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Beschreibung
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zum Patentgesuch "Umlaufender Kraftspannzylinder" Die Erfindung betrifft
einen umlaufenden Kraftspannzylinder mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 genannten Merkmalen. Derartige Kraftspannzylinder sind marktgängig.
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Bei diesen bekannten Kraftspannzylindern sollen die Rückschlagventile
den Druck des eingespeisten Druckfluids halten, bis im Stillstand wieder eine Umsteuerung
erfolgen kann. Im Gegensatz zu Spannzylindern, bei denen auch während des Umlaufs
die Druckenergie ansteht, können bei diesen Spannzylindern Leckverluste nicht ausgeglichen
werden, so daß sie sicherheitstechnisch bedenklich sind; insoweit entsprechen sie
nicht der Forderung, daß bei Druckabfall im Spannzylinder die Spindel der Maschine
automatisch stillgesetzt werden kann.
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Während demgemäß Spannzylinder, bei denen auch während des Spindelumlaufs
die Verbindung zwischen Druckfluidquelle und Spannzylinderraum aufrechterhalten
bleibt, im Hinblick auf die Betriebssicherheit überlegen sind, haben sie andererseits
Nachteile eben wegen dieser Verbindung, die ein kritisches Bauteil darstellt, und
zwar umso mehr, je höhere Spindeldrehzahlen verlangt werden.
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Bei Pneumatikzylindern kommt es zum Fressen des Steuergehäuses
auf
dem umlaufenden Zuführungszapfen, und der Zapfen kann abreißen. Bei Hydraulikzylindern
kann man zwar eine hydrostatische Lagerung vorsehen, doch werden die Ölspaltnmit
zunehmender Drehzahl immer größer zu dimensionieren sein mit entsprechenden Verlusten
an Drucköl, das sich darüber hinaus so stark erwärmt, daß man spezielle Kühler einsetzen
muß. Damit ergeben sich extrem hohe Herstellungskosten und zugleich extrem hohe
Betriebskosten wegen der kaum rückgewinnbaren, in Wärme umgesetzten Energie.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftspannzylinder der eingangs
genannten Gattung zu schaffen, bei dem trotz Trennung der Druckfluidquelle vom umlaufenden
Teil die Druckhaltung im Spannzylinder überwacht werden kann.
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Die gemäß der Erfindung vorgesehene Lösung ergibt sich aus den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei dieser Konzeption dient die Hilfskolbenanordnung als Meßorgan
für den Fluiddruck im jeweiligen Spannzylinderraum. Tritt im Betrieb ein Leck auf,
so kann sich die Vorspannfederanordnung entspannen, und die Hilfskolbenanordnung
fördert Fluid zum Ausgleich der Leckverluste in den betreffenden SPannzylinderraum;
dies gilt auch für Lecks in der Abdichtung der Hilfskolbenanordnung selbst. Eine
Verschiebung der Hilfskolbenanordnung unter der Wirkung der Vorspannfeder kann mittels
des stationären Meßglieds erfaßt werden, ehe der Druck auf gefährlich niedrige Werte
abgesunken ist, so daß die Spindelstillsetzung rechtzeitig eingeleitet werden kann,
wobei zusätzlich Warnsignale ausgelöst und Werkzeuge aus dem Arbeitsbereich herausgefahren
werden können.
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Diese Konzeption erlaubt es mithin, die bei Spannzylindern mit dauernd
angeschlossener Druckfluidquelle gegebene Drucküberwachung auch bei den Spannzylindern
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definierten Gattung zu verwirklichen.
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Wie in den Unteransprüchen definiert, gibt es verschiedene Möglichkeiten
für die Ausbildung der Hilfskolbenanordnung. Man kann einen einzigen Hilfskolben
mit vorgeschaltetem Umschaltventil vorsehen, man kann aber auch jedem Spannzylinderraum
einen eigenen Hilfskolben zuordnen. Je nachdem, ob es sich um einen
Vollspannzylinder
oder einen Hohlspannzylinder handelt, wird man unterschiedliche Konstruktionen wählen.
Das Meßglied kann unmittelbar mechanisch betätigbar sein, indem etwa ein von der
Hilfskolbenanordnung betätigbares übertragungselement abgefühlt wird, oder aber
man kann durch die Hilfskolbenbewegung ein Magnetfeld verändern, das von einem auf
dieses ansprechenden stillstehenden Meßglied erfaßt wird. Auch andere Lösungen sind
denkbar, bei denen die Normalbetriebsstellung der Hilfskolbenanordnung bershrungslos
überwacht wird.
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Es versteht sich, daß man gegebenenfalls die Federvorspannung zur
Anpassung an den jeweiligen Spanndruck einstellbar gestalten kann.
