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Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Hand geführter, durch Druckmittelmotoren
angetriebener Maschinen zum Schleifen, Bohren etc.
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Priorität der schwedischen Patentanmeldung No. 11 529/68 vom 27.
August 1968 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung von Hand
geführter, durch Druckmittelmotoren angetriebener Maschinen zum Schleifen, Bohren
etc., vorzugsweise zahnärztliche Bohrmaschinen, in denen in der zum Motor führenden
Druckmittelleitung ein Reduktionsventil zum Einstellen eines Druckpegels vor Eintritt
des Druckmittels in den Motor, eines Drehzahlmaximums sowie eines bestimmten Drehmomentes
bei Belastung vorgesehen ist.
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Wenn derartige Maschinen mit Werkzeugen verwendet werden, die aufgrund
des Arbeitsvorganges oder aus Festigkeitsqründen mit einer niedrigen, genau begrenzten
Drehgeschwindigkeit betrieben werden müssen, wie beispielsweise bei speziellen Zahnwerkzeugen
für Wurzelbehandlungen oder Schleifscheiben, wird normalerweise versucht, eine ungefähre
Anpassung der Drehgeschwindigkeit an die Erfordernisse durch Einstellung eines geringeren
Druckstandes im Reduktionsventil zu erreichen. Zwar kann die Freiiaufdrehzahl auf
diese Weise verringert werden, allerdings wird dadurch gleichzeitig die maximale
Drehkraft des Werkzeuges unter Belastung verkleinert, was oft eine Herabminderung
der Betriebsleistung auf einen unzureichenden Wert zur Folge hat.
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Eine andere Anordnung, die speziell in Verbindung mit Schleifmaschinen
Verwendung findet, verwendet einen Fliehkraftregler zur Drucksteuerung des Arbeitsfluides.
Diese Lösung ist allerdings in mit sehr hohen Drehzahlen laufenden Maschinen wegen
des beschränkten Arbeitsbereiches des Reglers unzweckmässig. Darüberhinaus vergrössert
sich durch den Regler in unerwünschter Weise das Gewicht, das insbesondere bei zahnärztlichen
Maschinen möglichst klein zu halten ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur automatischen Drehzahlregelung
für durch Druckmittelmotoren betriebene Maschinen zu schaffen, die eine exakte Regelung
der Drehzahlen im Teillastbetrieb und im Leerlauf gestattet, die das Gewicht der
Maschine nicht wesentlich vergrössert und die mit einem weiten Betriebsbereich auch
in sehr hochtourig laufenden Maschinen eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Druckleitung
zwischen dem Motor und dem Reduktionsventil ein automatisches Druckregelventil mit
einem Regelkreis
angeordnet ist, welches aus einem Meßkreis zum
Messen der-Ist-Drehzahl des Motores, einem Einstellkreis zum Einstellen der Motordrehzahl
auf einen Bezugswert, der unter der durch das Druckreduktionsventil voreingestellten
Freilaufdrehzahl liegt, und einem mit einem Servoelement im Regelventil verbundenen
Servokreis besteht, wobei der Regelkreis den Druckmitteldruck über das Servoelement
vor Eintritt in den Motor auf einen Wert begrenzt, der im Leerlauf der Eingestellten
Bezugsdrehzahl entspricht und bei Belattung den vollen im Reduktionsventil voreingestellten
Betriebsdruck im Motor wirksam werden lässt.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispieles genauer erläutert. Es zeichen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch
den rückwärtigen Teil des von Hand geführten Arbeitsgerätes mit der Vorrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen schematisch dargestellten Längsschnitt durch das
erfindungsgemässe automatische Steuerventil, Fig. 3 das Reduktionsventil des Arbeitsgerätes
nach Fig. 1, Fig. 4 eine Endansicht des Maschinenmotores nach Fig. 1 längs der Linie
V-V, Fig. 5 einen zum Teil als Stirnansicht dargestellten Querschnitt des Motores
nach Fig. 4,
Fig. 6 einen mit dem automatischen Ventil in Fig. 2
zusammenwirkenden elektrischen Steuerkreis, Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine
weitere Ausführungsform des Ventiles nach Fig. 2, Fig. 8 einen Schnitt längs der
Linie Vill-Vill durch das Ventil nach Fig. 7.
