DE202011052170U1

DE202011052170U1 - Kühlmittelsystem für Werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE202011052170U1
Application number: DE202011052170U
Authority: DE
Original assignee: Brinkmann Pumpen KH Brinkmann GmbH and Co KG
Current assignee: Brinkmann Pumpen KH Brinkmann GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-03-04
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: TW201323141A; US20140262197A1; CN103946759B; EP2786217A1; CN103946759A; WO2013079229A1; EP2786217B1; US9488421B2; TWI477345B; JP2015501733A

Abstract

Kühlmittelsystem für Werkzeugmaschinen, mit einer Pumpe (12) für das Kühlmittel, mindestens einem Verbraucher (10), einem Drucksensor (24) zur Erfassung eines Ist-Druckes (Pi) im Kühlmittelsystem, einer auf die Pumpe (12) einwirkenden Steuer- und Regeleinrichtung (22) zur Regelung des Druckes im Kühlmittelsystem auf einen Soll-Druck (Ps), und einem Druckbegrenzungsventil (26) zur Begrenzung des Druckes des dem Verbraucher zugeführten Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet dass der Öffnungsdruck (Plim) des Druckbegrenzungsventils (26) variabel ist und die Steuer- und Regeleinrichtung (22) dazu ausgebildet ist, den Öffnungsdruck in Abhängigkeit vom Soll-Druck (Ps) so einzustellen, dass er stets um ein bestimmtes Maß über dem Soll-Druck liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlmittelsystem für Werkzeugmaschinen, mit einer Pumpe für das Kühlmittel, mindestens einem Verbraucher, einem Drucksensor zur Erfassung eines Ist-Druckes im Kühlmittelsystem, einer auf die Pumpe einwirkenden Steuer- und Regeleinrichtung zur Regelung des Druckes im Kühlmittelsystem auf einen Soll-Druck, und einem Druckbegrenzungsventil zur Begrenzung des Druckes des dem Verbraucher zugeführten Kühlmittels.
Bei Werkzeugmaschinen kommen in einem Bearbeitungszyklus in der Regel mehrere verschiedene Werkzeuge zum Einsatz. Jedes Werkzeug muss, solange es im Einsatz ist, durch Zufuhr eines flüssigen Kühlmittels gekühlt werden. Da der Kühlbedarf von Werkzeug zu Werkzeug verschieden ist, wird vom Hersteller für jedes Werkzeug ein bestimmter Solldruck spezifiziert, den das Kühlmittelsystem bereitstellen muss.
Bei einem Kühlmittelsystem der eingangs genannten Art wird der Druck im System mit Hilfe des Sensors erfasst, und die Pumpe auf den jeweils vorgeschriebenen Solldruck geregelt. Das Druckbegrenzungsventil und dient lediglich als Sicherheitsventil und hat einen fest vorgegebenen Öffnungsdruck der weit über dem höchstmöglichen Solldruck liegt. Bei diesem System kann die Pumpe nur verhältnismäßig träge auf Änderungen des Druckbedarfs reagieren, so dass es insbesondere in den Fällen, in denen der Kühlmittelbedarf abrupt abnimmt, etwa weil einer der Verbraucher abgeschaltet wird, zu Druckspitzen kommen kann, die zwar unter dem Öffnungsdruck des Sicherheitsventils bleiben aber dennoch unerwünscht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlmittelsystem zu schaffen, das geringe Pumpverluste aufweist und sich dennoch rasch an Änderungen des Bedarfs anpassen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils variabel ist und die Steuer- und Regeleinrichtung dazu ausgebildet ist, den Öffnungsdruck in Abhängigkeit vom Soll-Druck so einzustellen, dass er stets um ein bestimmtes Maß über dem Soll-Druck liegt.
Erfindungsgemäß dient somit das Druckbegrenzungsventil nicht nur als reines Sicherheitsventil, sondern es hat auch die Funktion, die unerwünschten Druckspitzen bei einer Abnahme des Kühlmittelbedarfs zu unterdrücken. Dabei wird in Kauf genommen, dass zur Unterdrückung der Druckspitzen eine gewisse Menge an Kühlmittel über das Druckbegrenzungsventil abgelassen wird, so dass sich die Pumpverluste etwas erhöhen. Da jedoch die Phasen, in denen das Druckbegrenzungsventil öffnet, jeweils nur sehr kurz sind und nur sporadisch auftreten, ist die Zunahme der Pumpverluste vernachlässigbar.
