DE19530131C1 - Fluidisch betätigbare Spannvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidisch betätigbare Spannvor­ richtung, insbesondere zum Einspannen eines Werkstücks oder Werkzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hierbei wird unter einer fluidisch betätigbaren Spannvor­ richtung eine pneumatisch oder hydraulisch betätigbare Spannvorrichtung verstanden.

Fluidisch betätigbare Spannvorrichtungen werden beispielsweise von der Patentinhaberin herge­ stellt und vertrieben. Aufbau und Funktion dieser Spannvorrichtung sollen im folgenden anhand der Fig. 7 und 8 am Beispiel einer hydraulischen Spannvorrichtung für eine Drehmaschine näher erläutert werden:
Die Drehmaschine 10 umfaßt ein beispielsweise auf einem Ma­ schinengestell 12 befestigtes Spindelgehäuse 14, in welchem eine Drehspindel 16. über Drehlager 18 drehbar gelagert ist. Eine Spannvorrichtung 20 der Drehspindel 16 umfaßt einen Werkzeughalter 22, der drehfest mit der Spindel 16 verbun­ den ist. An dem Werkstückhalter 22 sind bezüglich der Rota­ tionsachse Z in radialer Richtung bewegbare Spannelemente 24 zum Einspannen eines Werkstücks 26 angeordnet. Die Ver­ stellung der Spannelemente 24 in radialer Richtung erfolgt vermittels eines nicht näher dargestellten Mechanismus 30 in Abhängigkeit einer Bewegung einer Kolbenstange 28 in Längsrichtung der Rotationsachse Z. Im folgenden sei ange­ nommen, daß sich die Spannelemente 24 bei Bewegung der Kol­ benstange 28 in Fig. 7 nach links (Richtung des Pfeils I) nach radial außen (Richtung des Pfeils R) verstellen und bei Bewegung der Kolbenstange 28 in Fig. 7 nach rechts (Richtung des Pfeils I′) nach radial innen verstellen (Richtung des Pfeils R′).

An dem in Fig. 7 rechten Ende der Spindel 16 ist ein mit der Spindel 16 mitrotierender Spannzylinder 32 angeordnet, der von der Kolbenstange 28 durchsetzt ist. Zwischen dem Innenumfang des Spannzylinders 32 und dem Außenumfang der Kolbenstange 28 ist ein Arbeitsraum 34 festgelegt, der von einem mit der Kolbenstange 28 verbundenen Kolben 36 in zwei Fluidkammern 38a und 38b unterteilt ist. Eine gestellfeste Fluidenzuführung 40 ist auf einem Axialflansch 32a des Spannzylinders 32 drehbar gelagert.

Die Stellung eines in Fig. 8 dargestellten, elektromagne­ tisch betätigbaren Schaltventils 44, das im vorliegenden Fall als rastendes 4/2-Wegeventil ausgeführt ist, entschei­ det darüber, welcher der beiden Fluidkammern 38a und 38b das von der Pumpe 42 der Fluidversorgung 43 bereitgestellte Druckfluid über einen Anschluß 40a bzw. 40b der Fluidenzu­ führung 40 zugeführt wird, und welche der beiden Fluidkam­ mern 38a, 38b mit der Niederdruckseite 46 der Fluidversor­ gung 43 verbunden wird. Das 4/2-Wegeventil 44 kann hierbei nur in zwei Stellungen eingestellt werden, entweder in die in Fig. 8 dargestellte "parallele" Stellung oder in eine "gekreuzte" Stellung.

In der in Fig. 8 dargestellten "parallelen" Stellung des Schaltventils 44 wird das von der Pumpe 42 bereitgestellte Druckfluid über den Anschluß 40b der Fluidenzuführung 40 und einen im Spannzylinder 32 ausgebildeten Fluidkanal 48b der Fluidkammer 38b zugeführt. Infolge des in der Fluidkam­ mer 38b herrschenden Hochdrucks bewegt sich die Kolben­ stange 28 in Richtung des Pfeils I und bewirkt somit eine Bewegung der Spannelemente 24 nach radial außen (Richtung des Pfeils R) . Ein Rückschlagventil 50a wird durch den über eine Stichleitung 52b anstehenden, in der Fluidkammer 38b herrschenden Rochdruck geöffnet, so daß das aus der Fluid­ kammer 38a verdrängte, sich auf einem niedrigeren Druckwert befindende Fluid über den Fluidkanal 48a zum Anschluß 40a und von dort weiter zur Niederdruckseite 46 entweichen kann.

Befindet sich das Schaltventil 44 hingegen in seiner "ge­ kreuzten" Stellung, so wird das von der Pumpe 42 bereit­ gestellte Druckfluid über den Anschluß 40a zur Fluidkammer 38a geführt, was eine Bewegung der Kolbenstange in Richtung des Pfeils I′ und somit eine Bewegung der Spannelemente 24 nach radial innen (Richtung des Pfeils R′) bewirkt, wobei das Fluid aus der Kammer 38b durch das vermittels der Stichleitung 52a geöffnete Rückschlagventil 50b zum An­ schluß 40b der Fluidenzuführung 40 und von dort weiter zur Niederdruckseite 46 entweicht.

Der Wert des auf der Hochdruckseite 54 der Fluidversorgung 43 anstehenden Drucks wird über einen von Hand einstellba­ ren Druckminderer 56 von einer Bedienungsperson eingestellt und dieser Bedienungsperson über ein Manometer 58 ange­ zeigt. Ferner werden die an den Anschlüssen 40a und 40b an­ stehenden Drücke von Druckschaltern 60a und 60b überwacht. Diese Druckschalter sind üblicherweise von Hand auf einen Druckwert eingestellt, der zwischen den Druckwerten der Hochdruckseite 54 und der Niederdruckseite 46 liegt. Bei normalem störungsfreien Betrieb gibt derjenige der Druck­ schalter, dessen Schaltwert überschritten ist, an eine nicht näher dargestellte Steuereinheit 62 ein "Hoch"-Signal aus (in Fig. 8 ist dies der Druckschalter 60b), während der andere Druckschalter ein "Tief"-Signal an die Steuer­ einheit 62 ausgibt (in Fig. 8 ist dies der Druckschalter 60a).

Die jeweils gewünschte Stellung des Schaltventils 44 wird unter dem Einfluß von entsprechenden Steuersignalen von der Steuereinheit 62 mittels der beiden elektromagnetisch betä­ tigbaren Stellglieder 44a und 44b herbeigeführt.

Gemäß Fig. 7 wirkt ein Radialflansch 28a der Kolbenstange 28 mit zwei von Hand verstellbaren Begrenzungsanschlägen 64a und 64b zusammen, welche den maximal zulässigen Hub der Kolbenstange 28 festlegen. Die Bewegung der Kolbenstange 28 wird für jede Hubrichtung durch jeweils einen Näherungs­ schalter 66a bzw. 66b bestimmt, deren Ausgangssignale der Steuereinheit 62 zugeführt werden.

Soll bei der Spannvorrichtung 20 ein anderer Spannradius der Spannelemente 24 eingestellt werden, bei­ spielsweise um Material mit einem geringeren Durchmesser auf der Drehmaschine 10 bearbeiten zu können, so müssen hierfür zum einen die Begrenzungsanschläge 64a und 64b und zum anderen die Näherungsschalter 66a und 66b von Hand neu eingestellt werden. Soll hingegen ein anderer Spanndruck eingestellt werden, so müssen der Druckminderer 56 und die beiden Druckschalter 60a und 60b neu einjustiert werden. Wie man leicht einsieht, können diese Einstellungen aus Si­ cherheitsgründen nur bei stehender Drehspindel 16 vorgenom­ men werden. Es kann daher im Bearbeitungsprozeß ein und desselben Werkstücks nur mit einem Spanndruck und nur mit einem Spannradius gearbeitet werden. Die fest vorgegebene Druckdifferenz zwischen Hochdruckseite 54 und Niederdruck­ seite 46 legt zusammen mit den Durchlaßquerschnitten des Schaltventils 44 und der verschiedenen Fluidenzuführleitun­ gen zu den Fluidkammern 38a und 38b die Geschwindigkeit fest, mit welcher sich die Spannvorrichtung 20 öffnen bzw. schließen kann.

