Linear-Mengenteiler für exakten Gleichlauf von Hydraulikzylindern!!

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1 Linear-Mengenteiler für exakten Gleichlauf von Hydraulikzylindern!! Synchroner Antrieb von 2-12 Hydraulikzylindern Hydromechanisches System ohne aufwendige Ansteuerung Keine Beeinflussung des Gleichlaufs durch ungleichmäßige Belastung Hohe Betriebssicherheit, da keine Druckübersetzung Keine besonderen Anforderungen an die zu betreibenden Zylinder Kompakter Antrieb in Verbindung mit Lemacher Aggregaten Für alle Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Dosiergenauigkeit geeignet MT14025A 1

2 Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Gleichlaufproblematik als ständige Herausforderung Die Lösung der Gleichlaufproblematik war bisher nur mit geringer Genauigkeit oder hohem elektronischen Aufwand realisierbar. Eine hydromechanische Gleichlaufeinrichtung, die über Dosierkolben das für den Gleichlauf nötige Ölvolumen exakt dosiert, war bisher nur für eingeschränkte Einsatzfälle konzipiert. Der Linear-Gleichlauf-Mengenteiler von LEMACHER HYDRAULIK realisiert das Dosierprinzip mit hoher Genauigkeit in kompakter Bauweise bei nahezu frei wählbaren Dosiervolumen. Was ist das Neue am LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteiler? Der LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteiler besteht aus einem Hauptzylinder, an den mehrere Dosierzylinder angebaut sind. Genauer gesagt handelt es sich um Zylindersegmente, denn der Clou der kompakten Bauweise liegt darin, dass keine kompletten Haupt- und Dosierzylinder benötigt werden, denn allein durch die besondere Anordnung von Kolben, Rohren und Gehäuse entsteht dieses System. In dieser kompakten Einheit ist ebenfalls die Ansteuerung mittels 2/2-Wege-Einbauventilen integriert, die eine Vielzahl von Anwendungen und Betriebsarten gewährleistet. Anwendungsmöglichkeiten in großer Vielfalt Durch die spezielle Ansteuerung des Linear-Gleichlauf-Mengenteilers ist es möglich, in den Endlagen einen Ausgleich der Dosiervolumen zu schaffen. Diese Schaltung verbindet alle Räume des Mengenteilers miteinander und kann somit nicht nur für den Ausgleich benutzt werden, sondern bietet auch die Möglichkeit, den Gleichlauf zu überbrücken und die angeschlossenen Arbeitszylinder im Chaos anzutreiben. Diese Betriebsart stellt einen großen Vorteil des LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteilers dar: Es ist eine Kombination aus Gleichlaufsteuerung und Chaosschaltung möglich. Hierdurch können Maschinen betrieben werden, deren Werkzeuge parallel verfahren werden sollen, wobei allerdings durch Parallelitätsfehler ein Angleichen der Arbeitszylinder am Ende des Hubes notwendig wird. In diesem Fall kann durch die Chaosschaltung ein Anliegen jedes einzelnen Arbeitszylinders unabhängig voneinander gewährleistet werden. Der entsprechende Gleichlaufrückhub mit Endlagenausgleich vervollständigt diesen Arbeitszyklus. Bei der oben beschriebenen Betriebsart fahren also nach dem Stehenbleiben eines Arbeitszylinders die restlichen Arbeitszylinder weiter aus und zwar entweder unter Aufbringen der maximalen Kraft oder falls erforderlich drucklos. Wenn dieses nicht gewünscht wird, kann die Steuerung so konzipiert werden, dass beim Überschreiten der Last eines Arbeitszylinders auch die restlichen Arbeitszylinder stehen bleiben. Diese Betriebsart wird z.b. für das Heben oder Transportieren einer Last eingesetzt. Diese beschriebenen Betriebsarten garantieren für nahezu jeden Anwendungsfall das geeignete Antriebskonzept. MT14025A 2

