EP0471695B1 - Hydraulic drive - Google Patents
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- EP0471695B1 EP0471695B1 EP90906855A EP90906855A EP0471695B1 EP 0471695 B1 EP0471695 B1 EP 0471695B1 EP 90906855 A EP90906855 A EP 90906855A EP 90906855 A EP90906855 A EP 90906855A EP 0471695 B1 EP0471695 B1 EP 0471695B1
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- EP
- European Patent Office
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- measuring system
- reference value
- value setting
- drive
- shaft
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- 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
- F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
- F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F15B9/00—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member
- F15B9/02—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member with servomotors of the reciprocatable or oscillatable type
- F15B9/08—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member with servomotors of the reciprocatable or oscillatable type controlled by valves affecting the fluid feed or the fluid outlet of the servomotor
- F15B9/09—Servomotors with follow-up action, e.g. obtained by feed-back control, i.e. in which the position of the actuated member conforms with that of the controlling member with servomotors of the reciprocatable or oscillatable type controlled by valves affecting the fluid feed or the fluid outlet of the servomotor with electrical control means
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y10T408/65—Means to drive tool
- Y10T408/675—Means to drive tool including means to move Tool along tool-axis
- Y10T408/6757—Fluid means
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- Y10T409/00—Gear cutting, milling, or planing
- Y10T409/40—Broaching
- Y10T409/406475—Cutter infeed means
- Y10T409/40665—Imparting rectilinear motion to cutter
- Y10T409/407—Fluid powered means
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- Y10T82/00—Turning
- Y10T82/25—Lathe
- Y10T82/2531—Carriage feed
- Y10T82/2533—Control
Definitions
- Such a hydraulic drive device is known from DE-A-3438 600.
- the piston of a hydraulic motor which is firmly coupled to the tool, is controlled by means of a follow-up control valve which works with an electromechanically controllable position setpoint specification for the movable drive element of the hydraulic motor and with mechanical actual position feedback.
- a threaded spindle and a spindle nut which meshes with its thread are provided for the position setpoint specification and actual value feedback, one of these two elements - the spindle nut system - being drivable by means of an electric motor in the sense of the position setpoint specification and the other of these two elements can be driven in the sense of the actual position feedback, such that that when the rate of change of the position setpoint specification and the position actual value feedback are balanced, the spindle and the nut rotate at the same speed and do not perform any relative axial movements with respect to one another.
- a valve actuator is provided which, when the spindle and the nut rotate at different speeds, also carries out relative movements of the nut against the spindle and thereby the valve in the sense of an increase in the flow cross sections of supply paths via which the pressure medium Achievement of the desired direction of movement flows, controlled when the rate of change of the actual position is smaller than the change in the position setpoint specification, and keeps these flow cross-sections constant if and as long as these rates of change are the same.
- the signals required for the motion control of the electric motor are generated by an electronic control unit which is provided with an interface which enables a signal transition and / or data exchange between an NC or a CNC control and the electronic control unit.
- a monitoring device is provided in which the distance of the control valve actuating element from its basic position is monitored and if this distance defines a predefinable, defined one Falls below the minimum value, which is equivalent to the fact that the tool approaches the dead center, triggers a position-characteristic monitoring signal from a proximity switch.
- the object of the invention is therefore to improve a drive device of the type mentioned in such a way that a continuous and continuous detection of the following error ⁇ S is possible.
- the monitoring device comprises a rotary position transmitter which, e.g. generates output signals in digital format which are a direct measure of the total number of revolutions carried out by the setpoint specification element and their azimuthal position within each revolution, and an electronic displacement sensor is also provided, the output signals of which are a direct measure of the axial deflection of the setpoint value Default element relative to the neutral position of the same or the neutral position of the valve actuating element and thus a measure for the following error ⁇ S are by which the actual position of the tool or the drive element of the hydraulic motor lags behind its target position.
- the drive device offers the possibility of recognizing an impending malfunction of the machine equipped with it as a whole and of course also the - timely - avoidance of this malfunction, which could be linked to damage to the machine.
- This control unit enables the drive device z. B. in the sense of the best possible compromise between desired high dynamics and nonetheless gentle operation.
- the preferred design of the rotary position sensor provided for monitoring the position setpoint value and the arrangement of its rotating sensor elements on the setpoint value shaft of the overrun control valve of the drive device has the advantage of very precise detection of the relevant position setpoint value - ultimately -
- the tool since no gears or transmission elements, which may be subject to slip or play, are connected between the position setpoint input shaft and the rotary position transmitter.
- the working medium of the drive device can be used in a simple manner for cooling the control motor, which is thereby controlled with higher electrical power can, which in turn benefits the dynamics of the entire drive device.
- the features of claim 8 indicate a preferred, special design of the rotary position transmitter provided for monitoring the position setpoint specification, which enables an angular resolution of the rotary position of 3.6 ⁇ 10 ⁇ 20.
- the basic structure is gradually specified by those of claim 10 in terms of a preferred embodiment of the displacement sensor, by means of which the following error ⁇ S of the drive device can be detected, the following error ⁇ S being accurate to at least 1/100 of its maximum amount is measurable.
- the evaluation of the displacement sensor output signal provided in accordance with claim 11 means that the neutral position of the valve actuating element of the follower control valve can not be assigned to a specific output signal level of the displacement sensor, so that time-consuming adjustment and calibration processes can be dispensed with.
- the hydraulic drive device according to the invention shown in FIG. 1, to the details of which is expressly referred to, is designated overall by 10 and consists of a hydraulic motor 11, a follow-up control valve 12 which, with an electrically controlled specification of the desired value of the position of a tool (not shown) , which is brought into its working positions by means of the hydraulic motor 11, and mechanical position actual value feedback operates, an electronic control unit 13 for the position setpoint specification control, which is only indicated schematically, and a measuring system, designated overall by 14, by means of which, on the one hand, the controlled one
- the desired position value of the tool or the drive piston 16 can be measured and, on the other hand, the following error ⁇ S can be detected, by which the tool or the drive piston 16 lags the controlled position desired value.
- the follow-up control valve 12 and the measuring system are designed as a compact structural unit accommodated in a common housing 17, the follow-up control valve 12 along the seen central axis 18 of the assembly 11, 12, 14, "between” the hydraulic motor 11 and the measuring system 14 is arranged.
- the follow-up control valve 12 is a 4/3-way valve in its function, the neutral basic position 0 is its blocking position, in which both drive pressure chambers 21 and 22 of the hydraulic motor 11 both against the P connection 23 and against the T connection 26 of the pressure supply unit are blocked.
- the drive pressure chamber 21 on the left according to FIG. 1 is via a flow path 32 of the follow-up control valve 12 connected to the - unpressurized - tank connection 26 of the pressure supply unit 24, while the other drive pressure chamber 22 of the hydraulic cylinder 11 is connected to the P-pressure outlet 23 of the pressure supply unit 24 via the second flow path 33 which is effective in the functional position II of the overrun control valve 12.
- the drive piston 16 of the hydraulic motor 11 moves in the direction of the arrow 28, according to FIG. 1, to the left.
- a hollow shaft 37 is mounted rotatably and axially displaceably in a central bore 36, coaxial with the longitudinal axis 18 of the drive device 10, of a block-shaped central section 17 ′′ of the housing 17 which forms on the housing of the follow-up control valve 12 and which on its side faces the hydraulic motor 11 End portion is provided with an internal thread 38, via which it is in meshing engagement with a central, elongated threaded spindle 39 which is fixedly connected to the drive piston 16 of the hydraulic motor 11.
- This hollow shaft 37 can be driven - for specifying the position setpoint of the drive piston 16 of the hydraulic motor 11 - by means of an electric motor designated overall by 41, the power supply of which is controlled by electrical output signals of the electronic control unit 13 in the sense of the position setpoint specification.
- this electric motor has a stator 42 arranged fixed to the housing and an axially reciprocable rotor 43, the rotor shaft of which is formed by a section of the hollow shaft 37, which is connected to the rotor 43 so as to be fixed in terms of rotation and displacement.
- the rotor 43 of the electric motor 41 is thus in a central position via the section 44 of the hollow shaft 37 axially penetrated by the threaded spindle 39 on the block-shaped central section 17 ′′ of the housing 17, on the one hand, and on the other hand with a further section 46 of the hollow shaft 37 carrying the rotor 43 Bore 47 of an intermediate wall 48 of the housing 17 is rotatably mounted, which essentially delimits the space 49 occupied by the motor 41 and the overrun control valve 12 from the housing space 51 provided for accommodating the measuring system 14, these spaces 49 and 41 not being pressure-tight are closed against each other, but overall form the leak oil chamber of the drive device 10.
- axially displaceable but non-rotatable is a generally designated 52 yoke-shaped valve actuating member, which has two parallel yoke legs 53 and 54 has that through a parallel to!
- Central longitudinal axis 18 of the drive device extending guide rod 56 which passes through a radially lateral guide bore 57 of the block-shaped, central housing part 17 '', are firmly connected to one another and engage axially on each of the opposite sides of the valve piston 34 via an actuating pin 58 or 59 , wherein this support of the yoke legs 53 and 54 on the actuating pins 58 and 59 and the valve piston 34 is a positive fit.
