Ausfahrrichtung wirksame zweite Arbeitsfläche aufweist. Die Arbeitsflächen begrenzen jeweils einen Druckraum. Die beiden Arbeitsflächen sind insbesondere die beiden einzigen Arbeitsflächen des Kolbens, das heißt der Arbeitszylinder weist dann genau zwei Druckräume auf. Um den Kolben in den Arbeitszylinder einzufahren oder aus diesem auszufahren beziehungsweise zur Umkehrung der Kolbenhubrichtung, können auf eine oder beide Arbeitsflächen zumindest jeweils zwei unterschiedliche Drücke mittels eines Stellgliedes aufgeschaltet werden. Insbesondere kommt hierfür eine Ausführungsform in Betracht, wie sie eingangs mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 erläutert wurde, siehe dort insbesondere die Einbindung des 3/3-Wegeventils zwischen der Druckquelle, dem Tank und dem zweiten Druckraum des Arbeitszylinders in der Figur 1 oder das 4/3-Wegeventil zwischen der Druckquelle, dem Tank und beiden Druckräumen des Arbeitszylinders in der Figur 2.
Erfindungsgemäß ist jedoch zusätzlich eine Stelleinheit im hydraulischen Antrieb vorgesehen, die ein gedrosseltes Rückströmen von Hydraulikmedium aus dem von der ersten Arbeitsfläche begrenzten ersten Druckraum ermöglicht. Der Antrieb weist ferner Steuermittel auf, mit denen vor einem sprunghaften Beschleunigen des Kolbens aufgrund dessen plötzlicher Kraftentlastung, die Stelleinheit derart ansteuerbar ist, dass durch die von der Stelleinheit bewirkte Drosselung ein hydraulisches Dämpfen der Bewegung des Kolbens erfolgt.
Der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren verhindern somit die unerwünschte sprunghafte Beschleunigung des Kolbens durch Maßnahmen, die bereits vorsorglich getroffen werden, das heißt die Stelleinheit bewirkt eine Drosselung der Rückströmung von Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum bereits bevor eine sprunghafte Beschleunigung des Kolbens eingesetzt hat. Der Anrieb reagiert vorteilhaft nicht
auf einen Druckabfall in dem von der zweiten Arbeitsfläche begrenzten zweiten Druckraum, sondern schaltet die Stelleinheit, damit diese ein gedrosseltes Rückströmen von Hydraulikmedium aus dem von der ersten Arbeitsfläche begrenzten ersten Druckraum bewirkt, in Abhängigkeit eines Druckanstiegs in dem zweiten von der zweiten Arbeitsfläche begrenzten Druckraum. Ein solcher Druckanstieg findet nämlich bereits vor der unerwünschten sprunghaften Beschleunigung des Kolbens aufgrund dessen plötzlicher Kraftentlastung statt, so dass die erfindungsgemäße Ansteuerung der Stelleinheit vorsorglich beziehungsweise vorausschauend erfolgt, im Gegensatz zu einem nachträglichen Abbremsen eines bereits sprunghaft beschleunigten Kolbens.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich, Geräusche und Kavitation zu vermeiden, bevor eine Situation eingetreten ist, welche die Gefahr solcher Geräusche und Kavitationen birgt.
Die Stelleinheit kann gemäß einer ersten Ausführungsform die Drosselung des aus dem ersten Druckraum ausströmenden Hydraulikmediums direkt bewirken, das heißt eine Drosselstelle - mit konstantem oder regelbaren Strömungsquerschnitt - aufweisen, die wahlweise in den Strömungsweg hinein und aus diesem heraus geschaltet wird, oder die permanent in dem
Strömungsweg angeordnet ist und deren Strömungsquerschnitt wahlweise zwischen einer drosselnden Stellung und einer nicht oder im Wesentlichen nicht drosselnden Stellung verändert wird beziehungsweise veränderbar ist.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform bewirkt die Stelleinheit die Drosselung indirekt, das heißt sie ist hinsichtlich der Hydraulikmediumströmung parallel zu einer Drossel - mit konstantem oder regelbaren Strömungsquerschnitt - geschaltet und gibt einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt in einer Bypass- Leitung zu der Drossel wahlweise frei oder versperrt diesen (teilweise oder vollständig).