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Zur Beschreibung der Erfindung wurde als Ausführungsbeispiel die Drehzahlsteuerung
einer Zahnbohrturbine gewählt. In Fig.1 ist ein zusammengesetztes Gehäuse lo in
Form eines Handstückes dargestellt, in welchem eine Antriebsspindel 11 drehbar gelagert
ist, die über einen hier nicht näher dargestellten Antriebsachsenteil 12 in bekannter
Weise ein in die Maschine lo eingesetztes zahnärztliches Werkzeug, wie beispielsweise
einen Bohrer, eine Schleifscheibe oder ähnliches antreibt. Im Maschinengehäuse ist
weiterhin ein Drosselventil 13 zwischen einem Schlauch 14 und einer Innenkammer
15 angeordnet. Von der Kammer 15 gelangt das Druckmittel über Führungsöffnungen
16 gegen die Flügel eines als Druckmittelturbine 18 ausgeführten Motores. Nach dem
Durchströmen der Turbine 18 gelangt das Druckmittel über Öffnungen 19, 20 in die
umgebende Athmosphäre. Die Turbine 18 ist mit der Spindel 11 antriebsmässig verbunden.
Das Drosselventil 13 wird von Hand mittels eines Stößels 21 betätigt, der von einer
federbelasteten Schieberbuchse 22 nach rückwärts verschiebbar im Maschinengehäuse
lo gelagert ist, wobei die Schieberbuchse 22 an einem nicht im einzelnen dargestellten,
am vorderen Teil des Maschinengehäuses lo greifbaren Federbügel 23 befestigt ist.
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Das Druckmittel zum Antreiben des Motores 18 der Maschine lo gelangt
von einer gebräuchlichen Druckmittelquelle durch
einen Schlauch
24*(Fig. 3) zu einem Reduktionsventil 25. Im letzteren ist eine Ventilkugel 27 angeordnet,
die von einem Stößel 28 gegen den Druck im Schlauch 24 in Öffnungsstellung bewegt
werden kann. Eine Feder 30 wirkt über eine Membran 31 auf den auf der Membran stehenden
Stößel, wobei die Federvorspannung durch einen Knopf 29 einstellbar ist. Die Membran
31 befindet sich in einer Kammer 32, die über eine Leitung 33 mit einer Auslassleitung
34 verbunden ist, die zur Niederdruckseite des Kugelventiles 27 führt. Durch Drehen
des Knopfes 29 kann die Vorspannung der Feder 30 so eingestellt werden, daß die
Auslassleitung 34 einen auf den gewünschten Wert reduzierten Druck erhält.
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Zwischen dem Drosselventil 13 und dem Reduktionsventil 25 befindet
sich ein in Fig. 2 gezeigtes automatisches Druckregelventil 36. Dieses Druckregelventil
36 ist durch einen Schlauch 37 mit der Auslassöffnung 34 des Reduktionsventils 25
verbunden und enthält ein Crosselglied 38, eine Zentralbohrung 39 mit einem Diffusorteil
40 und einem in einem Ventilsitz 41 endenden erweiterten Teil 42. Der Schlauch 14
der Maschine lo ist mit dem Diffusorteil 40 der Zentralbohrung 39 verbunden. Das
Druckregelventil 36 besitzt einen Elektromagneten 43, welcher eS als Anker ausgebildetes,
drehbar im Druckregelventil gelagertes Servolement 44 betätigt.
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Der Drehanker 44 besitzt einen platten Teil 45, welcher mit dem Ventilsitz
41 zusammenwirkt und sich in Abhängigkeit vom Stromfluß in der Magnetspule 43 schnell
selbsttätig in automatisch geregelte Einstellpositionen bewegt. Von der Leitung
37 wird über eine Passage 47 unmittelbar nach der Drossel 38 ein Kolben 46 mit Druckmittel
beaufschlagt. Durch diesen Kolben 46 wird auf den plattenförmigen Teil 45 des Servoelementes
44 eine Belastung aufgebracht, die der Wirkung des Druckmittels im Teil 42 entgegengerichtet
ist. Bei geöffnetem Ventilsitz 41 strömt das Druckmittel von dem
Kammerteil
42 über einen Raum 48 in die Atmosphäre.
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Mit dem Bezugszeichen So ist in Fig. 2 ein elektrischer Schaltkasten
bezeichnet, der zusammen mit dem automatischen Druckregelventil 36 und dem Reduktionsventil
25 von der handgeführten Maschine lo getrennt ist. Der elektrische Schaltkasten
enthält die Grundkomponente eines automatischen Steuerkreises für das Druckregelventil
36.
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Der elektrische Schaltkasten So in Fig. 6 enthält konventionelle transistorisierte
Komponenten, die von einer gebräuchlichen Spannungsquelle gespeist werden. Mit dem
Instrumentenkasten So ist ein Steuerkreis verbunden, dessen einer Leiter 51 zu einer
Induktionsspule 52 in der Maschine lo führt, in welcher Spannungs stöße durch in
den Motor oder die Turbine 18 eingesetzte permanente Magnete 53 induziert werden.
Im Kasten So ist der Leiter 51 mit einem Verstärker 52 verbunden, in dem die von
der Induktionsspule 52 ankommenden Spannungsimpulse verstärkt werden und danach
in einem Integrationsblock 55 gelangen, dessen Ausgangssignal einen Gleichstromwert
darstellt, der proportional zur Rotationsgeschwindigkeit des Motores 18 ist. Dieser
Gleichstromwert stellt die Betätigungsgrösse im Steuerkreis des Drucksteuerventiles
36 dar.
