DE1296935B

DE1296935B - Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung fuer vertikal bewegbare Maschinenteile, insbesondere an Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE1296935B
Application number: DE1966C0039905
Authority: DE
Original assignee: Crouzet SA
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1965-09-20
Filing date: 1966-08-18
Publication date: 1969-06-04
Also published as: FR1457718A; GB1152200A

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung für vertikal bewegbare Maschinenteile, insbesondere an Werkzeugmaschinen mit einem mit dem zu bewegenden Maschinenteil verbundenen Kolben, der in einem Zylinder auf und ab gleitet und auf den in jeder Stellung ein annähernd konstanter Druck einwirkt.
Derartige Einrichtungen sind bekannt. Das durch eine Schraubspindel zu bewegende Maschinenteil ist dabei über die Schraubspindel mit einem Kolben verbunden, auf dem stets ein konstanter Flüssigkeitsdruck wirkt, der von einer Konstantdruckpumpe geliefert wird. Beim Absenken des Maschinenteils entsteht im hydraulischen System ein Druck, der höher als der Konstantdruck ist. Dadurch wird ein Ventil geöffnet, so daß Flüssigkeit entweichen kann und das Maschinenteil abgesenkt wird. Diese Einrichtung ist insofern nachteilig, als dort dauernd eine Pumpe in Betrieb sein muß und zum Absenken eine zusätzliche Kraft zum Öffnen des genannten Ventils notwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und für den Gewichtsausgleich eines vertikal zu bewegenden Maschinenteils der vorstehend beschriebenen Art eine einfache Vorrichtung zu schaffen, die auch eine Geschwindigkeitsregelung des zu bewegenden Maschinenteils in beiden Richtungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung des konstanten Druckes ein gasbelasteter Hydraulikspeicher angeordnet ist.
Durch die Verwendung eines solchen Druckspeichers an Stelle der bekannten Konstantdruckpumpe ergibt sich ein Hin- und Herpendeln des Druckmittels, was die Anordnung von Drosselventilen zur Geschwindigkeitsregelung in beiden Richtungen ermöglicht, in der Weise, daß der Kolben als Differentialkolben ausgebildet ist und zwischen den beiden Zylinderseiten eine Verbindungsleitung mit in Richtung des Ringraumes öffnendem Rückschlagventil und hierzu parallel geschaltetem, regelbarem Drosselventil und in der Konstantdruck-Zuleitung zu dem mit der Kolbenfläche in Verbindung stehenden Zylinderraum ein zu diesem hin öffnendes Rückschlagventil mit hierzu parallel geschaltetem, regelbarem Drosselventil angeordnet ist. Das Rückschlagventil in der die beiden Kammern verbindenden Leitung kann durch ein den Kolben selbst durchsetzendes Rückschlagventil ersetzt werden.
Zur Veränderung des Gasdruckes in Abhängigkeit von der veränderlichen Last ist ein zusätzlicher Flüssigkeitszylinder vorgesehen, in dem ein von Hand zu betätigender Kolben, etwa durch eine Schraube, verstellbar angeordnet ist, mit dessen Hilfe das Flüssigkeitsvolumen im hydraulischen Kreis und damit auch das Gasvolumen bzw. dessen Druck veränderbar ist.
Es kann aber auch eine Saug- und Druckpumpe sowie in einer Umgehungsleitung, d. h. parallel hierzu, ein normalerweise geschlossenes Ventil und ein Flüssigkeitshilfsbehälter am hydraulischen Kreis angeschlossen sein, mit deren Hilfe das Flüssigkeitsvolumen wie vorstehend verändert werden kann.
Bei Verwendung einer pneumatischen Hebevorrichtung kann eine bei der Bewegung des Gewichtsausgleich-Kolbens wirksame Gleichdruckregelvorrichtung angeordnet sein, die aus einem Drucktransformator besteht, dessen primärer, pneumatischer Zylinder mit einer Druckgasquelle über ein Druckminderventil und dessen sekundärer hydraulischer Zylinder über eine Leitung mit dem Gewichtsausgleich-Zylinder verbunden ist. Ein in Gewichtseinheiten geeichtes Manometer kann an einer beliebigen Stelle des hydropneumatischen Kreises angeschlossen sein.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt F i g. 1 ein einfaches Schema der Gewichtsausgleicheinrichtung, F i g. 2 ein vervollständigtes Schema in Anwendung auf eine Fräsmaschine, bei der auch eine Regelung der Geschwindigkeit und eine Druckregelung in Abhängigkeit von der Last vorgesehen ist, F i g. 3 eine Abänderung des Schemas nach F i g. 2, insbesondere bezüglich der Geschwindigkeitsregel-Organe, F i g. 4 eine geänderte Ausführung in bezug auf die Druckregelung in Abhängigkeit von der Last, F i g. 5 eine weitere Abänderung des Regelorgans für den Druck in Abhängigkeit von der Last.
