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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Proportionalventil
mit einem in einer definierten Richtung bewegbaren Stellglied und
einem Verriegelungselement, das in eine erste Position und in eine
zweite Position bewegbar ist, so dass das Verriegelungselement in
der ersten Position eine Bewegung des Stellglieds entlang der definierten
Richtung zulässt
und in der zweiten Position mit dem Stellglied zu dessen Verriegelung
im Eingriff ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine
elektrohydraulische Steuervorrichtung mit einer Druckregelventileinrichtung
und einer die Druckregelventileinrichtung steuernden Regelfeder,
wobei eine Vorspannung der Regelfeder mittels des hydraulischen
Proportionalventils einstellbar ist.
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Auf
dem Gebiet hydraulischer Steuerungen wird ein häufig hydraulisches Proportionalventil
im Zusammenwirken mit weiteren hydraulischen Elementen eingesetzt,
um eine präzise
Steuerung eines mechanischen Vorgangs zu ermöglichen. Dabei tritt häufig die
Notwendigkeit auf, in gewissen Betriebszuständen, etwa bei elektrischen
Störungen,
Wartezeiten oder auch während
kritischer Fertigungsphasen und dergleichen, die Auslenkung eines
Stellglieds des Proportionalventils stabil zu halten. Eine wichtige
Anwendung in dieser Hinsicht ist die Beaufschlagung einer Regelfeder
in einem Proportional-Druckregelventil,
um durch die vorgespannte Regelfeder somit einen gewünschten
Ausgangsdruck an dem Druckregelventil in präziser Weise zu erreichen .
Derartige Proportional-Druckregelventile werden beispielsweise in
Spannvorrichtungen von Werkzeugmaschinen verwendet, wobei der eingestellte Spanndruck
der Spannvorrichtung grundsätzlich
und auch während
Betriebsphasen aufrechterhalten werden muss, in denen eine präzise elektrische
Steuerung des die Regelfeder beaufschlagenden Proportionalventils
nicht gewährleistet
ist. Beispielsweise kann es während
eines Stromausfalls oder während größerer Stromschwankungen
zu einer Beeinflussung bei der Bestromung des Proportionalmagneten des
Proportionalventils kommen, so dass die Vorspannung der Regelfeder
des Druckregelventils geändert
wird, was zu einer unerwünschten Änderung des
Spanndrucks in der Spannvorrichtung führt. Da also der Spanndruck
einer Spannvorrichtung präzise z.B.
auf das zu bearbeitende Werkstück
abzustimmen ist und grund sätzlich
sowie auch bei Stromausfallzeiten, längeren Standzeiten, Stromschwankungen
und dgl. aufrechterhalten werden muss, werden in der Regel Mittel
eingesetzt, um die Vorspannung der Regelfeder konstant zu halten,
solange nicht eine Änderung
des Spanndrucks gewollt vorgenommen wird. Grundsätzlich fordern heute manche
Werkzeugmaschinen die Sicherheit, dass die Hydrauliksteuerung keine
ungewollte Änderung
des Spanndrucks zulässt,
selbst wenn die Werkzeugmaschine z.B. drei Monate lang gleiche Werkstücke bearbeitet, und
dazwischen ggfs. auch Betriebspausen eintreten.
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Die
DE 442 35 85 zeigt eine
elektrohydraulische Steuervorrichtung, in der die Regelfeder für die Vorspannung
eines Regelkolbens eines Druckregelventils über einen Kolben von einem
elektrohydraulischen Proportionalventil rein hydraulisch beaufschlagt
wird. Obwohl die Steuervorrichtung ein hohes Maß an Zuverlässigkeit gewährleistet,
kann dennoch eine geringfügige
Abnahme des Haltedruckes für
den Kolben nicht ausgeschlossen werden, so dass dann auch eine entsprechende
Abnahme des Ausgangsdrucks des Druckregelventils und damit des Spanndrucks
auftreten kann. Vermutlich entweicht Druckmittel trotz der Sitzventilbauweise,
und über
die Dichtung des Kolbens.
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Die
Druckschrift
EP 537 440 zeigt
ein fluidisches Stetigventil, dessen Ventilkegel zusammenwirkend
mit einem entsprechenden Ventilsitz den Ausgangsdruck des Stetigventil
einstellt, wobei der Ventilkegel von einer Regelfeder beaufschlagt
ist, deren Vorspannung wiederum von einem elektromagnetisch in Längsrichtung
bewegbaren Anker eingestellt wird. Der in Längsrichtung elektromagnetisch
bewegbare Anker kann dabei von einem quer zur Längsrichtung bewegbaren Verriegelungselement
durch linienhaften Kraftschluss mechanisch mittels einer Verriegelungsfeder
oder im Zusammenwirken mit einer hydraulisch hervorgerufenen Andruckkraft
an einer gewünschten
Position verriegelt werden. Zum Entriegeln und während der normalen Betriebsphase wird
die in Querrichtung wirkende Federkraft, die gegebenenfalls hydraulisch
unterstützt
werden kann, durch eine von einem Magneten hervorgerufene Gegenkraft überwunden.
