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Bezeichnung: Mechanische/hydraulische Verstell-
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einrichtung zur Schaltung von Hydraulik-Zylindern und Motoren Die
Erfindung bezieht sich auf eine mechanische/hydraulische Verstelleinrichtung zur
Schaltung von Hydraulik-Zylindern und Motoren, insbesondere zur Ermöglichung einer
periodischen Bewegungsumkehr des Arbeitsschlittens einer Werkzeugmaschine, wobei
die schwenkbare Trommel einer Axialkolbenpumpe, die Scheibe einer Schrägscheibenpumpe
oder der Verstellhebel entsprechender Hydraulikpumpen, die die Vorgabe größerer
Fördervolumen ermöglichen, durch einen Schwenkzapfen und durch den Kolben eines
doppeltwirkenden Zylinders der Verstelleinrichtung gemäß der gewünschten Fördermenge
in einen bestimmten Winkel geschwenkt wird.
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Es sind die verschiedenartigsten Verstelleinrichtungen zur Schaltung
von Hydraulikpumpen, die die Vorgabe größerer Arbeitsdrücke ermöglichen, bekannt,
wobei zum Beispiel bei Axialkolbenpumpen Arbeitsdrücke bis 400 bar zu erreichen
sind. Wenn auch somit zum
Verbraucher größere Arbeitsdrücke geliefert
werden können, und dieser somit unter größeren Lasten gesteuert werden kann, so
sind die bekannten Verstelleinrichtungen, wie hydraulische Verstelleinrichtungen
mit oder ohne Kurvenscheiben, rein mechanische Verstelleinrichtungen und programmgesteuerte
Verstelleinrichtungen mit elektrisch variierbar fest eingestellten Steuerdrücken
oder mit einem elektrischen System mit veränderlicher Steuerdruck-Einstellung insofern
nachteilig, als auch bei Verwendung von Steuerdruckreglern mit federzentrierter
Neutralstellung, die bei Umkehr der Förderrichtung der Hydraulikpumpe durchlaufen
wird, die zur Bewegungsänderung notwendigen Steuerzeiten relativ lang sind und somit
diese bekannten Verstelleinrichtungen für Axialkolbenpumpen und dergleichen nur
dann anwendbar sind, wenn längere Steuerzeiten und somit bei einer Bewegungsumkehr
von 1800 zum Beispiel ein Überlauf des Werkzeuges gegenüber dem Werkstück in Kauf
genommen werden kann. Insofern ist eine Verwendung dieser bekannten Verstelleinrichtungen
zur Schaltung von Axialkolbenpumpen, die den Arbeitsschlitten von Honwerkzeugen
antreiben und steuern sollen, nicht möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verstelleinrichtung
zur Schaltung von Hydraulikpumpen, die die Vorgabe grösserer Arbeitsdrücke ermöglichen,
zu schaffen, wobei eine Bewegungsumkehr bzw. Steuerung des Werkzeuges bzw. der Förderung
der Hydraulikpumpe in äußerst kurzen Schalt- bzw. Umsteuerzeiten möglich sein soll,
so daß zum Beispiel kein Uberlauf des eine Bohrung erzeugenden hoch und runter fahrenden
Arbeitsschlittens eines Honwerkzeugs an den Umkehrpunkten eintreten kann. Dabei
gilt es, die Bewegungsumkehr in den Umkehrpunkten derart zu gestalten, daß sie rasch
und weich erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist bei einer mechanischen/hydraulischen Verstelleinrichtung
der eingangs genannten Art vorgesehen, daß zur Ermöglichung einer schnellen und
weichen Bewegungsunkehr -*) Steuerung und
der Werkzeugmaschine bzw.
des höher belastbaren Hydraulikzylinders oder Motors der Schaltweg des Kolbens bzw.
die Fördermenge der Hydraulikpumpe durch mechanische Anschlagmittel begrenzbar ist,
daß der Kolben des doppeltwirkenden Zylinders bei Verwendung weniger Schaltventile
mit einer insgesamt kurzen Steuerzeit und bei Anlage einer hydraulischen O-Einstellung
der Fördermenge der Hydraulikpumpe unmittelbar mit dem Steuerdruck einer Steuerpumpe
unter Ermöglichung einer kurzen Schalt- und Umsteuerzeit für die zu steuernde Werkzeugmaschine
beaufschlagbar ist.
