Die Erfindung betrifft ein Differenzdruck-Schaltventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Gemäß DE-A-44 46 538 wird das Differenzdruck-Schaltventil verwendet, um einer übergeordneten Steuereinheit zu melden, wenn der mittels eines Proportional-Vorsteuerventils eingestellte Spanndruck im Hydromotor der Spannvorrichtung der Werkzeugmaschine erreicht ist bzw. wenn ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen dem Vorsteuerdruck und dem Spanndruck vorliegt. Die Steuereinheit leitet erst dann einen weiteren Bearbeitungsschritt ein. Die Bewegung der Kolbenanordnung wird durch einen Analog-Wegaufnehmer, einen Stellungsschalter oder einen elektrischen Schalter mit Kontakten abgetastet. Der Aufbau des Differenzdruck-Schaltventils ist aufwendig und vielteilig. Der Vorsteuerdruck muß deutlich höher sein als der Referenzdruck (Spanndruck), um die Kolbenanordnung gegen die Kraft einer für die Grundstellung notwendigen Feder verstellen zu können. Der hohe Vorsteuerdruck ist ungünstig, da im Proportional-Vorsteuerventil und einem damit verbundenen Stromregelventil unvermeidbare, der Druckhöhe proportionale Leckagen auftreten, die das Aufrechthalten des Vorsteuerdrucks erschweren oder unmöglich machen, selbst wenn das Proportional-Vorsteuerventil bei Eintritt einer Störung mechanisch blockiert wird. Die bei dem hohen Vorsteuerdruck verstärkte Leckagen erschweren eine ordnungsgemäße Überwachung des Spanndrucks. Für solche Spannvorrichtungen gelten hohe Sicherheitsanforderungen. Beispielsweise müssen der Spanndruck bei einer Betriebsstörung gehalten und eine korrekte Meldung an die übergeordnete Steuereinheit gegeben werden.
Bei einer aus DE-A-38 19 459 bekannten, druckgesteuerten elektrischen Schalteinheit betätigt entweder ein mit zwei gleich großen Beaufschlagungsflächen versehener, von beiden Drücken beaufschlagter Kolben über eine Winkelhebel gegen die Kraft der Vorspannfeder den elektrischen Schalter, oder ein Differentialkolben mit unterschiedlich großen Beaufschlagungsflächen den elektrischen Schalter über eine Steuerkurve des Differentialkolbens.
Aus US-A-3 419 692 ist ein Druckschalter bekannt, der einen vom Schaltdruck beaufschlagten Schieberkolben enthält, der über einen Federtopf mit angeformtem Stößel das Betätigungselement des elektrischen Schalters betätigt.
Weiterer Stand der Technik ist enthalten in DE-B-23 10 193 und DE-A-22 19 928.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Differenzdruck-Schaltventil zu schaffen, das baulich einfach ist und zuverlässig innerhalb eines großen Druckbereiches präzise auf das vorbestimmte Verhältnis zwischen den Drücken anspricht. Insbesondere soll der Schaltpunkt des Schalters unabhängig vom Druckwert des jeweils eingestellten Spanndrucks über den gesamten Arbeitsbereich möglichst knapp unter dem Spanndruck liegen.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Da die Beaufschlagungsfläche für den Vorsteuerdruck ein Vielfaches der Beaufschlagungsfläche für den in der Spannungsvorrichtung den Ist-Spanndruck repräsentierenden Referenzdruck ist, läßt sich zum präzisen Abtasten des Verhältnisses zwischen den Drücken ein sehr niedriger Vorsteuerdruck verwenden, der sogar nur ein Bruchteil des Referenzdrucks zu sein braucht. Die zum Erzeugen des in der Spannvorrichtung den Soll-Spanndruck repräsentierenden Vorsteuerdrucks