Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer hydraulischen Arbeitsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende hydraulische Arbeitsmaschine.

Ein Verfahren zum Betrieb einer hydraulischen Arbeitsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende hydraulische Arbeitsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 ist aus US 5 762 973 bekannt.

Wenngleich nachfolgend hauptsächlich auf Bearbeitungsmaschinen, insbesondere Werkzeugmaschinen, Bezug genommen wird, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt, sondern vielmehr in allen Arten von Arbeitsmaschinen einsetzbar, in denen ein, insbesondere zeitvariabler d.h. sich mit der Zeit ändernder, Fluiddruck und/oder - volumenstrom (im Folgenden auch allgemeiner als Fluidanforderung bezeichnet) benötigt wird. Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung bei Hydrauliksystemen realisiert werden.

Im Maschinenbau werden für die Bereitstellung von Energie für Antriebe einerseits herkömmliche Hydrauliksysteme mit einer Pumpe und einem Standardelektromotor, andererseits rein elektromechanische Lösungen eingesetzt.

Hydraulische Systeme besitzen gegenüber elektromechanischen Systemen bekanntermaßen eine größere Dynamik sowie eine höhere Kraft- und Leistungsdichte, verbrauchen jedoch gleichzeitig mehr Energie. Elektromechanische Systeme können also energieeffizienter sein; flexible Prozesse mit hohen Prozesskräften und einer hohen Leistungsdichte lassen sich elektromechanisch jedoch schlechter verwirklichen.

Zur Lösung dieses Konflikts kann ein hybrider Ansatz verfolgt werden, bei dem beispielsweise drehzahlvariable Pumpenantriebe (DvP) verwendet werden. Hierzu wird eine Pumpe mit einem Standardasynchronmotor oder einem Synchronservomotor und einer Konstantpumpe verwendet, wobei die Energiebereitstellung in Abhängigkeit vom Energiebedarf im Maschinenzyklus erfolgt und der jeweilige Motor entsprechend angesteuert wird. Die Drehzahl des Motors und damit die Leistung der Konstantpumpe kann, beispielsweise durch ein Antriebsregelgerät, dem Bedarf angepasst werden.

Durch Hybridverfahren lassen sich damit bereits bestimmte Vorteile erzielen, es besteht jedoch weiterhin der Bedarf nach einer verbesserten Bereitstellung eines bedarfsangepassten Fluiddrucks und/oder -volumenstroms für Arbeitsmaschinen.

Erfindungsgemäß wird hierzu ein Verfahren zum Betrieb einer hydraulischen Arbeitsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine, sowie eine entsprechende hydraulische Arbeitsmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird eine besonders vorteilhafte, bedarfsabhängige und bedarfsorientierte Anpassung eines Fluidsystems, insbesondere eines Hydraulikpumpensystems, an die Fluidanforderungen einer Arbeitsmaschine ermöglicht. Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet, eine Ansteuerung der Fluideinrichtung durch eine Steuereinrichtung der Arbeitsmaschine, insbesondere durch eine speicherprogrammierbare Steuerung, vorzunehmen.

Hierdurch können, wie im Folgenden erläutert, die Fluidanforderungen einer Arbeitsmaschine durch kleinere, energiesparendere und leistungsschwächere Pumpen bedient werden. Derartige leistungsschwächere Pumpen lassen sich dabei auch ohne Nachteile kurzzeitig im Überlastbetrieb fahren, um Spitzenanforderungen zu befriedigen. In der Konsequenz können durch die erfindungsgemäße Lösung beispielsweise Geräuschemissionen reduziert und ein elektrisches Energieeinsparpotential realisiert werden. Ferner können beispielsweise auch Kühleinrichtungen, die ihrer Leitungsfähigkeit naturgemäß direkt mit der Leistungsfähigkeit der Fluideinrichtung korrelieren müssen, kleiner und leistungsschwächer ausgelegt werden. Gegebenenfalls kann auf eine zusätzliche Kühlung vollständig verzichtet werden. Mit besonderem Vorteil lässt sich mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen im Vergleich zu herkömmlichen, ventilgeregelten Hydrauliksystemen auch ein deutlich niedrigerer Wärmeeintrag in das Hydrauliköl und damit ein geringerer Verschleiß realisieren.

