WO2006133797A1 - Hydraulisch betätigte klemmeinheit und damit ausgeführte hydraulische regelachse - Google Patents

Hydraulisch betätigte klemmeinheit und damit ausgeführte hydraulische regelachse Download PDF

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WO2006133797A1
WO2006133797A1 PCT/EP2006/005034 EP2006005034W WO2006133797A1 WO 2006133797 A1 WO2006133797 A1 WO 2006133797A1 EP 2006005034 W EP2006005034 W EP 2006005034W WO 2006133797 A1 WO2006133797 A1 WO 2006133797A1
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clamping
spring
piston
clamping unit
unit according
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Hans-Jürgen Zorn
Robert Eckert
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Bosch Rexroth Ag
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    • F15B11/024—Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member by means of differential connection of the servomotor lines, e.g. regenerative circuits
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    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/26—Locking mechanisms
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F15B15/26—Locking mechanisms
    • F15B2015/268—Fluid supply for locking or release independent of actuator pressurisation

Definitions

  • the invention relates to a hydraulically actuated clamping unit for fixing an actuating element of a drive according to the preamble of patent claim 1 and a running with such a clamping unit hydraulic control axis.
  • clamping units allow a stepless clamping a piston rod of a hydraulic cylinder and have, for example, an axially displaceable clamping bush, which is provided with an outer cone.
  • This outer cone cooperates with a correspondingly formed inner cone of a clamping sleeve or a housing.
  • the clamping bush is biased by a spring assembly such that it dips with its outer cone in the inner cone and corresponding clamping elements of the clamping bush are in clamping engagement with the outer circumference of the piston rod.
  • the piston bush or its clamping elements can be displaced against the force of the spring assembly in the axial direction with respect to the inner cone of the housing / clamping sleeve by means of a pressure piston, so that the clamping elements of the clamping bush are moved apart in the radial direction and the piston rod release.
  • the pressurization of the clamping piston takes place by switching over a clamping valve, whereby a limiting of the clamping piston, ter terminal space is connected to a pressure medium source. If the clamp valve is not switched over, this clamping space is connected to the tank or low pressure, so that the piston rod is clamped. Ie.
  • the clamping valve For moving the hydraulic axis, the clamping valve must first be switched - in case of power failure or the like, this clamping valve switches back to its basic position, so that the hydraulic axis is clamped. As described above, this clamping must be done very quickly - so you set the stroke of the spring assembly as short as possible, so that the pressure medium volume, which must be moved to close the clamping via the clamping piston from the clamping chamber in the direction of the tank remains minimized.
  • the hydraulic axle remains then mechanically clamped in position until the clamping valve is energized again, so that the clamping space is connected to the pressure medium source and after pressure build-up in the clamping chamber, the clamping sleeve against the force of the spring assembly can be moved to its disengaged position.
  • the above-described small stroke of the spring assembly turns out to be disadvantageous because when switching the directional control valve, the clamping chamber is filled extremely quickly with pressure medium and thus this pressure build-up takes place quickly, so that the clamping is released immediately and the hydraulic axis is released.
  • the system pressure is again applied to the control valve used to control the hydraulic cylinder. Due to the small deviation of the hydraulic axis in the clamping position from the position setpoint, only a very small manipulated variable is output by the controller of the control valve.
  • the resulting minimum opening cross-section at an inlet control edge of the control valve means that the pressure in the corresponding cylinder chamber of the hydraulic cylinder can build up only very slowly.
  • the invention has for its object to provide a clamping unit and thus executed hydraulic control axis, by which the positioning accuracy of a clamped by the clamping unit actuator is improved.
  • This object is achieved with regard to the hydraulic clamping unit by the features of patent claim 1 and with respect to the hydraulic axis by the features of the independent claim 12.
  • a throttle valve device in the pressure medium flow path between a terminal chamber of the clamping unit and a clamping valve via which the terminal chamber is connectable to a pressure medium source or a pressure medium sink, "a throttle valve device is provided which throttles the pressure medium flow in a flow direction, for example in the direction of the terminal compartment and in the other pressure medium flow direction
  • the essentially unthrottled pressure medium volume flow becomes effective, for example, when the clamping unit is engaged, while the pressure medium volume flow is throttled to release the clamping unit, so that the release of the clamping is delayed and thus a sagging of the hydraulic axis during the transition from the According to the invention, therefore, the pressure medium volume flow for releasing the clamping can be delayed, while the pressure medium volume flow to the Clamps compared to those of the known solutions is substantially unchanged.
  • the filling of the clamping chamber is correspondingly delayed - the outflow of the pressure medium from the clamping chamber is unthrottled, so that the clamping operation takes place with the required precision.
  • the throttle valve device is designed as a throttle check valve, which acts as a check valve in a pressure medium flow direction, while in the other flow direction, a throttle cross-section is effective.
  • a throttle check valve which acts as a check valve in a pressure medium flow direction, while in the other flow direction, a throttle cross-section is effective.
  • the Kletnmhim is usually designed so that the stroke of the clamping body of the clamping unit in the clamping direction biasing spring device is designed to be very short in order to allow quick clamping. Accordingly, the oil volume of the clamping chamber is made extremely low - to delay a filling of the clamping chamber to release the clamping, with such small volumes, the throttle must be performed with a relatively small cross-section. However, such minimum throttle cross-sections should be avoided due to the risk of contamination. Furthermore, an increased production engineering effort for their production is required. According to the invention this disadvantage is eliminated in that the terminal space is associated with a variable volume compensation chamber, which must first be filled to release the clamping and temporarily compensates the pressure medium flow through the inlet throttle, so that it can be performed with a larger cross-section.
  • the volume compensation chamber is limited by a spring-loaded piston.
  • this spring acting on the piston on a movable spring plate is supported, which in turn is supported on the housing side via a support spring with a comparatively larger spring constant.
  • the support spring is designed such that it is already compressed upon reaching the maximum stroke of the spring.
  • the executed with a comparatively low spring constant spiral spring then causes substantially the delay of the pressure medium volume flow to release the clamping, while the effect of the end of the stroke of this spring support spring causes a relatively gentle pressure build-up in the clamping chamber.