vorgesehenen Komponenten können wegen der geringen Druckhöhe baulich einfach sein. Besonders vorteilhaft wird das Problem der Leckagen eliminiert, da bei dem niedrigen Druckniveau des Vorsteuerdrucks keine nennenswerte Leckage auf der Vorsteuerseite mehr auftritt bzw. baulich einfache Maßnahme ausreichen, Leckage zu vermeiden. Dies ist in einer Spannvorrichtung zweckmäßig, bei der mittels des Vorsteuerdrucks der Spanndruck eingestellt und überwacht und aus Sicherheitsgründen der übergeordneten Steuereinheit gemeldet werden muß, ob der Spanndruck erreicht ist, oder nicht. Diese Meldung wird auch bei einer Störung im System gebraucht, während der Spanndruck auch aufrechterhalten und überwacht werden muß, um einen Schaden für die Spannvorrichtung bzw. das Werkstück zu vermeiden. Wegen der Vorspannfeder bleiben die Schaltpunkte des Schalters über den gesamten Arbeitsbereich knapp unter dem Spanndruck, so daß bei niedrigem, jedoch erreichten Spanndruck eine Fehlermeldung und bei hohem Spanndruck und nicht erreichtem Spanndruck eine Gutmeldung vermieden werden. Wegen des niedrigen Vorsteuerdrucks ist das Differenzdruck-Schaltventil für Spannvorrichtungen gut geeignet, die stets oder nur vorübergehend mit sehr hohem Systemdruck, z.B. bis ca. 400 Bar oder mehr, betrieben werden. Das Differenzdruck-Schaltventil ist baulich einfach und aufgrund nur weniger Einzelteile kompakt. Die axial ineinandergreifenden Kolben ermöglichen eine optimal kurze Baulänge. Der Hubweg der Kolbenanordnung kann kurz gewählt werden, was die Verwendung eines einfachen, kurzhubigen Schalters erlaubt und keiner Bewegungsuntersetzung zwischen der Kolbenanordnung und dem Schalter bedarf.
Gemäß Anspruch 2 wird mit einem Topfkolben eine kompakte Baugröße ermöglicht.
Gemäß Anspruch 3 wird mit einem Verhältnis von beispielsweise 1:20 für einen Spanndruck von 400 Bar nur ein Vorsteuerdruck von 20 Bar eingesetzt, was die Druckregelung auf der Vorsteuerseite erheblich vereinfacht und die Ansprechgenauigkeit beeinflussende Leckageverluste vermeidet.
Gemäß Anspruch 4 läßt sich das Verhältnis zwischen den zu vergleichenden Drücken ohne Störeinflüsse abtasten.
Gemäß Anspruch 5 werden Einflüsse von Fertigungstoleranzen auf die leichtgängige Bewegung der Kolbenanordnung vermieden. Diese Kopplung zwischen den Kolben toleriert auch geringfügige Fehlausrichtungen zwischen den Kolben.
Gemäß Anspruch 6 ergibt sich eine baulich einfache und funktionssichere sowie leichtgängige Dichtführung für den vom Referenzdruck beaufschlagten Kolben.
Gemäß Anspruch 7 wird die leichtgängige Bewegung der Kolbenanordnung durch eine Fehlausrichtung zwischen den Kolben nicht beeinträchtigt. Ferner kann sich der kleinere; vom Referenzdruck beaufschlagte zweite Kolben klemmkraftfrei bewegen, obwohl er am größeren ersten Kolben mechanisch angreift.
Gemäß Anspruch 8 ergeben sich einfache Herstellung und Montage und trotz leichtgängiger Bewegung des kleineren Kolbens eine gute Dichtwirkung. Die Drosselöffnung erlaubt ein gedämpftes Ansprechen bei Druckschwankungen.
Gemäß Anspruch 9 ist die Vorspannfeder auf baulich einfache Weise direkt zwischen den beiden Kolben wirksam.
Gemäß Anspruch 10 läßt sich die Vorspannung der Vorspannfeder beispielsweise durch Verschrauben des Scheibenkörpers oder durch Einsetzen oder Herausnehmen von Unterlegteilen nach Wunsch verändern.