Außerhalb der eigentlichen Bearbeitungsdauer in einer entsprechenden Arbeitsmaschine, bzw. in sonstigen Zeiten geringerer Fluidanforderungen, kann eine drehzahlvariable Pumpe im Teillastbetrieb gefahren werden. Hierbei reduziert beispielsweise ein Antriebsregelgerät die Drehzahl des Elektromotors und der Pumpe. Hierdurch sinken, beispielsweise in einem Hydrauliksystem, der Energieverbrauch, die ins Öl eingeführte hydraulische Verlustleitung sowie die Geräuschemissionen. Sobald das Hydrauliksystem wieder mehr Leistung benötigt, verstellt das Antriebsregelgerät erneut bedarfsgerecht die Drehzahl.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei die Verwendung hochdynamischer Servomotoren beinhalten, welche zu jedem Zeitpunkt das erforderliche Drehmoment bei sehr kurzer Beschleunigungszeit bereitstellen. In einem Antriebsregelgerät, das diesem hochdynamischen Servomotor zugeordnet ist, werden dezentral Soll- und Ist-Werte verarbeitet und analysiert. Eine Druckmessdose kann die Ist-Werte an den Umrichter melden, welcher die abgeforderte Drehzahl entsprechend regelt und an eine Konstantpumpe weitergibt. Parametrierte Software kann dabei hydraulikspezifische Regelstrategien berücksichtigen. So kann die Software beispielsweise für die Hydraulik typische NichtLinearitäten ausgleichen.

Alternativ kann auch ein Standardasynchronmotor zur Bereitstellung der Antriebsfunktion vorgesehen sein. Ein dynamischer Umrichter kann zur Steuerung der Drehzahl dieses Motors verwendet werden. Sowohl die Regelung bzw. Ansteuerung der Servomotoren als auch jene der Asynchronmotoren wird erfindungsgemäß durch eine bereits in der Arbeitsmaschine bereitstehende Steuerung, insbesondere eine Speicherprogrammierbare Steuerung, vorgenommen.

Mit besonderem Vorteil lässt sich eine erfindungsgemäße Lösung auch in bestehenden Arbeitsmaschinen nachrüsten, wodurch sich die genannten Energieeinsparpotenziale nebst den genannten weiteren Vorteilen auch in bereits vorhandenen Einrichtungen realisieren lassen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgenden 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

Figur 1

zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung zeitvariabler Fluidanforderungen sowie der Bereitstellung zeitvariabler Fluiddrücke und/oder -volumenströme im Stand der Technik.

Figur 2

zeigt eine schematische Darstellung einer Arbeitsmaschine gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 3

zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung zeitvariabler Fluidanforderungen sowie der Bereitstellung zeitvariabler Fluiddrücke und/oder -volumenströme gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In Figur 1 ist anhand eines Diagramms 100 die Bedienung von Fluidanforderungen im Stand der Technik mittels Bereitstellung eines zeitvariablen Fluidvolumenstroms 30 bei zeitkonstantem Fluiddruck 40 dargestellt. In dem Diagramm 100 ist auf einer x-Achse 10 eine Zeit in Sekunden, auf einer ersten y-Achse 20 ein Fluidvolumenstrom in Liter/Minute und auf einer zweiten y-Achse 21 ein Fluiddruck in bar angegeben.

Das Diagramm 100 veranschaulicht einen Verarbeitungszyklus, der innerhalb von 60 Sekunden abgeschlossen ist. Der in Diagramm 100 dargestellte Maschinenzyklus beinhaltet beispielsweise drei hydraulische Funktionen 51, 52 und 53 mit jeweils unterschiedlicher Fluidanforderung.

Eine erste Funktion 51, die dreimal ausgeführt werden soll, ist beispielsweise eine Werkzeugklemmfunktion mit einer Druckanforderung von 100 bar bei einem Volumenstrom von 15 l/min. Die Bedienung der Funktion 51 führt zu den letzten drei Spitzenwerten 32 von jeweils einer Sekunde in dem Fluidvolumenstrom 30.

In einer zweiten Funktion 52 wird ein Spanndruck für ein Werkstück in einem Spannfutter der Arbeitsmaschine mit einer Druckanforderung von 50 bar bei einem dauerhaften Volumenstrom von 5 l/min aufrechterhalten. Die Bedienung der Funktion 52 führt zu einem Basiswert 31 in dem Fluidvolumenstrom 30.

