DE3024150C2 - Hydrostatisch entlasteter Führungsmechanismus für eine Maschine - Google Patents
Hydrostatisch entlasteter Führungsmechanismus für eine MaschineInfo
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Description
servergrößerten Teil der Ventilbohrung angeordnet ist
and mit dieser einen den Sensorrückdruck aufnehmenden Druckraum bildet Eine weitere Druckkammer ist
zwischen einem mittleren Kolbenbereich und der zweiten endseitigen kolbenartigen Verdickung gebildet; diese
Druckkammer nimmt den vollen Druck des Druckmediums auf und bildet gleichzeitig Steuerkanten in
Verbindung mit dem zweiten endseitigen Kolben, um aus der mittleren Druckkammer das Druckmedium entsprechend
geregelt mit niedrigerem Druck zu den Gleitflächen dfci hydrostatischen Lagers zu entlassen. Dabei
dient der mittlere verjüngte Kolbenteil lediglich als Drucksperre für den zentralen Druckraum des Regelventils
und verhindert, daß eine gegenseitige Beeinflussung von Rückdruck und hohem Vorratsdruck über den
ersten, vergrößerten endseitigen Kolben erfolgt Daher ist auch die andere Seite des auf der einen Seite mit dem
Sensorrückdruck beaufschlagten vergrößerten Kolbens gegenüber der Atmosphäre entlüftet Bei diesem bekannten,
allerdings voll entlasteten hydrostatischen Führungsmechanismus ist der Aufbau des erforderlichen
Regelventils kompliziert und macht eine Vielzahl von Reibungseinflüssen unterworfenen Gleitflächen im
Ventilbereich erforderlich. Die vollständig lose Lagerung des Ventilschiebers mit seinen verschiedenen kolbenartigen
Verdickungen ergibt Undefinierte Anfangsbedingungen; außerdem müssen zur Erzeugung eines
zur Ausbalancierung des Regelventils erforderlichen Rückdrucks gesonderte Hilfsgleitlager vorgesehen sein,
die einen besonders hohen Bearbeitungsstandard aufweisen. Während die Rückdruckgewinnung nur über
diese Hilfsgleitlager erfolgt, wird das die Druckentlastung der Gleit- oder Führungsflächen bewirkende
Druckmittel im gesamten Bereich der sich gegenüberliegenden Gleitflächen zugeführt. Es ist nicht auszuschließen,
daß sich durch diese Trennung in mit dem Primärdruck beaufschlagte Flächen und in die Rückdruckzuführung
steuernde Flächen Ungleichmäßigkeiten ergeben, insbesondere, wenn elastische Deformationen
auftreten, die bei größeren Führungsflächen auftreten können, bei sehr hochgenau arbeitenden Maschinen
aber zu Genauigkeitsproblemen führen können.
Ein weiterer lastkompensierter Führungsmechanismus ist aus der JP-A 2 54-12 6850 bekannt und führt
aufeinandergleitenden Führungs- und Gleitfiächen einer stationären Basis und eines beweglichen Maschinenteils
über ein Druckregelventil Druckluft zu. Auch hier erfolgt eine Einstellung auf sich ändernde Belastungen
durch Auswertung eines Rückdrucks. Die Steuerung der Druckluftzufuhr im Primärbereich der Gleitflächen
erfolgt über eine im Druckregelventil angeordnete Membran, mit welcher ein Ventilglied fest verbunden
ist. Das Ventilglied ist so ausgebildet, daß es als Tellerventil lediglich eine Druckzufuhr freigeben oder
sperren kann, wobei der einen Seite der mit dem Ventilglied verbundenen Membran der Rückdruck unmittelbar
und der anderen Seite über eine Parallel- und Reihenschaltung von Drosseln zugeführt ist. Ferner ist eine
Vorspannungsfeder für die Membran vorgesehen. Bei einem solchen Druckregelventil können sich, wie Untersuchungen
ergeben haben, Unregelmäßigkeiten in der Primär-Druckluftsteuerung deshalb ergeben, weil Unterschiede
in der jeweiligen Federkonstanten der Membranvorspannungsfeder, Unterschiede aufgrund des
wegproportionalen Kraftanstiegs im Federbereich und Undefinierter Druckverhältnisse im Bereich des Tellerventils
dazu führen, daß Laständerungen zwar in Richtung einer Kompensation aufgefangen werden, jedoch
gegebenenfalls so unterschiedlich, daß konstante Abstände zwischen den aufeinandergleitenden Flächen
über einen weiten Lastbereich nicht erzielt werden können.
Ein weiteres schwerwiegendes Problem dieses bekannten Führungsmechanismus besteht darin, daß die
übliche Verwendung einer Vieizahl solcher Druckregelventile — bei entsprechend großen Fühmngsflächen —
Unterschiede in der primären Druckzutührung bewirkt,
ίο so daß das bewegliche Maschinenteil einseitig ins Hängen
kommen kann und hierdurch auch elastische Deformationen sowie unterschiedliche Reibungseinflüsse auftreten
können. Daher ist bei sehr hochgenau arbeitenden Werkzeugmaschinen dann eher ein völliger Verzieht
auf lastkompensierte Führungsmechanismen sinnvoll
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten, aus der GB-PS 9 06 818 bekannten
lastkompensierten Führungsmechanismus so zu verbessern, daß eine schnelle, reibungsfreie Reaktion des oder
der Druckregler eine einwandfreie und gleichmäßige, hochgenaue primäre Druckmediumsteuerung sicherstellt
vorzugsweise unter optimierten Rückdruckgewinnungs-Bedingungen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den
Vorteil, daft bei unkompliziertem Aufbau des Druckregelventils lediglich ein in einer durchgehend einen konstanten
Durchmesser aufweisenden Ventilbohrung gleitender Ventilschieber vorgesehen ist, der an seinem einen
Endbereich an einer Membran befestigt, von dieser gehalten und angetrieben ist Die Membran ist beidseitig
druckbeaufschlagt und daher unter Verzicht auf eine gesonderte Federvorspannung sicher und definiert gehalten.