Im Hinblick auf einen raschen Werkstückwechsel ist eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit der Spannelemente 24 und somit ein hoher Druckwert erwünscht. Eine hohe Bewegungs­ geschwindigkeit der Spannelemente 24 ist jedoch insofern unerwünscht, als der Aufprall der Spannelemente 24 auf das Werkstück 26 und somit die Beschädigungsgefahr für Werk­ stück 26 und Spannelemente 24 umso größer ist, je höher die Bewegungsgeschwindigkeit der Spannelemente 24 ist. Weiter­ hin besteht bei einem für eine hohe Bewegungsgeschwindig­ keit erforderlichen hohen Druck die Gefahr einer Deforma­ tion empfindlicher Werkstücke. Der bei der vorstehend beschriebenen Spann­ vorrichtung 20 verwendete Druckwert muß daher stets ein Kompromiß zwischen den beiden vorstehend genannten, einan­ der widerstrebenden Forderungen nach schneller Bewegung der Spannelemente 24 und sicherem Halt des Werkstücks 26 einer­ seits und der Vermeidung einer Beschädigung des Werkstückes 26 andererseits sein.

Ein bei der Konstruktion einer Spannvorrichtung stets zu beach­ tender Aspekt ist die Betriebssicherheit der Spannvorrich­ tung bei Auftreten von Störungen, insbesondere wenn die Spannvorrichtung bei sich schnell drehenden Maschinen, beispielsweise Drehmaschinen, eingesetzt werden soll. Die gravierendsten Störfälle, die im Betrieb einer derartigen Maschine auftreten können, sind der Bruch einer Fluidenzu- bzw. -abführleitung sowie ein vollständiger Stromausfall. Während Lageregelung der Spannelemente sollen diese sich bei Auftreten eines derartigen Störfall nicht in unkontrol­ lierter Art und Weise weiterbewegen, sondern in der zum Zeitpunkt des Auftretens der Störung eingenommenen Stellung zumindest solange verharren, bis die Werkzeugmaschine zum Stillstand gekommen ist. Im Falle der Druckregelung soll eine gerade auf das Werkstück ausgeübte Spannkraft zumin­ dest solange aufrechterhalten bleibt, bis die Werkzeugma­ schine zum Stillstand gekommen ist. Bei der Druckregelung ist ferner zu beachten, daß es sowohl möglich ist, ein Werkstück durch eine Druckkraft, d. h. durch eine nach ra­ dial innen gerichtete Kraft, einzuspannen, als auch möglich ist, ein Werkstück durch eine Zugkraft, d. h. durch eine nach radial außen gerichtete Kraft, einzuspannen. Auch die­ se Einspannrichtung muß im Störungsfall aufrechterhalten bleiben, bis die Werkzeugmaschine zum Stillstand gekommen ist. Die zum vollständigen Abbremsen der Werkzeugmaschine üblicherweise erforderliche Zeit liegt in der Größenordnung von einigen Sekunden.

Aus der gattungsbildenden Druckschrift DE 37 19 102 A1 ist ein umlaufender Spannzylinder für ein Kraftspannfutter be­ kannt, bei welchem die Druckmittelzufuhr zu Fluidkammern des Spannzylinders mittels eines nicht näher beschriebenen Steuergeräts beeinflußt wird. Die Problematik der Betriebs­ sicherheit ist in der DE 37 19 102 A1 nicht angesprochen.

Die aus der DE 22 45 796 A1 bekannte Spannvorrichtung mit einem doppeltwirkenden Druckmittelzylinder umfaßt einen Fluidraum, der durch den Zylinder in eine Hochdruck-Fluid­ kammer und eine Niederdruck-Fluidkammer unterteilt ist und eine Steuerventilanordnung mit zwei in den Druckmittel­ zufuhrleitungen zu den beiden Fluidkammern des Zylinders angeordneten Rückschlagventilen. Die Steuerventilanordnung ist derart ausgebildet, daß im Falle eines Druckabfalls in den Druckmittelzufuhrleitungen, bspw. infolge Leitungs­ bruchs, der Druck in der Hochdruck-Zufuhrleitung und somit auch in der Hochdruck-Fluidkammer sofort auf einen durch die Feder-Schließkraft des jeweiligen Rückschlagventils vorbestimmten Wert abnimmt. Entsprechend nimmt auch die Spannkraft der Spannvorrichtung ab, bevor die Drehspindel der Spannvorrichtung vollständig zum Stillstand gekommen ist.

Aus der DE 38 36 453 A1 ist eine fluidisch betätigbare Spannvorrichtung bekannt, bei welcher das Steuerventil mit­ tels eines elektrischen Schrittmotors und eines Gewinde­ triebs verstellt wird. Bei einem Ausfall der Versorgungs­ spannung hält diese selbstsperrende Ausbildung des Antriebs das Steuerventil in der aktuellen Stellung, so daß sich sein Öffnungsquerschnitt nicht ändert Ferner ist ein Fluidspeicher vorgesehen, der die aktuelle Spannkraft der Spannvorrichtung zumindest vorübergehend aufrechterhält. Einem von einem Leitungsbruch der Fluidzufuhrleitungen herrührenden Druckabfall in der Spannvorrichtung kann mit der bekannten Vorrichtung nicht begegnet werden.

Die aus der DE 24 58 958 A1 und der US 4,513,979 bekannten Spannvorrichtungen können mittels einer Steuerventilanord­ nung mit unterschiedlicher Spannkraft betrieben werden. Ge­ mäß der DE 24 58 958 A1 wird beim Übergang von einem Wert der Spannkraft auf einen anderen zur Überwindung reibungs­ bedingter Störeinflüsse kurzzeitig ein externer Fluidspei­ cher zugeschaltet. Gemäß der US 4,513,979 werden beim Über­ gang von einem Wert der Spannkraft auf einen anderen die Drücke in den Hochdruck- und Niederdruck-Fluidkammern der Spannvorrichtung gemäß einer vorbestimmten Strategie ver­ ändert. Mit dem Problem der Ausfallsicherheit der Spann­ vorrichtung befaßt sich keine der beiden Druckschriften.

Das Lehr- und Informationsbuch über die Hydraulik "Der Hydraulik-Trainer" (G. L. Rexroth GmbH Lohr am Main, 2. Auflage 11.80) offenbart auf den Seiten 91 bis 108 eine Vielzahl von in unterschiedlichster Art und Weise betä­ tigter Wege-Ventile.

Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spannvorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Spannelemente und der von den Spannelementen auf das Werkstück ausgeübte Haltedruck unabhängig voneinander beliebig einstellbar sind, und dies unter Berücksichtigung der Sicherheitsvorschriften.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der veränderbare Durchlaßquerschnitt des Steuerelements wirkt als Drossel, welche die der Hochdruck-Fluid­ kammer zugeführte Fluidmenge und somit die Bewegungsge­ schwindigkeit der Spannelemente beeinflußt. Durch Erhöhen des Durchlaßquerschnitts des Steuerelements ist es daher möglich, die Spannelemente in großer Entfernung vom Außen­ durchmesser des einzuspannenden Werkstücks mit großer Ge­ schwindigkeit zu bewegen. Nähern sich die Spannelemente dann dem Außendurchmesser des Werkstücks an, was durch den Positionssensor erfaßt wird, so kann der Durchlaßquer­ schnitt des Steuerelements erniedrigt werden, so daß die Geschwindigkeit der Spannelemente abnimmt und sie sanft auf den Außenumfang des Werkstücks aufsetzen.

Haben die Spannelemente einmal auf dem Werkstück aufgesetzt und kann sich somit das Volumen der Hochdruck-Fluidkammer nicht mehr erhöhen, so geht die vorstehend beschriebene lageabhängige Geschwindigkeitsregelung der Spannelemente (im folgenden kurz als "Lageregelung" bezeichnet) selbsttä­ tig in eine Druckregelung über, bei welcher das Werkstück unabhängig vom Durchlaßquerschnitt des Steuerelements - solange nur ein gewisser Durchlaßquerschnitt vorhanden ist - vermittels der zwischen Hochdruckteil und Nieder­ druckteil herrschenden Druckdifferenz gehalten wird.

Insbesondere im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen zur Betriebs­ sicherheit weist das Steuerelement neben einer die stufenlose Ver­ stellung seines Durchlaßquerschnitts ermöglichenden ersten Stellvorrichtung, welche von einer ersten Energiequelle ge­ speist ist, eine zusätzliche zweite Stellvorrichtung auf, die von einer von der ersten Energiequelle unabhän­ gigen zweiten Energiequelle gespeist ist.

