DE2501761A1 - Elektrohydraulischer nachlaufverstaerker - Google Patents

Description

• Elektrohydrauliscller Nachlaufverstärker Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Nachiaufverstärker mit einer in einer Mutter mittels eines Antriebs steuerbaren Meßspindel, die beide gegenüber einem Steuergehäuse in axialer Richtung durch einen Kolben eines Arbeitszylinders verschiebbar sind, wobei durch diese axiale Verschiebung über einen Abgriff Druck- und Abflußleitungen zu den Druckkammern des Arbeitszylinders freigegeben bzw. geschlossen werden und zur Rogre@@ung der axialen Verschiebung der Meß spindel bzw. Mutter den axialen Verschiebeweg begrenzende Endschalter vorgesehen sein können, durch die beispielsweise die Druckölversorgung beeinflußbar ist.
• Es ist üblich, solche Verstärker über eine Hydraulikpumpe mit Drucköl zu versorgen @ die um möglichst geringe Verlustleistungen zu haben, mit nur etwa 10 Prozent Überkapazität ausgelegt ist; das heißt ein Antrieb mit einem bestimmten Hydraulikzylinder und einer bestimmten zu regelnden maximalen Geschwindigkeit braucht z.B.
• 25 Liter pro Minute Drucköl. Die Hydraulikpumpe wird dann auf 27,5 Liter pro Minute ausgelegt, um sicher zu gehen, daß der hydraulische Regelkreis dem elektrischen Regelkreis folgen kann. Durch Verschleiß kann nun die Fördermenge der Hydraulikpumpe abfallen. Eei einem Abfall um mehr als 10 Prozent kann der hydraulische Regelkreis de elektriscilen Regelkreis nicht mehr folgen, so daß die Neßspindel bzw. die Mutter eine große axiale Verschiebung erfährt und dadurch der Verstärker über die für solche Fälle angeordneten Endschalter stillgesetzt wird. Dieser Fehler muß dann erkannt werden und es muß ein Austausch der Pumpe vorgenommen werden.
• Nachteilig ist bei der üblichen Ausführung, daß die von der Hydr@@l@ @@@pe gef@rderte, aber nicht benötigte Druckölmenge durch ein überströmventil abströmt. Diese ganze Energie geht dann verloren@und wird in Wärme umgesetzt.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Nachlaufverstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch noch bei einer abfallenden Hydraulikpumpenleistung ohne Gefahr der Zerstörung des Antriebs betriebsfähig ist und nicht automatisch stillgesetzt zu werden braucht und mit dem eine bessere Energieausnutzung möglich ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zusätzlich oder anstatt der Endschalter ein Abtaster zu Erfassung der axialen Verschiebung der Meßspindel bzw. Mutter gegenüber dem Steuergehäuse vorgesehen ist, durch den der Antrieb der Heßspindel bzw. Mutter und/oder die Druckölversorgung steuerbar ist. Durch eine solche erfindungsgemäße Anordnung wird einmal- die Steuerung an das Leistungsvermögen des hydraulischen Regelkreises angepaßt oder es kann, wenn zugleich auch die Druckölversorgung gesteuert wird, in jedem Betriebszustand eine optimale Energieausnutzung bei optimaler Steuerung erzielt werden, und zwar bei voller Absicherung gegen Überbeanspruchung etwa durch auftretende zu große axiale rfte.
• In vorteilhafter Weise kann bei einem Nachlaufverstärker, insbesondere mit einer Hydraulikpumpe konstanten Förderst roms, die Winkelgeschwindigkeit des Antriebs der Meßspindel bzw. Mutter in Abhängigkeit von der Axialverschiebung der Meßspindel bzw. der futter steuerbar sein, wobei mit zunehmender Axialverschiebung die Winkelgeschwindigkeit herabsetzbar ist. Dadurch wird sichergestellt, aß der hydraulischeRegelkreis dem elektr.
• Regelkreis bei allen Betriebsbedingungen folgen kann.
• Der hydraulische Regelkreis ist bei voller Hydraulikpumpenleistung einsetzbar, so daß bei der Auslegung der Hydrauli'kpumpe keine Reserve eingeplant zu werden braucht. Die Geschwindigkeit der Steuerung wird also dabei an die Leistungsfähigkeit der Hydraulikpumpe angepaßt und so eine optimale Energieausnutzung erzielt.
• Insbesondere ist von Vorteil, daß beispielsweise bei einer Eilgangverstellung zur Beschleunigung und Bewegung des Werkzeugschlittens und dergl. die Ventile weit geöffnet und nur mit dem sich von selbst einstellenden Druck gefahren werden kann, wozu in vielen Fällen der halbe Betriebsdruck ausreicht. Der Betrieb kann daher nach der Erfindung wesentlich energiesparender erfolgen. Die Höhe des Betriebsdrucks wird entsprechend den zu erwartenden Bearbeitungskräften im Vorschub ausgelegt.
• Zweckmäßigerweise arbeitet der Abtaster mit einem mutterfesten bzw. meßspindelfesten Bezugspunkt zusammen, wobei er eine sich mit der axialen Verschiebung der Me3-spindel bzw. @utter ändernde Abtastgröße an eine Steuerlogik weitergibt, durch die die Winkelgeschwindigkeit steuerbar ist. Vorteilhaft dient als Abtaster ein induktiver oder kapazitiver Weggeber, der im Steuergehäuse angeordnet ist und mit dem die Druck- und Abf lußleitungen steuernden Abgriff zusammenwirken kann.