Vorteilhaft ist ferner, daß die Steuerkanten Ventilschieber/Ventilbohrung
unmittelbar den Einlaßbereich des unter hohem Druck der Druckvorratsquelle stehenden
Druckmediums einer Regelung unterwerfen, so daß sich im ganzen Bewegungsbereich des Ventilschiebers
lediglich geregelte Drücke auswirken können und eine unmittelbare Beaufschlagung der der membranangetriebenen
Stirnseite gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilschiebers zugeordneten Druckkammer durch einen
internen Verbindungskanal im Ventilschieber möglich ist.
Da die Regelung des den Gleitflächen zugeführten Primärdrucks unabhängig von Federeinflüssen, Reibungseinflüssen
im Bereich des Regelventils und sonstigen Alterungseinflüssen ist, gelingt es auch bei Anordnung
mehrerer Druckregler mit jeweils eigenen Rückdrucksensoren, eine vollkommen gleichmäßige Primärdrucksteuerung
über den gesamten Flächenbereich zu erreichen und sicherzustellen, daß sich weder ein Hängen
noch eine elastische Deformation des beweglichen Maschinenteils ergeben können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Führungsmechanismus möglich Besonders vorteilhaft
ist die Rückdruckgewinnung dadurch, daß in einem vorgegebenen Abstand zur Luftausflußöffnung im Bereich
der Rückdruckerzeugung eine definierte, über einen Kmal entlüftete Entlüftungsöffnung angeordnet ist.
Hierdurch wird vermieden, daß der Rückdruckaufbau unbestimmt durch Abfluß des Druckmediums über die
Randbereiche der aufeinandergleitenden Flächen erfolgt, die sich je nach Position auch ändern können.
Durch die Verwendung eines praktisch rückstellfreien Gummiinaterials für die Membran ergeben sich beeinflussungsfreie
und konstante Verstärkungseigenschaften jedes eingesetzten Druckregelventils.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen die
Fig. la bis Ie vergrößerte und zum Teil schematische
Darstellungen des Verlaufs von Kontaktflächen an der Führungsfläche der Maschinenbasis bzw. am beweglichen
Maschinenteil, welches auf dieser gleitet, wobei auch Formen bekannter Führungsmechanismen dargestellt
sind,
F i g. 2 in sch ematischer Darstellung und teilweise im
Schnitt eine Ausführungsform eines lastkompensierten
FührungsmechanismuS, der beliebigen maschinen mit
Gleitfunktionen zugeordnet werden kann,
Fig.3 eine schematische Darstellung entsprechend
dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2, jedoch in einem Zustand, bei welchem auf dem beweglichen Maschinenteil
eine Last einwirkt,
F i g. 4 eine Draufsicht auf die Gleitflächen eines Maschinensattels,
der so ausgebildet ist, daß er in Form eines lastkompensierten erfindungsgemäßen Führungsmechanismus einen beweglichen Maschinenteil sicher
und genau zur Durchführung einer Gleitbewegung lagert, und die
F i g. 5 in Form eines Diagramms den Verlauf des erforderlichen Antriebsmomentes bei einem erfindungsgemäßen
Führungsmechanismus, verglichen mit einem Führungsmechanismus herkömmlicher Art wenn sich
eine Änderung in der Belastung des beweglichen Maschinenteils erg ibt.
