WO2013000549A2 - Druckmittelsystem, insbesondere hydrauliksystem - Google Patents

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WO2013000549A2
WO2013000549A2 PCT/EP2012/002598 EP2012002598W WO2013000549A2 WO 2013000549 A2 WO2013000549 A2 WO 2013000549A2 EP 2012002598 W EP2012002598 W EP 2012002598W WO 2013000549 A2 WO2013000549 A2 WO 2013000549A2
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pump
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Winfried Ehrhardt
Georg WESTERHAGEN
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Ludwig Ehrhardt Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/20—Fluid pressure source, e.g. accumulator or variable axial piston pump
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    • F15B2211/25—Pressure control functions
    • F15B2211/251—High pressure control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B2211/00—Circuits for servomotor systems
    • F15B2211/20—Fluid pressure source, e.g. accumulator or variable axial piston pump
    • F15B2211/26—Power control functions

Definitions

  • Pressure medium system in particular hydraulic system
  • the invention relates to a pressure medium system, in particular a hydraulic system of a clamping device for the mechanical clamping of workpieces or workpiece holders, such as workpiece pallets.
  • clamping devices with a hydraulic system are known for example from DE 31 36 177 AI and include a hydraulic pump, a pressure sensor and a pressure relief ⁇ valve and a control unit.
  • the hydraulic pump generates the hydraulic pressure required for operating the tensioning device, wherein the hydraulic pump can be driven, for example, by an electric motor.
  • the pressure limiting valve is arranged between the hydraulic pump and the hydraulic consumer of the tensioning device and, when a predetermined maximum value is exceeded, returns the hydraulic oil to a hydraulic oil tank in order to limit the hydraulic pressure to the permitted maximum value.
  • This pressure limitation may be necessary, for example, if the hydraulic pump delivers a larger volume flow due to a disturbance than is required to maintain a predetermined desired value.
  • this pressure limitation may also be required if the hydraulic oil trapped in the hydraulic system expands due to heating, which is associated with a corresponding increase in pressure.
  • the control unit measures the hydraulic pressure generated by the hydraulic pump by means of the pressure sensor and turns on the hydraulic pump when the hydraulic pressure falls below a predetermined minimum value (cut-in pressure). In the subsequent pressure build-up, the control unit continuously measures the current hydraulic pressure by means of the pressure sensor and switches off the hydraulic pump when the hydraulic pressure measured by the pressure sensor exceeds the predetermined desired value (switch-off pressure). In this way, the hydraulic pressure is maintained in the operation of the clamping system between the minimum value and the desired value.
  • FIGS. 5A to 5D show the time profile of the hydraulic pressure for such a conventional hydraulic system
  • part of the volume flow conveyed by the hydraulic pump has to be removed via the pressure limiting valve when the hydraulic pressure exceeds the predetermined setpoint value.
  • this pressure limitation is associated with a corresponding power loss of the pressure relief valve.
  • the hydraulic pump is usually operated at a high hydraulic pressure near the target value, which is associated with a correspondingly high load on the hydraulic pump and with a correspondingly high energy consumption. Furthermore, there is the problem that the hydraulic pump must be turned on again when the hydraulic pressure has dropped below a predetermined minimum pressure. The problem here is the fact that this so-called downstream switching of the hydraulic pump does not immediately lead to a pressure increase, which has different causes.
  • the motor relay of the hydraulic pump to a certain dead time, whereby the start of the hydraulic pump is delayed.
  • the hydraulic pump requires a certain start-up time.
  • Hydraulic pressure in the hydraulic system on a time constant and increases after starting the hydraulic pump linear. This time delay may cause the downstream of the hydraulic pump to fall below the predetermined minimum pressure.
  • the invention is therefore based on the object to provide a correspondingly improved hydraulic system that avoids these disadvantages as much as possible.
  • the invention is based on the technical knowledge that the fluid pump (eg hydraulic pump) still has a lag caused by inertia even after switching off its drive, so that the fluid pressure (eg hydraulic pressure) increases somewhat even after switching off the fluid pump during the wake of the fluid pump.
  • the invention therefore provides that the fluid pump is already switched off during pressure build-up before the fluid pressure has reached the predetermined desired value. During the subsequent overrun of the fluid pump, the fluid pressure then still rises from the switch-off pressure with a specific follow-up pressure increase in the direction of the predetermined desired value.
  • the invention thus utilizes the kinetic energy of the fluid pump, the drive of the fluid pump and / or the fluid column conveyed by the fluid pump.
  • this offers the advantage that the fluid pump is less often operated at high fluid pressures near the target value, whereby the fluid pump is spared and consumes less drive energy.
  • the invention also offers the advantage that less fluid (for example hydraulic oil) has to be removed via the pressure-limiting valve, whereby the pressure limiting valve is spared and less power loss occurs.
  • less fluid for example hydraulic oil
  • the cut-off pressure is so dimensioned that the pressure difference between the predetermined desired value and the cut-off pressure is smaller than the caster pressure increase. This means that the fluid pressure after switching off the fluid pump at least still rises up to the predetermined desired value.
  • the follow-up pressure rise should therefore preferably be sufficiently large be to bridge the pressure difference between the cut-off pressure and the target value.
  • the cut-off pressure is therefore such that the lag pressure increase exceeds the pressure difference between the cut-off pressure and the predetermined target value by at least 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 50%, 100% or 200% ,
  • the relatively steep initial pressure increase during the overrun is utilized, so that the predetermined setpoint value is established relatively quickly after the fluid pump is switched off.
  • the cut-off pressure is therefore preferably such that the lag pressure increase exceeds the pressure difference between the cut-off pressure and the predetermined target value by at most 200%, 100%, 50%, 20%, 10%, 5%, 2% or 1% , This offers the advantage that during the wake of the fluid pump only little excess fluid is obtained, which then has to be removed via the pressure-limiting valve.
  • the invention is not fixed to fixed values. Depending on the stability and characteristics of the hydraulic system There are different values. Preferably, however, the smallest possible value is used within the scope of the invention. This depends on the quality of the calculation, the constancy of the parameters of the hydraulic system and in particular on the rigidity of the system, the reaction rate of the controller and the drive. Desirable values are below 5%.
  • the shutdown and / or the connection of the fluid pump or the drive of the fluid pump is pressure-controlled.
  • the control unit measures the fluid pressure by means of the pressure sensor.
  • the control unit switches off the fluid pump during pressure build-up when the measured fluid pressure exceeds the predetermined cut-off pressure.
  • the control unit can turn on the fluid pump again when the measured fluid pressure falls below the predetermined switch-on pressure.
  • the caster pressure rise depends not only on the inertia of the fluid pump and its drive, but also on the currently delivered and discharged flow rate. For example, if a large flow rate flows through the consumer, the caster pressure increase is very low. In determining the cut-off pressure, therefore, the current outflow of the fluid pump is preferably taken into account.
  • One way to determine the current flow rate of the fluid pump is to measure the pump speed of the fluid pump or derived from the engine control, the flow can then be derived at least approximately from the pump speed.
  • Another possibility for determining the current flow rate of the fluid pump is the measurement by means of a volume flow sensor.
  • another possibility provides that the flow rate of the fluid pump is assumed to be known.
  • the inertia of the system of fluid pump and its drive is reflected in operation in the time pressure change during pressure build-up, i. in the first time derivative of the fluid pressure.
  • a rapid rise in pressure during pressure build-up points to a correspondingly high inertia and a high after-run pressure increase.
  • the temporal pressure change is measured during pressure build-up and taken into account as a measure of the inertia of the fluid pump.