In Weiterbildung der Erfindung kann die zusätzliche Stellvorrichtung wenigstens ein elektromagnetisch betätigbares Stellglied umfassen, wobei das elektromagnetisch betätigbare Stellglied vorzugs­ weise von einer unabhängigen Stromquelle, vorzugsweise ei­ ner Batterie, gespeist ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch besonders einfachen Aufbau des Sicherheits­ steuerelements aus. Ein Vorteil des Einsatzes elektromagne­ tisch betätigbarer Stellglieder ist darin zu sehen, daß die Haltekraft dann, wenn bei Druckregelung eine Störung auf­ tritt, in einfacher Weise auf einen gewünschten Wert ge­ steuert werden kann, vorzugsweise den Wert, der im Augen­ blick des Auftretens der Störung am Werkstück vorgelegen hat. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß die in der Realität stets vorhandenen Leckagen der Fluidzuführung für die Funktion der Drucksteuerung im Störungsfall von hoher Bedeutung sind. Hierauf wird weiter unten noch ausführlich eingegangen werden.

Es ist jedoch auch möglich, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung wenigstens ein fluidisch betätigbares Stellglied umfaßt, wobei das wenigstens eine fluidisch betätigbare Stellglied bevorzugt von einem Fluidspeicher gespeist ist, der von dem Hochdruckteil der Fluidversorgung mit Fluid ge­ füllt wird. Der Fluidspeicher ist hierbei so zu bemessen, daß er bei einem Leitungsbruch oder einem Ausfall der Pumpe der Fluidversorgung den Druck im Hochdruckteil solange auf­ rechterhalten kann, bis die Werkzeugmaschine, an der die Spannvorrichtung eingesetzt ist, vollständig zum Stillstand gekommen ist. Hohe Sicherheit kann dabei dadurch gewährlei­ stet werden, daß der Druckfluidspeicher im normalen, stö­ rungsfreien Betrieb von der Versorgungseinrichtung stets auf maximalem Betriebsdruck gehalten wird. Ein weiterer Vorteil des Druckspeichers liegt darin, daß mit seiner Hilfe Druckschwankungen, die im normalen Betrieb der Fluid­ versorgung auftreten können, in einfacher Weise effektiv ausgeglichen werden können.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die zusätzliche Stellvorrichtung zwei, gegebenenfalls baulich zusammengefaßte, Stellglieder umfaßt, von denen eines das Steuerelement im Sinne der Verbindung der einen Fluidkammer mit dem Hochdruckteil und der Verbindung der anderen Fluid­ kammer mit dem Niederdruckteil beaufschlagt und von denen das jeweils andere das Steuerelement im Sinne einer Verbin­ dung der anderen Fluidkammer mit dem Hochdruckteil und der Verbindung der einen Fluidkammer mit dem Niederdruckteil beaufschlagt. Diese Weiterbildung zeichnet sich durch ein­ fache Ansteuerbarkeit der zusätzlichen Stellvorrichtung aus, da jedem der beiden Stellglieder eine von dem jeweils anderen Stellglied klar zu trennende Funktion zugeschrieben ist.

Bei Ausführung der zusätzlichen Stellvorrichtung mit flui­ disch betätigbaren Stellgliedern können hierbei von dem Hochdruckteil der Fluidversorgung zwei Teilstrecken abge­ zweigt sein, wobei in einer dieser Teilstrecken ein höherer Druck herrscht als in der jeweils anderen Teilstrecke. Zur Gewährleistung der gewünschten Betriebssicherheit kann je­ des der Stellglieder mit Hilfe von Schaltelementen wahl­ weise mit der Teilstrecke höheren Drucks oder der Teil­ strecke niedrigeren Drucks verbunden werden. Insbesondere ist es auch möglich, beide Stellglieder mit ein und dersel­ ben Teilstrecke zu verbinden.

Der Druck in der Teilstrecke höheren Drucks weist bevorzugt einen Wert auf, der kleiner ist als der Wert des in dem Hochdruckteil der Fluidversorgung herrschenden Drucks. Durch diese Maßnahme kann die von der zusätzlichen Stell­ vorrichtung auf das Steuerelement ausgeübte Kraft unabhän­ gig von dem Druck der Fluidversorgung eingestellt werden.

Die beiden Schaltelemente können bei Druckregelung des wenigstens einen Spannelements derart eingestellt sein, daß eines der Stellglieder mit der Teilstrecke höheren Drucks und das jeweils andere Stellglied mit der Teilstrecke nied­ rigeren Drucks verbunden ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, daß das Steuerelement im Falle einer während Druck­ regelung auftretenden Störung derart ausgelenkt bleibt, daß das Werkstück bis zum vollständigen Stillstand der Werk­ zeugmaschine mittels der gerade vorliegenden Druck- bzw. Zugkraft gehalten bleibt.

Bei Lageregelung des wenigstens einen Spannelements können die beiden Schaltelemente hingegen derart eingestellt sein, daß eine der beiden Teilstrecken, vorzugsweise die Teil­ strecke höheren Drucks, mit beiden Stellgliedern der zwei­ ten Stellvorrichtung des Steuerelements verbunden ist. Wie vorstehend erläutert wurde, ist es dann, wenn während Lage­ regelung der Spannelemente eine Störung auftritt, er­ wünscht, daß die Spannelemente in der Stellung verharren, die sie zum Zeitpunkt des Auftretens der Störung eingenom­ men haben. Werden nun erfindungsgemäß beide Stellglieder der zusätzlichen Stellvorrichtung mit dem gleichen Druck­ wert beaufschlagt, so heben sich die von ihnen erzeugten Druckkräfte gegenseitig auf, so daß das Steuerelement von der zusätzlichen Stellvorrichtung nicht im Sinne einer Überführung in eine Stellung beaufschlagt wird, in welcher eine der Fluidkammern mit dem Hochdruckteil der Fluidver­ sorgung verbunden ist.

Ist das Steuerelement in eine Sperrstellung federvorge­ spannt, in welcher die Verbindung zwischen den Fluidkammern und der Fluidversorgung unterbrochen ist, so kann es unter dem Einfluß dieser Federkraft insbesondere auch in dem vor­ stehend beschriebenen Fall des Auftretens einer Störung bei Lageregelung des Spannelements in diese Sperrstellung übergeführt werden.

Zur Überwachung der für den vorstehend geschilderten Si­ cherheitsbetrieb erforderlichen Drücke können wenigstens ein Drucksensor zur Erfassung des Drucks in dem Hochdruck­ teil der Fluidversorgung oder/und wenigstens ein Drucksen­ sor zur Erfassung des Drucks in der Teilstrecke höheren Drucks oder/und wenigstens ein Drucksensor zur Erfassung des Drucks in der Teilstrecke niedrigeren Drucks oder/und wenigstens ein Drucksensor zur Erfassung des Drucks in we­ nigstens einer der zwischen dem Steuerelement und den Fluidkammern vorgesehenen Fluidverbindungen vorgesehen sein.

Zur Automatisierung der Spannvorrichtung kann eine Steuer­ einrichtung vorgesehen sein, welche die Ausgangssignale des Positionssensors oder/und wenigstens eines Teils der vor­ stehend genannten Drucksensoren empfängt und unter Verwen­ dung wenigstens eines Teils dieser Signale bestimmte Steu­ ersignale an die erste Stelleinrichtung des Steuerelements oder/und die Stelleinrichtung der Schaltventile ausgibt.

Bei einem Spannvorgang kann die Steuereinrichtung zunächst einerseits der ersten Stelleinrichtung des Steuerelements ein Steuersignal zur Auslenkung dieses Steuerelements in eine die gewünschte Bewegung der Spannelemente hervorrufen­ den Richtung übermitteln und andererseits den Stelleinrich­ tungen der beiden Schaltelemente den Befehl erteilen, bei­ den zusätzlichen Stellgliedern den gleichen Druckwert zuzu­ führen (Lageregelung). Wird dann aus dem Ausgangssignal des Positionssensors erfaßt, daß sich die Spannelemente nicht mehr weiterbewegen, da sie an dem Außenumfang des Werk­ stücks anliegen, so erteilt die Steuervorrichtung einem der beiden Schaltelemente den Befehl, dem ihm zugeordneten zu­ sätzlichen Stellglied den jeweils anderen Druckwert zuzu­ führen (Druckregelung) . Welchem der beiden Schaltelemente dieser Befehl erteilt wird, bestimmt sich danach, ob das Werkstück mittels einer Druckkraft oder mittels einer Zug­ kraft eingespannt ist und ob den beiden zusätzlichen Stell­ gliedern bislang der in der Teilstrecke höheren Drucks herrschende Druck oder der in der Teilstrecke niedrigeren Drucks herrschende Druck zugeführt worden ist.

