DE19524652A1 - Elektrisch ansteuerbares Proportional-Druckventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch ansteuerbares Proportional-Druckventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Bestandteil einer Einrichtung zur Einstellung des Spanndruckes von Spannfuttern von Drehmaschinen ist ein derartiges, als Vorsteuerventil für ein mit der Bezeichnung (Z) DRES-6/1X versehenes vorgesteuertes Druckreduzierventil dienendes Proportional-Druckventil von der Mannesmann Rexroth GmbH, Lohr am Main, an Kunden geliefert worden. Das Vorsteuer­ ventil ist als Einschraubventil ausgebildet. Ein Ventilkörper mit kegelförmigem Schließteil wird von einer Druckfeder gegen einen Ventilsitz gedrückt. Übersteigt der auf den Ventilkörper wirkende Druck des Druckmediums die von der entgegengesetzten Seite auf den Ventilkörper wirkende Kraft der Druckfeder, öffnet das Ventil so weit, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den von dem Druckmedium und der Druckfeder auf den Ventilkörper einwir­ kenden Kräften einstellt. Durch Veränderung der mechanischen Vorspannung der Druckfeder ist der Begrenzungsdruck einstellbar. In Verlängerung der Achse von Ventilkörper und Druckfeder ist die Abtriebswelle eines Schrittmotors angeordnet, die als mit einem Außengewinde versehene Spindel ausgestaltet ist. Auf der Spindel ist eine Mutter angeordnet. Die Mutter ist verdreh­ gesichert in dem Gehäuse des Druckventils gehalten. Sie führt bei einer Drehbewegung der Spindel eine Längsbewegung in axialer Richtung aus. Das der Druckfeder zugewandte Ende der Mutter dient als Federteller für die Druckfeder. Die Mutter verschiebt sich entsprechend der Beaufschlagung des Schrittmotors mit Steuerimpulsen in axialer Richtung. Um den gesamten Verstellweg der Mutter zu durchfahren, sind mehrere Umdrehungen der Abtriebswelle des Schrittmotors erforderlich. Im Gegensatz zu Druckventilen, bei denen die Einstellung der Kraft der Druckfeder durch eine entsprechende Auslenkung des Ankers eines Magneten erfolgt, ist bei der Einstellung der Kraft der Druckfeder mit einem Schrittmotor der Zusammenhang zwischen dem elektrischen Ansteuersignal und dem Begrenzungsdruck praktisch hysteresefrei. Aufgrund der Hemmung zwischen Spindel und Mutter bleibt ein eingestellter Begrenzungsdruck auch bei einem Ausfall der elektrischen Ansteuerung (z. B. aufgrund eines Kabelbruchs oder eines Kurzschlusses von Leitungen zwischen Ansteuer- Elektronik und Schrittmotor oder bei einem Ausfall der Versorgungsspannung) erhalten. Die axiale Lage der Mutter und damit die Höhe des Begrenzungsdrucks wird indirekt über die Anzahl und die Richtung der dem Schrittmotor zugeführten Ansteuerimpulse ermittelt. Da zwischen den dem Schrittmotor zugeführten Ansteuerimpulsen und der axialen Lage der Mutter kein starrer Zusammenhang besteht, können jedoch einzelne Ansteuerimpulse verloren gehen, wenn sie z. B. wegen einer vorübergehenden Schwergängigkeit der Mutter nicht in eine entsprechende Drehbewegung der Antriebswelle umgesetzt werden. Um die Mutter wieder in eine definierte axiale Lage zu bringen, wird der Schrittmotor so lange mit Ansteuerimpulsen beauf­ schlagt, bis die Mutter mit Sicherheit an einem gehäusefesten Anschlag anliegt. Danach wird der Zähler für die Ansteuerimpulse in die Grundstellung zurückgesetzt. Dieser Synchronisiervorgang erfolgt bei jedem Einschaltvorgang, nach einem Ausfall der Versorgungsspannung und optional zusätzlich, wenn der zu Überwachungszwecken gemessene Ventilausgangsdruck außerhalb des gewählten Überwachungsfensters liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Druckventil der eingangs genannten Art der Ansteuer-Elektronik ein dem Ausgangsdruck des Druckventils entsprechendes elektrisches Signal zuzuführen, ohne daß Synchronisierungsvorgänge erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zwischen der axialen Lage der Mutter und dem Ausgangsdruck des Druckventils besteht über die auf den Ventilkörper wirkende Kraft der zwischen Mutter und Ventilkörper angeordneten Druckfeder ein fester Zusammenhang. Bei dem aus der axialen Lage der Mutter abgeleiteten Signal handelt es sich um ein innerhalb des Druckventils abgreifbares Signal. Bei einem vorgesteuerten Ventil wird das dem Ausgangsdruck entsprechende Signal bereits innerhalb des Vorsteuerventils abgegriffen. Über eine Regelung der axialen Lage der Mutter ist eine schnelle Einstellung des gewünschten Ausgangsdruckes des Druckventils möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Druckventils nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 9 gekennzeichnet. Die Verwendung induktiver Weggeber erlaubt eine berührungslose Wegerfassung. Die Ausgestaltung des Weggebers als Differentialtransformator erlaubt es, die Spulen gehäusefest anzuordnen und das Koppelelement, das keine elektrischen Anschlüsse benötigt, in die Mutter zu integrieren oder an ihr zu befestigen. Die Ausgestaltung der Antriebswelle des Schrittmotors als Hohlwelle erlaubt es, einen Stift an der Mutter zu befestigen und diesen durch die Hohlwelle hindurch mit einem an dem Gehäuse des Druckventils gehaltenen externen Weggeber zu verbinden. Ist der externe Weggeber ein Differentialtransformator, kann das freie Ende des mit der Mutter verbundenen Stiftes gleichzeitig als Koppelelement für die Spulen des Differentialtransformators dienen. Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportional-Druckventils,

Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportional-Druckventils,

Fig. 4 eine Einzelheit der Fig. 3 in vergrößerter Darstellung und

Fig. 5 eine andere Ausgestaltung der in der Fig. 4 dargestellten Einzelheit.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel eines Proportional-Druckventils gemäß der Erfindung; die Fig. 2 zeigt die Einzelheit X in vergrößerter Darstellung. Das mit dem Bezugszeichen 1 versehene Prortional-Druckventil ist als Vorsteuerventil für ein vorgesteuertes Druckreduzierventil ausgebildet. Das Proportional-Druckventil 1 weist einen Ventil­ körper 2 mit einem Ventilkegel 2a und einer Führungsscheibe 2b auf. Die Führungsscheibe 2b ist als Federteller für zwei Druckfedern 3 und 4 ausgebildet. Die Druckfeder 3 ist zwischen der Führungsscheibe 2b und einem Ventilsitz 5 angeordnet. Die Druckfeder 4 ist zwischen der Führungsscheibe 2b und einer verdrehgesicherten Mutter 6 angeordnet. Die Kraft der Druckfeder 4 ist größer als diejenige der Druckfeder 3. Der Ventilkegel 2a wird daher im drucklosen Zustand von der Druckfeder 4 gegen den Ventilsitz 5 gedrückt. Übersteigt die Summe aus der von dem Druck des Druckmediums in einer Bohrung 7 auf den Ventilkegel 2a ausgeübten Kraft und der Kraft der Druckfeder 3 die Kraft der Druckfeder 4, hebt der Ventilkegel 2a von dem Ventilsitz 5 ab, das Ventil öffnet sich und es fließt Druckmedium über einen Druckraum 8 und eine weitere Bohrung 9 ab. Dabei verringert sich der Druck des Druckmediums in der Bohrung 7 so weit, bis die Summe aus der von dem Druck des Druckmediums in der Bohrung 7 auf den Ventilkegel 2a ausgeübten Kraft und der Kraft der Druckfeder 3 gleich der Kraft der Druckfeder 4 ist. Die Kraft der Druckfeder 4 hängt von der axialen Lage der verdreh­ gesicherten Mutter 6 ab. Die Verstellung der Lage der verdreh­ gesicherten Mutter 6 erfolgt durch einen in der Figur I schematisch dargestellten Schrittmotor 10. Der Schrittmotor 10 weist einen Stator 11, einen Rotor 12 sowie eine mit dem Rotor 12 verbundene Abtriebswelle 13 auf. Die Abtriebswelle 13 ist in zwei Lagern 14 und 15 gelagert. Das freie Ende der Abtriebswelle 13 ist als Spindel ausgebildet und mit einem Außengewinde 16 versehen, das in das Innengewinde der verdrehgesicherten Mutter 6 eingreift. Die Mutter 6 ist mit einem in Längsrichtung verlaufenden Schlitz 17 versehen. In den Schlitz 17 greift ein Stift 18 ein. Der Stift 18 ist in eine Bohrung des Gehäuses 19 der Motorbaugruppe gepreßt und sichert die Mutter 6 gegen Verdrehung. Eine in die Mutter 6 geschraubte Madenschraube 20 begrenzt den Verstellweg der Mutter 6 bei Entlastung der Druckfeder 4. In der anderen Richtung wird der Verstellweg der Mutter 6 durch den Stift 18 und den Schlitz 17 begrenzt. Bei einer Ansteuerung des Schrittmotors 10 mit Ansteuerimpulsen dreht sich die Abtriebswelle 13 schrittweise. Die Steigung des Gewindes 16 ist so ausgelegt, daß dem vollen Hub der Mutter 6 mehrere Umdrehungen der Abtriebswelle 13 entsprechen. Auf diese Weise ist eine feinfühlige Verstellung der Mutter 6 in axialer Richtung und damit auch eine feinfühlige Einstellung des Ausgangsdrucks des Proportional-Druckventils 1 möglich. Ein Ring 21 aus magnetisierbarem Material, wie