  • the cut-off pressure during operation of the pressure medium system according to the invention is preferably adapted dynamically to the current operating state. This means that the cut-off pressure is continuously adjusted to the current operating condition (e.g., speed, fluid pressure, pressure rise, etc.).
  • the fluid pressure should in any case rise to the specified target value.
  • the specified target value for the fluid pressure should set as quickly as possible.
  • the cut-off pressure is therefore calculated according to the following formula and continuously adapted during operation:
  • Device-dependent constant which reflects the inertia of the fluid pump and the drive motor.
  • Device-dependent constant representing dead and delay times of pump, motor and control unit.
  • the invention is not limited to the above-mentioned formula, but in principle can also be implemented with other formulas for calculating the switch-off pressure.
  • control unit is structurally integrated into the pressure sensor and generates a shutdown signal for the engine control.
  • control unit it is also possible for the control unit to be structurally separate from the pressure sensor and for the pressure sensor to receive a pressure signal as an analog signal.
  • the pressure medium system is a hydraulic system.
  • the invention can also be implemented in other pressure medium systems, such as in pneumatic systems. All that is decisive is that the fluid pump still has an inertia-related after-run, during which the fluid pressure still increases.
  • the pressure medium system according to the invention preferably comprises a consumer which is supplied with pressurized fluid.
  • the consumer is preferably a clamping system for the mechanical clamping of workpieces or workpiece holders, such as workpiece pallets.
  • clamping systems are known per se and described, for example, in DE 31 36 177 A1. so that the content of this publication is fully attributable to the present specification. However, the invention also claims protection for fluid systems with other types of consumers.
  • Another aspect of the invention is concerned with the problem that the fluid pump during start-up (inertia) has an inertia-related flow, so that the fluid pressure during the flow of the fluid pump does not rise significantly, although the fluid pump is already turned on.
  • the reasons for this flow are - as already briefly explained above - on the one hand in the dead time of the motor relay of the fluid pump and the other in the delayed pressure build-up in the pressure fluid system.
  • the invention preferably also provides that the control unit already switches the fluid pump back on when the fluid pressure drops in the switched-off state of the fluid pump, before the fluid pressure has dropped to a predetermined minimum pressure (eg 5% below nominal pressure), which does not fall below shall be.
  • the switch-on pressure (secondary pressure) of the fluid pump is thus preferably greater than the predetermined minimum pressure which should not be undershot.
  • control unit detects the time change of the fluid pressure when the fluid pump is switched off by means of a pressure sensor.
  • the switch-on pressure is then by the control unit preferably in response to the time change of the fluid pressure in the off state of the fluid pump, the Cut-off pressure and the predetermined minimum pressure calculated, the calculation can be made according to the following formula:
  • PEIN P MI N - (kl + k2 " P OFF ) * dP IST / dt with:
  • kl, k2 constants that characterize the pressure curve during the start-up of the fluid pump when downstream.
  • P OFF cut-off, which leads taking into account the lag during start-up of the pressure to the desired pressure value P SOLL is achieved.
  • the switch-on pressure (downstream pressure) is therefore preferably dimensioned such that the fluid pressure does not drop below the predetermined minimum pressure after the fluid pump has been switched on during the flow of the fluid pump.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a hydraulic system according to the invention for supplying hydraulic power to a tensioning device.
  • FIG. 2 shows the operating method of the hydraulic system from FIG. 1 in the form of a flow chart.
  • Figure 3A shows the time course of the hydraulic pressure in the hydraulic system according to Figure 1.
  • Figure 3B shows the time course of the on or off state of the hydraulic pump.
  • Figure 3C shows the time course of the on or off state of the clamping system.
  • Figure 3D shows an enlarged view of the pressure curve during the wake of the hydraulic pump.
  • FIG 4 shows a modification of the hydraulic system according to Figure 1, wherein the control unit is integrated in the pressure sensor.
  • Figure 5A shows the time course of the hydraulic pressure in a conventional hydraulic system.
  • Figure 5B shows the time course of the on or off state of the hydraulic pump in the conventional hydraulic ksystem.
  • Figure 5C shows the time course of the on or off state of the clamping system in the conventional hydraulic ksystem.
  • FIG. 5D shows the time profile of the on or off state of the pressure-limiting valve in the conventional hydraulic system
  • FIG. 6 shows the time profile of the fluid pressure in a pressure medium system according to the invention, wherein the carrier due to the flow rate of the hydraulic pump is taken into account when downstream, as well
  • FIG. 7 shows a flowchart for clarifying the subsequent switching of the hydraulic pump to take account of the inertia-related flow of the hydraulic pump.
  • FIG. 1 shows a hydraulic system according to the invention with a hydraulic pump 1 which is driven by an electric motor 2 and supplies a mechanical tensioning system 3 with the hydraulic pressure required for operation.
  • the hydraulic pump 1 is connected on the input side to a hydraulic oil tank 4, from which the hydraulic pump 1 extracts hydraulic oil and pumps it via a check valve RV into a high-pressure region 5, to which the clamping system 3 is connected.
  • the hydraulic system has a pressure limiting valve 6 which connects the high-pressure region 5 with the hydraulic oil tank 4.
  • the pressure relief valve 6 is in
  • the hydraulic system has a pressure sensor 7, which measures the current hydraulic pressure P IST in the high-pressure region 5 and forwards it to a control unit 8, which controls a motor control 9 as a function of the measured hydraulic pressure P IST , wherein the control unit 8 controls the electric motor 2 optionally switches on or off.
  • control unit 8 When controlling the electric motor 2, the control unit 8 also takes into account the current delivery flow Q of the hydraulic pump 1, since the current delivery flow Q influences the caster pressure increase. For this purpose, the control unit 8 with a Speed sensor 10 is connected, which detects the rotational speed n of the electric motor 2 and thus also the pump speed. From the pump speed n, the spreader unit 8 then calculates the current flow rate Q of the hydraulic pump 1.
  • a pressure reducing valve 11 is provided which branches off between the hydraulic pump 1 and the check valve RV and in the opened state recirculates hydraulic oil into the hydraulic oil tank 4, the pressure reducing valve 11 being actuated by the control unit 8.
  • the control unit 8 opens the pressure reducing valve 11 when the target value P SOLL is lowered. This is useful so that the hydraulic pressure P IST drops as quickly as possible to the new, lower target value PSO LL .
  • P SOLL Target value for the fluid pressure.
  • K2 Device-dependent constant representing dead and delay times of pump, motor and control unit.
  • Pi ST Current fluid pressure
  • the device-specific constants K1, K2 can be determined beforehand in a calibration procedure.
  • the control unit 8 continuously measures the hydraulic pressure P IST in the high-pressure region 5 by means of the pressure sensor 7 (compare step S2 in FIG.
  • the control unit 8 then continuously checks whether the measured hydraulic pressure P IST falls below a predetermined switch-on pressure P E i N (compare S3 in FIG. If so, the control unit 8 sends a turn-on signal to the motor controller 9, which turns on the electric motor 2 thereafter to increase the hydraulic pressure ⁇ ⁇ 3 ⁇ (see step S4 in Fig. 2). In the subsequent pressure build-up, the control unit 8 then continuously checks whether the current hydraulic pressure P IST exceeds the switch-off pressure P OFF (compare step S5).
  • control unit 8 sends a switch-off signal to the motor control 9, which subsequently shuts off the electric motor 2 (see step S6).
  • the hydraulic pressure P IST still increases in spite of the switched-off electric motor 2 due to inertia, the overrun pressure rise AP RUNNING (see FIG. 3D) being sufficient to determine the pressure difference ⁇ between the switch-off pressure P OUT and the predetermined setpoint value P SOLL Z bridging.