Die Schaltventile können bevorzugt Wegeventile, insbeson­ dere rastende 4/2-Wegeventile sein. Die Ausführung dieser Ventile als rastende Ventile hat den Vorteil, daß sie auch bei Stromausfall in der einmal eingenommenen Stellung ver­ harren und so die Sicherheitsfunktion zuverlässig erfüllen können, bis die Werkzeugmaschine vollständig zum Stillstand gekommen ist.

Das Steuerelement kann bevorzugt ein Wegeventil sein, ins­ besondere ein 4/3-Proportional-Wegeventil.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Sicherheits-Steuerelement, insbesondere zum Einspannen eines Werkstücks oder Werkzeugs gemäß den Ansprüchen 19 bis 26. Hinsichtlich der Vorteile der verschie­ denen Ausführungsvarianten dieses Sicherheits-Steuerele­ ments sei auf die vorstehende Beschreibung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung verwie­ sen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert wer­ den. Es stellt dar:

Fig. 1 eine Werkzeugmaschine, bei der die erfindungsgemäße Spannvorrichtung zum Spannen eines Werkstücks zum Einsatz kommt, sowie das Steuerventil und die zuge­ hörige Steuereinrichtung;

Fig. 2 die Fluidversorgung für die Spannvorrichtung der in Fig. 1 dargestellten Werkzeugmaschine, sowie die Fluidversorgung für die zusätzliche Stelleinrich­ tung des in Fig. 1 dargestellten Steuerventils, wobei Schaltventile für diese zusätzliche Stellein­ richtung in einer der Lageregelung der Spannvor­ richtung entsprechenden Stellung angeordnet sind;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, wobei die Schaltven­ tile jedoch in einer Stellung angeordnet sind, in­ folge derer auf das Werkstück eine Druckkraft aus­ geübt wird;

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, wobei die Schaltven­ tile jedoch in einer Stellung angeordnet sind, in­ folge derer auf das Werkstück eine Zugkraft aus­ geübt wird;

Fig. 5 eine erste Ausführungsform des Steuerventils;

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform des Steuerventils;

Fig. 7 eine Werkzeugmaschine mit fluidisch betätigbarer Spanneinrichtung gemäß dem Stand der Technik; und

Fig. 8 einen Hydraulikkreis zum Betreiben der fluidisch betätigbaren Spannvorrichtung der Werkzeugmaschine gemäß Fig. 7.

Die in Fig. 1 bis 4 dargestellte Werkzeugmaschine mit der erfindungsgemäßen fluidisch betätigbaren Spannvorrich­ tung entspricht in ihrem Aufbau im wesentlichen der mit Bezug auf die Fig. 7 und 8 vorstehend geschilderten Werk­ zeugmaschine 10. Daher sind analoge Teile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen wie in Fig. 7 und 8, jedoch vermehrt um die Zahl 100. Die Werkzeugmaschine 110 und ihre Spann­ einrichtung 120 werden im folgenden daher nur insoweit be­ schrieben werden, als sie sich von der mit der bekannten Spanneinrichtung 20 ausgestatteten Werkzeugmaschine 10 un­ terscheiden, auf deren Beschreibung ansonsten hiermit aus­ drücklich verwiesen sei.

Der Arbeitsraum 134 des mit der Spindel 116 drehfest ver­ bundenen Spannzylinders 132 ist von einem mit der Kolben­ stange 128 einstückigen Kolben 136 in zwei Fluidkammern 138a und 138b unterteilt. Diesen Fluidkammern 138a und 138b wird über Fluidleitungen 152a bzw. 152b von Anschlüssen 140a bzw. 140b einer mit dem Maschinengehäuse 114 fest ver­ bundenen Fluidzuführung 140 unter Druck stehendes Arbeits­ fluid, beispielsweise Hydrauliköl, zugeführt. Je nachdem, welche der Fluidkammern 138a, 138b über die Anschlüsse 140a, 140b mit dem Hochdruckteil 154 (siehe Fig. 2) der Fluidversorgung 143 verbunden ist und welche mit dem Nie­ derdruckteil 146, bewegt sich der Kolben 136 und mit ihm die Kolbenstange 128 in Fig. 1 nach links (Richtung des Pfeils I) bzw. in Fig. 1 nach rechts (Richtung des Pfeils I′).

Wie bei der in Fig. 7 dargestellten bekannten Werkzeugma­ schine 10 weist der mit der Spindel 116 verbundene Werk­ stückhalter 122 einen Übertragungsmechanismus 130 auf, der derart ausgebildet ist, daß sich die Spannelemente 124 bei einer Bewegung der Kolbenstange in Richtung des Pfeils I nach radial außen (Richtung des Pfeils R) und bei einer Bewegung der Kolbenstange in Richtung des Pfeils I′ nach radial innen (Richtung des Pfeils R′) bewegen.

Die jeweilige Stellung der Kolbenstange 128 bzw. des Kol­ bens 136 längs des Verstellwegs des Kolbens 136 wird von einem Positionssensor 166 erfaßt. Der Positionssensor 166 umfaßt ein auf der Kolbenstange drehbar, jedoch in Richtung der Rotationsachse Z nicht verschiebbar gelagertes Entkopp­ lungselement 166c, das mit einem bewegbaren Stift 166d des Positionssensors 166 zusammenwirkt. Der Positionssensor 166 ist derart ausgelegt, daß er die Stellung des Kolbens 136 im wesentlichen längs dessen gesamten Verstellwegs in dem Arbeitsraum 134 im wesentlichen stufenlos erfassen kann. Somit kann der Positionssensor 166 der Steuereinheit 162 stets ein der jeweiligen Stellung des Kolbens 136 und somit dem von den Spannelementen 124 eingenommenen Spannradius entsprechendes Lagesignal L zuführen.

Nachzutragen ist noch, daß die Fluidzuführung 140 mittels eines Kühlkreislaufs 168 gekühlt werden kann.

Welcher der Fluidkammern 138a und 138b Druckfluid vom Hoch­ druckteil 154 der Fluidversorgung 143 zugeführt wird, und welche dieser Fluidkammern 138a, 138b mit dem Niederdruck­ teil 146 verbunden ist, wird von der Steuereinheit 162 über ein einem Steuerventil 144 zugeführtes Stellsignal S vorge­ geben. Das Steuerelement 144 ist in der Ausführungsform ge­ mäß Fig. 1 von einem 4/3-Proportional-Wegeventil gebildet, welches unter dem Einfluß von Federn, insbesondere Schrau­ bendruckfedern 144c, in eine gesperrte Mittelstellung vor­ gespannt ist, in welcher keiner der Fluidkammern 138a und 138b Druckfluid zugeführt werden kann und aus keiner dieser Kammern Fluid entweichen kann. Bei dieser Betrachtung sind selbstverständlich, wie im übrigen im nachfolgenden auch, stets Leckagen vernachlässigt. Dort, wo das Auftreten von Leckagen für die Funktion der erfindungsgemäßen Spannvor­ richtung von Bedeutung ist, wird diese Leckagen ausdrück­ lich angesprochen werden.

Der Durchflußquerschnitt des Steuerelements 144 kann durch mehr oder weniger starke Auslenkung eines Ventilkörpers 144g des Steuerelements 144 (siehe beispielsweise Fig. 5) aus der gesperrten Mittelstellung verändert werden. Auf­ grund dieser Tatsache kann auf einen dem Druckminderer 56 der Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 entsprechenden Druckminderer verzichtet werden.

