DE3321119C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebs­ vorrichtung für geradlini­ ge Relativbewegungen von Werkzeug und Werkstück bei Werkzeugmaschinen mit den im Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.

Derartige hydraulische Antriebsvorrichtungen werden von der Anmelderin selbst seit längerer Zeit herge­ stellt und vertrieben (vgl. z. B. Prospekt "Elektrohydraulische Linearverstärker", 1980). Sie werden beispielsweise als Vorschubantriebe bei Werkzeugmaschinen eingesetzt und erlauben sehr genaue Einstellungen des Arbeits­ hubes mittels eines die Sollwert-Vorgabe vermit­ telnden Schrittmotors, dessen schrittweise Drehungen mittels eines 4/3-Nachlauf-Regelventils, das die Druckbeaufschlagung des Hydrozylinders steuert, in zu den Drehwinkelschritten proportionale Vorschub­ strecken umsetzt. Die Einstellgenauigkeiten sind durch die mittels des Schrittmotors vorgebbaren minimalen Hub-Schrittweiten von beispielsweise 20 µm bestimmt, wobei die Reproduzierbarkeit einer Einstellung dann im Bereich einiger weniger µm liegt.

Problematisch können jedoch durch Temperaturschwankungen bedingte Längenänderungen der zur Rückmeldung der Posi­ tion des bewegten Teils vorgesehenen, langgestreckten Meßspindel werden, da deren Längenänderungen voll in den Positionierfehler eingehen. Derartige Fehler kön­ nen bis zu einem gewissen Grad zwar kompensiert wer­ den, z. B. durch elektronische Vorgabe zusätzlicher Vorschubschritte oder Verminderung derselben oder durch Kühlung oder definierte Temperierung des Hydrauliköls, mit dem die Meßspindel durch Wärmeleitung in thermi­ schem Kontakt steht. Diesbezügliche Fehler-Kompen­ sationsmaßnahmen sind jedoch oftmals mit einem erheb­ lichen technischen Aufwand verknüpft, der mit entspre­ chenden Kosten verbunden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine hydraulische Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaf­ fen, die mit einfachen Mitteln eine wirksame Kompen­ sation von durch thermische Längenänderungen der Meßspindel bedingten Rückmelde- bzw. Positionierfeh­ lern und daraus resultierenden Bearbeitungsungenauig­ keiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merk­ male gelöst.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebs­ vorrichtung besteht darin, daß mit konstruktiv einfa­ chen und preisgünstig herstellbaren Mitteln eine wirk­ same Kompensation der genannten Positions-Rückmelde­ fehler und damit eine erheblich verbesserte Bearbeitungs­ genauigkeit erzielt wird.

Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß ein zur Befestigung des Nachlauf-Regelventils an einem feststehenden Maschinenelement der Maschine, in deren Rahmen die erfindungsgemäße Antriebsvorrich­ tung z. B. als Vorschubantrieb eingesetzt ist, vor­ gesehenes Zwischenstück durch Temperaturschwankungen betragsmäßig denselben Längenänderungen unterworfen ist wie die Meßpindel, so daß ein durch die Meßspindel mittelbar verschiebbares Stellglied des Regelventils keine die Ansteuerung des Regelventils vermittelnde Rela­ tivbewegung zu dessen Gehäuse erfährt, wenn die Meßspin­ del einer thermischen Längenänderung unterworfen ist. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8.

Durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind für eine gleichmäßige Temperaturverteilung über die Länge des Zwischenstückes und der Meßspindel gleichermaßen günstige Gestaltungen des Zwischenstückes angegeben. In einer Ausbildung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 kann für einen bestimmten, im Rahmen der Bearbei­ tung eines Werkstücks vorgesehenen Hubweg eine voll­ ständige Kompensation des Rückmeldefehlers erreicht werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird erreicht, daß ein Wärmeaustausch zwischen dem Hydrozylinder und der das Regelventil und das Zwischenstück sowie die Meß­ spindel umfassenden Nachlauf-Regeleinrichtung im wesentlichen über das die Arbeitsräume des Hydrozy­ linders und die Regeleinrichtung durchströmende Hydraulik­ öl erfolgt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 kann eine günstige geringe Baulänge des Zwischenstückes erzielt werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 ist eine die gleich­ mäßige Temperierung der Meßspindel fördernde, einfache bauliche Gestaltung der Montageplatte angegeben, mit­ tels der der Hydrozylinder und die Nachlauf-Regel­ einrichtung an der gesteuerten Maschine montiert sind.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 ist eine ebenfalls die gleichmäßige Temperierung der Meßspindel begünsti­ gende, einfach realisierbare Gestaltung derselben an­ gegeben.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. Die Zeich­ nung zeigt eine erfindungsgemäße hydraulische Antriebs­ vorrichtung in vereinfachter, stark schematisierter Längs­ schnittdarstellung.