  • the springs are dimensioned and aligned so that a jerky increase in pressure and an associated overshoot of the pressure in the clamping chamber is avoided. This allows the hydraulic axis to be smoothly displaced against the relatively constant releasing clamp into a positional target window.
  • the spring which acts on the piston is designed as a spiral spring and the support spring acting on the spring plate is designed as a cup spring assembly. leads.
  • the piston is preferably designed with a guide projection, which dips into a guide of the spring plate.
  • the spring chambers for the springs are preferably relieved to the atmosphere. Increased leakage can also be relieved to the tank or to a low pressure.
  • Figure 1 is a circuit diagram of a running with a clamping unit according to the invention hydraulic control axis and
  • FIG. 2 shows a section through a structural design of a volume compensation chamber of Figure 1.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a hydraulic control axis, which is designed in the illustrated embodiment as a controlled hydraulic feed drive 1.
  • This has a differential cylinder 2 whose piston 4 can be held by a clamping unit 8 in the active at the time of the accident controlled position.
  • the clamping unit 8 essentially consists of a clamp head 10, which is supported on the machine frame or on the cylinder housing, a volume compensation chamber 12, a pinch valve 14 designed as a 3/2-way switching valve, and a throttle valve device, which is designed as a throttle check valve 16 in the illustrated embodiment.
  • the control of the differential cylinder 2 via a continuously adjustable control valve 18, via Proportional magnets 20, 22 from a spring-biased basic position (0) in working positions (a), (b) and (c) is displaceable.
  • the control valve 18 has a pressure port P a tank port T and two working ports A, B, which are shut off in the illustrated basic position (0) (closed center).
  • the pressure port P is connected via an inlet line 24 to an input P of the clamping valve 14.
  • the tank connection T opens via a drain line 26 in a tank T and the two working connections A, B are connected via a feed line 27 and a return line 28 to a bottom-side cylinder chamber 30 or a piston rod-side annular space 32 of the differential cylinder 2.
  • a drain port T of the pinch valve 14 is connected to the drain line 26 and a working port A via a pump line 34 with a pump 36 providing the system pressure, which can be designed as an adjusting or constant-pressure pump depending on the system.
  • This clamping unit 8 has a piston rod 6 encompassing clamping head 40, the basic structure of which is known from the prior art described above.
  • a clamping head 40 has a clamping bush 42, which is designed with a plurality of clamping elements, such as clamping disks or the like.
  • the clamping elements of the clamping bush 42 are acted upon by the force of a clamping spring arrangement so that they are moved inwardly in the radial direction due to the conical surfaces described above, to clamp the piston rod 6.
  • the release of the clamping elements of the clamping bush 42 via a clamping piston 46 which limits a clamping space 48.
  • clamping piston 46 By pressurizing this clamping space 48, the clamping piston 46 can be displaced against the force of the clamping spring arrangement 44, so that the clamping elements of the clamping bush 42 are moved outward in the radial direction and release the piston rod 6.
  • a clamping head 10 can be flange-mounted on the front side of the housing of the differential cylinder 2. In principle, it is also possible to assign the differential cylinder connected to the piston 4 a clamping rod on which then the clamping head 10 acts.
  • the terminal space 48 is connected via a terminal line 50 to the supply line 24.
  • the throttle check valve 16 is arranged, which throttles a pressure fluid flow in the direction of the clamping space 48 via a throttle cross-section 52 and allows outflow of the pressure medium from the annular space 48 via a check valve 54 substantially unthrottled in bypassing the throttle cross-section 52.
  • the volume compensation chamber 12 is connected to the pressure medium flow path between the throttle check valve 16 and the clamping chamber 48. As the schematic drawing of Figure 1 can be removed, the volume compensation chamber 12 is arranged axially parallel to the differential cylinder 2 and is mounted in the area of its outer peripheral surface. Accordingly, the very high-quality executed control valve 18 is constructed on the differential cylinder 2, the throttle check valve 16 and the clamping valve 14 are integrated into the housing of the clamping head 10 or mounted on the differential cylinder 2 or the clamping head 10.
  • the additional volume 56 provided by the volume compensation chamber 12 is connected to the clamping chamber 48 and is delimited by a piston (see FIG. 1) which is acted upon by a spring arrangement 58 in the direction of reducing the additional volume 56.
  • the spring assembly 58 receiving space is, as will be explained with reference to Figure 2, subjected to atmospheric pressure. With increased leakage, the room can also be connected via a leakage line to the drain line 36.
  • the volume compensation chamber (12) has a housing 60 with a housing bore 62 in which the additional volume 56 bounding piston 64 is slidably guided. This is acted upon by a spring 66 of the spring assembly 58 in the direction of a reduction of the additional volume 56.
  • the designed as a spiral spring spring 66 is supported on a spring plate 68, which in turn is acted upon by a plate spring package 70 which is supported on a housing bore 62 closing end piece 70 in the axial direction.
  • the spring plate 68 has an axial projection 74 on which the disc spring assembly 70 is guided and in a receptacle 76 of the end piece 72nd dips.
  • the spring plate 68 is further designed with a guide recess 78 into which an axially projecting guide projection 80 of the piston 64 dips.
  • the spring 66 receiving space 82, the guide 78 in the spring plate 68 and a front side of the tail 72 and the adjacent end face of the spring plate 68 limited rear space 84 and a spring chamber 86 for the disc spring assembly 70 are via connecting channel sections 85, 87 and 89 with the atmosphere connected, so that in these rooms atmospheric pressure is applied.
  • the axially parallel connecting channel section 85 passes through the collar of the spring plate 68, the coaxial Vietnamesesungskanal- section 87, the left end portion of the spring plate 68 and the coaxial connection channel section 89 the bottom of the tail 72nd
  • the spring constants and the biases of the spring 66 and the plate spring package 70 are selected so that when building a Klemmlbücherdrucks in the clamping chamber 48 first, the coil spring 66 is compressed and then shortly before the annular end face 90 runs onto the stop 92 already the cup spring assembly 70 is compressed.