  • the hydraulic pressure P IST thus increases from the switch-off pressure P OUT to the setpoint value P SOLL .
  • the pressure relief valve 6 continuously checks whether the hydraulic pressure P IST exceeds a predetermined maximum value P MAX (see step S7 in FIG. If this is the case, the pressure limiting valve 6 opens automatically and returns the excess hydraulic oil from the high-pressure region 5 into the hydraulic oil tank 4 in order to prevent a further increase in pressure beyond the maximum value PMA X (see step S8 in FIG.
  • the pressure relief valve 6 continuously checks whether the hydraulic pressure PIST has fallen below the predetermined target value PSOLL (compare step S9 in FIG.
  • the pressure relief valve 6 closes automatically to prevent further flow of hydraulic oil from the high-pressure region 5 into the hydraulic oil tank 4, since the hydraulic pressure PIST would fall even further below the predetermined target value PSOLL (see. Step S10 in FIG. 2).
  • Pressure relief valve 6 must be returned to the hydraulic oil tank 4.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 further agrees with the exemplary embodiment according to FIG. 1, so that reference is made to the above description in order to avoid repetition, the same reference numerals being used for corresponding details.
  • a special feature of this embodiment is that the control unit 8 is arranged in a common housing 11 with the pressure sensor 7.
  • FIGS. 6 and 7 illustrate an aspect of the invention which addresses the problem of the inertia-related timing of the hydraulic pump 1.
  • the hydraulic pressure P IST after switching on (aftershifting) of the hydraulic pump 1 at the time t EI does not rise immediately again, since the pressure increase is delayed by the dead time of the motor relay of the hydraulic pump 1 and the pressure rise itself requires a certain lead time.
  • the invention therefore provides, in this aspect, for the hydraulic pump 1 to be switched on again at a switch-on pressure P ON , which is above the predetermined minimum pressure P MIN , so that the predetermined minimum pressure P M i N, despite the inertia-related flow of the hydraulic pump 1, is not is fallen short of.
  • step S1 device-specific constants K1, K2 are determined for this purpose, which characterize the pressure rise after switching on the hydraulic pump 1 during the flow of the hydraulic pump 1.
  • step S2 the minimum pressure P M i N is set, which should not be fallen below.
  • the cut-off pressure P OUT is calculated, which leads to a shutdown of the hydraulic pump 1 when the fluid pressure P IST is raised.
  • the calculation of the switch-off pressure P OUT has already been explained in detail above, so that in this regard reference is made to the above statements to avoid repetition.
  • the fluid pressure P IST is first measured in a step S4.
  • step S7 is then checked in the loop, whether the measured fluid pressure P IST the calculated Anschalttik P A drops below. If this is the case, then the hydraulic pump 1 is switched on in a step S8. Otherwise, the above-mentioned steps S4-S7 become one
  • the downstream connection in the proposed manner is advantageous because again the kinetic energy of the pump-motor unit is utilized and no substantially higher pressure than the target pressure is established.
  • a pressure value can be set without too much oil volume being pumped through the pump, which has to be discharged again via a limiting valve.
  • dP IST / dt is the time change of the hydraulic pressure

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckmittelsystem, insbesondere ein Hydrauliksystem, mit einer Fluidpumpe (1) zum Fördern eines Antriebsfluids mit einem bestimmten Förderstrom und einem bestimmten Fluiddruck (PIST), einer Steuereinheit (8), welche die Fluidpumpe (1) anschaltet oder abschaltet, um einen vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) einzustellen, wobei die Fluidpumpe (1) beim Abschalten einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Nachlaufs der Fluidpumpe (1) noch ansteigt, während die Fluidpumpe (1) bereits abgeschaltet ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (8) beim Erhöhen des Fluiddrucks (PIST) auf den vorgegebenen Soll-Wert die Fluidpumpe (1) abschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) erreicht hat. Weiterhin umfasst die Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren.

Description

Druckmittelsystem, insbesondere Hydrauliksystem Die Erfindung betrifft ein Druckmittelsystem, insbesondere ein Hydrauliksystem einer Spannvorrichtung zum mechanischen Spannen von Werkstücken oder Werkstückhaltern, wie beispielsweise Werkstückpaletten. Derartige Spannvorrichtungen mit einem Hydrauliksystem sind beispielsweise aus DE 31 36 177 AI bekannt und enthalten eine Hydraulikpumpe, einen Drucksensor und ein Druckbegrenzungs¬ ventil sowie eine Steuereinheit. Die Hydraulikpumpe erzeugt den zum Betrieb der Spannvorrichtung erforderlichen Hydraulikdruck, wobei die Hydraulikpumpe beispielsweise von einem Elektromotor angetrieben werden kann . Das Druckbegrenzungsventil ist zwischen der Hydraulikpumpe und dem hydraulischen Verbraucher der Spannvorrichtung angeordnet und führt das Hydrauliköl beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximalwerts in einen Hydrauliköltank zurück, um den Hydraulikdruck auf den zugelassenen Maximalwert zu be- grenzen.
Diese Druckbegrenzung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Hydraulikpumpe aufgrund einer Störung einen größeren Volumenstrom fördert als zur Aufrechterhaltung eines vorgege- benen Soll-Werts erforderlich ist.
Darüber hinaus kann diese Druckbegrenzung aber auch erforderlich sein, wenn sich das in dem Hydrauliksystem eingeschlossene Hydrauliköl aufgrund einer Erwärmung ausdehnt, was mit einem entsprechenden Druckanstieg verbunden ist. Die Steuereinheit misst mittels des Drucksensors den von der Hydraulikpumpe erzeugten Hydraulikdruck und schaltet die Hydraulikpumpe ein, wenn der Hydraulikdruck einen vorgegebenen Mindestwert (Einschaltdruck) unterschreitet. Bei dem anschließenden Druckaufbau misst die Steuereinheit mittels des Drucksensors laufend den aktuellen Hydraulikdruck und schaltet die Hydraulikpumpe aus, wenn der von dem Drucksensor gemessene Hydraulikdruck den vorgegebenen Soll-Wert (Ausschalt- druck) überschreitet. Auf diese Weise wird der Hydraulikdruck im Betrieb des Spannsystems zwischen dem Mindestwert und dem Soll-Wert gehalten.
Die Figuren 5A bis 5D zeigen für ein solches herkömmliches Hydrauliksystem den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks
(Figur 5A) , des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe (Figur 5B) , des Ein- bzw. Ausschalt zustands des Verbrauchers (Figur 5C) und des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Druckbegrenzungsventils (Figur 5D)-.
Dieses bekannte Hydrauliksystem weist verschiedene Nachteile auf, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
Zum Einen muss ein Teil des von der Hydraulikpumpe geförder- ten Volumenstroms über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden, wenn der Hydraulikdruck den vorgegebenen Soll-Wert überschreitet. Diese Druckbegrenzung ist jedoch mit einer entsprechenden Verlustleistung des Druckbegrenzungsventils verbunden .