Gemäß Anspruch 11 wird der Schalter gegenüber der mit dem Vorsteuerdruck beaufschlagbaren Kammer abgedichtet, wobei aufgrund des niedrigen Vorsteuerdrucks eine hier einfache Dichtung ausreicht.
Gemäß Anspruch 12 kann der Schaltpunkt des Schalters bei Bedarf durch Verstellen des Schaltergehäuses oder des Schalters in dem Rahmen präzise einjustiert werden.
Gemäß Anspruch 13 ist der Schalter ein kleinbauender, kostengünstiger Mikroschalter mit kurzem Hub.
Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:
In einer elektrohydraulischen Spannvorrichtung S in Fig. 1, insbesondere für ein Werkstück oder Werkzeug einer Werkzeugmaschine, werden die Bewegungen eines zum Spannen verwendeten Hydromotors W gesteuert, und werden der Spanndruck und gegebenenfalls ein Rückholdruck überwacht, um einer übergeordneten, nicht gezeigten Steuereinheit, z.B. einer Dreh-, Bohr-, Fräs-Maschine oder dgl., Operationsschritte anzuzeigen und zu melden, ob jeder Operationsschritt korrekt oder fehlerhaft ausgeführt ist. Es wird eine ordnungsgemäße Beaufschlagung des Hydromotors W gemeldet und ob der vorbestimmte Spanndruck erreicht oder nicht erreicht ist, und zwar unabhängig von der gewählten Höhe des Spanndrucks.
Als Druckquelle sind zwei Pumpen P1 und P2 vorgesehen, die von einem Motor M getrieben werden. Die Pumpe P1 ist für eine größere Förderleistung und einen hohen Systemdruck ausgelegt, z.B. für Speicheriadebetrieb mittels eines Druckspeichers 1', und an eine Pumpenleitung 1 sowie eine Rücklaufleitung 2 angeschlossen. Die Pumpe P2 mit kleinerer Förderleistung ist an eine eigene Druckleitung 3 und über einen Druckbegrenzer 4 an die Rücklaufleitung 2 angeschlossen, wobei der Druckbegrenzer 4 den Druck in der weiteren Druckleitung 3 auf einen niedrigen Wert, z.B. 25 Bar, begrenzt. Beide Pumpen P1, P2 sind Konstantförderpumpen.
Ein wesentlicher Teil der Spannvorrichtung S ist eine hydraulische Steuervorrichtung H mit einer Einstellvorrichtung E für den Spanndruck. In der Einstellvorrichtung ist ein Proportional-Vorsteuerventil V und diesem nachgeordnet ein Sicherheitsventil F angeordnet, wobei das Proportional-Vorsteuerventil V an eine von der weiteren Druckleitung 3 abzweigende Steuerleitung 20 angeschlossen und mit dem Sicherheitsventil über parallele Steuerleitungen 14, 15 verbunden ist. Die Steuerleitung 14 führt einen vom Proportional-Vorsteuerventil V in Abhängigkeit von der Bestromung eines Proportionalmagneten P variierbaren Vorsteuerdruck, während die Steuerleitung 15 mit einem Entsperrdruck für das Sicherheitsventil F (bei der gezeigten Ausführungsform ein hydraulisch gegen eine Feder 8 entsperrbares Sitzventil 7) beaufschlagbar ist. Mit dem Vorsteuerdruck in der Steuerleitung 14, die sich stromab des Sicherheitsventils F als Steuerleitung 12 fortsetzt, wird der mittels eines Einstellventils D regelbare Spanndruck eingestellt. Das Einstellventil D ist in der gezeigten Ausführungsform ein druckregelndes Druckminderventil, das über eine Leitung 19 an die Pumpenleitung 1 und eine Leitung 21 an die Rücklaufleitung 2 angeschlossen ist, und von dem sich eine Versorgungsleitung 17 zu einem aus zwei Sitzventilen bestehenden Wegesteuerventil J erstreckt, wobei die beiden Sitzventile (beispielsweise 3/2-Wegeventile) mit dem Hydromotor W (z.B. einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder) über Verbraucherleitungen 5, 6 verbunden sind. in der Verbraucherleitung 5 wird beispielsweise der Spanndruck eingesteuert, der vom Einstellventil D in Abhängigkeit vom Vorsteuerdruck in der Steuerleitung 12 nach Maßgabe der Bestromung des Proportionalmagneten P in seinem Druckwert eingestellt und gehalten wird. Zur Überwachung des Spanndrucks und zum Melden, ob der Spanndruck erreicht ist, oder nicht, ist ein Differenzdruck-Schaltventil L mit einem Schalter G vorgesehen, und zwar baulich vom Einstellventil D getrennt zwischen die Steuerleitung 12 und eine Steuerleitung 22 eingesetzt. Die Steuerleitung 22 zweigt von der Verbraucherleitung 5 ab und ist mit einem vom Spanndruck abgeleiteten Referenzdruck beaufschlagt. In der Steuerleitung 22 kann nahe dem Differenzdruck-Schaltventil L eine Drossel 42 angeordnet sein. Ferner wird das Differenzdruck-Schaltventil L durch eine Vorspannfeder 23 in Wirkrichtung des Differenzdrucks beaufschlagt.
