DE102022208574A1 - Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs einer Maschine und hydraulischer Antrieb - Google Patents

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Henning Freigang
Marc Weigand
Jan Lukas Bierod
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs einer Maschine während eines Arbeitsvorgangs, wobei der hydraulische Antrieb einen hydraulischen Aktor (2) und einen hydraulischen Versorger (54), der unter Druck stehendes Druckmittel bereitstellt, aufweist, wobei in einer hydraulischen Verbindung zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (8) ein verstellbares Ventil (6) vorgesehen ist, das wenigstens eine verstellbare Durchgangsöffnung zur Steuerung eines Volumenstroms (56) des Druckmittels zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) aufweist, wobei ein Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung während des Arbeitsvorgangs einstellt wird, so dass eine gewünschte Aktor-Bewegung während des Arbeitsvorgangs bewirkt wird, wobei der Öffnungsgrad definiert ist, so dass bei einem Öffnungsgrad von 0% die Durchgangsöffnung geschlossen ist und bei einem Öffnungsgrad von 100% die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist, und wobei während des Arbeitsvorgangs ein Ist-Öffnungsgrad (82) der Durchgangsöffnung ermittelt wird und der Versorger (54) unter Berücksichtigung eines Öffnungsgrad-Reglers entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad (80) geregelt wird, wobei der Soll-Öffnungsgrad in einem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich von 60% bis 90% liegt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs und hydraulische Antriebe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung der erfahren.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Hydraulische Antriebe bzw. elektrohydraulische Antriebe werden in Maschinen, wie z.B. hydraulischen Pressen, eingesetzt, um Elemente der Maschine, z.B. einen Pressen-Stempel, zu bewegen. Beispielsweise kann ein hydraulischer Antrieb eine hydraulische Pumpe und einen hydraulischen Aktor, z.B. einen Hydraulikzylinder, aufweisen, wobei die hydraulische Pumpe unter Druck stehendes Druckmittel bereitstellt, dessen Fluss zum und vom hydraulischen Aktor mittels eines stetig verstellbaren Wegeventils eingestellt werden kann, um die Bewegung des Aktors zu steuern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs und hydraulische Antriebe sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung der erfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • In verschiedenen Aspekten werden Vorgehensweisen vorgeschlagen, die gleichermaßen bewirken, dass während geeigneter Phasen von Arbeitsvorgängen einer Maschine, in der der hydraulische Antrieb verwendet wird, der Öffnungsgrad einer Durchgangsöffnung eines verstellbaren Ventils zwischen einem Versorger und einem Aktor des hydraulischen Antriebs in einem Bereich liegt, in dem relativ geringe Drosselverluste auftreten. Die Energieeffizienz des hydraulischen Antriebs kann so verbessert werden.
  • Entsprechend einem ersten Aspekt erfolgt eine Regelung des Versorgers unter Berücksichtigung eines Öffnungsgrad-Reglers entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad, wobei der Soll-Öffnungsgrad in einem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich von mindestens 60% liegt, vorzugsweise von mindestens 60% bis höchsten 90%, um eine Regelreserve bereitzuhalten.
  • Entsprechend einem weiteren Aspekt, der einen wiederholt durchgeführten Arbeitsvorgang betrifft, erfolgt die Regelung des Versorgers entsprechend einer Soll-Druck-Kurve, wobei in einer anfänglichen Durchführung des Arbeitsvorgangs eine anfängliche Soll-Druck-Kurve verwendet wird. Es wird wenigstens ein Optimierungs-Zeitabschnitt innerhalb der Zeitspanne der Durchführung des Arbeitsvorgangs bestimmt, in dem der Öffnungsgrad während der anfänglichen Durchführung unter einer vorbestimmten Öffnungsgrad-Schwelle liegt. Anschließend werden die folgenden Schritte wenigstens einmal durchgeführt:
    1. a) Ändern der Soll-Druck-Kurve, so dass sie während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts unter der anfänglichen Soll-Druck-Kurve liegt;
    2. b) Durchführen des Arbeitsvorgangs unter Verwendung der geänderten Soll-Druck-Kurve.
  • Bevorzugt umfasst das Verfahren weiterhin, dass die folgenden Schritte wenigstens einmal durchgeführt werden:
    • c) Erfassen des Öffnungsgrads während des Durchführens des Arbeitsvorgangs in Schritt b);
    • d) Bestimmen, ob der in Schritt c) erfasste Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts in einem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich, vorzugsweise von 60% bis 90%, liegt;
    • e) wenn der in Schritt c) erfasste Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts nicht in dem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich liegt, erneutes Durchführen von Schritt a).
  • Durch diese Schritte kann die Soll-Druck-Kurve optimiert werden, so dass Drosselverluste im Optimierungs-Zeitabschnitt minimiert werden.
  • Es ist auch denkbar, dass die beiden Aspekte kombiniert werden. Dies ist zweckmäßig, da die Ausgestaltung entsprechend dem ersten Aspekt Schwankungen eines ansonsten im Wesentlichen gleichen Arbeitsvorgangs (dem die geänderte bzw. angepasste Soll-Druck-Kurve entspricht) kompensieren kann.