Eine zuverlässige
mechanische Verriegelung erfordert relativ große Kräfte und damit eine entsprechend
hohe Federkraft, die beim Entriegeln überwunden werden müssen. Daher
ist für die
Entriegelung ein entsprechend stark dimensionierter Elektromagnet
erforderlich, der eine entsprechend große Bauform im Hinblick auf
das erforderliche Magnetfeld und die dabei entstehende hohe Verlustleistung
erfordert, und schwer und teuer ist Aufgabe der Erfindung ist es,
ein hydraulisches Proportionalventil bereitzustellen, bei dem die
Stellung eines Stellglieds mechanisch zuverlässig verriegelbar und entriegelbar
ist.
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Die
zuvor genannte Aufgabe wird gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung gelöst
mit einem hydraulischen Proportionalventil, das ein in einer definierten
Richtung bewegbares hydraulisch angetriebenes Stellglied aufweist.
Ferner ist ein Verriegelungselement vorgesehen, das in eine erste
Position und eine zweite Position bewegbar ist, wobei das Verriegelungselement
in der ersten Position eine Bewegung des Stellglieds entlang der
definierten Richtung zulässt
und in der zweiten Position mit dem Stellglied zu dessen Verriegelung
im Eingriff ist. Des Weiteren ist eine Hydraulikeinrichtung vorgesehen, die
ausgebildet ist, das Verriegelungselement rein hydraulisch zu entriegeln,
d.h. in die erste Position zu bringen und in dieser zu halten.
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Das
Vorsehen eines hydraulisch angetriebenen Stellglieds ermöglicht eine
sehr flexible Verwendung des Proportionalventils, das beispielsweise
zusammenwirkend mit einer Regelfeder eines Druckregelventils eingesetzt
werden kann, wobei eben durch die hydraulische Beaufschlagung des
Stellglieds hohe Regelkräfte
zur Beaufschlagung einer Regelfeder bereitgestellt werden können. Ferner
ermöglicht es
die Hydraulikeinrichtung zum Entriegeln und Halten des Verriegelungselements,
dass für
die mechanische Verriegelung sehr hohe Kräfte eingesetzt werden können, und
das verriegelte Stellglied seine Position keinesfalls mehr verändert. Die
Verriegelungskräfte
werden beispielsweise durch Federkraft, hydraulisch oder in Kombination,
mechanisch und hydraulisch, erzeugt. Da die zur Entriegelung erforderliche
Gegenkraft hydraulisch erzeugt wird, wird die Verriegelung bei geringem
Baumaß dennoch
zuverlässig
und rasch gelöst.
Mit hohen Verriegelungskräften
kann ein zuverlässiges
mechanisches Verriegeln mit einer entsprechend kurzen mechanischen
Reaktionszeit verwirklicht werden, so dass das hydraulisch angetriebene
Stellglied bei einer entsprechenden Ansteuerung der Hydraulikeinrichtung
zuverlässig
sofort in der momentanen Position arretiert werden kann. Insbesondere
bleibt damit die Beaufschlagung einer Regelfeder einer entsprechenden
Druckventileinrichtung konstant.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Verriegelungselement
entlang der definierten Richtung des Stellglieds bewegbar, um die
erste und die zweite Position einzunehmen. Auf Grund dieser konstruktiven
Maßnahme
lässt sich
eine sehr kompakte Bauweise erreichen, da Bewegungen des Stellglieds
und des Verriegelungselements in der gleichen Richtung erfolgen,
so dass ein sperriger Aufbau für
eine Ansteuerung in der Querrichtung, wie dies beispielsweise in
dem zitierten Stand der Technik der Fall ist, vermeidbar ist.
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Vorteilhafterweise
ist das Verriegelungselement als eine Spannzange ausgebildet, die
mit mehreren Spannbacken eine relativ große effektive Kontaktfläche über den
Umfang des Stellglieds hinweg bei geringem Bauvolumen ermöglicht.
Somit kann ein zuverlässiger
Kraftschluss zwischen dem Verriegelungselement und dem Stellglied
mit entsprechend hohen Andruckkräften
bei relativ kompakter Bauweise erreicht werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist dabei die Spannzange einstückig
ausgebildet, so dass sich eine einfache aber effiziente Fertigung
des Verriegelungselements erreichen lässt, wobei insbesondere die
mechanische Zuverlässigkeit
erhöht
ist.
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Vorteilhafterweise
besitzt das Stellglied einen Verriegelungsfortsatz, der mit dem
Verriegelungselement in Eingriff gebracht werden kann. Durch das
Vorsehen des Verriegelungsfortsatzes kann somit ein Bereich des
Stellglieds so dimensioniert und aufgebaut sein, um für eine entsprechende Stellfunktion,
beispielsweise die Beaufschlagung einer Regelfeder, in optimaler
Weise ausgebildet zu sein, wohingegen der Verriegelungsfortsatz
eine Beschaffenheit, Abmessung und Formgebung aufweist, die ein
möglichst
optimales Zusammenwirken mit dem Verriegelungselement ermöglicht.