In einer dritten Funktion 53 soll ein zweimaliges Spannen (Auf/Zu) eines Werkstücks mit einer Druckanforderung von 50 bar bei einem Volumenstrom von 15 l/min erfolgen. Die Bedienung der Funktion 53 führt zu den ersten zwei Spitzenwerten 32 von jeweils einer Sekunde in dem Fluidvolumenstrom 30.

Im Ergebnis wird die Arbeitsmaschine im Stand der Technik so angesteuert, dass immerwährend der maximal notwendige Druck von 100 bar aufrecht erhalten wird (Linie 40), wobei die Volumenströme zwischen 5 l/min (mit 31 bezeichnet) und 5+15=20 l/min (mit 32 bezeichnet) schwanken. Der Beginn der jeweiligen Spitzenwerte ist mit 33, ihr Ende mit 34 bezeichnet. Wenngleich also die Spitzenanforderung von 100 bar bei 20 l/min nur über relativ kurze Zeiträume 32 erforderlich ist, ist in herkömmlichen Fluideinrichtungen ein konstanter Betrieb einer entsprechenden Pumpe zur Bedienung der potentiell maximal abrufbaren Höchstanforderung üblich. Mit anderen Worten ist beim Einsatz nichtdrehzahlvariabler Pumpen die Leistung eines entsprechenden Hydraulikaggregats immer auf den maximalen Druck/Volumenstrom auszulegen, um die Spitzenanforderungen bedienen zu können, im vorliegenden Fall also auf den Maximalwert 100 bar bei 20 l/min.

In Figur 2 ist, insgesamt mit 200 bezeichnet, eine Arbeitsmaschine dargestellt, die einen hydraulischen Verbraucher 202, insbesondere einen Verbraucher mit zeitvariablen Fluidanforderungen wie oben erläutert, eine Fluideinrichtung 201 sowie eine Steuereinrichtung 203 aufweist.

Wenngleich in der Figur 200 nur ein hydraulischer Verbraucher 202 dargestellt ist, sei zu verstehen gegeben, dass die vorliegende Erfindung insbesondere auch in Systemen realisiert sein kann, die mehrere hydraulische Verbraucher 202 aufweisen.

Die Steuereinrichtung 203 ist dabei der Arbeitsmaschine zugeordnet und steuert die Funktionen dieser Arbeitsmaschine (Ablaufsteuerung). Die Steuereinrichtung 203 verfügt daher über detaillierte Informationen über das in der Arbeitsmaschine ablaufende Programm und somit über die Abfolge und Zeitpunkte der einzelnen Fluidanforderungen und ihre zeitliche Variabilität. Mit besonderem Vorteil kann daher die Steuereinrichtung 203, beispielsweise über Ansteuermittel 242, auch für eine Regelung bzw. Steuerung der Fluideinrichtung 201 verwendet werden.

Die Fluideinrichtung 201 weist ein Regel- bzw. Steuersystem 220 auf. Das Regel- bzw. Steuersystem 220 interagiert mit einer Pumpe 230, beispielsweise einer Konstantpumpe 230. Die Pumpe 230 ist über eine Kupplung 233 mit einem regelbaren Elektromotor 231 verbunden, der, wie zuvor erläutert, als Asynchronmotor oder Servomotor vorgesehen sein kann. Die Regelung des Elektromotors 231 erfolgt über weitere Ansteuermittel 243. auf. Optional ist eine Kühleinrichtung 232 vorgesehen. Es sei betont, dass insbesondere auf Grund der erfindungsgemäßen Maßnahmen gegebenenfalls auch auf diese Kühleinrichtung 232 verzichtet werden kann.

Die Ansteuerung bzw. Regelung des Elektromotors 231 und damit der Pumpe 230 erfolgt über ein als Frequenzumrichter 240 ausgebildetes Antriebsregelgerät. Der Frequenzumrichter 240 weist einen Eingang 241 auf, über den ein Ist-Wert einer Druckmessdose 250 bereitgestellt werden kann. Die Fluideinrichtung 201 verfügt ferner über ein Druckregelsystem 270, das beispielsweise in herkömmlicher Weise ausgeführt ist.