  • the maximum clamping release force is achieved after the the left end face 96 of the spring plate 68 runs onto a bottom 98 of the end piece 72 and thus limits the Federtellerhub. In other words, said at the beginning building up Klemmletteskraft is less than the force of the plate spring package 70 and the maximum clamping release force is slightly larger than the maximum applied over the plate spring assembly 70 force.
  • the switching magnet 38 of the clamping valve 14 is energized when commissioning the machine tool, so that it is switched to its switching position in which its pressure port P is connected to its working port A and in the supply line 24, the system pressure is applied.
  • the control valve 18 is displaced by appropriate control of the proportional magnets 20, 22 in one of its designated (a), (b) working positions or in the rapid traverse position marked with (c) to retract the piston rod 6 of the differential cylinder 2 (positions (a ) or extend (b), (c)).
  • the prevailing in the supply line 24 system pressure is also in the terminal line 50, so that pressure medium can flow through the throttle cross-section 52 in the direction of the clamping chamber 48.
  • the additional volume 56 must first fill up against the force of the spring 66 via the pressure medium volume flow already delayed by the throttle cross section 52.
  • the spring 66 executes a relatively long stroke, so that correspondingly much pressure medium has to be conveyed into the additional volume 56, so that the pressure build-up in the clamping chamber corresponds to the linear spring compression. ate of the spring 66 is delayed. The pressure medium volume flow flowing in via the throttle cross-section 52 is thus temporarily partially compensated by the additional volume 56.
  • the plate spring assembly 70 is effective and determines the pressure build-up in the clamping chamber 48.
  • the controller controlling the position of the inflow control edge of the control valve 18 can then move the hydraulic axis relatively gently against the gradually releasing clamp into its desired position window, wherein the characteristic can be influenced substantially by suitable design and arrangement of the cup spring stack 70.
  • the solenoid 38 is suddenly de-energized, so that the clamping valve 14 is switched to its illustrated spring-biased home position and in the terminal line 50, the tank pressure is applied.
  • the clamping release pressure in the clamping chamber 48 is then abruptly reduced by the outflow of pressure medium via the opening check valve 54, so that the clamping head 10 engages and clamps the piston rod 6 in the regulated position. After eliminating the fault, the clamping release pressure is then rebuilt in the manner described above.
  • clamping head 10 in principle, all constructions can be used, which allow a reliable holding a piston rod 6 or other actuating element of a drive, wherein the clamping can be solved or constructed via a pressure in a limited by a clamping piston 46 clamping chamber 48.
  • the application is not limited to feed drives of machine tools, but the described clamping unit with the throttle check valve 16 and the additional volume 56 can be used in principle in all drives, where it is important to hold an actuator of a hydraulic drive by relieving or pressure build-up in a clamping chamber.
  • a clamping unit and thus executed hydraulic control axis, wherein an actuating element of a hydraulic drive by means of a clamping head can be fixed.
  • the clamping head has a clamping piston which can be acted upon by a pressure for clamping or releasing the actuating element in order to displace clamping body preferably against the force of a spring device.
  • a throttle valve device is provided in the pressure medium flow path between the clamping space and a pressure medium source or a pressure medium sink which throttles a pressure medium volume flow in one flow direction and allows it to pass substantially unrestricted in the other flow direction.

Abstract

Offenbart sind eine Klemmeinheit und eine damit ausgeführte hydraulische Regelachse, wobei ein Betätigungselement eines hydraulischen Antriebes mittels eines Klemmkopfs festlegbar ist. Der Klemmkopf hat einen Klemmkolben, der zum Klemmen oder Freigeben des Betätigungselementes mit einem Druck beaufschlagbar ist, um Klemmkörper vorzugsweise gegen die Kraft einer Federeinrichtung zu verschieben. Erfindungsgemäß ist im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Klemmraum und einer Druckmittelquelle oder einer Druckmittelsenke eine Drosselventileinrichtung vorgesehen, die einen Druckmittelvolumenstrom in einer Strömungsrichtung drosselt und in der anderen Strömungsrichtung im Wesentlichen ungedrosselt passieren lässt.

Description

Beschreibung
Hydraulisch betätigte Klemmeinheit und damitausgeführte hydraulische Reqelachse
Die Erfindung betrifft eine hydraulisch betätigte Klemmeinheit zum Festlegen eines Betätigungselementes eines Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine mit einer derartigen Klemmeinheit ausgeführte hydraulische Regelachse.
Insbesondere im Bereich von Werkzeugmaschinen werden aufwendige und kostenintensive Anstrengungen unternommen, um bei einem Energieausfall oder in Crash-Situationen die hydraulischen Achsen, beispielsweise einen hydraulisch geregelten Vorschubantrieb kontrolliert auf Position halten zu können, um als Folge derartiger unkontrollierter Situationen beispielsweise die Zerstörung eines teuren Werkzeuges oder des Werkstücks zu vermeiden. Dieses auf Position halten der hydraulischen Achse kann durch einen Klemmkopf erfolgen, der beispielsweise eine Kolbenstange eines Hydrozylinders der hydraulischen Achse buchsenförmig umgreift und bei den vorbeschriebenen unkontrollierten Situationen einrückt, um die Kolbenstange zu klemmen. " Dabei muss diese Klemmung sehr schnell aufgebracht werden, um die hydraulische Achse mit möglichst geringer Abweichung zur aktiv geregelten Position zu halten. Kundenseitig werden dabei Genauigkeiten bis zu 20 Mikron vorgeschrieben.
In der DE 31 44 359 Al ist eine Klemmeinheit für eine Kolbenstange eines Hydrozylinders beschrieben, die bei den vorbeschriebenen hydraulischen Regelachsen einsetzbar ist. Konstruktive Einzelheiten von Klemmeinheiten sind des Weiteren der DE 31 18 449 C2 , der DE-GM 88 04' 418, DE 28 45 266 C2 und der DE 103 50 225 Al sowie der Internet- domaine www.sitema.de/feststelleinheiten entnehmbar.