• In vorteilhafter Weise kann gleichzeitig bei nordnung eines die Meßspindel bzw. die Mutter antreibenden Notors | zwischen dem Motor und dem Antrieb der ileßspindel bzw. Mutter ein Abgriff für die Erfassung des Drehwinkels der Meßspindel bzw. der Mutter vorgesehen sein, wobei der so erfaßte Drehwinkel als Wert für die Kontrolle der Steuerung dient, so daß keine besondere zusätzliche @essung der absoluten erreichten Stellung des Nachlaufverstärkers erforderlich ist.
• Durch den Wegfall besonderer Positionsmeßvorrichtungen, die aufwendig und störanfällig sind, kann die Anlage wesentlich wirtschaftlicher hergestellt und betrieben werden. Zweckmäßigerweise dient als Abgriff für die Erfassung des Drehwinkels ein Potentiometer, wobei der Potentiometerabgriff so gefüilrt ist, daß die Endstellungen des Potentiometers mit den Endstellungen der *olbenstange etwa übe@einstimmen. Eine solchermaßen verwendete Analogmessung hat den Vorteil, daß jederzeit nach einem Stromausfall sofort wieder die absolu-t genaue Kolbenstangenstellung erfaßber ist, ohne daß auf einen Reverenzpunkt od.dgl. zurückgefahren werden muß, wie dies bei einem Digitalabgriff erforderlich wäre.
• Zur Vermeidung von Einstellungsfehlern infolge unterschiedlicher Wärmedehnung kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung zum Ausgleich der Wärmedehnung zwischen dem Abgriff für das Freigeben bzw. Schließen der Druck- und Abflußleitungen und einer ,oppelvorrichtung für die zu steuernden Teile, beispielsweise einem Werkzeugschlitten od.dgl., eine Wärmedehnungskompensation vorgesehen sein, die die Lage der Koppelvorrichtung temperaturunabhängig nacht.
• Weitere Vorteile und Nerkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen elektrohydraulischen Machlaufverstärker, Fig. 2 ein Blockschaltbild der verschiedenen Hegelkreise eines elelstrohydraulischen Nachlaufverstärkers und Fig. 3 einen Teilschnitt des Rolbenstangenseitigen Endteils einer Neßspindelausführung mit einer Wärmeausdehnungskompensation in grösserem Maßstab.
• Bei der Nachlaufsteuerung gemäß Fig. 4 ist in einer Kolbenstange 1 eines einen Kolben 2 aufweisenden Arbeitszylinders 3 in einer Bohrung 4 eine Meßspindel 5 befestigt, die auf einen Teil ein mit einer Mutter 6 zusammenwirkendes Gewinde 7 aufweist. Zur Herabsetzung der Reibung ist das Gewinde 7 als Kugelumlaufgewinde ausgebildet, wie dies beispielsweise ähnlich aus Kraftfahrzeuglenkungen bekannt ist. Die Mutter 6 ist über Axiallager 8 mit geringem Spiel in einer Büchse 9 gelagert, au9 der ein Abgriff 10 für die Steuerung von Ventilen 11 angeordnet ist, durch die bei einer axialen Verschiebung eine Druckleitung 12 und eine Abflußleitung 13 mit den Druckkammern 14 bzw. 15 des Arbeitszylinders 3 verbunuen bzw. getrennt werden0 Die Mutter 6 ist über eine hülsenartige, die spindel 5 umfassende Verlängerung 1G mit einer Zahnriemenscheibe 17 verbunden, die über einen Zahnriemen 18 und eine weitore Zahnriemenscheibe 19 mittels eines Schrittnotors 20 od.dgl. antreibbar ist.
• In die Kolbenstange 2 ragt in deren Bohrung 4 eine Büchse 21 hinein, die an ihrem einen Ende dichtend an der Bohrungswand anliegt. Das gegenüberliegende Ende der Büchse 21 ist in einem Steuergehäuse 22, in dem auch die Ventile 11 angeordnet sind, dicht gehalten, so daß die Meßspindel 5 und die Mutter 6 mit der Verlängerung 16 und der Büchse 9 mit dem Abgriff 10 in einem drucklosen Raum liegen, der über eine Leckölleitung 23 druckentlastet ist.
• Wird nun über den Zahnriemen 18 die ileßspindel 5 gegenüber der Mutter 6 derart verdreht, daß beispielsweise der Abgriff 10 in Richtung der Zahnriemenscheibe 17 hin verschoben wird, so wird über die Ventile 11 die Druckleitung 12 mit der Druckkammer 14 des Arbeitszylinders 3 und gleichzeitig der Druckraum 15 mit der Abflußleitung 13 verbunden, so daß der Kolben 2 mit der Kolbenstange 1 und der fest damit verbundenen Meßspindel nach rechts verschoben wird, so daß der Abgriff 10 wieder in die Ausgangslage zurückgeführt und damit die Kolbenbewegung, wenn keine weitere Verdrehung der Mutter 6 erfolgt, stillgesetzt wird. Bei einer Verdrehung der Mutter 6 gegenüber der Meßspindel 5 in anderer Drehrichtung erfolgt der gleiche Vorgang in entgegengesetzter Richtung.