Beispielsweise können
die Oberflächenbeschaffenheit,
die Formgebung der Oberflächen,
die mit dem Verriegelungselement in der zweiten Position im Eingriff
sind, und/oder deren Materialzusammensetzung so gestaltet sein,
dass unabhängig
von der sonstigen Beschaffenheit des Stellglieds ein hohes Maß an Zuverlässigkeit
beim Verriegeln und Entriegeln des Verriegelungsfortsatzes erreicht
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind das Stellglied und der Verriegelungsfortsatz als eine einstückige Komponente
ausgebildet. Durch eine entsprechende Bauweise las sen sich somit
eine hohe mechanische Zuverlässigkeit
und dennoch eine entsprechende Anpassung des Stellglieds an das Verriegelungselement
verwirklichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Proportionalventil
eine Gehäusewand auf,
die konisch ausgebildete Abschnitte umfasst, die teilweise mit einem
Bereich des Verriegelungselements in Kontakt sind, um bei der Bewegung
des Verriegelungselements in die zweite Position eine radiale Kraft
auf das Stellglied auszuüben.
Durch die konisch ausgebildeten Abschnitte der Gehäusewand erfolgt
auf konstruktiv einfache und effiziente Weise eine Kraftumlenkung,
um eine hohe radiale Kraft auf entsprechende Bereiche des Verriegelungselements aufzubringen
und dieses mechanisch zuverlässig
zu verriegeln. Beispielsweise ergibt sich bei der Ausbildung des
Verriegelungselements als Spannzange durch das Abgleiten der Spannbacken
an den konisch ausgebildeten Abschnitten eine sehr hohe radiale
Andruckskraft bei lediglich geringer Auslenkung des Verriegelungselements
entlang der vordefinierten Bewegungsrichtung des Stellglieds.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist eine mit dem Verriegelungselement gekoppelte Federeinrichtung
vorgesehen, um bei hydraulischer Freigabe des Verriegelungselements
aus der ersten Position dieses in der zweiten Position zu halten.
Eine Federeinrichtung ist eine bewährte, mechanisch robuste Konstruktion,
wobei auf Grund der mit beliebiger Größe hydraulisch erzeugten Kraft zur Entriegelung
des Verriegelungselements eine entsprechend groß dimensionierte Federeinrichtung
verwendbar ist, um eine sichere Verriegelung des Stellglieds zu
erreichen.
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In
anderen Ausführungsformen
können
Einrichtungen vorgesehen werden, um die durch Feder erzeugte Kraft
zum mechanischen Arretieren des Stellglieds zu vergrößern, beispielsweise
in Form einer entsprechenden Hydraulikeinrichtung, die das Verriegelungselement
hydraulisch in der zweiten Position hält. Ferner ist es auch möglich, das
Verriegelungselement gänzlich
durch Beaufschlagung einer hydraulisch erzeugten Kraft in der zweiten
Position zu halten, ohne dass eine entsprechende Federeinrichtung
erforderlich ist. Hierbei kann beispielsweise in einem entsprechenden
Druckraum ein Druckmedium mit entsprechendem Arbeitsdruck vorgesehen sein,
der ausreichend ist, um beim Absinken des Druckes, der von der Hydraulikeinrichtung
für die
Entriegelung des Verriege lungselements erzeugt wird, das Verriegelungselement
dann zuverlässig
in die zweite Position zu bewegen und dort zu halten.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Federeinrichtung
ein Tellerfederpaket auf, das zwischen einer an einer starr mit
einem Gehäuse
des Hydraulikventils verbundenen Auflagefläche und einem fest mit dem
Verriegelungselement verbundenen Haltemittel angeordnet ist. Eine
entsprechende Ausbildung ergibt bei einer mechanisch robusten und
zuverlässigen
Konstruktion eine dennoch kompakte Bauweise, wobei gleichzeitig
hohe Kräfte
durch das Tellerfederpaket erreicht werden können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Hydraulikeinrichtung ein magnetisches Ventilelement auf,
das ausgebildet ist, bei Bestromung das Verriegelungselement mit
Hydraulikfluid zu beaufschlagen, um das Verriegelungselement in
der ersten Position zu halten. Mittels dieses Aufbaus lässt sich
ein preiswertes, robustes und bewährtes Ein/Aus-Ventil verwenden,
wobei die für
das Entriegeln erreichte Kraft im Wesentlichen nicht durch die Größe des magnetischen
Ventilelements sondern durch den Druck und die druckwirksame Fläche des
Verriegelungselements gegeben ist. D.h., die Leistung des magnetischen
Ventilelements und damit dessen Baugröße lässt sich im Wesentlichen unabhängig von
der gewünschten