Diese bekannten Klemmeinheiten ermöglichen ein stufenloses Klemmen einer Kolbenstange eines Hydrozylinders und haben beispielsweise eine axialverschiebbare Klemmbuchse, die mit einem Außenkonus versehen ist. Dieser Außenkonus wirkt mit einem entsprechend ausgebildeten Innenkonus einer Klemmhülse oder eines Gehäuses zusammen. Die Klemmbuchse ist durch ein Federpaket derart vorgespannt, dass sie mit ihrem Außenkonus in den Innenkonus eintaucht und entsprechend Klemmelemente der Klemmbuchse in Klemmeingriff mit dem Aussenumfang der Kolbenstange stehen. Zum Lösen der Klemmung kann die Kolbenbuchse oder deren Klemmelemente mittels eines mit Druckmittel beaufschlagbaren Klemmkolbens gegen die Kraft des Federpakets in Axialrichtung mit Bezug zum Innenkonus des Gehäu- ses/Klemmhülse verschoben werden, so dass die Klemmelemente der Klemmbuchse in Radialrichtung auseinander bewegt werden und die Kolbenstange freigeben. Die Druckbeaufschlagung des Klemmkolbens erfolgt durch Umschalten eines Klemmventils, wodurch ein vom Klemmkolben begrenz-, ter Klemmraum mit einer Druckmittelquelle verbunden ist. Bei nicht umgeschaltetem Klemmventil ist dieser Klemmraum mit dem Tank oder Niederdruck verbunden, so dass die Kolbenstange geklemmt ist. D. h. , zum Verfahren der hydraulischen Achse muss zunächst das Klemmventil umgeschaltet werden - bei einem Stromausfall oder dergleichen schaltet dieses Klemmventil in seine Grundpositon zurück, so dass die hydraulische Achse geklemmt wird. Wie eingangs beschrieben, muss diese Klemmung sehr schnell erfolgen - deswegen legt man den Hub des Federpakets möglichst kurz aus, so dass das Druckmittelvolumen, das zum Schließen der Klemmung über den Klemmkolben aus der Klemmkammer in Richtung zum Tank verschoben werden muss möglichst gering bleibt. Die hydraulische Achse bleibt dann solange in ihrer Position mechanisch geklemmt, bis das Klemmventil wieder bestromt wird, so dass der Klemmraum mit der Druckmittelquelle verbunden wird und nach Druckaufbau in der Klemmkammer die Klemmbuchse gegen die Kraft des Federpakets in ihre Ausrückposition verschoben werden kann. Dabei stellt sich der vorbeschriebene kleine Hub des Federpakets als nachteilig heraus, da beim Umschalten des Wegeventils die Klemmkammer äußerst schnell mit Druckmittel gefüllt wird und somit dieser Druckaufbau entsprechend schnell erfolgt, so dass die Klemmung sofort gelöst und die hydraulische Achse freigegeben wird. Bei diesen bekannten Systemen liegt mit dem Umschalten des Wegeventils der Systemdruck auch wieder an dem für die Ansteuerung des HydroZylinders verwendeten Regelventil an. Durch die geringe Abweichung der hydraulischen Achse in der Klemmposition vom Positions-Sollwert wird dann vom Regler des Regelventils nur eine sehr kleine Stellgröße ausgegeben. Der daraus resultierende minimale Öffnungs- querschnitt an einer Zulaufsteuerkante des Regelventils führt dazu, dass sich der Druck in der entsprechenden Zylinderkammer des Hydrozylinders nur sehr langsam aufbauen kann. Diese Verzögerung beim Kraftaufbau am Hydro- zylinder und der gleichzeitige schnelle Lösevorgang an der Klemmung kann bei ungünstigen Betriebsbedingungen zu einem Absacken der Achse aus der geklemmten Position führen, bis sich der entsprechende Druck im Zylinderraum aufgebaut hat . Dieses Absacken aus der Klemmposition ist üblicherweise nicht akzeptabel.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Klemmeinheit und eine damit ausgeführte hydraulische Regelachse zu schaffen, durch die die Positioniergenauigkeit eines durch die Klemmeinheit geklemmten Betätigungselementes verbessert ist. Diese Aufgabe wird hinsichtlich der hydraulischen Klemmeinheit durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der hydraulischen Achse durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 12 gelöst.
Erfindungsgemäß ist in dem Druckmittelströmungspfad zwischen einer Klemmkammer der Klemmeinheit und einem Klemmventil, über das die Klemmkammer mit einer Druckmittelquelle oder einer Druckmittelsenke verbindbar ist," eine Drosselventileinrichtung vorgesehen, die den Druckmittelvolumenstrom in einer Strömungsrichtung, beispielsweise in Richtung zum Klemmraum drosselt und in der anderen Druckmittelströmungsrichtung im Wesentlichen ungedrosselt passieren lässt. Der im Wesentlichen unge- drosselte Druckmittelvolumenstrom wird beispielsweise beim Einrücken der Klemmeinheit wirksam, während zum' Lösen der Klemmeinheit der Druckmittelvolumenstrom gedrosselt wird, so dass das Lösen der Klemmung verzögert und somit ein Absacken der hydraulischen Achse beim Übergang aus der geklemmten Position in die geregelte Position verhindert ist. Erfindungsgemäß kann somit die Druckmittelvolumenströmung zum Lösen der Klemmung verzögert werden, während die Druckmittelvolumenströmung zum Klemmen gegenüber derjenigen den bekannten Lösungen im Wesentlichen unverändert ist. In dem Fall, in dem das Lösen der Klemmung durch Druckaufbau in der Klemmkammer erfolgt, wird entsprechend das Füllen der Klemmkammer verzögert - die Abströmung des Druckmittels aus der Klemmkammer erfolgt ungedrosselt, so dass der Klemmvorgang mit der erforderlichen Präzision erfolgt.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Drosselventileinrichtung als Drosselrückschlagventil ausgeführt ist, das in einer Druckmittelströmungsrichtung als Rückschlagventil wirkt, während in der anderen Strömungsrichtung ein Drosselquerschnitt wirksam ist. Aus dem Stand der Technik (www.sitema.de) ist es zwar bereits bekannt, im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Klemmventil und der Klemmkammer eine Düse und ein Rückschlagventil vorzusehen, diese sind jedoch in Reihe zueinander geschaltet, wobei die Düse zur Dämpfung von Schlaggeräuschen dient und in beiden Druckmittelströmungsrichtungen wirksam ist.