• Erfolgt nun die Verdrehung der Mutter 6 zu rasch, so daß der hydraulische Regelkreis dem elektrischen Regelkreis nicht mehr folgen kann, so wird die axiale Verschiebung 6 der Mutter 6 gegenüber dem Steuergehäuse 22 so groß, daß trotz voller Öffnung der Ventile 11 der Kolben 2 der Verstellung der Meßspindel 5 nicht mehr folgen kann. Um hier eine Beschädigung des Verstärkers zu vermeiden, sind mit dem Abgriff 10 zusammenarbeitende Endschalter 33 angeordnet durch die ein Störsignal abgegeben oder der ganze Nachlauiverstärker stillgesetzt wird. Um nun solche Betriebsstörungen zu vermeiden und eine gegenseitige Abstimmung des elektrischen Regelkreises mit dem hydrauli schen Regelkreis zu erzielen und die aufzuwendende Leistung der Hydraulikpumpe zu optimieren, ist ein mit dem Abgriff 10 zusammenarbeitender Abtaster 34 in Steuergehäuse 22 eingesetzt, durch den die axiale Verschiebung # gemessen und der Steuerlogik zugeführt wird. Durch diese Steuerlogik wird die Winkelgeschwindigkeit der Meßspindel 5 an die Verschiebung angepaßt, und zwar wird bei brößer werdendem 6 die Winkelgeschwindigkeit herabgesetzt, so daß der hydraulische Steuerkreis dem elektrischen Regelkreis folgen kann. Die Winkelgeschwindigkeit wird aber durch die Steuerlogik an die sonstigen Gegebenheiten wie Eilgang, Arbeitsvorschub usw. angepaßt. Bei aufwendigeren Konstruktionen kann gleichzeitig gegebenenfalls unter Vorrang die Fördermenge der Hydraulikpumpe, die in der Darstellung Fig. 1 nicht gezeigt ist und die den Nachlaufverstärker über die Druckleitung 12 mit Drucköl versorgt, gesteuert werden.
• Bei entsprechender Auslegung des Abtasters 34 können die Funktionen der Endschalter 33 mit übernommen werden, so daß die Endschalter 33 eingespart werden können.
• Am aus dem Arbeitszylinder 3 herausragenden Ende der Kolbenstange 1 ist eine Koppel vorrichtung 24 zum Verbinden der Nachlaufsteuerung illit beispielsweise einem Maschinenschlitten vorgesehen. Die Temperatur des Hydrauliköls ändert sich mit der Arbeitsbelastung. Damit verbunden ist infolge der Wärmedehnung der Werkstoffe eine Längenänderung der Meßspindel 5 und auch aller anderen Teile, so daß der Abstand L0 zwischen der Koppelvorrichtung 24 und dem Abgriff 10 temperaturabhängig ist. Dies ist aber unerwünscht, insbe sondere wenn die Winkellage der eßspindel 5 direkt zur Steuerung der Lage der Koppelvorrichtung 24 oder des Maschinenschlittens ohne Messung der eigentlichen absoluten Lage verwendet werden soll. Die genaue Winkellage der Neßspindel 5 kann er ein vom Motor 20 verstelltes Potentiometer 25 oder auch über einen mit den Zähnen der Zahnriemenscheibe 17 zusammenarbeitenden Taster 26 erfolgen, dessen Zählimpulse über einen Zähler die absolute Winkellage der Meßspindel festhält.
• Zum Ausgleich der Wärmedehnung ist der in die Kolbenstange 1 hineinragende Teil der spindel 5 mit der Länge L2 gemäß Fig. 3 durch konzentrisch ineinander angeordnete Rohre 27 gebildete Das äußere Rohr 271 ist mit seinem einen Ende 28 mit dem das Gewinde 7 tragenden Teil der Meßspindel 5 durch einen Stift 29 fest verbunden. Das andere freie Ende 30 ist bündig mit dem nächst inneren Rohr 272 durch einen Stift 31 fest verbunden, während das gegenüberliegende Ende des Rohrs 272 mit dem weiter innen liegenden Rohr 273 verbunden ist. In gleicher Weise sind auch noch die Rohre 274 und 275 zusammengeschlossen, während das dann noch freie Ende des Rohrs 275 fest mit der Koppelvorrichtung 24, einem in das Ende der Solbenstange 1 eingeschraubten Gewindestück 32 befestigt ist.
• Die Rohre 271, 273 und 275 bestehen aus Stahl, während die beiden dazwischen liegenden Rohre 272 und 274 aus Aluminium bestehen, das eine gegenüber dem Stahl doppelt so große Wärmeausdehnungszahl aufweist. Die Länge L2 beträgt etwa die Hälfte der Länge Lg, wenn der Kolben 2 sich in seiner Mittelstellung befindet.
• In dieser Stellung wird durch die "gefaltet" zusammengefügten Rohre 271 bis 275 infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen und der entgegengesetzten Ausdehnungsrichtungen die Wärmedehnung kompensiert, so daß die Lage der Koppelvorrichtung 24 gegenüber der Lage des Abgriffs 10 temperaturunabhängig ist.
• In Fig. 2 sind in einem Blockschaltbild die einzelnen Regelkreise dargestellt. Der Regelkreis des mechanischen Temperaturkompensators ist dabei von den anderen Regelkreisen völlig unabhängig£ ebenso das Wegmeßsystem.
• Dagegen greift die analoge Aussteuerungsabtastung über die Steuerlogik unter Berücksichtigung der Tachogene ratorwerte in den Betrieb des Gleichstrommotors oder Schrittmotors 20 ein, und zwar in Abhängigkeit von der Axialverschiebung 6 Als Potentiometer 25 kann ein Kunststoffschichtpotentiometer mit sehr großer Auflösung Verwendung finden, so daß beispielsweise bei einem Hub von 250 mm mit Hilfe des Potentiometers 25 eine Einstellgenauigkeit von 1/100 mm erzielbar ist und der Einstellpunkt mit optimaler Geschwindigkeit bei geringster Einstellzeit einstellbar ist.

