DE4041033A1 - Digital direkt ansteuerbarer druckregler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mittels eines digitalen elektrischen Signales ansteuerbaren Druckregler, wie er in der Hydraulik allgemein und insbesondere im Werkzeugmaschinenbau oft benötigt wird.

Die unterschiedlich hohen Drücke, die ein solcher Druckregler liefern soll, werden in der Regel dadurch erzeugt, daß ein Proportionalventil oder ein Servoventil entsprechend elektrisch angesteuert werden. Die digitalen Signale der Steuereinheit der Maschine oder Anlage, in der der entsprechende Druckregler verbaut ist, müssen zur Ansteuerung der Proportional- oder Servoventile jedoch zunächst in analoge Spannungen umgewandelt werden, welche dann als Steuersignale für das Proportional- oder Servoventil dienen.

Dies führt einerseits zu notwendigen Anpassungen zwischen der mit dem Proportional- oder Servoventil mitgelieferten Elektronik und der maschinenseitig vorhandenen Steuerung. Darüber hinaus ist eine solche Signalumwandlung teuer und störanfällig.

Besonders bei Anwendungsfällen, bei denen keine allzu hohen Anforderungen an die Genauigkeit und Geschwindigkeit der gewünschten Druckänderung gestellt werden, ist daher eine andere Lösung wünschenswert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen Druckregler zu schaffen, der einfach und zuverlässig arbeitet und möglichst einfach an eine digitale Steuerung anschließbar ist.

Diese Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Druckregler durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dabei versorgt der Systemdruck sowohl das vorgesteuerte Druckregelventil als auch die Kaskade der in Reihe geschalteten, Druckabfälle liefernden hydraulischen Elemente, also etwa Druckdifferenzventile oder Druckdifferenzdrosseln.

Falls alle diese Ventile bzw. Drosseln durch die Öffnung der entsprechenden Bypässe umgangen werden, ist die der Reihenschaltung vorangehende Drossel direkt mit dem Tank verbunden, so daß also auch in der Steuerdruckleitung zum Druckregelventil der Druck Null anliegt.

Wird dagegen eines oder mehrere der Druckdifferenz erzeugenden Elemente durch Schließen des entsprechenden Bypasses aktiviert, so addieren sich die entsprechenden Druckabfälle zu einem Steuerdruck, der das Druckregelventil vorsteuert.

Um die Anzahl der einstellbaren Werte des Vorsteuerdruckes möglichst hoch zu halten, empfiehlt es sich, an den einzelnen Druckdifferenzventilen bzw. Druckdifferenz­ drosseln unterschiedlich hohe Druckabfälle entstehen zu lassen. Wenn sich die Druckabfälle jeweils um den Faktor 2 unterscheiden gemäß der mathematischen Reihe

P_n = 1/2×P₁×2ⁿ,

so lassen sich mit diesen fünf Einzelventilen insgesamt 32 Druckstufen realisieren, was für eine Vielzahl von Anwendungsfällen völlig ausreichend ist.

Der Vorteil dieser Lösung liegt zunächst in der einfachen Ansteuerung der einzelnen, Druck erzeugenden Elemente mit einem Binärcode. Weiterhin wird der vorgegebene Sollwert des Druckes sehr exakt realisiert, da die Druckschwankungen bei den verwendeten Überdruckventilen als Druck­ differenzventilen bzw. entsprechenden Druckdifferenz­ drosseln gering sind. Weiterhin ist kein elektrischer Analog/Digital-Wandler erforderlich und infolgedessen die Betriebssicherheit hoch, da nur sehr einfache Bauteile verwendet werden.

Weiterhin können die zu realisierenden Druckstufen durch nachträgliche Veränderung des Druckabfalls bei einstellbaren Druckdifferenzventilen bzw. Druckdifferenz­ drosseln realisiert werden.

Die in den Bypässen angeordnetn Ventile zum Öffnen bzw. Verschließen des Bypasses, bei denen es sich in aller Regel um 2/2-Wegeventile handeln wird, können zwar manuell betätigt werden, eignen sich jedoch insbesondere zur Ansteuerung durch eine, digitale Signale abgebende Steuerung, beispielsweise die vorhandene Steuerung einer Werkzeugmaschine, in der eine solche Druckregelung zum Erzeugen unterschiedlicher Drücke zum Spannen des Spannfutters oder des Reitstockes etc. benutzt wird.

Dies läßt sich am vorteilhaftesten dadurch erreichen, daß eine Feder ein solches 2/2-Wegeventil normalerweise in der geöffneten Position hält. Ein dem Ventilschieber zugeordnetes Magnetventil drückt bei Aktivierung das Ventilelement gegen die Kraft der Feder in die geschlossene Stellung. Dies stellt sicher, daß bei inaktiven Magnetventilen der Vorsteuerdruck am Druckregelventil gleich Null ist. Dies bedeutet, daß bei Ausfall der elektrischen Steuerung kein unerwartetes Spannen etc. erfolgt.