Wie eingangs beschrieben, wird die Kletnmeinheit üblicherweise so ausgelegt, dass der Hub der den Klemmkörper der Klemmeinheit in Klemmrichtung vorspannenden Federeinrichtung sehr kurz ausgelegt ist, um ein schnelles Klemmen zu ermöglichen. Entsprechend ist auch das Ölvolumen der Klemmkammer äußerst gering ausgeführt - um nun ein Füllen der Klemmkammer zum Lösen der Klemmung zu verzögern, muss bei derart kleinen Volumina die Drossel mit einem vergleichsweise geringem Querschnitt ausgeführt werden. Derartige minimale Drosselquerschnitte sollen jedoch aufgrund der Verschmutzungsgefahr vermieden werden. Des Weiteren ist ein erhöhter Fertigungstechnischer Aufwand zu deren Herstellung erforderlich. Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, dass dem Klemmraum eine veränderliche Volumenkompensationskammer zugeordnet ist, die zum Lösen der Klemmung zunächst gefüllt werden muss und den Druckmittelvolumenstrom über die Zulaufdrossel vorübergehend kompensiert, so dass diese mit einem größeren Querschnitt ausgeführt werden kann.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Volumenkompensationskammer durch einen federbeaufschlagten Kolben begrenzt.
Besonders bevorzugt wird es, wenn diese den Kolben beaufschlagende Feder an einem beweglichen Federteller abgestützt ist, der seinerseits über eine Stützfeder mit vergleichsweise größerer Federkonstante gehäuseseitig abgestützt ist. Durch geeignete Auslegung der Vorspannungen und/oder Federkonstanten der Feder und der Stützfeder kann der Druckaufbau in der Klemmkammer so eingestellt werden, dass die Klemmung in vorbestimmter Weise gelöst wird.
Dabei ist die Stützfeder derart ausgelegt, dass sie bei Erreichen des Maximalhubs der Feder bereits komprimiert wird. Die mit vergleichsweise geringer Federkonstante ausgeführte Spiralfeder bewirkt dann im Wesentlichen die Verzögerung des Druckmittelvolumenstroms zum Lösen der Klemmung, während die zum Ende des Hubs dieser Feder wirksame Stützfeder einen relativ sanften Druckaufbau in der Klemmkammer bewirkt. Die Federn sind so dimensioniert und ausgerichtet, dass ein ruckartiger Druckanstieg und ein damit verbundenes Überschwingen des Druckes in der Klemmkammer vermieden wird. Dadurch wird es ermöglicht, dass die hydraulische Achse sanft gegen die sich relativ konstant lösende Klemmung in ein Positions-Sollfenster verschoben wird.
Ohne die zusätzlich vorgesehene Stützfeder würde sich beim Erreichen der Endposition des Hubs der Feder ein Aufschwingen des Öldrucks aufgrund der Kompressibilität des. Öls einstellen. Ein derartiges Überschwingen des Drucks in der Klemmkammer könnte dann zu einem vorübergehenden Löseimpuls und zu einem beschleunigen der hydraulischen Achse solange führen, bis deren Regler diese wieder in das Sollpositionsfenster zurückgefahren hat.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausführung der Volumenkompensationskammer ist die den Kolben beaufschlagende Feder als Spiralfeder und die den Federteller beaufschlagende Stützfeder als Tellerfederpaket ausge- führt. Dabei wird der Kolben vorzugsweise mit einem Führungsvorsprung ausgeführt, der in eine Führung des Federtellers eintaucht.
Die Federräume für die Federn sind vorzugsweise zur Atmosphäre entlastet. Bei erhöhter Leckage kann auch zum Tank oder zu einem Niederdruck entlastet werden.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Schaltschema einer mit einer erfindungsgemäßen Klemmeinheit ausgeführten hydraulischen Regelachse und
Figur 2 einen Schnitt durch eine konstruktive Ausführung einer Volumenkompensationskammer aus Figur 1.
Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer hydraulischen Regelachse, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel als geregelter hydraulischer Vorschubantrieb 1 ausgeführt ist. Dieser hat einen Differentialzylinder 2 dessen Kolben 4 über eine Klemmeinheit 8 in der zum Zeitpunkt des Störfalls aktiv geregelten Position festgehalten werden kann. Die Klemmeinheit 8 besteht im Wesentlichen aus einem am Maschinengestell oder am Zylindergehäuse abgestützten Klemmkopf 10, einer Volumenkompensationskammer 12, einem als 3/2-Wegeschaltventil ausgeführten Klemmventil 14 und einer Drosselventileinrichtung, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Drosselrückschlagventil 16 ausgeführt ist.
Die Ansteuerung des Differentialzylinders 2 erfolgt über ein stetig verstellbares Regelventil 18, das über Proportionalmagnete 20, 22 aus einer federvorgespannten Grundposition (0) in Arbeitspositionen (a) , (b) und (c) verschiebbar ist. Das Regelventil 18 hat einen Druckan- schluss P einen Tankanschluss T sowie zwei Arbeitsan- schlüsse A, B, die in der dargestellten Grundposition (0) abgesperrt sind (Closed Center) . Der Druckanschluss P ist über eine Zulaufleitung 24 mit einem Eingang P des Klemmventils 14 verbunden. Der Tankanschluss T mündet über eine Ablaufleitung 26 in einem Tank T und die beiden Arbeitsanschlüsse A, B sind über eine Vorlaufleitung 27 bzw. eine Rücklaufleitung 28 mit einem bodenseitigen Zylinderraum 30 bzw. einem kolbenstangenseitigen Ringraum 32 des Differentialzylinders 2 verbunden. Ein Ablaufan- schluss T des Klemmventils 14 ist mit der Ablaufleitung 26 und ein Arbeitsanschluss A über eine Pumpenleitung 34 mit einer den Systemdruck bereitstellenden Pumpe 36 verbunden, die je nach System als Verstell- oder Kons- tantpumpe ausgeführt sein kann.
