DE2350676A1

DE2350676A1 - Elektrohydraulischer leistungsschrittantrieb, insbesondere fuer numerisch gesteuerte werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DE2350676A1
Application number: DE19732350676
Authority: DE
Inventors: Ruggero Chiappulini; Addea Nunzio D; Cesare Panzeri
Original assignee: Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Current assignee: Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1973-10-09
Publication date: 1974-05-02
Also published as: IT975221B; FR2203213A1; GB1394150A; FR2203213B1

Description

CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE

Elektrohydraulischer Leistungs-Schrittantrieb, insbesondere für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen

Priorität: 11. Oktober 1972, Italien ' ■ Anmelde-Nr.: 70197 - A/72.

Die Erfindung betrifft elektrohydraulische Antriebs motor en, insbesondere für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem elektrohydraulischen Motor, der einen elektrischen Steuer-Schrittmotor, einen hydraulischen Leistungs-Rotationsmotor, ein proportional wirkendes Steuerbzw. Folgeventil, das den Zufluß zum Hydraulikmotor regelt, und ein Differentialorgan aufweist, das die Wellen des elektrischen Steuerungsmotors und des Hydraulikmotors miteinander verbindet und in der Lage ist, den Kolben des Steuerventils proportional zur Wiirkeldifferenz oder dem Folgefehler bzw. der Regelabweichung des

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Hydraulikmotors gegenüber der beabsichtigten," ihm von dem elektrischen Steuerungsmotor durch das Übersetzungsverhältnis des Differentialorgans vorgeschriebenen Winkelstellung zu verschieben.

Dank der Möglichkeit, elektrohydraulische Motoren dieser Art als Winkel-Servopositionierantriebe oder, indem man sie über einen Schraubantrieb mit Wandermutter, einen Schneckenantrieb oder einen Zahnstangentrieb wirken läßt, als lineare Servopositionierantriebe zu verwenden, sind derartige Motoren äußerst zweckmäßig für den Antrieb von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen lediglich durch einen offenen Steuerkreis, sofern dieser mit einer Steuereinheit für die numerische Steuerung ausgestattet sind, die digitale Steuersignale liefert. Der Antrieb dieser Werkzeugmaschinen durch einen einfachen offenen Steuerkreis mittels der genannten hydraulischen Stellmotoren ermöglicht dann den Verzicht auf eine Erfassungseinrichtung, die im allgemeinen aus einem linearen "inductosyn" oder einem Rotations-"resolver" und einem dazugehörigen Rückkopplung sglied besteht.

Im allgemeinen bestehen die elektrohydraulischen Schrittmotoren, wie schon erwähnt, aus einem elektrischen Steuer-Schrittmotor, der die von der Steuereinheit kommenden digitalen elektrischen Impulse in Winkelschritte umsetzt.

Die Winkelschritte des Steuermotors werden als mechanische Eingangs-Steuerimpulse in einem rotierenden hydraulischen Folge-Servosystem verwendet, d.h. in einem System, in dem die Steuerung der Winkelstellung in einem geschlossenen Regelkreis erfolgt und das ein erheblich verstärktes Aus gangs-Drehmoment liefert, das ausreicht, um eine Bewegung bei einer Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Zustell- oder Vorschubbewegung, durchzuführen oder zu bewirken.

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Das hydraulische Folge-Servosystem besteht im allgemeinen aus ' einem Leistungs-Rotations-Hydraulikmotor und einem Steuerventil, das den Öldurchfluß durch die Eintritts- und Austritts öffnungen des Hydraulikmotors steuert. , .

Der Kolben bzw. die Steuerstange des Steuer-bzw. Folgeventils ist im allgemeinen parallel oder sogar koaxial zur Welle des Hydraulikmotors angeordnet und sowohl mit der Welle des Elektromotors als auch mit der Welle des Hydraulikmotors verbunden.

Im allgemeinen dreht sich nämlich die erwähnte Steuerstange mit der gleichen (oder einer proportionalen, entsprechend dem gewählten Übersetzungsverhältnis) Winkelgeschwindigkeit wie der Elektromotor und ist mit der Welle des Hydraulikmotors über einen Schneckentrieb verbunden.