  • Insbesondere ist bevorzugt vorgesehen, dass wenn der in Schritt c) erfasste Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts in dem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich liegt, der Arbeitsvorgang wenigstens einmal zusätzlich durchgeführt wird, wobei während der zusätzlichen Durchführung des Arbeitsvorgangs ein Ist-Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung ermittelt wird und der Versorger unter Berücksichtigung eines Öffnungsgrad-Reglers entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad geregelt wird, wobei der Soll-Öffnungsgrad in dem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich liegt. Während dieser zusätzlichen wenigstens einen Durchführung erfolgt die Regelung also sowohl entsprechend dem Soll-Öffnungsgrad als auch entsprechend dem Soll-Druck, der durch die Soll-Druck-Kurve (gemäß der letzten Änderung) vorgegeben ist.
  • Bevorzugt ist die Öffnungsgrad-Schwelle 50%, weiter bevorzugt 60%, noch weiter bevorzugt 70%. Durch diese Werte können Phasen mit hohen Drosselverlusten erkannt werden.
  • In einer Ausgestaltung wird der wenigstens eine Optimierungs-Zeitabschnitt so bestimmt, dass in diesem der Volumenstrom über einer Volumenstrom-Schwelle bezogen auf einen Referenz-Volumenstrom während der anfänglichen Durchführung liegt. Der Referenz-Volumenstrom kann insbesondere ein maximaler oder durchschnittlicher Volumenstrom sein. In einer Ausgestaltung wird der wenigstens eine Optimierungs-Zeitabschnitt so bestimmt, dass eine Volumenstrom-Variation innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt, und/oder eine Druckdifferenz über das Ventil über einer vorbestimmten Druckdifferenz-Schwelle liegt, und/oder eine Druckdifferenz-Variation innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt. Zeiträume mit relativ hohem Volumenstrom oder hoher Druckdifferenz bieten ein relativ hohes Energieeinsparpotential, da in diesen der relativ stark Soll-Druck verringert werden kann. Der Volumenstrom kann z.B. gemessen und/oder aus einer Bewegung des Aktors abgeleitet werden. Die Toleranz kann etwa -25% bis +25% oder -10% bis +10% sein. Berücksichtigen einer solchen Toleranz ist vorteilhaft, da damit Zeitpunkte aus dem Optimierungs-Zeitabschnitt ausgeschlossen werden, in denen eine wesentliche Änderung des Bewegungszustands des Aktors erfolgt, etwa beim Anfahren; d.h. die Dynamik des Arbeitsvorgangs wird nicht negativ beeinflusst. Die Toleranz bezieht sich auf Variationen des Volumenstroms bzw. der Druckdifferenz innerhalb eines bestimmten Zeitraums (der über die Zeitspanne verschoben wird), z.B. einige Zehntel-Sekunden, eine Sekunde oder einige Sekunden bzw. im Bereich von 0,1 s bis 10 s (etwa abhängig von der Dynamik des Arbeitsvorgangs wählbar).
  • Bevorzugt wird der wenigstens eine Optimierungs-Zeitabschnitt zusätzlich basierend auf einem Algorithmus bestimmt, der dazu eingerichtet ist, Einzelschritte des Arbeitsvorgangs und/oder Arbeitsschritte der Maschine zu erkennen. Diese Ausgestaltung kann die übergeordnete Funktion (Arbeitsvorgang der Maschine) berücksichtigt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer hydraulischen Presse, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
    • 1 zeigt schematisch einen beispielhaften hydraulischen Antrieb.
    • 2 zeigt eine Regelungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
    • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • 1 zeigt schematisch einen beispielhaften hydraulischen Antrieb, der einen hydraulischen Aktor 2, ein einstellbares bzw. verstellbares Ventil 6 und eine hydraulische Maschine 4 aufweist. Der hydraulische Aktor 2 (vereinfacht auch als „Aktor“ bezeichnet) ist im dargestellten Beispiel ein doppelwirkender Hydraulikzylinder, wobei eine Bewegung eines Kolbens des Hydraulikzylinders samt daran befestigter Stange durch Volumenströme von unter Druck stehendem Druckmittel in bzw. aus den Kammern des Hydraulikzylinders bewirkt wird. Das Element, dessen Bewegung im Aktor bewirkt wird (hier Stange und eventuell Kolben), kann als Aktorelement 8 angesehen werden, das mit einem Bauteil der Maschine (nicht dargestellt), in der der hydraulische Antrieb verwendet wird bzw. werden soll, verbunden ist bzw. werden kann, um dieses anzutreiben. Das Druckmittel bzw. Hydraulikfluid ist typischerweise eine Hydraulikflüssigkeit, insbesondere ein Hydrauliköl.