In den F i g. 1 a bis 1 e sind verschiedene Kontakt- oder Berührungszustände eines beweglichen Maschinenteils
9a und einer Fiiihrungs- oder Gleitfläche 8a, jeweils im größeren MaßiStab, dargestellt, wobei der bewegliche
Maschinenteil 1Sa auf der Führungsfläche 8a gleitet. Im
allgemeinen ist bei entsprechenden Maschinen entweder die Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils
9a oder die Führungsfläche 8a die Oberfläche, die in der
üblichen Weise: Härtungs- und Vergütungsarbeitsgängen unterworfen wird, während die andere Fläche in der
bekannten Weise geschabt wird. Bei der Darstellung der Fi g. la bis Ie handelt es sich bei der Kontaktfläche des
beweglichen Maschinenteils 9a um die erwähnte geschabte Oberfläche, während die Kontaktfläche der
Führungsfläche 8a geschliffen, vergütet und gehärtet ist. Daher verfügt die Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils
9a über eine Vielzahl von Vorsprüngen, während andererseits die Kontaktfläche der Führungsflächc
Sä glaii iiifid häri isL Wenn jcdüCh beim Betrieb
der bewegliche: Maschinenteil 9a wiederholt auf der Führungsfläche 8a gleitet, pressen sich die Vorsprünge
der Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils 9a gegen die harte Kontaktfläche der Führungsfläche 8a
unter der Wirkung sowohl des Gewichtes des beweglichen Maschinenteils selbst als auch einer zusätzlichen
Belastung, die sich am beweglichen Maschinenteil 9a ergibt Als Folge davon ergibt sich eine allmähliche und
elastische Deformierung der Vorspränge in abgeflachte Vorsprünge. Be:i einem üblichen, in Fig. ie gezeigten
Führungsmechamismus vom dynamischen Drucktyp v/erden während der Gleitbewegung des beweglichen
Maschinenteils 9a das Gewicht dieses Maschinenteils und die gesamte, sich auf dieses Maschinenteil auswirkende
weitere Belastung direkt von den Vorsprüngen der Kontaktfläche des bewglichen Maschinenteils 9a
getragen. Bei dem in Fig. la gezeigten Führungsmechanismus vom üblichen statischen Drucktyp befindet
sich ein unter Druck stehendes Fluidum oder Druckmedium zwischen den Kontaktflächen des beweglichen
Maschinenteils 9a und der Führungsflächen 8a, so daß das bewegliche Maschinenteil 9a über die Kontaktfläche
der Führungsfläche 8a vom statischen Druck des unter Druck stehenden Fluidums angehoben ist. Daher
ergibt sich in diesem Fall keine direkte Berührung zwisehen der Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils
9a und der Kontaktfläche der Führungsfläche 8a. Bei dem in den F i g. 1 b bis Id gezeigten lastkompensierten
Führungsmechanismus wird ein unter Druck stehendes Fluidum verwendet, welches zwischen die Kontaktflächen
des beweglichen Teils 9a und der Flührungsfläche Sa eingeführt ist, so daß der statische Druck dieses
Fluidums auf den beweglichen Maschinenteil 9a eine Hebekraft (lifting force) ausübt, die kleiner ist als die
Summe der Gewichte des Maschinenteils 9a und der sich auf dieses Maschinenteil auswirkenden Belastung
und die sich in einer Richtung senkrecht zur Kontaktfläche der Führungsfläche 8a auswirkt. Daher ergibt sich
während einer Gleitbewegung des beweglichen Maschinenteils 9a ein partieller direkter Kontakt zwischen der
Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils 9a und der Kontaktfläche der Führungsfläche 8a. Als Folge
hiervon wird das obenerwähnte Gesamtgewicht des beweglichen Maschinenteils 9a und der senkrechten, auf
dieses Maschinenteil einwirkenden Belastung sowohl von dem unter Druck stehenden Fluidum als zuch von
der Führungsfläche 8a getragen. Der Verlauf der Fig. Ib stellt den Fall dar, bei welchem der statische
Druck des Fluidums vergleichsweise groß und die von der Führungsfläche 8a auf den beweglichen Maschinenteil
9a direkt ausgeübte Tragekraft vergleichsweise gering ist Daher ist auch das Ausmaß der elastischen Verformung
δ 1 der Vorsprünge der Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils 9a ebenfalls gering. Andererseits
zeigen die F i g. Ic und Id zwei Fälle, bei denen der
statische Druck des Fluidums vergleichsweise gering und daher die Tragekraft der Führungsfläche 8a relativ
groß ist. In den Fällen der Fig. Ic und Id ist daher das
Ausmaß der elastischen Verformungen δ 2 und δ 3 der Vorsprünge der Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils
9a vergleichsweise groß. Darauf hinzuweisen ist, daß im Fall des dynamischen Drucktyp-Führungsmechanismus
der Fig. Ie das Ausmaß der elastischen
Verformung δ 4 der Vorsprünge der Kontaktfläche des beweglichen Maschinenteils 9a vergleichsweise
groß ist, verglichen mit dem lastkompensierten Führungsmechanismus, wie in den F i g. 1 b bis 1 d gezeigt Im
folgenden wird ein Ausfuhrungsbeispiel vorliegender Erfindung in Form eines lastkompensierten Führungsmechanismus
anhand der Darstellung der F i g. 2 genauer erläutert In der Darstellung der F i g. 2 ist ein beweglicher
Maschinenteil 13 auf einer Führungsfläche einer Maschinenbasis 11 so montiert, daß der bewegliche Maschinenteil
auf dieser Führungsfläche gleiten kann. Der bewegliche Maschinenteil 13 verfügt über eine Gleitfläehe,
in welche eine Mündung 15 für ein Fluidum und ein Zufuhrdurchlaß 17 für das Fiuidum eingeformt sind, so