Für die in der Zeichnung dargestell­ te erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 sei lediglich zum Zweck der Erläuterung, d. h. ohne Beschränkung der Allgemeinheit, angenommen, daß durch diese ein Werkzeug 2, z. B. ein Schneidstahl, gegen ein seine räumliche Anord­ nung nicht änderndes, jedoch rotierend angetriebenes Werkstück 3 in Richtung des Pfeils 4 um einen definier­ ten Arbeitshub verschoben werden soll, um das Werkstück 3 auf einer dem Hub entsprechenden Länge auf einen geringe­ ren Durchmesser abzudrehen. Als Antriebselement ist ein doppelt wirkender Hydrozylinder 6 vorgesehen, durch dessen Kolben 7 innerhalb des Gehäuses 8 die beiden mit A und B bezeichneten Arbeitsdruckräume des Hydro­ zylinders 6 gegeneinander abgesetzt sind. Der Kolben 7 ist über eine Kolbenstange 9 starr mit einem Träger 11 des Werkzeuges 2 verbunden, so daß dieses die Bewegungen des Kolbens 7 mit ausführt. Die bewegungsgerechte alter­ native Druckbeaufschlagung der Arbeitsdruckräume A bzw. B und deren alternativer Anschluß an den Tank einer nicht dargestellten hydraulischen Druckquelle werden über ein insgesamt mit 12 bezeichnetes elektrohydraulisches Nach­ lauf-Regelventil gesteuert, das mit mittels eines elektrischen Schrittmotors 13 gesteuerter Hub-Sollwert- Vorgabe und mechanischer Positions-Istwert-Rückmel­ dung über eine langgestreckte Meßspindel 14 arbeitet, die ihrerseits starr mit dem Werkzeugträger 11 gekoppelt ist und dessen Bewegungen zwangsweise mit ausführt. Das hydraulische Schaltsymbol des elektrohydraulischen Nach­ lauf-Regelventils 12 ist in der Zeichnung über dessen Gehäuse 16 wiedergegeben. Durch die gestrichelt einge­ zeichnete Verbindung des Schaltsymbols mit dem Kolben 7 des Hydrozylinders ist die durch die Meßspindel 14 ver­ mittelte mechanische Istwert-Rückmeldung angedeutet. Durch eine entsprechende Verbindung mit einem Schritt­ motorsymbol 13′ ist die elektrisch steuerbare Sollwert- Vorgabe symbolisiert.

Das seiner Funktion nach im folgenden noch näher zu erläuternde Nachlauf-Regelventil 12 ist mit seinem Gehäuse 16 über ein rohrförmiges Zwischenstück 17, das die entlang der zentralen Längsachse 54 des Ventilgehäuses 16 verlaufende Meßspindel 14 auf einem Abschnitt ihrer Länge ko­ axial umgibt, mit einer Montageplatte 18 verbunden, an der auch der Hydrozylinder 6 in der aus der Zeichnung ersichtlichen Anordnung befestigt ist. Mittels dieser Montageplatte 18 ist die den Hydrozylinder, die Montage­ platte 18 selbst, das Zwischenstück 17 und das Nachlauf- Regelventil 12 mit dem Schrittmotor 13 umfassende Bau­ einheit an einem feststehenden Maschinenelement 20, re­ lativ zu welchem das Werkzeug 2 bewegbar ist, befestigt.

