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Die Erfindung betrifft ein Kühlmittelsystem für Werkzeugmaschinen, mit einer Pumpe für das Kühlmittel, mindestens einem Verbraucher, und einem Druckbegrenzungsventil zur Begrenzung des Druckes des dem Verbraucher zugeführten Kühlmittels.
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Bei Werkzeugmaschinen kommen in einem Bearbeitungszyklus in der Regel mehrere verschiedene Werkzeuge zum Einsatz. Jedes Werkzeug muss, solange es im Einsatz ist, durch Zufuhr eines flüssigen Kühlmittels gekühlt werden. Da der Kühlbedarf von Werkzeug zu Werkzeug verschieden ist, wird vom Hersteller für jedes Werkzeug ein bestimmter Solldruck spezifiziert, den das Kühlmittelsystem bereitstellen muss.
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Bei einem Kühlmittelsystem der eingangs genannten Art, das der Anmelderin aus der täglichen Praxis bekannt ist, arbeitet die Pumpe mit im wesentlichen konstanter Förderleistung, und das Druckbegrenzungsventil wird jeweils auf den Solldruck für das betreffende Werkzeug eingestellt. Bei einem Werkzeugwechsel wird das Druckbegrenzungsventil auf den neuen Solldruck umgestellt. Wenn der Kühlmittelbedarf des Werkzeugs kleiner ist als die von der Pumpe geförderte Menge an Kühlmittel, so ist das Druckbegrenzungsventil so weit geöffnet, dass das überschüssige Kühlmittel abgeleitet wird und somit der Druck den Solldruck nicht übersteigt. Dieses System ermöglicht eine rasche Anpassung des Druckes an den jeweiligen Bedarf, hat jedoch aufgrund der bei geöffnetem Druckbegrenzungsventil eintretenden Pumpverluste einen relativ hohen Energieverbrauch.
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Es sind auch Kühlmittelsysteme bekannt (
US 5 951 216 ), bei denen der Druck im System mit Hilfe eines Sensors erfasst wird und die Pumpe auf den jeweils vorgeschriebenen Solldruck geregelt wird. Bei diesem System werden zwar Pumpverluste vermieden, doch kann die Pumpe nur verhältnismäßig träge auf Änderungen des Druckbedarfs reagieren, so dass die Kühlmittelversorgung der Werkzeuge nicht optimal ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlmittelsystem zu schaffen, das geringe Pumpverluste aufweist und sich dennoch rasch an Änderungen des Bedarfs anpassen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor zur Erfassung des Öffnungszustands des Druckbegrenzungsventils und einen Regler zur Regelung der Förderleistung der Pumpe in Abhängigkeit vom erfassten Öffnungszustand.
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Solange der Druckbedarf konstant ist, wird die Leistung der Pumpe so geregelt, dass das Druckbegrenzungsventil gerade auf der Grenze zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand gehalten wird und somit keine oder allenfalls geringe Mengen an Kühlmittel über das Druckbegrenzungsventil abfließen und folglich die Pumpverluste minimal sind. Wenn bei einem Werkzeugwechsel der Druckbedarf abnimmt, so wird das Druckbegrenzungsventil in Schließrichtung verstellt und mit einer erhöhten Schließkraft beaufschlagt, so dass es erst bei dem neuen, höheren Solldruck wieder öffnet. Das Schließen des Druckbegrenzungsventils führt einerseits zu einem sofortigen Druckanstieg im System und andererseits, mit leichter trägheitsbedingter Verzögerung, zu einer Zunahme der Förderleistung der Pumpe, so dass der höhere Solldruck langfristig aufrechterhalten werden kann und das Druckbegrenzungsventil wieder in den Grenzzustand zwischen geöffnet und geschlossen zurückkehrt. Wenn bei einem erneuten Werkzeugwechsel der Solldruck wieder abnimmt, so wird der Schließdruck des Druckbegrenzungsventils verringert, mit der Folge, dass das Druckbegrenzungsventil vorübergehend öffnet, jedoch nur so lange, bis sich die Förderleistung der Pumpe an den verringerten Bedarf angepasst hat.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit nur einem einzigen Sollwertsignal, nämlich dem Signal, das den Solldruck angibt, nicht nur der Druck eingestellt werden kann, sondern auch die Leistung der Pumpe an den jeweiligen Solldruck angepasst wird. Das erleichtert insbesondere eine Nachrüstung von bestehenden Werkzeugmaschinen, bei denen der Solldruck in der Regel bekannt ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen Kühlmittelsystems für eine Werkzeugmaschine.
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Das in der Zeichnung dargestellte Kühlmittelsystem weist drei Verbraucher 10 auf, die von einer Pumpe 12 über ein Druckbegrenzungsventil 14 mit flüssigem Kühlmittel versorgt werden. Ein Druckstutzen 16 der Pumpe 12 verzweigt sich auf die drei Verbraucher 10, so dass sie alle aus derselben Pumpe 12 versorgt werden können.
