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Die Erfindung betrifft ein Kühlmittelsystem für Werkzeugmaschinen, mit einer Pumpe für das Kühlmittel, mindestens einem Verbraucher, einem Systemdrucksensor zur Erfassung eines Ist-Druckes (Pi) im Kühlmittelsystem, einem auf die Pumpe einwirkenden Regler, einem Druckbegrenzungsventil zur Begrenzung des Druckes des dem Verbraucher zugeführten Kühlmittels, und einer Bypassleitung über die bei geöffnetem Druckbegrenzungsventil Kühlmittel abfließt.
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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.
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Bei einem Kühlmittelsystem der eingangs genannten Art wird der Druck im System mit Hilfe des Systemdrucksensors erfasst und die Pumpe auf den jeweils vorgeschriebenen Solldruck geregelt. Das Druckbegrenzungsventil und dient lediglich als Sicherheitsventil und hat einen fest vorgegebnen 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.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlmittelsystem zu schaffen, das geringe Pumpverluste aufweist und sich dennoch rasch an Änderungen des Bedarfs anpassen lässt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Bypassdrucksensor zur Messung des Druckes in der Bypassleitung vorgesehen ist und dass der Regler dazu ausgebildet ist, die Pumpe mit einem Signal anzusteuern, das einerseits von dem Ist-Druck und andererseits von dem Druck in der Bypassleitung abhängig ist.
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Erfindungsgemäß dient das Druckbegrenzungsventil nicht als reines Sicherheitsventil, sondern es hat in der Hauptsache die Funktion, den Systemdruck, also den Druck, mit dem das Kühlmittel den Verbrauchern zugeführt wird, auf den Sollwert zu regeln. Auf diese Weise wird eine unterlagerter Regelkreis geschaffen, der, da das Druckbegrenzungsventil wesentlich schneller auf Druckänderungen anspricht als der Pumpenantrieb, eine wesentlich kürzere Regelverzögerung hat als der übergeordnete Regelkreis, in dem die Pumpendrehzahl geregelt wird. Dadurch lassen sich die Soll/Ist-Abweichungen des Systemdruckes deutlich reduzieren.
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Die Regelung der Pumpendrehzahl hat die Funktion, die Fördermenge der Pumpe so nachzuführen, dass die Menge an Flüssigkeit, die über die Bypassleitung abfließt, auf ein Minimum reduziert wird, so dass die Pumpverluste minimiert werden. Wenn jedoch die Drehzahlregelung ausschließlich auf der Basis des Ist-Druckes erfolgen würde, könnte der Regler keine Situationen erkennen, in denen die Fördermenge zu groß ist, denn dass Druckbegrenzungsventil würde auch in diesen Situationen für einen niedrigen Ist-Druck sorgen. Die zusätzliche Messung des Druckes in der Bypassleitung erlaubt es, diese Situationen zuverlässig zu erkennen und die Fördemenge entsprechend zu verringen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Ansteuerung der Pumpe kann auf der Basis eines zweidimensionalen Kennfeldes erfolgen, das das an die Pumpe oder einen zugehörigen Frequenzumrichter ausgegebene Signal als Funktion der beiden gemessenen Drücke angibt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Regler so ausgebildet, dass er lediglich zwei binäre Eingangsgangsgrößen liefert, indem er einerseits den Ist-Druck mit dem Soll-Druck vergleicht und andererseits den Druck in der Bypassleitung mit einem fest vorgegebenen Referenzdruck vergleicht. Aufgrund einer logischen Verknüpfung dieser beiden binären Signale erzeugt der Regler dann Steuersignale zum Erhöhen, zum Halten und zum Senken der Pumpendrehzahl.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen Kühlmittelsystems für eine Werkzeugmaschine; und
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2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Kühlmittelsystems.
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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.
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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 werden die Verbraucher 10 so angesteuert, dass jeweils das Kühlsystem 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.
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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 einen Regler 22 bestimmt, der von einem Systemdrucksensor 24 ein den Ist-Druck Pi im Druckstutzen angebendes Signal erhält.
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Ein Druckbegrenzungsventil 26 erhält von der Steuereinrichtung 16 ein Signal, das einen von der jeweiligen Verbrauchssituation abhängigen Soll-Druck Ps spezifiziert.
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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.
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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 Soll-Druck Ps 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 auf den Soll-Druck Ps geregelt.
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Ein Bypassdrucksensor 46 misst den Druck in der Bypassleitung 44, der zu der Menge an Kühlmittel proportional ist, die pro Zeiteinheit über die Bypassleitung 44 abfließt.