Die durch die Stelleinheit direkt oder indirekt wahlweise drosselbare Ausströmung von Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum, das heißt die Strömung aufgrund einer Verdrängung durch den ausfahrenden Kolben erfolgt beispielsweise in Richtung der Druckversorgung, insbesondere mittels einer Pumpe und/oder einem Druckspeicher, mittels welcher der erste Druckraum vorteilhaft permanent, insbesondere wie bei der Figur 1 , oder wahlweise, insbesondere wie bei der Figur 2, verbunden ist.
Die Stelleinheit kann grundsätzlich auf jede nur denkbare, geeignete Weise ausgestaltet sein. Beispielsweise umfasst die Stelleinheit jedoch ein Stromventil (auch Durchflussventil oder Drosselventil), das in einer ersten Leitung oder in einer Bypass-Leitung parallel zu dieser angeordnet ist, über die Hydraulikmedium vom ersten Druckraum abströmen kann.
Bei dem Stromventil handelt es sich zum Beispiel um ein Regelventil, ein
Wegeventil oder eine Drosselstelle mit konstantem Querschnitt. Selbstverständlich kommen jedoch grundsätzlich andere geeignete Stromventile in Betracht.
Beispielsweise handelt es sich bei der Stelleinheit um ein 2/2-Wegeventil, das - bei Anordnung in der genannten Bypass-Leitung um eine Drosselstelle in der ersten Leitung - in einer ersten Schaltstellung durchgängig ist und in einer zweiten Schaltstellung sperrt.
Alternativ kann auch ein 2/2-Wegeventil unmittelbar in der genannten ersten Leitung, über welche Hydraulikmedium vom ersten Druckraum abströmen kann, angeordnet sein und zwei Schaltstellungen aufweisen, wobei der Durchflusswiderstand durch das 2/2-Wegeventil in der ersten Schaltstellung geringer als in der zweiten Schaltstellung ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Stelleinheit (in der ersten Leitung oder parallel zu einer Drosselstelle in der ersten Leitung) so ausgelegt, dass sie in Abhängigkeit des Verhältnisses vom Versorgungsdruck zum Druck PA, der im von
der zweiten Arbeitsfläche begrenzten zweiten Druckraum herrscht, in Durchlassstellung oder Sperrstellung beziehungsweise in nicht gedrosselte Stellung oder Drosselstellung gebracht werden kann. Bei einer Ausführungsform mit wechselnd geschalteten Drücken in beiden Druckräumen des Arbeitszylinders, wie beispielsweise in der Figur 2 dargestellt ist, kann das Schalten der Stelleinheit auch in Abhängigkeit des Verhältnisses der Drücke in den beiden Druckräumen erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist eine erste Steuerfläche der Stelleinheit mit dem Versorgungsdruck beziehungsweise dem Druck aus dem ersten Druckraum beaufschlagbar, während eine zweite Steuerfläche der Stelleinheit mit dem Druck PA im zweiten Druckraum beaufschlagbar ist, wobei die Stelleinheit in Abhängigkeit des Verhältnisses vom auf die erste Steuerfläche ausgeübten Druck zum auf die zweite Steuerfläche ausgeübten Druck in Durchlassstellung oder Sperrstellung beziehungsweise in ungedrosselte Stellung oder Drosselstellung gebracht wird.