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Bei jedem der Verbraucher 10 handelt es sich um ein Kühlsystem für ein bestimmtes Werkzeug der Werkzeugmaschine. Die Werkzeuge unterscheiden sich in ihrer Größe und Beschaffenheit und folglich auch in ihrem Kühlbedarf. Durch eine Steuereinrichtung 18 werden die Verbraucher 10 so angesteuert, dass jeweils das Kühlsystem für das Werkzeug aktiviert wird (beispielsweise durch Öffnen eines nicht gezeigten Ventils), das dem gerade im Einsatz befindlichen Werkzeug zugeordnet ist. Wenn die Werkzeugmaschine für den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Werkzeuge eingerichtet ist, können auch mehrere Verbraucher gleichzeitig aktiviert werden.
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Weiterhin wird durch die Steuereinrichtung 18 das Druckbegrenzungsventil 14 so angesteuert, dass der Druck in dem Druckstutzen 16 auf den für das aktive Werkzeug spezifizierten Solldruck begrenzt wird. Das von dem aktiven Verbraucher 10 an das Werkzeug abgegebene Kühlmittel wird aufgefangen und, wie in der Zeichnung durch eine Rücklaufleitung 20 symbolisiert wird, zu einem Sumpf 22 zurückgeleitet, aus dem das Kühlmittel über eine Saugleitung 24 erneut von der Pumpe 12 angesaugt werden kann.
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Vom Druckstutzen 16 der Pumpe führt eine Zweigleitung 26 zu einer Druckkammer 28 des Druckbegrenzungsventils 14. Die Druckkammer 28 wird durch einen Kolben 30 begrenzt und hat somit ein variables Volumen. Je nach Stellung des Kolbens 30 wird eine Entlastungsöffnung 32 des Druckbegrenzungsventils 14 geschlossen gehalten oder mehr oder weniger weit geöffnet. Durch ein Stellglied 34, beispielsweise ein elektropneumatisches Stellglied, wird der Kolben 30 mit einer durch die Steuereinrichtung 18 bestimmten Schließkraft in Schließrichtung (nach rechts in der Zeichnung) vorgespannt. Wenn der Druck in der Druckkammer 28 über den Solldruck ansteigt, überwiegt die von dem Kühlmittel auf den Kolben 30 ausgeübte Kraft die Schließkraft des Stellglieds 34, so dass sich der Kolben nach links verschiebt und einen größeren Querschnitt der Entlastungsöffnung 32 freigibt, mit der Folge, dass ein größerer Anteil des von der Pumpe 12 geförderten Kühlmittels über die Entlastungsöffnung 32 und eine Bypassleitung 36 in den Sumpf 22 zurückgeleitet wird. Auf diese Weise wird der Druck in der Druckkammer 28 wieder abgebaut, bis der Kolben 30 schließlich eine Gleichgewichtsposition einnimmt, in der der Druck in der Druckkammer 28 auf dem Solldruck gehalten wird. Unabhängig vom jeweils eingestellten Solldruck bestimmt allein die Stellung des Kolbens, ob die Entlastungsöffnung 32 geschlossen oder geöffnet ist und wie weit sie ggf. geöffnet ist.
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Die Pumpe 12 wird durch einen Motor 38 angetrieben, dessen Drehzahl mit Hilfe eines Frequenzumrichters 40 steuerbar ist. Die Frequenz des Frequenzumrichters 40 wird durch einen Regler 42 bestimmt, der als Führungsgröße ein Signal von einem Weggeber 46 erhält, der im Druckbegrenzungsventil 14 die aktuelle Position des Kolbens 30 erfasst.
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Mit Hilfe des Reglers 42 wird die Drehzahl des Motors 38 und damit die Förderleistung der Pumpe 12 so geregelt, dass der Kolben 30 in einer Sollposition gehalten wird, in der er die Entlastungsöffnung 32 gerade eben verschließt oder – wie in dem hier gezeigten Beispiel – ganz geringfügig geöffnet hält. Auf diese Weise wird im stationären Betrieb, d. h., solange sich der von der Steuereinrichtung 18 bestimmte Solldruck nicht ändert, die Leistungsaufnahme der Pumpe 12 minimiert. Die Förderleistung der Pumpe reicht dann gerade aus, den zur Zeit aktiven Verbraucher 10 mit dem spezifizierten Solldruck zu versorgen.
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Bei einem Werkzeugwechsel gibt die Steuereinrichtung 18 den Befehl, den bisher aktiven Verbraucher 10 zu deaktivieren und stattdessen den Verbraucher zu aktivieren, der zu dem neuen Werkzeug gehört. Gleichzeitig gibt die Steuereinrichtung 18 an das Stellglied 34 den Befehl, die Schließkraft auf den Solldruck einzustellen, der für das neue Werkzeug gefordert ist.
