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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gewichtsausgleichseinrichtung für eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Schleifmaschine, eine Erodiermaschine oder eine Fräsmaschine. Solche Werkzeugmaschinen haben häufig eine vertikale Achse, um das Werkzeug oder das Werkstück in Vertikalrichtung bewegen zu können. Beispielsweise ist ein vertikal bewegbarer Schlitten vorhanden, der über einen Achsantrieb, wie etwa einen Spindelantrieb, einen Linearantrieb oder einen ähnlichen Antrieb vertikal bewegbar ist. Um den Schlitten und die daran angebrachten weiteren Teile der Werkzeugmaschine in einer gewünschten Lage zu halten, muss der zugeordnete Antrieb permanent eine gewisse Antriebskraft bereitstellen, um ein Absinken des Schlittens aufgrund seiner Gewichtskraft zu verhindern. Ein permanentes Betreiben des Antriebs unter hoher Last ist unerwünscht. Außerdem wird hierbei Primärenergie, beispielsweise elektrische Energie zum Antreiben eines Elektromotors, in Wärme umgewandelt, was ebenfalls unerwünscht ist.
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Zu diesem Zweck sind Gewichtsausgleichseinrichtungen bekannt, die zumindest einen Teil der Gewichtskraft eines vertikal bewegbaren Maschinenteils aufnehmen. Aus
DE 39 13 655 C2 ist eine Knickarm-Schwenkeinrichtung eines Industrieroboters bekannt. Diese weist einen als Pneumatikzylinder ausgeführten Hilfsantrieb auf. Über diesen Hilfsantrieb wird an einer Schwenkachse das durch die Gewichtskraft der schwenkbar gelagerten Teile entstehende Moment über den Hilfsantrieb ausgeglichen, so dass ein Momentengleichgewicht herrscht und in die gewünschte Position erhalten bleibt. Der Hilfsantrieb weist hierfür einen Pneumatikzylinder auf, dessen Kolben das Zylindergehäuse in zwei druckbeaufschlagbare Arbeitskammern untereilt. Der Zylinder weist entsprechend zwei Druckanschlüsse auf. Somit ist auch eine Druckquelle und zumindest ein Steuerventil notwendig, um die Arbeitskammern des Zylinders mit dem zum Momentenausgleich erforderlichen Druck zu beaufschlagen.
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DE 34 22 586 A1 beschreibt eine Gewichtsausgleichseinrichtung für einen vertikal beweglichen Spindelkasten an einer Werkzeugmaschine. Zur Beseitigung von Nachteilen hydraulischer Gewichtsausgleichseinrichtungen wird dort ein Seilzug vorgeschlagen, dessen eines Endes mit dem vertikal bewegbaren Spindelkasten und dessen anderes Ende auf einer Trommel aufgespult wird. Mit der Trommel ist ein Gleichstrommotor verbunden. Auf Basis der ermittelten Seilzugspannung wird der Gleichstrommotor angesteuert, um den Gewichtsausgleich durchzuführen.
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Bei dem seither eingesetzten pneumatischen und hydraulischen Gewichtsausgleichseinrichtungen ist eine Druckquelle über eine Leitung mit einem Zylinder verbunden. Bei solchen aktiv gesteuerten oder geregelten Systemen muss zwischen der Druckquelle und dem Zylinder ein Ventil in der Leitung vorhanden sein. Außerdem erzeugt die Leitung Reibungsverluste, wenn das Fluid, beispielsweise ein Hydraulikmedium, durch die Leitung bewegt wird. Dies begrenzt die Dynamik der Gewichtsausgleichseinrichtung.
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Gewichtsausgleichseinrichtungen mit Seilzügen benötigen einen großen Bauraum, der nicht immer zur Verfügung steht. Es können sich auch relative komplexe Anordnungen ergeben, da eine vertikal bewegbare Einheit einer Werkzeugmaschine häufig auch gleichzeitig in andere Richtungen verschoben oder verschwenkt werden kann.