Entriegelungskraft wählen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind eine elektromagnetische
Proportionalhydraulikeinrichtung zur hydraulischen Ansteuerung des Stellglieds
und eine Steuereinrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung
mit der Proportionalhydraulikeinrichtung und der Hydraulikeinrichtung
funktionsmäßig gekoppelt
und so ausgebildet ist, um bei einer Ansteuerung der Proportionalhydraulikeinrichtung
das Verriegelungselement zeitlich korreliert zu der Ansteuerung
in die zweite Position bringen. In dieser Ausführungsform wird das Stellglied
durch eine elektromagnetisch ansteuerbare Hydraulikeinrichtung in
proportionaler Weise verstellt, wobei auf Grund der erfindungsgemäß vorgesehenen
Hydraulikeinrichtung vorteilhafterweise das Stellglied zuverlässig und
unabhängig
von dem speziellen Ansteuerungsstatus des Proportionalventils auf
Grund der beliebig hohen Verriegelungskräfte, die eben durch die hydraulische
Entriegelung wirksam kompensiert werden können, in jeder beliebigen Stellung
arretierbar ist. In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird diese Flexibilität bei der
Verriegelung bzw. Entrie gelung des Stellglieds dahingehend vorteilhaft
erweitert, dass die Steuereinrichtung in zeitlich korrelierter Weise
auf eine Ansteuerung der Proportionalhydraulikeinrichtung so reagiert,
dass das Verriegelungselement in die zweite Position gebracht wird und
damit das Stellglied mechanisch arretiert. Damit kann eine Betriebsweise
eingerichtet werden, in der das Stellglied im Wesentlichen stets
in einer durch die Proportionalhydraulikeinrichtung vorgegebenen mechanischen
Stellung fixiert ist, unabhängig
von den aktuell vorherrschenden elektrischen Bedingungen. Bei einem
Stromausfall, einer Störung
oder einer Stromschwankung, von der beispielsweise die Proportionalhydraulikeinrichtung
sowie ein entsprechendes Magnetventil der Hydraulikeinrichtung gleichermaßen betroffen
sein können,
bleibt die zuverlässige
Fixierung des Stellglieds gewährleistet.
Insbesondere wenn die Hydraulikeinrichtung eine Federeinrichtung
aufweist, kann das entsprechende magnetische Ventil und gegebenenfalls
auch der Proportionalmagnet der Proportionalhydraulikeinrichtung
während
der verriegelten Phase stromlos sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Steuereinrichtung
ferner so ausgebildet, dass das Stellglied nach einer vorgenommenen
Einstellung permanent mechanisch solange verriegelt bleibt, bis
eine andere Einstellung erforderlich wird. D.h. die hydraulische
Beaufschlagung des Verriegelungselements bleibt permanent deaktiviert.
Eine entsprechende Ansteuerung kann einfach realisiert werden, da
in der Regel ohnehin ein Steuerrechner vorhanden ist, der in Reaktion
auf die Betätigung
eines Bedienelements oder Programmablaufs ein entsprechendes Steuersignal
initiiert. Hierbei kann der Steuerrechner dabei erfindungsgemäß in zeitlich
korrelierter Weise entsprechende Steuersignale für die Hydraulikeinrichtung
so erzeugen, dass das gewünschte
Verhalten erreicht wird.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein hydraulisches
Proportionalventil bereitgestellt, das ein in einer definierten Richtung
bewegbares Stellglied und ein in der definierten Richtung mit Kraft
beaufschlagtes Verriegelungselement aufweist. Das Verriegelungselement
ist so ausgebildet, dass es in einer ersten Position eine Bewegung
des Stellglieds entlang der definierten Richtung zulässt und
in einer zweiten Position mit dem Stellglied zu dessen Verriegelung
im Eingriff ist und das Stellglied verriegelt.
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Durch
diesen konstruktiven Aufbau des Verriegelungselements in bezug auf
die Bewegungsrichtung des bewegbaren Stellglieds ergibt sich eine äußerst kompakte
Bauweise bei hoher mechanischer Zuverlässigkeit und Robustheit.
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Vorteilhafterweise
ist das Stellglied hydraulisch angetrieben, so dass ein hohes Maß an Flexibilität bei der
Verwendung des Proportionalventils hinsichtlich der Ansteuerung
weiterer Elemente mittels des Stellglieds gegeben ist, wie dies
auch im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsformen dargelegt ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Hydraulikeinrichtung
vorgesehen, die ausgebildet ist, das Verriegelungselement hydraulisch
in die erste Position zu bringen und in der ersten Position zu halten.