z. B. Eisen, und drei Spulen 22, 23 und 24 bilden einen induktiven Weggeber in der Art eines Differentialtransformators. Die in der Fig. 1 nicht dargestellten Anschlußleitungen der Spulen 22 bis 24 sind durch das Gehäuse 19 der Motorbaugruppe nach außen geführt. Der Ring 21 ist in eine kreisringförmige Aussparung der Mutter 6 gepreßt. Die Mutter 6 besteht aus einem nicht magnetischen Material, wie z. B. Messing. Die Spulen 22 bis 24 sind nebeneinander in dem Gehäuse 19 angeordnet und umschließen die Mutter 6. Die mittlere Spule 23 dient als Primärwicklung, die beiden äußeren Spulen 22 und 24 dienen als Sekundärwicklungen des Differentialtransfor­ mators. Der Ring 21 beeinflußt die magnetische Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklungen. Die an den Sekundär­ wicklungen abgegriffenen Spannungen sind damit ein Maß für die axiale Lage der Mutter 6. Sollten, z. B. aufgrund einer vorübergehenden Schwergängigkeit der Mutter 6, einzelne Ansteuerimpulse nicht in eine entsprechende Drehbewegung der Antriebswelle 13 umgesetzt werden, beeinträchtigt dies nicht die Einstellung des gewünschten Ausgangsdrucks des Proportional- Druckventils 1. Ein Vergleicher in der Ahsteuer-Elektronik erkennt die Abweichung des Istwertes der axialen Lage der Mutter 6 von dem Sollwert und führt dem Schrittmotor 10 so lange Ansteuerimpulse zu, bis die Schwergängigkeit überwunden ist und die Mutter 6 den Sollwert erreicht hat.

Die Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Proportional-Druckventils gemäß der Erfindung; die Fig. 4 zeigt die Einzelheit Y in vergrößerter Darstellung. Soweit Teile der Fig. 3 und 4 mit Teilen der Fig. 1 und 2 übereinstimmen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In diesem Ausführungsbeispiel dient ein an dem Gehäuse 19 der Motorbaugruppe gehaltener Differential­ transformator 25 als externer Weggeber. Die verdrehgesicherte Mutter ist mit dem Bezugszeichen 6′ und der Schrittmotor ist mit dem Bezugszeichen 10′ versehen. Die Abtriebswelle des Schrittmotors 10′ ist als Hohlwelle 26 ausgebildet und im Bereich der verdrehgesicherten Mutter 6′ mit einem Außengewinde 16 versehen. Eine Drehbewegung des Rotors 12 des Schrittmotors 10′ wird in eine entsprechende Längsbewegung der Mutter 6′ in axialer Richtung umgesetzt. Ein Stift 27, der durch die Hohlwelle 26 geführt ist, dient als Wegaufnehmer des Differentialtransformators 25. Der Stift 27 ist an seinem linken Ende als Innensechskantschraube 27a ausgebildet und in eine mit einem Innengewinde versehene Längsbohrung der Mutter 6′ geschraubt. Das rechte Ende des Stiftes 27 ist als Koppelelement 27b für die Spulen 28, 29 und 30 des Differentialtransformators 25 ausgebildet. Der als Koppelelement 27b dienende Teil des Stiftes 27 besteht aus magnetisierbarem Material, z. B. Eisen, während die restlichen Teile des Stiftes 27 aus nicht magnetisierbarem Material, wie z. B. Aluminium oder Messing, bestehen. Der als Innensechskantschraube 27a ausgebildete Teil des Stiftes 27 erlaubt bei der Montage eine Justierung des Koppelelementes 27b bezüglich der Spulen 28 bis 30 des Differentialtransformators 25. Der Stift 27 überträgt die Längsbewegung der Mutter 6′ in den Differentialtransformator 25.