Aus Sicherheitsgründen ist der Hochdruckteil der Fluidver­ sorgung 143 mit zwei redundanten Fluidleitungen 172a und 172b und diese mit Rückschlagventilen 174a1, 174a2 und 174b1, 174b2 versehen. Hierdurch kann in dem Fall, daß ein die Anschlußstellen N2 bzw. N3 aufseiten der Werkzeugma­ schine 110 und die Anschlußstellen M2 bzw. M3 aufseiten der Fluidversorgung 143 verbindender (nicht dargestellter) Schlauch platzt, sichergestellt werden, daß die Werkzeug­ maschine 110 und insbesondere deren Spannvorrichtung 120 weiterhin unbeeinträchtigt weiterarbeiten kann. In Fig. 1 und 2 sind ferner Anschlußstellen N4 und M4 für einen (nicht dargestellten) Schlauch gezeigt, der Teil des Nie­ derdruckteils der Fluidversorgung ist. Ferner sind An­ schlußstellen N1 und N5 bzw. M1 und M5 für (ebenfalls nicht dargestellte) Schläuche in Leitungen dargestellt, auf deren Funktion nachstehend noch eingegangen werden wird.

Vom Hochdruckteil 154 zweigen Zweigleitungen 176a und 176b ab. Der in diesen Zweigleitungen 176a und 176b herrschende Druck p₁ bzw. p₂ kann über manuell verstellbare Druckminde­ rer 178a bzw. 178b von einer Bedienungsperson vorbestimmt werden. Mittels von Hand verstellbarer Druckschalter 180a und 180b kann überprüft werden, ob an den Druckminderern 178a und 178b eingangsseitig der im Hochdruckteil 154 herr­ schende Druck p₀ anliegt. Aufbau und Funktion der Druck­ schalter 180a und 180b entsprechen jenen der mit Bezug auf Fig. 8 erläuterten Druckschalter 60a und 60b. Der in der Leitung 176a herrschende Druck p₁ weist einen höheren Wert auf als der in der Leitung 176b herrschende Druck p₂ (p₁< p₂). Die Leitungen 176a und 176b führen jeweils beide zur Eingangsseite zweier Schaltventile 182a und 182b. Ein Aus­ gang 182a1 bzw. 182b1 der Schaltventile 182a bzw. 182b führt über die Anschlußstellen M1, N1 bzw. M5, N5 zum Schaltelement 144 und dort zu fluidisch betätigbaren Stell­ gliedern 144d bzw. 144e (siehe Fig. 5). Der jeweils andere Ausgang 182a2 bzw. 182b2 der Schaltventile 182a bzw. 182b sind gesperrt.

Die Schaltventile 182a und 182b sind in der in Fig. 2 dar­ gestellten Ausführungsform rastende 4/2-Wegeventile, deren Aufbau und Funktion jenen des Schaltventils 44 gemäß Fig. 8 entspricht, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen sei.

Druckschalter 184a bzw. 184b überwachen, ob an der Aus­ gangsseite der Schaltventile 182a bzw. 182b der in der Lei­ tung 176a herrschende Druck p₁ oder der in der Leitung 176b herrschende Druck p₂ anliegt. In der in Fig. 2 dargestell­ ten Stellung erfassen beide Druckschalter 184a und 184b den Druckwert p₁. Aufbau und Funktion der Schaltventile 184a und 184b entsprechen jenen der mit Bezug auf Fig. 8 be­ schriebenen Druckschalter 60a und 60b, auf deren Beschrei­ bung hiermit verwiesen sei.

Die Steuereinrichtung 162 empfängt von den Druckschaltern 184a, 184b, 180a und 180b die von diesen ausgegebenen Drucksignale A, B, C und D. Die Steuereinheit 162 empfängt darüberhinaus von Drucksensoren 186a, 186b ausgegebene Drucksignale P und Q. Diese Drucksignale P und Q geben die Drücke an, welche in zu den Anschlußstellen 140a und 140b führenden Leitungen 170a und 170b herrschen.

Auf Grundlage der ihr zugeführten Drucksignale A, B, C, D, P und Q sowie des Lagesignals L bestimmt die Steuereinheit 162 Ausgangssignale E, F, G und H für die - üblicherweise elektromagnetischen - Stellglieder 182a3, 182a4 des Schalt­ ventils 182a und 182b3, 182b4 des Schaltventils 182b, sowie das Steuersignal S für das Steuerventil 144.

Gemäß Fig. 5 wird dieses Steuersignal S von einem Regel­ verstärker 144f des Steuerventils 144 empfangen. Das Vor­ zeichen des Steuersignals S gibt diesem Regler 144f an, ob der Ventilkörper 144g des Steuerelements 144 in die linke "gekreuzte" Stellung oder die rechte "parallele" Stellung übergeführt werden soll. Der Betrag des Signals S gibt an, auf welchen Durchlaßquerschnitt das Steuerelement in der jeweiligen Auslenkungsrichtung eingestellt werden soll. Entsprechend diesen Angaben erregt der Regelverstärker 144f die elektromagnetischen Stellglieder 144h und 144i für den Ventilkörper 144g. Die sich ergebende Stellung des Ventil­ körpers 144g wird von einem Stellungssensor 144k erfaßt und an den Regler 144f zurückgemeldet. Somit kann der Regler 144f gegebenenfalls seine Ausgangssignale für die Stell­ glieder 144h und 144i korrigieren, bis die dem Steuersignal S entsprechende Stellung erreicht ist. Entregt der Regler 144f die Stellglieder 144h und 144i, so wird der Ventilkör­ per 144g durch die Federkraft der beiden Schraubendruckfe­ dern 144c in die gesperrte Mittelstellung übergeführt.

Die Stellglieder 144h und 144i bilden zusammen eine im nor­ malen, störungsfreien Betrieb des Steuerelements 144 wirk­ same erste Stelleinrichtung des Steuerelements 144. Auf den Ventilkörper 144g wirkt jedoch noch eine zweite, zusätzli­ che Stelleinrichtung, deren Energieversorgung jedoch von der Energieversorgung der ersten Stelleinrichtung unabhän­ gig ist. Diese zusätzliche Stelleinrichtung wird in dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel von den fluidisch betätigbaren Stellgliedern 144d und 144e gebildet, welche bevorzugt vermittels der Schraubendruckfedern 144c auf den Ventilkörper 144g einwirken.

Die von der Energieversorgung für die erste Stelleinrich­ tung des Stellelements 144 unabhängige Energieversorgung für die Stellglieder 144d und 144e der zusätzlichen Stell­ einrichtung des Steuerelements 144 ist gemäß Fig. 2 von zwei Druckspeichern 188a und 188b gebildet. Die Druckspei­ cher 188a und 188b werden im normalen störungsfreien Be­ trieb von der zentralen Fluidversorgung 143 mit Druckfluid gefüllt, so daß sie stets auf dem im Hochdruckteil 154 herrschenden Druck p₀ gehalten sind.

Befindet sich das Steuerelement 144 im normalen störungs­ freien Betrieb der Spannvorrichtung 120 infolge der Steue­ rung durch die Steuereinheit 162 in der "parallelen" Stel­ lung, so wird das von der Pumpe 142 bereitgestellte Druck­ fluid der Fluidkammer 138b zugeführt. Während Lageregelung bewegt sich somit die Kolbenstange 128 in Richtung des Pfeils 1 und bewirkt eine Bewegung der Spannelemente 124 nach radial außen (Richtung des Pfeils R). Das aus der Fluidkammer 138a verdrängte Fluid entweicht zur Nieder­ druckseite 146. Während Druckregelung üben die Spannele­ mente 124 eine Zugkraft auf das Werkstück 126 aus.

Befindet sich das Steuerventil 144 hingegen in der "ge­ kreuzten" Stellung, so wird das von der Pumpe 142 bereit­ gestellte Druckfluid der Fluidkammer 138a geführt, was wäh­ rend Lageregelung eine Bewegung der Kolbenstange 128 in Richtung des Pfeils I′ und somit eine Bewegung der Spann­ elemente 124 nach radial innen (Richtung des Pfeils R′) bewirkt. Während Druckregelung üben die Spannelemente 124 eine Druckkraft auf das Werkstück 126 aus.

Im folgenden wird erläutert werden, wie die erfindungs­ gemäße fluidisch betätigbare Spannvorrichtung 120 in ver­ schiedenen Störungssituationen auf die jeweils auftretende Störung reagiert. Die gravierendsten Störungen, die auftre­ ten können, sind ein Bruch einer der Zuführungsleitungen 172a und 172b sowie ein allgemeiner Energieausfall, der insbesondere zum Ausfall der Pumpe 142 der Fluidversorgung 143 und zum Ausfall der Steuereinrichtung 162 führt.