In einer federvorgespannten Grundposition des Klemmventils 14 ist dessen Arbeitsanschluss A mit dem Ablauf- anschluss T verbunden, so dass in der Zulaufleitung 24 Tankdruck anliegt. Durch Bestromen eines Schaltmagneten. 38 des Klemmventils 14 kann dieses gegen die Kraft der Feder in eine Schaltposition umgeschaltet werden, in der der Arbeitsanschluss A mit dem Druckanschluss P verbunden ist, so dass die Pumpe 36 Druckmittel in die Zulaufleitung 24 fördert. Dieses Umschalten des Klemmventils 14 erfolgt beispielsweise bei Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine. Bei einem Störfall (beispielsweise Stromausfall) wird der Schaltmagnet 38 stromlos geschaltet, so dass am Arbeitsanschluss A des Regelventils 18 der Tankdruck anliegt und der Vorschubantrieb nicht betätigbar ist. In einem derartigen Störfall wird die Kolbenstange 6 über die Klemmeinheit 8 geklemmt, so dass der Differentialzy- linder 2 in seiner eingestellten Regelpositon festgehal- ten wird. Diese Klemmeinheit 8 hat einen die Kolbenstange 6 umgreifenden Klemmkopf 40, dessen Grundaufbau aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannt ist. Ein derartiger Klemmkopf 40 hat eine Klemmbuchse 42, die mit einer Vielzahl von Klemmelementen, beispielsweise Spannscheiben oder dergleichen ausgeführt ist. Die Klemmelemente der Klemmbuchse 42 sind durch die Kraft einer Klemmfederanordnung so beaufschlagt, dass sie aufgrund der eingangs beschriebenen Konusflächen in Radialrichtung nach innen bewegt werden, um die Kolbenstange 6 zu klemmen. Das Lösen der Klemmelemente der Klemmbuchse 42 erfolgt über einen Klemmkolben 46, der einen Klemmraum 48 begrenzt. Durch Druckbeaufschlagung dieses Klemmraums 48 lässt sich der Klemmkolben 46 gegen die Kraft der Klemmfederanordnung 44 verschieben, so dass die Klemmelemente der Klemmbuchse 42 in Radialrichtung nach außen bewegt werden und die Kolbenstange 6 freigeben. Ein derartiger Klemmkopf 10 kann stirnseitig an das Gehäuse des Diffe- rentialzylinders 2 angeflanscht werden. Prinzipiell ist es auch möglich, dem Differentialzylinder eine mit dem Kolben 4 verbundene Klemmstange zuzuordnen, auf die dann der Klemmkopf 10 wirkt.
Der Klemmraum 48 ist über eine Klemmleitung 50 mit der Zulaufleitung 24 verbunden. In dieser Klemmleitung 50 ist das Drosselrückschlagventil 16 angeordnet, das eine Druckmittelströmung in Richtung zum Klemmraum 48 über einen Drosselquerschnitt 52 drosselt und ein Abströmen des Druckmittels aus dem Ringraum 48 über ein Rückschlagventil 54 im Wesentlichen ungedrosselt bei Umgehung des Drosselquerschnitts 52 ermöglicht. Die Volumenkompensationskammer 12 ist an den Druckmittelströmungspfad zwischen dem Drosselrückschlagventil 16 und der Klemmkammer 48 angeschlossen. Wie der schematischen Zeichnung gemäß Figur 1 entnehmbar ist, ist die Volumenkompensationskammer 12 achsparallel zum Differentialzylinder 2 angeordnet und ist dabei im Bereich seiner Außenumfangsflache montiert. Entsprechend wird auch das sehr hochwertig ausgeführte Regelventil 18 auf den Differentialzylinder 2 aufgebaut, das Drosselrückschlagventil 16 und das Klemm- ventil 14 sind in das Gehäuse des Klemmkopfs 10 integriert oder auf den Differentialzylinder 2 oder den Klemmkopf 10 aufgesetzt.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das von der Volumenkompensationskammer 12 bereitgestellte Zusatzvolumen 56 mit der Klemmkammer 48 verbunden und wird von einem Kolben (siehe Figur 1) begrenzt, der über eine Federanordnung 58 in Richtung einer Verkleinerung des Zusatzvolumens 56 beaufschlagt ist. Der die Federanordnung 58 aufnehmende Raum ist, wie anhand von Figur 2 noch erläutert wird, mit Atmosphärendruck beaufschlagt. Bei erhöhter Leckage kann der Raum auch über eine Leckageleitung mit der Ablaufleitung 36 verbunden werden.
Der konkrete Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Volumenkompensationskammer 12 wird anhand Figur 2 erläutert.
Die Volumenkompensationskammer (12) hat ein Gehäuse 60 mit einer Gehäusebohrung 62, in der der das Zusatzvolumen 56 begrenzende Kolben 64 verschiebbar geführt ist. Dieser ist durch eine Feder 66 der Federanordnung 58 in Richtung einer Verringerung des Zusatzvolumens 56 beaufschlagt. Die als Spiralfeder ausgeführte Feder 66 ist an einem Federteller 68 abgestützt, der seinerseits von einem Tellerfederpaket 70 beaufschlagt ist, das an einem die Gehäusebohrung 62 verschließenden Endstück 70 in Axialrichtung abgestützt ist. Der Federteller 68 hat einen Axialvorsprung 74, auf dem das Tellerfederpaket 70 geführt ist und der in eine Aufnahme 76 des Endstücks 72 eintaucht. Der Federteller 68 ist des Weiteren mit einer Führungsausnehmung 78 ausgeführt, in die ein axialvorspringender Führungsvorsprung 80 des Kolbens 64 eintaucht. Der die Feder 66 aufnehmende Raum 82, die Führung 78 im Federteller 68 sowie ein stirnseitig vom Endstück 72 und von der benachbarten Stirnfläche des Federtellers 68 begrenzter Rückraum 84 und ein Federraum 86 für das Tellerfederpaket 70 sind über Verbindungskanalabschnitte 85, 87 und 89 mit der Atmosphäre verbunden, so dass in diesen Räumen Atmosphärendruck anliegt. Der achsparallel verlaufende Verbindungskanalabschnitt 85 durchsetzt den Bund des Federtellers 68, der koaxiale Verbindungskanal- abschnitt 87 den linken Endabschnitt des Federtellers 68 und der koaxiale Verbindungskanalabschnitt 89 den Boden des Endstücks 72.