Zum Anderen wird die Hydraulikpumpe meist bei einem hohen Hydraulikdruck nahe dem Soll-Wert betrieben, was mit einer entsprechend hohen Belastung der Hydraulikpumpe und mit einem entsprechend hohen Energieaufwand verbunden ist. Weiterhin besteht das Problem, dass die Hydraulikpumpe wieder eingeschaltet werden muss, wenn der Hydraulikdruck unter einen vorgegebenen Minimaldruck abgefallen ist. Problematisch hierbei ist die Tatsache, dass dieses sogenannte Nachschalten der Hydraulikpumpe nicht sofort zu einem Druckanstieg führt, was verschiedene Ursachen hat. Zum einen weist das Motorrelais der Hydraulikpumpe eine bestimmte Totzeit auf, wodurch sich das Anlaufen der Hydraulikpumpe verzögert. Darüber hinaus benötigt die Hydraulikpumpe aufgrund ihrer Massenträgheit eine bestimmte Anlaufzeit. Zum anderen weist aber auch der
Hydraulikdruck in dem Hydrauliksystem eine Zeitkonstante auf und steigt nach dem Anlaufen der Hydraulikpumpe linear an. Diese zeitliche Verzögerung kann beim Nachschalten der Hydraulikpumpe dazu führen, dass der vorgegebene Minimaldruck unterschritten wird.
Aus DE 199 59 706 AI und DE 10 2005 060 321 AI sind Druckmittelsysteme für ein Kraftfahrzeugbremssystem bekannt, wobei ebenfalls das Phänomen auftritt, dass eine Hydraulikpumpe beim Ausschalten nicht sofort stehen bleibt, sondern einen Nachlauf aufweist. Der mögliche Druckanstieg während dieses Nachlaufs beim Ausschalten wird jedoch bei diesen Druckschriften dadurch kompensiert, dass die Steuerzeiten für nachgeschaltete Ventile entsprechend modifiziert werden.
Hierbei wird also der Druckanstieg während des Nachlaufs nicht verhindert, sondern durch geeignete steuerungstechnische Maßnahmen kompensiert.
Ferner ist zum Stand der Technik aus anderen technischen Ge- bieten hinzuweisen auf DE 20 2008 011 507 Ul, DE 697 15 709 T2 und DE 197 13 576 AI.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Hydrauliksystem zu schaffen, das diese Nachteile möglichst weitgehend vermeidet. Die Erfindung beruht auf der technischen Erkenntnis, dass die Fluidpumpe (z.B. Hydraulikpumpe) auch nach dem Abschalten ihres Antriebs noch einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (z.B. Hydraulikdruck) auch noch nach dem Abschalten der Fluidpumpe während des Nachlaufs der Fluidpumpe etwas ansteigt.
Die Erfindung sieht deshalb vor, dass die Fluidpumpe beim Druckaufbau bereits abgeschaltet wird, bevor der Fluiddruck den vorgegebenen Soll-Wert erreicht hat. Während des anschließenden Nachlaufs der Fluidpumpe steigt der Fluiddruck dann noch von dem Abschaltdruck mit einem bestimmten Nachlauf-Druckanstieg in Richtung des vorgegebenen Soll-Werts an. Die Erfindung nutzt also die kinetische Energie der Fluidpumpe, des Antriebs der Fluidpumpe und/oder der von der Fluidpumpe geförderten Flüssigkeitssäule aus.
Zum Einen bietet das den Vorteil, dass die Fluidpumpe weniger oft bei hohen Fluiddrücken nahe dem Soll-Wert betrieben wird, wodurch die Fluidpumpe geschont wird und weniger Antriebsenergie verbraucht.
Zum Anderen bietet die Erfindung aber auch den Vorteil, dass weniger Fluid (z.B. Hydrauliköl) über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss, wodurch das Druckbegrenzungsventil geschont wird und weniger Verlustleistung anfällt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Abschaltdruck so bemessen, dass die Druckdifferenz zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert und dem Abschaltdruck kleiner ist als der Nachlauf-Druckanstieg . Dies bedeutet, dass der Fluiddruck nach dem Abschalten der Fluidpumpe zumindest noch bis auf den vorgegebenen Soll-Wert ansteigt. Der Nach- lauf-Druckanstieg sollte also vorzugsweise hinreichend groß sein, um die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem Soll-Wert zu überbrücken.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Druckanstieg während des Nachlaufs der Fluidpumpe asymptotisch bis auf einen Endwert verläuft, so dass der Druckanstieg im oberen Druckbereich zu dem Endwert hin immer langsamer erfolgt. Es ist jedoch in der Regel wünschenswert, dass sich der vorgegebene Soll-Wert des Fluiddrucks während des Nachlaufs möglichst schnell einstellt. Vorzugsweise ist der Abschaltdruck deshalb so bemessen, dass der Nachlauf-Druckanstieg die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll- Wert um mindestens 1%, 2%, 5%, 10%, 20%, 50%, 100% oder 200% übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass zur Überbrückung der Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert der relativ steil verlaufende anfängliche Druckanstieg während des Nachlaufs ausgenutzt wird, so dass sich der vorgegebene Soll-Wert nach dem Abschalten der Fluidpumpe relativ schnell einstellt.
Andererseits ist es nicht nötig, dass der Fluiddruck nach dem Abschalten der Fluidpumpe während des Nachlaufs noch wesentlich weiter ansteigt als bis auf den gewünschten Soll-Wert. Der Abschaltdruck ist deshalb vorzugsweise so bemessen, dass der Nachlauf-Druckanstieg die Druckdifferenz zwischen dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Soll-Wert um höchstens 200%, 100%, 50%, 20%, 10%, 5%, 2% oder 1% übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass während des Nachlaufs der Fluidpumpe nur wenig überschüssiges Fluid anfällt, das dann über das Druck- begrenzungsventil abgeführt werden muss.
Die vorstehend genannten prozentualen Werts sind möglich, wenn man bestimmte Faktoren bei der Berechnung verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht auf feste Werte festgelegt. Je nach Stabilität und Charakteristik des Hydrauliksystems gibt es verschiedene Werte. Vorzugsweise wird im Rahmen der Erfindung jedoch der kleinste mögliche Wert verwendet. Dies richtet sich nach der Güte der Berechnung, der Konstanz der Parameter des Hydrauliksystems und hier insbesondere nach der Steifheit des Systems, der Reaktionsgeschwindigkeit der Steuerung und des Antriebs. Wünschenswert sind Werte unter 5 %.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Abschaltung und/oder die Anschaltung der Fluidpumpe bzw. des Antriebs der Fluidpumpe druckgesteuert. Dies bedeutet, dass die Steuereinheit mittels des Drucksensors den Flu- iddruck misst. Die Steuereinheit schaltet die Fluidpumpe dann beim Druckaufbau ab, wenn der gemessene Fluiddruck den vorgegebenen Abschaltdruck überschreitet. Darüber hinaus kann die Steuereinheit die Fluidpumpe wieder einschalten, wenn der gemessenen Fluiddruck den vorgegebenen Einschaltdruck unterschreitet .
Bei der Festlegung des Abschaltdrucks ist zu berücksichtigen, dass der Nachlauf-Druckanstieg nicht nur von der Trägheit der Fluidpumpe und ihres Antriebs abhängt, sondern auch von dem aktuell geförderten und abfließenden Förderstrom. Falls beispielsweise ein großer Förderstrom über den Verbraucher abfließt, so ist der Nachlauf-Druckanstieg nur sehr gering. Bei der Festlegung des Abschaltdrucks wird deshalb vorzugsweise der aktuell abfließende Förderstrom der Fluidpumpe berücksichtigt .
Eine Möglichkeit zur Ermittlung des aktuellen Förderstroms der Fluidpumpe besteht darin, die Pumpendrehzahl der Fluidpumpe zu messen oder aus der Motorsteuerung abzuleiten, wobei der Förderstrom dann zumindest näherungsweise aus der Pumpendrehzahl abgeleitet werden kann. Eine andere Möglichkeit zur Ermittlung des aktuellen Förderstroms der Fluidpumpe besteht in der Messung mittels eines Volumenstromsensors . Eine weitere Möglichkeit sieht dagegen vor, dass der Förderstrom der Fluidpumpe als bekannt vorausgesetzt wird.