daß ein unter Druck stehendes Fluidum oder Druckmedium, welches im allgemeinsten Fall ein Gas oder eine
Flüssigkeit sein kann, durch den Durchlaß 17 und die Mündung 15 gegen die Führungsfläche der Maschinenbasis
11 strömen kann. Die Gleitfläche des beweglichen Maschinenteils 13 ist weiterhin noch mit einer Öffnung
19 für den Zufluß des Druckmediums und einem Zu-
fuhrdurchlaß 21 für dieses ausgestattet, wobei der Durchlaß 21 in die öffnung 19 einmündet. In der Gleitfläche
des beweglichen Maschinenteils 13 befinden sich schließlich noch eine Auslaßöffnung 23 für das Druckmedium
und ein Durchlaß 25, dessen eines Ende mit der Auslaßöffnung 23 verbunden und dessen anderes Ende
zur Atmosphäre entlüftet ist. Die öffnung 19 und der Durchlaß 21 für das Druckmedium sind vorgesehen, um
eine geringe vertikale Verschiebung des beweglichen Maschinenteils 13 von der Führungsfläche der Maschinenbasis
11 dadurch festzustellen, daß eine Veränderung im Rückdruck des unter Druck stehenden Druckmediums
erfaßt wird. Mit anderen Worten, es wird ein unter Druck stehendes Druckmedium mit einem voreingestellten
Druck von außen zugeführt, wobei dann die-
rÄ„ r\„ ι «j: j u j r\.. ui«o *** J -j:~ /\ff
9iV3 i-/l UVlVIIl^UIUlll UUIUI UUll L*rUI l*lliaiJ Xl UHU UlC WiI-nung
19 gegen die Führungsfläche der Basis 11 strömt. Die Auslaßöffnung 23 ist dabei so angeordnet, daß sie
die öffnung 19 umgibt, beispielsweise ringförmig. Daher tritt das unter Druck stehende und aus der öffnung 19
strömende Druckmedium durch die Auslaßöffnung 23 und durch den Durchlaß 25 in die Atmosphäre über. Die
weiter oben ewähnte Einmündung 15 für das Druckmedium erhält dabei das Druckmedium von einer Quelle 51
über einen Druckregler 29 und den erwähnten Zufuhrdurchlaß 17 zugeführt Der Druckregler 29 regelt verstärkt
oder reduziert dabei den Druck des Druckmediums. Der jeweilige Druck wird von einem Druckanzeiger
oder Druckmeßgerät 57 angezeigt Die das Druckmedium enthaltende Druckquelle 51 oder der
Vorratsbehälter 51 führt ebenfalls der öffnung 19 das unter Druck stehende Druckmedium über einen Druckregler
55 und den Zufuhrdurchlaß 21 zu. Dabei wird der Druck dieses der öffnung 91 zugeführten Fluidums auf
einen vorgegebenen Druckwert Pso durch eine entsprechende Regulierung des Druckreglers 55 eingestellt.
Der Druckregler 29 verfügt über ein Gehäuse 31, in welchem zwei durch eine Membran oder ein Diaphragma
37 getrennte Druckräume 33 und 35 für das Druckmedium gebildet sind. Der Druckraum 33 weist eine
Öffnung 33a auf, in dem Druckraum 35 befindet sich eine Öffnung 35a. Das Gehäuse 31 nimmt einen Ventilschieber
39 auf, dessen oberes Ende an der Membran 37 befestigt ist und der so ausgebildet ist daß er in einer
Ventilbohrung 49 eine axiale Verschiebebewegung durchführen kann, und zwar als Folge einer Membranverschiebung.
Die Ventilbohrung 49 verfügt über einen abgeschlossenen Bodenteil. Unterhalb des unteren freien
Endes 45 des Ventilschiebers 39 befindet sich eine zweite Druckkammer 49a, gebildet von den Seitenwänden
der Ventilbohrung 49 und deren Boden. Der Ventilschieber 33 ist so ausgebildet, daß sein miulerer Bereich
über eine Verengung oder ringförmige Ausnehmung 41 mit einem geringeren Durchmesser verfügt Auf diese
Weise wird zwischen der Ausnehmung 41 des Ventilschiebers 39 und der Seitenwand der Ventilbohrung 49
eine erste Druckkammer 47 gebildet. Die Druckkammer 47 ist mit der schon erwähnten unteren oder zweiten
Druckkammer 49 über einen Durchlaß oder Verbindungskanal 43 im Ventilschieber 39 verbunden. Das Gehäuse
31 ist weiterhin so ausgebildet, daß es über einen Einlaßkanal 47a und einen Auslaßkanal 47b verfügt, die
beide bis zur Ventilbohrung 49 geführt sind. Das auf einen vorgegebenen Dmckwert P0 eingestellte, unter
Druck stehende Fluidum gelangt dann von der Quelle 51 in die Kammer 47, und zwar über den Einlaßkanal
47a. Dabei ist der Einlaßbereich des Einlaßkanals 47a, der sich zur Ventilbohrung 49 öffnet, so ausgebildet, daß
er von dem Ventilschieber 39 im Übergang entweder verschlossen oder geöffnet sein kann. Das heißt mit anderen
Worten, daß sich der Einlaßbereich des Einlaßkanals 47a als Folge der Gleitbewegung des Ventilschiebers
39 verändert. Das unter Druck stehende, durch den Einlaßkanal 47a in die Ventilbohrung 49 strömende
Druckmedium wird daher einer sogenannten Drosselwirkung unterworfen, und zwar durch die Gleitbewegung
des Ventilschiebers 39. Das in die Ventilbohrung
ίο 49 einfließende Druckmedium wird dann zum beweglichen
Maschinenteil 13 weitergeführt, und zwar über die Kammer 47, den Auslaßkanal 47b und eine Verbindungsleitung,
die den Druckregler 39 und den beweglichen Maschinenteil 13 verbindet. Der Ventilschieber 39
weist außerdem angrenzend zur Ausnehmung 41 eine sich verjüngende, also konisch zulaufende Veniilfiächt:
41a auf. Dieser sich verjüngende Stegbereich 41a ist in der Weise wirksam, daß er allmählich den Öffnungsbereich
des Einlasses des Einlaßkanals 47a verändert. Auf diese Weise lassen sich eine plötzliche Änderung im
Öffnungsbereich des Einlaßkanals 47a und entsprechende Drucksprünge vermeiden.