  • Die hydraulische Maschine 4 wird durch eine elektrische Maschine 10 angetrieben (z.B. mittels einer Welle und/oder eines geeigneten Getriebes). Die hydraulische Maschine 4 kann eine hydraulische Pumpe sein oder eine hydraulische Maschine, die sowohl als hydraulische Pumpe als auch als hydraulische Motor wirken kann. Die dargestellte hydraulische Maschine 4 weist ein konstantes Verdrängungsvolumen (gefördertes Volumen je Umdrehung auf). Im Allgemeinen kann die hydraulische Maschine 4 auch eine verstellbare hydraulische Maschine sein, d.h. ein verstellbares Verdrängungsvolumen aufweisen. Die elektrische Maschine 10 wirkt als elektrischer Motor und kann eingerichtet sein, zusätzlich als elektrischer Generator zu wirken.
  • Die hydraulische Maschine 4, bzw. deren Ausgangsanschluss, ist über ein einstellbares Ventil 6 mit dem hydraulischen Aktor 2, bzw. Eingangsanschlüssen zu dessen Kammern, hydraulisch verbunden, z.B. über geeignete Hydraulikleitungen und/oder Hydraulikdurchgänge, um diesen mit unter Druck stehendem Druckmittel zu versorgen, das in einem Tank bereitgestellt wird. Die elektrische Maschine 10 und die hydraulische Maschine 4 können zusammen entsprechend als hydraulischer Versorger (Versorgungs-Aggregat) bzw. zumindest als Teil eines hydraulischen Versorgers (Versorgungs-Aggregat) angesehen werden.
  • Es ist ein Versorgungs-Regler 20 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine 10 anzusteuern, z.B. über einen Inverter 24. Dazu kann der Versorgungs-Regler 20 Messsignale von Sensoren, z.B. von einem Drucksensor 22, der den ausgangsseitigen Druck des Druckmittels der hydraulischen Maschine 4 erfasst, und/oder einem Drehzahlsensor 26, der die Drehzahl der elektrischen Maschine 10 erfasst, auswerten. Insbesondere kann der Versorgungs-Regler 20 dazu eingerichtet sein, eine Druckregelung (des ausgangseitigen Drucks der hydraulischen Maschine 4, Drucksensor 22) entsprechend einem Soll-Druck zu implementieren. Der Soll-Druck kann durch eine übergeordnete Steuerung 32 (z.B. der Maschine, in der der hydraulische Antrieb verwendet wird) vorgegeben werden oder, zumindest teilweise, auch durch den Versorgungs-Regler 20 selbst vorgegeben werden bzw. in diesem vorgegeben sein.
  • Die Übermittlung von Messdaten und Steuersignalen zwischen Elementen, z.B. Regler, Sensoren, Inverter, Ansteuerglied (s.u.) kann über geeignete Datenverbindungen und/oder Signalverbindungen erfolgen. Diese Datenverbindungen bzw. Signalverbindungen zwischen Elementen sind in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet (wobei die gestrichelten Linien nicht notwendigerweise elektrische Leitungen darstellen, sondern lediglich die Kommunikationsstruktur zwischen den Elementen illustrieren sollen). Diese Daten-/Signalverbindungen können z.B. durch einen Feldbus (etwa CAN: Controller Area Network) implementiert sein.
  • Das verstellbare Ventil 6 ist im dargestellten Beispiel ein stetig verstellbares 4/3-Wegeventil dessen Einstellung elektromagnetisch bewirkt wird, z.B. indem ein Schieber elektromagnetisch verschoben wird. Durch geeignete Verstellung (Einstellung) sind im Ventil 6 ein Pumpen- und ein Tankanschluss des Ventils wahlweise mit zwei Arbeitsanschlüssen des Ventils, die hier mit den Eingangsanschlüssen zu den Kammern des Hydraulikzylinders hydraulisch verbunden sind, hydraulisch verbindbar. Die Ansteuerung des verstellbaren Ventils 6 erfolgt z.B. mittels eines Ansteuerglieds 28, das eingerichtete ist, Steuerbefehle bzw. -signale zu empfangen und zu veranlassen, dass entsprechende elektrische Ströme durch Elektromagneten, die die Einstellung bewirken, geleitet werden. In Nullstellung sind hier z.B. Pumpen- und Tankanschluss von den Arbeitsanschlüssen hydraulisch getrennt. Insbesondere kann (je nach Stellung des Ventils bzw. dessen Schiebers) eine hydraulische Verbindung zwischen der hydraulischen Maschine 4 und dem hydraulischen Aktor 2 über das Ventil 6 hergestellt werden, z.B. kann unter Druck stehendes Druckmittel von der hydraulischen Maschine 4 über das Ventil 6 in eine der Kammern des Aktors 2 geleitet werden. Der hydraulische Aktor 2 und das verstellbare Ventil 6 können zusammen als hydraulischer Verbraucher angesehen werden oder zumindest als Teil eines hydraulischen Verbrauchers angesehen werden.
  • Der Querschnitt bzw. die Querschnittsfläche der im Ventil 6 gebildeten Durchgangsöffnung bzw. Drosselstelle ist je nach Verstellung des Ventils bzw. dessen Scheibers veränderbar, d.h. einstellbar. Bei gegebenem Volumenstrom tritt je nachdem, wie weit das Ventil geöffnet ist, ein unterschiedlich großer Druckabfall über das Ventil auf, wobei Drosselverluste auftreten, die als Wärme abgeführt werden. Diese Drosselverluste sind (bei gegebenem Volumenstrom) umso größer je größer der Druckabfall über das Ventil (bzw. die Drosselstelle) ist.