Die Trägheit des Systems aus Fluidpumpe und deren Antrieb spiegelt sich im Betrieb in der zeitlichen Druckänderung beim Druckaufbau wieder, d.h. in der ersten zeitlichen Ableitung des Fluiddrucks. So deutet ein schneller Druckanstieg während des Druckaufbaus auf eine entsprechend hohe Trägheit und einen hohen Nachlauf-Druckanstieg hin. Vorzugsweise wird deshalb die zeitliche Druckänderung beim Druckaufbau gemessen und als Maß für die Trägheit der Fluidpumpe berücksichtigt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Abschaltdruck im Betrieb des erfindungsgemäßen Druckmittelsystems vorzugsweise dynamisch an den aktuellen Betriebszustand angepasst wird. Dies bedeutet, dass der Abschaltdruck laufend an den aktuellen Betriebszustand (z.B. Drehzahl, Fluiddruck, Druckanstieg, etc.) angepasst wird.
Bei dieser dynamischen Anpassung des Abschaltdruck werden vorzugsweise die folgenden Randbedingungen bzw. Optimierungsziele berücksichtigt:
Während des Nachlaufs soll der Fluiddruck auf jeden Fall bis auf den vorgegebenen Soll-Wert ansteigen.
Nach dem Abschalten der Fluidpumpe soll sich der vorge- gebene Soll-Wert für den Fluiddruck möglichst schnell einstellen .
Während des Nachlaufs soll möglichst wenig überschüssiges Fluid gefördert werden, das zum Erreichen des Soll-Werts nicht erforderlich ist und über das Druckbegrenzungsventil abgeführt werden muss. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Abschaltdruck deshalb nach folgender Formel berechnet und während des Betriebs laufend angepasst:
PAUS — PSOLL ~~ (Kl/ + K2) · dPisT/dt · 1/Q
Absehaltdruck .
Soll-Wert für den Fluiddruck.
Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Flu idpumpe und Antriebsmotor wiedergibt.
Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt .
Aktueller Fluiddruck.
Zeitlicher Druckanstieg.
Förderstrom der Fluidpumpe.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Berechnung des Ab- schaltdrucks nicht auf die vorstehend genannte Formel beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Formeln zur Berechnung des Abschaltdrucks realisierbar.
In einer Variante der Erfindung ist die Steuereinheit baulich in den Drucksensor integriert und erzeugt ein Abschaltsignal für die Motorsteuerung. Es ist aber alternativ auch möglich, dass die Steuereinheit baulich von dem Drucksensor getrennt ist und von dem Drucksensor ein Drucksignal als analoges Signal erhält.
Bei einem Verbraucher kann es notwendig sein, dass der Druck noch einmal nachgeschaltet wird, zum Beispiel, dass sich mit zeitlicher Verzögerung ein Nachsetzen ergibt oder ein kleines Leck auftritt oder dass durch eine starke Abkühlung der Druck sich etwas reduzieren kann. Ein derartiger Nachschaltdruck liegt typischerweise 5-10 % unter dem vorgegebenen Soll-Wert PSOLL, aber über dem Abschaltdruck PAUS- In diesem Fall darf nur eine ganz kleine Fördermenge in das System eingespeist werden und bedarf einer weiteren Ansteuerung, wenn nicht eine überschüssige Ölmenge über das Druckbegrenzungsventil abgelassen werden soll. Für diesen Fall wird die Einschaltdauer des Antriebsmotors der Fluidpumpe ("Druckmotor") so weit reduziert, dass nur die Drehzahl erreicht wird, um einen geringeren Druckaufbau durch Nachlauf zu erzielen. Dies geschieht durch eine Reduzierung der Konstante Kl des Fördervolumens Q und einer proportional dazu reduzierte Anlaufzeit des Pumpen- motorantriebs .
Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Begriffe des Ein- bzw. Ausschaltens der Fluidpumpe stellen vorzugsweise darauf ab, dass der Antrieb der Fluidpumpe vollständig an- bzw. abgeschaltet wird. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für Varianten, bei denen der Antrieb der Fluidpumpe lediglich hoch- oder heruntergefahren wird.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei dem Druckmittelsystem um ein Hydrauliksystem. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Druckmittelsystemen realisierbar, wie beispielsweise bei Pneumatiksystemen. Ent- scheidend ist lediglich, dass die Fluidpumpe nach ihrem Abschalten noch einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, während dessen der Fluiddruck noch ansteigt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass das erfindungsgemäße Druck- mittelsystem vorzugsweise einen Verbraucher umfasst, der mit unter Druck stehendem Fluid versorgt wird. Bei dem Verbraucher handelt es sich vorzugsweise um ein Spannsystem zum mechanischen Spannen von Werkstücken oder Werkstückhaltern wie beispielsweise Werkstückpaletten. Derartige Spannsysteme sind an sich bekannt und beispielsweise in DE 31 36 177 AI be- schrieben, so dass der Inhalt dieser Veröffentlichung der vorliegenden Beschreibung in vollem Umfang zuzurechnen ist. Die Erfindung beansprucht jedoch auch Schutz für Druckmittelsysteme mit anderen Typen von Verbrauchern.
Ein anderer Aspekt der Erfindung befasst sich mit dem Problem, dass die Fluidpumpe beim Anschalten (Nachschalten) einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Vorlaufs der Fluidpumpe noch nicht wesentlich an- steigt, obwohl die Fluidpumpe bereits angeschaltet ist. Die Gründe für diesen Vorlauf bestehen - wie schon eingangs kurz erläutert - zum einen in der Totzeit des Motorrelais der Fluidpumpe und zum anderen in dem verzögerten Druckaufbau in dem DruckmittelSystem .
Die Erfindung sieht deshalb vorzugsweise auch vor, dass die Steuereinheit beim Absinken des Fluiddrucks im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe die Fluidpumpe bereits wieder einschaltet, bevor der Fluiddruck auf einen vorgegebenen Mini- maldruck (z.B. 5% unter Soll-Druck) gefallen ist, der nicht unterschritten werden soll. Der Einschaltdruck (Nachschalt- druck) der Fluidpumpe ist also vorzugsweise größer als der vorgegebene Minimaldruck, der nicht unterschritten werden soll. Dies bietet den Vorteil, dass der möglicherweise auf- tretende weitere Druckabfall während des trägheitsbedingten
Vorlaufs der Fluidpumpe nicht dazu führt, dass der vorgegebene Minimaldruck unterschritten wird.
In einem bevorzugten Aus führungsbeispiel der Erfindung er- fasst die Steuereinheit im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe mittels eines Drucksensors die zeitliche Änderung des Fluiddrucks. Der Einschaltdruck wird dann von der Steuereinheit vorzugsweise in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung des Fluiddrucks im abgeschalteten Zustand der Fluidpumpe, dem Abschaltdruck und dem vorgegebenen Minimaldruck berechnet, wobei die Berechnung nach folgender Formel erfolgen kann:
PEIN = PMIN - (kl + k2 " PAUS) * dPIST/dt mit :
kl, k2: Konstanten, die den Druckverlauf während des Anlaufs der Fluidpumpe beim Nachschalten charakterisieren.