Für diese
Ausführungsform
ergeben sich ferner alle Vorteile, die auch bei den vorhergehenden
Ausführungsformen
erläutert
sind. Ferner können
alle zuvor im Zusammenhang mit dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt
offenbarten Ausführungsformen
bei Bedarf in beliebiger Weise mit dieser Ausführungsform kombiniert werden
und somit auch die damit verbundenen vorteilhaften Auswirkungen
zu erreichen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrohydraulische
Steuervorrichtung mit einer Druckregelventileinrichtung und einer
die Druckregelventileinrichtung steuernden Regelfeder, wobei die
Regelfeder mit dem Stellglied des hydraulischen Proportionalventils,
wie es in einer der zuvor ausgeführten
Ausführungsformen
oder in noch zu beschreibenden Ausführungsformen oder in einer
beliebigen Kombination dieser Ausführungsformen offenbart ist,
gekoppelt ist, um über
die Positionierung eines Kolbens eine Vorspannung der Regelfeder
entsprechend einer Auslenkung des Stellglieds einzustellen. Wie
eingangs bereits dargelegt ist, kann eine entsprechende hydraulische
Steuervorrichtung mit Druckregelventileinrichtung vorteilhafterweise
in Verbindung mit einer Spannvorrichtung einer Werkzeugmaschine
verwendet werden, wobei hier durch die spezielle erfindungsgemäße Bauweise
des Proportionalventils ein hohes Maß an Betriebssicherheit sowie
Flexibilität
der Betriebsweise bei kompakten Abmessungen möglich ist. Insbesondere kann
mit der erfindungsgemäßen hydraulischen
Steuervorrichtung mit Druckregelventileinrichtung der Spanndruck
beliebig lange konstant gehalten werden. Abhängig von der Bauart des Proportionalventils
kann eine äu ßerst kompakte
Bauform der hydraulische Steuervorrichtung mit Druckregelventil
bei hoher mechanischer Robustheit und Zuverlässigkeit erhalten werden, oder
es kann durch die wahlweise hydraulische Entriegelbarkeit der mechanischen
Verriegelung die Vorspannung der Regelfeder über nahezu beliebige Zeiträume hinweg
konstant gehalten werden. Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen,
in denen das Stellglied hydraulisch beaufschlagt wird, da hierbei
auch die Kräfte
auf die Regelfeder selbst bei großer Federkonstante feinfühlig und
zuverlässig mittels
eines relativ kleinen Proportionalmagneten steuerbar sind. Ferner
lässt sich
in Kombination mit der zuvor beschriebenen Steuereinrichtung eine
Betriebsweise erreichen, in der die Regelfeder, abgesehen von gewollten
Einstellvorgängen
stets mechanisch zuverlässig
arretiert ist, ohne dass das hydraulische und/oder mechanisch Verhalten
der entsprechenden Hydraulikeinrichtungen einen Einfluss ausübt.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den angefügten
Patentansprüchen
definiert und gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor.
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In
den begleitenden Zeichnungen zeigen:
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1a+c
jeweils Schnittansichten eines Proportionalventils gemäß beispielhafter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung,
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1b schematisch
einen Hydraulikplan für das
in den 1a und 1c gezeigten
Proportionalventil, wobei ferner gemäß einer Aufführungsform eine
modifizierte Steuereinrichtung für
eine zeitlich korrelierte Ansteuerung des Proportionalventils vorgesehen
ist,
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2a +
c schematische Schnittansichten einer elektrohydraulischen Steuervorrichtung
mit Druckregelventil, die ein Proportionalventil gemäß der vorher
dargestellten Ausführungsformen
aufweist, und
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2b schematisch
einen Hydraulikschaltplan für
die in den 2a und 2c dargestellte elektrohydraulische
Steuervorrichtung mit Druckregelventileinrichtungen, wobei ferner
gemäß einer Aufführungsform
eine modifizierte Steuereinrichtung für eine zeitlich korrelierte
Ansteuerung des Proportionalventils vorgesehen ist.
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1a zeigt
eine Schnittansicht eines hydraulischen Proportionalventils 100 gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Das Proportionalventil 100 weist
in einem Gehäuse 101 ein
entlang einer definierten Richtung 111 bewegbares Stellglied 110 auf.
Das Stellglied 110 wird hydraulisch angetrieben von einer
Proportionalhydraulikeinrichtung 140. Die Proportionalhydraulikeinrichtung 140 kann
eine an sich bekanntes elektromagnetisches Proportionalventil sein,
in der ein Proportionalmagnet durch entsprechende Bestromung auf
ein Ventilelement einwirkt, um einen gewünschten Ausgangsdruck eines
Hydraulikfluids proportional einzustellen. In der gezeigten Darstellung
ist ferner eine Regelfeder 112 vorgesehen, die der durch die
Proportionalhydraulikeinrichtung 140 bewirkten Kraft entgegenwirkt.
Die Regelfeder 112 kann Teil einer weiteren hydraulischen
Steuervorrichtung sein, wie sie detaillierter mit Bezug zu 2a beschrieben ist.
Das Stellglied 110 ist ein Kolben zur Einstellung der Federvorspannung.