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Erfindungsgemäß wird somit zur Erreichung einer schnellen Steuerung
der Werkzeugmaschine wie zur Erzeugung einer Bewegungsumkehr des Werkzeugsschlittens
der Verstelleinrichtung eine Vorrichtung zugeordnet, die erlaubt, den Schaltweg
des Kolbens der Verstelleinrichtung bzw. die Fördermenge der Pumpe durch verstellbare
Anschlagmittel zu begrenzen, wodurch beispielsweise die Umsteuerzeit zwischen der
eingestellten Fördermenge der Pumpe in einer bestimmten Richtung und der entsprechenden
Fördermenge in der entgegengesetzten Richtung relativ kurz wird. Desweiteren wird
der Steuerdruck auf Schaltventile mit insgesamt kurzer Steuerzeit gegeben. Es ist
somit möglich, die Kennlinie der Pumpensteuerung schnell unter Umkehr der Förderrichtung
der eingestellten maximalen Fördermenge zu durchfahren, wobei trotz der kurzen Schaltzeiten
durch die vorgesehene hydraulische 0-Einstellung des Schaltkolbens der Verstelleinheit
der Förderstrom der Pumpe auf 0 einstellbar ist und insofern die Bewegung der Werkzeugmaschine
definiert ohne Uberlauf anhaltbar ist. Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung der
erfindungsgemäßen Verstelleinheit zur Aussteuerung von Axialkolbenpumpen und Schrägscheibenpumpen
es ohne weiteres möglich ist, einen sinusförmigen ölstrom zu erreichen, so daß außer
einer schnellen Umsteuerung des ölstromes der
Hydraulikpumpe sehr
weiche und stoßfreie Umschaltpunkte des ölstromes sich ergeben. Da der Steuerdruck
erfindungsgemäß unmittelbar auf den Verstellkolben der Verstelleinrichtung gegeben
wird, muß die Größe des Steuerdruckes bzw. Fördervolumens so gewählt werden, daß
die Kraft auf diesen ausreicht, um den Schwenkzapfen der unter hoher Last stehenden
Hydraulikpumpe zu verschwenken und dies unter Einhaltung einer kurzen Umsteuerzeit.
Entsprechend der gewünschten Umsteuerzeit ist die Anzahl der in ihren Steuerzeiten
i.a.
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festliegenden Schaltventile zu verringern.
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Vorzugsweise wird die Begrenzung des Schaltweges des Schaltkolbens
und damit die Menge des Förderstroms der Hydraulikpumpe über eine Stellspindel mit
auf dieser angeordneten Anschlagscheiben und einem durch diese Scheiben betätigbaren
Anschlagbolzen vorgenommen, wobei der Bolzen fest mit dem Schaltkolben verbunden
ist und somit je nach Stellung der Anschlagscheiben die Bewegung des Schaltkolbens
begrenzt. Die Betätigung der Stellspindel kann dabei per Handrad, Getriebemotor
oder mittels anderer übliche Antriebsarten erfolgen.
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In bevorzugter Ausführungsform werden dabei die Stellspindel und die
Anschlagscheiben unterhalb oder seitlich des doppeltwirkenden Zylinders der Verstelleinrichtung
angeordnet, wobei der Anschlagbolzen sich durch eine Ausnehmung der Zylinderwandung
zwischen die Anschlagscheiben erstreckt, deren Länge entsprechend dem maximalen
Schaltweg des Schaltkolbens gewählt ist.
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Auf diese Weise läßt sich über die Stellspindel, die Anschlagscheiben
und den Anschlagbolzen die Fördermenge der Hydraulikpumpe beliebig einstellen. Ein
besonderer Vorteil der Anordnung dieser Anschlag- bzw. Begrenzungsmittel außerhalb
des Zylinders des Schaltkolbens besteht darin, daß in einfacher Bauweise die Bewegung
des Schaltkolbens beiderseitig begrenzbar ist und die Anschlagscheiben durch Betätigung
der Stellspindel in einfacher Weise eingestellt werden können. Es läßt sich somit
eine zuverlässige Mengenbegrenzung des von der Hydraulikpumpe zum Verbraucher zu
fördernden ölstromes erreichen, die notwendig ist, um z.B. eine regelbare Hubgeschwindigkeit
zu erreichen.