Alternativ ist es aber, falls erforderlich, möglich, die sich allmählich verjüngende Ventilfläche 41a des Steuerschiebers
39 auch durch einen abgetreppten Ventilbereich zu ersetzen, der dann in der Weise wirksam ist, daß
sich ein plötzlicher Änderungszustand im Öffnungsbereich des Einlaßkanals als Folge der Gleitbewegung des
Ventilschiebers 39 ergibt. Die Membran 37, die die beiden Druckräume 33 und 35 trennt, besteht bevorzugt
aus einem gummiartigen, dünnen Material, einem Film od. dgl. mit einer vergleichsweise geringen Federkonstanten.
Die Gleitbewegung des Ventilschiebers 39 ist weiterhin durch Anschläge 50a und 50fc begrenzt, die an
beiden Enden des Ventilschiebers 39 angeordnet sind, wie die Zeichnung zeigt Daher ist auch die Membranbewegung
auf ein entsprechendes Ausmaß begrenzt, so daß eine Beschädigung oder ein Bruch der Membran 37
vermieden wird und diese dagegen geschützt ist Bei dem in F i g. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen
die Anschläge 50a und 50b aus Schrauben, die einstellbar
in das Gehäuse 31 an Stellen eingeschraubt sind, die den beiden Enden des Ventilschiebers 39 gegenüberliegen.
Das Gehäuse 31 ist weiterhin mit einer ringförmigen Nut 40 — im Bereich der Ventilbohrung 49 — und
einem Durchlaß 40a ausgestattet, dessen inneres Ende an die ringförmige Nut 40 anschließt und dessen äußeres
Ende zur Atmosphäre entlüftet ist. Die ringförmige Nut 40 und der Durchlaß 40a sind zwischen dem Druckraum
35, der mit dem auf einen Druckwert Ps ι eingestellten
Druckmedium gefüllt ist, und dem Druckraum *7 ängcüruiici, ucr äiigciüiit iSt ΓΠϊΐ ucfPi üiltcf LyPuCiC
stehenden Druckmedium bei einem Druckwert von Pr.
Daher kann das Druckmedium, welches entweder vom Druckraum 35 oder dem Druckraum 37 in den Gleitkontaktbereich
zwischen dem Ventilschieber 39 und der Seitenwand der Ventilbohrung 49 einleckt, über die Nut
40 und den Durchlaß 40a zur Atmosphäre abfließen. Eine einwandfreie und weiche Gleitbewegung des Steuerschiebers
39 in der Ventilbohrung 49 ist somit sichergestellt
Bei diesem Druckregler 29 wird dem Druckraum 35 ein unter Druck stehendes Druckmedium mit einem
Druckwert von Ps ι über eine entsprechende Einmündung,
eine Zuflußleitung 35a und einen Druckregler 53 zugeführt Der Kammer 47 wird über den Einlaßkanal
47a das Druckmedium mit einem Druckwert P0 zugeführt
Dabei wird das dieser Kammer 47 zugeführte
Druckmedium der Drosselwirkung des Ventilschiebers 39 unterworfen, so daß sich eine Änderung des Druckwertes von Po auf Pr ergibt. Anschließend gelangt dann,
wie schon erwähnt, aus der Kammer 47 das Druckmedium zur Auslaßmündung 15 des beweglichen Maschinenteils
13, und zwar über den Auslaßkanal 476, vorbei am Druckanzeiger 57 zur Verbindungsleitung und dann
zum Zufuhrdurchlaß 17. Außerdem wird das unter Druck stehende Druckmedium in der ersten Kammer 47
der zweiten Kammer 49a zugeführt, und zwar durch den Durchlaß 43 im Steuerschieber 39. Schließlich gelangt
von der Quelle 51 unter Druck stehendes Druckmedium mit einem Druckwert von Pso zur öffnung 19 im beweglichen
Maschinenteil, und zwar über den Druckregler 55, eine Zuflußleitung und den Zufuhrdurchlaß 21.
Dieses auf dem Druckniveau P$n stehende Druckmedium wird über eine Verbindungsleitung, die von der die
Quelle 51 mit dem Durchlaß 21 verbindenden Leitung abzweigt, auch dem Druckraum 33 zugeführt, der einseitig
von der Membran abgeschlossen ist
Es ergibt sich dann die folgende Funktion des ersten Ausführungsbeispiels eines lastkompensierten Führungsmechanismus
entsprechend der Darstellung der Fig. 2.
Zunächst wird festgelegt, welchen Prozentsatz des Gewichtes W des beweglichen Maschinenteils 13 von
dem statischen Druck des unter Druck stehenden Druckmediums getragen werden soll, welches zwischen
der Gleitfläche des beweglichen Maschinenteils 13 und der Führungsfläche der Maschinenbasis 11 zugeführt
wird. Unter der Annahme, daß 50% des Gewichtes des beweglichen Maschinenteils 13 von dem statischen
Druck getragen werden sollen, ergibt sich, daß die restlichen 50% des Gewichtes direkt von der Führungsfläche
der Maschinenbasis 11 übernommen werden. Anschließend
wird dann der tatsächliche Druckwert oder Istdruckwert Pr des Druckmediums durch Rechnung bestimmt,
so daß das Produkt der effektiven, den Druck aufnehmenden, an die Einmündung 15 angrenzenden
Fläche und des tatsächlichen Druckwertes Pr gleich ist
der Hälfte des Gewichtes W des beweglichen Maschinenteils 13. Anschließend wird nach Berechnung dieses
tatsächlichen Druckwertes Pr von Hand die Einstellung
der Druckregler 53 und 55 so vorgenommen, daß die Position des Ventilschiebers 39 in der Ventilbohrung 49
eingestellt wird und der Druckanzeiger 57 den Druckwert Pr anzeigt. Nach Vollendung dieser manuellen Einstellungen
der Druckregler 53 und 55 läßt sich die folgende Gleichung (1) erstellen.