3 Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Konstruktive Besonderheiten LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteiler werden für die jeweils benötigten Arbeitskräfte sowie das für den Gesamthub benötigte Dosiervolumen ausgelegt. Zwischen dem Hauptkolben und der Summe der Dosierkolben herrscht in jedem Fall Flächengleichheit. Es entsteht also keine Druckübersetzung. Bei einem entsprechenden Verhältnis zwischen Dosierkolbenfläche und Arbeitszylinderfläche kann man jedoch eine Kraftübersetzung erzeugen und somit auch mit kleinen Baugrößen hohe Kräfte erhalten. Der Linear-Gleichlauf-Mengenteiler ist nach der maximalen Last für die anzutreibenden Arbeitszylinder ausgelegt. Es spielt keine Rolle, ob alle oder nur einzelne Arbeitszylinder voll belastet sind, das integrierte Sicherheitsventil sichert auf jeden Fall gegen Überlast ab. Der Gleichlauf wird von den verschiedenen Belastungsfällen nicht beeinflusst. Die Genauigkeit des Gleichlaufs hängt nur von den Dosiervolumen ab. Da die Dosierkolben und die dazugehörigen Rohre mit modernsten Fertigungsmethoden hergestellt werden, kann man davon ausgehen, dass der Volumenfehler vernachlässigbar gering ist. Kompressionsfehler Der zu erwartende Gleichlauffehler hängt fast ausschließlich von der Kompressibilität des Druckmittels ab. Solange die Verteilung der auf die Arbeitszylinder wirkenden Last gleichmäßig ist, beeinflusst die auftretende Kompression der Ölsäule den Gleichlauf nicht, da keine relative Abweichung der Arbeitszylinder zueinander besteht. Erst bei ungleichmäßiger Lastverteilung erzeugen die unterschiedlichen Drücke in den einzelnen Arbeitszylindern einen Kompressionsbedingten Gleichlauffehler. Je nach Genauigkeitsanforderungen sollte für diese Fälle eine Kompensation der Kompressionsvolumen durch speziell von LEMACHER HYDRAULIK entwickelte Bauelemente eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um ein System, das für den Einsatz in Verbindung mit Linear-Gleichlauf-Mengenteiler konzipiert wurde. Kompressionskompensation Die Kompensation der Kompression erfolgt über Kolben, die ein Übersetzungsverhältnis entsprechend der Anzahl der Arbeitszylinder besitzen. Diese Kolben können einen Hub ausführen, der konstruktiv bedingt, genau das Kompressions- Volumen in den entsprechenden Dosierräumen ausgleicht. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass für die Kompensation nur die jeweiligen Differenzen der Kompression quasi statisch ausgeglichen werden müssen, im Gegensatz zu anderen Lösungen, bei denen große Durchflussvolumen verlustreich geregelt werden müssen. MT14025A 3

4 Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Spezielle Ansteuerung mit LEMACHER 2/2-Wege Logikventilen in Kompaktbauweise Der Schaltplan stellt ein Beispiel für den Betrieb des Lemacher Linear-Gleichlauf-Mengenteilers dar. Bei diesem Beispiel werden 4 Zylinder im Gleichlauf betrieben. Der Antrieb kann mit konventionellen Hydraulik-Aggregaten realisiert werden. LEMACHER-HYDRAULIK bietet Aggregate an, bei denen der Linear-Gleichlauf-Mengenteiler direkt auf dem Aggregat angebracht ist. Der Schaltplan verdeutlicht, wie der Gleichlauf sowohl im Vor- als auch im Rückhub erreicht wird. Zusätzlich besteht auch die Möglichkeit, den Linear-Gleichlauf-Mengenteiler mit einer Differentialschaltung anzutreiben, so dass die Vorlaufgeschwindigkeit erhöht werden kann. MT14025A 4