Das Paar Schnecke - Schneckenrad bildet ein Differentialorgan, das eine Rückkopplung ("feed-back") des, hydraulischen Servosystems ermöglicht, da es eine Axialverschiebung der Steuerstange des Folgeventils gegenüber dem dazugehörigen Ventilzylinder bewirkt, die dem im jeweiligen Augenblick bestehenden Unterschied zwischen der vorgeschriebenen Stellung des Steuerventils und damit der Welle des Elektromotors und der tatsächlichen Stellung des Hydraulikmotors proportional ist.

Das Steuerventil ändert auf diese Weise den wirksamen Strömungsquerschnitt des Ventils derart, daß der Hydraulikmotor gezwungen ist, dem von dem elektrischen Steuermotor vorgeschriebenen Bewegungsgesetz ständig zu folgen.

Die so ausgebildeten elektrohydraulischen Schrittmotoren weisen zahlreiche Nachteile auf.

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Das Steuerventil mit einer zur Achse des Hydraulikmotors parallelen Achse erfordert, auch wenn es unmittelbar auf dem Gehäuse des Hydraulikmotors angebracht ist, ziemlich lange hydraulische Verbin dungs leitung en zwischen dem Ventil und dem Hydraulikmotor; das in diesen Leitungen enthaltene Öl bildet eine elastische Übertragung, die bekanntermaßen dem guten Funktionieren (Stabilität, Genauigkeit, schnelles Ansprechen) eines derartigen Servosystems abträglich ist.

Die "parallele" Anordnung des Ventils hat außerdem zur Folge, daß der ganze elektro hydraulische Motor in Längsrichtung einen erheblichen Raumbedarf hat und daß daher seine Anbringung an einer Werkzeugmaschine erschwert ist.

Der Umstand, daß sich die Kolbenstange des Steuerventils gegenüber dem umgebenden Gehäuse oder einer eingesetzten Büchse um. die eigene Achse dreht, bewirkt schädliche Verschleißerscheinungen, die in ziemlich kurzer Zeit zur Funktionsuntüchtigkeit des Ventils führen.

Schließlich muß das aus dem Schneckentrieb bestehende Differentialorgan vollständig ersetzt werden, wenn man den Übertragungsfaktor des hydraulischen Servosystems ändern möchte, da dann dessen Schrittweite geändert werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrohydraulischen Schrittantrieb verbesserter Zugänglichkeit und Zuverlässigkeit zu schaffen und dabei den ausgeführten Nachteilen des Standes der Technik bestmöglich entgegenzuwirken.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen elektrohydraulischen Schrittantrieb vorgesehen, daß das Differentialorgan drei paarweise miteinander in Eingriff stehende Stirnzahnräder mit

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parallelen Achsen aufweist, von denen das mittlere um eine Achse drehbar ist, die senkrecht zur Richtung der Translationsbewegung des Kolbens des Steuerventils verläuft und mit dem Steuerkolben fest verbunden ist, während ein anderes Zahnrad auf der Welle des elektrischen Steuermotors und das dritte Zahnrad auf der Welle des Hydraulikmotors sitzt.

Der erfindungsgemäße elektrohydraulische Schrittmotor besitzt eine sehr hohe Leistung und Genauigkeit und zeichnet sich durch eine einfache und wirtschaftliche Herstellungsweise aus.

Vorzugsweise sind die Achsen der Wellen des elektrischen Steuermotors und des hydraulischen Motors untereinander parallel, das mittlere Zahnrad des Differentialorgans auf dem Kolbenendbereich des Steuerventils mittels einer Gabel oder dergleichen gelagert, während die beiden anderen Räder jeweils auf die Welle des elektrischen Steuermotors bzw. auf die Welle des Hydraulikmotors aufgebracht sind, so daß, wenn der Steuerkolben des Steuerventils sich in der Steuer-Mittelstellung befindet, die Achse des mittleren Zahnrads in der gleichen Ebene wie die Achsen der beiden anderen Räder liegt.