Gemäß F i g. 1 ist der schematisch dargestellte Maschinenteil 1, dessen Gewicht auszugleichen ist, in einer beliebig gestalteten senkrechten Gleitführung 2 geführt und über eine mechanische Verbindung 3 fest mit einem Plungerkolben 4 verbunden, der in den Zylinder 5 eintaucht und mittels einer Dichtung 6 die Zylinderöffnung abdichtet. über eine Leitung 7 ist der Zylinder 5 mit einem abgeschlossenen Vorratsbehälter 8 verbunden. Zylinder 5, Leitung 7 und der Unterteil 8 a des Vorratsbehälters 8 sind mit einer Flüssigkeit, beispielsweise mit Öl gefüllt. Der obere Teil 8 b des Behälters 8 ist mit Druckgas gefüllt, das über ein Ventil beliebiger Konstruktion eingeführt ist. Der Gasdruck wird durch die Flüssigkeit auf den Zylinder 5 übertragen und übt auf den Boden des Plungerkolbens 4 eine Kraft aus, die gleich dem Produkt aus Druck und Kolbenquerschnitt ist und die dem Gewicht des Maschinenteils 1 entgegenwirkt.
Es ist leicht einzusehen, daß der Maschinenteil 1 im Gleichgewicht ist, sofern der Unterschied zwischen seinem Gewicht und der auf den Plungerkolben 4 ausgeübten Kraft niedriger bleibt als die Reibungskräfte, die vom Führungsorgan 2 und der Dichtung 6 ausgeübt werden.
Daraus ergibt sich, daß diese Gleichgewichtsbedingung ständig erfüllt ist, sofern unter der Voraussetzung, daß zwei beliebigen Stellungen des Plungerkolbens 4 zwei Gasdrücke im Druckölwindkessel8 entsprechen, der Wert der Druckdifferenz zwischen diesen beiden Drucken multipliziert mit dem Querschnitt des Plungerkolbens 4 ständig niedriger bleibt als der doppelte Wert der Reibungskräfte. Kennt man das Gewicht des Maschinenteils 1 und die Reibungskräfte, so ist es leicht, den Fülldruck und die Größe der Kammer 8 a des Behälters 8 zu bestimmen und dafür zu sorgen, daß dieser so groß wie möglich in bezug auf das maximale Verdrängungsvolumen der Flüssigkeit gewählt wird, die durch den Kolben 4 bewegt wird, um zu erreichen, daß extreme Druckdifferenz des Gases so gering wie möglich wird und infolgedessen der Gewichtsausgleich so stabil als nur möglich wird. Unter diesen Bedingungen können die erforderlichen Kräfte für die senkrechte Verschiebung des Maschinenteils 1 auf den Wert beschränkt werden, der zur überwindung allein der Reibung erforderlich ist.
In F i g. 2 ist schematisch und in dünneren Linien eine Fräsmaschine bekannter Bauart angedeutet, an die der Gegenstand der Erfindung beispielsweise angebaut ist. Diese Fräsmaschine umfaßt naturgemäß ein senkrecht verstellbares Organ, das im vorliegenden Fall durch die Konsole 1 gebildet wird, die senkrecht in der Gleitbahn 2 beweglich ist, die ihrerseits mit dem Maschinenkörper 10 fest verbunden ist. Die auf- und absteigende Bewegung der Konsole 1 wird dabei durch ein pneumatisches, doppelt wirkendes Hubwerk 11 sichergestellt, das im Verhältnis zum beträchtlichen Gewicht der Konsole 1 und des Tisches 1 a, den diese trägt, von sehr geringer Leistung sein kann (selbstverständlich sind auch alle anderen mechanischen Hubwerke, wie Schraubenwinden oder Zahnstangentriebwerke, in gleicher Weise anwendbar). Dieses Mißverhältnis wird durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gewichtsausgleicheinrichtung ermöglicht, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, in der mit den gleichen Bezugszeichen die Teile bezeichnet sind, die schon bei der Erläuterung von F i g. 1 beschrieben wurden. Die Konsole 1 ist mittels einer mechanischen Verbindung 3, die etwa im Schwerpunkt angreift, mit dem Kolben 4 fest verbunden, der in den Zylinder 5 durch eine Öffnung hineinreicht, die durch Dichtungsmittel 6 abgedichtet ist. Der Zylinder 5 ist über eine Leitung 7 mit dem Druckölwindkessel 8 verbunden, der im Maschinengestell 10 der Fräsmaschine angeordnet ist. Der Zylinder 5, die Leitung 7 und der untere Teil 8 a des Kessels 8 enthalten Öl, während der obere Teil 8 b mit Druckgas gefüllt ist.