Um die Druckspitzen möglichst weitgehend zu unterdrücken, wäre es zweckmäßig, wenn der Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils nur geringfügig über dem Solldruck liegt. Falls der Druckabstand jedoch zu gering ist, kann es vorkommen, dass das Druckbegrenzungsventil schon aufgrund des normalen Regelspiels des Reglers häufiger öffnet, so dass höhere Pumpverluste eintreten. In der Praxis sollte deshalb der Abstand zwischen dem Öffnungsdruck und dem Solldruck an das Regelspiel des durch Pumpe, Drucksensor und Regler gebildeten Regelkreises angepasst werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung so ausgebildet sein, dass sie den Abstand zwischen dem Öffnungsdruck und dem Solldruck konstant hält. In einer anderen Ausführungsform kann dieser Abstand proportional zum Solldruck variiert werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen Kühlmittelsystems für eine Werkzeugmaschine; und
2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Kühlmittelsystems.
Das in der Zeichnung dargestellte Kühlmittelsystem weist drei Verbraucher 10 auf, die von einer Pumpe 12 mit flüssigem Kühlmittel versorgt werden. Ein Druckstutzen 14 der Pumpe 12 verzweigt sich auf die drei Verbraucher 10, so dass sie alle aus derselben Pumpe 12 versorgt werden können.
Bei jedem der Verbraucher 10 handelt es sich um ein Kühlsystem für ein bestimmtes Werkzeug der Werkzeugmaschine. Die Werkzeuge unterscheiden sich in ihrer Größe und Beschaffenheit und folglich auch in ihrem Kühlbedarf. Durch eine Steuereinrichtung 16 der Werkzeugmaschine werden die Verbraucher 10 so angesteuert, dass jeweils das Kühlsystem für das Werkzeug aktiviert wird (beispielsweise durch Öffnen eines nicht gezeigten Ventils), das dem gerade im Einsatz befindlichen Werkzeug zugeordnet ist. Wenn die Werkzeugmaschine für den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Werkzeuge eingerichtet ist, können auch mehrere Verbraucher gleichzeitig aktiviert werden.
Die Pumpe 12 wird durch einen Motor 18 angetrieben, dessen Drehzahl mit Hilfe eines Frequenzumrichters 20 steuerbar ist. Die Frequenz des Frequenzumrichters 20 wird durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 22 bestimmt, die von einem Drucksensor 24 ein den Ist-Druck P_i im Druckstutzen angebendes Signal und von der Steuereinrichtung 16 ein Signal erhält, das einen von der jeweiligen Verbrauchssituation abhängigen Soll-Druck P_s spezifiziert.
Weiterhin wird durch die Steuer- und Regeleinrichtung 22 ein Druckbegrenzungsventil 26 so angesteuert, dass der Druck in dem Druckstutzen 14 auf einen vom Soll-Druck abhängigen Wert begrenzt wird. Dazu erhält das Druckbegrenzungsventil 26 von der Steuer- und Regeleinrichtung 22 ein Signal, das den Öffnungsdruck P_lim des Druckbegrenzungsventils angibt.
Das von dem aktiven Verbraucher 10 an das Werkzeug abgegebene Kühlmittel wird aufgefangen und, wie in der Zeichnung durch eine Rücklaufleitung 28 symbolisiert wird, zu einem Sumpf 30 zurückgeleitet, aus dem das Kühlmittel über eine Saugleitung 32 erneut von der Pumpe 12 angesaugt werden kann.