Ein weiterer Vorteil besteht in der kompakten Bauweise eines solchen Druckreglers, der lediglich einen Anschluß für den Systemdruck und einen Anschluß für die Verbraucherleitung, also den gesteuerten Druck, besitzt, sowie elektrische Eingänge zum Ansteuern der 2/2- Wegeventile. Damit ist eine Nachrüstung mittels eines solchen Druckreglers leicht möglich.

Weiterhin kann das Ansprechverhalten des Druckreglers an den jeweiligen Anwendungsfall durch Wahl der geeigneten Elemente zur Erzeugung der Druckabfälle angepaßt werden, sowie der Arbeitsbereich des Druckreglers an den vorhandenen Systemdruck durch Anpssung und/oder Auswechseln einzelner, den Druckabfall erzeugender Elemente.

Weiterhin können zusätzliche Einrichtungen innerhalb des Druckreglers vorgesehen werden, deren Notwendigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt:

Falls beispielsweise eine relativ schnelle Reduzierung des Druckes in der Verbraucherleitung benötigt wird, so ist ein Bypass des Druckregelventiles von der Verbraucherleitung zur Steuerleitung notwendig, in der sich ein Rückschlagventil befindet, welches einen Durchfluß lediglich von der Verbraucherleitung zur Steuerdruckleitung ermöglicht. Durch diesen Bypass findet ein Rückfluß des Hydraulikmediums statt, sobald durch Öffnen zusätzlicher Bypässe in der Vorsteuerkaskade der Vorsteuerdruck gesenkt wird.

Handelt es sich dabei um Anwendungsfälle, bei denen innerhalb des Verbrauchers große Mengen an Hydraulikmediun vorhanden sind, und dadurch große Rückflußmengen aus der Verbraucherleitung in die Steuerdruckleitung und damit den Steuerteil des Druckreglers erfolgen würden, so kann alternativ hierzu beispielsweise eine gedrosselte, jedoch nie vollständig geschlossene Verbindung der Verbraucher­ leitung mit dem Tank vorgesehen werden, was selbst­ verständlich den Energiebedarf der Druckerzeugungseinheit erhöht.

Andere Anwendungsfälle können dagegen von Natur aus eine so hohe Leckage aufweisen, daß ein derartiger Abfluß - weder zum Tank noch ein Rückfluß in den Steuerteil des Druckreglers - nicht notwendig sind, da allein aufgrund der Leckage beim Verbraucher eine ausreichend schnelle Rückführung eines hohen Druckes in der Verbraucherleitung auf einen niedrigeren Druckwert gewährleistet ist.

Für den Fall, daß der Verbraucher eine zu geringe Menge an Hydraulikmedium beinhaltet, kann an der Verbraucherleitung ein Ausgleichsspeicher vorgesehen werden, der unerwünschte Druckschwankungen durch Arbeitsleistung im Verbraucher bzw. zu schnelle Druckänderungen durch Umsteuerung im Druckregler ausgleicht. Falls das Volumen des Ausgleichsspeichers variabel ist, ist eine noch bessere Anpassung des Druckreglers an unterschiedliche Anwendungsfälle möglich.

Ebenso sollte die Auswahl der den Druckabfall erzeugenden Elemente nach dem Anwendungsfall geschehen. Die konstruktiv einfachste Lösung liegt im Einsatz von Druckbegrenzungs­ ventilen, deren Ventilelement auf der Eingangsseite durch den Eingangsdruck und auf der Ausgangsseite durch den niedrigeren Ausgangsdruck sowie durch die Kraft einer Feder beaufschlagt werden. Die Druckdifferenz entspricht dann der anliegenden Federkraft, unabhängig vom Druck auf der Eingangsseite.

Die gesamte Kaskade wird dabei vom Systemdruck über eine Drossel versorgt, deren Druckabfall selbstverständlich geringer sein muß als die Differenz zwischen dem maximal möglichen Steuerdruck und dem Systemdruck.

Eine andere Lösung liegt in der Verwendung von einstellbaren Drosseln anstelle der Druckbegren­ zungsventile. Dabei ist es jedoch nachteilig, daß sich bei einer Reihenschaltung von Drosseln die jeweils anfallenden Druckabfälle nicht genau addieren. Dies liegt daran, daß sich der Druckabfall an einer Drossel mit dem Volumenstrom durch die Drossel ändert. Je nach Schaltung der Steuerkaskade würden sich damit unterschiedliche Druck­ abfälle an der jeweils gleichen Drossel ergeben.

Dies wird dadurch vermieden, daß als Drossel zur Versorgung der gesamten Steuerkaskade aus dem Systemdruck eine Konstantstromdrossel verwendet wird, die unabhängig von den anliegenden Drücken einen immer gleichen Volumenstrom hindurchtreten läßt.