Im Betrieb der Spannvorrichtung 120 sind zwei Betriebszu­ stände grundlegend voneinander zu unterscheiden, nämlich zum einen die Lageregelung, bei welcher sich die Spann­ elemente positions- und geschwindigkeitsgeregelt auf ein Werkstück 126 zu oder von diesem weg bewegen, und zum ande­ ren die Druckregelung, bei welcher das Werkstück 126 von den Spannelementen 124 entweder mittels einer radial aus­ wärts gerichteten Zugkraft oder mittels einer radial ein­ wärts gerichteten Druckkraft gehalten ist. Im Betriebszu­ stand "Lageregelung" darf eine Störung nicht zu einer un­ kontrollierten Änderung der Stellung der Spannelemente 124 und somit nicht zu einer unkontrollierten Bewegung des Kol­ bens 136 im Arbeitsraum 134 führen. Vielmehr sollen die Spannelemente 124 bzw. der Kolben 136 in der zum Zeitpunkt des Eintritts der Störung vorliegenden Stellung verharren. Im Betriebszustand "Druckregelung" darf die auf das Werk­ stück ausgeübte Haltekraft nicht von einer Druckkraft in eine Zugkraft übergehen und umgekehrt bzw. darf die Halte­ kraft nicht unter einen für die Gewährleistung des sicheren Halts des Werkstücks 126 in der Spannvorrichtung 120 erfor­ derlichen Mindestwert absinken.

Befindet sich die Spannvorrichtung 120 im Betriebszustand "Lageregelung", so werden die Schaltventile 182a und 182b von der Steuereinrichtung 162 beide in die in Fig. 2 dar­ gestellte "parallele" Stellung gebracht. In dieser Stellung wird beiden zusätzlichen Stellelementen 144d und 144e (sie­ he Fig. 5) der zusätzlichen Stelleinrichtung des Steuer­ elements 144 der gleiche Druckwert zugeführt, nämlich der in der Leitung 176a herrschende Druck p₁. Die zusätzliche Stelleinrichtung 144d/144e übt somit aufgrund der identi­ schen Ausbildung der Stellelemente 144d und 144e auf den Ventilkörper 144g keine Kraft aus.

Wird in diesem Betriebszustand "Lageregelung" von der Steuereinheit 162 anhand der Drucksignale C bzw. D der Druckschalter 180a bzw. 180b ein Bruch in einer der Leitun­ gen 172a bzw. 172b erfaßt, so schaltet die Steuereinrich­ tung 162 die Stellelemente 144h und 144i des Steuerventils 144 stromlos, so daß der Ventilkörper 144g unter dem Ein­ fluß der Schraubendruckfedern 144c in die gesperrte Mittel­ stellung übergeführt wird. Zumindest solange, bis das Steu­ erventil 144 in die gesperrte Mittelstellung übergeführt worden ist, wird der Druck p₀ im Hochdruckteil 154 durch den Druckspeicher 188b bzw. 188a der jeweils anderen, d. h. nicht gebrochenen Leitung 172b bzw. 172a aufrechterhalten. Die Pumpe 142 kann aufgrund des Leitungsbruchs den Druck in der nicht gebrochenen Leitung 172b bzw. 172a nicht auf­ rechterhalten. Es kann sogar vorgesehen sein, daß die Pumpe 142 bei Leitungsbruch von der Steuereinheit 162 abgeschal­ tet wird.

Infolge der gesperrten Mittelstellung des Steuerventils 144 wird weder der Fluidkammer 138a noch der Fluidkammer 138b Druckfluid zugeführt. Es kann auch kein Druckfluid aus ei­ ner dieser Kammern entweichen. Somit verharrt der Kolben 136 im Arbeitsraum 134 in seiner jeweiligen Stellung, und auch die Spannelemente 124 verharren in ihrer bei Eintritt des Leitungsbruchs vorliegenden Stellung. Es kommt zu kei­ ner die Sicherheit des Bedienungspersonals gefährdenden un­ kontrollierten Bewegung der Spannelemente 124.

Fällt im Betriebszustand "Lageregelung" der Strom aus, so ist auch das Steuerelement 144 sofort stromlos, wodurch der Ventilkörper 144 vermittels der Federn 144c in die gesperr­ te Mittelstellung übergeführt wird. Es sei in diesem Zusam­ menhang daran erinnert, daß bei Lageregelung die zusätzli­ chen Stellelemente 144d und 144e beide mit dem gleichen Druckwert beaufschlagt sind, so daß sie netto keine Kraft auf den Ventilkörper 144g ausüben. Die Druckspeicher 188a und 188b sorgen gemeinsam dafür, daß der Systemdruck p₀ solange aufrechterhalten bleibt, bis die Werkzeugmaschine 110 vollständig zum Stillstand gekommen ist bzw. bis der Ventilkörper 144g die gesperrte Mittelstellung eingenommen hat. Auch bei dieser Störung ist somit eine unkontrollierte Bewegung der Spannelemente 124 zuverlässig verhindert.

Im folgenden wird der Fall betrachtet, daß eine Störung auftritt, während sich die Spanneinrichtung 120 im Be­ triebszustand "Druckregelung" befindet, und zwar in einer Druckregelung, während der der Kolben 136 in Richtung des Pfeils I′, d. h. in Fig. 1 nach rechts, beaufschlagt wird, so daß die Spannelemente 124 das Werkstück 126 durch eine radial einwärts gerichtete Druckkraft (Richtung des Pfeils R′) halten. Die Schaltventile 182a und 182b nehmen in die­ sem Fall unter der Steuerung der Steuereinheit 162 die in Fig. 3 dargestellte Stellung ein, d. h. das Schaltventil 182b wird in die "gekreuzte" Stellung übergeführt, während das Schaltventil 182a in der "parallelen" Stellung ver­ bleibt.

Infolge dieser Einstellung der Schaltventile 182a und 182b wird nunmehr der in der Leitung 176a herrschende Druck p₁ über das Schaltventil 182a dem zusätzlichen Stellglied 144d (siehe Fig. 5) zugeführt, während der niedrigere Druck p₂ in der Leitung 176b über das Schaltventil 182b dem zusätz­ lichen Stellelement 144e zugeführt wird. Die zusätzlichen Stellelemente 144d und 144e üben zusammen somit auf den Ventilkörper 144g netto eine Kraft aus, die diesen in Richtung seiner "gekreuzten" Stellung zu verschieben sucht. Diese Kraft unterstützt die von den elektromagnetischen Stellgliedern 144h und 144i auf den Ventilkörper 144g im gleichen Sinne ausgeübte Kraft im normalen störungsfreien Betrieb.

Kommt es nun in diesem zustand zu einem Leitungsbruch einer der Versorgungsleitungen 172a bzw. 172b, so werden die elektromagnetischen Stellglieder 144h und 144i des Steuer­ elements 144 von der Steuereinrichtung 162 stromlos ge­ schaltet. Der Ventilkörper 144g kann jedoch nicht infolge der Federkraft der Federn 144c in seine gesperrte Mittel­ stellung übergeführt werden, da die zusätzlichen Stellele­ mente 144d und 144e ihn in der "gekreuzten" Stellung hal­ ten. Der hierfür erforderliche Hydraulikdruck wird durch einen der Druckspeicher 188b bzw. 188a bereitgestellt. Die Druckspeicher sind hierzu so bemessen, daß der für die Sicherheitsfunktion erforderliche Druck zumindest solange aufrechterhalten bleibt, bis die Werkzeugmaschine 110 voll­ ständig zum Stillstand gekommen ist. Da das Steuerelement 144 somit auch bei Leitungsbruch unter dem Einfluß der Stellelemente 144d und 144e in seiner "gekreuzten" Stellung verharrt, wird der Kolben 136 weiterhin in Richtung des Pfeils I′ mit Hydraulikdruck beaufschlagt, so daß die Spannelemente 124 weiterhin auf das Werkstück 126 eine radial einwärts gerichtete Druckkraft ausüben. Es kommt somit nicht zu einer unkontrollierten Freigabe des Werk­ stücks 126, die zu einer Gefährdung des Bedienungspersonals führen könnte.