Vom Druckstutzen 14 der Pumpe führt eine Zweigleitung 34 zu einer Druckkammer 36 des Druckbegrenzungsventils 26. Die Druckkammer 36 wird durch einen Kolben 38 begrenzt und hat somit ein variables Volumen. Je nach Stellung des Kolbens 38 wird eine Entlastungsöffnung 40 des Druckbegrenzungsventils 26 geschlossen gehalten oder mehr oder weniger weit geöffnet. Durch ein Stellglied 42, beispielsweise ein elektropneumatisches Stellglied, wird der Kolben 38 mit einer durch die Steuereinrichtung 16 bestimmten Schließkraft in Schließrichtung (nach rechts in der Zeichnung) vorgespannt. Wenn der Druck in der Druckkammer 36 über den Öffnungsdruck P_lim ansteigt, überwiegt die von dem Kühlmittel auf den Kolben 30 ausgeübte Kraft die Schließkraft des Stellglieds 42, so dass sich der Kolben nach links verschiebt und die Entlastungsöffnung 40 freigibt, mit der Folge, dass ein Anteil des von der Pumpe 12 geförderten Kühlmittels über die Entlastungsöffnung 40 und eine Bypassleitung 44 in den Sumpf 30 zurückgeleitet wird. Auf diese Weise wird der Druck in der Druckkammer 36 und im Druckstutzen 14 begrenzt.
Mit Hilfe der Steuer- und Regeleinrichtung 22 wird die Drehzahl des Motors 18 und damit die Förderleistung der Pumpe 12 so geregelt, dass der Druck im Druckstutzen 14 in der Nähe des Soll-Druckes P_s gehalten wird, der stets etwas kleiner ist als der Öffnungsdruck P_lim des Druckbegrenzungsventils. Die Förderleistung der Pumpe reicht dann gerade aus, den zur Zeit aktiven Verbraucher 10 mit dem spezifizierten Solldruck zu versorgen.
Bei einem Werkzeugwechsel gibt die Steuereinrichtung 16 den Befehl, den bisher aktiven Verbraucher 10 zu deaktivieren und stattdessen den Verbraucher zu aktivieren, der zu dem neuen Werkzeug gehört. Erforderlichenfalls erhöht oder senkt die Steuereinrichtung 16 gleichzeitig den Soll-Druck P_s. In dem Fall gibt die Steuer- und Regeleinrichtung 22 an das Stellglied 42 den Befehl, auch den Öffnungsdruck P_lim entsprechend anzupassen.
Wenn der neue Soll-Druck kleiner ist als der bisherige Soll-Druck, bewirkt die Steuer- und Regeleinrichtung 22 eine Abnahme der Drehzahl des Motors 18. Da sich infolgedessen die Förderleistung der Pumpe 12 verringert, nimmt der Druck in der Druckkammer 36 ab. Das führt jedoch nicht zu einer Verschiebung des Kolbens 38 nach rechts, da gleichzeitig auch der Öffnungsdruck und damit die Schließkraft verringert wird. Auf diese Weise wird eine schnelle Abnahme des Ist-Druckes auf den neuen Soll-Druck erreicht. Gegebenenfalls kann die Schließkraft sogar so weit abnehmen, dass sich der Kolben 38 nach links verschiebt und die Entlastungsöffnung 40 vorübergehend öffnet und den Druckabbau beschleunigt.
Bei einem Werkzeugwechsel auf ein Werkzeug, dass einen höheren Soll-Druck erfordert, gibt die Steuereinrichtung 16 an das Stellglied 42 den Befehl, den Öffnungsdruck und die Schließkraft zu erhöhen. Der Kolben 38 verschiebt sich daher nach rechts, und das Volumen der Druckkammer 36 wird verkleinert. Bei hinreichender Dimensionierung der Druckkammer 36 kann auf diese Weise erreicht werden, dass der Verbraucher 10 auch in einer Übergangsphase, in der die Förderleistung der Pumpe noch nicht den geforderten Wert erreicht hat, mit ausreichend Kühlmittel versorgt wird.
In einer modifizierten Ausführungsform kann die Steuereinrichtung 16 die Befehle zum Umschalten der Verbraucher 10 und zur Änderung des Soll-Druckes auch mit einem leichten Zeitversatz ausgeben und so beispielsweise die Steuer- und Regeleinrichtung 22 zu einer "vorausschauenden" Änderung der Förderleistung der Pumpe 12 veranlassen.
2 ist ein Zeitdiagramm, anhand dessen die Funktionsweise des Kühlmittelsystems näher erläutert werden soll.