Die Pumpe 230 fördert Fluid, beispielsweise Hydrauliköl, über eine Leitung 262 aus einem Fluidreservoir 260 und stellt dieses nach Durchlaufen der Pumpe 230 dem hydraulischen Verbraucher 202 mit einem Druck bereit. In einer Druckleitung P ist ein Rückschlagventil 263 vorgesehen. Über eine Rückleitung 261 wird überschüssiges Fluid in das Fluidreservoir 260 zurückgeführt.

In Figur 3 ist der sich aus der Bedienung zeitvariabler Fluidanforderungen eines oder mehrer hydraulischer Verbraucher gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ergebende zeitvariable Fluiddrucks 40 bei zeitvariablem Fluidvolumenstrom 30 in einem Diagramm 300 dargestellt. Auch der dem Diagramm 300 zugrunde liegende Maschinenzyklus beinhaltet die drei hydraulischen Funktionen 51, 52 und 53 mit jeweils unterschiedlicher Fluidanforderung. In den Figuren 1 und 3 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden an dieser Stelle nicht erneut erläutert.

Der zeitliche Verlauf des Volumenstroms 30 entspricht in Diagramm 300 jenem des Diagramms 100, d.h. es erfolgt eine zeitliche Änderung zwischen einer Basisanforderung 31 und einer Spitzenanforderung 32. In Figur 3 ist ferner veranschaulicht, wie unter Einsatz der erfindungsgemäßen Maßnahmen eine bedarfsorientierte Anpassung an Fluidanforderungen einer Arbeitsmaschine mittels Ansteuerung einer Hydraulikeinheit durch eine Steuereinrichtung, wie z.B. der Steuereinrichtung 203 der Figur 2, der Arbeitsmaschine erfolgen kann.

Durch eine entsprechende Hydraulikpumpe bzw. Fluideinrichtung wird in den mit 41 bezeichneten Zeiträumen ein Fluiddruck von 50 bar bereitgestellt, um sowohl die Grundanforderung entsprechend der Funktion 51, wie anhand Figur 1 erläutert, als auch die Fluidanforderungen der dritten Funktion 53 von 50 bar und einem Volumenstrom von 15 l/min bedienen zu können. Durch eine entsprechend angesteuerte Druckerhöhung auf 100 bar, vorzugsweise zu einem Zeitpunkt 43, welcher vor dem Zeitpunkt 33 liegt, wird die Fluideinrichtung zum Zeitpunkt 33 den dann notwendigen Druck von 100 bar liefern können. Durch eine derartige Ansteuerung zur voreilenden Bereitstellung 45 eines Fluiddrucks und/oder -volumenstroms kann die maximale Fluidanforderung unmittelbar zum Zeitpunkt 33 bedient werden. Am Ende der Maximalanforderung 32, d.h. zum Zeitpunkt 34, wird durch die Steuereinrichtung ein entsprechendes Signal gegeben, so dass nach Zeitpunkt 34 die Fluideinrichtung erneut wieder nur den Basisdruck 41 von 50 bar zur Verfügung stellt.

Eine in Diagramm 300 veranschaulichte voreilende Bereitstellung 45 eines zeitvariablen Fluiddrucks 40 zu den Zeitpunkten 43 wird erfindungsgemäß insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Steuereinrichtung als Teil der Arbeitsmaschine über genaue Informationen über die bevorstehenden Fluidanforderungen verfügt, so dass eine entsprechende Fluideinrichtung mit besonderem Vorteil voreilend an eine Fluidanforderung angepasst werden kann.

Durch das in Figur 3 bzw. Diagramm 300 veranschaulichte Verfahren, das beispielsweise durch Verwendung der in Figur 2 dargestellten Einrichtung realisiert sein kann, lassen sich signifikante Vorteile erzielen. Gegenüber einer Leistung eines Hydraulikaggregats von 4 kW, wie es in Figur 1 zur ständigen Bereitstellung von 100 bar vorgesehen sein müsste, ist im Rahmen der Figur 3 nur noch eine Hydraulikeinheit mit einer Leistungsaufnahme von etwa 2,2 kW erforderlich. Diese schwächere Hydraulikeinheit kann während der Anforderungsspitzen 32, insbesondere im Rahmen von Funktion 51, kurzzeitig im Überlastbetrieb gefahren werden, ohne dass Schäden zu befürchten wären.

Hierdurch werden eine Geräuschemission, ein Energieverbrauch und/oder eine thermische Belastung durch eine derartige Hydraulikeinheit bzw. Fluideinrichtung signifikant reduziert.