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Nachstehend werden bevorzugte Ausfurmngsbeispiele für Kraftspannzylinder
gemäß der Erfindung im einzelnen erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäß konzipierten Vollspannzylinder
im Axialschnitt, Fig. 2 zeigt einen Teilaxilschnitt, Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform
einer Hilfskolbenanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführuhgsform
eines Tandem-Hohlspnnzylinders.
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Der in Fig. 1 dargestellte Spannzylinder, der an der nicht dargestellten
Spindel einer Werkzeugmaschine befestigt ist, besteht aus dem Zylinder 5 mit Deckel
6 und Spannkolben 7. Die Kolbenstange 7a des Spannkolbens 7 ist durch beide Zylinderdeckel
hindurchgeführt und mittels Dichtungen 9 abgedichtet.
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Die rechte Seite der Kolbenstange 7a betätigt das Futter. Die anschlußgehäuseseitige
linke Kolbenstangenseite trägt das Anschlußgehäuse 10 und weist eine Hilfskolbenanordnung
gemäß der Erfindung auf. Auf dieser linken Kolbenstangenseite ist das Steuergehäuse
10 drehbar auf Kugellagern 11, 1 1a gelagert, die sich auf der Kolbenstaage 7a abstützen.
Das Steuergehäuse 10 mit einem Grenztasterträger 12 und seinen flexiblen Zufuhrungsaichtungen
13, 13a läuft also nicht mit um, während alle anderen gezeigten Teile mitumlaufen.
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Zwischen den Kugellagern 11, 11 a ist ein Hilfsringzylinder 14 mit
seinem Deckel 15 angeordnet, in dem eine sogenannte Steuerhülse 16 als Hilfssteuerkolben
arbeitet. Die Steuerhülse 16 ist
gegenüber dem Hilfsringzylinder
14 mit O-Ringen 17 und gegenüber der Kolbenstange 7a durch die O-Ringe 18 abgedichtet.
Die Anschlüsse 20, 21 des Steuergehäuses 10 werden zur Umsteuerung des Spannkolbens
7 nur bei Stillstand des Spannzylinders über je ein 3-Wege-Ventil (nicht gezeigt)
mit geschlossener Ausgangsstellung beschickt. In der gezeichneten Stellung wird
gerade der Anschluß 20 mit Druckfluid beaufschlagt. Dadurch haben sich die Zuführungsringe
13, die in bekannter Weise funktionieren, an den äußeren Mantel des Hilfsringzylinders
14 angelegt. über die Bohrungen 23 ist das Druckfluid in den Ringraum 24 eingetreten
und hat die Steuerhülse 16 in seine rechte Umkehrpunktlage verschoben. Vom Ringraum
24 her hat das Druckfluid die auf der Kolbenstange 7a gleitende Lippe des Lippenringes
25 angehoben, der in der Steuerhülse 16 gelagert ist, und das Druckfluid ist über
den Ringraum 27 der Steuerhülse 16 und die Bohrungen 28, 29 zum Zylinderraum 30
und dem Hilfszylinderraum 31 geströmt. Der Spannkolben 7 ist in seine rechte Umkehrpunktlage
gefahren. Außerdem wurde der Spanndrucküberwachungshilfskolben 2 nach links verschoben
und hat die Feder 4 entsprechend seiner Druckmittelbeaufschlagung vom Raum 31 her
vorgespannt. Dabei ist ein Signalstift 1, befestigt am Hilfskolben 2, nach links
durch den Deckel 32 ausgetreten. Der Signalstift 1 hat jetzt seine linke Umkehrpunktlage
erreicht; diese Lage ist abhängig von dem jeweils eingesteuerten Spanndruck. Er
ist in den Ansprechbereich des Grenztasters 33 gelangt, der vorzugsweise ein Näherungsschalter
ist. Dieser Näherungsschalter kann in dem Grenztasterträger 12 zur Anpassung an
den Spanndruck nach links oder rechts verschoben und arretiert werden. Der Näherungsschalter
33 hat in dieser Stellung des Signalstifts 1 den elektrischen Impuls für die Freigabe
der Arbeitsspindel gegeben. Erst jetzt kann darum die Arbeitsspindel eingeschaltet
werden und umlaufen.
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Treten irgendwann im Spannzylinder Leckverluste auf, so drückt die
vorgespannte Feder 4 den Hilfskolben 2 nach rechts und verdrängt dabei aus dem Zylinderraum
31 Druckfluid, das die Leckverluste ausgleicht. Gleichzeitig fährt der Signalstift
1 ebenfalls nach rechts und verläßt dabei den Ansprechbereich des Näherungsschalters
33, der nun den Impuls zur Freigabe der Arbeitsspindel aufhebt: Die Arbeitsspindel
wird stillgesetzt.