Ferner ist ein Verriegelungselement 120 vorgesehen, das
zumindest zwischen einer ersten Position 121a und einer
zweiten Position 121b bewegbar ist, wobei zumindest in
der zweiten Position 121b ein Kraftschluss zwischen einem
Teil des Stellglieds 110 und einem Bereich des Verriegelungselements 120 bewirkt
wird, der zu einer mechanischen Arretierung der Stellung des Stellglieds 120 führt. Anzumerken
ist, dass in der Zeichnung der Stellweg 121a, 121b der
Klarheit wegen vergrößert gezeigt
ist und für
die dargestellte Ausführungsform in
der Größenordnung
eines Millimeters liegt. Das Proportionalventil 100 umfasst
ferner eine Hydraulikeinrichtung 130, die das Verriegelungselement 120 durch
Beaufschlagung mit einem Druckmittel in die erste Position (Entriegeln)
bringt und in der ersten Position 121a hält. Hierbei
ist die Entriegelungskraft, die in der Richtung 111 auf
das Verriegelungselement 120 ausgeübt wird, durch den Arbeitsdruck,
der von der Hydraulikeinrichtung 130 bereit gestellt wird,
und der wirksamen Fläche 126 bei
einer Dichtung 124 des Verriegelungselements 120 bestimmt.
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An
dem Verriegelungselement 120 ist eine Federeinrichtung 122 vorgesehen,
die so ausgebildet ist, dass das Verriegelungselement 120 bei
Unterschreitung des zum Halten in der ersten Position 121a erforderlichen
Drucks in die zweite Position 121b verfahren und dort gehalten
wird (Verriegeln). Hierzu kann die Federeinrichtung 122 ein
Tellerfe derpaket sein, das sich einerseits an einer Schulter 102 des
Gehäuses 101 und
andererseits am Verrieglungselement 120, beispielsweise
an einer Kontermutter 125, abstützt. Durch die Position der
Kontermutter 125 ist die Vorspannung der Federeinrichtung 122 in
gewissem Rahmen einstellbar. In anderen Ausführungsformen kann statt der
Federeinrichtung 122 oder zusätzlich dazu eine entsprechende
Einrichtung vorgesehen werden, um eine hydraulisch erzeugte Kraft
auf das Verriegelungselement 120 auszuüben, um dieses in der zweiten
Position 121b zu halten. Beispielsweise kann der Raum,
in welchem die Federeinrichtung 122 vorgesehen ist, als
Druckraum ausgebildet sein.
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Das
Verriegelungselement 120 ist eine Spannzange mit mehreren
Spannzangenbacken, bei deren Bewegung von der ersten Position 121a in
die zweite Position 121b eine entsprechend ausgebildete
Gleitflächen 123 der
Spannzangenbacken an entsprechend konisch ausgebildeten Flächen 103 des Gehäuses 101 abgleiten,
so dass auf einen Verriegelungsfortsatz 113 des Stellglieds 110 eine
radiale Kraft ausgeübt
wird, um das Stellglied 110 mechanisch zu arretieren. Hierbei
kann aufgrund der relativ hohen Federkraft der Federeinrichtung 122,
eine zuverlässige
mechanische Fixierung des Stellglieds 110 erreicht werden,
da aufgrund des Spannzangenprinzips eine relativ große effektive
Fläche
für den Kraftschluss
zwischen dem Verriegelungselement 120 und dem Verriegelungsfortsatz 113 zur
Verfügung
steht, und das Gehäuse 101 die
Reaktionskräfte
aufnimmt. Vorteilhafterweise kann das Verriegelungselement 120 eine
einstückige
Spannzange sein.
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1c zeigt
das Proportionalventil 100 in einem weiteren seitlichen
Schnitt, der um 90° in
Bezug zu 1a gedreht ist.
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Beim
Betrieb des Proportionalventils 100 wird zur Einstellung
der Position des Stellglieds 110 der Proportionalhydraulikeinrichtung 140,
das ein an sich bekanntes Proportionalventil sein kann, sowie der
Hydraulikeinrichtung 130 ein Arbeitsfluid mit einem entsprechenden
Arbeitsdruck zugeführt.
Hierbei kann die Hydraulikeinrichtung 130 ein elektromagnetisch
angesteuertes Ein-/Aus-Ventil oder auch eine Ventileinrichtung mit
proportionalem Verhalten sein. Bei Bestromung der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 und
der Hydraulikeinrichtung 130 wird zum einen das Stellglied 110 mit
einem der Bestromung der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 entsprechenden Druck
beaufschlagt und zum anderen wird das Verriegelungselement 120 mit
einem durch die Hydraulikeinrichtung 130 bereitgestellten
Druck beaufschlagt und damit in die erste Position 121a gegen
die Kraft der Federeinrichtung 122 geführt. Hierbei ist zu beachten,
dass selbst bei einer sehr hohen Gegenkraft der Federeinrichtung 122 oder
Haltekraft der Spannzange, eine durch den Arbeitsdruck von der Hydraulikeinrichtung 130 und
die effektive Querschnittsfläche
des Verriegelungselements 120 bestimmte hohe Kraft erzeugt
werden kann. Aufgrund der Druckbeaufschlagung durch die Hydraulikeinrichtung 130 befindet
sich das Verriegelungselement 130 in der ersten Position 121a,
d.h. es wirken keine radialen Kräfte
mehr auf den Verriegelungsfortsatz 113, so dass das Stellglied 110 die
vom von der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 eingestellten
Druck abhängige Position
einnehmen kann und dabei die Regelfeder 112 vorspannt.