PAUS: Abschaltdruck, der unter Berücksichtigung des Nachlaufs beim Hochfahren des Drucks dazu führt, dass der Drucksollwert PSOLL erreicht wird.
dP/dt: Zeitliche Änderung des Fluiddrucks nach Erreichen des
Maximalwertes. Die Steigung ist hierbei negativ, so dass der Nachschaltdruck PEIN größer ist als der vorgegebene Minimaldruck PMIN-
Der Einschaltdruck (Nachschaltdruck) ist also vorzugsweise so bemessen, dass der Fluiddruck nach dem Anschalten der Fluidpumpe während des Vorlaufs der Fluidpumpe nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck abfällt.
Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung auch ein entsprechendes Betriebsverfahren umfasst, wie sich bereits aus der vorstehenden Beschreibung ergibt. Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems zur Hydraulikversorgung einer SpannVorrichtung .
Figur 2 das Betriebsverfahren des Hydrauliksystems aus Fi- gur 1 in Form eines Flussdiagramms. Figur 3A den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks in dem Hydrauliksystem gemäß Figur 1. Figur 3B den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe.
Figur 3C den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Spannsystems.
Figur 3D eine vergrößerte Darstellung des Druckverlaufs während des Nachlaufs der Hydraulikpumpe.
Figur 4 eine Abwandlung des Hydrauliksystems gemäß Figur 1, wobei die Steuereinheit in den Drucksensor integriert ist.
Figur 5A den zeitlichen Verlauf des Hydraulikdrucks in einem herkömmlichen Hydrauliksystem.
Figur 5B den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands der Hydraulikpumpe in dem herkömmlichen Hydrauli ksystem . Figur 5C den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzustands des Spannsystems in dem herkömmlichen Hydrauli ksystem .
Figur 5D den zeitlichen Verlauf des Ein- bzw. Ausschaltzu- Stands des Druckbegrenzungsventils in dem herkömmlichen Hydrauliksystem,
Figur 6 den zeitlichen Verlauf des Fluiddrucks in einem erfindungsgemäßen Druckmittelsystem, wobei der träg- heitsbedingte Vorlauf der Hydraulikpumpe beim Nachschalten berücksichtigt wird, sowie
Figur 7 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des Nachschal- tens der Hydraulikpumpe zur Berücksichtigung des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem mit einer Hydraulikpumpe 1, die von einem Elektromotor 2 angetrieben wird und ein mechanisches Spannsystem 3 mit dem zum Betrieb erforderlichen Hydraulikdruck versorgt.
Die Hydraulikpumpe 1 ist eingangsseitig mit einem Hydrauliköltank 4 verbunden, aus dem die Hydraulikpumpe 1 Hydrauliköl entnimmt und über ein Rückschlagventil RV in einen Hochdruckbereich 5 pumpt, an den das Spannsystem 3 angeschlossen ist.
Darüber hinaus weist das Hydrauliksystem ein Druckbegrenzungsventil 6 auf, das den Hochdruckbereich 5 mit dem Hydrau- liköltank 4 verbindet. Das Druckbegrenzungsventil 6 ist im
Normalzustand geschlossen und öffnet, wenn der aktuelle Hydraulikdruck PIST in dem Hochdruckbereich 5 einen vorgegebenen Maximalwert PMAX überschreitet. Ferner weist das Hydrauliksystem einen Drucksensor 7 auf, der den aktuellen Hydraulikdruck PIST in dem Hochdruckbereich 5 misst und an eine Steuereinheit 8 weiterleitet, die eine Motorsteuerung 9 in Abhängigkeit von dem gemessenen Hydraulikdruck PIST ansteuert, wobei die Steuereinheit 8 den Elektromo- tor 2 wahlweise anschaltet oder abschaltet.
Bei der Ansteuerung des Elektromotors 2 berücksichtigt die Steuereinheit 8 auch den aktuellen Förderstrom Q der Hydraulikpumpe 1, da der aktuelle Förderstrom Q den Nachlauf-Druck- anstieg beeinflusst. Hierzu ist die Steuereinheit 8 mit einem Drehzahlsensor 10 verbunden, der die Drehzahl n des Elektromotors 2 und damit auch die Pumpendrehzahl erfasst. Aus der Pumpendrehzahl n berechnet die Streuereinheit 8 dann den aktuellen Förderstrom Q der Hydraulikpumpe 1.
Darüber hinaus ist ein Druckreduzierventil 11 vorgesehen, dass zwischen der Hydraulikpumpe 1 und dem Rückschlagventil RV abzweigt und im geöffneten Zustand Hydrauliköl in den Hyd- rauliktölank 4 zurückführt, wobei das Druckreduzierventil 11 von der Steuereinheit 8 angesteuert wird. Die Steuereinheit 8 öffnet das Druckreduzierventil 11, wenn der Soll-Wert PSOLL abgesenkt wird. Dies ist sinnvoll, damit der Hydraulikdruck PIST möglichst schnell auf den neuen, geringeren Soll-Wert PSOLL absinkt.
Die Steuereinheit 8 berechnet dann während des Betriebs laufend (vgl. Schritt Sl in Figur 2) einen Abschaltdruck PAUS nach folgender Formel : PAUs = PSOLL - (K1/PSOLL + K2 ) · dPIST/dt · 1/Q mit :
PAUS: Abschaltdruck.
PSOLL: Soll-Wert für den Fluiddruck.
Kl: Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Flu- idpumpe und Antriebsmotor wiedergibt.
K2 : Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt .
PiST: Aktueller Fluiddruck.
dPIST/dt: Zeitlicher Druckanstieg.
Q: Förderstrom der Fluidpumpe.
Die gerätespezifischen Konstanten Kl, K2 können zuvor in einem Kalibrierungsverfahren ermittelt werden. Im ausgeschalteten Zustand der Hydraulikpumpe misst die Steuereinheit 8 mittels des Drucksensors 7 laufend den Hydraulikdruck PIST in dem Hochdruckbereich 5 (vgl. Schritt S2 in Figur 2) .
Die Steuereinheit 8 prüft dann laufend, ob der gemessene Hydraulikdruck PIST einen vorgegebenen Einschaltdruck PEiN unterschreitet (vgl. S3 in Figur 2). Falls dies der Fall ist, so sendet die Steuereinheit 8 ein Einschaltsignal an die Motorsteuerung 9, die darauf hin den Elektromotor 2 einschaltet, um den Hydraulikdruck Ρί3τ zu erhöhen (vgl. Schritt S4 in Figur 2). Bei dem anschließenden Druckaufbau prüft die Steuereinheit 8 dann laufend, ob der aktuelle Hydraulikdruck PIST den Abschaltdruck PAUS überschreitet (vgl. Schritt S5) .
Falls dies der Fall ist, so sendet die Steuereinheit 8 ein Abschaltsignal an die Motorsteuerung 9, die darauf hin den Elektromotor 2 abschaltet (vgl. Schritt S6) .
Bei dem anschließenden trägheitsbedingten Nachlauf der Hydraulikpumpe 1 steigt der Hydraulikdruck PIST trotz des ausge- schalteten Elektromotors 2 noch trägheitsbedingt an, wobei der Nachlauf-Druckanstieg APNACHLAUF (vgl. Figur 3D) ausreicht, um die Druckdifferenz ΔΡ zwischen dem Abschaltdruck PAUS und dem vorgegebenen Soll-Wert PSOLL Z überbrücken. Während des Nachlaufs steigt der Hydraulikdruck PIST also von dem Ab- schaltdruck PAUS bis auf den Soll-Wert PSOLL an.