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Das zu entspannende Druckmittel der rechten Zylinderseite 34 ist über
die Bohrungen 35 der Kolbenstange 7a und die Ringräume 36, 37 der Steuerhülse 16
zu der Ausgangsbohrung 22 hin abgeströmt. Um den Spannkolben 7 in die entgegengesetzte
Lage zu fahren, wird wieder nur bei stehendem Spannzylinder die Bohrung 21 bis zur
Beendigung des Umkehrvorgangs mit Druckfluid beschickt. Jetzt legen sich die Zuführungsringe
13a an den Hilfsringzylinder 14 an, und das Druckfluid strömt über die Bohrungen
38 in den Ringraum 39 und verschiebt die Steuerhülse 16 in ihre linke Umkehrpunktlage.
über den Lippenring 26 in der Steuerhülse 16, der auch als Rückschlagventil funktioniert,
wird jetzt die Bohrung 35 und die rechte Zylinderseite 34 mit Druckfluid beschickt,
so daß der Spannkolben 7 in seine linke Umkehrpunktlage gefahren wird. Der Entspannungsvorgang
des Zylinderraumes 30 erfolgt analog wie oben für Zylinderraum 34 bereits beschrieben.
Zusammen mit dem Zylinderraum 34 ist auch der Hilfskolben 3 von seinem Zylinderraum
40 her mit Druckfluid beaufschlagt worden und nach links gefahren, wobei er jetzt
seinerseits die Feder 4 vorgespannt und den Kolben 2 mit dem Signalstift 1 in den
Ansprechbereich des Näherungsschalters 33 verschoben hat. Alle weiteren Funktionen
sind bereits oben beschrieben.
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In Fig. 2 ist ein Hohlspannzylinder gezeigt. Die Kolbenstange 7a
ist hohl, damit zu bearbeitendes Stangenmaterial durch sie hindurch zum Futter hin
zugeführt werden kann. Der Arbeitszylinder selbst ist als Tandemzylinder, d.h. mit
zwei Spannkolben 7 und entsprechend verdoppelten Spannzylinderräumen ausgeführt.
Die Fig. 2 zeigt zwei Varianten der Erfindung. In der links gezeichneten Ausführungsform
ist der Hilfskolben 2a in seinem Zylinder 31a vom Druckfluid beaufschlagt und die
Feder 4a wie oben beschrieben vorgespannt worden. In den Signalstift 1a ist ein
zylinderförmiger Permanentmagnet 46 eingesetzt, der vom Spanndruck gegen den Lamellenring
aus Dynamohlech 45 gefahren worden ist. Auf das den Lamellenring 45 jetzt durchsetzende
Magnetfeld reagiert der Magnetfeldschalter 33a und gibt die Arbeitsspindel frei.
Der Hilfskolben 2b ist in dieser Position des Spannkolbens nicht beaufschlagt. Seine
Feder 4b hat den Signalstift 1b mit seinem Magneten 47 vom Lamellenring 45 abgehoben.
Die beiden
Hilfskolben 2a und 2b werden analog den Ausführungen
nach Fig. 1 gleichzeitig mit den zugeordneten Arbeitszylinderräumen abwechselnd
über die Kanäle 29 bzw. 35 beschickt bzw. entlastet.
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Das Spanndrucküberwachungssystem kann auch, wie im rechten Teil der
Fig. 2 gezeigt, in einer Zylinderwand des Spannzylinders eingebaut werden, zwei
radial verschiebliche Hilfskolben 2c, 3c, die in Axialrichtung hintereinander angeordnet
sind, aufweisen und wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 1 bereits beschrieben funktionieren.
Hier ist allerdings im Signalstift 1c ebenfalls ein Magnet 48 eingebaut, der auf
den Lamellenring 44 aus Dynamoblech einwirkt. Der Lamellenring 44 liegt in einer
Nut um den Spannzylinder herum. Voraussetzung für diese Anordnung ist, daß der Spannzylinder
aus diamagnetischem Material besteht. Es können selbstverständlich auch mehrere
solcher Hilfszylinderanordnungen auf den Lamellenring 44 einwirken. Das Vorhandensein
oder Fehlen des Magnetfelds, das den Lamellenring 44 durchsetzt, wird hier vom nichtumlaufenden
Magnetfeldschalter 33b erfaßt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, die wiederum einen Hohlspannzylinder
betrifft, sind die Einzelheiten des Steuergehäuses nicht mehr mit dargestellt. Man
erkennt die axial zueinander versetzt mündenden achsparellelen Bohrungen 200, 202,
welche mit je einem zugeordneten Zylinderraum kommunizieren. Beide Mündungen werden
von einem Ringraum 204 überdeckt, der an der Innenseite einer mitumlaufenden und
auch axial durch einen Sprengring 206 festgelegten Ringhülse 205 ausgenommen ist.