  • Es ist ein Aktor-Regler 12 vorgesehen, der die Verstellung des Ventil 6 so steuert, dass eine gewünschte bzw. vorgegebene Soll-Bewegung und/oder Soll-Kraft des Aktorelements 8 erreicht wird. Die Soll-Bewegung bzw. Soll-Kraft wird typischerweise durch die Maschine, in der der hydraulische Antrieb verwendet wird, vorgegeben, z.B. durch die übergeordnete Steuerung 32. Der Aktor-Regler 12 wertet dazu Messsignale von Sensoren, z.B. einem Stellungs- und/oder Geschwindigkeitssensor 14 am Aktor 2, einem Drucksensor 16, der den Druck in einer der Kammern des Aktors misst, und einem Drucksensor 18, der den Druck in der anderen der Kammern des Aktors misst, aus und stellt das verstellbare Ventil 6 so ein (z.B. durch entsprechende Ansteuerung der Elektromagneten über das Ansteuerglied 28), dass die Soll-Bewegung und/oder Soll-Kraft des Aktorelements 8 erreicht wird. Bei gegebenem versorgerseitigen Druck (von der hydraulischen Maschine erzeugter Druck, insbesondere Solldruck des Versorger-Reglers), und gegebenem verbraucherseitigen Druck (Druck an den Kammern des Aktors, bestimmt durch die Last die seitens der Maschine, in der der hydraulische Antrieb verwendet wird, auf das Aktorelement wirkt) wird insbesondere das verstellbare Ventil 6 so eingestellt, dass ein gewünschter Volumenstrom erreicht wird.
  • Der Aktor-Regler 12 und der Versorgungs-Regler 20 können durch jeweilige (verschiedene) Recheneinheiten (z.B. Steuergeräte) implementiert sein oder in gemeinsam in einer Recheneinheit implementiert sein.
  • Der Aktor-Regler 12 steuert einen Öffnungsgrad des Ventils 6 bzw. der Durchgangsöffnung, d.h. den Grad inwieweit die Durchgangsöffnung bzw. Drosselstelle im Ventil geöffnet ist. Der Öffnungsgrad kann als Wert im Bereich von 0% bis 100% angegeben werden, wobei 0% dem Zustand, dass die Drosselstelle vollständig geschlossen ist, und 100% dem Zustand, dass die Drosselstelle vollständig geöffnet ist, entspricht. Zum Beispiel kann sich der Öffnungsgrad auf eine Position des Schiebers des Ventils 6 innerhalb des Verschiebe-Wegebereichs des Schiebers beziehen, wobei 0% einer Position entspricht, in der die Drosselstelle vollständig geschlossen ist, und 100% einer Position entspricht, in der die Drosselstelle vollständig geöffnet ist. Eine andere Möglichkeit ist, dass der Öffnungsgrad als Querschnittsfläche der Drosselstelle bezogen auf eine maximale Querschnittsfläche der Drosselstelle bezieht. Der Öffnungsgrad kann durch einen Öffnungsgradsensor 30, etwa einem Positionssensor, der die Position des Schiebers misst, am Ventil 6 gemessen und z.B. an den Aktor-Regler 12 übermittelt werden.
  • Um Drosselverluste zu verringern und zu gewährleisten, dass eine stabile Regelung des hydraulischen Antriebs erfolgen kann, werden Maßnahmen bzw. Verfahren vorgeschlagen, die bewirken, dass sich der Öffnungsgrad des verstellbaren Ventils 6 während Arbeitsvorgängen zumindest phasenweise in einem vorteilhaften Bereich befindet, der einerseits zu relativ geringen Drosselverlusten führt und andererseits eine Regelreserve des Versorgungs-Aggregats belässt. Dazu ist Bezug nehmend auf 1 vorgesehen, den Öffnungsgrad an den Versorgungs-Regler 20 zu übermitteln.
  • 2 zeigt eine Regelungsstruktur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. In einer gegenüber 1 vereinfachten Darstellung sind ein hydraulischer Verbraucher 52 (der den hydraulischen Aktor, das verstellbare Ventil und gegebenenfalls zugehörige Sensoren bzw. Ansteuerelemente einschließt), ein hydraulischer Versorger 54 (der die hydraulische Maschine, die elektrische Maschine und gegebenenfalls zugehörige Sensoren bzw. Ansteuerelemente einschließt), ein Aktor-Regler 12 und ein Versorgungs-Regler 20 gezeigt.