- the two yoke legs 53 and 54 have aligned, with the central longitudinal axis 18 of the drive device 10 coaxial bores 61 and 62, the diameter of which is slightly larger than the outer diameter of the hollow shaft 37, so that this with a sufficient for their smooth rotation through these holes 61 and 62 of the yoke legs 53 and 54 of the valve actuating member 52 can pass through.
- valve actuating member 52 is axially free of play between radial driving flanges 66 and 67 of the hollow shaft 37 via ball bearings 63 and 64, which impart smooth rotation of the hollow shaft 37 relative to the valve actuating member 52.
- the electric drive motor 41 is driven by output signals from the electronic control unit 13 with that direction of rotation - the motor 41 can be driven in alternative directions of rotation - that its rotor 43 and with it the hollow shaft 37 - because of their thread engagement with the initially unoccupied spindle 39 - undergoes an axial displacement in the direction 28 opposite to the feed direction 27, which is also transmitted to the valve piston 34 of the follow-up control valve 12 via the valve actuating member 52, which also carries out this initial axial displacement of the hollow shaft 37, which thereby moves into its Function position I assigned to feed operation arrives. Due to the resulting - increasing - pressurization of the one drive pressure chamber 21 of the hydraulic motor 11, as shown in FIG.
- the measuring system 14 for the explanation of which reference is now also made to the details of FIGS. 2a and 2b and 2c, comprises a total of 3, basically rotationally symmetrical encoder elements 68, 69 and 71, which can be seen from FIG. 1 Arrangement at an axial distance from one another in a rotationally and displaceably fixed manner are arranged on the end section 72 of the hollow shaft 37 which projects into the receiving space 51 of the measuring system 14.
- So-called field plate sensors of a type known per se are used as sensor elements 74 and 75, in which the amplitudes of the output signals are independent of the rotational speed of the mechanical encoder elements 68, that is to say the signal level of their output signals varies between defined - upper and lower - extreme values, so that the output signals the level of the two sensor elements 74 and 75 can also be easily evaluated.
- the gear-shaped transmitter element 68 and the annular flange-shaped transmitter element 69 and the associated electronic sensor elements 74 and 75 and 77 are arranged and designed so that the output signals of at least the two sensor elements 74 and 75 of the angular position measuring system 68, 74, 75 by the in operation possible axial displacements of the hollow shaft 37 - and thus also of the transmitter elements 68 and 69 - of the drive device 10 are not influenced, since the output signals of the two sensor elements 74 and 75 should also be able to be evaluated as precisely as possible with regard to the amounts of their amplitudes (signal level).
- the simple design of the following error measuring system 71, 78 which can be seen in FIG. 1, has its mechanical encoder element 71 formed as an annular rib with conical flanks 79 and 81, which adjoin one another along a sharp ring edge 82, by their axial displacements relative to the sensor element 78 whose output signal level is influenced.
- An element of the type is again provided as sensor element 78, as already explained for the angular position measuring system 68, 74, 75.
- a position of the mechanical transmitter element 71 is linked to the - blocking - basic position O of the overrun control valve 12, in which the output signal of the sensor element 78 of the following error measuring system 71, 78 corresponds to a - high or low - extreme value, so that changes in the output signal level of the sensor element 78 are in each case monotonously related to the following error ⁇ S in one direction or the other.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Antriebsvorrichtung für die Zustell- und Vorschub- sowie die Rückzugsbewegungen eines Werkzeugkopfes einer Werkzeugmaschine und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.The invention relates to a hydraulic drive device for the infeed and feed and the retraction movements of a tool head of a machine tool and with the other generic features mentioned in the preamble of claim 1.
Eine derartige hydraulische Antriebsvorrichtung ist durch die DE-A-3438 600 bekannt.Such a hydraulic drive device is known from DE-A-3438 600.
Bei der bekannten Antriebsvorrichtung wird der mit dem Werkzeug fest gekoppelte Kolben eines Hydromotors mittels eines Nachlaufregelventils gesteuert, das mit elektromechanisch steuerbarer Positions-Sollwert-Vorgabe für das bewegliche Antriebselement des Hydromotors und mit mechanischer Positions-istwert-Rückmeldung arbeitet. Dabei ist zur Positions-Sollwert-Vorgabe und -Istwert-Rückmeldung eine Gewindespindel und eine mit deren Gewinde in kämmendem Eingriff stehende Spindelmutter vorgesehen, wobei eines dieser beiden Elemente - des Spindel-Muttersystems - mittels eines Elektromotors im Sinne der Positions-Sollwert-Vorgabe antreibbar und das andere dieser beiden Elemente im Sinne der Positions-Istwert-Rückmeldung antreibbar ist, derart, daß bei Gleichgewicht der Änderungsrate der Positions-Sollwert-Vorgabe und der Positions-Istwert-Rückmeldung die Spindel und die Mutter mit gleicher Drehzahl rotieren und keinerlei axiale Relativbewegungen gegeneinander ausführen. Im Rahmen des Nachlauf-Regelventils ist ein Ventilbetätigungsglied vorgesehen, welches, wenn die Spindel und die Mutter mit unterschiedlicher Drehzahl rotieren, Relativbewegungen der Mutter gegen die Spindel mit ausführt und dadurch das Ventil im Sinne einer Vergrößerung der Durchflußquerschnitte von Versorgungspfaden, über die das Druckmedium zur Erzielung der jeweils gewünschten Bewegungsrichtung strömt, aufsteuert, wenn die Änderungsrate der Ist-Position kleiner ist als die Änderung der Positions-Sollwert-Vorgabe, und diese Durchflußquerschnitte konstant hält, wenn und solange diese Änderungsraten gleich sind. Die für die Bewegungssteuerung des Elektromotors erforderlichen Signale werden von einer elektronischen Steuereinheit erzeugt, die mit einer einen Signalübergang und/oder Datenaustausch zwischen einer NC- oder einer CNC-Steuerung und der elektronischen Steuereinheit ermöglichenden Schnittstelle versehen ist. Um feststellen zu können, ob und/oder wann das mit der Antriebsvorrichtung angetriebene Werkzeug eine bestimmte Position erreicht hat, sei es um zu erfassen, ob das Werkzeug überhaupt seinen Arbeitshub ausgeführt hat, sei es um genau den Endpunkt seines Arbeitshubes feststellen zu können, z.B. wenn das Arbeitsergebnis davon abhängig ist, daß einne definierte Endposition tatsächlich erreicht wird, wie im Falle einer Presse oder Prägemaschine, ist eine Überwachungseinrichtung vorgesehen, bei der der Abstand des Regelventil-Betätigungsgliedes von dessen Grundstellung überwacht wird und, wenn dieser Abstand einen vorgebbaren, definierten Mindestwert unterschreitet, was gleichbedeutend damit ist, daß sich das Werkzeug dem Totpunkt nähert, ein positionscharakteristisches Überwachungssignal eines Näherungsschalters auslöst. Dadurch wird eine für viele Anwendungsfälle hinreichend genaue Feststellung des "programmierten" Totpunktes des Werkzeuges erzielt, welche anzeigt, daß das Werkzeug seinen Arbeitshub ausgeführt hat. Zum Einstellen der Einrichtung auf eine bestimmte Hubhöhe des Werkzeuges und eine bestimmte Materialdicke des Werkstückes bzw. Verformungstiefe desselben bedarf es lediglich einer zweckgerechten Programmierung der Sollwert-Vorgabe-Einrichtung. Die Erfassung des Totpunktes selbst erfolgt mit Hilfe eines Näherungsschalters, der anspricht, wenn ein Drehflügel, der über ein Obersetzungsgetriebe von dem Ventil-Betätigungsglied angetrieben wird, in eine definierte, voreingestellte Position gelangt, die der "Mittelstellung" des Ventilbetätigungsgliedes entspricht, welche dieses einnimmt, wenn Gleichheit von Soll- und Ist-Position erreicht ist, was gleichbedeutend mit dem Erreichen des Totpunktes des Werkzeuges ist.