Daraus ergibt sich, daß die Achse des Ventils in Bezug auf die beiden untereinander parallelen Achsen des Elektromotors und des Hydraulikmotors senkrecht angeordnet und gegenüber diesen Achsen versetzt ist, während die drei Achsen der drei vorerwähnten Zahnräder parallel zueinander verlaufen und im wesentlichen in einer Ebene liegen (die Achse des mittleren Rades liegt, wie bereits erwähnt, genau in der gleichen Ebene wie die beiden anderen, wenn der Kolben des Steuerventils sich in Mittelstellung der Steuerung bzw. Verteilung des Ölstroms befindet).

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Es ist klar, daß der Steuerkolben jeweils dann "fühlt", d.h. sich aus seiner "Mittel"- oder Null-bzw. Schließstellung verschiebt, wenn die Gleichheit zwischen den zurückgelegten Umfangs strecken oder den Umfangs Stellungen, also zwischen den Umfangsgeschwindigkeiten der beiden an den beiden Motoren angebrachten Zahnräder nicht mehr gegeben ist; die Unterschiede zwischen diesen Wegstrecken oder Stellungen werden sich daher in Verschiebungen des Kolbens umsetzen, die ihrerseits Änderungen des Öldurchsatzes des Hydraulikmotors, bewirken, welche daraufgerichtet sind, diese Differenzen zu beseitigen.

Wie leicht einzusehen ist, stellt das Differentialorgan mit drei zylindrischen Zahnrädern in dieser Anordnung eine Übertragung niit

formschlüssiger, in beiden Richtungen wirksamer Verbindung /

zx\^ri sehen

dem Fühler (Steuerkolben des Folgeventils) und dem entsprechenden steuernden Organ (elektrischer Schrittmotor) und dem bewegten Organ (Leistungs-Hydraulikmotor) dar, bildet also gleichzeitig die Vorwärts- und die Rückwärts-bzw. Rückkopplungskette des gesam-

/Richtungen ten Servo sy stems, und zwar beide formschlüssig und in beiden/ wirkend; diese Anordnung erzwingt daher die Gleichheit der Omfangsstrecken und der Umfangsgeschwindigkeiten der auf die Wellen des Elektromotors bzw. des Hydraulikmotors aufgebrachten Zahnräder.

Das Folge ventil und der elektrische Steuermotor sind vorzugsweise, um das Spiel in den Eingriffen der Zahnräder des Differentialorgans zu beseitigen, so an dem Hydraulikmotor angebracht, daß ihre gegenseitige Lage in Richtung der wechselseitigen Annäherung und Entfernung der Achsen der Zahnräder in der diesen Achsen gemeinsamen Ebene verstellbar ist.

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Dies ermöglicht außerdem, das Übersetzungsverhältnis des Differentialorgans, d.h. den Übe rtragungs faktor bzw. Verstärkungsgrad des ganzen Servosystems in einfacher Weise zu verändern, indem der Durchmesser des auf den Elektromotor aufgebrachten Zahnrads geändert und der Motor daher in der erwähnten Richtung in seiner Lage verstellt wird, oder auch dadurch, daß die Durchmesser aller drei Räder so geändert werden, daß weder der Elektromotor noch das Ventil in ihrer Lage verstellt werden müssen.

Weiter ist festzustellen, daß das Differentialorgan sowie das Steuerventil ohne Haftfedern öder vorgespannte Federn..(d.h. formschlüssige Verbindungen, einseitig in einer Richtung wirkend, und kraftschlüssige» in Gegenrichtung wirkend) auskommt, die zu unerträglichen Hüpfschwingungen in der Übertragung führen könnten und außerdem die Übertragung härter machen, was sich für die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der Nachführung des ganzen elektrohydraulischen Schrittmotors nachteilig auswirkt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den dazugehörigen Figuren, anhand deren die Erfindung beispielsweise näher erläutert, wird. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht der gesamten Vorrichtung und . .

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Vorderansicht.