  • Der hydraulische Versorger 54 stell unter Druck stehendes Druckmittel für den hydraulischen Verbraucher 52 bereit (Pfeil 56). Wie bereits beschreiben regelt der Aktor-Regler 12 den Verbraucher 54 so, dass eine vorgegebene Soll-Wirkung 60 (z.B. Soll-Bewegung und/oder Soll-Kraft) des Aktorelements auf die Maschine erreicht wird. Daten zur erreichten Ist-Wirkung 62 werden z.B. mittels Sensoren erfasst und an den Aktor-Regler 12 übermittelt, der den Verbraucher 54, genauer das verstellbare Ventil, mittels geeigneter Steuersignale 64 steuert, so dass der Öffnungsgrad eingestellt bzw. verstellt wird. Bei gegebenem Druck des bereitgestellten Druckmittels erfolgt diese Regelung durch den Aktor-Regler 12 im Prinzip automatisch.
  • Der Versorgungs-Regler 20 steuert den hydraulischen Versorger 54 mittels geeigneter Steuersignale 70, die z.B. die Drehzahl der elektrischen bzw. hydraulischen Maschine steuern. Die vom Versorgungs-Regler 20 kann eine Regelung entsprechend einem Soll-Druck 72 und/oder einem Soll-Volumenstrom 74 einschließen (d.h. einen Druck-/Volumenstrom-Regler), wobei entsprechende Ist-Werte, d.h. Ist-Druck 76 und/oder Ist-Volumenstrom 78, im Versorger 54 mittels geeigneter Sensoren (Drucksensor bzw. Drehzahlsensor) erfasst und an den Versorgungs-Regler 20 übermittelt werden. Handelt es sich bei dem Arbeitsvorgang um einen wiederholt durchgeführten Arbeitsvorgang, kann gegebenenfalls der Soll-Druck 72 über den Arbeitsvorgang insbesondere auch entsprechend einer Soll-Druck-Kurve, die entsprechend der im Zusammenhang mit 3 erläuterten Vorgehensweise geändert bzw. angepasst wird, vorgegeben werden.
  • Es ist vorgesehen, dass der Versorgungs-Regler 20 (zusätzlich zur Soll-Druck/VolumenstromRegelung) eine Regelung entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad 80 der Durchgangsöffnung des Ventils einschließt, d.h. einen Öffnungsgrad-Regler. Der Soll-Öffnungsgrad 80 ist dabei in einem Öffnungsgrad-Bereich von mindestens 60%, optional bis höchstens 90% gewählt, bevorzugt von 75% bis 85%. Der Soll-Öffnungsgrad 80 kann insbesondere gleich 80% gewählt sein. Der Ist-Öffnungsgrad 82 wird im Verbraucher 52 erfasst (z.B. durch einen Öffnungsgradsensor) und an den Versorgungs-Regler 20 übermittelt.
  • Aus vom Öffnungsgrad-Regler und gegebenenfalls Druck-/Volumenstrom-Regler bestimmten Größen wird durch den Versorgungs-Regler 20 beispielsweise eine Steuergröße bestimmt, die als das Steuersignal 70 verwendet wird.
  • 3 zeigt ein Ablaufdiagramm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Diese Ausgestaltung betrifft den Fall, dass die Maschine, in der der hydraulische Antrieb eingesetzt wird, einen Arbeitsvorgang wiederholt bzw. zyklisch durchführt. Beispielsweise könnte die Maschine eine hydraulische Presse sein, wobei der hydraulische Antrieb während des Pressvorgangs einen Stempel der Presse bewegt. Der wiederholt durchgeführte Arbeitsvorgang dauert eine gewisse Zeitspanne, d.h. jeder Arbeitsvorgang wird über diese Zeitspanne durchgeführt (etwas erfolgen bestimmte Arbeitsschritte des Arbeitsvorgangs an bestimmten Zeitpunkten bezogen auf die Zeitspanne). Die Zeitspanne bezieht sich hier auf die Zeitdauer des Arbeitsvorgangs (entsprechend z.B. dem Zeitintervall von 0 s bis zur Zeitdauer in Sekunden, s). Die Zeitspanne bzw. Zeitpunkte innerhalb der Zeitspanne kann als Parametrisierung des Arbeitsvorgangs angesehen werden.
  • Es wird eine Druckregelung des Versorgers implementiert, wobei ein Soll-Druck während der Zeitspanne einer Soll-Druck-Kurve folgt (die für verschiedene Durchführungen verschieden sein kann). Eine Soll-Druck-Kurve kann als Funktion spezifiziert werden, die Zeitpunkten innerhalb der Zeitspanne einen Soll-Druck zuweist, der zu diesem Zeitpunkt (bezogen auf die Zeitspanne) von der Druckregelung als Soll-Druck verwendet wird, auf den ein Ist-Druck, z.B. gemessen durch einen Drucksensor (etwa Drucksensor 22 in 1), der den Druck des Druckmittels ausgangsseitig des Versorgers misst, eingeregelt wird.
  • In Schritt 310 erfolgt eine erste bzw. anfängliche Durchführung (Referenz-Durchführt bzw. Referenzfahrt) des Arbeitsvorgangs durch die Maschine. Dabei wird eine anfängliche Soll-Druck-Kurve verwendet, z.B. ein konstanter Soll-Druck. Während der anfänglichen Durchführung wird der Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung bzw. des Ventils erfasst, z.B. mittels eines Öffnungsgradsensor, etwa eines Positionssensors, der die Position des Schiebers des Ventils erfasst. Beispielsweise wird eine Zeitreihe von erfassten Öffnungsgraden zu bestimmten Zeitpunkten bezogen auf die Zeitspanne erhalten.