Bei der bekannten Vorrichtung wird auch erkannt, wenn das Nachlauf-Regelventil voll aufgesteuert ist, das heißt wenn der Schleppfehler ΔS des Regelkreises sehr groß wird, was als Indiz dafür gewertet werden kann, daß eine Kollision zwischen dem Antriebselement und einem Hindernis vorliegt, und es wird dann die Antriebsvorrichtung abgeschaltet. Hierbei wird auch die Richtung der Bewegung des Antriebselementes berücksichtigt, das heißt es ist anhand von der Oberwachungseinrichtung erzeugter Signalekombinationen erkennbar, ob eine Kollision in "Vorwärts-" oder "Rückwärts-"Richtung stattgefunden hat.In the known drive device, the piston of a hydraulic motor, which is firmly coupled to the tool, is controlled by means of a follow-up control valve which works with an electromechanically controllable position setpoint specification for the movable drive element of the hydraulic motor and with mechanical actual position feedback. In this case, a threaded spindle and a spindle nut which meshes with its thread are provided for the position setpoint specification and actual value feedback, one of these two elements - the spindle nut system - being drivable by means of an electric motor in the sense of the position setpoint specification and the other of these two elements can be driven in the sense of the actual position feedback, such that that when the rate of change of the position setpoint specification and the position actual value feedback are balanced, the spindle and the nut rotate at the same speed and do not perform any relative axial movements with respect to one another. As part of the overrun control valve, a valve actuator is provided which, when the spindle and the nut rotate at different speeds, also carries out relative movements of the nut against the spindle and thereby the valve in the sense of an increase in the flow cross sections of supply paths via which the pressure medium Achievement of the desired direction of movement flows, controlled when the rate of change of the actual position is smaller than the change in the position setpoint specification, and keeps these flow cross-sections constant if and as long as these rates of change are the same. The signals required for the motion control of the electric motor are generated by an electronic control unit which is provided with an interface which enables a signal transition and / or data exchange between an NC or a CNC control and the electronic control unit. In order to be able to determine whether and / or when the tool driven by the drive device has reached a certain position, be it to determine whether the tool has actually carried out its working stroke, or to be able to determine exactly the end point of its working stroke, for example If the result of the work depends on the fact that a defined end position is actually reached, as in the case of a press or embossing machine, a monitoring device is provided in which the distance of the control valve actuating element from its basic position is monitored and if this distance defines a predefinable, defined one Falls below the minimum value, which is equivalent to the fact that the tool approaches the dead center, triggers a position-characteristic monitoring signal from a proximity switch. As a result, a sufficiently precise determination of the "programmed" Achieved dead center of the tool, which indicates that the tool has completed its working stroke. To set the device to a certain lifting height of the tool and a certain material thickness of the workpiece or depth of deformation of the same, all that is required is appropriate programming of the setpoint specification device. The detection of the dead center itself takes place with the aid of a proximity switch which responds when a rotary wing which is driven by the valve actuating element via a step-up gear reaches a defined, preset position which corresponds to the "central position" of the valve actuating element which it occupies , when the target and actual positions are equal, which is equivalent to reaching the dead center of the tool.
In the known device, it is also recognized when the overrun control valve is fully open, that is, when the following error ΔS of the control loop becomes very large, which can be taken as an indication that there is a collision between the drive element and an obstacle, and it the drive device is then switched off. The direction of the movement of the drive element is also taken into account here, that is to say it can be seen from the signal combinations generated by the monitoring device whether a collision has taken place in the “forward” or “backward” direction.
Zwar ist bei der bekannten Antriebsvorrichtung eine Anpassung ihrer Oberwachungseinrichtung dahingehend, daß diese auf unterschiedliche Schwellenwerte des Schleppfehlers ΔS einstellbar ist, an verschiedene Einsatzzwecke durchaus möglich, es ist aber nicht möglich, den Schleppfehler seinem Betrage nach zu erfassen, solange dieser unterhalb des genannten Schwellenwertes liegt, mit der insoweit nachteiligen Folge, daß eine im Betrieb einer mit der Antriebsvorrichtung ausgerüsteten Maschine auftretende Änderung des Schleppfehlers, z. B. im Sinne einer Vergrößerung desselben, nicht erfaßt werden kann.In the known drive device, it is entirely possible to adapt its monitoring device so that it can be set to different threshold values of the following error ΔS for different purposes, but it is not possible to determine the amount of the following error as long as it is below the mentioned threshold value , with the consequent disadvantageous consequence, that a change in the tracking error occurring in the operation of a machine equipped with the drive device, e.g. B. in the sense of an enlargement of the same, can not be detected.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine kontinuierliche und fortlaufende Erfassung des Schleppfehlers ΔS möglich ist.The object of the invention is therefore to improve a drive device of the type mentioned in such a way that a continuous and continuous detection of the following error ΔS is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
Hiernach umfaßt die Überwachungseinrichtung einen Drehstellungsgeber, der, z.B. in digitalem Format Ausgangssignale erzeugt, die ein direktes Maß für die von dem Sollwert-Vorgabeelement insgesamt ausgeführten Umdrehungen sowie deren azimutaler Position innerhalb jeder Umdrehung sind, und es ist weiter ein elektronischer Weggeber vorgesehen, dessen Ausgangssignale ein direktes Maß für die axiale Auslenkung des Sollwert-Vorgabeelements gegenüber der Neutralstellung desselben bzw. der Neutralstellung des Ventilbetätigungsgliedes und damit ein Maß für den Schleppfehler ΔS sind, um den die Ist-Position des Werkzeuges bzw. des Antriebs-Elementes des Hydromotors gegenüber seiner Soll-Position nacheilt.Thereafter, the monitoring device comprises a rotary position transmitter which, e.g. generates output signals in digital format which are a direct measure of the total number of revolutions carried out by the setpoint specification element and their azimuthal position within each revolution, and an electronic displacement sensor is also provided, the output signals of which are a direct measure of the axial deflection of the setpoint value Default element relative to the neutral position of the same or the neutral position of the valve actuating element and thus a measure for the following error ΔS are by which the actual position of the tool or the drive element of the hydraulic motor lags behind its target position.
Hieraus resultierende - vorteilhafte - funktionelle Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zumindest die folgenden:The resulting advantageous properties of the device according to the invention are at least the following:
Dadurch, daß die Position des Sollwert-Vorgabeelements - im Sinne einer Messung - überwacht wird, ist der momentan für den Betriebszustand der Antriebsvorrichtung maßgebliche Positions-Sollwert genau "bekannt" und nicht mit Ungenauigkeiten behaftet, die, z. B. bei einer Impulsansteuerung eines zum Antrieb des Sollwert- Vorgabeelements vorgesehenen Schrittmotors dadurch auftreten können, daß der Schrittmotor, falls die Impulsfolgefrequenz der Ansteuerung einmal zu hoch sein sollte, einen Ansteuerimpuls gleichsam "übersieht".Because the position of the setpoint input element is monitored - in the sense of a measurement - it is currently for the Operating state of the drive device relevant position setpoint exactly "known" and not affected by inaccuracies that, z. B. with a pulse control of a provided for driving the setpoint input step motor can occur in that the stepper motor, if the pulse repetition frequency of the control should be too high, "overlooks" a control pulse.
Durch die permanente Messung der Auslenkung des Ventilbetätigungsgliedes des Nachlauf-Regelventils aus seiner Ruhelage, das heißt die Messung des Schleppfehlers der Regeleinrichtung, der in Einheiten der Position des von der Antriebsvorrichtung angetriebenen Werkzeuges umgerechnet werden kann, ist gleichzeitig auch dessen Ist-Position bekannt, so daß in jeder Phase eines Bearbeitungsvorganges, der unter Einsatz der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung durchgeführt wird, genau erkennbar ist, wie weit der Bearbeitungsprozeß fortgeschritten ist.Due to the permanent measurement of the deflection of the valve actuating member of the overrun control valve from its rest position, i.e. the measurement of the drag error of the control device, which can be converted into units of the position of the tool driven by the drive device, its actual position is also known at the same time, so that in each phase of a machining process that is carried out using the drive device according to the invention, it can be seen exactly how far the machining process has progressed.
Eine sinnfällige und insoweit einfache Ausnutzung dieser Kenntnis kann z. B. darin bestehen, daß bei einer Vielzahl gleichartiger Bearbeitungsvorgänge, die periodisch wiederholt werden, ausgewertet wird, wie groß der Schleppfehler ΔS bei einer bestimmten Soll-Position des mit der Antriebsvorrichtung angetriebenen Werkzeuges ist. Zeigt es sich hierbei, daß der Schleppfehler Δs, bezogen auf diese bestimmte soll-Position des Werkzeuges über mehrere Arbeitsvorgänge hinweg kontinuierlich zunimmt, so ist dies ein Indiz dafür, daß das Werkzeug "schlecht" - stumpf - wird und daher alsbald ausgewechselt werden muß.A meaningful and in this respect simple use of this knowledge can, for. B. consist in a large number of similar machining operations, which are repeated periodically, evaluates how large the following error ΔS is at a certain desired position of the tool driven by the drive device. If it is shown here that the following error Δs, based on this specific target position of the tool, increases continuously over several work processes, this is an indication that the tool is "bad" - blunt - and must therefore be replaced immediately.
Die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung bietet insoweit die Möglichkeit der Erkennung einer drohenden Fehlfunktion der mit ihr ausgerüsteten Maschine insgesamt und damit natürlich auch die - rechtzeitige - Vermeidung dieser Fehlfunktion, die mit einer Beschädigung der Maschine verknüpft sein könnte.In this respect, the drive device according to the invention offers the possibility of recognizing an impending malfunction of the machine equipped with it as a whole and of course also the - timely - avoidance of this malfunction, which could be linked to damage to the machine.