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Da es gilt, die Umsteuerung des ölstroms der Hydraulikpumpe stoßfrei
durchzuführen, wird die Fördermenge des ölstromes der Steuerpumpe zur Ermöglichung
einer Bewegungsumkehr des Verbrauchers kontinuierlich über den O-Punkt der Fördermenge
auf eine durch den Anschlagbolzenbestimmte Fördermenge in umgekehrter Richtung gefahren.
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Für die bei der Leerlaufeinstellung vorgesehene hydraulische O-Einstellung
der Fördermenge des ölstromes ist dabei vorzugsweise eine Ausführung der Verstelleinrichtung
vorgesehen, bei der seitlich des Schaltkolbens an diesem jeweils ein verjüngter
längeneinstellbarer Anschlagbolzen mit einem sich an diesem anschließenden Zentrierkolben
angelegt ist, wobei die Zentrierkolben in gegenüber dem Zylinderraum des Schaltkolbens
seperaten Zylinderräume geführt sind und bei gleichzeitiger Beaufschlagung dieser
Zylinderräume durch das Steueröl der Steuerpumpe bei geeignet eingestellten längenverstellbaren
Anschlagbolzen die Verschiebung des Schaltkolbens in seine Mittelstellung möglich
machen.
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Der doppelt wirkende Zylinder der Verstelleinrichtung ist somit gleichzeitig
derart ausgebildet, daß er bei geeigneter Druckgebung auf die rechts und links an
seinem Schaltkolben wirkenden Zentrierkolben und geeigneter Einstellung der längeneinstellbaren
Anschlagbolzen den Pumpenschwenkzapfen in eine derartige Lage bringen kann, daß
der ölstrom der Hydraulikpumpe den Wert O annimmt. Diese O-Lage ist dabei exakt
in kurzer Zeit rein hydraulisch einstellbar.
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In bevorzugter Ausführungsform werden als Schaltventile zur Umsteuerung
der Hydraulikpumpe ein 4/2-Wegeventil und ein 4/3-Wegeventil verwendet, mittels
denen die Zentrierkolben und der Schaltkolben mit dem Druck der Steuerpumpe in kürzester
Zeit beauf schlagbar und zum Entlüften mit einer ölauffangwanne verbindbar sind.
Die Schaltventile werden dabei über Relais von Elektromagneten die Rückstellfedern
betätigt, wobei zur Erreichung
eines sinusförmigen ölstromes, dessen
Umschaltpunkte sehr weich und stoßfrei sind, das 4/2-Wegeventil dauernd ein- und
ausgeschaltet und das 4/3-Wegeventil wechselseitig über seine Stellung geschaltet
wird.
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Bei betätigtem Relais des 4/2-Wegeventils ist es somit möglich, die
Zylinderräume des Zylinderkolbens zu entlüften und bei gleichzeitig betätigtem Relais
des 4/3-Wegeventils den Schaltkolben von rechts zu beaufschlagen, so daß dieser
sich nach links von dem längeneinstellbaren Anschlagbolzen wegbewegt. Der Schaltkolben
bewegt dabei den Pumpenschwenkzapfen nach links und stellt die Pumpe entsprechend
der auf der Stellspindel befindlichen Anschlagscheibe auf die vorgewählte Fördermenge
des ölstromes zum Verbraucher ein.
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Zur Umsteuerung des Ölstromes in entgegengesetzter Richtung wird nun
die Fördermenge des Ölstromes kontinuierlich durch den 0-Punkt auf die vorgegebene
Fördermenge in entgegengesetzter Richtung gefahren. Dazu wird zunächst zur Einstellung
der Fördermenge der Hydraulikpumpe auf den Wert 0 das Relais des 4/2-Wegeventils
ausgeschaltet, so daß dieses auf Durchgang des Steueröls zu den Zylinderräumen der
Zentrierkolben steht, und werden desweiteren die beiden Relais des 4/3-Wegeventils
ausgeschaltet, so daß das Ventil sich in seiner 0-Stellung befindet und die Zylinderräume
zur Beaufschlagung des Schaltkolbens entlüftet werden. Nach der hydraulischen Einstellung
des Schaltkolbens in seiner Mittelstellung wird dann das Relais des 4/2-Wegeventils
eingeschaltet, so daß die zuvor druckbeaufschlagten Zylinderräume des Zentrierkolbens
nun entlüftet werden, und wird nun das zweite Relais des 4/3-Wegeventils eingeschaltet,
so daß der Schaltkolben nun links beaufschlagt wird und sich nach rechts entsprechend
der vorgegebenen Begrenzung seines Schaltweges bewegt.