Das Einstellventil D wird durch einen Steuerdruck aus Versorgungsleitung 17 und eine Regelfeder 11 beaufschlagt. Die Regelfeder 11 wird durch einen Stellkolben 10 in einer Kammer 9 derart belastet, daß die wirksame Federkraft der Regelfeder 11 direkt vom Vorsteuerdruck abhängt, der über die Steuerleitung 12 in der Kammer 9 wirkt. Wird der Vorsteuerdruck durch Änderung der Bestromung des Proportionalmagneten P angehoben, dann wird auch der Spanndruck entsprechend angehoben, und umgekehrt.
Bei einer Funktionsstörung, z.B. einem Stromausfall, einem Kabelbruch, einem Leitungsbruch oder dgl., wird das Sicherheitsventil F durch die Feder 8 in die in Fig. 1 gezeigte Absperrstellung verstellt, ehe der Vorsteuerdruck in der Steuerleitung 12 abfallen kann. Dadurch hält das Einstellventil D, den Spanndruck auf der eingestellten Höhe. Ferner ist das Differenzdruck-Schaltventil L mit seinem Schalter G auch dann noch in der Lage, korrekt zu melden, ob der Spanndruck vorhanden ist, oder nicht. Der Spanndruck kann bis zu 400 Bar oder mehr betragen, während der Vorsteuerdruck in der Steuerleitung 12 geringer ist als der durch den Druckbegrenzer 4 eingestellte Druck in der weiteren Pumpenleitung 3. Er kann z.B.: nur zwischen 3 und 20 Bar betragen, d.h. nur einen Bruchteil des Spanndrucks.
Der Hydromotor W kann wie das als Sitzventil ausgebildete Wegesteuerventil J leckagedicht sein. Beim Einstellventil D ist Leckagedichtheit ebenfalls gegeben, wie auch im Differenzdruck-Schaltventil L und im in der Absperrstellung befindlichen Sicherheitsventil F. Dies bedeutet, daß der Spanndruck bzw. Referenzdruck in der Steuerleitung 22 wie auch der Vorsteuerdruck in der Steuerleitung 12 über beträchtliche Zeit unverändert gehalten werden.
Zum Detailaufbau des Proportional-Vorsteuerventils V und des Sicherheitsventils F wird auf DE-A-44 23 541 und DE-A-44 23 585 hingewiesen.
Anstelle des als regelndes Druckminderventil ausgebildeten Einstellventils D könnte auch ein mittels der Regelfeder 11 und dem Stellkolben arbeitendes Druckbegrenzungsventil 10 vorgesehen sein. Das Wegesteuerventil J könnte ein einziges, z.B. 4/3-Wegesteuerventil sein, zweckmäßigerweise in Sitzventilbauweise. Anstelle der zwei Pumpen P1, P2 könnte auch eine einzige Pumpe als Druckquelle dienen, wobei dann zweckmäßigerweise vor dem Proportional-Vorsteuerventil V ein Zusatz-Druckminderventil in der Steuerleitung 20 vorgesehen ist, um den Eingangsdruck des Proportional-Vorsteuerventils V auf die für den niedrigen Vorsteuerdruck ausreichende Druckhöhe zu mindern. Bei nur einer Pumpe könnte die Steuerleitung 20 von der Pumpenleitung 1 oder der Druckleitung 19 abzweigen.
