DE4232234C1 - Vorrichtung zur Einstellung und Überwachung des Spanndrucks eines kraftbetätigten Spannfutters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung und Überwachung des Spanndrucks eines kraftbetätigten Spann­ futters insbesondere einer Werkzeugmaschine gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung, wie sie beispielsweise aus der DE- PS 30 23 413 bekannt ist, wird vorwiegend dann eingesetzt, wenn die Kraftverhältnisse bzw. Kraftrichtungen am Spann­ futter bedingt durch Werkzeug- oder Werkstückwechsel mit kurzen Zykluszeiten verändert und im Arbeitsgang der Werk­ zeugmaschine mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden müssen.

Bei der bekannten Spanndruck-Überwachungsvorrichtung wird über eine Regeleinrichtung und in Abhängigkeit von dem Aus­ gangssignal des jeweils aktiven Drucksensors das einstell­ bare Druckregelventil ständig angesteuert, um den Spanndruck auf einen vorbestimmten Wert einzuregeln. Der Solldruck ist in Abhängigkeit vom jeweils im Einsatz befindlichen Spann­ futter veränderbar. Um die Veränderung zu automatisieren, ist am Spannfutter ein Code-Geber angebracht, der mit einem Code-Aufnehmer zusammenwirkt, dessen Ausgangssignal an der Regeleinrichtung ansteht.

Mit dieser bekannten Vorrichtung zur Einstellung und Überwa­ chung des Spanndrucks eines hydraulisch betätigten Spannfut­ ters läßt sich die Spanndruckeinstellung und -überwachung weitgehend automatisieren. Auf der anderen Seite sind die Sicherheitsfunktionen dieser bekannten Spannhydraulik ver­ hältnismäßig begrenzt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Einstellung und Überwachung des Spanndrucks eines kraftbetätigten, insbesondere hydraulischen Spann­ futters gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß mit einem Minimum an zusätzlichem Bau­ aufwand und bei Sicherstellung einer hohen Genauigkeit der Spanndruckeinstellung zusätzliche Sicherheitsfunktionen bereitgestellt werden, so daß die Drucküberwachung und damit das Spannen des Werkstücks oder Werkzeugs noch zuverlässiger als bisher durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise dem Druckregelventil eine Einstellvor­ richtung zugeordnet, mit der einem Stellteil des Druckregel- bzw. Druckreduzierventils entsprechend einer gespeicherten Eichkurve oder Eichtabelle ein derart bestimmtes Signal zu­ geführt wird, daß der vom Regelventil einzuregelnde Druck einem vorbestimmten Solldruck entspricht. Die weitere Beson­ derheit der Einstellvorrichtung besteht darin, daß das Stellteil nach erfolgter Einstellung unabhängig von dem Zustand der Ansteuerelektronik fixiert bleibt. Durch diese Maßnahmen ergibt sich während der Druckeinstellphase der besondere Vorteil, daß die Drucksensoren während des Ein­ stellvorgangs auf ihre einwandfreie Funktion hin überprüft werden können. Das Sicherheitsniveau der Ansteuerung für die Spannhydraulik wird auf diese Weise grundsätzlich angehoben. Die Fixierbarkeit des Stellteils des Druckregelventils nach erfolgter Einstellung erlaubt es, daß der eingestellte Druck auch dann gehalten wird, wenn die Ansteuerelektronik ausfal­ len sollte. Da der betreffende Drucksensor bei jedem Ein­ stellzyklus automatisch überwachbar ist, ist das Signal des Drucksensors in der Überwachungsphase des Spanndrucks als aussagekräftiges Signal für das Vorliegen eines Kabel- oder Leitungsdrucks heranzuziehen. Der vorrichtungstechnische Mehraufwand ist dabei auf eine geringfügige Modifizierung der Einstellvorrichtung beschränkbar, wodurch sich der zusätzliche Vorteil ergibt, daß bereits im Betrieb befindli­ che Spannsysteme mit der anmeldungsgemäßen Überwachungsvor­ richtung nachgerüstet werden können. Erfindungsgemäß arbei­ tet somit die Vorrichtung zur Einstellung und Überwachung des Spanndrucks in zwei Betriebsarten, nämlich in einem Druckeinstellungs-Modus, in dem der zumindest eine Drucksen­ sor überprüft wird, und in einem darauffolgenden Drucküber­ wachungsmodus, in dem der Drucksensor innerhalb der Tole­ ranzbereiche des Druckregelventils einerseits und des Druck­ sensors andererseits den Spanndruck überwacht, wobei in die­ sem Drucküberwachungs-Modus eine vollständige Unempfindlich­ keit gegen Störungen in der Signalverarbeitungseinrichtung wie z. B. der Steuerelektronik vorliegt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ergibt sich eine baulich sehr einfache Verwirklichung der Fixierung des Stellteils nach erfolgter Druckeinstellung am Druckregel- bzw. Druckreduzierventil.