In anderen Ausführungsformen
kann das Stellglied 110 elektromagnetisch proportional verstellbar
sein, wenn beispielsweise der Verriegelungsfortsatz 113 oder
ein Teil davon als Anker eines Proportionalelektromagneten ausgebildet
ist.
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Sobald
die Einstellung erfolgt ist, baut die Hydraulikeinrichtung 130,
z.B. ein Ein-/Aus-Ventil, den
hydraulischen Druck für
das Verriegelungselement 120 ab, so dass das Verriegelungselement
aufgrund der Wirkung der Federeinrichtung 122 in die zweite
Position 121b übergeht
und damit das Stellglied 110 in der aktuellen Stellung
arretiert. Dann kann auch der Druck von der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 abgebaut
werden. Wenn, ggfs. sehr viel später
eine neue Einstellung erforderlich ist, wird z.B. zunächst wieder
der der vorhergehenden Vorspannung der Regelfeder 112 entsprechende
Druck von der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 aufgebaut,
ehe die Hydraulikeinrichtung 130 das Verriegelungselement 120 entriegelt.
Erst dann erfolgt die neue Einstellung.
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Mit
Bezug zu 1b wird schematisch eine Steuerung
und deren Funktionsweise für
das Proportionalventil 110 detaillierter beschrieben. In 1b ist
das Proportionalventil 100 im Zusammenwirken mit einer
Steuereinrichtung 150 dargestellt. Die Steuereinrichtung 150 ist
mit entsprechenden Leitungen 152 und 153 mit den
Hydraulikeinrichtungen 130 bzw. 140 verbunden,
so dass beispielsweise entsprechende Elektromagneten durch die Steuereinrichtung 150 bestrombar
sind. Ferner ist eine Steuersignalquelle 151 vorgesehen
und mit der Steuereinrichtung 150 verbunden, wobei die
Steuersignalquelle 151 ein manuell bedienbares Element,
etwa ein Lagegeber oder der Ausgang einer übergeord neten Steuereinrichtung
sein kann, und das von der Steuersignalquelle 151 ausgegebene
Signal repräsentativ sein
kann für
eine Position des Stellglieds 110 oder auch repräsentativ
sein kann für
eine andere Ausgangsgröße, etwa
der Ausgangsdruck einer Regelventileinrichtung, wie dies nachfolgend
auch mit Bezug zu 2 beschrieben ist. Ferner sind
die Hydraulikeinrichtungen 130 und 140 mit Leitungen
P und L verbunden, die ein Arbeitsfluid mit vorgegebenen Druck und
einen Ablauf des drucklosen Fluids bereitstellen. Die Druckbeaufschlagung
des Stellglieds 110 ist durch eine Leitung 141 repräsentiert und
die Beaufschlagung mit dem Entriegelungsdruck des Verriegelungselements 120 ist
durch eine Leitung 137 dargestellt. Ggfs. ist zusätzlich zur
Steuereinrichtung 150 oder alternativ ein Signalgeber vorgesehen,
z.B. ein Druckknopf, mit dem sich ein Signal zur Entriegelung übermitteln
lässt,
wenn eine neue Einstellung der Vorspannung der Regelfeder vorzunehmen
ist. Ansonsten bleibt z.B. das Stellglied permanent mechanisch verriegelt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die Steuereinrichtung 150 so ausgebildet, dass die
Ansteuerung der Hydraulikeinrichtungen 130 und 140 in einer
voneinander abhängigen,
zeitlich korrelierten Weise stattfindet. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 150 so
ausgebildet sein, um bei einer Ansteuerung der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 für eine Positionsänderung
des Stellglieds 110 in zeitlich korrelierter Weise auf
diese Ansteuerung die Hydraulikeinrichtung 130 über die
Leitung 152 (z.B. nachleitend) anzusteuern, so dass ein
gewünschtes Betriebsverhalten
erreicht wird. Beispielsweise kann nach erfolgter Positionsänderung
des Stellglieds 110, wie dies durch ein Signal aus der
Steuersignalquelle 151 angewiesen wird, die Steuereinrichtung 150 zeitlich
korreliert dazu, beispielsweise mit einem zeitlichen Abstand, der
eine übliche
bekannte Reaktionszeit der Proportionalhydraulikeinrichtung 140 sowie des
Stellglieds 110 und eine entsprechende Sicherheitszeit
mit einschließt,
eine Ansteuerung der Hydraulikeinrichtung 130 erfolgen,
so dass das Verriegelungselement 120 in die zweite Position 121b überführt wird
und damit das Stellglied 110 in der aktuellen Position
arretiert wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass
sich das Stellglied 110 bis auf Phasen während Einstellvorgängen stets
in einer durch die Steuersignalquelle 151 spezifizierten mechanisch
verriegelten Position befindet.
