SCHMIDT, Stefan (Glöserwiesenweg 6, Lohr am Main, 97816, DE)
| Patentansprüche 1. Hydraulischer Antrieb mit einer von einem elektrischen Antriebsmotor (2) drehzahlvariabel angesteuerten Hydromaschine (1 ), einem Hauptzylinder (4) zur Durchführung eines kraftaufbauenden Bewegungsablaufs sowie einem Nebenzylinder (8) zur Durchführung eines schnellen Bewegungsablaufs, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kolbenseite des Hauptzylinders (4) mit einem von einer externen Druckquelle (13) und/oder von der vom Antriebsmotor (2) mechanisch angesteuerten Hydromaschine (1 ) an deren einem Druckanschluss aufgebauten vorbestimmten Permanentdruck beaufschlagt ist, wobei die Hydromaschine (1) ferner durch ausgewähltes Umfördern von Druckmittel in einem geschlossenen Kreis, in den die Hydromaschine (1 ) zwischengeschaltet ist, eine Hubbewegung des Hauptzylinders (4) und des Nebenzylinders (8) nach jeweils einem der zwei Bewegungsabläufe bewirkt. 2. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der andere Druckanschluss der Hydromaschine (1 ) an eine kolbenstangenseitige Ringkammer (4b) des Hauptzylinders (4) und an eine kolbenstangenseitige Ringkammer (8a) des Nebenzylinders (8) angeschlossen ist. 3. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Verbindungsleitung (5) des geschlossenen Kreises zwischen der Hydromaschine (1 ) und der Hauptzylinderringkammer (4b) ein Ventil, vorzugsweise ein Wegeschaltventil (6) zwischengeschaltet ist. 4. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (6) ein 3/2 Wege-Schaltventil ist mit einer ersten Schaltposition, in der lediglich eine Hydraulikfluidströmung aus der Hauptzylinderringkammer (4b) in Richtung Hydromaschine (1 ) zugelassen wird, einer zweiten Schaltposition, in der eine Hydraulikfluidströmung in beide Richtungen ermöglicht ist und einer dritten Schaltposition, in der die Verbindungsleitung (5) vollständig gesperrt ist. 5. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung des geschlossenen Kreises, welche die Hauptzylinderkolbenkammer (4a) mit der Hauptzylinderringkammer (4b verbindet und in die ein Kurzschlussventil (10) zwischengeschaltet ist. 6. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzschlussventil (10) ein 2/2 Wege-Schaltventil ist, das in einer ersten Schaltposition die Bypassleitung (9) vollständig öffnet und in einer zweiten Schaltposition lediglich eine Fluidströmung aus der Ringkammer (4b) in die Kolbenkammer (4a) des Hauptzylinders (4) über die Bypassleitung (9) zulässt. 7. Hydraulischer Antrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstangenseiten (4b, 8a) beider Zylinder (4, 8) in Summe die gleiche Fläche besitzen, wie die Kolbenseite (4a) des Hauptzylinders (4). |
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen hydraulischen Antrieb vorzugsweise für eine Presse, Kunststoffmaschine, Biegemaschine etc. gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Antriebe sind dafür ausgelegt, zumindest zwei Bewegungsabläufe, nämlich eine schnelle Überführungsbewegung (nachfolgend als„Eilgang" bezeichnet) sowie eine kraftaufbringende Arbeitsbewegung (nachfolgend als„Pressgang" bezeichnet) zu realisieren. Aus dem Stand der Technik beispielsweise gemäß der EP 0 785 861 B1 ist ein gattungsgemäßer hydraulischer Antrieb für eine Presse bekannt. Dieser Antrieb besteht aus einer angetriebenen hydrostatischen Maschine, die einen vorbestimmten konstanten Druck in einem primären Druckleitungssystem erzeugt und aus einem hydraulischen Transformator bestehend aus einem Hydraulikmotor und einer mechanisch daran angeschlossenen Hydraulikpumpe. Der vorzugsweise verstellbare Hydraulikmotor ist an das primäre Druckleitungssystem angeschlossen und wird somit von der hydrostatischen Maschine angetrieben. Die ebenfalls verstellbare Hydraulikpumpe beaufschlagt ein sekundäres Druckleitungssystem mit einem
Hydraulikdruck, in das ein Presszylinder eingesetzt ist, dessen Zylinderräume über Ventile an die beiden hydraulischen Anschlüsse der Hydraulikpumpe angeschlossen sind. Schließlich sind die beiden Zylinderräume des Presszylinders über eine Druckleitung mit dem primären Druckleitungssystem verbunden, um den Presskolben mit dem Primärdruck (entspricht dem erforderlichen Vorspanndruck für den Presszylinder) vorzuspannen.