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Daher kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine im Aufbau einfache Gewichtsausgleichseinrichtung bereitzustellen, die außerdem eine hohe Dynamik bei der Zustellbewegung der Werkzeugmaschine ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gewichtsausgleichseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Die Gewichtsausgleichseinrichtung weist einen Zylinder mit einem Zylindergehäuse auf, das einen ersten Zylinderraum und einen zweiten Zylinderraum aufweist. Vorzugsweise sind die beiden Zylinderräume in Axialrichtung des Zylindergehäuses nebeneinander angeordnet. Im ersten Zylinderraum ist ein erster Kolben in Axialrichtung verschiebbar beweglich angeordnet. Der erste Kolben weist eine aus dem Zylindergehäuse herausragende Kolbenstange auf. Das Zylindergehäuse ist mit einem Maschinenteil, beispielsweise einer Säule der Werkzeugmaschine verbunden. Das außerhalb des Zylindergehäuses befindliche freie Ende der Kolbenstange ist mit einem relativ zu diesem Maschinenteil bewegbaren weiteren Maschinenteil, beispielsweise einem Schlitten oder einem schwenkbaren Teil der Werkzeugmaschine verbunden. Mit welchem der beiden relativ zueinander bewegbaren Teile der Werkzeugmaschine das Zylindergehäuse bzw. die Kolbenstange verbunden sind, kann abhängig vom verfügbaren Bauraum festgelegt werden.
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In einem zweiten Zylinderraum des Zylinders ist ein zweiter Kolben in Axialrichtung verschiebbar gelagert. Über ein Vorspannmittel ist der zweite Kolben mit einer Vorspannkraft in seine Ruhestellung vorgespannt. In der Ruhestellung befindet sich die Kolbenstange vorzugsweise in ihrer vollständig ausgefahrenen Position. Im Zylindergehäuse ist außerdem ein Verbindungskanal zwischen den beiden Zylinderräumen vorhanden, wodurch eine fluidische Kopplung der beiden Kolben erreicht ist. Das bewegte Maschinenteil kann somit beispielsweise über die Kolbenstange in Vertikalrichtung abgestützt werden. Durch die Vorspannkraft wird das Gewicht des bewegbaren, abzustützenden Maschinenteils zumindest teilweise kompensiert. Das heißt, dass die durch die Gewichtsausgleicheinrichtung erzeugte Abstützkraft nicht nur kleiner oder gleich der Gewichtskraft des bewegbaren Maschinenteils, sondern auch größer als die Gewichtskraft sein kann. Der das bewegbare Maschinenteil antreibende Motor muss deshalb zum Halten einer gewünschten vertikalen Position keine oder nur eine geringe Haltekraft aufbringen, die der Differenz zwischen der Abstützkraft und der Gewichtskraft entspricht.
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Fludische und insbesondere hydraulische Leitungen außerhalb des Zylindergehäuses sind vollständig vermieden. Der Zylinder muss nur beim Einrichten der Maschine einmalig befüllt werden. Anschließend bildet der Zylinder eine kompakte abgeschlossene Baueinheit, die unmittelbar an den beiden relativ zueinander bewegbaren Maschinenteilen der Werkzeugmaschine angeordnet wird. Die Menge der Fluide im Zylinder ist im Betrieb konstant und muss gegebenenfalls nur dann angepasst werden, wenn durch eine Umrüstung der Maschine die abzustützende Gewichtskraft verändert wird. Eine mit dem Zylinder ständig verbundene Druckquelle ist jedenfalls nicht vorhanden. Auch Drucksteuerventile zur Steuerung oder Regelung des Fluiddrucks im Zylinder sind nicht vorgesehen. Die beiden Zylinderräume sind innerhalb des Zylindergehäuses fludisch miteinander verbunden. Aufgrund dieser kurzen Fluidverbindung innerhalb des Gehäuses erreicht die Gewichtsausgleichseinrichtung eine hohe Dynamik bei der Relativbewegung der beiden Maschinenteile gegeneinander. Reibungsverluste sind minimal.