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Auf diese Weise wird die Richtung der Fördermenge des Olstromes zum
Verbraucher umgestellt, so daß eine Bewegungsumkehr um 1800 eines vom Verbraucher
angegebenen Werkzeuges mit sehr weichen und stoßfreien Umschaltpunkten durchführbar
ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
in den Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1: eine schematische Darstellung einer mechanischen/hydraulischen
Verstelleinrichtung zur Schaltung von Hydraulikzylindern und Motoren über eine Axialkolbenpumpe,
wobei deren Schwenkzapfen durch einen Schaltkolben eines Hydraulikzylinders über
ein 4/2-Wegeventil und ein 4/3-Wegeventil verstellt wird, und Fig. 2: einen Längsschnitt
durch eine mechanische/hydraulische Verstelleinrichtung mit hydraulischer 0-Stellung
und einer Anschlageinrichtung zur Begrenzung des Förderstroms der Hydraulikpumpe,
wobei aufgrund des symmetrischen Aufbaus der Verstelleinrichtung nur der rechte
Teil dargestellt ist.
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In Fig. 1 erkennt man eine mechanisch/hydraulisch betätigbare Verstelleinrichtung
1, die auf den Schwenkzapfen 3 einer.Hydraulikpumpe 2 wirkt, welche je nach Ausrichtung
des Schwenkzapfens 3 einen Ölstrom durch eine rechte oder linke Leitung zum Verbraucher
führt. Bei der Hydraulikpumpe 2 handelt es sich dabei um eine Axialkolbenpumpe,
wobei der Schwenkzapfen 3 der Pumpe eine Trommel in der Axialkolbenpumpe um einen
bestimmten Winkel um einen Drehpunkt verschwenkt, wobei der Schwenkwinkel die Fördermenge
der Hydraulikpumpe bestimmt.
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Die Verstelleinrichtung 1 weist einen Schaltkolben 4 auf, wobei in
diesem der Schwenkzapfen 3 in einer Kulissenführung derart geführt ist, daß dieser
bei einer Verschiebung des Schaltkolbens unter Aussteuerung der Axialkolbenpumpe
verschwenkt wird. Der Schaltkolben 4 ist in einem Zylinderraum 4' seines Zylinders
5 verschieblich, wobei rechts und links an dem Zylinderraum 4' zusätzliche Zylinderräume
17, 18 angrenzen, in denen Zentrierkolben 14, 15 geführt werden, die über länggenverstellbare
Bolzen 12, 13, die in den Zylinderraum 4' hineinragen, unter Justierung des Schaltkolbens
4 in seine Mittelstellung auf diesen bei Druckbeaufschlagung der Zylinderräume 17,
18 einwirken.
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Über eine unterhalb des Zylinders 5 angeordnete Einrichtung zur Begrenzung
der Fördermenge der Hydraulikpumpe, bestehend aus auf einer Stellspindel 7 im Abstand
angeordneten Anschlagscheiben 6 und einem von dem Schaltkolben 4 ausgehenden Anschlagbolzen
8, der durch eine Ausnehmung 16 der Wandung 5' des Zylinders 5 in den Raum zwischen
den Anschlagscheiben 6 hineinragt, ist der Schaltweg des Schaltkolbens bestimmbar.
Zur Begrenzung des Schaltweges bzw. der Fördermenge der Hydraulikpumpe bedarf es
lediglich einer Verstellung der Stellspindel 7 per Handrad, Getriebemotor oder anderer
üblicher Antriebsarten.