Es hat sich jedoch als technisch schwierig erwiesen, die Idee der Anordnung eines hydraulischen Transformators mit vorstehend beschriebenem Aufbau in die Praxis umzusetzen. Der konstruktive Aufwand sowie die Anzahl der erforderlichen hydraulischen Bauteile und deren Abstimmung aufeinander verringert nämlich die Wirtschaftlichkeit dieses bekannten hydraulischen Antriebs derart, dass es in der Fachwelt keine größere Akzeptanz gefunden hat.
Angesichts dieses Stands der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung darin, einen gattungsgemäßen hydraulischen Antrieb bereit zu stellen, der mit einer verminderten Anzahl hydraulischer Bauteile auskommt und trotzdem im Betrieb durch einen niedrigen Energieverbrauch gekennzeichnet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen hydraulischen Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung betrifft demzufolge einen hydraulischen Antrieb mit einer von einem elektrischen Antriebsmotor drehzahlvariabel angesteuerten Hydromaschine, einem Hauptzylinder zur Durchführung eines kraftaufbauenden Bewegungsablaufs sowie einem Nebenzylinder zur Durchführung eines schnellen Bewegungsablaufs.
Erfindungsgemäß ist der Hauptzylinder durch einen, vorzugsweise auf beide
Kolbenflächen einwirkenden, weiter vorzugsweise von einer externen Druckquelle erzeugten vorbestimmten Permanentdruck vor- oder eingespannt, wobei die
Hydromaschine durch ausgewähltes Umfördern von Druckmittel in einem
geschlossenen Kreis, in den die Hydromaschine zwischengeschaltet ist, eine Hubbewegung des Hauptzylinders und des Nebenzylinders nach einem der zwei Bewegungsabläufe bewirkt.
Durch das Vorspannen des Antriebs vorzugsweise mittels der auch für die
Bewegungsabläufe erantwortlichen Hydromaschine oder durch die externe
Druckquelle verringert sich erheblich die zu fördernden Kompressionsvolumen, wobei die Kombination von Vorspannung des Antriebs und der servoelektrisch betriebenen drehzahlvariablen Pumpe (Hydomaschine) als Vorspannmittel und als hydraulsiches Antriebsmittel für die beiden Zylinder eine wirtschaftliche Realisierung eines energiesparenden Hydraulikantriebs mit kurzen Taktzeiten darstellt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines hydraulischen Antriebs gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Stillstand (unter Vorspannung),
Fig. 2 das Prinzipschaltbild des hydraulischen Antriebs gemäß Fig. 1 im„Eilgang" abwärts,
Fig. 3 das Prinzipschaltbild des hydraulischen Antriebs gemäß Fig. 1 im„Pressgang",
Fig. 4 das Prinzipschaltbild des hydraulischen Antriebs gemäß Fig. 1 in einer Re- Kompressionsphase und
Fig. 5 das Prinzipschaltbild des hydraulischen Antriebs gemäß Fig. 1 im„Eilgang" aufwärts (Rückzugsphase).
Wie aus sämtlichen Figuren zu entnehmen ist, hat der erfindungsgemäße hydraulische Antrieb eine Druckmittelquelle in Form einer drehzahlvariabel angetriebenen Hydromaschine 1 als Pumpe, die hierfür an einen Elektromotor 2 mechanisch angeschlossen ist. Die Hydromaschine 1 ist an ihren zwei
Druckanschlüssen an ein hydraulisches Druckleitungssystem angeschlossen, welches einen geschlossenen Hydraulikdruckkreis bildet.