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Vorzugsweise begrenzt der erste Kolben mit seiner Arbeitsfläche auf seiner der Kolbenstange entgegengesetzten Seite eine erste Kammer im ersten Zylinderraum. Der zweite Kolben kann in der zweiten Zylinderkammer mit seiner Arbeitsfläche auf seiner dem Vorspannmittel entgegengesetzten Seite eine zweite Kammer begrenzen. Dabei verbindet der Verbindungskanal die erste und die zweite Kammer fluidisch. Vorzugsweise bilden die erste und die zweite Kammer und der Verbindungskanal einen Kopplungsraum, der mit einem Fluid befüllt ist, so dass eine Bewegungskopplung zwischen den beiden Kolben hergestellt ist. Als Fluid für den Kopplungsraum dient insbesondere ein inkompressibles Hydraulikmedium. Innerhalb des Zylindergehäuses können die Querschnitte der Öffnungen zu den beiden Kammern und der Querschnitt des Verbindungskanals ausreichend groß gewählt werden, um eine hohe Dynamik beim Bewegen der beiden Kolben zu gewährleisten und die Reibung zu minimieren. Außerhalb des Zylindergehäuses vorhandene pneumatische oder hydraulische Leitungen entfallen vollständig. Zum Einfüllen des Fluids weist das Zylindergehäuse einen absperrbaren ersten Einfüllstutzen auf, dessen Einfüllöffnungen in den Verbindungskanal oder in die erste Kammer oder in die zweite Kammer mündet. Nach dem Befüllen kann der Einfüllstützen abgesperrt werden. Eine Verbindung mit einer Druckquelle im Betrieb der Werkzeugmaschine ist nicht erforderlich.
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Um einen besonders kompakten Aufbau zu erreichen, könne der erste Zylinderraum und der zweite Zylinderraum koaxial zueinander angeordnet sein. Insbesondere ist der erste Zylinderraum zylindrisch entlang der Längsachse des Zylinders angeordnet. Der zweite Zylinderraum kann als Ringraum koaxial um den ersten Zylinderraum vorgesehen sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Arbeitsfläche des ersten Kolbens kleiner als die Arbeitsfläche des zweiten Kolbens. Beispielsweise kann die Arbeitsfläche des ersten Kolbens durch die Stirnfläche der Kolbenstange gebildet sein. Der zweite Kolben ist vorzugsweise als Ringkolben ausgeführt. Durch diese Verhältnis der beiden Arbeitsflächen zueinander ist der Hub des zweiten Kolbens kleiner als der des ersten Kolbens. Dadurch kann sichergestellt werden, dass sich die durch die Vorspannmittel auf den zweiten Kolben ausgeübte Vorspannkraft, die abhängig von der Position bzw. dem Hub des zweiten Kolbens variieren kann, lediglich in einem zulässigen Toleranzbereich verändert. Insbesondere ist die Arbeitsfläche des zweiten Kolbens 5 bis 15 und vorzugsweise 9 bis 10 mal größer als die Arbeitsfläche des ersten Kolbens.
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Bei einer Ausführungsform ist der zweite Kolben kolbenstangenlos ausgestaltet. Insbesondere ist der maximal mögliche Hub des zweiten Kolbens auf einen maximalen Hubweg begrenzt, der vorzugsweise kleiner ist als 20 cm und etwa zwischen 5 und 10 cm betragen kann. Dadurch ist es möglich, nicht-lineare Abschnitte in der Kennlinie des Vorspannmittels zu vermeiden.
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Der Verbindungskanal ist vorzugsweise in dem der Kolbenstange entgegengesetzten Endabschnitt des Zylindergehäuses angeordnet. Bei dieser Ausführung lassen sich große Strömungsquerschnitte des Verbindungskanals bei kompaktem Aufbau der Gewichtsausgleichseinrichtung erreichen.