Als Nachlauf-Regelventil 12 ist ein seinem Aufbau nach bekanntes 4/3-Regelventil vorgesehen, das im folgenden anhand seiner Funktion und Einzelheiten seiner zur Ventilbetätigung vorgesehenen Elemente näher erläutert wird. Mit dem Gewinde 21 der Meßspindel 14 kämmt eine Spindelmutter 23, die über eine rohr­ förmige Sollwert-Eingangswelle 24 und über einen insgesamt mit 26 bezeichneten Zahnriementrieb mit dem Schrittmotor 13 antriebsgekoppelt ist. Die den freien Endabschnitt des Spindelgewindes 21 koaxial umgebende Sollwert-Eingangswelle 24 ist am Gehäuse 16 des Nachlauf-Regelventils 12 in axialer Richtung ver­ schiebbar geführt. Bezüglich der Gewinde der Spindel­ mutter 23 und der Meßspindel 14 sei angenommen, daß sich die Spindelmutter 23 gemäß der Zeichnung nach links be­ wegt, wenn sie in Richtung des Pfeils ϕ_VR im Uhr­ zeigersinn gedreht wird, entsprechend der durch den Drehsinn-Pfeil ϕ_RM markierten Drehrichtung des Schrittmotors 13 und dementsprechend nach rechts ver­ schoben wird, wenn sie aufgrund einer Drehung des Motors 13 gemäß Pfeil ϕ_LM in Richtung des Pfeils ϕ_VL im Gegenuhrzeigersinn, gesehen von der Antriebsseite her, gedreht wird. In einer zentralen Bohrung 27 des Ventilgehäuses 16 ist ein insgesamt mit 28 bezeichne­ tes Ventilbetätigungsglied in axialer Richtung hin- und herverschiebbar, jedoch unverdrehbar geführt; es wird durch entsprechende Bewegungen der Spindelmutter 23 mitgenommen, wobei deren Drehbewegung sich dank der koaxialen Abstützung des Ventilbetätigungsgliedes 28 an an der Spindelmutter 23 vorgesehenen Axialkugellagern 29 und 31 nicht auf das Ventilbetätigungsglied 28 über­ trägt. Wenn sich das Ventilbetätigungsglied 28 als Folge einer Sollwert-Einsteuerung durch die damit verknüpfte Drehung der Spindelmutter 23 in Richtung des Pfeils 32, gemäß der Zeichnung nach links, bewegt, so gelangt das Nachlauf-Regelventil 12 in seine in dem Schaltsymbol mit I bezeichnete Durchflußstellung, in der am Druckausgang 33 des Nachlauf-Regelventils 12 der hohe Ausgangsdruck P der nichtdargestellten Versorgungs­ druckquelle ansteht und über in dem Zwischenstück 17 und der Montageplatte 18 sowie im Zylindergehäuse 8 vorgesehene Drucköl-Strömungspfade 34, 36 und 37 in den Arbeitsdruckraum A des Hydrozylinders 6 einge­ koppelt ist, während gleichzeitig der Arbeitsraum B des Hydrozylinders 6 über die Rücklauf-Strömungs­ pfade 38, 39 und 41 des Zylindergehäuses 8 und der Montageplatte 18 bzw. des Zwischenstückes 17 mit dem Rücklaufanschluß 42 des Nachlauf-Regelventils 12 verbunden ist, der in dieser Durchflußstellung I mit dem Tank kommuniziert. Der Kolben 7 des Hydro­ zylinders 6 und damit das Werkzeug 2 bewegen sich in diesem Falle nach rechts und mit diesen Teilen die als Istwert- Rückmeldespindel dienende Meßspindel 14. Durch den kämmenden Eingriff der Spindelmutter 23 mit dem Gewinde 21 der Meßspindel 14 wird das Ventilbetätigungsglied 28 mitgenommen. Das Nachlauf-Regelventil 12 gelangt dadurch wieder in seine im Schaltsymbol mit 0 bezeichnete, der Grundstellung entsprechenden Sperrstellung, in der beide Druckräume A und B des Hydrozylinders 6 sowohl gegen den Hochdruckausgang P als auch gegen den Tank der hydraulischen Druckquelle abgesperrt sind. Der Kolben 7 des Hydrozylinders 6 hat dann einen der Sollwert-Vorgabe entsprechenden Teil seines Hubes ausgeführt.