Wenn der selbsthemmende Spindelantrieb nach der Weiterbil­ dung des Patentanspruchs 3 mit einem elektrischen Schrittmo­ tor gekoppelt ist, ergibt sich eine sehr hohe Arbeitsge­ nauigkeit der Druckeinstellung und gleichzeitig eine sehr einfache Signalverarbeitung, da in diesem Fall mit elektri­ schen, vorzugsweise digitalen Signalen gearbeitet werden kann. Über die Schrittmotorposition lädt sich der betref­ fende Drucksensor im Regeldruck-Einstellmodus schnell und sicher überprüfen, wobei einfache elektronische Bauelemente Verwendung finden können.

Vorzugsweise läßt sich der Regeldruck nur dann einstellen, wenn an der Signalverarbeitungseinrichtung, d. h. an der An­ steuerlogik ein entsprechendes Freigabesignal anliegt. Auf diese Weise lassen sich die beiden Betriebsarten der Ein­ stell- und Überwachungsvorrichtung klar voneinander trennen.

Die Weiterbildungen der Patentansprüche 6 und 7 haben den Vorteil, daß ein und dieselbe Vergleichseinrichtung sowohl im Druckeinstellungsmodus als auch im Drucküberwachungsmodus in Funktion treten kann. Hierdurch wird der schaltungs- und vorrichtungstechnische Aufwand weiter reduziert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich gleichermaßen für einfach wirkende wie für doppelt wirkende hydraulische Antriebe wie z. B. Arbeitszylinder anwenden. Für den letzteren Fall ist die Weiterbildung des Patentanspruchs 8 besonders vorteilhaft, da die Schaltstellung des Regelventils gleichzeitig zur selektiven Aktivierung eines der Drucksensoren herangezogen wird.

Vorzugsweise wird die Signalverarbeitungseinrichtung und damit die Ansteuerlogik mit einer speicherprogrammierbaren Steuerung gekoppelt, über die die Parameter und damit auch die Eichkurve oder -tabelle der jeweils vorliegenden Kon­ struktion der Spannhydraulik angepaßt werden können.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Hydraulikkreises mit zugehö­ riger Signalverarbeitungseinrichtung für die Ein­ stellung und Überwachung eines hydraulisch betätig­ ten Spannfutters,

Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Funktions­ weise der Signalverarbeitungseinrichtung mit Ansteu­ erlogik und

Fig. 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der zeitliche Abfolge der Signalverarbeitung in der Druckeinstel­ lungs- und -überwachungsvorrichtung.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Hydraulik-Spann­ zylinder bezeichnet, mit dem eine schematisch dargestellte Spannzange 12 eines Werkzeugmaschinen-Spannfutters betätig­ bar ist. Der Hydraulik-Spannzylinder 10 ist als doppelt wir­ kender Zylinder ausgebildet, so daß die Spannzange für In­ nen- und Außenspannung verwendet werden kann. Die Arbeits­ räume des Spannzylinders 10 sind mit 14 und 16 bezeichnet. Es soll jedoch bereits an dieser Stelle hervorgehoben wer­ den, daß selbstverständlich auch andere hydraulische An­ triebe verwendet werden können.

Die Beaufschlagung des Spannzylinders 10 erfolgt über einen Hydraulikkreis mit einer Pumpe 18, einer Speiseleitung 20, in der stromab eines Druckregel- bzw. Druckreduzierventils 22 ein Umsteuerventil 24 liegt, und zwei Arbeitsleitungen 26 und 28, die vom Umsteuerventil 24 zu den betreffenden Ar­ beitsräumen 14 bzw. 16 des Spannzylinders 10 führen.

Mit dem Druckregelventil 22, das als Druckreduzierventil in 3-Wege-Ausführung ausgebildet ist, läßt sich der Druck in der Speiseleitung bzw. in den betreffenden durchgeschalteten Arbeitsleitungen 26 und 28 auf einen vorbestimmten Wert ein­ stellen. Zu diesem Zweck wird der Druck stromab des Druckre­ gelventils 22 über die Steuerleitung 30 auf eine Seite des Ventilkolbens des Druckregelventils 22 rückgeführt. Der Druckkraft des Drucks in der Steuerleitung 30 entgegen wirkt eine Kraft, beispielsweise eine Feder- oder Magnetkraft, welche über ein Stellteil 32 veränderbar ist. Das Stellteil 32 ist über einen vorzugsweise selbsthemmenden Spindeltrieb mit einem elektrischen Schrittmotor 34 gekoppelt, so daß der Druck in der Arbeitsleitung 26 bzw. 28 entsprechend der Stellung des Schrittmotors 34 quasi stufenlos einstellbar ist.