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Das Vorspannmittel zur Erzeugung der Vorspannkraft auf den zweiten Kolben kann eine mechanische und/oder Gas-Federeinrichtung aufweisen. Beispielsweise kann im zweiten Zylinderraum eine Schraubenfeder angeordnet sein. Der maximale Hubweg des zweiten Kolbens kann dabei auf maximal 50% des zur Verfügung stehenden Federwegs der Schraubenfeder begrenzt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die durch den zweiten Kolben im zweiten Zylinderraum von der zweiten Kammer getrennte dritte Kammer mit einem Gasdruck beaufschlagt sein und beispielsweise eine pneumatische Federeinrichtung bilden. Wegen der lediglich geringen Bewegung des zweiten Kolbens ändert sich die Vorspannkraft zur Abstützung des Gewichts des bewegten Maschinenteils lediglich innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs. Zur Befüllung der dritten Kammer kann ein absperrbarer zweiter Einfüllstutzen in die dritte Kammer einmünden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gewichtausgleichseinrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüche sowie der Beschreibung. In der Beschreibung wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung sowie sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
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1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung zweier relativ zueinander bewegbarer Maschinenteile und eine Gewichtausgleichseinrichtung,
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2 eine blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Gewichtsausgleichseinrichtung,
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3 eine perspektivische geschnittene Darstellung einer Ausführungsform der Gewichtausgleichseinrichtung mit ausgefahrener Kolbenstange und
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4 die Gewichtsausgleichseinrichtung in der Darstellung nach 3 mit eingefahrener Kolbenstange.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gewichtausgleichseinrichtung 10 für eine nicht dargestellte Werkzeugmaschine, wie beispielsweise eine Schleifmaschine oder eine Erodoermaschine. Die Werkzeugmaschine weist mehrere Achsen auf, um ein Werkzeug 11, beispielsweise eine Schleifscheibe relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück zu bewegen. Zu diesem Zweck wird das Werkstück oder das Werkzeug 11 in die entsprechende Bewegungsrichtung der Achse bewegt. Dabei ist auch zumindest eine Achse 12 der Werkzeugmaschine vorhanden, die eine lineare Bewegung in Vertikalrichtung V oder eine Schwenkbewegung mit einer Richtungskomponente in Vertikalrichtung V bewirkt. In der schematischen Darstellung gemäß 1 verfügt die Achse 12 über ein erstes Maschinenteil 13 und ein zweites Maschinenteil 14. Die beiden Maschinenteile 13, 14 sind relativ zueinander bewegbar. Das erste Maschinenteil 13 ist beispielsgemäß als Säule 15 ausgeführt, an der ein Schlitten 16 in Vertikalrichtung V verschiebbar geführt gelagert ist, der das zweite Maschinenteil 14 darstellt. An dem Schlitten 16 ist beispielsgemäß das Werkzeug 11 angeordnet. Die Achse 12 weist außerdem einen Achsantrieb 17 auf, der zum Bewegen des Schlittens 16 relativ zur Säule 15 vorgesehen ist. Der Achsantrieb 17 umfasst beim Ausführungsbeispiel einen Elektromotor und eine Antriebsspindel 19. Auch andere Linearantriebe können beispielsgemäß zur Bewegung des Schlittens 16 verwendet werden. Der Achsantrieb 17 kann elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben werden. Im Unterschied zu der Darstellung nach 1 könnte der Schlitten auch schräg zur Vertikalrichtung V bewegt werden.
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Zur Abstützung der Gewichtskraft G des vom Schlitten 16 gebildeten zweiten Maschinenteils 14 einschließlich der daran befestigten weiteren Bauteile der Werkzeugmaschine ist die Gewichtausgleichseinrichtung 10 vorgesehen. Die Gewichtsausgleichseinrichtung 10 stützt das in Vertikalrichtung V verschiebbare oder bewegbare zweite Maschinenteil 14 ab und kompensiert die Gewichtskraft zumindest zum Teil, um den Achsantrieb 17 zu entlasten. Zur Einstellung und Aufrechterhaltung einer gewünschten Position des zweiten Maschinenteils 14 ist daher lediglich eine Antriebskraft oder ein Antriebsmoment des Achsantriebs 17 nötig, das kleiner ist als die Antriebskraft oder das Antriebsmoment, das notwendig wäre, um das gesamte Gewicht des zweiten Maschinenteils 14 mit samt der daran angebauten Bauteile in Vertikalrichtung V in der gewünschten Position zu halten.
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Die Gewichtsausgleichseinrichtung 10 enthält einen Zylinder 23 mit einem Zylindergehäuse 24. Das Zylindergehäuse 24 ist entweder am ersten Maschinenteil 13 oder am zweiten Maschinenteil 14 befestigt. Vorzugsweise sitzt das Zylindergehäuse 24 an einem in Vertikalrichtung V unbeweglichen Maschinenteil, beispielsgemäß an der Säule 15.