In den Figuren 1 und 2 sind mit 1 der elektrische Steuer-Schrittmotor, mit 2 der hydraulische Leistungs- bzw. Antriebsmotor (beispielsweise ein Radialkolbenmotor), mit 3 das übliche Nachführungsbzw. Proportional-Steuerventil des bekannten 4-Weg-Typs/ das hydraulisch mit dem Hydraulikmotor 2 verbunden ist, mit 4 das auf

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der Welle des Elektromotors 1 befestigte Zahnrad, mit 5 das auf der Welle des Hydraulikmotors 2 befestigte Zahnrad und mit 6 das frei in einer am Endteil 8 des Steuerkolbens des Ventils 3 angebrachten Gabel 7 drehbare Zahnrad bezeichnet. Die drei Zahnräder 4, 5 und 6 bilden das Differentialorgan des hydraulischen Folgebzw. Nachführ-Servo systems.

Das 4-Weg-Proportional-Steuerventil weist keine Druckfeder oder vorgespannte Feder auf, die in den bekannten Ausführungsformen gewöhnlich auf den Steuerkolben wirkt.

Der elektrische Schrittmotor 1 und das den Ölstrom verteilende Steuerventil 3 sind am Gehäuse des Hydraulikmotors 2 starr befestigt, doch besteht die Möglichkeit, ihre gegenseitige Lage in der Richtung der gegenseitigen Annäherung und Entfernung der Zahnradachsen in der diesen Achsen gemeinsamen Ebene zu verändern, und zwar vorzugsweise durch ein Befestigungssystem mit Stiftschrauben und Schlitzen. Dies erlaubt die Beseitigung des von den Eingriffen der Zahnräder herrührenden Spiels und eine einfache Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Differentialorgans, indem die Zahnräder durch andere Zahnräder davon verschiedenen Durchmessers ersetzt werden, wie weiter unten näher ausgeführt.

Zwischen dem Steuerventil 3 und dem Hydraulikmotor 2 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Abstandselement 9 mit parallelen Oberflächen eingefügt, das eine Verbindungsleitung zwischen den beiden zum Hydraulikmotor führenden Hauptzuführungsleitungen enthält; diese Verbindungsleitung mit sehr kleinem Querschnitt, der leicht von außen verstellbar ist, dient zur Beseitigung von u. U. auftretenden Jn s tab ilitäts schwingung en des elektrohydraulischen Motors und des ganzen Systems "elektrohydraulischer Schrittmotor - be_T wegte Teile".

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Die Wirkungsweise des elektrohydraulischen Schrittmotors läßt sich auch wie folgt beschreiben: Ausgehend davon, daß der Elektromotor i und der Hydraulikmotor 2 stillstehen, daß also der Steuerkolben 8 sich in der mittleren "geschlossenen" Stellung befindet, lasse man den Elektromotor i (durch Zuführung eines elektrischen Impulses) einen Winkelschritt ausführen: das Rad 4, das mit der Welle des Elektromotors 1 fest verbunden ist, bewirkt dann eine Verschiebung der Achse des Rades 6 um einen Festpunkt bzw. Drehpunkt der Bewegung, der mit dem Eingriffspunkt der Räder 6 und 5 zusammenfällt, wodurch der Steuerkolben 8 des Ventils 3 aus der O-Stellung verschoben wird; diese Verschiebung hat zur Folge, daß zum Hydraulikmotor ein Ölzufluß in der Richtung erfolgt, daß dieser gerade in dem Drehsinn gedreht wird, in welchem die ursprüngliche Verschiebung des Steuerkolbens 8 rückgängig zu machen ist, d.h. also, daß die Achse des Rades 6 in einem dem vorherigen Sinn entgegengesetzten Sinn wiederum um einen Festpunkt der Bewegung bewegt wird. Dieser Festpunkt fällt mit dem Eingriff spunkt der Räder 4 und 6 zusammen. Die Bewegung des Motors E hört auf, wenn die erwähnte Verschiebung vollständig rückgängig gemacht ist; der Motor 2 hat dann genau den vorgegebenen Winkelschritt ausgeführt. Die mehr oder weniger häufige Abfolge solcher "Zyklen" von Elemen-.tarbewegungen stellt dann die normale und eigentliche Funktionsweise des ganzen elektrohydraulischen Schrittmotors dar.