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Im elektrischen Schaltkasten So befindet sich weiterhin ein Einstellkreis
56, in dem ein einstellbarer Potentiometer 57 mit Gleichstrom des Hauptteiles gespeißt
wird. Durch das Potentiometer wird ein Gleichstromwert eingestellt, der im Steuerkreis
den gewünschten Bezugswert für die Drehgeschwindigkeit darstellt.- Der Istwert und
der Bezugswert werden in Form eines Gleichstromwertes in einen als integrierenden
Verstärker arbeitenden Servoverstärker 58 geleitet, in dem der Istwert und der Sollwert
über Widerstände 59 einander
gegenübergestellt werden und ein in
seiner Polarität und Grösse bestimmtes Abgangs signal in einen Kraftverstärker 61
gegeben wird. Von diesem Verstärker gelangt das Abgangssignal in Form eines Gleichstromes
über einen Leiter 62 zum Elektromagneten 43 des Druckregelventiles 36 zur Betätigung
des Servoelementes 44.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 6 ist das Reduktionsventil 25
auf einen Druck stand ausgelegt, der der maximalen Leerlaufdrehzahl und dem gewünschten
Drehmoment unter voller Belastung entspricht. Wenn die automatische Drehzahlsteuerung
nicht gewünscht wird, dann wird der Bezugswert am Potentiometer 57 maximal eingestellt,
so daß das Servoelement 44 den Ventilsitz 41 verschließt und der Druckstand im Schlauch
14 im wesentlichen gleich dem am Druckreduktionsventil 25 eingestellten Stand entspricht.
Falls nun ein Werkzeug mit einer streng begrenzten Leerlaufdrehzahl betrieben werden
soll, bestände die Möglichkeit, die Verringerung der Leerlaufdrehzahl durch wesentliche
Reduktion des Druckpegels im Reduktionsventil 25 zu erreichen. Der verringerte Druck
würde allerdings ein Drehmoment ergeben, das eine wirksame Leistung des Werkzeuges
unter Belastung unmöglich machte. Im Servokreis wird deshalb das Potentiometer 57
eingestellt und im Einstellkreis 56 ein Bezugswert erzeugt, der als abgestimmter
Spannungswert eine obere Begrenzung der Leerlaufdrehzahl festlegt. Das Druckreduktionsventil
25 steht weiterhin unter einem Druckpegel, der für ein ausreichend grosses Drehmoment
bei Belastung notwendig ist. Steigt unter der Wirkung des hohen#Druckstandes die
Drehgeschwindigkeit im Leerlauf über die durch den Bezugswert bestimmte Grenzdrehzahl,
dann vergrössert sich in Übereinstimmung mit dem Istwert der Drehzahl des Motores
18 die-Spannung im Meßkreis 51, 52 und gelangt in den- Servoverstärker 58, welcher
über den Leiter 62 einen Abgangsimpuls zum Verstellen des Servoelementes 44
an
die Magnetspule 43 abgibt. Dies Verstellen des Servoelementes führt zu einer Verringerung
des Druckes in der Zentralbohrung 39 im Druckregelventil 36 und somit im Leerlauf.
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zu einer Regelung des Druckes vor dem Eintritt in die Maschine lo.
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Sobald eine Belastung an das Werkzeug gelegt wird, verringert sich
seine Drehzahl. Dieser Verminderung wirkt das Servoelement 44 entgegen, das den
Ventilsitz 41 dann mehr und mehr bis zum vollen Verschluß abdeckt, woraufhin die
Maschine bei Überlast mit einem Druck arbeitet, der den im Reduktionsventil 25 eingestellten
Wert entspricht.
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In den Fig. 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform eines Druckregelventiles
gezeigt. Das Ventil 36' besitzt eine Spule 65, die an einem Drosselventilkörper
66 befestigt ist. Der Drosselkörper 66 ragt in eine zwischen den Kanälen 14 und
37 angeordnete Kammer 67, in der die Drosselung des Druckmittels erfolgt, wenn aufgrund
der von der Spule 65 aufgenommenen Spannung der Druck im Kanal 14 beeinflußt werden
soll.
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Die Erfindung ist nicht auf die in der Beschreibung dargelegten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Insbesondere kann die erfindungsgemässe Drehzahlsteuerung nicht nur
auf zahnärztliche Bohrer oder Bohrturbinen, sondern auch in anderen Geräten, wie
beispielsweise Schleif-, Bohrmaschinen oder dergleichen verwendet werden, wenn diese
einen Druckmittelmotor als Antriebsaggregat besitzen.
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Ansprüche