  • In Schritt 320 wird wenigstens ein Optimierungs-Zeitabschnitt bezogen bzw. innerhalb der Zeitspanne bestimmt, in dem der erfasste Öffnungsgrad während der anfänglichen Durchführung unter einer vorgegebenen Öffnungsgradschwelle liegt (z.B. unter 50% oder unter 60% oder unter 70%). Dies kann parallel zu und/oder nach der anfänglichen Durchführung erfolgen. Bei der Bestimmung des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts können zusätzlich zu dem Öffnungsgrad weitere Kriterien berücksichtigt werden. Etwa, ob zusätzlich ein erheblicher, d.h. über einer vorgegebenen Volumenstromschwelle, Volumenstrom vorlag (z.B. bezogen auf einen maximalen oder einen durchschnittlichen Volumenstrom während der anfänglichen Durchführung, und/oder, ob zusätzlich ein erheblicher, d.h. über einer vorgegebenen Druckdifferenz-Schwelle, Druckabfall (Druckdifferenz) über das Ventil bzw. die Durchgangsöffnung vorlag (z.B. können, wie in 1 auf beiden Seiten des Ventils Drucksensoren vorgesehen sein, um den Druckabfall zu bestimmen), und/oder, ob zusätzlich eine Variation (bezogen auf einen vorgegebenen Zeitraum, z.B. 1 s oder einige Sekunden) des Volumenstroms und/oder des Druckabfalls innerhalb vorgegebener Toleranzen lag (z.B. kleiner 25% oder kleiner 10% war). Die Druckdifferenz-Schwelle kann in bar angegeben werden, wobei der konkrete Wert durch den Fachmann aus den Kenndaten des Ventils (z.B. maximaler Betriebsdruck) und/oder des Arbeitsvorgangs bestimmt werden kann. Alternativ oder zusätzlich könnte ein Algorithmus vorgesehen sein, der Einzelschritte des Arbeitsvorgangs erkennt und bei der Bestimmung der Optimierungs-Zeitabschnitts berücksichtigt.
  • In Schritt 330 erfolgt eine Änderung bzw. Anpassung der aktuellen Soll-Druck-Kurve. Die aktuelle Soll-Druck-Kurve ist von Schritt 320 kommend die anfängliche Soll-Druck-Kurve oder von Schritt 350 kommende die zuletzt (bei einer vorherigen Durchführung von Schritt 330) geänderte Soll-Druck-Kurve. Die Änderung erfolgt so, dass die geänderte Soll-Druck-Kurve während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts unter (bzw. nicht über) der anfänglichen Soll-Druck-Kurve liegt, d.h. für Zeitpunkte innerhalb des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts ist der Soll-Druck entsprechend der geänderten Soll-Druck-Kurve kleiner (oder gleich) dem Soll-Druck entsprechend der anfänglichen Soll-Druck-Kurve. Insbesondere kann der Soll-Druck entsprechend der geänderten Soll-Druck-Kurve für alle oder zumindest einige Zeitpunkte innerhalb des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts gegenüber dem Soll-Druck entsprechend der anfänglichen Soll-Druck-Kurve verringert werden. Diese Verringerung kann mit einer vorbestimmten Schrittgröße erfolgen, die beispielsweise vom Fachmann basierend auf Kenndaten des Ventils und/oder des Arbeitsvorgangs bestimmt werden kann.
  • Werden die Drücke des Druckmittels während der Durchführung bzw. zumindest während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts eingangsseitig und ausgangsseitig des Ventils erfasst (durch jeweilige Drucksensoren), kann die Änderung der Soll-Druck-Kurve zumindest teilweise basierend auf Kennlinien des Ventils (z.B. Kennlinien die für gegebene Druckdifferenzen jeweils einen Zusammenhang zwischen Öffnungsgrad und Volumenstrom herstellen) und/oder bekannten Formeln der Hydraulik (z.B. der sogenannten Blendengleichung) bestimmt werden.
  • In Schritt 340 erfolgt eine erneute Durchführung des Arbeitsvorgangs durch die Maschine, wobei die in Schritt 330 geänderte Soll-Druck-Kurve verwendet wird. Während dieser erneuten Durchführung wird zumindest während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts (bezogen auf die Zeitspanne) der Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung bzw. des Ventils erfasst.