Andererseits sind bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung auch solche Phasen der Bearbeitung erkennbar, bei denen zwar der Schleppfehler ΔS zunimmt, diese Zunahme aber bei periodisch wiederholten Bearbeitungsvorgängen immer dieselbe ist, was als Indiz dafür gewertet werden kann, daß der Bearbeitungsvorgang von der Positions-Sollwert-Vorgabesteuerung her gesehen nicht optimal "programmiert" ist, d. h. die Positions-Sollwert-Vorgabe für die betrachtete Bearbeitungsphase zu schnell erfolgt.On the other hand, in the drive device according to the invention, such phases of machining can also be recognized in which the following error ΔS increases, but this increase is always the same in the case of periodically repeated machining processes, which can be interpreted as an indication that the machining process is controlled by the position setpoint specification control seen here is not optimally "programmed", d. H. the position setpoint specification for the considered processing phase is too fast.
Sowohl unter dem Gesichtspunkt der frühzeitigen Erkennung eines Werkzeugverschleißes als auch unter dem Gesichtspunkt einer optimalen Steuerung - Programmierung - des Bearbeitungsablaufes ist es daher vorteilhaft, wenn - gemäß Anspruch 2 - eine elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit vorgesehen ist, welche aus einer Verarbeitung der Ausgaben des Drehstellungsgebers und des Weggebers nedarfsgerecht Steuersignale für die folgenden Funktionen erzeugen kann:
- i Konstanthaltung des Schleppfehlers und/oder
- ii Verringerung des Schleppfehlers durch Änderung der Kreisverstärkung des Regelkreises, und/oder
- iii Abschaltung der Antriebsvorrichtung, wenn der Schleppfehler ΔS einen einstellbar vorgegebenen, werkzeugspezifischen Wert überschreitet.
- i keeping the following error constant and / or
- ii reduction of the following error by changing the loop gain of the control loop, and / or
- iii Shutdown of the drive device when the following error ΔS exceeds an adjustable, tool-specific value.
Diese Steuereinheit ermöglicht es, die Antriebsvorrichtung z. B. im Sinne eines bestmöglichen Kompromisses zwischen erwünscht hoher Dynamik und gleichwohl schonendem Betrieb zu benutzen.This control unit enables the drive device z. B. in the sense of the best possible compromise between desired high dynamics and nonetheless gentle operation.
Die gemäß Anspruch 3 vorgesehene, bevorzugte Gestaltung des zur Überwachung der Positions-Sollwert-Vorgabe vorgesehenen Drehstellungsgebers und Anordnung seiner rotierenden Geberelemente auf der Sollwert-Vorgabewelle des Nachlauf-Regelventils der Antriebsvorrichtung hat den Vorteil einer sehr genauen Erfassung des jeweils maßgeblichen Positions-Sollwertes - letztendlich - des Werkzeuges, da keinerlei Getriebe oder Übertragungselemente, die mit Schlupf oder Spiel behaftet sein können, zwischen die Positions-Sollwert-Vorgabewelle und den Drehstellungsgeber geschaltet sind.The preferred design of the rotary position sensor provided for monitoring the position setpoint value and the arrangement of its rotating sensor elements on the setpoint value shaft of the overrun control valve of the drive device has the advantage of very precise detection of the relevant position setpoint value - ultimately - The tool, since no gears or transmission elements, which may be subject to slip or play, are connected between the position setpoint input shaft and the rotary position transmitter.
Dasselbe gilt mit sinngemäßem Bezug auf die Genauigkeit der Schleppfehler-Messung auch für die durch die Merkmale des Anspruchs 4 vorgesehene Gestaltung des Weggeber-Systems, mit dem die axialen Auslenkungen der Sollwert-Vorgabewelle des Nachlauf-Regelventils überwachbar sind.The same applies with analogous reference to the accuracy of the following error measurement also for the design of the displacement sensor system provided by the features of claim 4, with which the axial deflections of the setpoint input shaft of the follower control valve can be monitored.
Durch die gemäß Anspruch 5 vorgesehene Anordnung der Positions-Istwert-Rückmeldespindel des Nachlauf-Regelventils ist eine Reaiisierung der Antriebsvorrichtung mit günstig geringen axialen Abmessungen möglich.Due to the arrangement of the position feedback feedback spindle of the follower control valve, the drive device can be implemented with advantageously small axial dimensions.
Durch die gemäß Anspruch 6 vorgesehene Anordnung des Steuermotors des Nachlauf-Regelventils in dessen im Betrieb der Antriebsvorrichtung vollständig mit Hydrauliköl verfüllten Leckölraum kann das Arbeitsmedium der Antriebsvorrichtung auf einfache Weise zur Kühlung des Steuermotors ausgenutzt werden, der dadurch mit höherer elektrischer Leistung angesteuert werden kann, was wiederum der Dynamik der gesamten Antriebsvorrichtung zugutekommt.Due to the arrangement of the control motor of the follow-up control valve in its leakage oil chamber, which is completely filled with hydraulic oil during operation of the drive device, the working medium of the drive device can be used in a simple manner for cooling the control motor, which is thereby controlled with higher electrical power can, which in turn benefits the dynamics of the entire drive device.
Weiter ist eine erhebliche konstruktive Vereinfachung der Antriebsvorrichtung - Einsparung von Dichtungen und für solche benötigter, mit hoher Genauigkeit zu bearbeitender Dichtflächen - dadurch erzielbar, daß gemäß Anspruch 7 auch das Drehstellungs- und Schleppfehler-Meßsystem "im Öl", das heißt in einem mit dem Aufnahmeraum des Steuermotors in kommunizierender Verbindung stehenden Gehäuseraum der Antriebsvorrichtung untergebracht ist. Es bedarf dann lediglich einer Abdichtung des die genannten Meßsysteme, den Motor und den Leckölraum des Nachlauf-Regelventils enthaltenden Gehäuseteils nach außen, nicht aber auch der Abdichtung der entsprechenden Aufnahmeräume innerhalb des Gehäuses gegeneinander. Auch eine zur unmittelbaren Ansteuerung des Steuermotors vorgesehene Leistungs-Endstufe des für die Betriebssteuerung der Antriebsvorrichtung vorgesehenen elektronischen Steuergeräts kann in einem - drucklosen - Leckölraum der Vorrichtung mit untergebracht sein und dadurch auf einfache Weise gekühlt werden, wobei es sich natürlich versteht, daß die elektrischen Versorgungs- und Steuerleitungen sowie die Signalleitungen, über welche die Sensor-Elemente des Drehstellungsgebers und des Weggebers an die elektronische Steuereinheit angeschlossen sind, isoliert und flüssigkeitsdicht aus dem Gehäuse der Antriebsvorrichtung herausgeführt sein müssen, was aber technisch problemlos ist.Furthermore, a considerable constructive simplification of the drive device - saving of seals and sealing surfaces required for such, which can be machined with high precision - can be achieved in that, according to claim 7, the rotational position and following error measuring system "in oil", that is, in one with the Receiving space of the control motor is housed in communicating connection housing space of the drive device. It is then only necessary to seal the housing part containing the above-mentioned measuring systems, the motor and the leak oil chamber of the follow-up control valve, but not also to seal the corresponding receiving spaces within the housing from one another. Also provided for the direct control of the control motor power output stage of the electronic control device provided for the operational control of the drive device can be accommodated in a - unpressurized - leakage oil chamber of the device and thereby cooled in a simple manner, it being understood, of course, that the electrical supply - And control lines as well as the signal lines, via which the sensor elements of the rotary position transmitter and the travel sensor are connected to the electronic control unit, must be isolated and liquid-tight from the housing of the drive device, but this is technically problem-free.
Durch die Merkmale des Anspruchs 8 ist eine bevorzugte, spezielle Gestaltung des zur Überwachung der Positions-Sollwert-Vorgabe vorgesehenen Drehstellungsgebers angegeben, der eine Winkelauflösung der Drehstellung von 3,6 · 10⁻²⁰ ermöglicht.The features of claim 8 indicate a preferred, special design of the rotary position transmitter provided for monitoring the position setpoint specification, which enables an angular resolution of the rotary position of 3.6 · 10⁻²⁰.
Durch die Merkmale des Anspruchs 9 ist dem grundsätzlichen Aufbau nach und durch diejenigen des Anspruchs 10 im Sinne einer bevorzugten Gestaltung der Weggeber näher spezifiziert, mittels dessen der Schleppfehler ΔS der Antriebsvorrichtung erfaßbar ist, wobei der Schleppfehler ΔS auf mindestens 1/100 seines maximalen Betrages genau meßbar ist.By the features of claim 9 the basic structure is gradually specified by those of
Durch die gemäß Anspruch 11 vorgesehene Auswertung des Weggeber-Ausgangssignals kann auf eine Zuordnung der Neutralstellung des Ventilsbetätigungsgliedes des Nachlauf-Regelventils zu einem bestimmten Ausgangssignal-Pegel des Weggebers verzichtet werden, wodurch zeitraubende Justier- und Eichvorgänge entfallen können.The evaluation of the displacement sensor output signal provided in accordance with
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungs-Beispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen hydraulischen Antriebsvorrichtung mit einem Meßsystem für den Sollwert der Kolbenposition und für den Schleppfehler der Regelung.