Der Kessel 8 kann vorteilhafterweise aus einem Druckölwindkessel bekannter Bauart bestehen, dessen Gaskammer ein Ballon 8 c mit elastischen Wandungen ist (oder auch ein dichtender Freikolben, wie er bei 8' c in F i g. 4 dargestellt ist). Auf diese Weise wird verhindert, daß sich das Gas mit dem Öl vermischt, und ermöglicht, den Druckölwindkesse18, gleichgültig in welcher Lage, an dem geeignetsten Platz bezüglich des Raumbedarfs unterzubringen.
Die Anordnung für den Gewichtsausgleich, die so gebildet wird und bereits oben beschrieben wurde, wird ergänzt, wie aus F i g. 2 weiterhin zu ersehen ist, durch eine Regelanordnung für die Geschwindigkeit, die entsprechend der Erfindung gleichzeitig wirkt.
Zu diesem Zweck ist der Kolben als Differentialkolben ausgebildet, der hermetisch abdichtend im Zylinder 5 gleitet. Die so begrenzten beiden Zylinderräume 5 a und 5 b sind durch eine äußere Leitung 12 miteinander verbunden, in der ein Rückschlagventil13 und parallel hierzu ein regelbares Drosselventil 14 eingebaut sind. Der Mittelpunkt 12' der Leitung 12 ist mit der Leitung 12 über ein regelbares Drosselventil 15 und ein hierzu parallel geschaltetes Rückschlagventil 16 verbunden.
Mit dieser Einrichtung ist die Verschiebungsgeschwindigkeit der Konsole 1, die von dem doppelt wirkenden pneumatischen Hubwerk 11 gesteuert wird, sowohl beim Anheben wie auch beim Absenken, in vollkommener Weise kontrollierbar.
Im einzelnen wird bei der Aufwärtsbewegung die Ölmenge im Zylinderraum 5 b des Zylinders 5 vom Kolben 4 a in den Zylinderraum 5 a verdrängt. Da nun aber dieses 01 nicht über das Rückschlagventil 13 strömen kann, ist es gezwungen, durch das Drosselventil 14 zu fließen, das durch Begrenzung des Durchsatzes die Verschiebungsgeschwindigkeit des Kolbens und infolgedessen auch der Konsole 1 begrenzt, wobei deren Gewichtsausgleich durch den Öldruck sichergestellt wird, der vom Druckölwindkessel8 herrührt, und das Rückschlagventi116 frei durchsetzen kann. Umgekehrt strömt beim Absenken das vom Kolben 4 a aus dem Zylinderraum 5 a in Richtung auf die Kammer 5 b verdrängte Öl durch die Leitung 12 und ungehindert durch das Rückschlagventil 13. Da aber das vom Plungerkolben 4 verdrängte Ölvolumen das Rückschlagventi116 schließt, muß dieses Öl, um in den ölwindkessel8 zurückzugelangen, durch das Drosselventil 15 hindurchströmen, das seinerseits die Durchsatzgeschwindigkeit des Öls drosselt und damit die Ablenkgeschwindigkeit steuert.
Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Anordnung, die in F i g. 3 dargestellt ist, ist das Rückschlagventil nicht in die Zweigleitung 12 eingeschaltet, sondern befindet sich im Zylinder 5 selbst, und zwar am Kolben 4 a in Form einer oder mehrerer Bohrungen 13', die von einer freien Blende 13" verdeckt oder freigegeben werden und den freien Durchsatz des Öls beim Absenken freigeben und beim Wiederanheben sperren. Auf diese Weise wird mit geringerem Raumbedarf die gleiche Funktion wie mit Hilfe des Rückschlagventils 13 erreicht. Darüber hinaus kann der vorbeschriebene hydraulische Kreis, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, noch durch zwei Aufzu-Ventile 17, 18 vervollständigt sein. Die Ventile 17 und 18 sind parallel zu den regelbaren Ventilen 14 und 15 geschaltet und ermöglichen, sobald sie offen oder geschlossen sind, deren Regeleffekt zu beseitigen oder aufrechtzuerhalten, d. h. sowohl beim Anheben als auch beim Absenken eine große oder geringe Geschwindigkeit des Kolbens 4, 4 a zu erhalten.
Eine weitere, in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht im Falle eines erheblichen Übergewichts der Konsole 1, die z. B. von seinem schweren Werkstück herrühren kann, das Gleichgewicht wieder herzustellen und in den hydraulischen Kreis die erforderliche Ölmenge für die Druckerhöhung im gewünschten Ausmaß hinzuzufügen. Diese Anpassung wird dadurch ermöglicht, daß an den hydraulischen Ausgleichskreis ein Hilfsbehälter 19 angeschlossen ist, der Öl enthält, das in den ölwindkessel8 zusätzlich eingeführt werden kann, im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels eines Kolbens 20, der von einer Schraube 21 bewegt wird. Dies hat die Wirkung, daß durch Erhöhung des Gasdrucks im Druckölwindkessel der Druck im ganzen Ausgleichskreis erhöht wird und infolgedessen die über das Ö1 auf den Plungerkolben 4 ausgeübte Kraft ansteigt.
Eine Abwandlung dieser letztgenannten Verbesserung ist in F i g. 4 dargestellt und ist insbesondere für die Ausrüstung sehr großer Maschinen geeignet, deren Konsole oder sonstiger im Gewicht auszugleichender Maschinenteil sehr schwere Werkstücke aufzunehmen vermag. In diesem Falle mag das Ausmaß der ins Spiel gebrachten Kräfte, die erforderlich sind, um den Druck zu verändern, die Verwendung einer Saugdruckpumpe 22 rechtfertigen, die von Hand oder einem schwachen Motor angetrieben sein kann, um das in einem Hilfsbehälter 23 vorhandene zusätzliche Öl über das Rückschlagventil24 anzusaugen und durch das weitere Rückschlagventil 25 in den Druckwindkessel zu überführen. Ein normalerweise geschlossenes Ventil 26, das in einer Umgehungsleitung der Pumpe liegt, ermöglicht es, den Druck im Ausgleichskreis allmählich wieder auf seinen Normalwert zurückzuführen, dadurch, daß es im offenen Zustand den Rückfluß des Öls in den Behälter 23 ermöglicht. Ein Manometer 27, das mit der Kammer 8 b des Druckölwindkessels 8 verbunden ist, oder an jedem anderen geeigneten Punkt Lies Ausgleichskreises angeschlossen sein kann, ermöglicht .die laufende Beobachtung des Betriebsdrucks in diesem. Die Skala dieses Manometers ist vorteilhafterweise in Kraft- oder Gewichtseinheiten geeicht, um direkt und genau durch einfaches Ablesen den Druck des Ausgleichssystems dem Gewicht der Maschinenteile anzupassen.
Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung ist insbesondere in dem Falle vorteilhaft, daß die beweglichen Maschinenteile durch pneumatische Hubwerke bewegt werden, die notwendigerweise an eine gemeinsame Druckquelle angeschlossen sind. Diese ist in F i g. 5 dargestellt und beruht auf dem Gedanken, einen konstanten Flüssigkeitsdruck im hydraulischen Ausgleichskreis aufrechtzuerhalten. Dies geschieht mit Hilfe eines Drucktransformators 28 mit geeignetem Übersetzungsverhältnis, der einen Kolben mit zwei Etagen 29 aufweist. Der primäre Gasdruckzylinder 28a wird von der Druckgasquelle 32 über eine Leitung 30 und ein regelbares Druckminderventi131 von bekannter Bauart gespeist, dessen Einstellung von Hand sowohl im Sinne einer Drucksteigerung als auch eines Druckabfalls vorgenommen werden kann.
