Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen einer Bearbeitungsmaschine

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen einer Bearbeitungsmaschine, die in Parallelschaltung zueinander an einen, ein Temperierfluid führenden Temperierkreis angeschlossen sind und die eine Steuer- und/oder Rege- lungseinrichtung aufweist, die in Abhängigkeit von den beim Betrieb auftretenden Maschinenelemente-Ist-Temperaturen derart eine Mengendosierein- heit für das Temperierfluid ansteuert, dass nach einer vorgebbaren Einstellzeit eine Maschinenelemente-Soll-Temperatur für jedes einzelne Maschinenelement erreicht ist.

Vorrichtungen zur Temperierung von Antrieben einer Werkzeugmaschine, wie z. B. Spindeln, bzw. zur Einstellung einer Betriebstemperatur einer Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Werkzeugmaschine sind bekannt. Solche Vorrichtungen werden beispielsweise dazu angewandt, um ein Ma- schinenbett von Präzisionsdrehmaschinen oder Schleifmaschinen oder auch von Fräsmaschinen an die jeweilige Umgebungstemperatur des Aufstellungsorts einer derartigen Werkzeugmaschine exakt anzupassen. Zur Temperierung derartiger Maschinen oder Maschinenbette werden Temperiereinrichtungen mit einem flüssigen Temperiermittel, welches in einem Kreis- laufsystem zirkuliert, angewandt. Die Temperatur des Temperierfluids ist dabei so gewählt, dass sich bei der betreffenden Werkzeugmaschine bzw. bei einem einzelnen Maschinenelement der Werkzeug- oder Bearbeitungsmaschine lediglich eine marginale Abweichung seiner Betriebstempe ^¬ ratur relativ zu der aktuellen Umgebungstemperatur einstellt. Derartige Vor ^¬ richtungen zur Einstellung einer Betriebstemperatur einer Werkzeugma- schine bzw. deren Maschinenelemente muss zudem sicherstellen, dass während des Betriebs der Werkzeugmaschine Temperaturschwankungen der Werkzeugmaschine oder deren Bett vermieden sind.