Wird andererseits durch eine Drehung der Spindelmutter 23 in Richtung des Pfeils ϕ_VL diese in Richtung des Pfeils 43 nach rechts bewegt, und damit auch das Ventilbetätigungsglied 28, so gelangt das Nachlauf-Regelventil 12 nunmehr in seine im Schalt­ symbol mit II bezeichnete, zweite Durchflußstellung; in dieser Durchflußstellung steht am zweiten Druck­ ausgang 44 des Nachlauf-Regelventils 12 der hohe Ausgangsdruck der hydraulischen Druckquelle an und ist über die Strömungspfade 46, 47 und 48 des Zwischen­ stückes 17, der Montageplatte 18 und des Zylinderge­ häuses 8 in den Arbeitsdruckraum B eingekoppelt, wobei nunmehr der Arbeitsdruckraum A des Hydrozylin­ ders 6 über die Strömungspfade 49, 51 und 52 des Zy­ lindergehäuses 8, der Montageplatte 18 und des Zwi­ schenstückes 17 an den zweiten Rücklaufanschluß 53 des Nachlauf-Regelventils 12 angeschlossen ist, der in der Schaltstellung II mit dem Tank der Druckquelle kommuniziert, d. h. drucklos ist. Der Kolben 7 des Hy­ drozylinders 6 bewegt sich in diesem Falle nach links, bis durch die über die Meßspindel 14 erzielte Mitnahmebewegung des Ventilbetätigungsgliedes 28 das Nachlauf-Regelventil 12 wieder in seine Grundstel­ lung 0 zurückfällt und der Istwert der Werkzeugposi­ tion dem angesteuerten Sollwert entspricht.

Anhand der Zeichnung ist erkennbar, daß eine durch eine Temperaturänderung bedingte Vergrößerung der Spindellänge der Meßspindel 14 eine Verschiebung des Ventilbetätigungs­ gliedes 28 nach links zur Folge hätte, wodurch der Hydrozylinder im Sinne einer Verschiebung seines Kolbens 7 nach rechts angesteuert würde und ein der Längenänderung der Meßspindel 14 entsprechender Positions­ fehler entstünde. Zur Kompensation eines solchen Fehlers ist das Zwischenstück 17 nach Länge und Ma­ terialauswahl so ausgebildet, daß es bei vorgegebener Temperaturänderung eine der damit korrelierten Längen­ änderung der Meßspindel 14 entsprechende Abstandsvergrößerung des Ventilgehäuses 16 von der Montageplatte 18 bewirkt, so daß im Ergebnis keine nennenswerte Relativbewegung des Ventilbetätigungsgliedes 28 zum Gehäuse 16 des Nach­ lauf-Regelventils 12 erfolgt, wenn die Meßspindel 14 einer temperaturbedingten Längenänderung unterworfen ist. Als maßgebliche Bezugslänge für die Längenänderung der Meßspin­ del 14 kann ihr zwischen der Spindelmutter 23 und ihrer Verbindungsstelle mit dem Werkzeugträger 11 sich erstreckender Abschnitt angesehen werden, auf dessen Länge die axiale Länge des Zwischenstückes 17 und das Material, aus dem es gefertigt ist, zweckmäßigerweise so abgestimmt sind, daß eine optimale Kompensation er­ reicht wird. Durch das den Hydrozylinder 6, die Monta­ geplatte 18, das Zwischenstück 17 und das Nachlauf- Regelventil 12 durchströmende Hydrauliköl wird eine gleichmäßige Temperierung dieser Komponenten erzielt, mit denen die Meßspinde 14 in gutem Wärmekontakt steht. Durch eine geeignete Dimensionierung des Zwischen­ stückes 17 kann für einen definierten Wert des Arbeits­ hubes des Hydrozylinders 6 bzw. des durch diesen an­ getriebenen Teils eine optimale Temperatur-Kompen­ sation erzielt werden.