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Bei laufender Hydraulikpumpe 2 steuert eine Steuerpumpe 9 bl über
ein 4/2-Wegeventil 10 oder ein 4/3-Wegeventil 11 in den rechts oder links des Schaltkolbens
4 gelegenen Teil des Zylinderraumes 4'. Gleichzeitig kann dabei eine Rückführung
des in den Zylinderräumen 17 r 18 der Zentrierkolben 14, 15 bzw. des in dem nicht
druckbeaufschlagten Teil des Zylinderraumes 4' befindlichen Üls über das 4/2- und
4/3-Wegeventil in eine ölwanne stattfinden.
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Zur Erzeugung einer Hubbewegung, beispielsweise des Schlittens eines
Honwerkzeuges, wird dabei das Relais 83 des elektromangnetisch betätigbaren 4/2-Wegeventils
10 betätigt, wodurch eine Leitung zur Belüftung der beiden Zylinderräume 17, 18
der Zentrierkolben 14, 15 zur Ölauffangwanne geschaltet wird.
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Außerdem wird das Relais S1 des 4/3-Wegeventils 11 betätigt, wodurch
der Teil des Zylinderraumes links des Schaltkolbens 4 ebenfalls entlüftet wird und
der Raum rechts mit der Steuerpumpe 9 druckbeaufschlagt wird.
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Zur Einstellung der Mittelstellung des Schaltkolbens 4 bzw.
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zur Verschwenkung des Pumpenschwenkzapfens 3 in eine derartige Lage,
daß die Hydraulikpumpe 2 keinen Ölstrom mehr fördert, wird das Relais S3 des 4/2-Wegeventiles
ausgeschaltet, so daß die Zylinderräume 17, 18 der Zentierkolben 14, 15 über die
Steuerpumpe 9 druckbeaufschlagt werden und die Zentrierkolben 14, 15 über die auf
geeignete Längen eingestellten Anschlagbolzen 12, 13 auf den Schaltkolben 4 wirken.
Die Relais S1 und des 4/3-Wegeventiles werden ebenfalls nicht eingeschaltet, so
daß der Zylinderraum 4' des Schaltkolbens 4 über das 4/3-Wegeventil zur blauffangwanne
entlüftet wird.
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Nach dieser hydraulischen 0-Einstellung des Ölstromes zum Verbraucher
wird nun unter Umkehr der Förderrichtung des ölstromes die Absenkung des Arbeitsschlittens'des
Honwerkzeuges eingeleitet. Dazu wird das Relais S3 des 4/2-Wegeventiles eingeschalttet,
so daß die Zylinderräume 17, 18 der Zentrierkolben über dieses entlüftet werden.
Der rechte Teil des Zylinderraumes 4 wird nun bei ebenfalls geschalteten Relais
82 des 4/3-Wegeventils 11 entlüftet, wobei gleichzeitig eine Druckbeaufschlagung
des linken Teils des Zylinderraumes 4' über dieses Wegeventil durch Verbindung mit
der Steuerpumpe 9 vorgenommen wird. Die Fördermenge der Hydraulikpumpe 2 wird somit
kontinuierlich über eine 0-Verstellung der Pumpe von der Fördermenge zur Durchführung
einer
Hubbewegung des Arbeitsschlittens in einer bestimmten Richtung zur Fördermenge zur
Absenkung des Förderschlittens in eine umgekehrte Förderrichtung des Ölstromes verstellt.