Die EP 1 1 14 971 A2 zeigt und beschreibt eine Kühleinrichtung für eine Werkzeugmaschine mit einem Kreislaufsystem, in dem ein Kühlmedium zirkuliert, wobei das Kühlmedium einer Temperiereinrichtung der Werkzeugmaschine zugeführt ist, wobei dem Kreislaufsystem eine Dosiereinheit zugeordnet ist, mittels der externes Kühlmedium dem im Kreislaufsystem zirkulierenden Kühlmedium zudosierbar ist, und wobei die Dosiereinheit über einen Regler steuerbar ist. Das Kreislaufsystem für das Temperiermedium weist einen Puffertank auf, durch den das Kühlmedium geleitet ist. Die Temperatur des Temperier- oder Kühlmediums in dem Puffertank gibt hierbei eine gewünschte Betriebstemperatur der Werkzeugmaschine bzw. deren Maschinenelemente vor. Durch Zumischen von Temperiermedium in den Puffertank kann die Temperatur des Temperiermediums in dem Puffertank geändert werden. Das in den Puffertank zugemischte Kühlmedium oder Temperiermedium wird von einem Sekundärkreislauf mit einer Kühloder Heizeinrichtung abgezweigt. Eine Dosiereinheit, die über einen Regler steuerbar ist, dosiert hierbei Temperier- oder Kühlmittel in den Puffertank zu, so dass sich durch thermische Mischung die gewünschte Solltemperatur des Temperiermediums in dem Puffertank einstellt. Der Regler weist hierbei eine Regelschaltung auf, die die Differenztemperatur zwischen der Umgebung und dem Temperiermedium in dem Puffertank misst und in Abhängigkeit der Differenztemperatur die Dosiereinheit steuert. Insbesondere bei sehr differentem Wärmeeintrag in einzelne Maschinenelemente einer derartigen Bearbeitungsmaschine oder Werkzeugmaschine sind die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur einer Bearbeitungsmaschine in der Regel überfordert. Die bekannten Temperierkreise derartiger Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungsmaschinen sind zum einen hysteresebehaftet und zum anderen insgesamt zu träge, so dass sich im tatsächlichen Betrieb einer derartigen Werkzeugmaschine unter Umständen Einbußen in der Maßhaltigkeit von mit Hilfe dieser Werkzeugmaschinen gefertigter Serienteile ergeben können. Zudem ist der Energieverbrauch der bekannten Temperiereinrichtungen nicht minimiert.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebs- temperatur von Maschinenelementen einer Bearbeitungsmaschine anzugeben, die bei einem insgesamt minimierten Energiebedarf in der Lage ist, jedes von ihr zu temperierende Maschinenelement der Bearbeitungsmaschine auf einer vorgebbaren Temperatur exakt zu halten. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Be- triebstemperatur von Maschinenelementen einer Bearbeitungs- oder Werkzeugmaschine sieht einen, ein Temperierfluid führenden Temperierkreis vor, wobei alle innerhalb des Temperierkreises mit Temperierfluid zu versorgenden Maschinenelemente in Parallelschaltung zueinander angeordnet sind. Eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung steuert hierbei eine Men- gendosiereinheit für das Temperierfluid in Abhängigkeit von der beim Betrieb der Maschinenelemente individuell auftretenden Maschinenelemente- Ist-Temperatur. Hierbei wird Temperierfluid vorzugsweise mit gleicher Vorlauftemperatur, aber in Abhängigkeit von der aktuellen Maschinenelemente-Ist-Temperatur mit variablem Volumenstrom jedem betreffenden Maschinenelement zugeführt, mit dem Ziel, nach einer vorgebbaren und möglichst geringen Einstellzeit eine Maschinenelemente-Soll-Temperatur für jedes einzelne Maschinenelement zu erreichen. Durch die vorgeschlagene konstruktive Maßnahme der Zuordnung zumindest einer Mengendosiereinheit für jedes Maschinenelement der Bearbeitungsmaschine ist es ermöglicht, zum einen eine minimierte Vorlaufzeit bis zum Erreichen einer definierten Betriebstemperatur des betreffenden Maschinenelements zu erzielen und zum anderen rasch, und im geringsten Maße hysteresebehaftet, einen wechselnden Wärmeeintrag bei den betreffenden Maschinenelementen spezifisch abzuleiten. Ein wechselnder und spezifischer Wärmeeintrag bei den betreffenden Maschinenelementen ergibt sich sinnfällig aus deren Be- trieb mit unterschiedlicher Leistung, wie etwa bei einer Spindel eines Antriebssystems einer spanabhebenden Werkzeugmaschine oder auch bei anderen Getriebebauteilen und Antriebseinheiten von Bearbeitungsmaschinen wie Wellen, Kugelrollspindeln, Linearantrieben, Torquemotoren und dergleichen mehr.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von Werkzeugmaschinenelementen ist vorgesehen, dass für jedes zu temperierende Maschinenelement eine Teildosiereinheit der Mengendosiereinheit mit einstellbarem Fluidquerschnitt vorgesehen ist. Die betreffende Teildosiereinheit kann sowohl auf der Zulauf- als auch auf der Ablaufseite des jeweiligen Maschinenelementes im Temperierkreis angeordnet sein. Die jeweilige Teildosiereinheit kann durch ein Proportionalventil, eine Drossel mit einstellbarem Querschnitt oder aus einer Kombination dieser Bauteile eines Temperier- kreises bestehen. Es ist zweckmäßig, um den Einschwingvorgang bis zum Erreichen und Halten der gewünschten Maschinenelemente-Soll-Temperatur zu beschleunigen, eine die Temperatur des Temperierfluids im Vorlauf und im Nachlauf des betreffenden Maschinenelements analysierende Komparatorschaltung zu beschleunigen. Es kann ferner zweckmäßig sein, zur möglichst raschen Stabilisierung einer Maschinenelementetemperatur in der Steuer- und/oder Regel ungseinrichtung einen PID-Regler einzusetzen oder auch Teile des betreffenden Reglers zu dem genannten Zweck einzusetzen. Der betreffende Regler steuert hierbei die jeweilige Teildosiereinheit bzw. deren ein- stellbaren Fluidquerschnitt an. Es versteht sich, dass bei umgebungstempe- raturgeführten Maschinen dem Regler eine aktuelle Umgebungstemperatur des betreffenden Maschinenelements bzw. der gesamten Werkzeugmaschine oder Bearbeitungsmaschine zugeführt wird. Es kann auch zweckmäßig sein, der mit einem variablen Fluidquerschnitt versehenen Teildosiereinheit, wie etwa einer variablen Drossel, eine Drossel mit festem Öffnungsquerschnitt parallel zu schalten, so dass ein Mindestvolumenstrom sich durch das betreffende Maschinenelement ergibt.