Claims (8)

1. Hydraulische Antriebsvorrichtung für geradlinige Relativbewe­ gungen von Werkzeug und Werkstück bei Werkzeug­ maschinen mit einem doppelt wirkenden Hydro­ zylinder als Antriebsteil und mit einem zur be­ wegungsgerechten Steuerung der Druckbeaufschla­ gung des Hydrozylinders vorgesehenen elektro­ hydraulischen Nachlauf-Regelventil mit elek­ trisch steuerbarer Sollwert-Vorgabe und me­ chanischer Istwert-Rückmeldung über eine lang­ gestreckte, die Bewegungen des mittels des Hydro­ zylinders angetriebenen Teigs, nämlich Werkzeug oder Werkstück, mit ausführender Meßspindel, die dabei die entsprechenden Relativbewegungen ge­ genüber dem Gehäuse des Nachlauf-Regelventils mit ausführt und dadurch ein Ventilbetätigungs­ glied des Nachlauf-Regelventils im Sinne der Unterbrechung der Druckmittel-Zufuhr zum Hy­ drozylinder betätigt, sobald ein durch die Soll­ wert-Vorgabe eingesteuerter Verstellhub des Ventilbe­ tätigungsgliedes durch die Bewegung der Meßspindel wieder kompensiert ist, wobei die Meßspindel entlang der zentralen Längsachse des Ventilgehäuses ver­ laufend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) des Nachlauf-Regelventils (12) über ein Zwi­ schenstück (17), das in gutem thermischem Kon­ takt mit der Meßspindel (14) steht, an dem je­ weils feststehenden Maschinenelement (20) angeflanscht ist, gegenüber dem die Bewegung des angetriebenen Teils (2, 11) erfolgt, daß dieses Zwischenstück (17) aus einem Material besteht, das einen grö­ ßeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Material der Meßspindel (14), und daß die axiale Länge dieses Zwischenstückes (17) derart gewählt ist, daß der Absolutwert einer durch eine Temperaturänderung bedingten Änderung der Länge des Zwischenstückes (17) der mit dieser Temperaturänderung verknüpf­ ten Längenänderung mindestens desjenigen Abschnittes der Meßspindel (14) entspricht, der gleich dem mi­ nimalen axialen Abstand ihres an das bewegte Teil (2, 11) ankoppelbaren Endes von einem auf der Meß­ spindel (14) sitzenden Mitnahmeglied (23) ist, durch dessen Verschiebung die axiale Verstellung des Ventil-Betätigungsgliedes (28) bewirkbar ist.

2. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (17) als ein die Meßspindel (14) koaxial umgebendes, zy­ lindrisches Teil ausgebildet ist, das stirnseitig über eine Montageplatte (18) mit parallelem Verlauf seiner Längsachse (54) zu derjenigen des Hydro­ zylinders (6) mit diesem verbunden ist, und daß die die Arbeitsdruckräume (A, B) des Hydrozy­ linders (6) mit den Steueranschlüssen des Nachlauf- Regelventils (12) verbindenden Druckmittel- Strömungspfade durch diese Montageplatte (18) und das Zwischenstück (17) geführt sind.

3. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Zwischen­ stück (17) vorgesehenen Strömungspfade (34, 41, 46 und 52) in axialsymmetrischer Gruppie­ rung verteilt sind.

4. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (17) hinsichtlich seiner thermischen Ausdehnung auf einen mit einem definierten Hub des Antriebs­ zylinders (6) verknüpften Wert ausgelegt ist.

5. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die das Nachlauf- Regelventil (12) und das Zwischenstück (17) umfassende Funktionseinheit in einem seitlichen lichten Abstand von dem Hydrozylinder (6) an­ geordnet ist.

6. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (17) aus Aluminium und die Meßspindel (14) aus Stahl ge­ fertigt sind und daß die axiale Länge des Zwischen­ stückes (17) gleich der halben wirksamen Länge der Meßspin­ del (14) gewählt ist.

7. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspindel (14) auf einem maschinenseitigen Abschnitt ihrer Länge in einer in der Montageplatte (18) angeordneten Gleitbuchse geführt ist, die einen guten Wärmekontakt zwischen Montageplatte (18) und Meßspindel (14) vermittelt.

8. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspindel (14) auf einem gewindefreien, innerhalb des Zwischen­ stückes (17) verlaufenden Abschnitt ihrer Länge mit ihre Oberfläche vergrößernden Rippen oder Längsnuten versehen ist.