Beispielsweise ist der Arbeitszylinder als Differentialzylinder ausgeführt, das heißt, nur eine Seite des Kolbens ist mit einer Kolbenstange versehen, wodurch der Kolben zwei verschieden große Wirkflächen aufweist, die mit dem Druck aus jeweils einem Druckraum beaufschlagt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Druckraum zum Ausoder Einfahren des Kolbens wahlweise mittels des Stellglieds mit Versorgungsdruck oder Tankdruck beaufschlagbar, während der erste Druckraum ständig mit Versorgungsdruck beaufschlagt ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der zweite Druckraum mit einer Niederdruckquelle, einer Hochdruckquelle oder Tank verbindbar, während der erste Druckraum stets mit der Niederdruckquelle verbunden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind der erste Druckraum und der zweite Druckraum jeweils wahlweise mit einer Druckquelle oder Tank verbindbar und insbesondere von beiden trennbar, wobei bei einer Ausführungsform mit einem 4/3-Wegeventil, wie sie in der Figur 2 dargestellt ist, der erste Druckraum immer dann mit der Druckquelle verbunden ist, wenn der zweite Druckraum mit dem Tank verbunden ist und umgekehrt.
Bei dem Stellglied handelt es sich zum Beispiel um ein stetig verstellbares Ventil, ein Servoventil mit elektrischer Betätigung oder einen Linearverstärker oder Kopierventil mit mechanischer Rückführung der Position des Kolbens im Arbeitszylinder.
Dank der Erfindung kann das Geräusch während des Durchstanzen oder dergleichen des Werkstücks (Schnittschlag) deutlich gedämpft werden. Femer ist das Risiko der Kavitation deutlich vermindert.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch etwas näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den prinzipiellen apparativen Aufbau eines hydraulischen Antriebs gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 den prinzipiellen apparativen Aufbau eines weiteren herkömmlichen hydraulischen Antriebs;
Figur 3 den prinzipiellen apparativen Aufbau eines erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs;
Figur 4 einen Weg/Zeit-Graphen des Kolbens des herkömmlichen hydraulischen Antriebs von Figur 1 ; und
Figur 5 einen Weg/Zeit-Graphen des Kolbens des erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs aus der Figur 3.
Der in der Figur 3 prinzipiell und schematisch dargestellte erfindungsgemäße hydraulische Antrieb umfasst entsprechend den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen eine Konstantpumpe 3.1 zur Erzeugung eines Betriebsdrucks sowie ein auf einen erwünschten Ausgangsdruckbereich einstellbares Druckbegrenzungsventil 3.2. In das Versorgungsnetz ist wiederum ein hydraulischer Speicher 3.3 geschaltet, durch dessen Einsatz sich der Volumenstrom im Versorgungsnetz kurzeitig erhöhen lässt. Die Druckversorgung kann an der Stelle des Druckbegrenzungsventils 3.2 ebenso eine Speicherladung aufweisen. Ferner könnte anstelle der Konstantpumpe 3.1 oder zusätzlich zu dieser auch eine Regelpumpe mit regelbarer Pumpleistung vorgesehen sein.
Der Betriebsdruck wirkt über die erste Leitung B auf die ringförmige erste
Arbeitsfläche 3.15 des Kolbens 3.6 und übt auf letzteren eine in Einfahrrichtung wirkende zeitlich konstante Kraft aus. Durch entsprechende Ansteuerung des Wegeventils 3.4, insbesondere Stetigventils, lässt sich die der ersten Arbeitsfläche 3.15 gegenüberliegende zweite Arbeitsfläche 3.16 des Kolbens 3.6 auf Tank schalten, so dass sich eine auf den Kolben wirkende resultierende Kraft in Einfahrrichtung ergibt und sich somit der Kolben 3.6 zurückbewegt. Ist der Anschluss P mit Versorgungsdruck der Druckquelle über den zweiten Druckraum 3.7 auf die zweite Arbeitsfläche 3.16 geschaltet, fährt der Kolben 3.6 aus. Die maximale Kraft ist bekanntlich durch das Verhältnis der zweiten Arbeitsfläche 3.16 zur ersten Arbeitsfläche 3.15 definiert.
Die maximale Ausfahrkraft kann unter Beibehaltung eines hohen Gesamtwirkungsgrades beispielsweise dadurch gesteigert werden, dass ein zusätzlicher Versorgungsdruck (Hochdruck „HD") bereitgestellt wird, welcher höher ist als der primär anliegende Versorgungsdruck (Niederdruck „ND"). Dieser Hochdruck kann auf unterschiedliche Weise, zum Beispiel lastabhängig, zugeschaltet werden. Beispielsweise kann dabei auf eine Hochdruckzuschaltung,
wie sie aus den Dokumenten DE 10 2004 024 126 A1 und EP 1 138 958 B1 bekannt ist, zurückgegriffen werden.