Die Fig. 5 zeigt in einer der Fig. 4 entsprechenden Darstellung eine andere Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem mit dem Bezugszeichen 27′ versehenen Stift und der mit dem Bezugszeichen 6′′ versehenen verdrehgesicherten Mutter. Der Stift 27′ ist an seinem linken Ende mit einem Außengewinde 27a′ versehen, dessen Durchmesser gleich demjenigen des übrigen Stiftes 27′ ist. Der Stift 27′ ist in eine mit einem entsprechenden Innengewinde versehene Längsbohrung der Mutter 6′′ geschraubt. Der Stift 27′ überträgt die Längsbewegung der Mutter 6′′in den Differentialtransformator 25.

Claims (9)

1. Elektrisch ansteuerbares Proportional-Druckventil mit einer mit dem Rotor eines Schrittmotors verbundenen Abtriebs­ welle in Form einer mit einem Außengewinde versehenen Spindel, auf der eine verdrehgesicherte Mutter angeordnet ist, die die Drehbewegung der Abtriebswelle in eine der Drehbewegung proportionale Längsbewegung umformt, wobei die axiale Lage der verdrehgesicherten Mutter ein Maß für den Ausgangsdruck des Proportional-Druckventils ist, insbesondere Vorsteuerventil für ein vorgesteuertes Druckreduzierventil, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrehgesicherte Mutter (6) mit einem Weggeber (21 bis 24; 25) verbunden ist, der die axiale Lage der verdreh­ gesicherten Mutter (6; 6′; 6′′) in ein elektrisches Ausgangs­ signal umformt.

2. Proportional-Druckventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verstellbereich der verdrehgesicherten Mutter (6) mindestens zwei elektrische Spulen in axialer Richtung nebeneinander angeordnet sind, die die verdreh­ gesicherte Mutter (6) umschließen, und daß die verdrehgesicherte Mutter (6) mit einem Koppelelement (21) versehen ist, dessen axiale Lage die magnetische Kopplung zwischen den Spulen beeinflußt.

3. Proportional-Druckventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verstellbereich der verdrehgesicherten Mutter (6) drei Spulen (22, 23, 24) angeordnet sind, von denen die mittlere Spule (23) als Primärwicklung und die beiden äußeren Spulen (22 bzw. 24) als Sekundärwicklung eines Differentialtransformators dienen.

4. Proportional-Druckventil nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelelement ein aus magnetisierbarem Material bestehender Ring (21) ist und die verdrehgesicherte Mutter (6) aus nicht magnetisierbarem Material besteht.

5. Proportional-Druckventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebswelle des Schrittmotors (10′) als Hohlwelle (26) ausgebildet ist und daß ein Stift (27; 27′) in axialer Richtung durch die Hohlwelle (26) geführt ist, dessen eines Ende (27a; 27a′) an der verdrehgesicherten Mutter (6′; 6′′) gehalten ist und dessen anderes Ende außerhalb des Schrittmotors (10′) mit dem Wegaufnehmer eines externen Weggebers (25) verbunden ist.

6. Proportional-Druckventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Weggeber ein Differential­ transformator (25) ist.

7. Proportional-Druckventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (27; 27′) als Wegaufnehmer des Differentialtransformators (25) dient.

8. Proportional-Druckventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Stiftes (27b) als Koppelelement für die Spulen (28, 29, 30) des Differential­ transformators (25) ausgebildet ist.

9. Proportional-Druckventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der als Koppelelement (27b) dienende Teil des Stiftes (27; 27′) aus magnetisierbarem Material besteht und daß die restlichen Teile des Stiftes (27; 27′) aus nicht magnetisierbarem Material bestehen.