Um einen Betrieb von einer Vielzahl von Maschinenelementen innerhalb des Temperierkreises zu ermöglichen, kann es zweckmäßig sein, den unter Umständen stark schwankenden Temperierfluid-Volumenströmen durch den Einsatz einer Förderpumpe mit variablem Fördervolumen für das Tem- perierfluid gerecht zu werden. Auf einer Ablaufseite des jeweils anzusteuernden und mit Temperierfluid zu versorgenden Maschinenelementes kann ein weiteres vorgesteuertes Proportionalventil angeordnet sein, das zur Ansteuerung seines Ventilgliedes an den Temperierkreis derart angeschlossen ist, dass zum einen ein- gangsseitig die dem Maschinenelement zugeordnete Teildosiereinheit und zum anderen ausgangsseitig nach dem zu temperierenden Maschinenelement ein Vorsteuerdruck abgegriffen ist. Die so gebildete Druckwaage ist hierbei Bestandteil der Mengendosiereinheit. Die genannte Maßnahme dient insbesondere dazu, einen stabilen Arbeitspunkt der betreffenden Teildosiereinheit für Temperierfluid zu erreichen. Um den Temperierfluid-Volumenstrom, welcher den Maschinenelementen oder anderer Verbraucher der Bearbeitungsmaschine wie etwa dem Maschinenbett zugeordnet ist, verändern zu können, kann es zudem zweckmäßig sein, zwischen der Ablaufseite und der Zulaufseite des Temperierkreises eine Bypasseinrichtung anzuordnen. Die Bypasseinrichtung kann beispielsweise durch ein stetig einstellbares Proportionalventil gebildet werden, dessen Ventilelement zumindest auf einer Ansteuerseite von der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ansteuerbar ist. Bei Öffnung der Bypasseinrichtung sinkt der Förderdruck der Pumpe und der Volumenstrom der Förderpumpe erhöht sich. Diese konstruktive Maßnahme ist insbeson- dere wirkungsvoll bei als Kreiselpumpen gebildeten Förderpumpen. Das Temperierfluid ist in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ein Kühlmedium, beispielsweise ein Wasser-Glycol-Gemisch, das u.a. eine Minimierung der Korrosion der an den Temperierkreis angeschlossenen Maschinenelemente garantiert. Es versteht sich, dass zur strö- mungsmechanischen Auslegung des erfindungsgemäßen Temperierkreises die Maschinenelemente als Drosselstelle mit festem Öffnungsquerschnitt betrachtet werden können.

Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen anhand von Ausführungsbeispielen nach den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt die

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer Vorrichtung zur Einstel- lung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen mit einer Temperierfluid-Versorgung der Maschinenele- mente und mit einer Parallelschaltung einer festen und einer Drossel mit variablem Querschnitt;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Einstel- lung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen, wobei jede Teildosiereinheit für Temperierfluid von einer den Vor- und Nachlaufdruck an jedem Maschinenelement berücksichtigenden Komparatorschaltung angesteuert ist; Fig. 3 einen weiteren Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen, bei der im Ablauf eines jeden Maschinenelements eine Druckwaage eingebracht ist; und Fig. 4 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von Maschinenelementen wie in Fig. 3, lediglich um eine Bypassein- richtung zwischen dem Ablauf und dem Vorlauf des Temperierkreises erweitert.