Im Konkreten ist an einen ersten Druckanschluss der Hydromaschine 1 eine erste Verbindungsleitung 3 angeschlossen, die direkt zu einer kolbenseitigen
Druckkammer 4a eines Hauptzylinders 4 führt. An den zweiten Druckanschluss der Hydromaschine 1 ist eine zweite Leitung 5 angeschlossen, die über ein Ventil 6 mit einer kolbenstangenseitigen Druckkammer 4b des Hauptzylinders 4 (nachfolgend als Ringkammer 4b bezeichnet) verbunden ist. Das Ventil 6 ist vorliegend als ein
Wegeventil und insbesondere als ein 3/2 Wege-Schaltventil ausgebildet mit einer ersten Schaltposition, in der lediglich eine Hydraulikfluidströmung aus der
Ringkammer 4b des Hauptzylinders 4 in Richtung Hydromaschine 1 zugelassen wird, einer zweiten Schaltposition, in der eine Hydraulikfluidströmung in beide Richtungen möglich ist und einer dritten Schaltposition, in der die zweite Leitung 5 vollständig gesperrt ist. Zwischen der Hydromaschine 1 und dem vorstehend genannten Wege-Schaltventil 6 ist in die zweite Leitung 5 eine Abzweigung 7 eingesetzt, die zu einer
kolbenstangenseitigen Druckkammer 8a eines Nebenzylinders 8 führt. Der Kolben 8b des Nebenzylinders 8 ist dabei in seinem Durchmesser deutlich kleiner als der Kolben 4c des Hauptzylinders 4, sodass der Hub des Nebenzylinders 8 bei vergleichbarem Volumenstrom des Hydraulikfluids größer ist als der Hub des
Hauptzylinders 4. Ferner besitzen die Ringseiten der Zylinder 4, 8 idealer Weise in Summe die gleiche Fläche wie die Kolbenseite des Hauptzylinders 4.
Schließlich ist eine Bypass- oder Kurzschlussleitung 9 vorgesehen, welche die Kolbenkammer 4a des Hauptzylinders 4 mit dessen Ringkammer 4b verbindet. In diese Bypassleitung 9 ist ein Kurzschlussventil 10 zwischengeschaltet, das vorliegend als Wegeschaltventil und vorzugsweise als 2/2 Wege Schaltventil ausgebildet ist. In einer ersten Schaltposition dieses Kurzschlussventils 10 ist die Bypassleitung 9 vollständig (d.h. in beide Richtungen) geöffnet, wobei in einer zweiten Schaltposition lediglich eine Fluidströmung aus der Ringkammer 4b in die Kolbenkammer 4a des Hauptzylinders 4 über die Bypassleitung 9 zugelassen ist.
Im konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der hydraulische Antrieb mit vorstehendem Aufbau in einer Presse eingebaut. Hierfür sind die Kolbenstange 4d des Hauptzylinders 4 wie auch die Kolbenstange 8c des Nebenzylinders 8 mit einem verschiebbar gelagerten Pressstempel 11 verbunden an dem ein Presswerkzeug 12 oder ein Stanzwerkzeug befestigt ist.
Grundsätzlich hat das Hydraulikdrucksystem gemäß der Erfindung auch zahlreiche Sicherungseinrichtungen zur Vermeidung von Überdruckzuständen oder von unbeabsichtigem Absinken des Pressstempels 11 , die jedoch in den Figuren nicht im Detail dargestellt sind. So kann die Ringkammer 8a des Nebenzylinders 8 über zwei in Serie geschaltete, überwachte Sitzventile (nicht gezeigt) gesichert sein. Dadurch kann ein Absinken des oberen Presswerkzeugs 12 sicher verhindert werden. Zudem kann die Kolbenkammer 4a des Hauptzylinders 4 gegen eine unbeabsichtigte Druckbeaufschlagung abgesichert sein. Erfolgen kann dies durch die gezeigten Wegeventile 6, 10 selbst, oder aber durch eine überwachte Freigabe des
elektrischen Antriebsmotors 2 der Hydromaschine 1.