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Im Zylindergehäuse 23 ist ein erster Zylinderraum 25 gebildet, der sich beim Ausführungsbeispiel entlang der Längsachse L des Zylindergehäuses 24 erstreckt. Der erste Zylinderraum 25 hat die Form eines Kreiszylinders und ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel koaxial zur Längsachse L angeordnet. Im ersten Zylinderraum 25 ist ein erster Kolben 26 in Richtung der Längsachse L verschiebbar angeordnet. Der erste Kolben 26 liegt fluiddicht an der den ersten Zylinderraum 25 begrenzenden Trennwand 27 an. Mit dem ersten Kolben 26 ist eine Kolbenstange 28 verbunden, die aus dem ersten Zylinderraum 25 und aus dem Zylindergehäuse 24 an einer Axialseite herausgeführt ist, so dass das freie Ende 29 der Kolbenstange 28 außerhalb des Zylindergehäuses 24 angeordnet ist. Das freie Ende 29 dient zur Befestigung der Kolbenstange 28 mit dem zweiten Maschinenteil 14. Bei einer Relativbewegung der beiden Maschinenteile 13, 14 wird somit eine Relativbewegung der Kolbenstange 28 relativ zum Zylindergehäuse 24 hervorgerufen.
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Auf der der Kolbenstange 28 entgegengesetzten Seite begrenzt der erste Kolben 26 mit seiner Arbeitsfläche A1 eine erste Kammer 33 innerhalb des ersten Zylinderraums 25. Bei der in den 3 und 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Arbeitsfläche A1 von der Stirnfläche der Kolbenstange 28 gebildet. Der erste Kolben 26 ist mithin Bestandteil der Kolbenstange 28. Der Innendurchmesser der beispielsgemäß rohrförmigen Trennwand 27 ist um das notwendige Spiel größer als der Außendurchmesser der zylindrischen Kolbenstange 28. Auf diese Weise ist die Kolbenstange 28 im ersten Zylinderraum 25 verkantungsfrei verschiebbar geführt angeordnet.
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Das Zylindergehäuse 24 weist ein zylindrisches Rohr 34 auf, das koaxial zur Längsachse L angeordnet ist. An den beiden axialen Endseiten ist das Rohr 34 von jeweils einem Deckel 35 verschlossen. Durch den einen Deckel 35 ist die Kolbenstange 28 hindurch geführt.
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Koaxial zum ersten Zylinderraum 25 ist ein zweiter Zylinderraum 38 im Zylindergehäuse 24 angeordnet. Der zweite Zylinderraum 38 wird beim Ausführungsbeispiel durch die Trennwand 27 und das Rohr 34 begrenzt. Der zweite Zylinderraum 38 hat eine hohlzylindrische Gestalt und umschließt den ersten Zylinderraum 25 ringähnlich. In Richtung der Längsachse L gesehen sind die beiden Zylinderräume 25, 38 durch die beiden Deckel 35 des Zylindergehäuses begrenzt.
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Im zweiten Zylinderraum 38 ist ein zweiter Kolben 39 axial in Richtung der Längsachse L verschiebbar gelagert. Der zweite Kolben 39 liegt fluiddicht am Rohr 34 und an der Trennwand 27 an, so dass er den zweiten Zylinderraum 38 in eine zweite Kammer 40 und eine dritte Kammer 41 unterteilt.
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Die Kolbendichtungen des ersten Kolbens 26 und des zweiten Kolbens 39 sind der Einfachkeit halber in den Figuren nicht dargestellt. Die Kolben sind an ihren Anlagestellen an der Trennwand 27 bzw. dem Rohr 34 abgedichtet. Der zweite Kolben 39 ist beim Ausführungsbeispiel als Ringkolben ausgeführt. Der zweite Kolben 39 ist kolbenstangenlos. Die der zweiten Kammer 40 zugeordnete Arbeitsfläche A2 des zweiten Ringkolbenes 39 ist größer als die Arbeitsfläche A1 des ersten Kolbens 26. Beim Ausführungsbeispiel ist die Arbeitsfläche A2 des zweiten Kolbens 39 neun bis zehnmal größer als die Arbeitsfläche A1 des ersten Kolbens 26.