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Aufgrund dieser Schaltung ergibt sich ein sinusförmiger Ölstrom der
Hydraulikpumpe 2 zum Verbraucher, wobei die Umschaltpunkte der durch diesen Ölstrom
verstellten Hydraulikzylinder und Motore sehr weich und stoßfrei sind. Wesentlich
für die Ermöglichung dieser schnellen und weichen Bewegungsumkehr ist dabei, daß
ein entsprechender Steuerdruck der Steuerpumpe unter Ermöglichung der gewünschten
kurzen Umschaltzeit der Hydraulikpumpe gewählt wird. Die Steuerzeiten der verwendeten
Schaltventile 10, 11 müssen insgesamt relativ kurz sein,so daß der Steuerdruck ohne
merkliche Verzögerung unmittelbar auf den Zylinder 5 der Verstelleinrichtung 1 gegeben
wird. Ein weiteres wesentliches Merkmal zur Erreichung einer schnellen Bewegungsumkehr
ist dabei, daß der Schaltweg des Kolbens 4 bzw. die Fördermenge der Hydraulikpumpe
2 durch die Stellung der Stellspindel 7 und deren auf dieser im Abstand angeordneten
Anschlagscheiben 6, die in Eingriff mit einem vom Schaltkolben 4 ausgehenden Anschlagbolzen
8 geraten, begrenzbar ist. Aufgrund der sich somit ergebenden Mengenbegrenzung des
Öl stromes wird dabei eine entsprechend schnelle Umschaltung von der einen Richtung
in die andere Richtung möglich. Die stoßfreie Schaltung des Öl stromes in seinen
Umschaltpunkten wird vor allem über die hydraulische 0-Verstellung der Pumpe erreicht,
wobei die Fördermenge der Pumpe kontinuierlich von ihrem Wert zur Ausführung einer
Hubbewegung bis zu dem Wert zum Absenken des Arbeitsschlittens des Werkzeuges verändert
wird. Die Anlage einer hydraulischen 0-Einstellung bringt desweiteren den Vorteil
mit sich, daß die 0-Einstellung des Schaltkolbens 4 mit großer Genauigkeit vorgenommen
wird, so daß die Schaltung auf den Leerlauf der Hydraulikpumpe sehr schnell erfolgen
kann und somit auch bei größerer Belastung der zu steuernden Hydraulikzylinder und
somit größeren am Pumpenschwenkzapfen 3 aufzubringender Kräfte, die Steuerung der
Hydraulikzylinder
ohne Überlaufen in kürzester Zeit erfolgen kann. Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung
erlaubt somit eine schnelle und weiche Steuerung schwieriger Arbeitsvorgänge erstmals
unter Verwendung von Pumpen wie Axialkolbenpumpen und Schrägscheibenpumpen.
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In dem in Fig. 2 dargestellten Längsschnitt durch die in Fig. 1 schematisch
dargestellte Verstelleinrichtung 1 erkennt man unter Weglassung der symmetrischen
linken Hälfte den Schaltkolben 4 des Zylinders 5 zur Beaufschlagung des Schwenkzapfens
3 und unter diesem Zylinder 5 angeordnet die Begrenzungseinrichtung für den Schaltweg
des Schaltkolbens 4 und damit für die Menge des Förderstromes der Hydraulikpumpe
2.
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Die Hydraulikpumpe 2 ist als solche nicht dargestellt und muß als
aufgesetzt auf die Oberseite 19 des Zylinders 5 gedacht werden. Dabei greift dann
ihr Pumpenschwenkzapfen 3 in die Kulissenführung des Schaltkolbens 4 ein, wobei
der Schwenkzapfen um den Drehpunkt der Pumpe bzw. deren Trommel bei Verschiebung
des Kolbens 4 gedreht wird.
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In der Zeichnung erkennt man deutlich, daß rechts am Zylinderraum
4' ein Zylinderraum 17 angefügt ist, in dem der Zentrierkolben 14 verstellbar ist.
Dieser Zentrierkolben 14 wirkt dabei über den längeneinstellbaren Anschlagbolzen
12 bei Druckbeaufschlagung des Zylinderraumes 17 über die Bohrungen 20 und das in
Fig. 1 dargestellte 4/2-Wegeventil auf den Schaltkolben 4, wobei dieser ebenfalls
durch einen Zentrierkolben 15 auf der gegenüberliegenden Seite beaufschlagt wird
und derart in seiner der 0-Einstellung der Hydraulikpumpe entsprechenden Mitteilstellung
sich befindet.
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Zur Beaufschlagung des Schaltkolbens 4 mit dem Steuerdruck der Pumpe
9 zur Ausführung einer Hub- bzw. Senkbewegung wird der Zylinderraum 4' mit der Steuerpumpe
9 über die Bohrung 21 verbunden. Der Druck verschiebt dann den Schaltkolben 4 mit
dem an ihm befestigten Anschlagbolzen 8 entsprechend der Länge der Ausnehmung 10
bzw. der Stellung der Anschlagscheiben 6, die sich auf der Stellspindel 7 befinden
und mittels dieser über einen geeigneten Antrieb 22 gestellt werden können.