  • In Schritt 350 wird geprüft, ob der Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (Öffnungsgrad-Bereich, z.B. von 60% bis 90% oder von 75% bis 85%) liegt. Dies kann nach oder zumindest teilweise parallel zu Schritt 340 erfolgen. Wenn dies nicht der Fall ist, d.h. Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts nicht im vorbestimmten Bereich, wird erneut mit Schritt 330 (Ändern der Soll-Druck-Kurve) und Schritt 340 (erneutes Durchführen) fortgefahren. In Schritt 330 wird dabei von der zuletzt aktuellen Soll-Druck-Kurve ausgegangen (d.h. diejenige die in Schritt 350 geprüft wurde). Wenn dies der Fall ist, d.h. Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts im vorbestimmten Bereich, wird mit Schritt 360 fortgefahren, in dem für weitere Durchführungen des Arbeitsvorgangs die zuletzt aktuelle Soll-Druck-Kurve verwendet wird. Diese zuletzt aktuelle Soll-Druck-Kurve kann als optimierte Soll-Druck-Kurve angesehen werden, d.h. als Soll-Druck-Kurve, die dazu führt, dass möglichst wenig Drosselverluste über das Ventil während des Arbeitsvorgangs auftreten, wobei eine Regelreserve (zwischen oberer Grenze des Öffnungsgrad-Bereichs und 100%) beibehalten wird. In Schritt 360 kann zusätzliche eine Öffnungsgrad-Regelung, insbesondere entsprechend 2, vorgesehen sein.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs einer Maschine während eines Arbeitsvorgangs, wobei der hydraulische Antrieb einen hydraulischen Aktor (2) und einen hydraulischen Versorger (54), der unter Druck stehendes Druckmittel bereitstellt, aufweist, wobei in einer hydraulischen Verbindung zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (8) ein verstellbares Ventil (6) vorgesehen ist, das wenigstens eine verstellbare Durchgangsöffnung zur Steuerung eines Volumenstroms (56) des Druckmittels zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) aufweist, wobei ein Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung während des Arbeitsvorgangs einstellt wird, so dass eine gewünschte Aktor-Bewegung während des Arbeitsvorgangs bewirkt wird, wobei der Öffnungsgrad definiert ist, so dass bei einem Öffnungsgrad von 0% die Durchgangsöffnung geschlossen ist und bei einem Öffnungsgrad von 100% die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist; wobei während des Arbeitsvorgangs ein Ist-Öffnungsgrad (82) der Durchgangsöffnung ermittelt wird und der Versorger (54) unter Berücksichtigung eines Öffnungsgrad-Reglers entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad (80) geregelt wird, wobei der Soll-Öffnungsgrad in einem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich von wenigstens 60% liegt.
  2. Verfahren zum Betreiben eines hydraulischen Antriebs einer Maschine während eines wiederholt durchgeführten Arbeitsvorgangs, der sich über eine Zeitspanne erstreckt, wobei der hydraulische Antrieb einen hydraulischen Aktor (2) und einen hydraulischen Versorger (54), der unter Druck stehendes Druckmittel bereitstellt, aufweist, wobei in einer hydraulischen Verbindung zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) ein verstellbares Ventil (6) vorgesehen ist, das wenigstens eine verstellbare Durchgangsöffnung zur Steuerung eines Volumenstroms (56) des Druckmittels zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) aufweist, wobei ein Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung während des Arbeitsvorgangs eingestellt wird, so dass eine gewünschte Aktor-Bewegung während des Arbeitsvorgangs bewirkt wird, wobei der Öffnungsgrad definiert ist, so dass bei einem Öffnungsgrad von 0% die Durchgangsöffnung geschlossen ist und bei einem Öffnungsgrad von 100% die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist; wobei der hydraulische Versorger geregelt wird, so dass das Druckmittel entsprechend einem Soll-Druck (72) bereitgestellt wird, wobei der Soll-Druck während jeder Durchführung des Arbeitsvorgangs entsprechend einer für die Zeitspanne als Funktion der Zeit gegebenen Soll-Druck-Kurve vorgegeben wird; wobei eine anfängliche Durchführung des Arbeitsvorgangs unter Verwendung einer anfänglichen Soll-Druck-Kurve erfolgt und der Öffnungsgrad während der anfänglichen Durchführung erfasst wird (310); wobei wenigstens ein Optimierungs-Zeitabschnitt innerhalb der Zeitspanne bestimmt wird (320), in dem der Öffnungsgrad während der anfänglichen Durchführung unter einer vorbestimmten Öffnungsgrad-Schwelle liegt; wobei die folgenden Schritte wenigstens einmal durchgeführt werden: a) Ändern (330) der Soll-Druck-Kurve, so dass sie während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts unter der anfänglichen Soll-Druck-Kurve liegt; b) Durchführen (340) des Arbeitsvorgangs unter Verwendung der geänderten Soll-Druck-Kurve.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die folgenden Schritte wenigstens einmal durchgeführt werden: c) Erfassen des Öffnungsgrads während des Durchführens des Arbeitsvorgangs in Schritt b); d) Bestimmen (350), ob der in Schritt c) erfasste Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts in einem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich, vorzugsweise von 60% bis 90%, liegt; e) wenn der in Schritt c) erfasste Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts nicht in dem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich liegt, erneutes Durchführen von Schritt a).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei, wenn der in Schritt c) erfasste Öffnungsgrad während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts in dem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich liegt, der Arbeitsvorgang wenigstens einmal zusätzlich durchgeführt wird (360), wobei während der zusätzlichen Durchführung des Arbeitsvorgangs ein Ist-Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung ermittelt wird und der Versorger (54) unter Berücksichtigung eines Öffnungsgrad-Reglers entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad geregelt wird, wobei der Soll-Öffnungsgrad in dem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Öffnungsgrad-Schwelle 50%, bevorzugt 60%, weiter bevorzugt 70% ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die anfängliche Soll-Druck-Kurve einem über die Zeitspanne konstanten Soll-Druck entspricht.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der wenigstens eine Optimierungs-Zeitabschnitt so bestimmt wird, dass in diesem der Volumenstrom über einer Volumenstrom-Schwelle bezogen auf einen Referenz-Volumenstrom während der anfänglichen Durchführung liegt, und/oder eine Volumenstrom-Variation innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt, und/oder eine Druckdifferenz über das Ventil über einer vorbestimmten Druckdifferenz-Schwelle liegt, und/oder eine Druckdifferenz-Variation innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der wenigstens eine Optimierungs-Zeitabschnitt zusätzlich basierend auf einem Algorithmus bestimmt wird, der dazu eingerichtet ist, Einzelschritte des Arbeitsvorgangs und/oder Arbeitsschritte der Maschine zu erkennen.