- Fig. 2a
- Einzelheiten einer Drehstellungsgebereinheit des Meßsystems gemäß Fig. 1,
- Fig. 2b
- Eizelheiten eines Referenzsignalgebers des Meßsystems gemäß Fig. 1 und
- Fig. 2c
- Einzelheiten eines Schleppfehlergebers des Meßsystems gemäß Fig. 1, jeweils in vereinfachter, teilweise abgebrochener Ansicht.
- Fig. 1
- a preferred embodiment of a hydraulic drive device according to the invention with a measuring system for the setpoint of the piston position and for the following error of the control.
- Fig. 2a
- Details of a rotary position transmitter unit of the measuring system according to FIG. 1,
- Fig. 2b
- Details of a reference signal transmitter of the measuring system according to FIGS. 1 and
- Fig. 2c
- Details of a tracking error transmitter of the measuring system 1, each in a simplified, partially broken view.
Die in der Figur 1, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen sei, dargestellte, insgesamt mit 10 bezeichnete, erfindungsgemäße hydraulische Antriebsvorrichtung besteht aus einem Hydromotor 11, einem Nachlauf-Regelventil 12, das mit elektrisch gesteuerter Vorgabe des Sollwertes der Position eines - nicht dargestellten - Werkzeuges, das mittels des Hydromotors 11 in seine Arbeitspositionen gebracht wird, und mechanischer Positions-Istwert-Rückmeldung arbeitet, einer lediglich schematisch angedeuteten elektronischen Steuereinheit 13 für die Positions-Sollwert-Vorgabe-Steuerung und einem insgesamt mit 14 bezeichneten Meßsystem, mittels dessen einerseits der eingesteuerte Positions-Sollwert des Werkzeuges bzw. des Antriebskolbens 16 meßbar und andererseits der Schleppfehler ΔS erfaßbar ist, um den das Werkzeug bzw. der Antriebskolben 16 dem angesteuerten Positions-Sollwert nacheilt.The hydraulic drive device according to the invention shown in FIG. 1, to the details of which is expressly referred to, is designated overall by 10 and consists of a
Bei der insoweit durch die Benennung ihrer funktionswesentlichen Komponenten 11 bis 14 erläuterten Antriebsvorrichtung 10 sind deren Hydromotor 11, das Nachlauf-Regelventil 12 und das Meßsystem als eine kompakte, in einem gemeinsamen Gehäuse 17 untergebrachte Baueinheit ausgebildet, wobei das Nachlauf-Regelventil 12, entlang der zentralen Achse 18 der Baueinheit 11, 12, 14 gesehen, "zwischen" dem Hydromotor 11 und dem Meßsystem 14 angeordnet ist.In the
Der Hydromotor 11 ist beim dargestellt, speziellen Ausführungsbeispiel als linearer Hydrozylinder ausgebildet, dessen mit der Kolbenstange 19 fest verbundenen Kolben 16 innerhalb eines das Gehäuse 17' dieses Hydrozylinders 11 bildenden Abschnittes des Gehäuses 17 zwei Antriebsdruckräume 21 und 22 des Hydrozylinders 11 druckdicht beweglich gegeneinander abgrenzt, durch deren - mittels des Nachlauf-Regelventils 12 gesteuerten - alternativen Anschluß an den Hochdruck (P)-Ausgang 23 des lediglich schematisch angedeuteten Druckversorgungsaggregats 24 bzw. dessen - drucklosen Tank (T)-Anschluß 26 der Antriebskolben 16 in den durch die Pfeile 27 und 28 repräsentierten Bewegungsrichtungen - Vorschubbewegung und Rückzugsbewegung - antreibbar ist.The
Das Nachlauf-Regelventil 12 ist seiner Funktion nach ein 4/3-Wege-Ventil, dessen neutrale Grundstellung 0 seine Sperrstellung ist, in welcher beide Antriebsdruckräume 21 und 22 des Hydromotors 11 sowohl gegen den P-Anschluß 23 als auch gegen den T-Anschluß 26 des Druckversorgungsaggregats abgesperrt sind.The follow-up
In der dem Vorschub-Betrieb der Antriebsvorrichtung 10 zugeordneten Funktionsstellung I des Nachlauf-Regelventils 12 ist der eine, gemäß der Zeichnung linke Antriebsdruckraum 21 des Hydrozylinders über einen Durchflußpfad 29 des Nachlauf-Regelventils 12 an den P-Druckausgang 23 des Druckversorgungsaggregats 24 angeschlossen, während der andere Antriebsdruckraum 22 über den weiteren Durchflußpfad 31 zum Tank 26 des Druckversorgungsaggregats hin druckentlastet ist. in dieser Funktionsstellung I des Nachlauf-Regelventils 12 bewegt sich der Kolben 16 des Hydrozylinders 11 in Richtung des Pfeils 27, gemäß Figur 1 nach rechts.In the function position I of the follow-up
In der dem Rückzugsbetrieb zugordneten Funktionsstellung II des Nachlauf-Regelventils 12 ist der gemäß Figur 1 linke Antriebsdruckraum 21 über einen Durchflußpfad 32 des Nachlauf-Regelventils 12 mit dem - drucklosen - Tankanschluß 26 des Druckversorgungsaggregats 24 verbunden, während der andere Antriebsdruckraum 22 des Hydrozylinders 11 über den zweiten in der Funktionsstellung II des Nachlauf-Regelventils 12 wirksamen Durchflußpfad 33 an den P-Druckausgang 23 des Druckversorgungsaggregats 24 angeschlossen ist. In dieser Funktionsstellung II des Nachlauf-Regelventils 12 bewegt sich der Antriebskolben 16 des Hydromotors 11 in Richtung des Pfeils 28, gemäß Figur 1 nach links.In the functional position II of the follow-up
Das Nachlauf-Regelventil 12, das - zum Zweck der Erläuterung - gemäß der halbschematischen Darstellung der Figur 1 als Schieber-Ventil vorausgesetzt ist, dessen "Kolben" 34 durch das 4/3-Wege-Ventil-Symbol repräsentiert ist, ist als Proportionalventil ausgebildet, das, von seiner sperrenden Grundstellung 0 aus gesehen, mit einer zunehmenden Verschiebung seines Ventilkolbens 34 nach "links"; d.h. im Sinne einer Beaufschlagung des Hydromotors 11 in Vorschub-Richtung 27, zunehnmend größere Querschnitte der Durchflußpfade 29 und 31 freigibt und bei einer zunehmenden Verschiebung seines Ventilkolben 34 nach "rechts", d.h. im Sinne einer Beaufschlagung des Hydromotors in Rückzugsrichtung 28, zunehmend größere Querschnitte der Durchflußpfade 32 und 33 freigibt, wobei sich der Ventikolben 34 jeweils in der zur Bewegungsrichtung des Antriebskolbens 16 entgegengesetzten Richtung bewegt.The
Um das insoweit erläuterte Nachlauf-Regelventil 12 im Sinne der Bewegungssteuerung des Kolbens 16 des Hydromotors 11 und des mit diesem angetriebenen Werkzeuges bedarfsgerecht in seine verschiedenen Funktionsstellungen 0 und I bzw. II steuern zu können, sind weiter die folgenden Funktionselemente vorgesehen:In order to be able to control the follow-up
In einer zentralen, mit der Längsachse 18 der Antriebsvorrichtung 10 koaxialen Bohrung 36 eines auf das Gehäuse des Nachlauf-Regelventils 12 bildenden, blockförmigen Mittelabschnitts 17'' des Gehäuses 17 ist drehbar und axial verschiebbar eine Hohlwelle 37 gelagert, die an ihrem dem Hydromotor 11 zugewandten Endabschnitt mit einem Innengewinde 38 versehen ist, über das sie mit einer zentralen, langgestreckten Gewindespindel 39, welche fest mit dem Antriebskolben 16 des Hydromotors 11 verbunden ist, in kämmendem Eingriff steht. Diese Hohlwelle 37 ist - zur Vorgabe des Positions-Sollwertes des Antriebskolbens 16 des Hydromotors 11 - mittels eines insgesamt mit 41 bezeichneten Elektromotors antreibbar dessen Stomversorgung im Sinne der Positions-Sollwert-Vorgabe durch elektrische Ausgangssignale der elektronischen Steuereinheit 13 gesteuert wird.A hollow shaft 37 is mounted rotatably and axially displaceably in a