In der dargestellten Grundposition ist der Federteller 68 über das Tellerfederpaket 70 gegen eine Anschlagschulter 88 vorgespannt. Am Führungsvorsprung 80 des Kolbens 64 ist eine Ringstirnfläche 90 ausgebildet, die bei einer Axialverschiebung des Kolbens 64 nach links (Darstellung gemäß Figur 2) auf einen stirnseitigen Anschlag 92 des Federtellers 92 aufläuft, so dass die Kompression der Feder 66 durch diesen Anschlag 92 begrenzt ist. Der Kolben 64 wird über die Feder 66 gegen eine Anlageschulter 94 des Gehäuses 60 vorgespannt - in dieser Grundpositon ist das Zusatzvolumen 56 minimal.
Die Federkonstanten und die Vorspannungen der Feder 66 und des Tellerfederpakets 70 sind so gewählt, dass beim Aufbau eines Klemmlösedrucks in der Klemmkammer 48 zunächst die Spiralfeder 66 komprimiert wird und dann kurz bevor die Ringstirnfläche 90 auf den Anschlag 92 aufläuft bereits das Tellerfederpaket 70 komprimiert wird. Die maximale Klemmlösekraft wird erreicht, nach dem die linke Stirnfläche 96 des Federtellers 68 auf einen Boden 98 des Endstücks 72 aufläuft und somit den Federtellerhub begrenzt. Mit anderen Worten gesagt, die sich zu Beginn aufbauende Klemmlösekraft ist geringer als die Kraft des Tellerfederpakets 70 und die maximal aufgebaute Klemmlösekraft ist etwas größer als die maximal über das Tellerfederpaket 70 aufgebrachte Kraft.
Zum besseren Verständnis sei die Funktion der Klemmeinheit 8 erläutert. Wie bereits erwähnt, wird bei Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine der Schaltmagnet 38 des Klemmventils 14 bestromt, so dass dieses in seine Schaltstellung umgeschaltet wird, in der sein Druckanschluss P mit seinem Arbeitsanschluss A verbunden ist und in der Zulaufleitung 24 der Systemdruck anliegt. Das Regelventil 18 wird durch geeignete Ansteuerung der Proportional- magneten 20, 22 in eine seiner mit (a) , (b) gekennzeichneten Arbeitspositionen oder in die mit (c) gekennzeichnete Eilgangsposition verschoben, um die Kolbenstange 6 des Differentialzylinders 2 einzufahren (Positionen (a) oder auszufahren (b) , (c) ) . Der in der Zulaufleitung 24 herrschende Systemdruck liegt auch in der Klemmleitung 50 an, so dass Druckmittel über den Drosselquerschnitt 52 in Richtung zum Klemmraum 48 strömen kann. Vor Aufbau des Klemmlösedrucks im Klemmraum 48 ist der Klemmkopf 10 durch die Kraft der Klemmfederanordnung 44 noch in Richtung Klemmen beaufschlagt, so das die Kolbenstange 6 in der beim Einschalten vorgewählten Grundposition festgehalten ist. Bevor sich der Klemmlösedruck in der Klemmkammer 48 aufbaut, muss über der bereits durch den Drosselquerschnitt 52 verzögerte Druckmittelvolumenstrom zunächst das Zusatzvolumen 56 gegen die Kraft der Feder 66 auffüllen. Die Feder 66 führt einen relativ langen Hub aus, so dass entsprechend viel Druckmittel in das Zusatz- volumen 56 gefördert werden muss, so dass der Druckaufbau in der Klemmkammer entsprechend der linearen Federkons- tante der Feder 66 verzögert wird. Der über den Drossel- querschnitt 52 zuströmende Druckmittelvolumenstrom wird somit vorübergehend durch das Zusatzvolumen 56 teilweise kompensiert. Nach dieser Verzögerung aufgrund der Komprimierung der Feder 65 hat das Zusatzvolumen 56 seinen Maximalwert nahezu erreicht, wobei vor Erreichen dieses Maximalvolumens das Tellerfederpaket 70 wirksam wird und den Druckaufbau in der Klemmkammer 48 bestimmt. Der die Position der Zulaufsteuerkante des Regelventils 18 regelnde Regler kann die hydraulische Achse dann relativ sanft gegen die sich allmählich lösende Klemmung in sein Positions-Sollfenster verschieben, wobei die Charakteristik im Wesentlichen durch geeignete Auslegung und Anordnung des Tellerfederpakets 70 beeinflusst werden kann.
Beispielsweise bei einem Stromausfall wird der Schaltmagnet 38 schlagartig stromlos geschaltet, so dass das Klemmventil 14 in seine dargestellte federvorgespannte Grundposition umgeschaltet wird und in der Klemmleitung 50 der Tankdruck anliegt. Der Klemmlösedruck in der Klemmkammer 48 wird dann durch Abströmen von Druckmittel über das sich öffnende Rückschlagventil 54 schlagartig abgebaut, so dass der Klemmkopf 10 einrückt und die Kolbenstange 6 in der geregelten Position klemmt. Nach Behebung der Störung wird der Klemmlösedruck dann in der vorbeschriebenen Weise wieder aufgebaut.
Für den Klemmkopf 10 sind prinzipiell alle Konstruktionen einsetzbar, die ein zuverlässiges Festhalten einer Kolbenstange 6 oder eines sonstigen Betätigungselementes eines Antriebs ermöglichen, wobei die Klemmung über einen Druck in einer von einem Klemmkolben 46 begrenzten Klemmkammer 48 gelöst oder aufgebaut werden kann. Selbstverständlich ist die Anwendung nicht nur auf Vorschubantriebe von Werkzeugmaschinen begrenzt, sondern die beschriebene Klemmeinheit mit dem Drosselrückschlagventil 16 und dem Zusatzvolumen 56 kann prinzipiell bei allen Antrieben eingesetzt werden, bei denen es darauf ankommt, ein Betätigungselement eines hydraulischen Antriebs durch Entlasten oder Druckaufbau in einer Klemmkammer festzuhalten.