5 Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Entlüftung + Inbetriebnahme des Linear-Gleichlauf-Mengenteilers Durch die Möglichkeit mit der Chaos-Schaltung den Linear-Gleichlauf-Mengenteiler kurzzuschließen und somit den Hauptkolbenraum mit den Dosierräumen zu verbinden, ist ein Befüllen und Entlüften bei der Inbetriebnahme gewährleistet. Für die weitere Inbetriebnahme des LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteilers ist darauf zu achten, dass eine definierte Endlage angefahren wird, bevor der Arbeitszyklus das erste Mal in Gang gesetzt wird. Die genaue Stellung des Hauptkolbens kann abgelesen oder über ein Signal weiterverarbeitet werden. Erweitertes Einsatzgebiet Die exakte Volumendosierung durch den LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteiler ermöglicht dem Anwender nicht nur den Antrieb von Hydraulikzylindern im Gleichlauf, sondern eröffnet eine Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten, durch die exakt reproduzierbare Bewegungen erreicht werden können. Wenn die Dosiervolumen auf verschiedene Baugrößen von Zylindern wirken, so entstehen unterschiedliche Bewegungen, die von nur einer Antriebseinheit erzeugt werden. Durch Kombination von Linear-Gleichlauf-Mengenteiler mit Hydro-Schwenkmotoren und Hydraulikzylindern können beliebige kinematische Abläufe gesteuert werden. Linear-Gleichlauf-Mengenteiler mit Eilgang Weitere Einsatzgebiete ergeben sich für den LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteiler durch die Ausführung mit integriertem Eilgang. Auch bei dieser Lösung werden Standard- Differentialzylinder angetrieben. Der Rückhub erfolgt also über die Ringflächen der Arbeitszylinder. Damit der Rückhub im Eilgang erfolgen kann wird ein Zusatzvolumen benötigt. Dieses Volumen wird im Eilvorlauf durch einen in den Linear-Gleichlauf-Mengenteiler eingebauten Mittelkolben nachgesaugt, um dann im Eilrückhub mit der Ringfläche der Arbeitszylinder in Differentialschaltung verbunden zu werden. Dieser Mittelkolben reduziert für den Eilvorlauf die Kolbenfläche des Linear-Gleichlauf-Mengenteilers. Für den Arbeits- und Krafthub wird der Mittelkolben mit der restlichen Kolbenfläche verbunden, so dass die gesamte Fläche zur Verfügung steht. (Ein Schaltplan für diese Ausführung ist im Anhang beigefügt.) MT14025A 5

6 Lastverteilung Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Sowohl beim Heben einer Last als auch beim Betrieb einer Presse mit vier Hydraulik-Zylinder ist eine Betrachtung der Lastverteilung in Abhängigkeit vom Angriffspunkt dieser Last unbedingt notwendig. Bei bisherigen Lösungen für Hydraulik-Pressen mit mehreren Zylindern handelt es sich meist um Ausführungen mit zwei Zylindern, bei denen die Lastverteilung auf einer Linie erfolgt. Die Lasten, die im Winkel zu dieser Linie entstehen, müssen dann durch Führungen aufgenommen werden. Nur ein Antrieb mit vier Hydraulik-Zylindern ist also in der Lage, eine Flächenlast auch wirklich ohne zusätzliche Abstützung durch die Führungen aufzunehmen und somit einen Gleichlauf zu erzeugen. Wie im unteren Bild zu erkennen ist, verteilt sich die Last in Abhängigkeit vom Lastangriffspunkt (auf den Schwerpunkt der Last bezogen) und den entsprechenden Abständen auf die vier Hydraulik-Zylinder. Eine genaue Betrachtung ist notwendig, um die Kippgrenzen zu ermitteln. Hierbei handelt es sich um die Grenzen, innerhalb derer der Lastangriffspunkt variieren kann, ohne dass an einem der vier Arbeitszylinder die maximal zulässige Kraft ( F max ) überschritten wird. Für die mathematische Lösung dieses Problems wird in die dargestellte Ebene ein Koordinatensystem mit dem Nullpunkt in 3 gelegt. 3 ist hierbei immer der Punkt, der dem Lastangriffspunkt am nächsten liegt. Die Kräfte, die durch die Arbeitszylinder an den Eckpunkten 1,2,3 und 4 aufgebracht werden müssen, werden mit F 1, F 2, F 3, F 4 bezeichnet Aus der Geometrie ergeben sich die Bedingungen: b a und d c. Die zulässige Last wird unter der Berücksichtigung von F max und den gegebenen Koordinaten a, b, c, d wie folgt bestimmt: L = F max (a+b) (c+d)/(b d) Die Kippgrenzen werden aus folgender Funktionsgleichung ermittelt: Y = c + d - b d a + b - x Die vier Kräfte an den Ecken lassen sich aus den geometrischen Verhältnissen und der Last berechnen. Aus dieser Beziehung ergibt sich eine Kurve, aus der, wenn sie um die Mittelachsen gespiegelt wird, eine Fläche entsteht, in deren Bereich die Last L ohne Kippen des Systems verschoben werden kann. F 1 = L a c / [(a+b) (c+d)] F 2 = L b c / [(a+b) (c+d)] F 3 = L b d / [(a+b) (c+d)] F 4 = L a d / [(a+b) (c+d)] MT14025A 6