Aufgrund der Reihenschaltung der Drosseln der Steuerkaskade wird jede einzelne der dort aufgereihten Druckdifferenzdrosseln vom jeweils gleichen, und immer konstanten, Volumenstrom durchströmt, sofern der entsprechende Bypass verschlossen ist. Damit können die an den einzelnen Druckdifferenzdrosseln anfallenden Druckabfälle rechnerisch ebenso addiert werden wie bei der Verwendung von Druckbegrenzungsventilen.

Zwei Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im folgenden beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Schaltplan eines Druckreglers mit Druckdifferenzventilen in der Steuerkaskade und

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung unter Verwendung von Druckdifferenzdrosseln.

In Fig. 1 ist der in einem Anwendungsfall eingesetzte Druckregler als Schaltplan dargestellt: Von der Druckmittelquelle 1 aus wird der Druckregler, der mit unterbrochenen Linien umrahmt ist, über die System­ druckleitung 2 mit Hydraulikmedium versorgt.

Damit wird zum einen das Druckregelventil direkt beaufschlagt und zum anderen Hydraulikmedium über die Drossel 7 entnommen, womit die Steuerkaskade versorgt wird. Zwischen der Drossel 7 und der Steuerkaskade wird der anstehende Steuerdruck über die Steuerdruckleitung 3 dem entsprechenden Anschluß des Druckregelventils zugeführt. In der Verbraucherleitung 4, die das Druckregelventil 5 mit dem Verbraucher 6 verbindet, steht dadurch ein Druck zur Verfügung, der dem Druck in der Steuerdruckleitung 3 proportional ist.

In der Fig. 1 ist ferner ein Ausgleichsspeicher 17 mit der Verbraucherleitung 4 verbunden, um einen unter dem gesteuerten Druck der Verbraucherleitung 4 stehenden Puffer an Hydraulikmedium zu schaffen, der beispielsweise zu schnelle Druckänderungen, bedingt durch die Arbeitsweise des Verbrauchers etc., ausgleichen kann.

Das Druckregelventil 5 wird durch den Bypass 10 zwischen der Verbraucherleitung 4 und der Steuerdruckleitung 3 umgangen, in welchem ein Rückschlagventil 19 so angeordnet ist, daß ausschließlich ein Rückfluß von der Verbraucherleitung 4 in die Steuerdruckleitung 3 möglich ist. Dies ist dann notwendig, wenn in der Verbraucherleitung 4 der Druck schneller gesenkt werden soll, als es die anfallende Leckage beim Verbraucher bzw. insgesamt hinter dem Druckregelventil 5 zuläßt.

Der Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 3 entspricht dem insgesamt an den Druckdifferenzventilen 11 bis 15 erzeugten Druckabfall, also der Summe der einzelnen Druckabfälle der Druckdifferenzventile 11 bis 15, die in Reihe geschaltet und mit dem Tank 9 verbunden sind.

Bei den Druckdifferenzventilen handelt es sich beispielsweise um federbeaufschlagte Druckbegrenzungs­ ventile, deren Druckabfall der anliegenden Federkraft entspricht.

In Fig. 1 erzeugt das Druckdifferenzventil 11 einen Druckabfall von 2,5 bar, das nächste Druckdifferenzventil 12 von 5 bar, und in gleicher Weise beträgt der Druckabfall am dritten Druckdifferenzventil 13 wiederum das Doppelte, so daß das letzte Druckdifferenzventil 15 einen Druckabfall von 40 bar erzeugt. Da der Systemdruck 80 bar beträgt, darf die Drossel 7 lediglich einen Druckabfall von weniger als 2,5 bar erzeugen, da der maximal erzielbare Druck in der Steuerdruckleitung 77,5 bar beträgt.

Jedes dieser Druckdifferenzventile 11 bis 15 wird dabei von einem Bypass 20 umgangen, indem sich jeweils ein 2/2- Wegeventil zum Öffnen oder Schließen des Bypasses befindet. Dabei handelt es sich gemäß Fig. 1 um ein Schieberventil, welches auf der einen Seite durch die Kraft einer Druckfeder 16 beaufschlagt wird, die jeweils die 2/2- Wegenventile 21 bis 25 in der geöffneten Stellung hält. Mit jedem der Ventile 21 bis 25 ist ein Elektromagnet 18 zur Aktivierung verbunden, der den Schieber des 2/2- Wegeventiles gegen die Kraft der Feder 16 in die geöffnete Position drückt.

Die einzelnen Magnetventile 18 werden über elektrische Leitungen 27 mit Strom versorgt.

Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, wobei jedoch anstelle der Druckdifferenzventile 11 bis 15 Druckdifferenzdrosseln 31 bis 35 in Reihenschaltung als Steuerkaskade verwendet sind.