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Ein fluidischer Verbindungskanal 42 verbindet die erste Kammer 33 des ersten Zylinderraums 25 mit der zweiten Kammer 40 des zweiten Zylinderraums 38. Hierfür ist in dem Deckel 35 auf der der Kolbenstange 28 entgegengesetzten Seite des Zylinders 23 eine Ausnehmung 43 vorhanden. In diese Ausnehmung 43 mündet sowohl die erste Kammer 33, als auch die zweite Kammer 40 ein, so dass eine fluidische Verbindung hergestellt ist.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Gewichtsausgleichseinrichtung 10 ist die Ausnehmung 43 zylindrisch konturiert. In der Ausnehmung 43 ist eine zylindrische Scheibe 44 angeordnet, die mit ihrer Außenkante an der Innenwand der Ausnehmung 43 anliegt. Die Scheibe 44 ist fluiddicht mit der rohrförmigen Trennwand 27 verbunden. Die Scheibe 44 ist in etwa radial zur Längsachse L des Zylinders 23 ausgerichtet. Eine zentrale Strömungsöffnung 45 in der Scheibe 44 verbindet die Ausnehmung 43 mit der ersten Kammer 33. Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, verjüngt sich der Querschnitt der ersten Strömungsöffnung 45 von der ersten Kammer 33 in Richtung der Ausnehmung 43.
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Mit radialem Abstand zur Längsachse L des Zylinders 23 ist in der Scheibe 44 wenigstens eine und beispielsgemäß mehrere randseitige Strömungsöffnungen 46 vorhanden. Die wenigstens eine randseitige Strömungsöffnung 46 mündet einerseits in die zweite Kammer 40 und andererseits in die Ausnehmung 43. Mithin ist der Verbindungskanal 42 zwischen der ersten Kammer 32 und der zweiten Kammer 40 durch die zentrale Strömungsöffnung 45, die Ausnehmung 43 und die wenigstens eine randseitige Strömungsöffnung 46 gebildet. Der Verbindungskanal 42, die erst Kammer 33 und die zweite Kammer 40 bilden einen fluidischen Kopplungsraum 47.
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In den fluidischen Kopplungsraum 47 und beispielsgemäß in den Verbindungskanal 42 mündet ein erster Einfüllstutzen 50. Der erst Einfüllstutzen 50 ist beispielsgemäß im Deckel 35 des Zylindergehäuses 24 vorgesehen und in der Zeichnung lediglich schematisch veranschaulicht. Der erste Einfüllstutzen 50 weist ein Absperrventil 51 auf (2). Über den ersten Einfüllstutzen 50 kann der Kopplungsraum 47 mit einem Fluid, vorzugsweise einem Hydraulikmedium befüllt und anschließend abgesperrt werden. Während des Betriebs der Werkzeugmaschine bzw. der Gewichtsausgleichseinrichtung 10 ist keine Verbindung des Zylinders 23 zu einem Fluidspeicher oder einer Drucksteuereinrichtung oder dergleichen notwendig.
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In der dritten Kammer 41 ist ein Vorspannmittel 55 zur Erzeugung einer auf den zweiten Kolben 39 einwirkenden Vorspannkraft F vorhanden. Als Vorspannmittel 55 kann beispielsweise eine mechanische und/oder Gas-Federeinrichtung, insbesondere eine pneumatische Federeinrichtung dienen. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der dritten Kammer 41 koaxial zum ersten Zylinderraum 25 bzw. koaxial zur Trennwand 27 eine Schraubenfeder 56 angeordnet, die sich mit einem Ende am zweiten Kolben 39 und mit ihrem anderen Ende an dem Zylindergehäuse 24 abstützt. Die Vorspannkraft F drückt den zweiten Kolben 39 zum Verbindungskanal 42 hin. Die Schraubenfeder 56 bewirkt mithin eine Druckkraft zwischen dem die Kolbenstange 28 umschließenden Deckel 35 und dem zweiten Kolben 39.