Dei Winkelschritt des HydraulikmotorS und der Übertragungsfaktor des hydraulischen Servo sy Sterns können leicht dadurch verändert "werden, daß eines oder mehrere der Zahnräder 4, 5, 6 ausgetauscht und dank der obenerwähnten VersteHmöglichkeit gegebenenfalls die jeweiligen Achsen gegeneinander versetzt werden.

Der nicht rotierende Steuerkolben gewährleistet eine lange Lebensdauer des Steuerventils.

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Das Fehlen von auf den Steuerkolben des Steuerventils wirkenden Druck- oder Spannfedern bewirkt, daß das gesamte Differentialorgan äußerst empfindlich ist und folglich das gesamte System äußerst genau und ohne Hysterese und Totpunkte in der Gegend der Null- oder Ruhestellung arbeitet.

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Claims

ANSPRÜCHE

Γΐ.-/ Elektrohyd raulischer Lei stung s-Schrittantrieb mit einem elektrischen Steuer-Schrittmotor, einem rotierenden Leistungs-Hydraulikmotor, einem Steuerventil, das den Zufluß zum Hydraulikmotor regelt, und einem Differentialorgan, das eine Verbindung zwischen den Achsen des elektrischen Steuermotors und des Hydraulikmotors herstellt und den Steuerkolben des Steuerventils proportional zur "Winkel-Phasendifferenz bzw. dem Folgefehler des Hydraulikmotors gegenüber der exakten, ihm vom elektrischen Steuermotor durch das Übersetzungsverhältnis des Differentialorgans vorgegebenen Winkelstellung verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß das Differentialorgan drei paarweise miteinander in Eingriff stehende Stirnzahnräder (4, 5, 6) mit parallelen Achsen aufweist, von denen das mittlere (6) um eine Achse drehbar ist, die senkrecht zur Richtung der Translationsbewegung des Kolbens (8) des Steuerventils (3) verläuft und mit dem Steuerkolben fest verbunden ist, während ein anderes Zahnrad (4) auf der Welle des elektrischen Steuermotors (l) und das dritte Zahnrad (5) auf der Welle des Hydraulikmotors (2) sitzt.
2.- Elektrohydraulischer Leistungs-Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Wellen des elektrischen Steuermotors (1) und des Hydraulikmotors (2) parallel zueinander verlaufen; daß das mittlere Zahnrad (6) des Differentialorgans (4, 5, 6) auf dem KoIb en en db er eich (8) des Steuerventils (3) mittels einer Gabel (7) oder einer entsprechenden Einrichtung gelagert ist, während die beiden anderen Räder (4, 5) jeweils auf die Wellen des elektrischen Steuermotors bzw. des Hydraulikmotors aufgebracht sind; und daß, wenn der Steuerkolben des Steuerventils sich in der Steuer-Mittelstellung befindet, die Achse des mittleren Zahnrads sich in der gleichen Ebene wie die Achsen der beiden anderen Zahnräder befindet. Λ09818/0318_
3,- Elektrohydraulischer Leistungs-Schrittantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (3) und der elektrische Steuermotor (1) so. an dem Hydraulikmotor (2) befestigt sind, daß deren gegenseitige Lage in Richtung der wechselseitigen Annäherung und Entfernung der Achsen der Zahnräder (4, 5, 6) in der diesen Achsen gemeinsamen Ebene verstellbar ist.
4,- Elektrohydraulischer Leistungs-Schrittantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis des Differentialorgans (4, 5, 6) dadurch veränderbar ist, daß auf die "Welle des elektrischen Steuermotors (l) ein Zahnrad (4) mit anderem Durchmesser als zuvor aufgebracht wird.
5.- Elektrohydraulischer Leistungsantrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsverhältnis des Differentialorgans - dadurch veränderbar ist, daß alle drei Zahnräder (A, 5, 6) durch Zahnräder anderen Durchmessers als zuvor ersetzt werden.

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Le e rs e i t e