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Der gemessene Bypassdruck Pb wird an den Regler 22 gemeldet. Ein stromabwärts des Bypassdrucksensors 46 in der Bypassleitung 44 angeordnete Drossel 48 (z. B. ein Ventil mit niedrigem Öffnungsdruck) sorgt dafür, dass die Bypassleitung stets gut gefüllt bleibt.
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Mit Hilfe des Reglers 22 wird die Drehzahl des Motors 18 und damit die Förderleistung der Pumpe 12 so geregelt, dass der Bypassdruck Pb stets in der Nähe eines fest vorgegebenen Referenzdruckes Pr gehalten wird. Der Referenzdruck Pr ist so gewählt, dass die entsprechende Durchflussmenge durch die Bypassleitung 44 relativ klein ist, so dass das System mit minimalen Pumpverlusten betrieben werden kann.
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Die Regelung des den Verbrauchern 10 zugeführten Druckes erfolgt somit primär durch das Druckbegrenzungsventil 26, das mit kurzer Ansprechzeit auf Änderungen des Ist-Druckes reagiert. Die trägere Regelung über die Pumpendrehzahl wird dann mit Hilfe des Reglers 22 so nachgeführt, dass mit einer gewissen Verzögerung (z. B. in der Größenordnung von bis zu 500 ms) auch die Drehzahl der Pumpe an den geänderten Bedarf angepasst wird und somit die durch den Abfluss von Kühlmittel über die Bypassleitung 44 verursachten Pumpverluste klein gehalten werden.
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In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel steuert der Regler 22 den Frequenzumrichter 20 mit einem Signal S an, das drei Zustände einnehmen kann, die den Befehlen ”Drehzahl erhöhen”, ”Drehzahl halten” und ”Drehzahl senken” entsprechen und durch logische Verknüpfung zweier binärer Eingangsgrößen gebildet werden. Eine der binären Eingangsgrößen wird dadurch gewonnen, dass der Ist-Druck Pi mit dem Soll-Druck Ps verglichen wird. Die zweite binäre Eingangsgröße wird dadurch gewonnen, dass der Bypassdruck Pb mit dem Referenzdruck Pr verglichen wird. Dabei können jeweils gewisse Toleranzgrenzen berücksichtigt werden. Die Systemzustände, die verschiedenen Kombinationen der Werte der beiden Eingangsgrößen entsprechen, sind in 2 schematisch dargestellt.
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Wenn der Ist-Druck Pi größer oder (innerhalb der Toleranzgrenzen) gleich dem Soll-Druck Ps ist und außerdem der Bypassdruck Pb kleiner oder (innerhalb der Toleranzgrenzen) gleich dem Referenzdruck Pr ist, so befindet sich das System im Zustand I, und die Pumpendrehzahl wird gehalten, was in 2 durch einen waagerechten Pfeil symbolisiert wird.
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Wenn der Ist-Druck Pi echt größer ist als der Soll-Druck Ps, so wird das Druckbegrenzungsventil 26 öffnen, so dass der Bypassdruck Pb zunimmt und über den Referenzdruck Pr steigt. Das System geht dann in den Zustand II über. In diesem Zustand wird die Drehzahl der Pumpe gesenkt, was durch einen schräg nach unten gerichteten Pfeil symbolisiert wird. Mit nachlassender Förderleistung der Pumpe schließt das Druckbegrenzungsventil 26, so dass der Bypassdruck Pb wieder unter den Referenzdruck Pr sinkt und das System in dem stabilen Zustand I zurückkehrt.
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Wenn, beispielsweise während sich das System im Zustand II befindet, plötzlich ein höherer Soll-Druck Ps gefordert wird oder der Ist-Druck Pi aufgrund des Zuschaltens eines weiteren Verbrauchers plötzlich abnimmt, so geht das System aus dem Zustand II in den Zustand III über, und die Pumpendrehzahl wird zunächst gehalten aber noch nicht erhöht. Gleichzeitig schließt das Druckbegrenzungsventil 26, so dass der Bypassdruck Pb abnimmt. Infolge dieser Abnahme geht das System aus dem Zustand III in den Zustand IV über, und die Pumpendrehzahl wird erhöht, was durch einen aufwärts gerichteten Pfeil in 2 symbolisiert wird. Der Zustand III stellt somit nur einen temporären Übergangszustand dar und ist deshalb in 2 in Klammern gesetzt.
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Auf diese Weise wird eine stabile Regelung des den Verbrauchern 10 zugeführten Kühlmitteldruckes mit kurzer Ansprechzeit erreicht, so dass eine rasche Anpassung an Änderungen des Bedarfs erfolgen kann. Gleichzeitig werden durch die Regelung der Pumpendrehzahl die Pumpverluste minimiert.