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Neben der beispielsgemäß durch die Schraubenfeder 56 gebildeten mechanischen Federeinrichtung ist außerdem eine Gas-Federeinrichtung vorhanden. Hierzu mündet in die dritte Kammer 41 ein zweiter Einfüllstutzen 57 ein, der ebenfalls ein Absperrventil 51 aufweist. Über den zweiten Einfüllstutzen 57 kann die dritte Kammer 41 mit einem Gas, beispielsgemäß mit Luft befüllt werden. In der dritten Kammer 41 stellt sich dadurch ein Luftdruck pL ein, wodurch eine pneumatische Federeinrichtung gebildet ist. Die Vorspannkraft S wird somit durch die Federkraft der Schraubenfeder 56 und den Luftdruck pL in der dritten Kammer 41 bestimmt. Über das Absperrventil 51 kann der zweite Einfüllstutzen 57 abgesperrt werden, so dass keine dauerhafte, pneumatische oder sonstige fluidische Verbindung mit der dritten Kammer 41 bestehen muss. Die Gewichtausgleichseinrichtung 10 kann daher ohne fluidische Zuführleitungen oder Abführleitungen in einer Werkzeugmaschine verwendet werden. Lediglich beim Einbau wird einmal die dritte Kammer 41 mit Gas und beispielsweise mit Luft und der Kopplungsraum 47 mit einem Fluid und beispielsgemäß mit Hydraulikmedium befüllt.
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Zur Abstützung des Gewichts des bewegten Maschinenteils 14 dient die Vorspannkraft F. Diese wird durch die hydraulische Kopplung der beiden Kolben 39, 26 auf die Kolbenstange 28 übertragen und wirkt der Gewichtskraft des zweiten Maschinenteils 14 entgegen. In der bevorzugten Einbaulage erstreckt sich die Kolbenstange 28 und mithin die Längsachse L des Zylinders 23 in Vertikalrichtung V. Wegen der unterschiedlichen Arbeitsflächen A1 und A2 der beiden Kolben 26 bzw. 39 ist der Hub der Kolbenstange 28 und mithin des ersten Kolbens 26 größer als der Hub des zweiten Kolbens 39. Der Hubweg des zweiten Kolbens 39 wird auf diese Weise begrenzt. Mit dem Verschieben des zweiten Kolbens 39 ändert sich die Vorspannkraft F, da der Gasdruck und beispielsgemäß der Luftdruck pL in der dritten Kammer 41 entsprechend der Volumenänderung der dritten Kammer 41 verändert wird. Außerdem ändert sich die Federkraft, die vom Federweg und damit dem Hub des zweiten Kolbens 39 abhängt. Über die Begrenzung des Hubwegs des zweiten Kolbens 39 kann die Veränderung der Vorspannkraft F in einem vorgegebenen Toleranzbereich gehalten werden. Die zur Einstellung und zur Aufrechterhalten einer Relativposition zwischen den Maschinenteilen 13, 14 notwendige Antriebskraft des Achsantriebs 17 wird mithin ebenfalls begrenzt. Vorzugsweise wird die Vorspannkraft F bei der Montage der Gewichtsausgleichseinrichtung 10 so eingestellt, dass die Gewichtskraft G in einer Zwischenstellung der Kolbenstange 28 zwischen der vollständig ausgefahrenen Stellung (3) und der vollständig eingefahrenen Stellung (4) vollständig kompensiert wird. Vorzugsweise befindet sich diese Zwischenstellung, in der die Gewichtskraft G vollständig kompensiert wird, in der Mitte des Weges der Kolbenstange 28 zwischen der vollständig ausgefahrenen Stellung und der vollständig eingefahrenen Stellung. Auf diese Weise lässt sich der Betrag der Kraft oder des Moments, die bzw. das vom Achsantrieb 17 zur Aufrechterhaltung der Position des bewegten Maschinenteils 14 aufzubringen ist, minimieren.