Dieser Elektromotor hat beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel einen gehäusefest angeordneten Stator 42 und einen axial hin- und herverschiebbaren Rotor 43, dessen Rotorwelle durch einen Abschnitt der Hohlwelle 37 gebildet ist, welche solchermaßen dreh- und verschiebefest mit dem Rotor 43 verbunden ist. Der Rotor 43 des Elektromotors 41 ist somit über den von der Gewindespindel 39 axial durchsetzten Abschnitt 44 der Hohlwelle 37 an dem blockförmigen Mittelabschnitt 17'' des Gehäuses 17, einerseits und andererseits mit einem weiterführenden Abschnitt 46 der den Rotor 43 tragenden Hohlwelle 37 in einer zentralen Bohrung 47 einer Zwischenwand 48 des Gehäuses 17 drehbar gelagert, welche den im wesentlichen von dem Motor 41 und dem Nachlauf-Regelventil 12 eingenommen Raum 49 gegen den für die Aufnahme des Meßsystems 14 vorgesehenen Gehäuseraum 51 abgrenzt, wobei diese Räume 49 und 41 jedoch nicht druckdicht gegeneinander abgeschlossen sind, sondern insgesamt den Leckölraum der Antriebsvorrichtung 10 bilden. In dem zentralen, das Nachlauf-Regelventil 12 aufnehmenden Teil 17'' des Gehäuses 17 der Antriebsvorrichtung 10 ist axial verschiebbar, jedoch unverdrehbar ein insgesamt mit 52 bezeichnetes, der Grundform nach joch-förmiges Ventilbetätigungsglied gelagert, das zwei parallel zueinander verlaufende Jochschenkel 53 und 54 hat, die durch einen parallel zu! zentralen Längsachse 18 der Antriebsvorrichtung verlaufenden Führungstab 56, der durch eine radial seitliche Führungsbohrung 57 des blockförmigen, zentralen Gehäuseteils 17'' hindurchtritt, fest miteinander verbunden sind und sich über je einen Betätigungsstift 58 bzw. 59 axial an den einander gegenüberliegenden Seiten des Ventilkolbens 34 angreifen, wobei diese Abstützung der Jochschenkel 53 und 54 an den Betätigungsstiften 58 und 59 bzw. dem Ventilkolben 34 sattformschlüssig ist.In the special embodiment shown, this electric motor has a
Die beiden Jochschenkel 53 und 54 haben miteinander fluchtende, mit der zentralen Längsachse 18 der Antriebsvorrichtung 10 koaxiale Bohrungen 61 und 62, deren Durchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Hohlwelle 37, so daß diese mit einem für ihre leichtgängige Drehbarkeit hinreichenden Spiel durch diese Bohrungen 61 und 62 der Jochschenkel 53 und 54 des Ventilbetätigungsgliedes 52 hindurchtreten kann.The two
Das Ventilbetätigungsglied 52 ist über Kugellager 63 und 64, die eine leichtgängige Drehbarkeit der Hohlwelle 37 relativ zu dem Ventilbetätigungsglied 52 vermitteln, axial spielfrei zwischen radialen Mitnahmeflanschen 66 und 67 der Hohlwelle 37 - axial - gelagert.The
Zum Zweck der Erläuterung der Funktion der insoweit ihrem grundsätzlichen Aufbau nach beschriebenen Komponenten der Antriebsvorrichtung 10 sei zunächst angenommen, daß der Hydromotor, ausgehend von einer Ruhelage, in welcher das Nachlauf-Regelventil 12 seine Sperrstellung 0 einnimmt, z. B. der dargestellten Ruhelage, eine Vorschubbewegung in Richtung des Pfeils 27 ausführen soll.For the purpose of explaining the function of the components of the
Hierzu wird der elektrische Antriebsmotor 41 durch Ausgangssignale der elektronischen Steuereinheit 13 mit derjenigen Drehrichtung - der Motor 41 ist in alternativen Drehrichtungen antreibbar - angetrieben, daß sein Rotor 43 und mit diesem die Hohlwelle 37 - wegen deren Gewinde-Eingriff mit der zunächst in Ruhe bleibenden Gewindespindel 39 - eine axiale Verschiebung in der zur Vorschubrichtung 27 entgegengesetzten Richtung 28 erfährt, die über das Ventilbetätigungsglied 52, das diese einleitende axiale Verschiebung der Hohlwelle 37 mit ausführt, auch auf den Ventilkolben 34 des Nachlauf-Regelventils 12 übertragen wird, das dadurch in seine dem Vorschubbetrieb zugeordnete Funktionsstellung I gelangt. Durch die hieraus resultierende - zunehmende - Druckbeaufschlagung des einen, gemäß Figur 1 linken, Antriebsdruckraumes 21 des Hydromotors 11 bei gleichzeitiger Druckentlastung seines anderen Antriebsdruckraumes 22 erfährt der Kolben 16 des Hydromotors 11 nunmehr eine Verschiebung in Vorschubrichtung 27, die sich wegen des formschlüssig-kämmenden Eingriffes zwischen der Gewindespindel 39 und dem Innengewinde 38 der Hohlwelle 37 auch auf diese und damit den Ventilkolben 34 überträgt, der hierdurch wieder in Richtung auf seine Grundstellung 0, d. h. im Sinne einer Verringerung der wirksamen Querschnitte der Durchfluß-Pfade 29 und 31 des Nachlauf-Regelventils verschoben wird. Nach einem nur eine kurze Zeitspanne benötigenden "Einschwingen" der Regelung ergibt sich ein stationärer Zustand, in welchem die Hohlwelle 37 mit derjenigen Drehzahl angetrieben ist, daß die der rotatorischen Relativbewegung der Hohlwelle 37 gegenüber der Gewindespindel 39 entsprechende Axialverschiebung dieser beiden Elemente 37 und 39 gegeneinander gleich der Vorschubgeschwindigkeit des Kolbens 16 ist. In diesem stationären, d.h. konstanter Vorschub-Geschwindigkeit des Kolbens 16, entsprechenden Betriebszustand der Antriebsvorrichtung 10, der Gleichheit des Ist-Wertes der Vorschub-Geschwindigkeit des Antriebskolbens 16 und des Soll-Wertes der Vorschubgeschwindigkeit entspricht, ist das Ventilbetätigungsglied 52 "in Ruhe" und das Nachlauf-Regelventil 12 in seiner Funktionsstellung I soweit geöffnet, daß der Öl-Volumenstrom dV/dt, der in den druckbeaufschlagten Antriebsdruckraum 21 des Hydrozylinders zugeführt wird bzw. aus dessen druckentlastetem Druckraum 22 abgeführt wird, genau den Wert F * dS/dt hat, wobei mit F der Wert der druckbeaufschlagten Fläche des Antriebskolbens 16 und mit dS/dt die Vorschubgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils 27 bezeichnet sind.For this purpose, the
Die Wirkungsweise der Antriebsvorrichtung 10 im Rückzugsbetrieb des Hydromotors 11 - bei Ansteuerung des Elektromotors 41 in der entgegengesetzten Drehrichtung - ist analog, wobei lediglich die wirksame Querschnittsfläche des Kolbens 16 - beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel - kleiner ist.The mode of operation of the
In dem stationären, Gleichheit von Ist- und Sollwert der Bewegungsgeschwindigkeit des Kolbens 16 entsprechenden, Betriebszustand der Antriebsvorrichtung 10 besteht jedoch zwischen dem jeweils momentan maßgeblichen Sollwert der Position des Antriebskolbens 16 und deren Ist-Wert ein Unterschied, der gleich dem für die Aufrechterhaltung des stationären Zustandes erforderliche Auslenkungshub des Nachlauf-Regelventil-Kolbens 34 aus seiner Grundstellung 0 ist und dem Schleppfehler ΔS der Regelung entspricht, um den der Positions-Ist-Wert des Antriebskolbens 16 bzw. des Werkzeuges dem Soll-Wert nacheiltHowever, in the steady state of operation of the
Das Meßsystem 14, zu dessen Erläuterung nunmehr auch auf die Einzelheiten der Fig. 2a sowie 2b und 2c Bezug genommen wird, umfaßt insgesamt 3, der Grundform nach im wesentlichen rotationssymmetrische Geberelemente 68,69 und 71, welche mit der aus der Fig. 1 ersichtlichen Anordnung in axialem Abstand zueinander dreh- und verschiebefest auf dem in den Aufnahmeraum 51 des Meßsystems 14 hineinragenden Endabschnitt 72 der Hohlwelle 37 angeordnet sind.The measuring system 14, for the explanation of which reference is now also made to the details of FIGS. 2a and 2b and 2c, comprises a total of 3, basically rotationally
Das erste mechanische Geberelement 68 hat die Form eines Zahnrades mit parallel zur zentralen Längsachse 18 verlaufenden Zähnen 73, die beim Vorbeitreten an gehäusefest angeordneten elektronischen Sensorelementen 74 und 75 impulsförmige Wechselspannungsausgangssignale dieser Sensorelemente 74 und 75 auslösen, d.h. Folgen von zwischen einem maximalen und einem minimalen Pegel variierenden Spannungsimpulsen, deren Impulsform bei vorgegebener Drehzahl der Hohlwelle 37 bzw. des Rotors 43 des Elektromotors 41 in sehr guter Näherung einer Sinuswelle entspricht.The first
Als Sensorelemente 74 und 75 sind sogenannte Feldplattenfühler von an sich bekannter Bauart benutzt, bei denen die Amplituden der Ausgangssignale unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der mechanischen Geberelemente 68 sind, d.h. der Signalpegel ihrer Ausgangssignale zwischen definierten - oberen und unteren - Extremwerten variiert, so daß die Ausgangssignale der beiden Sensorelemente 74 und 75 auch dem Pegel nach gut auswertbar sind.So-called field plate sensors of a type known per se are used as