Um Leckageverluste im System auszugleichen, ist an die erste Druckleitung 3 zwischen der Hydromaschine 1 und der Kolbenkammer 4a des Hauptzylinders 4 ein Druckspeicher 13 über ein Ventil 14 angeschlossen. Dieses Ventil 14 wird durch ein Wegeventil, vorzugsweise ein 2/2 Wege Schaltventil bereitgestellt, mit einer ersten Schaltposition, in der die Verbindung zwischen der externen Druckquelle 13 und der ersten Druckleitung 3 vollständig freigegeben ist und einer zweiten Schaltposition, in der lediglich eine Fluidströmung aus der externen Druckquelle 13 in die erste Druckleitung 3 zugelassen wird. Im Betriebszustand des hydraulischen Antriebs gemäß der Erfindung ist zumindest die kolbenseitige Druckkammer 4a des Hauptzylinders 4 ständig über die
Druckmittelquelle mit einem vorbestimmten etwa konstanten (insbesondere geregelten) Hydraulikdruck beaufschlagt. Die Bewegung beider Zylinder 4, 8 wird dabei durch Umfördern von Druckmittel in dem geschlossenen Druckkreis mittels der drehzahlvariabel angetriebenen Hydromaschine 1 gesteuert.
Maßgeblich für die Steuerung des Bewegungsablaufs beider Zylinder 4, 8 ist die Zufuhr oder Abfuhr von Druckmittel aus den jeweiligen Ringkammern 4b, 8a über die drehzahlvariabel angetriebene Hydromaschine 1 , wobei der komplette
Bewegungsablauf des Arbeitshubs der Presse unter Beteiligung beider Zylinder mittels der Ventile 6, 10 und der drehzahlvariabel angetriebenen (Konstant-)Pumpe gesteuert werden kann.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebs lässt sich anhand der anliegenden Figuren wie folgt beschreiben:
Gemäß der Fig. 1 befinden sich bei Stillstand des hydraulischen Antriebs (in zurückgezogener Stellung des Pressstempels 11 ) das Wegeschaltventil 6 in jener Schaltposition, in der nur eine Fluidströmung aus der Ringkammer 4b des
Hauptzylinders 4 zugelassen ist und das Kurzschlussventil 10 in der Schaltposition, in der die Bypassleitung 9 vollständig geöffnet ist. Der elektrische Antriebsmotor 2 der Hydromaschine 1 ist ferner abgeschaltet.
In diesem (statischen) Zustand wird das Gewicht des Pressstempels 11 durch den Druck innerhalb der Kolbenkammer 8a des Nebenzylinders 8 abgestützt, während in der Ring- und Kolbenkammer 4a, 4b des Hauptzylinders 4 über das
Kurzschlussventil 10 Druckausgleich herrscht.
Um aus diesem (statischen) Zustand in den Eilgang abwärts zu kommen, wird gemäß der Fig. 2 das Ventil 6 in die vollständige Sperrposition geschaltet und die Hydromaschine 1 angetrieben. Hierdurch wird Druckmittel ausschließlich aus der Ringkammer 8a des Nebenzylinders 8 über die Leitung 5 abgesaugt und in die Kolbenkammer 4a des Hauptkolbens 4 abgegeben. Gleichzeitig bleibt der
Druckausgleich zwischen den Hauptzylinderkammern 4a, 4b über das immer noch vollständig offene Kurzschlussventil 10 erhalten.
Da der Nebenzylinder 8 kleiner ist als der Hauptzylinder 4 und die Pumpe 1 nur auf das Volumen der Ringseite des Nebenzylinders 8 wirkt, erfolgt die Abwärtsbewegung (und später auch die Rückziehbewegung) des Pressstempels 11 bei vorbestimmtem Volumenstrom bei einer relativ hohen Geschwindigkeit, auch dann, wenn die
Hydromaschine 1 mit einer kleinen Kapazität ausgelegt ist. Darüber hinaus kann durch kurzzeitige Überlastung des elektrischen Antriebsmotors 2 (zulässig) die Geschwindigkeit aber auch die spätere Presskraft weiter erhöht werden.