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Ein Verfahren zur Einrichtung der Gewichtausgleichseinrichtung 10 an einer Werkzeugmaschine bzw. einer Achse 12 erfolgt folgendermaßen:
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Zunächst wird der Zylinder 23 an der Werkzeugmaschine befestigt. Die Kolbenstange 28 wird an dem zweiten Maschinenteil 14 und das Zylindergehäuse 24 am ersten Maschinenteil 13 befestigt. Im Anschluss daran wird über den ersten Einfüllstützen 50 der Kopplungsraum 47 mit Hydraulikmedium befüllt. Der hydraulische Druck im Kopplungsraum 47 kann beispielsweise zwischen 20 und 80 bar betragen. Im Anschluss daran wird über den zweiten Einfüllstutzen 57 der Gasdruck und beispielsgemäß der Luftdruck pL in der dritten Kammer 41 abhängig von der abzustützenden Gewichtskraft G eingestellt. Die Einstellung erfolgt derart, dass in der Mittellage des gesamten Hubweges des zweiten Kolbens 39 die Gewichtskraft G vollständig kompensiert wird. Bei vollständig kompensierter Gewichtskraft G gilt für den Luftdruck pL: pL = G / A1 – D·s / A2 mit:
- pL:
- Luftdruck in der driiten Kammer 41
- G:
- Gewichtskraft
- A1:
- Arbeitsfläche des ersten Kolbens 26
- A2:
- Arbeitsfläche des zweiten Kolbens 39
- D:
- Federkonstante der Schraubenfeder 56
- s:
- Federweg der Schraubenfeder
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Nach dem Befüllen werden die Absperrventile 51 am ersten Einfüllstützen 50 bzw. am zweiten Einfüllstützen 57 jeweils geschlossen. Die Gewichtausgleichseinrichtung 10 ist daher während des Betriebs frei von an den Zylinder 23 angeschlossenen Fluidleitungen. Dies vereinfacht den Installationsaufwand erheblich.
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Die Erfindung betrifft eine Gewichtausgleichseinrichtung 10 zur Abstützung einer Gewichtskraft eines in Vertikalrichtung V bewegbaren Maschinenteils 14. Die Gewichtsausgleichseinrichtung 10 weist einen Zylinder 23 mit einem Zylindergehäuse 24 auf. Im Zylindergehäuse 24 ist ein erster Zylinderraum 25 und ein zweiter Zylinderraum 38 vorhanden. Die beiden Zylinderräume sind durch eine Trennwand 27, insbesondere eine rohrförmige Trennwand 27 voneinander getrennt. Im ersten Zylinderraum 25 ist ein erster Kolben 26 angeordnet, der eine aus dem Zylindergehäuse 24 herausragende Kolbenstange 28 aufweist. Im zweiten Zylinderraum 38 ist ein zweiter Kolben 39 verschiebbar gelagert. Die beiden Kolben 26, 39 sind hydraulisch miteinander bewegungsgekoppelt, wozu im Zylindergehäuse 24 ein Verbindungskanal 42 vorhanden ist, der die beiden Zylinderräume 25, 38 fluidisch miteinander verbindet. Der zweite Kolben 39 wird über ein Vorspannmittel 55 mit einer Vorspannkraft F beaufschlagt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gewichtsausgleichseinrichtung
- 11
- Werkzeug
- 12
- Achse
- 13
- erstes Maschinenteil
- 14
- zweites Maschinenteil
- 15
- Säule
- 16
- Schlitten
- 17
- Achsantrieb
- 18
- Elektromotor
- 19
- Antriebsspindel
- 23
- Zylinder
- 24
- Zylindergehäuse
- 25
- erster Zylinderraum
- 26
- erster Kolben
- 27
- Trennwand
- 28
- Kolbenstange
- 29
- freies Ende
- 33
- erste Kammer
- 34
- Rohr
- 35
- Deckel
- 38
- zweiter Zylinderraum
- 39
- zweiter Kolben
- 40
- zweite Kammer
- 41
- dritte Kammer
- 42
- Verbindungskanal
- 43
- Ausnehmung
- 44
- Scheibe
- 45
- zentrale Strömungsöffnung
- 46
- randseitige Strömungsöffnung
- 47
- fluidischer Kopplungsraum
- 50
- erster Einfüllstutzen
- 51
- Absperrventil
- 55
- Vorspannmittel
- 56
- Schraubenfeder
- 57
- zweiter Einfüllstutzen
- A1
- erste Kolbenfläche
- A2
- zweite Kolbenfläche
- F
- Vorspannkraft
- L
- Längsachse
- pL
- Luftdruck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3913655 C2 [0002]
- DE 3422586 A1 [0003]