An jede Arbeitsleitung 26, 28 ist ein Drucksensor 36, 38 an­ geschlossen, über den der Druck in der zugehörigen Arbeits­ leitung überwachbar ist.

Mit 40, 42 sind die zugehörigen Signalleitungen bezeichnet, die zu einer Signalverarbeitungseinrichtung 50 geführt sind. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist über eine Signallei­ tung 44 mit dem Schrittmotor 34 und über eine vorzugsweise elektrische Steuerleitung 46 mit einem Stellteil 48 des Um­ steuerventils 24 verbunden, das als 4/2-Wegeventil ausge­ bildet ist und in den beiden Schaltstellungen entweder den Anschluß A oder den Anschluß B mit Pumpendruck versorgt bzw. zum Tank T entlastet.

Der Aufbau der Signalverarbeitungseinrichtung 50 soll nach­ folgend anhand der Fig. 2 näher erläutert werden:

Die Signalverarbeitungseinrichtung 50 enthält eine mit 52 bezeichnete Einheit, die die Ansteuerlogik mit Treiberschal­ tung für den Schrittmotor 34 und eine Überwachungslogik für den Spanndruck in einem Zylinder-Arbeitsraum 14, 16 beinhal­ tet. Mit S40, S42 sind die in die Signalverarbeitungsein­ richtung einfliegenden Signale der Drucksensoren 36, 38 be­ zeichnet und mit S46 das Signal in der Steuerleitung 46. Man erkennt aus der Darstellung gemäß Fig. 2, daß über das Si­ gnal S46, d. h. über die Stellung des Umschaltventils 24 se­ lektiv eine Aufschaltung entweder des Signals S40 oder des Signals S42 erfolgt. Über eine speicherprogrammierbare Steuerung bzw. über ein Terminal kann auf die Signalverar­ beitungseinrichtung und auf die Ansteuer- und Überwachungs­ logik 52 eingewirkt werden. Im einzelnen kann über diese Schnittstelle eine Eichkurve bzw. eine Eichtabelle 54 einge­ geben werden, die einem bestimmten Signalwert 544 einen vor­ bestimmten, vom Druckreduzierventil 22 einzuhaltenden Regel­ druck PR zuordnet.

Die Signalverarbeitungseinrichtung kann in Abhängigkeit von dem Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Freigabesignals FS entweder in einem Druckeinstellmodus oder in einem Druck­ überwachungsmodus betrieben werden, was durch die in Fig. 2 angedeutete Wechselschaltung 56 zwischen den Auswerte-Schalt­ kreisen 58, 60 schematisch wiedergegeben ist. Diese beiden Betriebsarten sollen nachfolgend unter Zuhilfenahme des Ab­ laufdiagramms gemäß Fig. 3 näher erläutert werden:

Es sei angenommen, daß zum Zeitpunkt T1 das Freigabesignal FS auf die Signalverarbeitungseinrichtung 50 gegeben wird. Die Signalverarbeitungseinrichtung schaltet dadurch in einen Modus, in dem die Einstellung des vom Ventil 22 einzuregeln­ den Drucks PR auf einen neuen Wert möglich ist. Die Neuein­ stellung des Regeldrucks erfolgt durch die in der Signalver­ arbeitungseinrichtung vorhandene, abgespeicherte Eichkurve oder Eichtabelle über das abzugebende Signal S44, dessen Größe einem vorbestimmten Regeldruck entspricht. Zum Zeit­ punkt T3 ist die Neueinstellung des Drucks PR erledigt und das Signal S44 liegt am Schrittmotor 34 nicht mehr an. Auf­ grund des selbsthemmenden Spindeltriebs verbleibt das Stell­ teil 32 des Druckregelventils 22 in der eingestellten Posi­ tion, und zwar unabhängig vom Arbeitszustand der Signalver­ arbeitungseinrichtung. Nach Abschluß der Druckeinstellung wird zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 der jeweils akti­ vierte Drucksensor 36 bzw. 38 auf seine fehlerfreie Funktion hin überprüft. Dies ist möglich, da über die eingespeicherte Eichkurve bzw. Eichtabelle der Solldruck in der betreffenden Arbeitsleitung 26 bzw. 28 durch die Stellung des Schrittmo­ tors und damit des Stellteils 32 bekannt ist. Ein in der Fi­ gur nicht näher dargestellter Vergleicher überprüft, ob das vom Drucksensor gemeldete Drucksignal innerhalb eines vorbe­ stimmten Toleranzbereichs mit dem Sollwert des Regeldrucks PR übereinstimmt. Wenn dies der Fall ist, so wird zum Zeit­ punkt T4 das Impulssignal DE abgegeben, welches besagt, daß die Druckeinstellung des Druckregelventils 22 beendet ist. Andernfalls erfolgt eine Fehlermeldung, mit der die Fehl­ funktion des betreffenden Drucksensors 36, 38 angezeigt wird. Dieses Fehlersignal ist in Fig. 1 und 2 mit F1 be­ zeichnet.