Sobald das Presswerkzeug 12 ein zu bearbeitendes Werkstück 15 erreicht hat, schaltet das Kurzschlussventil 10 in die Schaltposition in der nur eine Strömung aus der Ringkammer 4b des Hauptzylinders 4 zugelassen ist und das Ventil 6 in die Schaltposition, in der eine Fluidströmung aus de Ringkammer 4b zur Hydromaschine 1 zugelassen wird. In diesem Zustand gemäß der Fig. 3 wird nunmehr auch der Druck innerhalb der Ringkammer 4b durch die Hydromaschine 1 abgebaut, da kein Druckausgleich zwischen den Hauptzylinderkammern 4a, 4b über das
Kurzschlussventil 10 mehr stattfindet, wohingegen der Druck innerhalb der
Kolbenkammer 4a des Hauptzylinders 4 beibehalten bzw. erhöht wird. D.h., anstatt einer erheblichen Kompression der Kolbenseite des Hauptzylinders 4, wird die eigentliche Presskraft durch Druckentspannung der Ringseiten der Zylinder 4, 8 erzeugt. Da kein Druckausgleich zwischen den Hauptzylinderkammern 4a, 4b mehr erfolgt, nimmt ferner die fortlaufende Pressbewegung des Hauptzylinders 4 bei gleich bleibendem Volumenstrom eine zur Absenkbewegung deutlich geringere
Geschwindigkeit an als beim vorherigen Eilgang. Zum Beenden des Pressvorgangs wird das Ventil 6 in eine Schaltposition gemäß der Fig. 4 gebracht, wonach eine Fluidströmung innerhalb der Verbindungsleitung 5 in beide Richtungen, d.h. aus und zu der Ringkammer 4b des Hauptzylinders 4 ermöglicht ist. In diesem Fall erfolgt ein Druckausgleich zwischen den
Hauptzylinderkammern 4a, 4b und der Ringkammer 8a des Nebenzylinders 8 über die Verbindungsleitung 5 und die Abzweigung 7, wobei gleichzeitig Energie über den elektrischen Antriebsmotor 2 zurückgewonnen werden kann.
Schließlich kann der Pressstempel 11 zurückgezogen werden, indem wie in Fig. 5 dargestellt ist, das Ventil 6 in die Schaltposition gebracht wird, in der nur eine
Strömung aus dem Ringraum 4a des Hauptzylinders 4 zugelassen ist und das Kurzschlussventil 10 in die Schaltposition geschaltet wird, in der die Bypassleitung 9 vollständig (in beide Richtungen) geöffnet ist. Wird in diesem Zustand die Hydromaschine 1 angetrieben, um Druckmittel aus der Kolbenkammer 4a des Hauptzylinders 4 abzuziehen, wird das abgezogene
Druckmittel bei vollständigem Druckausgleich der beiden Hauptzylinderkammern 4a, 4b in die Ringkammer 8a des Nebenzylinders 8 gedrückt, der den Pressstempel 11 mit hoher Geschwindigkeit wieder zurückzieht.
Bei dem vorstehend beschriebenen hydraulischen Antrieb kann die Hydromaschine 1 an einen Ventilblock (nicht weiter dargestellt) angeflanscht sein, welcher die
Funktions- bzw. Sicherheitsventile des Antriebs enthält. An diesen kann wiederum der Elektromotor zum Betrieb der Pumpe angebaut sein. Diese Einheit kann wiederum auf einem Hydrozylinder aufgebaut sein, wodurch eine besonders kompakte Anstriebsachse zur Verfügung steht. Bezuqszeichenliste
1 Hydromaschine
2 Servomotor (drehzahlvariabel)
3 erste Verbindungsleitung
4 Hauptzylinder
4a Kolbenkammer
4b Ringkammer
4c Hauptzylinderkolben
4d Kolbenstange
5 zweite Druckleitung
6 Ventil
7 Abzweigung
8 Nebenzylinder
8a Ringkammer
8b Nebenzylinderkolben
8c Kolbenstange
9 Bypassleitung
10 Kurzschlussventil
11 Pressstempel
12 Presswerkzeug
13 Druckspeicher
14 Ventil
15 Werkstück