Da eine Drossel mit sich ändernder Durchströmung auch einen unterschiedlichen Druckabfall erzeugt, muß die immer gleichmäßige Durchströmung jeder einzelnen der Druckdifferenzdrosseln 31-35 gewährleistet werden, um den dort entstehenden Druckabfall zu kennen und konstant zu halten.

Dies wird dadurch gewährleistet, daß anstelle der normalen Drossel 7, über welche aus der Systemdruckleitung 2 Hydraulikmedium entnommen wird, eine Konstantstromdrossel 8 verwendet wird, die unabhängig von dem in der Steuerdruckleitung 3 anliegenden Druck einen immer gleichen Volumenstrom hindurchtreten läßt, der im folgenden auch die einzelnen Differenzdruckdrosseln durchströmt, sofern sich die zugehörigen Ventile 21 bis 25 der Bypässe 20 in der geschlossenen Stellung befinden.

Weiterhin ist in der Fig. 2 im Gegensatz zu Fig. 1 kein Bypass 10 am Druckregelventil 5 angeordnet, sondern ein Absenken des in der Verbraucherleitung 4 anstehenden Druckes wird über eine permanente, künstliche Leckage der Verbraucherleitung 4 über eine Ablaufdrossel 26 mit dem Tank 9 erreicht. Je schneller eine Absenkung des Druckes in der Verbraucherleitung 4 möglich sein soll, um so größer muß der Durchlaß der Ablaufdrossel 26 gewählt werden, was jedoch andererseits den Energiebedarf für die Druckmittelquelle 1 erhöht.

Im Gegensatz zu der in der Fig. 1 dargestellten Abgrenzung ist in Fig. 2 sowohl die Ablaufdrossel 26 als auch der Ausgleichsspeicher 17 noch Bestandteil des mit den unterbrochenen Linien eingefaßten Druckreglers.

Claims (12)

1. Elektrisch ansteuerbarer Druckregler mit einem von einer Druckmittelquelle mit dem Systemdruck beaufschlagten, vorgesteuerten Druckregelventil, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregelventil (5) weiterhin durch den Steuerdruck in der Steuerdruckleitung (3) beaufschlagt ist, der nach einer mit Systemdruck beaufschlagten Drossel (7, 8) und vor einer Reihenschaltung von definierte Druckabfälle erzeugenden hydraulischen Elementen abgenommen wird, wobei jedes Element einen Bypass (20) aufweist, in dem sich ein Ventil zum Öffnen und Verschließen des Bypasses (20) befindet und wobei die Reihenschaltung mit dem Tank (9) für das Hydraulikmedium verbunden ist.

2. Druckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den den Druckabfall erzeugenden hydraulischen Elementen um Druckdifferenzventile (11-15) handelt.

3. Druckregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den den Druckabfall erzeugenden hydraulischen Elementen um Druckdifferenzdrosseln (31-35) handelt und die vom Systemdruck beaufschlagte Drossel eine Konstant­ stromdrossel (8) ist.

4. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im Bypass (20) angeordneten Ventile 2/2-Wegeventile (21-25) sind.

5. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils im Bypass (20) angeordneten Ventile sich in der Ruhestellung in der geöffneten Position z. B. durch die Kraft einer Feder (16) gehalten werden und durch Beauf­ schlagen eines mit dem Ventil (21-25) verbundenen Elektromagneten (18) in die geschlossene Stellung gebracht werden kann.

6. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbraucherleitung (4), die das Druckregelventil (5) mit dem Verbraucher (6) verbindet, ein Ausgleichsspeicher (17) für das Hydraulikmedium angeordnet ist.

7. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bypass (20) die Steuerdruckleitung (3) mit der Verbraucherleitung (4) verbindet und in diesem Bypass (10) ein Rückschlagventil (19) angeordnet ist, welches einen Durchfluß lediglich von der Verbraucherleitung (4) zur Steuerdruckleitung (3) ermöglicht.

8. Druckregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucherleitung (4) über eine Ablaufdrossel (26) mit dem Tank (9) verbunden ist.

9. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung wenigstens drei einen Druckabfall erzeugende Elemente umfaßt.

10. Druckregler nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Druckdifferenzventilen (11-15) bzw. Druckdifferenzdrosseln (31-35) erzeugten Druckdifferenzen unabhängig von ihrer Reihenfolge die mathematische Reihe P_n = 1/2×P₁×2ⁿ,erfüllen.

11. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Druckabfalles an den hydraulischen Elementen einstellbar ist.

12. Druckregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregler (5) hydraulische, Druckabfall erzeugende Elemente umfaßt, deren Druckabfälle 2,5 bar, 5 bar, 10 bar, 20 bar und 40 bar betragen und wobei der Systemdruck 80 bar beträgt.