Nach erfolgreicher Neueinstellung des Regeldrucks PR wird das Freigabesignal FS für die Ventilverstellung abgeschaltet und über die Wechselschaltung wird der zweite Modus, nämlich der Überwachungsmodus der Vorrichtung aktiviert. In diesem Modus meldet der betreffende Drucksensor 36, 38 den Ist- Druck über das Signal S40 bzw. S42 laufend an die Signalver­ arbeitungseinrichtung, in der am vorstehend bereits erwähn­ ten Vergleicher ein Soll-/Ist-Wert-Vergleich vorgenommen wird. Für den Fall, daß der Druck-Ist-Wert ein vorbestimmtes Toleranzfenster verläßt bzw. innerhalb einer vorzugsweise einstellbaren Zeit nicht in das Toleranzfenster zurückkehrt, erfolgt über die Signalverarbeitungseinrichtung eine Fehler­ meldung, die durch das Fehlersignal F2 in Fig. 1 und 2 ange­ deutet ist. Auf diese Weise wird die Spannhydraulik im Über­ wachungsmodus laufend auf Leitungs- bzw. Kabelbruch hin überwacht.

Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß sich das Überwachungssystem für die Spannhydraulik im Überwa­ chungsmodus durch irgendwelche ungewollten, äußeren Ein­ flüsse nicht verstellen kann. Auch bei einem kompletten Aus­ fall der Ansteuerelektronik bleibt der eingestellte Druck in jedem Fall so lange aufrechterhalten, bis an die Signalver­ arbeitungseinrichtung das Freigabesignal FS angelegt wird.

Erst dann schaltet die Vorrichtung in den Druckeinstellungs­ modus um, und der Regeldruck PR kann entsprechend angepaßt werden.

Von besonderem Vorteil ist dabei noch, daß die Neueinstel­ lung des Drucks mit Unterstützung des betreffenden Drucksen­ sors 36, 38 erfolgen kann, wodurch sich eine verbesserte Hy­ sterese und Reproduzierbarkeit der Druckeinstellung ergibt.

Über die speicherprogrammierbare Steuerung lädt sich das Überwachungssystem individuell an verschiedenste Spann­ hydraulik-Konstruktionen anpassen, was auch das Nachrüsten von bereits im Einsatz befindlichen Spannhydraulik-Systemen mit der anmeldungsgemäßen Spanndruck-Einstellungs- und -überwachungsvorrichtung erleichtert. Aufgrund der Druckein­ stellung über den Druck-Ist-Wert wird dabei nach wie vor die Genauigkeit der Drucküberwachung auf einem sehr hohen Niveau gehalten.

Selbstverständlich sind Abweichungen vom zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, ohne den Grundgedanken der Er­ findung zu verlassen. So kann die Einstellvorrichtung für das Druckregelventil 22 selbstverständlich auch einen ande­ ren Antrieb aufweisen, so lange dafür Sorge getragen wird, daß die Einstellvorrichtung das Stellteil des Druckregelven­ tils nach erfolgter Einstellung unabhängig von den Ausgangs­ signalen der Signalverarbeitungseinrichtung fixiert. Das Stellteil könnte beispielsweise als Magnetanker ausgebildet werden, der in der elektromagnetisch eingestellten Position fixiert wird.

Die Erfindung schafft somit eine Vorrichtung zur Einstellung und Überwachung des Spanndrucks eines kraftbetätigten Spann­ futters mit einem einen hydraulischen Antrieb, insbesondere einen Hydraulikzylinder, versorgenden Hydraulikkreis, der von einer Pumpe gespeist ist und in dem ein einstellbares Druck­ regelventil liegt. Das Druckregelventil wird über eine Si­ gnalverarbeitungseinrichtung angesteuert, mit der im Zusam­ menwirken mit zumindest einem Drucksensor der aktuelle Spanndruck überwachbar ist. Um unter Beibehaltung einer ho­ hen Einstell- und Überwachungsgenauigkeit und mit einem ge­ ringen, vorrichtungstechnischen Aufwand weitere Sicherheits­ funktionen bereitzustellen, wird das Druckregelventil mit einer Einstellvorrichtung ausgestattet, die wie folgt arbei­ tet.