Offenbart sind eine Klemmeinheit und eine damit ausgeführte hydraulische Regelachse, wobei ein Betätigungs- element eines hydraulischen Antriebes mittels eines Klemmkopfs festlegbar ist. Der Klemmkopf hat einen Klemmkolben, der zum Klemmen oder Freigeben des Betätigungs- elementes mit einem Druck beaufschlagbar ist, um Klemmkörper vorzugsweise gegen die Kraft einer Federeinrichtung zu verschieben. Erfindungsgemäß ist im Druckmittel- Strömungspfad zwischen dem Klemmraum und einer Druckmittelquelle oder einer Druckmittelsenke eine Drosselventil- einrichtung vorgesehen, die einen Druckmittelvolumenstrom in einer Strömungsrichtung drosselt und in der anderen Strömungsrichtung im Wesentlichen ungedrosselt passieren lässt .
Bezugszeichenliste:
1 Vorschubantrieb
2 Differentialzylinder
4 Kolben
6 Kolbenstange
8 Klemmeinheit 0 Klemmkopf 2 Volumenkompensationskammer 4 Klemmventil 6 Drosselrückschlagventil 8 Regelventil 0 Proportionalmagnet 2 Proportionalmagnet 4 Zulaufleitung 6 Ablaufleitung 7 Vorlaufleitung 8 Rücklaufleitung 0 Zylinderräum 2 Ringraum 4 Pumpenleitung 6 Pumpe 8 Schaltmagnet 0 Klemmkopf 2 Klemmbuchse 4 Klemmfederanordnung 6 Klemmkolben 8 Klemmraum 0 Klemmleitung 2 Drosselquerschnitt 4 Rückschlagventil 6 Zusatzvolumen 8 Federanordnung 0 Gehäuse 2 Gehäusebohrung Kolben
Feder
Federteller
Tellerfederpaket
Endstück
Axialvorsprung
Aufnahme
Führung
Führungsvorsprung
Raum
Rückraum
Verbindungskanalabschnitt
Federraum
Verbindungskanalabschnitt
Anschlagschulter
Verbindungskanalabschnitt
Ringstirnfläche
Anschlag
Anlageschulter linke Stirnfläche
Boden

Claims

Patentansprüche
1. Hydraulisch betätigte Klemmeinheit zum Festlegen eines Betätigungselementes eines Antriebs, wie beispielsweise einer Kolbenstange (6) eines Hydrozylinders (2) , mit einem Klemmkopf (10) , dem ein von einem Klemmkolben (46) begrenzter Klemmraum (48) zugeordnet ist, der über ein Klemmventil (14) mit einer Druckmittelquelle (36) oder mit einer Druckmittelsenke (T) verbindbar ist, um über den Klemmkolben (48) zum Klemmen oder Freigeben des Betätigungselementes Klemmkörper vorzugsweise gegen die Kraft einer Federeinrichtung (44) zu verschieben, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckmittelströmungspfad zwischen dem Klemmraum (48) und dem Klemmventil (14) eine Drosselventileinrichtung (16) vorgesehen ist, die den Druckmittelvolumenstrom in einer Strömungsrichtung drosselt und in der anderen Strömungsrichtung im Wesentlichen ungedrosselt passieren lässt.
2. Klemmeinheit nach Patentanspruch 1, wobei die Drosselventileinrichtung ein Drosselrückschlagventil (16) hat.
3. Klemmeinheit nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei die Klemmkörper durch die Federeinrichtung (44) in Klemmrichtung vorgespannt und durch den Klemmkolben (48) in Richtung Lösen* beaufschlagbar sind.
4. Klemmeinheit nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei dem Klemmraum (48) eine Volumenkompensationskammer (12) zugeordnet ist.
5. Klemmeinheit nach Patentanspruch 4, wobei ein Zusatzvolumen (56) der Volumenkompensationskammer (12) durch einen federbeaufschlagten Kolben (64) begrenzt ist.
6. Klemmeinheit nach Patentanspruch 5 , wobei der Kolben (64) durch eine an einem beweglichen Federteller •
(68) abgestützte Feder (66) in Richtung Verkleinerung des Zusatzvolumens (56) beaufschlagt ist, und der Federteller
(68) seinerseits an einer Stützfederanordnung (70) abgestützt ist.
7. Klemmeinheit nach Patentanspruch 6 , mit einem federtellerseitigen Anschlag (92) , auf den der Kolben (64) nach einem Anfangshub aufläuft, so dass beim sich anschließenden Resthub die Veränderung des Zusatzvolumens (56) durch die Verschiebung des Federtellers (68) gegen die Kraft der Stützfeder (70) bestimmt ist.
8. Klemmeinheit nach Patentanspruch 7 , wobei die Stützfeder (70) so ausgelegt oder vorgespannt ist, dass sie bereits vor Auflaufen des Kolbens (64) auf den Anschlag (62) teilweise komprimiert wird.
9. Klemmeinheit nach Patentanspruch 8 , wobei die Feder (66) eine Spiralfeder und die Stützfeder ein Tellerfederpaket (70) ist.
10. Klemmeinheit nach einem der Patentansprüche 6 bis 9, wobei der Kolben (64) einen Führungsvorsprung (80) hat, der in eine Führung (78) des Federtellers (68) eintaucht .
11. Klemmeinheit nach einem der Patentansprüche 6 bis 10, wobei die Stützfeder (70) und die Feder (66) aufnehmende Räume (82, 86) mit Atmosphärendruck oder mit Tank- oder Niederdruck beaufschlagt sind.
12. Hydraulische Regelachse mit einem über eih Regelventil (18) ansteuerbaren Hydrozylinder (2) , dem eine Klemmeinheit (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zugeordnet ist.
13. Regelachse nach Patentanspruch 11, wobei eine Volumenkompensationskammer (12) der Klemmeinheit (8) achsparallel zur Kolbenachse angeordnet ist und das Regelventil (18) auf den Hydrozylinder (2) aufgebaut ist.
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