Claims (15)

Patentansprüche

1. Elektrohydraulischer Nachlaufverstärker mit einer in einer Mutter mittels eines Antriebs steuerbaren Meßspindel, die beide gegenüber einem Steuergehäuse in axialer Richtung durch einen Kolben eines Arbeitszylinders verschiebbar sind, wobei durch diese axiale Verschiebung über einen Abgriff Druck- und Abflußleitungen zu den Druckkammern des Arbeitszylinders freigegeben bzw. geschlossen werden und zur Begrenzung der axialen Verschiebung der Meßspindel bzw. Mutter den axialen Verschiebeweg begrenzende Endschalter vorgesehen sein können, durch die beispielsweise die Druckölversorgung beeinflußbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich oder anstatt der Endschalter (33) ein Abtaster (34) zur Erfassung der axialen Verschiebung der Meßspindel (5) bzw. mutter (6) gegenüber den Steuergehäuse (22) vorgesehen ist, durch den der Antrieb der Meßspindel (5) bzw. Mutter (6) und/oder die Druckölversorgung steuerbar ist,

2. Nachlaufvcrstarker nach Anspruch 1, insbesondere mit einer Hydraulikpumpe mit konstantem Förderstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit des Antriebs (Motor 20) der Meßspindel (5) bzw. Mutter (6) in Abhängigkeit von der Axialverschiebung # der spindel (5) bzw. Mutter (6) steuerbar ist, wobei mit zunehmender Axialverschiebung 6 die Winkelgeschwindigkeit herabsetzbar ist.

3. Nachlaufverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster (34) mit einem mutterfesten bzw. meßspindelfesten Bezugspunkt zusammenarbeitet und eine sich mit der axialen Verschiebung # der Neßspindel (5) bzw. Mutter (6) ändernden Abtastgröße an eine Steuerlogik weitergibt, durch die die Winkelgeschwindigkeit gesteuert ist.

4. Nachlaufverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Abtaster ein induktiver oder kapazitiver Weggeber dient.

5. Nachlaufverstärker nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster (34) im Steuergehäuse (22) angeordnet ist und mit dem die Druckleitungen (12) und Abflußleitungen (13) steuernden Abgriff (10) zusammenwirkt.

6. Nachlaufverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem die Meßspindel bzw, die Mutter antreibenden Notor, @ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Motor (20) und dem Antrieb der Meßspindel (5) bzw. Mutter (6) ein Abgriff (Potentiometer 25 oder Taster 26) für die Erfassung des Drehwinkels der Meßspindel (5) bzw.

der PIutter (6) vorgesehen ist und der so erfaßte Drehwinkel als Wert für die absolute Lage-steuerung dient.

7. Nachlaufverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgriff für die Erfassung des Drehwinkels ein Potentiometer (25) dient, wobei der Potentiometerabgriff so geführt ist, daß die Endstellungen des Potentiometers (25) mit den Endstellungen der Kolbenstange (1) etwa übereinstimmen.

8. Nachlaufverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgriff ein mehrgängiges Potentiometer (25) hoher Auflösung dient.

9. Nachlaufverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Abgriff mindestens ein induk-tiver, kapazitiver oder optischer, mit einem Impulsgeber in Form einer Zahnscheibe (Zahnriemenscheibe 17), Lochscheibe, Strichscheibe od. dgl. zusammenarbeitender Taster (26) dient, der zur Erfassung des Drehwinkels mit einem Zähler zusammenarbeitet.

10. Nachlaufverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspindei (5), die Mutter (6), der Abgriff (10) und der Abtaster (24) in einem mit einer Leckölleitung (23) verbundenen drucklosen Raum angeordnet sind.

11. Nachlaufverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des drucklosen Raumes eine in die Bohrung (4) der Kolbenstange (1) hineinragende, einen Teil der Meßspindel (5) aufnehmende Büchse (21) angeordnet ist, die an ihrem anderen Ende im Steuergehäuse (22) dicht gehalten ist.

12. Nachlaufverstärker nach einem der Anspruche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich der Wärmedehnung zwischen dem Abgriff (10) für das Freigeben bzw. Schließen der Druckleitungen (12) und der Abflußleitungen (13) und einer Soppelvorrichtung (24) für die zu steuernden Teile eine Wärmedehnungskompensation vorgesehen ist.

13. Nachlaufverstärker nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Neßspindel (5) im Bereich der Xoppelvorrichtung (24) mit der Kolbenstange (1) verbunden ist und daß als Wärmedehnungskompensation mindestens ein Teil der Meßspindel (9) aus die Wärmedehnung kompensierendem Material besteht.

14. Nachlaufverstärker nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der die Wärme ausdehnung kompensierende Teil der Meßspindel (5) aus konzentrisch ineinander angeordneten Rohren (271 bis 275) besteht, wobei jedes freie Ende mit einem Ende des nachst innen liegenden Rohres fest verbunden und die vom Abgriff (10) zur Koppelvorrichtung (24) hin führenden Rohre (271, 273, 275) aus Material geringer Wärmeausdehnung und die von der hoppelvorrichtung (24) wegführenden Rohre (272, 274) aus Material höherer Wärmeausdehnung bestehen, wobei die Länge L2, die Anzahl der Rohre (27) und deren Wärmeausdehnungszahlen so gewählt sind, daß der Abstand (L0) Abgriff (10) - Koppelvorrichtung (24) mindestens in einer Mittelstellung temperaturunabhängig ist.

15. Nachlaufverstärker nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet daß das Potentiometer (2) als Kunststoffschichtpotentiometer mit großer Auflösung ausgebildet ist.

L e e r s e i t e