Maschinenbasis 11 aufgrund der elastischen Deformation
der Vorsprünge der Gleitfläche des beweglichen Maschinenteils 13. Als Folge davon verändert sich der
Rückdruck des Druckmediums, welches der öffnung 19 zugeführt wird, vom Wert PSo auf den Wert Pso+APso-Das
bedeutet, daß auch der Druck des sich im Druckraum 33 befindlichen Fluidums auf den Wert Pso + APSo
ändert. Dementsprechend ergibt sich dann, wie in F i g. 3 gezeigt, eine Verschiebung der Membran 37 in Richtung
ίο auf den Druckraum 35 bei gleichzeitiger abwärts gerichteter
Gleitbewegung des Ventilschiebers 39. Der Öffnungsbereich bezüglich des Einlaßkanals 47a in die
Kammer 47 wird daher vergrößert, und dementsprechend ergibt sich auch eine Erhöhung des Druckes des
in die Kammer 47 einströmenden Druckmediums vom bisherigen Wert Pr auf den Wert Pr+APr. Hieraus folgt,
daß der Einmündung 15 des beweglichen Maschinenteils 13 nunmehr ein Druckmedium mit dem Druckwert
Pr+JPr zugeführt wird. Der Druckregler 29 führt durch
diese Änderung daher nunmehr zu der folgenden Gleichung (2).
Pso ■ A1
rs ι
A2 + Pr- A3
wobei Ai eine wirksame Fläche der Membran 37 auf der
Seite des Druckraums 33 und A2 eine wirksame Fläche
der Membran 37 auf der Seite des Druckraums 35 darstellt (A2 ist kleiner als Ai, und zwar um die Größe des
Querschnittsbereiches des Ventilschiebers 39); A3 ist eine
wirksame Fläche des freien Endes des Ventilschiebers 39. Die obige Gleichung (1) umfaßt nicht den auf
die Federkraft der Membran 37 zurückgehenden Term, da die Federkonstante der Membran sehr klein ist und
daher vernachlässigt werden kann.
Unter der Annahme, daß eine zusätzliche Belastung 27 (diese Belastung ist mit A ^bezeichnet) dem beweglichen
Maschinenteil 13, wie in Fig.3 gezeigt, hinzugefügt
wird, bewirkt diese zusätzliche Belastung 27 eine Änderung der Vertikalverschiebung des beweglichen
Maschinenteils 13 mit Bezug auf die Führungsfläche der (Pso + AP30) -A1 = P51-A2 +(Pr
A3 (2)
Aus den erwähnten Gleichungen (1) und (2) ergibt sich dann die folgende Gleichung
Pr = ^- · AP50
Aus dieser Gleichung (3) kann man entnehmen, daß der Druckregler 29 in der Lage ist, den verstärkten
Druck APr zu erzeugen, der A1M3 mal der geringen
Druckänderung APso im Rückdruckbereich entspricht.
Der verstärkte Druck APr ist ausreichend, um die zusätzliche
Belastung A W aufzunehmen und zu tragen. Es ergibt sich daher dann, wenn dem Gewicht W des beweglichen
Maschinenteils 13 eine zusätzliche Belastung AW hinzugefügt wird, daß der Druckregler 29 im statisehen
Druck des unter Druck stehenden Druckmediums eine Druckänderung um APr erzeugt, so daß sich auf
diese Weise eine Kompensation für die zusätzliche Belastung ergibt. Es ist daher möglich, die direkte Lagerung
des Gewichtes des beweglichen Maschinenteils 13 durch die Führungsfläche der Maschinenbasis 11 auf
einem Wert aufrechtzuerhalten, der der Hälfte des Gewichtes W des beweglichen Maschinenteils 13 entspricht,
wie weiter vorn beschrieben und anfänglich eingestellt. Mit anderen Worten, der Druckregler 29 arbeitet
so, daß die direkte Lagerung des beweglichen Maschinenteils 13 durch die Führungsfläche der Maschinenbasis
11 stets auf einem konstanten Wert aufrechterhalten wird, unabhängig davon, ob sich Änderungen in
der Belastung des beweglichen Maschinenteils 13 ergeben. Daher gelingt es auch, die Reibungskraft, die zwischen
der Gleitfläche des beweglichen Maschinenteils 13 und der Führungsfläche der Maschinenbasis 11 wirkt,
zu allen Zeiten konstant zu halten. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Verstärkungsrate
A1/A3 des Druckreglers 29 sich bestimmt aus der effektiven Fläche Ai der Membran 37 und der effektiven
Fläche A3 des freien Endes des Ventilschiebers 39. Daher ist es möglich, irgendeine Verstärkungsrate des
Druckreglers 29 dadurch zu bestimmen, daß man in geeigneter Weise die effektive Fläche der Membran 37
und die effektive Fläche des unteren freien Endes des Ventilschiebers 39 bestimmt beim gegebenen Stand des
Druckreglers 29. Daher ist auch Entwurf und Ausfüh-
rung des Druckreglers 29 vergleichsweise einfach.