Das in Fig. 2 mit dem Schalter G baulich vereinigte Differenzdruck-Schaltventil L weist in einem Gehäuse 24 eine Gehäusebohrung 25 auf, in der ein erster Kolben 26, zweckmäßigerweise ein Topfkolben, mit einer großen Beaufschlagungsfläche A1 abgedichtet verschieblich ist. Der Kolben 26 trägt einen Stößel 27, der auf ein Betätigungselement 28 des als Mikroschalter ausgebildeten Schalters G ausgerichtet ist und einen eine Dichtung 30 enthaltenden Dichtkörper 29 durchsetzt, der das dem Schalter G zugewandte Ende der Gehäusebohrung 25 verschließt.
In den ersten Kolben 26 taucht von der der Beaufschlagungsfläche A1 abgewandten Seite ein koaxialer zweiter Kolben 31 ein, der einen Zylinderabschnitt 32 mit einer Beaufschlagungsfläche A2 aufweist, die erheblich kleiner ist als die Beaufschlagungsfläche A1. Das Verhältnis zwischen den Beaufschlagungsflächen A2 und A1 kann zwischen 1:5 und ca. 1:25 betragen, und liegt vorzugsweise bei etwa 1:15 bis 1:20.
Der zweite Kolben 31 weist in axialem Abstand vom Zylinderabschnitt 32 einen vorzugsweise balligen Mitnehmerkopf 33 auf, der mit einer Mitnehmerfläche 34 im ersten Kolben 26 zusammenarbeitet und eine in Fig. 2 nach rechts bewegungsübertragende Kupplung bildet. Die Mitnehmerfläche 24 ist kegelig, einerseits um den zweiten Kolben 31 zusätzlich zu führen, andererseits um etwaige Relativbewegungen zwischen den Kolben 26, 31 zu erlauben.
In der Gehäusebohrung 25 ist ein Scheibenkörper 35 positioniert, der eine Führungsbohrung 36 für den Zylinderabschnitt 32 des zweiten Kolbens 31 enthält. Die Führungslänge der Führungsbohrung 36 ist zweckmäßigerweise kürzer als der Durchmesser des Zylinderabschnitts 32. Angrenzend an den Scheibenkörper 35 ist in der Gehäusebohrung 25 ein Abschlußteil 38 abgedichtet eingesetzt, der in einer Dichtung 39 eine Gleithülse 40 positioniert, in der der Zylinderabschnitt 32 ebenfalls verschiebbar ist, derart, daß die Beaufschlagungsfläche A2 des zweiten Kolbens 31 in einer Kammer 41 liegt, die über die Drossel 42 (s. Fig.1) an die Steuerleitung 22 für den Referenzdruck anschließbar ist.
Der Schalter G ist in einem Schaltergehäuse 43 enthalten, das in einem Rahmen 44 am Gehäuse 24 festgelegt ist und sich gegebenenfalls zur Einjustierung des Schaltpunktes des Betätigungsselementes 28 in Achsrichtung der Gehäusebohrung 25 verstellen läß. Die Vorspannfeder 23 (s. Fig. 1) ist mit ihrem einen Ende am Scheibenkörper 35 abgestützt und liegt mit ihrem anderen Ende an einem Ring 45 an, der am Mitnehmerkopf 33 abgefangen ist. Der Schalter G ist mit der nicht dargestellten übergeordneten Steuereinheit der Spannvorrichtung elektrisch verbunden. Der Innenraum des ersten Kolbens 26 und der Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 24 und dem Rahmen 44 sind zum Rücklauf T druckentlastet.