Die Einstellvorrichtung ordnet zunächst nach einer Eichkurve oder -tabelle einem ausgewählten Eingangssignal ohne Zwischenschaltung einer Druckmessung einen vorbestimm­ ten Regeldruck zu. Entsprechend dem ausgewählten Eingangssi­ gnal wird ein Stellteil des Druckregelventils verstellt, wo­ durch der durch dem Druckregelventil einzuhaltende Solldruck festgelegt wird. Anschließend fixiert die Ein­ stellvorrichtung das Stellteil nach erfolgter Einstellung unabhängig von den Ausgangssignalen der Signalverarbeitungs­ einrichtung. Auf diese Weise wird die Möglichkeit eröffnet, nach erfolgter Solldruck-Einstellung den Drucksensor auf seine fehlerfreie Funktion hin zu überprüfen. Gleichzeitig wird dafür gesorgt, daß die Druckregelung auch ohne Elektro­ nik funktioniert. Das heißt, der eingestellte Regeldruck wird auch bei Einwirkung von ungewollten, äußeren Einflüssen wie z. B. beim Ausfall der Ansteuerelektronik auf dem Sollwert gehalten.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Einstellung und Überwachung des Spann­ drucks eines kraftbetätigten Spannfutters insbesondere einer Werkzeugmaschine mit einem einen hydraulischen Antrieb, insbesondere einen Hydraulikzylinder, versor­ genden Hydraulikkreis, der von einer Pumpe gespeist ist und in dem ein einstellbares Druckregelventil liegt, welches über eine Signalverarbeitungseinrichtung, mit der im Zusammenwirken mit zumindest einem Drucksensor der aktuelle Spanndruck überwachbar ist, ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckregelventil (22) eine Einstellvorrichtung (32, 34) hat, die nach einer Eichkurve oder -tabelle (54) einem ausgewählten Eingangssignal (S44) ohne Zwischenschaltung einer Druckmessung einen vorbestimmten Regeldruck (PR) zuord­ net, ein Stellteil (32) des Druckregelventils (22) ent­ sprechend dem Eingangssignal (S44) verstellt und das Stellteil (32) nach erfolgter Einstellung unabhängig von den Ausgangssignalen der Signalverarbeitungsein­ richtung (50) fixiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (32, 34) einen motorisch angetriebenen, selbsthemmenden Spindelantrieb aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der motorische Antrieb von einem elektrischen Schrittmotor (34) gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (50) eine Steuerlogik (52) mit Treiber für das Stell­ teil des Druckregelventils (22) und eine Drucküberwa­ chungslogik aufweist und daß eine Einstellung des Re­ geldrucks (PR) nur möglich ist, wenn an der Signalver­ arbeitungseinrichtung (50) ein entsprechendes Freigabe­ signal (FS) anliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (S40; S42) des zumindest einen Drucksensors (36; 38) zur Überwachung des Spanndrucks auf die Signalverarbeitungseinrichtung (50) gegeben wird, solange das Freigabesignal (FS) für die Regel­ druckverstellung nicht anliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (50) einen Vergleicher aufweist, mit dem in der Verstellphase des Druckregelventils (22) das Ausgangs­ signal (S40; S42) des zumindest einen Drucksensors (36; 38) mit dem Sollwert des einzustellenden Regeldrucks (PR) verglichen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher in der Überwachungsphase des Spann­ drucks das Ausgangssignal des zumindest einen Drucksen­ sors (36, 38) mit dem Sollwert des Spanndrucks ver­ gleicht und für den Fall einer unzulässig großen bzw. unzulässig langen Abweichung ein Fehlersignal (F2) ab­ gibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Innen- und Außenspannung ein doppelt wirkender hydraulischer Antrieb, insbeson­ dere ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder (10), vorge­ sehen ist, wobei jedem Arbeits- bzw. Zylinderraum (14; 16) ein gesonderter Drucksensor (36; 38) zugeordnet ist und zur wechselweisen Be- und Entlastung der Arbeits­ räume (14; 16) stromab des Druckregelventils (22) ein Wegeventil (24) vorgesehen ist, über dessen Schaltstel­ lung eine wechselweise Aktivierung eines der Drucksen­ soren (36; 38) erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eichkurve oder -tabelle über eine speicherprogrammierbare Steuerung veränderbar ist.