7 Linear-Gleichlauf- Mengenteiler Man kann jetzt für verschiedene Lasten jeweils die Flächen bestimmen, deren Begrenzung die dazugehörigen Kippgrenzen sind. Diese Flächen gelten sowohl für das Heben einer Last mittels einer Hebebühne, als auch für das Pressen mit vier Arbeitszylindern Anwendungsbeispiele Die folgenden Beispiele sollen die Anwendungsvielfalt verdeutlichen, die durch die verschiedenen Betriebsarten des LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteilers möglich sind. Hebebühne im Gleichlauf Bei allen Anwendungen, bei denen eine Last gehoben werden soll, ergibt die übergeordnete Sicherheitsanforderung, dass bei einer Überlast die Hebebühne nicht kippen oder einsinken darf. Die maximale Last, die von einer Hebebühne angehoben werden kann, richtet sich nach den eingesetzten Hydraulikzylindern und deren Antrieb. Wenn z.b. 40t als zulässige Last gehoben werden sollen, müssen also 4 Zylinder je 10t anheben können. Trotzdem hängt die zulässige Last dann immer noch von der Verteilung bzw. dem Lastangriffspunkt ab. Wie bereits dargestellt, kann die Last nur in bestimmten Bereichen auf der Hebebühne platziert werden. Was bedeutet dies nun für den Betrieb mit einem Linear-Gleichlauf-Mengenteiler? Der Druck, der durch eine Überlast in den Arbeitszylindern entsteht, ist durch das Sicherheitsventil abgesichert. Eine exzentrische Last kann in einem Arbeitszylinder den maximal zulässigen Druck erzeugen, ohne dass die anderen Arbeitszylinder diesen hohen Druck erreichen. Damit diese Zylinder nach dem Stehenbleiben des maximal belasteten Arbeitszylinders nicht weiter ausfahren, wird bei Erreichen des maximalen Druckes die Ölzufuhr unterbrochen. So ist dann gewährleistet, dass die Hebebühne nicht ungleichmäßig weiterfährt, sondern stehen bleibt. MT14025A 7