Auch bei einem totalen Stromausfall, der unter anderem dazu führt, daß die elektromagnetischen Stellelemente 144h und 144i den Ventilkörper 144g nicht in der gewünschten "ge­ kreuzten" Stellung halten können, wird diese "gekreuzte" Stellung des Steuerelements 144 von den zusätzlichen Stell­ elementen 144d und 144e mittels des von den Druckspeichern 188a und 188b bereitgestellten Drucks aufrechterhalten. Auch bei einem Stromausfall ist somit die Sicherheit des Bedienungspersonals gewährleistet, da zumindest bis zum vollständigen Stillstand der Werkzeugmaschine 110 das Werk­ stück 126 von den Spannelementen 124 mittels einer radial einwärts gerichteten (Richtung des Pfeils R′) Druckkraft gehalten wird.

Befindet sich die Spannvorrichtung 120 hingegen in einem Betriebszustand "Druckregelung", in dem das Werkstück 126 von den Spannelementen 124 mittels einer radial auswärts gerichteten (Richtung des Pfeils R) Zugkraft gehalten wird, so werden die Schaltventile 182a und 182b von der Steuer­ einheit 162 in die in Fig. 4 dargestellte Stellung über­ geführt. In dieser Stellung befindet sich das Schaltventil 182b in der "parallelen" Stellung, wohingegen sich das Schaltventil 182a in der "gekreuzten" Stellung befindet. Somit wird dem zusätzlichen Stellglied 144e über das Schaltventil 182b der in der Leitung 176a herrschende hö­ here Druck p₁ zugeführt, während dem zusätzlichen Stellele­ ment 144d über das Schaltventil 182a der in der Leitung 176b herrschende niedrigere Druck p₂ zugeführt wird. In­ folge dieser Einstellung üben die zusätzlichen Stellele­ mente 144d und 144e auf den Ventilkörper 144g netto eine Kraft aus, die den Ventilkörper 144g in seine "parallele" Stellung überzuführen sucht. In dieser "parallelen" Stel­ lung des Ventilkörpers 144g wird der Hochdruckteil 154 mit der Fluidkammer 138b in Verbindung gesetzt, so daß auf den Kolben 136 und die Kolbenstange 128 eine in Richtung des Pfeils I gerichtete Kraft ausgeübt wird und somit die Spannelemente 124 eine nach radial außen (Richtung des Pfeils R) gerichtete Zugkraft ausüben. Diese Zugkraft bleibt bei der in Fig. 4 dargestellten Stellung der Schaltventile 182a und 182b unter dem Einfluß des in den Druckspeichern 188a oder/und 188b gespeicherten Drucks auch im Falle eines Leitungsbruchs einer der beiden Leitungen 172a und 172b bzw. im Falle eines totalen Stromausfalls zu­ mindest solange aufrechterhalten, bis die Werkzeugmaschine 110 vollständig zum Stillstand gekommen ist. Auch in diesem Betriebszustand ist somit stets die Sicherheit des Bedie­ nungspersonals gewährleistet.

Mit Bezug auf Fig. 6 soll im folgenden eine Ausführungs­ variante des Steuerelements erläutert werden. Diese Ausfüh­ rungsvariante entspricht im wesentlichen der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform des Steuerelements. Daher werden analoge Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 5, wobei jedoch an der ersten Stelle die Zif­ fer 2 steht. Das Steuerelement 244 wird im folgenden nur insoweit beschrieben werden, als es sich von dem Steuerele­ ment 144 gemäß Fig. 5 unterscheidet, auf dessen Beschrei­ bung ansonsten hiermit ausdrücklich verwiesen sei.

Das Steuerelement 244 unterscheidet sich von dem Steuerele­ ment 144 gemäß Fig. 5 lediglich dadurch, daß anstatt der fluidisch, insbesondere hydraulisch, betätigbaren Stell­ glieder 144d und 144e gemäß Fig. 5 elektromagnetisch betä­ tigbare Stellglieder 244l und 244m vorgesehen sind. Diese Stellelemente 244l und 244m werden von einer (nicht darge­ stellten) Batterie mit Leistung versorgt, so daß sie unab­ hängig von der zur Versorgung der im Normalbetrieb aktiven elektromagnetischen Stellelemente 244h und 244i durch das Stromleitungsnetz arbeiten können. Die Stellelemente 244l und 244m werden im normalen störungsfreien Betrieb der Werkzeugmaschine von der Steuereinrichtung in eine dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende Stellung gebracht und verharren in dieser Stellung, beispielsweise aufgrund Verrastung, auch dann, wenn ein totaler Ausfall des norma­ len Stromnetzes auftritt. Die zur Versorgung der Stellele­ mente 244l und 244m vorgesehene Batterie kann bei normaler Funktion des Leitungsnetzes von diesem stets auf maximalem Ladungszustand gehalten werden, so daß bei Ausfall des Stromnetzes sichergestellt ist, daß die Stellelemente 244l und 244m die gewünschte Kraft auf den Ventilkörper 244g so­ lange ausüben können, bis die Werkzeugmaschine vollständig zum Stillstand gekommen ist. Somit ist auch bei dieser Aus­ führungsvariante die Sicherheit des Bedienungspersonals auch im Falle eines Leitungsbruchs bzw. Stromausfalls zu­ verlässig gewährleistet.

Ein wesentlicher Vorteil des Einsatzes der elektromagne­ tisch betätigbaren Stellglieder 244l und 244m ist darin zu sehen, daß die Haltekraft dann, wenn bei Druckregelung eine Störung auftritt, in einfacher Weise auf einen gewünschten Wert gesteuert werden kann, vorzugsweise den Wert, der im Augenblick des Auftretens der Störung am Werkstück vorgele­ gen hat. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß die in der Realität stets vorhandenen Leckagen der Fluidzufüh­ rung für die Funktion der Drucksteuerung im Störungsfall von entscheidender Bedeutung sind, da ohne diese Leckagen bereits eine geringe Auslenkung des Ventilkörpers 244g dazu führen würde, daß sich in der Hochdruck-Fluidkammer ein dem Druck der Druckfluidspeicher entsprechender Druck aufbauen würde.

Claims (27)

1. Fluidisch betätigbare Spannvorrichtung (120), insbeson­ dere zum Einspannen eines Werkstücks (126) oder Werk­ zeugs, umfassend:

• - ein Gehäuse (114),
• - wenigstens ein relativ zu dem Gehäuse (114) beweg­ bares Spannelement (124),
• - eine in dem Gehäuse (114) verschiebbar gelagerte und mit dem wenigstens einen Spannelement (124) betriebs­ mäßig verbundene Kolbenstange (128), wobei die Kolbenstange (128) innerhalb und außerhalb eines Arbeitsraums (134) verläuft, der zumindest teilweise mit Fluid gefüllt ist,
• - einen mit der Kolbenstange (128) verbundenen Kolben (136), der den Arbeitsraum (134) in zwei Fluidkammern (138a, 138b) unterteilt,
• - eine Fluidversorgung (143),
• - ein Steuerelement (144) zur wahlweisen Verbindung einer (138a bzw. 138b) der Fluidkammern mit einem Hochdruckteil (154) der Fluidversorgung (143) und der jeweils anderen (138b bzw. 138a) der Fluidkammern mit einem Niederdruckteil (146) der Fluidversorgung (143) zur Verlagerung des Kolbens (136) relativ zu dem Ge­ häuse (114) im Sinne einer Vergrößerung der mit dem Hochdruckteil (154) verbundenen einen Fluidkammer (138a bzw. 138b)
• - einen Positions-Sensor (166) zur Erfassung der Stel­ lung des Kolbens (136) relativ zu dem Gehäuse (114), wobei dieser Positions-Sensor (166) zur Erfassung der Relativstellung von Kolben (136) und Gehäuse (114) im wesentlichen längs des gesamten Verstellwegs des Kolbens (136) ausgelegt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquerschnitt des Steuerelements (144) im wesentlichen stufenlos verstellbar ist und daß das Steuerelement (144) neben einer die stufenlose Verstellung seines Durchlaßquer­ schnitts ermöglichenden ersten Stellvorrichtung (144h/144i), welche von einer ersten Energiequelle gespeist ist, eine zusätzliche zweite Stellvorrichtung (144d/144e) aufweist, die von einer von der ersten Energiequelle unabhängigen zweiten Energiequelle (188a, 188b) gespeist ist.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung (244d/244e) wenigstens ein elektromagnetisch betätigbares Stellglied (244d, 244e) umfaßt.

3. Spannvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetisch betä­ tigbare Stellglied (244d, 244e) von einer unabhängigen Stromquelle, vorzugsweise einer Batterie, gespeist ist.

4. Spannvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung (144d/144e) wenigstens ein fluidisch betätig­ bares Stellglied (144d, 144e) umfaßt.

5. Spannvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine flui­ disch betätigbare Stellglied (144d, 144e) von einem Fluidspeicher (188a, 188b) gespeist ist, der von dem Hochdruckteil (154) der Fluidversorgung (143) mit Fluid gefüllt wird.

6. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung zwei, gegebenenfalls baulich zusammengefaßte, Stellglieder (144d, 144e) umfaßt, von denen eines das Steuerelement (144) im Sinne der Verbindung der einen Fluidkammer (138a bzw. 138b) mit dem Hochdruckteil (154) und der Verbindung der anderen Fluidkammer (138b bzw. 138a) mit dem Niederdruckteil (146) beaufschlagt und von denen das jeweils andere das Steuerelement (144) im Sinne einer Verbindung der anderen Fluidkammer (138b bzw. 138a) mit dem Hochdruckteil (154) und der Verbindung der einen Fluidkammer (138a bzw. 138b) mit dem Niederdruckteil (146) beaufschlagt.

7. Spannvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Hochdruckteil (154) der Fluidversorgung (143) zwei Teilstrecken (176a, 176b) abgezweigt sind, wobei in einer (176a) der Teil­ strecken ein höherer Druck (p₁) herrscht als in der jeweils anderen Teilstrecke (176b), und daß Schaltele­ mente (182a, 182b) vorgesehen sind, um wahlweise eines der Stellglieder (144d bzw. 144e) mit der Teilstrecke (176a) höheren Drucks (p₁) und das jeweils andere Stellglied (144e bzw. 144d) mit der Teilstrecke (176b) niedrigeren Drucks (p₂) zu verbinden oder beide Stell­ glieder (144d und 144e) mit ein und derselben Teil­ strecke (176a oder 176b) zu verbinden.

8. Spannvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Teil­ strecke (176a) höheren Drucks einen Wert (p₁) aufweist, der kleiner ist als der Wert (p₀) des im Hochdruckteil (154) der Fluidversorgung (143) herrschenden Drucks.

9. Spannvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltelemente (182a, 182b) bei Druckregelung des wenigstens einen Spannelements (124) derart eingestellt sind, daß eines der Stellglieder (182a oder 182b) mit der Teilstrecke (176a) höheren Drucks und das jeweils andere Stellglied (182b oder 182a) mit der Teilstrecke (176b) niedrigeren Drucks verbunden ist.

10. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schaltelemente (182a, 182b) bei positionsgeregelter Bewegung des we­ nigstens einen Spannelements (124) derart eingestellt sind, daß eine der beiden Teilstrecken (176a oder 176b), vorzugsweise die Teilstrecke (176a) höheren Drucks (p₁), mit beiden Stellgliedern (144d und 144e) der zusätzlichen Stellvorrichtung (144d/144e) des Steuerelements (144) verbunden ist.

11. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (144) in eine Sperrstellung federvorgespannt (durch 144c) ist, in welcher die Verbindung zwischen den Fluidkammern (138a, 138b) und der Fluidversorgung (143) unterbrochen ist.

12. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Drucksensor (180a, 180b) vorgesehen ist zur Erfassung des Drucks in dem Hochdruckteil (154) der Fluidversorgung (143).

13. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Drucksensor (184a bzw. 184b) vorgesehen ist zur Erfassung des Drucks in der Teilstrecke (176a) höheren Drucks.

14. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Drucksensor (184a bzw. 184b) vorgesehen ist zur Erfassung des Drucks in der Teilstrecke (176b) niedrigeren Drucks.

15. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Drucksensor (186a, 186b) vorgesehen ist zur Erfassung des Drucks in wenigstens einer zwischen dem Steuerelement (144) und den Fluidkammern (138a, 138b) vorgesehenen Fluidverbin­ dung (170a, 170b).

16. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (162) vorgesehen ist, welche die Ausgangssignale (L, A, B, C, D, P, Q) des Positionssensors (166) oder/und des wenigstens einen Drucksensors (180a, 180b) zur Erfas­ sung des Drucks in dem Hochdruckteil (154) oder/und des wenigstens einen der Teilstrecke (176a) höheren Drucks zugeordneten Drucksensors (184a bzw. 184b) oder/und des wenigstens einen der Teilstrecke (176b) niedrigeren Drucks zugeordneten Drucksensors (184a bzw. 184b) oder/und des wenigstens einen der Fluidverbindung (170a, 170b) zwischen Steuerelement (144) und den Fluidkammern (138a, 138b) zugeordneten Drucksensors (186a, 186b) empfängt und unter Verwendung wenigstens eines Teils dieser Ausgangssignale bestimmte Steuer­ signale (E, F, G, H, S) an die erste Stelleinrichtung (144h/144i) des Steuerelements (144) oder/und die Stelleinrichtungen (182a3/182a4, 182b3/182b4) der Schaltventile (182a, 182b) ausgibt.

17. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltventile (182a, 182b) Wegeventile sind, insbesondere rastende 4/2 -Wege­ ventile.

18. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (144) ein Wegeventil ist, insbesondere ein 4/3-Proportional-Wege­ ventil.

19. Sicherheits-Steuerelement (144), insbesondere für eine fluidisch betätigbare Spanneinrichtung (120) zum Ein­ spannen eines Werkstücks (126) oder Werkzeugs, zur wahlweisen Verbindung einer (170a bzw. 170b) von zwei Fluidleitungen (170a, 170b) mit einem Hochdruckteil (154) einer Fluidversorgung (143) und einer anderen (170b bzw. 170a) der beiden Fluidleitungen (170a, 170b) mit einem Niederdruckteil (146) der Fluidversorgung (143), dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßquer­ schnitt des Steuerelements (144) im wesentlichen stufenlos verstellbar ist und daß das Steuerelement (144) neben einer die stufenlose Verstellung seines Durchlaßquerschnitts ermöglichenden ersten Stellvor­ richtung (144h/144i), welche von einer ersten Energie­ quelle speisbar ist, eine zusätzliche zweite Stellvor­ richtung (144d/144e) aufweist, die von einer von der ersten Energiequelle unabhängigen zweiten Energiequelle (188a, 188b) speisbar ist.

20. Steuerelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung (244d/244e) wenigstens ein elektromagnetisch betätigbares Stellglied (244d, 244e) umfaßt.

21. Steuerelement nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetisch betä­ tigbare Stellglied (244d, 244e) von einer unabhängigen Stromquelle, vorzugsweise einer Batterie, speisbar ist.

22. Steuerelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung (144d/144e) wenigstens ein fluidisch betätig­ bares Stellglied (144d, 144e) umfaßt.

23. Steuerelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine flui­ disch betätigbare Stellglied (144d, 144e) von einem Fluidspeicher (188a, 188b) speisbar ist, der von dem Hochdruckteil (154) der Fluidversorgung (143) mit Fluid füllbar ist.

24. Steuerelement nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stellvor­ richtung zwei, gegebenenfalls baulich zusammengefaßte, Stellglieder (144d, 144e) umfaßt, von denen eines das Steuerelement (144) im Sinne der Verbindung einer er­ sten (170a bzw. 170b) der beiden Fluidleitungen (170a, 170b) mit dem Hochdruckteil (154) und der Verbindung einer zweiten (170b bzw. 170a) der beiden Fluidleitun­ gen (170a, 170b) mit dem Niederdruckteil (146) beauf­ schlagt und von denen das jeweils andere das Steuer­ element (144) im Sinne einer Verbindung der zweiten Fluidleitung (170b bzw. 170a) mit dem Hochdruckteil (154) und der Verbindung der ersten Fluidleitung (170a bzw. 170b) mit dem Niederdruckteil (146) beaufschlagt.

25. Steuerelement nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (144) in eine Sperrstellung federvorgespannt (durch 144c) ist, in welcher die Verbindung zwischen den Fluidleitungen (170a, 170b) und der Fluidversorgung (143) unterbrochen ist.

26. Steuerelement nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (144) ein Wegeventil ist, insbesondere ein 4/3-Proportional-Wege­ ventil.