Die beiden Sensorelemente 74 und 75 sind in einem solchen azimutalen Abstand Δφ voneinander angeordnet, daß zwischen ihren Ausgangssignalen eine Phasenverschiebung von 90° besteht, so daß aus einer fortlaufenden Überwachung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale der beiden Sensorelemente 74 und 75 und der zeitlichen Änderungen (zeitlichen Differentialquotienten) derselben auch der Drehsinn der Hohlwele 37 erfaßt werden kann.The two
Diese Auswertung der Sensor-Ausgangssignale erfolgt nach bekannten Algorithmen in der elektronischen Steuereinheit 13, der die Ausgangssignale der beiden Sensorelemente 74 und 75 zugeleitet sind.This evaluation of the sensor output signals takes place according to known algorithms in the
Das zahnradförmige Geberelement 68 und die diesem zugeordneten Sensorelemente 74 und 75 bilden somit ein Winkelstellungs-Meßsystem, dessen Genauigkeit um so größer ist, je größer die Zahl der über den Umfang des Geberelements 68 äquidistant verteilten Zähne 73 ist und je höher die Genauigkeit ist, mit der Ausgangssignal-Amplituden der beiden Sensorelemente 74 und 75 gemessen werden können. Die diesbezügliche Meßgenauigkeit erlaubt es, den Winkelabstand zweier aufeiander folgender Zähne auf 1/100 seines Betrages genau zu erfassen. Bei einem Winkelabstand von 3,6° zwischen je zwei aufeinander folgenden Zähnen 73 beträgt somit die Genauigkeit des Winkelstellungs-Meßsystems 68,74,75 3,6 x 10⁻²°.The gear-shaped
Das zweite - mit der Hohlwelle 37 rotierende - mechanische Geberelement 69 ist als ringflanschförmiges Element ausgebildet, das an seinem Umfang nur einen einzigen, z.B. V-förmigen, Schlitz 76, alternativ dazu einen - spitzen - Vorsprung 76' aufweist, durch dessen Vorbeitreten an einem diesem Geberelement 69 zugeordneten, gehäusefest angeordneten elektronischen Sensorelement 77 jeweils ein Referenzimpuls ausgelöst wird.The second - with the hollow shaft 37 - rotating -
Durch das Auftreten des Referenzimpulses dieses elektronischen Sensorelementes 77, dessen Aufbau demjenigen der Sensorelemente 74 und 75 des Winkelstellungs-Meßsystems 68,74,75 analog ist, wird gleichsam eine Referenzebene markiert, auf welche die mittels der beiden Sensorelemente 74 und 75 innerhalb einer Umdrehung der Hohlwelle 37 erfaßbaren Winkelstellungen dieser Welle bezogen werden können. Durch die bei einer bestimmten Drehrichtung der Hohlwelle 37 auftretenden Winkelstellungs- und Umdrehungszahl-Impulse, die von den Sensorelementen 74 und 75 und ggf. 77 abgegeben werden, ist somit auf einfache Weise - durch entsprechende Auswertung in der elektronischen Steuereinheit 13 - die Positions-Sollwert-Vorgabe für den Antriebskolben 16 des Hydromotors 11 kontrollierbar.By the occurrence of the reference pulse of this
Das zahnradförmige Geberelement 68 und das ringflanschförmige Geberelement 69 sowie die diesen zugeordneten elektronischen Sensorelemente 74 und 75 bzw. 77 sind so angeordnet und gestaltet, daß die Ausgangssignale mindestens der beiden Sensorelemente 74 und 75 des Winkelstellungs-Meßsystems 68,74,75 durch die im Betrieb der Antriebsvorrichtung 10 möglichen axialen Verschiebungen der Hohlwelle 37 - und damit auch der Geberelemente 68 und 69 - nicht beeinflußt werden, da die Ausgangssignale der beiden Sensorelemente 74 und 75 auch hinsichtlich der Beträge ihrer Amplituden (Signalpegel) möglichst genau auswertbar sein sollen.The gear-shaped
Für das Referenz-Meßsystem 69,77 ist dies nicht zwingend erforderlich, jedoch ist es auch hier zweckmäßig, wenn die Amplituden der von dem Sensorelement 77 erzeugten Ausgangssignale nicht, zumindest nicht drastisch, mit axialen Verrückungen des ringflanschförmigen Geberelements 69 variieren.This is not absolutely necessary for the
Im Unterschied dazu ist das das dritte rotierende Geberelement 71 und mindestestens ein weiteres, ebenfalls gehäusefest angeordnetes elektronisches Sensorelement 78 umfassende Teilsystem des Meßsystems 14 so gestaltet, daß der Ausgangssignalpegel der von diesem dritten elektronischen Sensorelement 78 erzeugten Ausgangssignale signifikant, vorzugsweise in einer linearen Relation mit axialen Verrückungen des Geberelements 71 bzw. der Hohlwelle 37 variiert, um aus der diesbezüglichen Variation bzw. dem jeweiligen Betrag des Ausgangssignals des Sensorelements 78 den im Betrieb der Antriebsvorrichtung 10 jeweils maßgeblichen Schleppfehler ΔS mit hinreichender Genauigkeit bestimmen zu können.In contrast to this, the subsystem of the measuring system 14 comprising the third
Zu diesem Zweck ist in der der Fig. 1 entnehmbaren, einfachen Gestaltung des Schleppfehler-Meßsystems 71,78 dessen mechanisches Geberelement 71 als eine Ringrippe mit konischen Flanken 79 und 81 ausgebildet, die entlang einer scharfen Ringkante 82 aneinander anschließen, durch deren axiale Verrückungen relativ zu dem Sensorelement 78 dessen Ausgangssignalpegel beeinflußt wird.For this purpose, the simple design of the following
Als Sensorelement 78 ist wiederum ein Element desjenigen Typs vorgesehen, wie für das Winkelstellungs-Meßsystem 68, 74, 75 schon erläutert. Im Sinne einer einfachen Auswertbarkeit des Pegels der Ausgangssignale des Sensorelements 78 in Einheiten des Schleppfehlers ΔS ist es günstig, wenn mit der - sperrenden - Grundstellung O des Nachlauf-Regelventils 12 eine Position des mechanischen Geberelements 71 verknüpft ist, in der das Ausgangssignal des Sensorelements 78 des Schleppfehler-Meßsystems 71, 78 einem - hohen oder niedrigen - Extremwert entspricht, so daß Änderungen des Ausgangssignal-Pegels des Sensorelements 78 jeweils in einem monotonen Zusammenhang mit dem Schleppfehler ΔS in der einen oder der anderen Richtung stehen.An element of the type is again provided as
Eine diesbezüglich erforderliche Justierbarkeit des Schleppfehler-Meßsystems 71,78 kann dadurch realisiert sein, daß sein Geberelement 71 auf einem Gewinde 83 des Hohlwellen-Endabschnittes 72 schraubbar und dadurch in axialer Richtung definiert verschiebbar angeordnet und mittels einer nicht dargestellten Sicherungsmutter fixierbar ist.A necessary adjustability of the following
Alternativ zu der in der Fig. 1 dargestellten, bezüglich der Ebene der Ringkante 82 symmetrischen Ausbildung des Geberelements 71 kann, wie beispielhaft im oberen Teil der Fig. 2c dargestellt, als mechanisches Geberelement auch ein einfachkonischer Ring 71' vorgesehen sein, um einen monotonen Zusammenhang des Ausgangssignalpegels des Sensorelements 78 mit dem Schleppfehler ΔS zu erzielen. Bei der gemäß Fig. 2c vorgesehenen Ausbildung des mechanischen Geberelements 71' des Schleppfehler-Meßsystems 71',78 ist eine Eichung desselben in Einheiten des Schleppfehler ΔS auf einfache Weise dadurch möglich, daß mit dem Einschalten der Antriebsvorrichtung, d.h. solange die Hohlwelle 37 bzw. das Geberelement 71' noch keine Verschiebung erfahren haben kann, der Ausgangssignalpegel des Sensorelements 78 als Referenzpunkt für die Schleppfehler-Messung gespeichert und solchermaßen als Korrekturgröße für die Schleppfehlermessung berücksichtigt wird.As an alternative to the configuration of the
Die Realisierung einer diesbezüglich erforderlichen Korrektur-bzw. Auswertungsschaltung ist einem mit gängiger elektronischer Schaltungstechnik vertrauten Fachmann bei Kenntnis des Zweckes ohne weiteres möglich, so daß diesbezügliche Einzelheiten nicht erläuterungsbedürftig erscheinen.The implementation of a necessary correction or An evaluation circuit is readily possible for a person skilled in the art with conventional electronic circuit technology if the purpose is known, so that details in this regard do not appear to require explanation.