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Wenn der neue Solldruck kleiner ist als der bisherige Solldruck, so nimmt die Schließkraft ab und der Kolben 30 verschiebt sich nach links, so dass die Entlastungsöffnung 32 weiter geöffnet wird und der Druck in der Druckkammer 28 abgebaut wird. Gleichzeitig bewirkt der Regler 42 eine Abnahme der Drehzahl des Motors 38. Da sich infolgedessen die Förderleistung der Pumpe 12 verringert, nimmt der Druck in der Druckkammer 28 weiter ab, und der Kolben 30 verschiebt sich wieder in seine Sollposition. Wenn diese Sollposition erreicht ist, hält der Regler 42 die Förderleistung der Pumpe stabil auf einem Wert, der gerade ausreicht, den nunmehr aktiven Verbraucher 10 mit dem geforderten Solldruck zu versorgen.
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Bei einem Werkzeugwechsel auf ein Werkzeug, dass einen höheren Solldruck erfordert, gibt die Steuereinrichtung 18 an das Stellglied 34 den Befehl, die Schließkraft auf einem Wert zu erhöhen, der der hydraulischen Kraft entspricht, die bei dem neuen, höheren Solldruck auf den Kolben 30 wirkt. Der Kolben 30 verschiebt sich daher aus seiner Sollposition nach rechts, so dass er die Entlastungsöffnung 32 vollständig verschließt. Diese Kolbenverschiebung veranlasst den Regler 32, die Förderleistung der Pumpe 12 zu erhöhen. Solange diese Förderleistung noch nicht den Wert erreicht hat, der zur Speisung des neuen Verbrauchers erforderlich ist, überwiegt die Schließkraft des Stellgliedes 34 weiterhin den hydraulischen Druck, so dass sich der Kolben 30 weiter nach rechts verschiebt und das Volumen der Druckkammer 28 verkleinert. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Verbraucher 10 auch in der Übergangsphase, in der die Förderleistung der Pumpe noch nicht den geforderten Wert erreicht hat, mit ausreichend Kühlmittel versorgt wird.
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Mit zunehmender Förderleistung der Pumpe nimmt der Druck in der Druckkammer 28 wieder zu, und der Kolben 30 verschiebt sich nach links in Richtung auf seine Sollposition, bis bei dem neuen Solldruck ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Kühlmittelsystem praktisch verzögerungsfrei auf eine Zunahme des geforderten Solldruck reagieren kann, ohne dass dazu die Pumpe 12 längerfristig mit einer Förderleistung betrieben werden muss, die über dem tatsächlichen Bedarf liegt.
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In einer modifizierten Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 18 bei einem Werkzeugwechsel, bei dem auf einen Verbraucher 10 mit höherem Solldruck umgeschaltet wird, den Befehl an das Stellglied 34 zu einem etwas früheren Zeitpunkt ausgeben als den Befehl zum Umschalten der Verbraucher 10. Noch während der bisherige Verbraucher aktiv ist, wird sich dann der Kolben 30 nach rechts verschieben, was den Regler zu einer ”vorausschauenden” Erhöhung der Förderleistung der Pumpe 12 veranlasst. Wenn dann auf den neuen Verbraucher umgeschaltet wurde, kehrt der Kolben 30 in die Sollposition zurück, und das Druckentlastungsventil 14 und der Regler 42 nehmen den neuen Gleichgewichtszustand ein.
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In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 18 auch direkt in die Funktion des Reglers 42 eingreifen. Wenn ein Werkzeugwechsel bevorsteht, der mit einer Erhöhung des Solldruckes verbunden ist, gibt dann die Steuereinrichtung 18 schon vor dem Umschalten der Verbraucher 10 einen Befehl an den Regler 42 aus, die Regelung auf die vom Weggeber 46 gelieferte Führungsgröße vorübergehend auszusetzen und die Drehzahl des Motors auf einen geeignet gewählten Wert zu erhöhen. Der Kolben 30 bewegt sich dann unter Öffnung der Entlastungsöffnung 32 nach links, so dass der Druck in der Druckkammer 28 noch auf dem bisherigen Wert gehalten wird, während die Förderleistung der Pumpe zunimmt. Wenn dann auf den neuen Verbraucher 10 umgeschaltet wird, erhält das Stellglied 34 den Befehl, die Schließkraft zu erhöhen, so dass der Druck in der Druckkammer 28 schlagartig auf den jetzt geforderten höheren Solldruck zunimmt. Gleichzeitig nimmt der Regler 42 die Regelung auf die vom Weggeber 46 gelieferte Führungsgröße wieder auf, so dass sich ein neuer Gleichgewichtszustand mit optimal angepasster Förderleistung der Pumpe 12 einstellt.