Der Darstellung der F i g. 4 läßt sich der Fall entnehmen, bei welchem der der Erfindung zugrunde liegende,
lastkompensierte Führungsmechanismus auf ein Maschinenzentrum angewendet wird, bei dem ein Sattel 5
mit einer Führungsfläche vorhanden ist, auf welcher ein Werkstücktisch gleitend gelagert ist. In F i g. 4 bezeichnen
61 und 63 ein Paar geschabter Führungsflächen des Sattels. Mit 65 ist ein unterer Teilbereich bezeichnet, der
zwischen den beiden geschabten Führungsflächen 61 und 63 angeordnet ist Der nicht dargestellte Werkstücktisch
gleitet auf den Führungsflächen 61 und 63 des Sattels beispielsweise in der A'-K.oordinatenrichtung.
Die geschabten Führungsflächen 61 und 63 sind ausgebildet mit acht Mündungen 67a bis 67/? für das unter
Druck stehende Druckmedium, durch welche dieses zugeführt wird, um das Gewicht des Werkstück- oder Arbeitstisches,
wie er im folgenden lediglich noch genannt wird, zusammen mit der auf diesem abgelegten oder
befestigten Last zu tragen; außerdem sind Offnungen mit zugeordneten Auslaßöffnungen 69a bis 69/vorhanden.
Die Zufuhröffnungen werden dazu benutzt, um das Druckmedium zuzuführen, damit eine Veränderung in
der vertikalen Verschiebung des Arbeitstisches mit Bezug auf die Führungsflächen 61 und 63 festgestellt werden
kann. Mit 71 und 73 sind schließlich noch ein Schmiermittel, beispielsweise also öl führende Nuten
bezeichnet, die ein Schmieröl zwischen die Gleitfläche des Arbeitstisches und die Gleitflächen 61 und 63 zuführen.
Die Anordnung der Einmündungen für das unter Druck stehende Druckmedium für die Zufuhröffnungen
und für die Auslaßöffnungen und die ölnuten sind in geeigneter Weise so ausgelegt, daß sich eine konstante
und niedrige Gleitreibung des Arbeitstisches auf den Sattel in einwandfreier und zuverlässiger Weise erreichen
läßt
Es versteht sich, daß die Gleitflächen des Arbeitstisches, die auf die geschabten Führungsflächen 61 und 63
gerichtet sind, als gehärtete und geschliffene flache Oberflächen ausgebildet sind. Darüber hinaus werden
im Falle des in F i g. 4 gezeigten lastkompensierten Führungsmechanismus mit den beiden Führungsflächen 61
und 63 des Sattels sechs Druckregler 29 (entsprechend der Darstellung der F i g. 2 und 3) verwendet, und zwar
in sechs Kombinationen der einander jeweils zugeordneten Einmündungen für das Druckmedium, Zuflußöffnungen
und Abflußöffnungen, wie folgt: 67a und 69a, 67 b, 67c und 696,67 d und 69c, 67e und 69c/, 67 f, 67g und
69eund67/?und69/.
Im folgenden werden noch die Ergebnisse eines Versuchs dargestellt die die vorteilhafte Wirkung vorliegender
Erfindung ir. der Praxis zeigen.
Bei dem Experiment wird ein Arbeitstisch mit einem Gewicht von 520 Kilogramm und einem Sattel verwendet,
der eine Führungsfläche aufweist, auf welcher der Arbeitstisch gleiten kann. Anfänglich wird der statische
Druck des unter Druck stehenden Druckmediums so ausgewählt, daß er die Hälfte des Arbeitstischgewichtes
trägt d. h. also 260 Kilogramm. Das von der Quelle 51 (s. die F i g. 2 und 3) dem Druckregler 29 zugeführte FM-dum
war Luft mit einem Druckwert von 5 kg/cm2. Während des Versuchs konnte eine Änderung in der zwischen
der Gleitfläche des Arbeitstisches und der Führungsfläche des Sattels wirkenden Reibungskraft dann
gemessen werden, wenn die Belastung des Arbeitstisches
einer Änderung unterworfen wurde. Die Messung der Änderung der Reibungskraft wurde in zwei Fällen
durchgeführt wobei in einem Fall der lastkompensierte Führungsmechanismus vorliegender Erfindung verwendet
wurde, während im anderen Fall eine nicht lastkompensierte Ausführungsform eines Führungsmechanismus
verwendet wurde. In der Darstellung der F i g. 5, in welcher die Abszisse die Belastungsänderung und die
Ordinate eine Änderung im Antriebsmoment darstellt, die erforderlich ist, um die Gleitbewegung des Arbeitstisches
zu bewirken, sind die Ergebnisse dieser Messung dargestellt. Der Darstellung der F i g. 5 läßt sich eindeutig
entnehmen, daß dann, wenn ein lastkompensierter Führungsmechanismus verwendet wird, die der Reibungskraft
entsprechende Antriebskraft nahezu vollständig konstant gehalten werden kann, selbst dann,
wenn die dem Arbeitstisch auferlegte Belastung erheblichen Änderungen unterworfen ist. Daher ist es auch
möglich, die Gleitbewegung des Arbeitstisches genau und gleichmäßig durchzuführen. Darüber hinaus ergeben
sich noch die folgenden Vorteile bei vorliegender Erfindung.