In Fig. 1 ist in einem schematischen hydraulischen Schaltplan eine insgesamt mit 1 bezeichnete Vorrichtung zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von drei Maschinenelementen 2 einer Bearbeitungsmaschine, hier einer Fräsmaschine, gezeigt. Die Maschinenelemente 2 wie etwa eine Spindel eines Vorschubs, ein antreibbares Werkzeug, oder eine Werkzeugaufnahme, wie beispielsweise ein Fräswerkzeug und dergleichen sind vereinfacht und symbolhaft als Drosselstellen 22 mit konstantem Querschnitt dargestellt. Zur Vermeidung von, beispielsweise durch Temperaturschwankungen in den betreffenden Maschinenelementen 2 hervorgerufe- nen Werkstücktoleranzen, weist, wie auch die in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Vorrichtungen 1 zeigen, die Vorrichtung 1 in Fig. 1 einen Tempe- rierkreis 4 zur Zufuhr und Abfuhr von Temperierfluid 3 zu jedem Maschinenelement 2 auf. Zu dem Temperierkreis 4 ist eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 5 gehörig, die eine Mengendosiereinheit 6 aufweist, bestehend aus einer, jedem Maschinenelement 2 jeweils zugeordneten Teil- dosiereinheit 7, die in Abhängigkeit von gemessenen Maschinenelemente- Ist-Temperaturen entsprechend ansteuerbar ist. Die Ansteuerung der Teildosiereinheiten 7, die aus einer jeweils in einer Zulaufleitung 23 für Temperierfluid zu dem betreffenden Maschinenelement 2 eingebrachten verstellbaren Drossel 1 1 gebildet sind, erfolgt nach Maßgabe von gemessenen Temperaturen an dem jeweiligen betreffenden Maschinenelement 2. Zu der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 5, die in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist, ist zudem ein Kennfeldspeicher 13 gehörig, in dem insbesondere spezifische, für jede einstellbare Drossel 1 1 und deren zugeordnetem Maschinenelement 2 gehörige Algorithmen zur Veränderung des Drosselquer- Schnitts der Drossel 1 1 in Abhängigkeit der gemessen Ist-Temperatur, des Vorlaufdrucks des Temperierfluids 3 auf der Zulaufseite 8 des Temperierkreises 4 und eines gemessenen Volumenstroms auf der jeweiligen Ablaufseite jedes Maschinenelementes 2 abgespeichert sind. Das Temperierfluid 3 wird in dem in Fig. 1 gezeigten Schaltplan der Vorrichtung 1 zur Einstellung einer individuellen Betriebstemperatur von in dem gezeigten Ausführungsbeispiel drei Maschinenelementen 2 einer Werkzeugmaschine von einer drehzahlgeregelten Förderpumpe 15 aus einem Tank 24 gespeist. Es kann auch zweckmäßig sein, die Druckversor- gung 14 des Temperierkreises 4 durch eine Förderpumpe 1 5 mit variablen Fördervolumen vorzunehmen. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 1 ist in der Lage, bei jedem, in den Temperierkreis 4 eingebrachten Maschinenelement 2 unter Berücksichtigung dessen spezifischer Wärmekapazität, dessen aktuellem Wärmeeintrag aufgrund spezifischer Bearbeitungsschritte an der Werkzeugmaschine, und unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur eines jeden Maschinenelements 2, eine rasche präzise Temperaturan- gleichung des jeweiligen Maschinenelements 2 an seine Umgebungstemperatur zu erzielen. Dadurch ergeben sich geringste Abweichungen von den konstruktiv vorgegebenen Toleranzen des jeweiligen Maschinenelements, verbunden mit der Möglichkeit der Einhaltung einer sehr hohen Maßhaltig- keit von Werkstücken, die mit einer Werkzeugmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 hergestellt sind. In Fig. 1 ist ein weitestgehend druckloser Ablauf des Temperierfluids 3 bzw. ein von dem Strömungswiderstand einer in die Ablaufseite 9 eingeknüpften Drossel 25 mit festem Querschnitt beeinflusster Ablauf des Temperierfluids 3 in den Tank 24 gezeigt.

Während in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Ansteuerung der jeweiligen Teildosiereinheiten 7 zentral vor der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 5 erfolgt, ist in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbei- spiel einer Vorrichtung 1 jeder Teildosiereinheit 7 eine Komparatorschal- tung 12 zugeordnet. Jede Komparatorschaltung 1 2 berücksichtigt hierbei neben der Maschinenelemente-Ist- und -Soll-Temperatur den Vorlaufdruck auf der Zulaufseite 8 und den Ablaufdruck auf der Ablaufseite 9 und steuert die als Drosseln 1 1 mit einstellbarem Querschnitt gebildeten Teildosierein- heiten 7 und deren spezifischen Temperierfluid-Volumenstrom an. Zusätzlich wird zur Volumenstrombeeinflussung auf der Zulaufseite 8 von den Komparatorschaltungen 12 eine Drossel 26 mit variablem Querschnitt in der Ablaufseite 9 in der Art eines Bypasses gebildet, angesteuert. Die Druckversorgung 14 wird in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel von einer drehzahlgeregelten Förderpumpe bereit gestellt. Die Zulaufseite 8 der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung 1 ist in identischer Weise aufgebaut wie in den Ausführungsbeispielen in den Fig. 1 und 2 gezeigt.