Während des Nachlaufs prüft das Druckbegrenzungsventil 6 laufend, ob der Hydraulikdruck PIST einen vorgegebenen Maximalwert PMAX übersteigt (vgl. Schritt S7 in Figur 2). Falls dies der Fall ist, so öffnet das Druckbegrenzungsventil 6 automatisch und leitet das überschüssige Hydrauliköl aus dem Hochdruckbereich 5 in den Hydrauliköltank 4 zurück, um einen weiteren Druckanstieg über den Maximalwert PMAX hinaus zu verhindern (vgl. Schritt S8 in Figur 2).
Darüber hinaus prüft das Druckbegrenzungsventil 6 laufend, ob der Hydraulikdruck PIST unter den vorgegebenen Soll-Wert PSOLL gefallen ist (vgl. Schritt S9 in Figur 2).
Falls dies der Fall sein sollte, so schließt das Druckbegrenzungsventil 6 selbsttätig, um ein weiteres Abfließen von Hydrauliköl aus dem Hochdruckbereich 5 in den Hydrauliköltank 4 zu verhindern, da der Hydraulikdruck PIST dadurch noch weiter unter den vorgegebenen Soll-Wert PSOLL abfallen würde (vgl. Schritt S10 in Figur 2) .
Aus Figur 3D ist weiterhin ersichtlich, dass der ohne eine Druckbegrenzung maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg APNACH- LAUF größer ist als die zu überbrückende Druckdifferenz ΔΡ zwischen dem Abschaltdruck PAUs und dem vorgegebenen Soll-Wert PSOLL- Dies ist vorteilhaft, weil der Druckanstieg während des Nachlaufs dadurch relativ schnell erfolgt. Allerdings wird dieser Vorteil mit dem Nachteil erkauft, dass ein Teil des während des Nachlaufs geförderten Hydrauliköls über das
Druckbegrenzungsventil 6 in den Hydrauliköltank 4 zurückgeführt werden muss. Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 stimmt weitergehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass die Steuereinheit 8 in einem gemeinsamen Gehäuse 11 mit dem Drucksensor 7 angeordnet ist.
Die Figuren 6 und 7 verdeutlichen einen Erfindungsaspekt, der auf das Problem des trägheitsbedingten zeitlichen Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 abstellt. So steigt der Hydraulikdruck PIST nach dem Einschalten (Nachschalten) der Hydraulikpumpe 1 zum Zeitpunkt tEI nicht sofort wieder an, da der Druckanstieg durch die Totzeit des Motorrelais der Hydraulikpumpe 1 verzögert wird und auch der Druckanstieg selbst eine gewisse Vorlaufzeit benötigt. Die Erfindung sieht deshalb in diesem Aspekt vor, dass die Hydraulikpumpe 1 beim Nachschalten bereits wieder bei einem Einschaltdruck PEIN eingeschaltet wird, der über dem vorgegebenen Minimaldruck PMIN liegt, damit der vorgegebene Minimaldruck PMiN trotz des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 nicht unterschritten wird. In einem ersten Schritt Sl werden hierzu gerätespezifische Konstanten Kl, K2 ermittelt, die den Druckanstieg nach dem Anschalten der Hydraulikpumpe 1 während des Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 kennzeichnen. In einem weiteren Schritt S2 wird der Minimaldruck PMiN vorgegeben, der nicht unterschritten werden soll.
Darüber hinaus wird in einem Schritt S3 der Abschaltdruck PAUS berechnet, der beim Hochfahren des Fluiddrucks PIST zu einem Abschalten der Hydraulikpumpe 1 führt. Die Berechnung des Abschaltdrucks PAUS wurde bereits vorstehend ausführlich erläutert, so dass diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird. In einer Schleife wird zunächst in einem Schritt S4 der Flu- iddruck PIST gemessen.
Darüber hinaus wird in der Schleife dann in einem Schritt S5 die zeitliche Änderung dPist dt des Fluiddrucks PIST berechnet.
In einem weiteren Schritt S6 wird dann nach folgender Formel der Anschaltdruck PEIN berechnet: PEIN = PMIN - (kl + k2 ' PAUS) ■ dPiST/dt .
In einem Schritt S7 wird dann in der Schleife geprüft, ob der gemessene Fluiddruck PIST den berechneten Anschaltdruck PEIN unterschreitet. Falls dies der Fall ist, so wird die Hydrau- likpumpe 1 in einem Schritt S8 eingeschaltet. Andernfalls werden die vorstehend genannten Schritte S4-S7 in einer
Schleife wiederholt.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Fluiddruck PIST trotz des trägheitsbedingten Vorlaufs der Hydraulikpumpe 1 nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck PMiN abfällt, der nicht unterschritten werden soll.
Das Nachschalten in der vorgeschlagenen Weise ist vorteil- haft, weil wieder die kinetische Energie der Pumpen-Motor- Einheit ausgenutzt wird und sich kein wesentlich höherer Druck als der Solldruck einstellt. Somit kann mit einer derartigen Einrichtung ein Druckwert eingestellt werden, ohne dass zuviel Ölvolumen durch die Pumpe gefördert wurde, wel- ches über ein Begrenzungsventil wieder abgeführt werden muss.
In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Abschalten der Pumpe bereits vor Erreichen des Soll-Werts PSOLL ergibt sich ein Druckeinstellsystem, bei dem das Druckbegrenzungsventil 6 nur noch der Sicherheit dient. Die Druckeinstellung wird durch die Veränderung des Soll-Wertes PSOLL vorgenommen.
Durch die Verwendung des Abschaltdrucks PAus aus dem erstmali- gen Druckanstieg wird etwas mehr Energie in das Hydrauliksystem gegeben, da der Druck nur im System aus der Hydraulikpumpe 1 und dem Druckrohr aufgebaut werden muss und erst nach dem Öffnen des Rückschlagventils RV das gesamte Hydrauliksystem angeschlossen ist.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darüber hinaus beansprucht die
Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den in Bezug genommenen Ansprüchen .
Bezugszeichenliste
Hydraulikpumpe
Elektromotor
Spannsystem
Hydrauliköltank
Hochdruckbereich
Druckbegrenzungsventil
7 Drucksensor
8 Steuereinheit
9 MotorSteuerung
10 Drehzahlsensor
11 Druckreduzierventil
kl k2 Konstanten, die den Druckverlauf während des Anlaufs der Fluidpumpe beim Nachschalten charakterisieren
Kl Geräteabhängige Konstante, die die Trägheit von Fluidpumpe und Antriebsmotor wiedergibt
K2 Geräteabhängige Konstante, die Tot- und Verzögerungszeiten von Pumpe, Motor und Steuereinheit wiedergibt n Drehzahl des Elektromotors
PAUS Abschaltdruck
PEIN Einschaltdruck
PIST Hydraulikdruck
PMIN Minimal
PMAX Maximaldruck
PSOLL Soll-Wert
ΔΡ Druckdifferenz zwischen Abschaltdruck und Soll-Wert
APNACHLAUF Nachlauf-Druckanstieg
RV Rückschlagventil
Q Förderstrom der Hydraulikpumpe
dPIST/dt zeitliche Änderung des Hydraulikdrucks

Claims

ANSPRÜCHE
1. Druckmittelsystem, insbesondere Hydrauliksystem, mit a) einer Fluidpumpe (1) zum Fördern eines Antriebsfluids mit einem bestimmten Förderstrom (Q) und einem bestimmten Fluiddruck (PIST) ,
b) einer Steuereinheit (8) , welche die Fluidpumpe (1) anschaltet oder abschaltet, um einen vorgegebenen Soll- Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) einzustellen,
c) wobei die Fluidpumpe (1) beim Abschalten einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Fluiddruck während des Nachlaufs der Fluidpumpe (1) noch ansteigt, während die Fluidpumpe (1) bereits abgeschaltet ist,
d) während die Fluidpumpe (1) beim Anschalten einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (PIST) während des Vorlaufs der Fluidpumpe (1) noch nicht wesentlich ansteigt, obwohl die Fluidpumpe (1) bereits angeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
e) dass die Steuereinheit (8) beim Erhöhen des Fluiddrucks
(PIST) auf den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) die Fluidpumpe (1) abschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) erreicht hat, und/oder f) dass die Steuereinheit (8) beim Absinken des Fluiddrucks (PIST) im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1) die Fluidpumpe (1) wieder einschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) auf einen vorgegebenen Minimaldruck (PMIN) gefallen ist
2. Druckmittel System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Fluiddruck (PIST) während des Nachlaufs nach dem Abschalten der Fluidpumpe (1) ohne eine Druckbegrenzung noch um einen bestimmten maximal möglichen Nachlauf-Druckanstieg (APNACHLAUF) ansteigt, und
b) dass die Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) abschaltet, wenn der Fluiddruck (PIST) einen bestimmten Abschaltdruck (PAUS) übersteigt.
3. Druckmittelsystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Druckdifferenz (ΔΡ) zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) und dem Abschaltdruck (PAUS) kleiner ist als der maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg (APNACHLAUF) so dass der Flu¬ iddruck (PIST) während des Nachlaufs noch zumindest bis auf den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) ansteigt,
und/oder
b) dass der maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg (APNACH- LAUF) die Druckdifferenz (ΔΡ) zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) und dem Abschaltdruck (PAUS) um mindestens 10%, 20%, 50%, 100% o- der 200% übersteigt, und/oder
c) dass der maximal mögliche Nachlauf-Druckanstieg (APNACH- LAUF) die Druckdifferenz (ΔΡ) zwischen dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) und dem Ab¬ schaltdruck (PAUS) um höchstens 200%, 100%, 50%, 20% o- der 10% übersteigt.
4. Druckmittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass ein Drucksensor (7) vorgesehen ist, der den Fluiddruck (PIST) misst und den gemessenen Fluiddruck (PIST) an die Steuereinheit (8) weiterleitet, und
b) dass die Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) in Abhängigkeit von dem gemessenen Fluiddruck (PIST) abschaltet und/oder
c) dass die Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) in Abhängigkeit von dem gemessenen Fluiddruck (PIST) anschaltet, und/oder
d) dass Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) abschaltet, wenn der gemessene Fluiddruck (PIST) einen bestimmten Abschaltdruck (PAus) übersteigt, und/oder
e) dass Steuereinheit (8) die Fluidpumpe (1) einschaltet, wenn der gemessene Fluiddruck (PIST) einen bestimmten Einschaltdruck (PEIN) unterschreitet.
5. Druckmittelsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Steuereinheit (8) den Förderstrom (Q) der Fluidpumpe (1) ermittelt,
b) dass die Steuereinheit (8) den Abschaltdruck (PAUS) in Abhängigkeit von dem Förderstrom (Q) der Fluidpumpe (1) und dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) ermittelt.
6. Druckmittelsystem nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Fluidpumpe (1) durch einen Antriebsmotor (2), insbesondere einen elektrischen Antriebsmotor (2), mit einer bestimmten Drehzahl angetrieben wird, und
b) dass die Steuereinheit (8) den Förderstrom der Fluidpumpe (1) aus der Drehzahl der Antriebspumpe berechnet.
7. Druckmittelsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (8) den Abschaltdruck während des Betriebs dynamisch anpasst, insbeson dere in Abhängigkeit von mindestens einer folgenden Größen: dem Förderstrom (Q) der Fluidpumpe (1),
dem vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) für den Fluiddruck ( PIST)
dem zeitlichen Druckanstieg (dP/dt) des Fluiddrucks ( PIST) ·
8. Druckmittelsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Fluidpumpe (1) von einem Antriebsmotor (2) an getrieben wird, insbesondere von einem elektrischen An triebsmotor (2) ,
b) dass der Antriebsmotor (2) von einer Motorsteuerung an gesteuert wird,
c) dass die Steuereinheit (8) zum Abschalten der Fluidpum pe (1) ein Abschaltsignal an die Motorsteuerung überträgt .
9. Druckmittelsystem nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Steuereinheit (8) baulich in den Drucksensor
(7) integriert ist, oder
b) dass die Steuereinheit (8) baulich von dem Drucksensor
(7) getrennt ist.
10. Druckmittelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet,
a) dass das Antriebsfluid eine Hydraulikflüssigkeit ist, insbesondere ein Hydrauliköl, und dass die Fluidpumpe (1) eine Hydraulikpumpe ist, und/oder b) dass die Fluidpumpe (1) einen Verbraucher (3) mit dem Antriebsfluid versorgt, und/oder
c) dass der Verbraucher (3) ein mechanisches Spannsystem
(3) ist, das ein Werkstück oder einen Werkstückhalter lösbar festspannt.
11. Druckmittelsystem nach Anspruch 4 und Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
a) dass die Steuereinheit (8) im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1) mittels des Drucksensors (7) die zeitliche Änderung (dp/dt) des Fluiddrucks (PIST) ermittelt, und
b) dass die Steuereinheit (8) den Einschaltdruck (PEIN) in Abhängigkeit von mindestens einer der folgenden Größen bestimmt :
der zeitlichen Änderung (dPisT/dt) des Fluiddrucks (PIST) m abgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1), dem Abschaltdruck (PAUS) ,
dem vorgegebenen Minimaldruck (PMIN) ·
12. Druckmittelsystem nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass der Einschaltdruck (PEIN) größer ist als der vorgegebene Minimaldruck (P IN)/ und/oder
b) dass der Einschaltdruck (PEIN) vorzugsweise so bemessen ist, dass der Fluiddruck (PIST) nach dem Anschalten der Fluidpumpe (1) während des Vorlaufs der Fluidpumpe (1) nicht unter den vorgegebenen Minimaldruck (PMIN) abfällt.
13. Betriebsverfahren für ein Druckmittelsystem mit
a) einer Fluidpumpe (1) zum Fördern eines Antriebsfluids mit einem bestimmten Förderstrom (Q) und einem bestimmten Fluiddruck (PIST) , b) einer Steuereinheit (8), welche die Fluidpumpe (1) anschaltet oder abschaltet, um einen vorgegebenen Soll- Wert ( PSOLL) des Fluiddrucks (PIST) einzustellen,
c) wobei die Fluidpumpe (1) beim Abschalten einen trägheitsbedingten Nachlauf aufweist, so dass der Flu- iddruck während des Nachlaufs der Fluidpumpe (1) noch ansteigt, während die Fluidpumpe (1) bereits abgeschaltet ist,
d) während die Fluidpumpe (1) beim Anschalten einen trägheitsbedingten Vorlauf aufweist, so dass der Fluiddruck (PIST) während des Vorlaufs der Fluidpumpe (1) noch nicht wesentlich ansteigt, obwohl die Fluidpumpe (1) bereits angeschaltet ist,
dadurch gekennzeichnet,
e) dass die Steuereinheit (8) beim Erhöhen des Fluiddrucks
(PIST) auf den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) die Fluidpumpe (1) abschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) den vorgegebenen Soll-Wert (PSOLL) erreicht hat, und/oder f) dass die Steuereinheit (8) beim Absinken des Fluiddrucks (PIST) im ausgeschalteten Zustand der Fluidpumpe (1) die Fluidpumpe (1) wieder einschaltet bevor der Fluiddruck (PIST) auf einen vorgegebenen Minimaldruck (P IN) gefallen ist.
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