In der ersten Leitung B, über die vom ausfahrenden Kolben 3.6 verdrängtes Hydraulikmedium aus dem von der ersten Arbeitsfläche 3.15 begrenzten ersten Druckraum 3.8 abströmen kann, ist ein regelbares Drosselventil oder, wie vorliegende eine konstante Drossel 3.13 angeordnet. Die Drossel 3.13 wird von einer Bypass-Leitung 3.14 umgangen, die beidseits der Drossel 3.13 in die erste Leitung B mündet. In der Bypass-Leitung 3.14 ist ein 2/2-Wegeventil 3.10 als ordnungsgemäße Stelleinheit angeordnet, mit dem der Fluss des
Hydraulikmediums durch die Bypass-Leitung 3.14 wahlweise durchgelassen oder gesperrt werden kann.
Das 2/2-Wegeventil 3.10 wird vorliegend hydraulisch betätigt. Hierzu wird eine erste Steuerfläche 3.12 des 2/2-Wegeventils 3.10 mit dem Versorgungsdruck p und eine zweite Steuerfläche 3.11 des 2/2-Wegeventils 3.10 mit dem im zweiten Druckraum 3.7 beziehungsweise in der zweiten Leitung A hinter dem Wegeventil 3.4 herrschenden Druck p A beaufschlagt. Im Betrieb mit geringen Lastkräften ist der Druck in der zweiten Leitung A beziehungsweise im zweiten Druckraum 3.7 entsprechend dem Flächenverhältnis der beiden Arbeitsflächen 3.15 und 3.16 immer deutlich niedriger als der Druck in der ersten Leitung B und im ersten Druckraum 3.8 beziehungsweise bei der gezeigten Anbindung der Steuerdruckleitung für die Stelleinheit (2/2-Wegeventil 3.10) vor der Drossel 3.13 als der Versorgungsdruck p, der dort herrscht. Hieraus folgt, dass sich das 2/2- Wegeventil 3.10 im Betrieb mit geringen Lastkräften stets in der Durchlassstellung befindet, so dass in diesem Fall der erste Druckraum 3.8 über den Summenquerschnitt (Summe der Querschnitte der Drossel 3.13 und des 2/2- Wegeventils 3.10) mit der Druckquelle (Versorgungsdruck p) in Strömungsverbindung steht.
Wenn nun der Kolben 3.6 beziehungsweise ein mit diesem verbundenes Stanzwerkzeug auf das Werkstück trifft und hierdurch abgebremst wird, steigt, wie
oben unter Figur 1 angesprochen, der Druck im von der zweiten Arbeitsfläche 3.16 begrenzten zweiten Druckraum 3.7 an. Das Verhältnis der zweiten Steuerfläche
3.11 zur ersten Steuerfläche 3.12 des 2/2-Wegeventils 3.10 kann nun so festgelegt werden, dass das 2/2-Wegeventil 3.10 bei überschreiten eines wählbaren kritischen Maximalwertes des im zweiten Druckraum 3.7 herrschenden Druckes in die Sperrstellung gebracht wird, in der das vom ausfahrenden Kolben 3.6 verdrängte Hydraulikmedium nunmehr über die Drossel 3.13 aus dem ersten Druckraum 3.8 abströmen kann. Die beim Schnittschlag erfolgende Beschleunigung des Kolbens 3.6 wird nun durch den Drosseleffekt durch die Drossel 3.13 gedämpft, wodurch die maximale erreichbare
Kolbenausfahrgeschwindigkeit verringert wird. Dadurch kann das Wegeventil 3.4 ohne die Gefahr des Entstehens eines Unterdrucks in der zweiten Leitung A zur Umkehrung der Kolbenbewegungsrichtung umgesteuert werden. Sobald die auf den Kolben wirkende Gegenkraft nach dem Brechen des Werkstückes abfällt, sinkt auch der Druck im zweiten Druckraum 3.7 beziehungsweise in der zweiten Leitung A, an welcher die Steuerdruckleitung des 2/2-Wegeventils 3.10 angeschlossen ist, so dass das 2/2-Wegeventil 3.10 automatisch erneut in die Durchlassstellung geschaltet wird.