Nach innen erweitert sich der Ringraum 204 in Axialrichtung und nimmt dort einen
O-Ring 208 auf, der in der einen axialen Endlage die Kommunikation zwischen der
Bohrung 200 und einer Druckmeßbohrung 210 in der Ringhülse 205 und in der andern
Endlage die Kommunikation zwischen der Bohrung 202 und Druckmeßbohrung 210 freigibt.
Kleine O-Ringe 212 und 214 dichten die Ringhülse 205 gegen die Kolbenstange 207
ab.
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Gleitbeweglich relativ zur Kolbenstange und damit auch zur Ringhülse
ist der Hilfskolben 220 angeordnet, der hier als Ringkolben ausgebildet und bei
222 gegen die Kolbenstange 207 und bei 224 gegen die Ringhülse 205 abgedichtet ist.
Die
Schraubenfeder 226 ist zwischen der futterseitigen Stirnwand
227 des Hilfskolbens 220 und einem Bund 228 der Ringhülse 205 eingespannt.
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In der dargestellten Betriebsuosition ist die Bohrung 200 mit Druck
beauf schlagt. Das Druckfluid hat dadurch den Ofling 208 nach linkgs verschoben,
so daß auch die Druckmeßbohrung 210 mit Druckfluid beaufschlagt wurde und den Hilfskolben
220 entgegen der Federvorspannung der Feder 226 nach links in den Erfassungsbereich
des Grenztasters 230 verschoben hat. - Wird nun der Druck am Steuergehäuse umclesteuert,
so wird die Bohrung 200 entspannt, und die Bohrung 202 mit Druck beaufschlagt. Dadurch
wird ORing 208 nach rechts gedrückt, so daß wiederum die Druckmeßbohrung 210 unter
Fluiddruck steht und der Hilfskolben 220 bis auf eine kurze Ilin- und Herbewegung
aufgrund der Federvorspannunq nicht zurückgeht. Erst bei Druckabfall infolge eines
Lecks irgendwo im umlaufenden Teil kann die Feder 226 den Elilfskolben 220 zurückdrücken,
so daß der Grenztaster 230 anspricht.
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In Fig. 4 ist ein Tandem-Hohlspannzylinder analog zu Fig. 2 dargestellt.
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Abweichend von der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist in der
Zwischenzylinderwand 100 ein Doppelrückschlagventil 101 angeordnet, das analog zu
dem in Fig. 3 beschriebenen Doppelrückschlagventil 208 funktioniert. Die Spannzylinderräume
102, 103 sind über einen Kanal 35 mit Druckmittel beaufschlagt.
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Gleichzeitig hat das Druckmittel den Ring 104 des Doppalrückschlaqventils
101 in der Zwischenzylinderwand 100 in seine linke Wnkehrpunktlaqe verschoben, weil
das Druckmittel über Bohrungen 105 in den Ringraum 106 des Doppelrückschlagventils
101 eingeströmt ist. Die Zwischenzylinderwand 100 dichtet sich gegenüber der Sparinkolbenstange
7a mittels zweier Ringe 107 ab. Zwischen den ORingen 107 ist eine Nut 108 in der
Zwischenzylinderwand 100 angeordnet, in die vom Doppelrückschlagventil 101 über
eine Bohrung 109 Druckmittel geströmt ist. Von der Ringnut 108 ist das Druckmittel
über Bohrungen 110 in Hilfszylinderräume 111 geströmt und hat federbelastete Hilfskolben
2 beaufschlagt und dem jeweils eingesteuerten Spanndruck entsprechenddie Hilfskolben
2 nach rechts verschoben. Die Kolbenstangen 113 der Ffilfskolben 2 greifen an einem
außerhalb des Spannzylinders befindlichen ringförmigen Joch 114 an, das aus fertigungstechnischen
Gründen schwimmend auf den Kolbenstangen 113 gelagert ist. Das Joch 114 fährt in
den Ansprechbereich eines Grenztasters 33 und funktioniert entsprechend Stift 1
von Fig. 1. Es ist zweckmäßig, wegen des großen Durchmessers des Jochs 114 wenigstens
drei Hilfskolben 2 vorzusehen. Beim Umsteuern des Spannzylinders werden die Zylinderräume
102, 103 über die Bohrung 35 entspannt, gleichzeitig strömt Druckmittel über die
Bohrung
29 in die Zylinderräume 102', 103'. Zur gleichen Zeit verschiebt das Druckmittel
weiterhin über die Bohrungen 105' des Doppelrückschiagventils 101 dessen 0-Ring
104 in seine entgegengesetzte Umkehrpunktlage.
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Der ORing 104 hat dabei die Bohrung 109 überfahren und die Hilfskolben
2 werden entsprechend von den Zylinderräumen 102', 103' beaufschlagt.