Stromauf der Drossel 25' zweigt sich eine Zulaufleitung 23 für Tempe- rierfluid 3 zu den jeweiligen Teildosiereinheiten 7 auf, wobei die Teildosiereinheiten 7 jeweils identische Bauelemente aufweisen. Eingangsseitig jeder Teildosiereinheit 7 ist eine einstellbare Drossel 1 1 , die mit einem als 2/2-Wegeventil gebildeten Proportionalventil 10 parallelgeschaltet ist, eingebracht. Das Proportionalventil 10 ist jeweils in seiner Sperrrichtung von einer Feder 28 vorgespannt, im Sinne eines Öffnens des Proportionalventils 10 ist dieses von der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 5 stetig verstellbar angesteuert. Stromauf der einstellbaren Drossel 1 1 ist in jeder Teildosiereinheit 7 das betreffende zu temperierende Maschinenelement 2 als Drosselstelle 22 dargestellt. Jedes Proportionalventi l 10 bzw. jede einstellbare Drossel 1 1 wird hierbei singulär von der Steuer- und/oder Regelungs- einrichtung 5 in der oben genannten Weise angesteuert.

Stromauf der Drosselstelle 22 bzw. der Verbraucher ist in die Ablaufseite 9 bzw. diese darstellende Ablaufleitungen 29 vor jedem Maschinenelement 2 ein vorgesteuertes Proportional ventil 16 mit einem Ventilglied 17 einge- bracht. Die jeweils dargestellten Proportionalventile 16 sind hydraulisch vorgesteuert bzw. im Sinne ihrer Öffnen-Position von einer Feder 30 vorgespannt. Die hydraulische Vorsteuerung jedes Proportionalventils 16 erfolgt, indem dieses von dem Lastdruck jeweils vor dem Proportionalventil 16 im Sinne einer Sperrstellung des Ventilglieds 1 7 und in entgegengesetzter Rich- tung durch den Lastdruck stromauf der Drosselstelle 22 im Sinne einer Öffnen-Position des Ventilglieds 1 7 vorgesteuert ist. Die Proportionalventile 16 stellen somit Druckwaagen 18 dar. Die Druckwaagen 18 sind integraler Bestandteil der Mengendosiereinheit 6. Durch die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 1 ist ein besonders rasches Anfahren einer gewünschten Maschi- nenelemente-Soll-Temperatur nach Betriebsbeginn der Werkzeugmaschine bewirkt.

Um den zulaufseitigen Volumenstrom am Temperierfluid 3 in gewissem Sinne unabhängig von der Förderleistung der Förderpumpe 15 zu gestalten, zeigt die Fig. 4 eine dahingehende konstruktive Maßnahme. In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 1 ist zwischen der Ablaufseite 9 und der Zulaufseite 8 eine Bypasseinrichtung 19 eingebracht. Die Bypasseinrichtung 19 ist ein stetig verstellbares Proportionalventil 20, dessen Ventilelement 21 auf seiner Ansteuerseite 31 von der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 5 vorgesteuert ist. In entgegengesetzter Richtung ist das Ventilelement 21 durch eine Druckfeder 32 vorgespannt. In unbestromtem Zustand des Proportionalventils 20 ist dieses in einer Sperrstellung. Im Übrigen ist der Aufbau der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung 1 identisch mit der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 1 , so dass dieselben Bauteile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung 1 vermag durch das Proportionalventil 20 einen erhöhten Wirkungsgrad insgesamt darzustellen, so dass dieses eine besonders energiesparende Bauweise der Vorrichtung 1 erlaubt. Es versteht sich, dass in der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 5 geeignete Regler, insbesondere ein PID-Regler integriert ist. Lediglich beispielhaft seien hier typische Volumenströme durch die Verbraucher bzw. Drosselstellen 22 an Temperierfluid 3 angegeben, die beispielsweise einen durchschnittlichen Volumenstrom in einem ersten Verbraucher von 5 l/min in einem zweiten Verbraucher von 10 l/min und in einem dritten Verbraucher von etwa 20 l/min aufweisen können.