Durch die konstruktive Wahl des Flächenverhältnisses der Steuerflächen 3.11 und
3.12 der Stelleinheit kann die Umschaltschwelle zwischen gedrosselter Stellung und nicht gedrosselter Stellung auf ein beliebiges Druckverhältnis zwischen den Drücken in den Leitungen A und B und somit auf eine beliebige Arbeitskraft des Kolbens festgelegt werden. Bei Systemen mit mehreren Betriebsdrücken (insbesondere HD und ND) wird diese Umschaltschwelle vorteilhaft auf einen Wert knapp unterhalb des Maximalwertes der Arbeitskraft in der ersten Druckstufe (ND) gelegt.
Anstelle einer konstanten Drossel 3.13 in der ersten Leitung B kann auch ein regelbares Drosselventil vorgesehen sein. Alternativ kann die Drossel 13 durch ein Wegeventil, insbesondere 2/2-Wegeventil ersetzt werden, welches in der ersten Schaltstellung einen unged rosselten und in der zweiten Schaltstellung einen
gedrosselten Durchgang aufweist. Dieses 2/2-Wegeventil (nicht gezeigt) kann entsprechend dem 2/2-Wegeventil 3.10 aus der Figur 3 angesteuert werden, um erfindungsgemäß ein gedrosseltes Rückströmen von Hydraulikmedium aus dem von der ersten Arbeitsfläche 3.15 begrenzten ersten Druckraum 3.8 wahlweise zu ermöglichen, immer bei oder vor einem sprunghaften Beschleunigen des Kolbens 3.6 aufgrund dessen plötzlicher Kraftentlastung. In den übrigen Betriebszuständen kann ein vergleichsweise ungedrosseltes Rückströmen von Hydraulikmedium aus dem ersten Druckraum 3.8 beziehungsweise in den ersten Druckraum 3.8, letzteres bei einer Einfahrbewegung des Kolbens 3.6, vorgesehen sein, insbesondere durch automatisches Schalten beziehungsweise Halten des 2/2-
Wegeventils 3.10 gemäß der Figur 3 oder eines 2/2-Wegeventils mit gedrosselter Durchgangsstellung anstelle der Drossel 3.13, wenn im zweiten Druckraum 3.7 beziehungsweise der zweiten Leitung A ein geringerer Druck herrscht als im ersten Druckraum 3.8 beziehungsweise der ersten Leitung B 1 oder, bei dem gezeigten Anschluss der Steuerdruckleitung zur Steuerfläche 3.12 des 2/2-
Wegeventils 3.10 (von der Druckquelle aus gesehen) vor der Drossel 3.13 wenn der Druck im zweiten Druckraum 3.7 beziehungsweise in der zweiten Leitung A den Versorgungsdruck p überschreitet.
In der Figur 5, die sich auf den erfindungsgemäßen hydraulischen Antrieb von Figur 3 bezieht, ist der zeitliche Verlauf des Weges des Kolbens 3.6 und des im zweiten Druckraum 3.7 herrschenden Druckes p A grafisch dargestellt. Durch den Druckanstieg im zweiten Druckraum 3.7 wird das 2/2-Wegeventil 3.10 in die Sperrstellung gebracht. Nach dem Brechen des Werkstückes wird der Kolben 3.6 aufgrund des Drosseleffektes nur auf eine vergleichsweise geringe
Geschwindigkeit 5.4 beschleunigt. Der Druckgradient 5.1 ist im Vergleich mit Fig. 4 deutlich flacher, und der Druck PA bleibt über dem Bereich der Kavitation.
Next Patent: MICROSCOPE ILLUMINATION SYSTEM