Auf Grund der Tatsache, daß der Ausgleichsdruck auch während der Verschiebung des beweglichen Maschinenteils 1, der mit dem Kolben 4 fest verbunden ist, konstant bleibt, besitzt diese Lösung den Vorteil, daß sie auch auf solche Maschinenteile 1 anwendbar ist, deren Reibungskräfte in .den Führungen 2 praktisch gleich null sind, wie dies beispielsweise bei Verwendung von Wälzkörperführungen der Fall ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß die hydraulischen Bauelemente, wie sie in den vorgeschilderten Beispielen erforderlich waren, entbehrlich werden und daß der Druck in Abhängigkeit vom verdrängten Flüssigkeitsvolumen im Ausgleichskreis kompensiert werden kann.
Auch hier ist ein Manometer 27, das in Gewichtseinheiten geeicht ist, mit dem primären, pneumatischen Zylinder verbunden und ermöglicht, die Regelung von Hand am regelbaren Druckminderventil31 durchzuführen, um durch einfache Ablesung en Druck im Ausgleichskreis an die variable Last anzupassen, die von dem beweglichen Maschinenteil 1 getragen wird.

Claims

Patentansprüche: 1. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung für vertikal bewegbare Maschinenteile, insbesondere an Werkzeugmaschinen, mit einem mit dem zu bewegenden Maschinenteil verbundenen Kolben, der in einem Zylinder auf und ab gleitet und auf den in jeder Stellung ein annähernd konstanter Druck einwirkt, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß zur Erzeugung des konstanten Druckes ein gasbelasteter Hydraulikspeicher angeordnet ist.
2. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben als Differentialkolben (4, 4 a) ausgebildet ist und zwischen den beiden Zylinderseiten eine Verbindungsleitung mit in Richtung des Ringraumes öffnendem Rückschlagventil (13) und hierzu parallel geschaltetem, regelbaren Drosselventil (1.4) und in der Konstantdruckzuleitung (7) zu dem mit der großen Kolbenfläche in Verbindung stehenden Zylinderraum (5a) ein zu diesem hin öffnendes Rückschlagventil (16) mit hierzu parallel geschaltetem, regelbarem Drosselventil (15) angeordnet ist.
3. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (13) in der die beiden Zylinderräume (5 a, 5 b) verbindenden Leitung (1.2) durch ein den Kolbenteil (4 a) durchsetzendes Rückschlagventil (13',13") ersetzt ist.
4. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer sehr schnellen oder langsamen Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung des Gewichtsausgleichkolbens (4) jeweils in einer Umgehungsleitung zu der Parallelschaltung eines Regelventils (14, 15) mit einem Rückschlagventil (13,16) ein Auf-zu-Ventil (17) bzw. (18) angeordnet ist.
5. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Gasdrucks in Abhängigkeit von -der veränderlichen Last (1 a) ein zusätzlicher Flüssigkeitszylinder (19) vorgesehen ist, in dem ein von Hand zu betätigender Kolben (20) etwa durch eine Schraube (21) verstellbar angeordnet ist, mit dessen Hilfe das Flüssigkeitsvolumen im hydraulischen Kreis (8 a, 7, 5) veränderbar ist.
6. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des Gasdrucks in Abhängigkeit von der veränderlichen Last (1 a) eine Saug- und Druckpumpe (22) sowie in einer Umgehungsleitung, d. h. parallel hierzu, ein normalerweise geschlossenes Ventil (26) und ein Flüssigkeitshilfsbehälter (23) vorgesehen sind, mit deren Hilfe das Flüssigkeitsvolumen im hydraulischen Kreis (8 a, 7, 5) veränderbar ist.
7. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer pneumatischen Hebevorrichtung eine bei der Bewegung des Gewichtsausgleichskolbens (4, 4 a) wirksame Gleichdruckregelvorrichtung (28 bis 31) angeordnet ist, die aus einem Drucktransformator (23) besteht, dessen primärer, pneumatischer Zylinder (28 a) mit einer Druckgasquelle (32) über ein Druckminderventil (31) und dessen sekundärer, hydraulischer Zylinder (28 b) über die Leitung (7) mit dem Ausgleichszylinder (5) verbunden ist. B. Hydraulische Gewichtsentlastungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein in Gewichtseinheiten geeichtes Manometer (27), das an einer beliebigen Stelle des hydropneumatischen Kreises (28, 7, 5) angeschlossen ist.