In Kombination mit einer Einrichtung, welche den Änderungssinn des Schleppfehlers ΔS zu erkennen vermag, kann es zur Erhöhung der Genauigkeit der Schleppfehlermessung auch vorteilhaft sein, wenn, wie im unteren Teil der Fig. 2c dargestellt, im Rahmen des Schleppfehler-Meßsystems ein mechanisches Geberelement 71' vorgesehen ist, dessen Radius innerhalb der für die Schleppfehler-Messung ausgenutzten axialen Länge L des Geberelements 71'' zwischen einem Minimalwert r und einem Maximalwert R periodisch variiert, bevorzugt, wie dargestellt, linear. Ein die Richtung der Schleppfehler-Änderung erkennendes Sensor-System ist dann auf einfache Weise mit zwei Sensor-Elementen 78' und 78'' desselben Typs wie das Sensorelement 78 realisierbar, die in einem Abstand ΔL voneinander angeordnet sind, der so bemessen ist, daß ihre Ausgangssingale, bezogen auf die periodische Struktur des Geberelements 71'' eine Phasenverschiebung von 90° oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon haben, so daß - in Analogie zu dem Winkelstellungs-Meßsystem 68, 74,75 auch hier zusätzlich zum Absolutwert des Schleppfehlers ΔS dessen Änderungssinn aus den axialen Verrückungen des Geberelementes 71'' erkennbar ist. Eine diesbezügliche Anordnung der beiden Sensorelemente 78' und 78'' ist z.B. diejenige, in welcher ihr axialer Abstand ΔL den Wert 1/4 l hat, wobei mit l die Periodizitätslänge der periodischen Struktur des Geberelementes 71'' bezeichnet ist. Auch bei dieser Gestaltung des Schleppfehler-Meßsystems 71'', 78', 78'' ist eine "Eichung" dadurch möglich, daß vor oder mit Beginn des Regelungs- und Überwachungsbetriebes die Ausgangssingalkombination der beiden Sensorelemente 78' und 78'' gespeichert und als Referenzgrößen für die weiteren Messungen berücksichtigt werden.In combination with a device which can recognize the change in the following error ΔS, it can also be advantageous to increase the accuracy of the following error measurement if, as shown in the lower part of FIG. 2c, In the context of the following error measuring system, a mechanical encoder element 71 'is provided, the radius of which varies periodically between a minimum value r and a maximum value R, preferably, as shown, linearly within the axial length L of the encoder element 71''used for the following error. A sensor system which detects the direction of the following error change can then be implemented in a simple manner with two sensor elements 78 'and 78''of the same type as the
Claims (12)
- Hydraulic drive for the adjustment and feed as well as return movements of a toolhead of a machine tool witha) a hydraulic motor (11) comprising a movable drive element (16,19) fixedly connected to the toolhead, this drive element being drivable by alternative pressurization and pressure relief of drive pressure chambers (21,22) along the lines of the tool movements,b) a follow-up control valve (12) operating with electromechanically controllable reference position value setting for the movable drive element (16), as well as with mechanical actual position value return indication thereof, whereinc) for setting the reference position value and return indication of actual position value, a threaded spindle (39) is provided and a spindle nut fashioned as a hollow shaft (37) and meshing with the thread of the spindle is also provided, and one of the two elements of this spindle-nut system can be driven by means of an electric motor (41) along the lines of setting the reference position value, and the other (39) one of these two elements is driven by means of the drive element (16) along the lines of actual position value return indication, and whereind) the signals required for the motion control of the electric motor (41) are produced by an electronic control unit (13) with interface for an NC or a CNC control,characterized by the following features:e) a rotational and angular position pickup system (68, 74,75,69,77) is provided which produces output signals constituting the information of the number of revolutions executed in total by the reference value setting shaft (37), as well as for the azimuthal position of the reference value setting element (37) within each revolution, andf) an electronic displacement pickup system (71, 78;71', 78',71'') is provided, the output signals of which are a direct measure for the axial deflections of the reference value setting element (37), and of a valve operating member (52) of the follow-up control valve (12) also executing these axial deflections with regard to the rest position thereof, and providing a measure for the lag error ΔS by which the actual position of the toolhead and/or of the drive element (16) of the hydraulic motor (11) trails with respect to its reference position.
- Hydraulic drive according to claim 1, characterized in that the hollow shaft (37) is used as the position reference value setting element, and that the threaded spindle (39) is used as the actual position return indication element.
- Hydraulic drive according to claim 1 or claim 2, characterized in that an electronic control and processing unit (13) is provided which causes activation of the electric motor (41) along the lines of setting the reference position value, to which control and processing unit there can be fed as the input also the output of the rotational and angular position pickup system (68,74,75,69,77) as well as of the displacement pickup system (71,78;71,78';71'', 78''), this electronic control unit (13) producing, from the processing thereof, correction signals for an at least partial lag error compensation and/or for maintaining the lag error ΔS constant and/or for cutting off the drive (10) when the lag error ΔS exceeds an adjustably preset threshold value.
- Drive according to one of claims 1 - 3, characterized in that the rotational and angular position measuring system (68,74,75) has a rotating pickup element (68) with a contour which, as seen in the peripheral direction, is of a periodically wavy or periodically toothed shape, the voltage output signals characteristic for the angular position of the reference value setting shaft (37) being produced by the passage of this rotating pickup element past at least one sensor element (74 and/or 75), and that this pickup element (68) in coaxial arrangement with the central axis (18) of the reference value setting shaft 837) and the actual value return indication spindle (39) is nonrotationally and nondisplaceably connected with the reference value setting shaft (37) while the sensor element (74 and/or 75) is arranged fixedly at the machine and/ or that a further pickup element (69) nonrotationally and nondisplaceably connected with the reference value setting shaft (37) is provided, the circumference of which only exhibits a radial projection (76') or a radial recess (76), the passage of this projection or recess past a further electronic sensor element (77) fixedly arranged at the machine making it possible to trigger reference signals for the number of completely executed revolutions by the reference value setting shaft (37).
- Hydraulic drive according to one of claims 1-4, characterized in that the displacement measuring system (71, 78;71',78';71'',78'') provided for detecting axial deflections of the reference position value setting shaft (37) of the follow-up control valve (12) includes a pickup element (71;71';71'') nonrotationally and nondisplaceably connected with the reference value setting shaft 837), the axial deflections of this pickup element with respect to at least on noncontactually responding electronic sensor element (78;78' and/or 78'') arranged fixedly at the machine changing the output signal of this sensor element to the extent characteristic for the deflection, and that the rotor (43) of the electric motor (41) provided for the setting of the reference position value is connected nonrotationally and nondisplaceably with the reference value setting shaft (37) and is arranged to be shiftable together with this shaft axially relatively to the stator (42) of the motor (41) fixedly mounted to the housing.
- A hydraulic drive according to one of claims 1-5, wherein the hollow shaft (37) the reference position value setting element and the threaded spindle (39) forms the actual position value element, said threaded spindle being nondisplaceably connected to the drive element (16) of the hydraulic motor (11), characterized in that threaded spindle (39) is surrounded by the hollow shaft 837) along a section of a length thereof corresponding at least to the displacement path of the drive element (16) of the hydraulic motor (11).
- Hydraulic drive according to one of claims 1-6, characterized in that the electric motor (41) provided for controlling the setting of the reference position value is arranged in a leakage oil chamber (49,51) of the drive (10).
- Hydraulic drive according to claim 7, characterized in that also the rotational and angular position measuring system (68,74,75,69,77) and/or the lag error measuring system (71,78;71',78';71'',78'') is and/or are arranged in the leakage oil chamber (49, 51) of the drive (10).
- Hydraulic drive according to one of claims 1-8, characterized in that the rotational and angular position measuring system (68,74,75) comprises, as the mechanical pickup element, a toothed rim (68) with 100 teeth (73) distributed equidistantly over the rim circumference and extending in the axial direction, and that two electronic sensor elements (74 and 75) are provided, the azimuthal distance Δφ of which is an odd-number multiple of one-fourth of the angular distance of neighboring teeth (73) of the toothed rim (68), and that the two electronic sensor elements (74 and 75) are fashioned as field plate sensors of a conventional type of structure.
- Hydraulic drive according to one of the preceding claims, characterized in that the mechanical pickup element (71;71';71'') of the lag error measuring system has at least one ramp surface (79 and/or 81) extending obliquely to the central longitudinal axis (18), the variation of the distance of this ramp surface from the respective sensor element (78;78';78''), linked with an axial shift of this pickup element (71;71';71''), yielding a shift-proportional change of the output signal of the respective sensor element (78;78';78'').
- Hydraulic drive according to claim 10, characterized in that the mechanical pickup element (71'') of the lag error measuring system, as seen over its length, has a periodically varying diameter, and that two electronic sensor elements (78' and 78'') are provided which are located at an axial distance ΔL from each other which is an odd-number multiple of l/4, wherein l means the length of periodicity of the diameter variation of the pickup element 71''.
- Hydraulic drive according to one of claims 1-11, characterized in that the electronic control unit (13) comprises a correction or evaluating circuit, by means of which the output of the rotational and angular position measuring system (68,74,75,69,77) produced in the basic position of the follow-up control valve (12) and/or of the lag error measuring system (71,78;71',78';71'',78'') can be taken into account as reference values for the rotational and angular position measurement and, respectively, for the lag error measurement.
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