  9. Recheneinheit umfassend einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche ausführt.
  10. Computerprogramm umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 1 bis 8 auszuführen.
  11. Computerlesbarer Datenträger, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
  12. Hydraulischer Antrieb für eine Maschine, wobei der hydraulische Antrieb einen hydraulischen Aktor (2) und einen hydraulischen Versorger (54), der unter Druck stehendes Druckmittel bereitstellt, aufweist, wobei in einer hydraulischen Verbindung zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) ein verstellbares Ventil (6) vorgesehen ist, das wenigstens eine verstellbare Durchgangsöffnung zur Steuerung eines Volumenstroms (56) des Druckmittels zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) aufweist, wobei ein Aktor-Regler (12) vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, einen Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung während eines Arbeitsvorgangs der Maschine einzustellen, so dass eine gewünschte Aktor-Bewegung während des Arbeitsvorgangs bewirkt wird, wobei der Öffnungsgrad definiert ist, so dass bei einem Öffnungsgrad von 0% die Durchgangsöffnung geschlossen ist und bei einem Öffnungsgrad von 100% die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist; wobei ein Versorgungs-Regler (22) vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, den hydraulischen Versorger unter Berücksichtigung eines Öffnungsgrad-Reglers entsprechend einem Soll-Öffnungsgrad (80) zu regeln, wobei der Soll-Öffnungsgrad in einem vorbestimmten Öffnungsgrad-Bereich von mindestens 60% liegt.
  13. Hydraulischer Antrieb für eine Maschine, wobei der hydraulische Antrieb einen hydraulischen Aktor (2) und einen hydraulischen Versorger (54), der unter Druck stehendes Druckmittel bereitstellt, aufweist, wobei in einer hydraulischen Verbindung zwischen dem Versorger (54) und dem Aktor (2) ein verstellbares Ventil (6) vorgesehen ist, das wenigstens eine verstellbare Durchgangsöffnung zur Steuerung eines Volumenstroms (56) des Druckmittels zwischen dem Versorger und dem Aktor aufweist, wobei ein Aktor-Regler (12) vorgesehen ist, der dazu eingerichtet ist, einen Öffnungsgrad der Durchgangsöffnung der Maschine einzustellen, so dass eine gewünschte Aktor-Bewegung bewirkt wird, wobei der Öffnungsgrad definiert ist, so dass bei einem Öffnungsgrad von 0% die Durchgangsöffnung geschlossen ist und bei einem Öffnungsgrad von 100% die Durchgangsöffnung vollständig geöffnet ist; wobei ein Versorgungs-Regler (22) vorgesehen ist, der für einen wiederholt durchgeführten Arbeitsvorgang der Maschine, der sich jeweils über eine Zeitspanne erstreckt, dazu eingerichtet ist: den hydraulischen Versorger (54) zu regeln, so dass das Druckmittel entsprechend einem Soll-Druck (72) bereitgestellt wird, wobei der Soll-Druck während des Arbeitsvorgangs entsprechend einer für die Zeitspanne als Funktion der Zeit gegebenen Soll-Druck-Kurve vorgegeben wird; während einer anfänglichen Durchführung des Arbeitsvorgangs eine anfängliche Soll-Druck-Kurve zu verwenden und den Öffnungsgrad während der anfänglichen Durchführung zu erfassen (310); wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitt innerhalb der Zeitspanne zu bestimmen (320), in dem der Öffnungsgrad während der anfänglichen Durchführung unter einer vorbestimmten Öffnungsgrad-Schwelle liegt; die folgenden Schritte wenigstens einmal durchzuführen: a) Ändern (330) der Soll-Druck-Kurve, so dass sie während des wenigstens einen Optimierungs-Zeitabschnitts unter der anfänglichen Soll-Druck-Kurve liegt; b) Verwenden (340) der geänderten Soll-Druck-Kurve während einer erneuten Durchführung des Arbeitsvorgangs.
  14. Hydraulischer Antrieb nach Anspruch 13, wobei der Versorgungs-Regler weiter dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8 durchzuführen.
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