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Vorteilhafterweise
ist die Steuereinrichtung 150 ferner so ausgebildet, dass
bei einer durch die Steuersignalquelle 151 angewiesenen
Positionsänderung
des Stellglieds 110 in zeitlich korrelierter Weise auch
eine Entriegelung des Stellglieds 110, z.B. nacheilend
stattfindet, so dass beispielsweise vor oder während durch ein Steuersignal
der Quelle 151 angewiesene Ansteuerung über die Leitung 153 ein entsprechender
Entriegelungsbefehl über
die Leitung 152 an die Hydraulikeinrichtung 130 gesendet
wird, so dass der Stellvorgang an dem Stellglied 110 stattfinden
kann. Daraufhin kann dann eine automatische Verriegelung des Stellglieds 110 stattfinden,
wie dies zuvor beschrieben ist. Selbstverständlich sind auch andere Ansteuerungsmöglichkeiten
mittels der Steuereinrichtung 150 verwirklichbar.
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2a zeigt
schematische eine Schnittansicht einer elektrohydraulischen Steuervorrichtung 260 mit
einer Regelventileinrichtung, in der die Vorspannung einer Regelfeder 212 über das
als Kolben ausgebildete Stellglied durch ein Proportionalventil 200 einstellbar
ist. Das Proportionalventil 200 kann die Konfiguration
der zuvor beschriebenen Ausführungsformen
aufweisen, so dass die gleichen oder ähnliche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen belegt sind, mit Ausnahme einer führenden "2" anstelle
einer führenden "1". Für
eine detaillierte Beschreibung dieser Komponenten wird auf die vorhergehenden
Ausführungsformen
verwiesen. Somit kann das Stellglied 210 des Proportionalventils 200 z.B.
als der Stellkolben für
die Regelfeder 212 der Steuervorrichtung 260 betrachtet
werden, der in einer Steuerkammer 213 bewegbar ist. Eine
Federscheibe 214 zentriert die Regelfeder 212.
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2c zeigt
eine weitere Schnittansicht der elektrohydraulischen Steuervorrichtung,
wobei eine an sich bekannte Regelventileinrichtung 261 in
Abhängigkeit
von der Vorspannung der Regelfeder 212 einen bestimmten
konstanten Ausgangsdruck bereitstellt, der dann zur weiteren Nutzung
zur Verfügung steht.
In einer besonderen Ausführungsform
ist die elektrohydraulische Steuervorrichtung 260 mit einer Werkzeugmaschinen-Spannvorrichtung
(nicht gezeigt) verbunden, um für
diese einen spezifizierten Spanndruck zu erzeugen, den das Proportionalventil 200 einstellt.
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2b zeigt
schematisch einen Hydraulikplan der elektrohydraulischen Steuervorrichtung 260. Während des
Betriebs der elektrohydraulischen Steuervorrichtung 260 wird
in Abhängigkeit
von der Position des Stellglieds 210 ein entsprechender Druck
in einer Ausgangsleitung M bereitgestellt. Der Ausgangsdruck in
der Leitung M hängt
hierbei lediglich von der Position des Stellglieds 210 ab,
so dass sich mit der mechanischen Verriegelung des Stellglieds 210 durch
das Verrieglungselement 220 der Ausgangsdruck nicht verändert. Hierbei
sind insbesondere hohe Andruckkräfte
zur mechanischen Verriegelung des Stellglieds 210 vorteilhaft,
die insbesondere durch die hydraulische Entriegelung und/oder durch
die besondere Konstruktionsweise mit in Richtung des Stellglieds
wirkender Entriegelungskraft möglich
sind. Insbesondere kann auch in Verbindung mit der Steuereinrichtung 250 das
Entriegeln und Verriegeln in einer zuvor beschriebenen Weise durchgeführt werden,
so dass der Ausgangsdruck an der Leitung M stets zuverlässig auf
den bestimmten Wert eingestellt bleibt. Insbesondere kann mit dem
zuvor beschriebenen Steuerungsverfahren und dank der mechanischen
Verriegelung des Stellglieds 210 erreicht werden, dass
die Hydraulikeinrichtungen 230 und 240 nur während Betriebsphasen bestromt
werden müssen,
in denen eine Verstellung der Position des Stellglieds 210 erforderlich
ist.
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Kern
der Erfindung ist die Integration einer mechanischen Verriegelung
für das
einstellbare Stellglied, um das Stellglied zunächst unabhängig von elektrischen/hydraulischen
Konditionen zuverlässig
in der Position zu verriegeln, die einer bestimmten Vorspannung
einer Regelfeder entspricht, ehe bewusst eine neue Einstellung vorgenommen wird.
Dieses Konzept verleiht einer Werkzeugmaschinen-Spannvorrichtung
einen zusätzlichen
Sicherheitsaspekt hinsichtlich des Spanndrucks, wie er von Herstellern
solcher Maschinen zunehmend gefordert wird.