In Fig. 2 befindet sich das Differenzdruck-Schaltventil L in einer Schaltstellung, in der der Spanndruck gemeldet wird, weil der Stößel 27 das Betätigungselement 28 gedrückt hat. Auf der größeren Beaufschlagungsfläche A1 wirkt der Vorsteuerdruck, während auf der kleineren Beaufschlagungsfläche A2 der Referenzdruck wirkt, der über den Mitnehmerkopf 33 den ersten Kolben 26, beispielsweise bis zur Anlage am Dichtkörper 29,verstellt. Die Vorspannfeder 23 wirkt in der gleichen Richtung wie der Referenzdruck auf der Beaufschlagungsfläche A2. Fällt bei unverändert gehaltenem Vorsteuerdruck der Referenzdruck, dann wird der erste Kolben 26 in Fig. 2 nach links bewegt, bis der Stößel 27 das Betätigungselement 28 freigibt. Der Schalter G meldet "Spanndruck nicht vorhanden". Steigt der Referenzdruck durch Einflußnahme des Einstellventils D wieder auf die vorbestimmte Höhe, dann wird über den zweiten Kolben 31 und die Vorspannfeder 23 der erste Kolben 26 wieder in die gezeigte Stellung verschoben. Der Schalter G meldet "Spanndruck erreicht". Wird, um den Spanndruck zu erhöhen, über den Proportionalmagneten P der Vorsteuerdruck erhöht, dann wird der erste Kolben 26 wieder nach links verschoben, bis der Schalter G meldet "Spanndruck nicht erreicht". Aufgrund des erhöhten Vorsteuerdrucks hebt das Einstellventil D den Druck in der Verbraucherleitung 5 entsprechend an, bis der Referenzdruck am zweiten Kolben 31 den ersten Kolben 26 wieder in die gezeigte Stellung verschiebt und der Schalter G meldet " Spanndruck erreicht".
Der Schaltpunkt des Schalters G muß unabhängig vom Druckwert des Spanndrucks jeweils knapp unterhalb des Spanndrucks liegen. Wäre die Vorspannfeder 23 nicht vorhanden, dann würde bei für niedrigen Spanndruck unterhalb dieses niedrigen Spanndrucks liegendem Schaltpunkt der entsprechende Schaltpunkt des Schalters bei hohem Spanndruck zu weit unterhalb des hohen Spanndrucks liegen. Der Schalter würde bei hohem Spanndruck zu früh ansprechen und ein fehlerhaftes Gutsignal abgeben. Wäre das Verhältnis zwischen den Beaufschlagungsflächen A2 und A1 hingegen so abgestimmt, daß der Schaltpunkt des Schalters bei hohem Spanndruck optimal knapp unterhalb des hohen Spanndrucks läge, dann wäre der entsprechende Schaltpunkt bei niedrigem Schaltpunkt oberhalb des niedrigen Spanndrucks, so daß bei niedrigem Spanndruck kein Gutsignal erzeugt würde. Die Vorspannfeder 23 bewirkt ein Anpassen der Linie der Schaltpunkte (der Linie der Schaltdrücke) an die Spanndrucklinie über den gesamten Arbeitsbereich derart, daß die beiden Linien im wesentlichen zueinander parallel sind und die Schaltpunkte für alle Spanndrücke nur knapp unterhalb des jeweiligen Spanndrucks liegen. Das Differenzdruck-Schaltventil D mit seinem Schalter G ist deshalb in der Lage, über einen sehr breiten Spanndruck-Bereich korrekte und aussagefähige Signale zu erzeugen, d.h. das Verhältnis zwischen dem Referenzdruck und dem niedrigen Spanndruck unabhängig von der Höhe des Referenzdruck bzw. des Vorsteuerdrucks präzise abzutasten.
Fig. 2 verdeutlicht eine ausgewählte Ausführungsform. Das Differenzdruck-Schaltventil kann mit gleicher Funktions konstruktiv anders ausgebildet sein.