1) Im Falle, daß eine Vielzahl von Druckreglern 29 (F i g. 2 und 3) verwendet werden und in der gesamten
Führungsfläche der stationären Basis oder in der gesamten Gleitfläche des beweglichen Maschinenteils
eine Vielzahl von Auslaßoffnungen in entsprechender Verteilung angeordnet sind, ist das bewegliche
Maschinenteil in der Lage, eine sehr gleichmäßige Gleitbewegung durchzuführen, selbst
dann, wenn auf den Arbeitstisch eine Belastung ausgeübt wird, die in einer Position entfernt von
dessen Zentrum einwirkt
2) Da als unter Druck stehendes Fluidum Luft verwendet werden kann und bevorzugt verwendet
wird, ist eine Wiedergewinnung dieses Fluidums nicht erforderlich.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:251. Hydrostatisch entlasteter Führungsmechanismus für eine Maschine, bei der auf einer stationären Basis mit einer Führungsfläche ein beweglicher Maschinenteil mit einer Gleitfläche unter der Wirkung von Antriebsmitteln eine Verschiebung durchführt, mit einer Vorratsquelle für die Zuführung von Druckmedium über Leitungsmittel zwischen die Führungsfläche und die Gleitfläche, wodurch sich eine den beweglichen Maschinenteil über die Führungsfläche der stationären Basis anhebende Druckkraft angibt, mit mindestens einem eine Änderung in der vertikalen Position des beweglichen Maschinenteils durch Auswerten eines einem Teilbereich von Führungs- und Gleitfläche zugeführten Druck als Rückdruck erfassenden Sensor und mit mindestens einem im Verlauf der Leitungsmittel angeordneten Druckregler mit einem als Kolbenventil ausgebildeten Ventilglied, wobei der Ventilschieber im Anschluß an seine Steuerkanten eine ringförmige Ausnehmung aufweist, die zusammen mit der Ventilbohrung eine erste, mit dem Druckeinlaß und -auslaß versehene Druckkammer bildet, und wobei der Ventilschieber an seiner einen Stirnseite mit der Ventilbohrung eine zweite Druckkammer bildet und an seiner anderen Stirnseite mit einem seine Stellung steuernden scheibenförmigen, durchmesservergrößernden Teil versehen ist, dessen einer Seite der Sensorrückdruck zugeführt wird, und wobei das Ventilglied die Druckmediumzufuhr zwischen Führungs- und Gleitfläche steuert, dadurch gekennzeichnet,a) daß das durchmesservergrößernde Teil des Ventilschieben als Membran (37) ausgebildet ist,b) daß der Ventilschieber einen Verbindungskanal (43) aufweist, der die erste Kammer (47) mit der zweiten Kammer (49a) verbindet undc) daß der Druck auf der anderen Seite der Mem-durch gekennzeichnet, daß angrenzend zur Luftausflußöffnung (19) des Rückdrucksensors mindestens eine über einen Durchlaß (25) zur Atmosphäre entlüftete Auslaßöffnung (23) in der Gleitfläche angeordnet ist3. Führungsmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (37) eine Gummimembran mit niedriger Federkonstante ist4. Führungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß zwischen der ersten Druckkammer (47) und dem dieser zugewandten Druckraum (35) zwischen der Membran (37) und dem Ventilgehäuse eine Entlüftungsleitung (40,40a) zur Atmosphäre angeordnet ist5. Führungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß eine Druckvorratsquelle (5J,\ für das Druckmedium unter vorgegebenem Druck stehende Luft enthält6. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Steuerkante (41) des Ventilschiebers (45) angrenzend zum Drucklufteinlaß (47a) von der Vorratsquelle (51) zum allmählichen Öffnen und Schließen einen durch eine Durchmesseränderung bewirkten Anstieg aufweist7. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß beidseitig Anschläge zur Begrenzung der Ventilschieberbewegung vorgesehen üind.8. Führungsmechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge von in das Ventilgehäuse (31) eingeschraubten, den Ventilschieberenden gegenüberliegenden Stellschrauben (50a, 50£>) gebildet sind.9. Führungsmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler und die ihm zugeführten Drücke so ausgebildet sind, daß die den beweglichen Maschinenteil anhebende Druckkraft geringer als die vertikale Belastung ist (hydrostatisch teilentlastetes Lager).10. Führungsmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die entlüftete Auslaßöffnung die Luftauslaßöffnung des Rückdrucksensors ringförmig umgibtDie Erfindung geht aus von einem hydrostatisch entlasteten Führungsmechanismus für eine Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein solcher bekannter Führungsmechanismus (GB-PS 9 06 818) bildet ein hydrostatisches Lager für aufeinandergleitende Flächen bei Maschinen an sich beliebiger Art, beispielsweise Werkzeugmaschinen, Meßinstrumente u. dgl, wobei ein stationärer Basisteil eine Führungsfläche aufweist, auf welcher ein beweglicher Maschinenteil gleitet.Bei dem bekannten Führungsmechanismus sind Druckregelmittel vorgesehen, die sicherstellen, daß unabhängig zur Belastung des beweglichen Maschinenteils der relative Abstand zwischen den beiden aufeinandergleitenden Flächen von stationärer Basis und beweglichem Maschinenteil im wesentlichen konstant bleibt so daß sich eine Lastkompensation sowie konstant blei-bende Reibungseinflüsse erzielen lassen. Die Druckrebran ein vorgegebener Druck ist der von der 65 gelmittel sind als Druckregelventil ausgebildet und um-Vorratsquelle (51) zugeführt wird. fassen einen in der Ventilbohrung verschiebbaren Ventilschieber mit drei kolbenartigen Verdickungen, von Führungsmechanismus nach Anspruch 1, da- denen eine äußere Verdickung in einem durchmes-
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