Eine Kurve 46 in 2 gibt die zeitliche Änderung des Kühlmittelbedarfs Q der Verbraucher 10 an, die sich daraus ergibt, dass zu Zeitpunkten t1, t2 und t3 auf andere Verbraucher umgeschaltet wird oder Verbraucher zu- oder abgeschaltet werden. Eine dünne, in durchgezogenen Linien eingezeichnete Kurve im unteren Teil der 2 gibt die Zeitabhängigkeit des Soll-Druckes P_s an, wie er von der Steuereinrichtung 16 bestimmt wird. Zum Zeitpunkt t1 nimmt der Soll-Druck zu. Zu den Zeitpunkten t2 und t3 ändert sich zwar aufgrund des Zu- bzw. Abschaltens von Verbrauchern der Kühlmittelbedarf Q, doch bleibt der Soll-Druck konstant. Eine gestrichelt eingezeichnete Kurve gibt die entsprechende Änderung des Öffnungsdruckes P_lim an. Im hier gezeigten Beispiel ist der Abstand zwischen dem Soll-Druck P_s und dem Öffnungsdruck P_lim stets konstant, unabhängig von der absoluten Höhe des Soll-Druckes. In einer modifizierten Ausführungsform könnte dieser Abstand auch proportional zur absoluten Höhe des Soll-Druckes P_s sein. Gegebenenfalls könnte dieser Abstand auch eine kompliziertere Funktion des Soll-Druckes sein.
Eine fett eingezeichnete Kurve in 2 gibt den zeitlichen Verlauf des Ist-Druckes P_i an. Man erkennt, dass der Ist-Druck P_i aufgrund des Regelverhaltens des Systems stets ein wenig um den jeweiligen Soll-Druck P_s pendelt. Der Abstand zwischen P_lim und P_s ist jedoch so gewählt, dass dabei der Öffnungsdruck P_lim nicht erreicht wird.
Zum Zeitpunkt t1 steigt der Ist-Druck P_i entsprechend der Zunahme des Soll-Druckes P_s. Zum Zeitpunkt t2 bricht der Ist-Druck vorübergehend ein, da ein weiterer Verbraucher zugeschaltet wird. Dies wird jedoch durch eine entsprechende Zunahme der Pumpendrehzahl umgehend wieder ausgeglichen.
Zum Zeitpunkt t3 kommt es aufgrund der Abschaltung von Verbrauchern zu einer abrupten Abnahme des Kühlmittelbedarfs bei konstantem Soll-Druck P_s. Da die Drehzahl des Motors 18 nicht schnell genug abnehmen kann, wird in dieser Situation der Öffnungsdruck P_lim kurzzeitig überschritten, so dass das Druckbegrenzungsventil 26 öffnet. Auf diese Weise wird die Druckspitze auf den Öffnungsdruck P_lim begrenzt. Während die Drehzahl der Pumpe weiter abnimmt, sinkt der Ist-Druck, so dass das Druckentlastungsventil wieder schließt und sich der Druck wieder auf den Soll-Druck P_s einpendelt.

Claims

Kühlmittelsystem für Werkzeugmaschinen, mit einer Pumpe (12) für das Kühlmittel, mindestens einem Verbraucher (10), einem Drucksensor (24) zur Erfassung eines Ist-Druckes (P_i) im Kühlmittelsystem, einer auf die Pumpe (12) einwirkenden Steuer- und Regeleinrichtung (22) zur Regelung des Druckes im Kühlmittelsystem auf einen Soll-Druck (P_s), und einem Druckbegrenzungsventil (26) zur Begrenzung des Druckes des dem Verbraucher zugeführten Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet dass der Öffnungsdruck (P_lim) des Druckbegrenzungsventils (26) variabel ist und die Steuer- und Regeleinrichtung (22) dazu ausgebildet ist, den Öffnungsdruck in Abhängigkeit vom Soll-Druck (P_s) so einzustellen, dass er stets um ein bestimmtes Maß über dem Soll-Druck liegt.
Kühlmittelsystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuer- und Regeleinrichtung (22) dazu ausgebildet ist, den Öffnungsdruck (P_lim) auf einen Wert einzustellen, der einen konstanten Abstand zum Soll-Druck (P_s) hat.
Kühlmittelsystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuer- und Regeleinrichtung (22) dazu ausgebildet ist, den Öffnungsdruck (P_lim) auf einen Wert einzustellen, der zum jeweiligen Soll-Druck (P_s) proportional ist.