8 Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Gleichlauf-Pressen mit 4 Hydraulikzylindern Mit der bereits ausgeführten Methode, auch bei exzentrischen Kräften des Pressenwerkzeuges (entstanden durch unterschiedliche Umformkräfte) die Lastverteilung exakt zu bestimmen, ist es möglich einen Pressenantrieb mit einem Linear-Gleichlauf-Mengenteiler und vier Arbeitszylindern zu konzipieren, bei dem die Führungen des Stößels keine Umformkräfte mehr aufnehmen müssen. Es handelt sich dann also um eine kippfreie Fahrweise bei exzentrischer Belastung in der Fläche, statt auf einer Linie, wie es bei bisherigen Lösungen mit zwei Arbeitszylindern der Fall ist. In einem Pressengestell befinden sich die Arbeitszylinder innerhalb der Aufspannplatte, wodurch auch außerhalb der Verbindungslinien der Zylinder Einzelkräfte auftreten können. Hierbei gelten die gleichen Bedingungen für die Berechnung. Es ist jedoch zu beachten, dass in diesem Fall auch Abstände mit negativem Vorzeichen berücksichtigt werden müssen. Gleichlauf bei Abkant- und Gesenkbiege-Pressen Der Antrieb einer Abkant- und Gesenkbiege-Presse ist schon immer ein Anwendungsfall für den Gleichlauf von Hydraulik-Zylindern gewesen. Hier werden meist zwei Zylinder als Antrieb eingesetzt. Der Gleichlauf wird entweder durch mechanische Zwangskopplung oder elektronische Regelung erzeugt. Auch hier kann durch den LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteiler ein Antrieb realisiert werden, der ohne aufwendige elektronische Regelung auskommt. Hierfür kämen beispielsweise zwei Möglichkeiten in Betracht: - Es können die zwei Zylinder durch das Zusammenführen von jeweils zwei Dosierräumen im Gleichlauf betrieben werden. - Es besteht des Weiteren die Möglichkeit, den Antrieb für das Durchfahren der Leerwege und das Aufbringen der Presskraft zu trennen. Es wären dann auf jeder Seite zwei Hydraulikzylinder parallel im Einsatz. Für das Schließen der Presse wird ein kleinerer Zylinder verwendet, der dann zum Aufbringen der Presskraft mit dem Hauptzylinder zusammengeschaltet wird. Bei diesem Zusammenschalten sind dann die Gesamtkolbenflächen wirksam. Da beide Zylinder (kleiner Zylinder und Hauptzylinder) in ihrer Baugröße kleiner als die Zylinder herkömmlicher Abkant- und Gesenkbiege-Pressen sind, entstehen hier keine höheren Kosten und zusätzlich können noch Einsparungen durch den Wegfall der mechanischen Zwangskopplung erreicht werden. Schließbewegungen im Gleichlauf Schließbewegungen mit Hydraulk-Zylindern im Gleichlauf werden in verschiedenen Betriebsarten ausgeführt. Ausschlaggebend für die jeweils zu wählende Betriebsart ist die Frage, wie das Anlegen des Werkzeuges (oder einer Platte) erfolgen soll. Um ein Anlegen aller Zylinder bei geschlossenem Werkzeug zu erreichen, sollen nach dem Anlegen des ersten die restlichen Arbeitszylinder weiter ausfahren. Dieses ist notwendig, um Parallelitätsfehler der Werkzeuge auszugleichen. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Schließkraft über alle Zylinder aufgebracht werden kann. Wenn der erste Arbeitszylinder anliegt, dann erreicht der Druck in diesem Zylinder den maximalen Wert, der am Sicherheitsventil eingestellt ist. Unabhängig davon fahren dann die anderen Zylinder weiter, bis dort jeweils der Maximaldruck erreicht ist. Charakteristisch für diese Betriebsart ist folglich, dass sich die Arbeitszylinder unter Druck dem Niveau des Werkzeuges anpassen. Wenn dies nicht gewünscht ist, dann kann das Anlegen auch ohne Druckaufbau vorgenommen werden. Hierfür kommt wieder der Vorteil des LEMACHER Linear-Gleichlauf-Mengenteilers zum Einsatz, den Gleichlauf durch die Chaos-Schaltung zu überbrücken. Die vier Arbeitszylinder werden im Gleichlauf bis zum Anlegen verfahren. Das Anpassen aller Arbeitszylinder geschieht danach im Chaos-Betrieb, sodass sich der Druck erst aufbaut, wenn tatsächlich alle Arbeitszylinder anliegen. MT14025A 8

9 Linear-Gleichlauf-Mengenteiler Positionier-Steuerung Alle bisher beschriebenen Betriebsarten, können mit der Standard-Steuerung (siehe Schaltplan auf Seite 3) ausgeführt werden. Zusätzlich bestehen noch Möglichkeiten, für andere Anwendungen veränderte Steuerungen zu benutzen. Bei der Positionier-Steuerung (siehe Anhang HP-LM CZ) kann der Linear-Gleichlauf- Mengenteiler unabhängig von den Arbeitszylindern verfahren werden. Dieses ist z.b. nötig, um den Linear-Gleichlauf-Mengenteiler in eine definierte Endlage zu bewegen, ohne die Arbeitszylinder auszufahren. Hierbei sind die Arbeitszylinder also in ihrer Endlage. Wenn jetzt allerdings die Arbeitszylinder in jeder beliebigen Lage abgesperrt und danach der Linear-Gleichlauf-Mengenteiler positioniert werden soll, so muss die Steuerung nach dem Schaltplan HP-LM CZ (siehe Anhang) ausgeführt werden. Bei dieser Betriebsart ergibt sich dann sogar noch eine Erweiterung: Es können mehrere Hübe des Linear-Gleichlauf-Mengenteilers nacheinander ausgeführt werden. Es kann dann eine Gruppe von Arbeitszylinder in mehreren Schritten oder mehrere Gruppen von Arbeitzylinder nacheinander ausgefahren werden. Auf diese Weise wird nur ein Teil des benötigten Dosiervolumens bei einem Hub erzeugt, wodurch sich eine kleinere Baugröße für den Linear-Gleichlauf-Mengenteiler ergibt. Allerdings muß die Rückhubzeit des Linear-Gleichlauf-Mengenteilers als Stillstandszeit für die Arbeitszylinder berücksichtigt werden. Mehrfachhub-Steuerung Um nun die Rückhubzeit bei der oben genannten Betriebsart auch als Dosierhub zu nutzen, besteht die Möglichkeit, einen Linear-Gleichlauf-Mengenteiler als doppelt wirkende Einheit einzusetzen. Wie im Schaltplan HP-LM CZ (siehe Anhang) zu erkennen ist, wird das Dosiervolumen durch den oszillierenden Hauptkolben in die Arbeitszylinder gefördert. Auch hier können große Arbeitszylinder (mit langem Hub) durch relativ kleine Linear-Gleichlauf-Mengenteiler angetrieben werden. Obwohl hier eine pulsierende Bewegung der Arbeitszylinder entsteht, ist jedoch das Heben einer Last im Gleichlauf möglich. In allen beschriebenen Betriebsarten ist auch der der Antrieb von Hydro-Schwenkmotoren oder die Kombination von Hydraulikzylindern und Hydro-Schwenkmotoren möglich. MT14025A 9

10 Inbetriebnahme Linear-Gleichlaufmengenteiler Folgende Schritte sind auszuführen für die Inbetriebnahme des Linear-Gleichlaufmengenteilers Füllen der Dosierkolbenräume 1. Ausfahren der Hubzylinder im Chaos-Vorlauf: Y3 = 1 Die Hubzylinder werden alle in ihre vordere Endlage ausgefahren. Die Kolbenräume sind gefüllt. 2. Einfahren der Hubzylinder im Gleichlauf: Y3 = 0 Das in den Hubzylindern befindliche Druckmittel wird in die Dosieräume geschoben. 3. Erneutes Ausfahren der Hubzylinder im Chaos-Vorlauf: Y3 = 1 Zur Erzeugung eines Druckmittel-Überschusses. Der Überschuss wird für die restlose Füllung und Spülung benötigt. 4. Einfahren der Hubzylinder im Gleichlauf: Y3 = 0 Bis zur Blockade der Einfahrbewegung. 5. Einfahren des Resthubes der Hubzylinder im Chaos-Rücklauf: Y3 = 1 Beim Rücklauf im Chaos wird das überschüssige Druckmittel zum Behälter geführt (spülen, entlüften). Das Gleichlaufgerät und die Hubzylinder stehen in der Ausgangsstellung. 6. Aus- und Einfahren der Hubzylinder im Gleichlauf: Y3 = 0 Die Schritte 1. bis 6. können beliebig oft wiederholt werden, bis das Druckmittel ohne störende Lufteinschlüsse ist. MT14025A 10

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