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Die Erfindung betrifft eine Positioniereinheit mit einem druckmittelbetätigten Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der produzierenden Industrie werden häufig druckmittelbetätigte Aktuatoren in Form von pneumatischen der hydraulischen Linearaktuatoren eingesetzt, die häufig in einer genau zu positionierenden Stellung stillgesetzt oder umgesteuert werden müssen. Zur Steuerung der Lineargeschwindigkeit und der anzufahrenden Position des Kolbens oder der Kolbenstange werden dabei vielfach Wegeventile eingesetzt, die bei der erreichten Position geschlossen werden, wodurch der Aktuator mit mäßiger Positioniergenauigkeit stillgesetzt wird. Zur Erreichung einer höheren Positioniergenauigkeit sind dabei aufwändige Steuerventile und ein hoher mechanischer Justieraufwand notwendig, um den Aktuator an einer vorgegebenen Position genau stillzusetzen oder umzusteuern.
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Aus der
DE 1 922 304 U ist ein pneumatisch betätigtes Vorschubgerät als linearer Aktuator mit einer Ölbremse bekannt, der bei einer einstellbaren Position in die entgegengesetzte Vorschubrichtung umgesteuert wird. Das Vorschubgerät besteht dabei aus einem inneren Zylinder, in dem ein mit einer Kolbenstange verbundener Kolben axial beweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenstange an einer Seite aus einem der beiden Abschlussdeckel des Zylinders abgedichtet nach außen ragt. Koaxial zu diesem inneren Zylinder ist noch ein äußerer Zylinder angeordnet, in den ein äußerer ringförmiger Trennkolben axial verschieblich angeordnet ist, durch den die eingesteuerte Druckluft von einem zwischen den beiden Kolben angeordneten Öl getrennt wird. Zum Einbringen der zum Verschieben vorgesehenen Druckluft sind in einer der beiden Abschlussdeckel der Zylinder zwei Anschlussstutzen vorgesehen, die jeweils mit einem der beiden Zylinder verbunden sind. In dem gegenüberliegenden Abschlussdeckel sind zwei Verbindungsleitungen integriert, die jeweils die beiden Zylinder miteinander verbinden und bei denen in der einen Leitung ein Rückschlagventil und in der anderen Leitung ein einstellbares Drosselventil angeordnet ist. Zur Einstellung des Drosselventils enthält dieses einen Ventilkolben mit einer äußeren Querbohrung, in der eine Steuerstange längs verschieblich eingesteckt ist. Die Steuerstange ist außerhalb des Abschlussdeckels durch eine Verbindungsstange fest mit der Kolbenstange verbunden, so dass die Steuerstange synchron mit der Kolbenstange parallel zu dieser verschoben wird und jeweils die Ist-Position des inneren Kolbens wiedergibt. Zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit enthält die Steuerstange auf ihrer Länge drei Durchmesserverringerungen, durch die sich der Ventilkolben im Drosselventil so verschiebt, dass die Kolbengeschwindigkeit mit dem Auszugweg der Kolbenstange verringert wird, indem das Drosselventil der Ölbremse die Durchflussmenge des Öls stufenweise verringert. Zusätzlich ist an der Steuerstange noch ein axial verstellbarer Stellring befestigt, der auf seinem Verfahrweg ein Druckluft-Wegeventil betätigt, durch das der innere Kolben bei einer eingestellten Position stillgesetzt und dann in Gegenrichtung umgesteuert wird. Zur Einstellung der genauen Umsteuerposition muss der Stellring mechanisch an einer versuchsweise feststellbaren Position fixiert werden, was bei einer Neueinstellung sehr aufwändig ist. Da bei diesem Vorschubgerät die Kolbenposition nur durch Abschalten und Umschalten der Druckluftzufuhr gesteuert wird, hängt die Genauigkeit der Umsteuerposition auch von der Belastung der Kolbenstange ab, so dass eine Änderung der Kolbenstangenlast zu einer Veränderung der eingestellten Umsteuerposition führen kann.
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Aus der
DE 10 2004 039 092 B4 ist eine Verriegelungsvorrichtung für einen Linearaktuator bekannt, die reversibel ist. Dazu ist als Linearaktuator eine hydraulische Verstellvorrichtung vorgesehen, die aus einem Hydraulikzylinder mit darin verschiebbarem Kolben und daran befestigter Kolbenstange besteht, wobei die Kolbenstange abgedichtet aus einer der beiden Abschlussdeckel des Hydraulikzylinders herausgeführt ist. An dem gegenüberliegenden Abschlussdeckel ist eine Haltevorrichtung befestigt, die rohrförmig ausgebildet ist und längs verschieblich durch den Kolben in die hohle Kolbenstange hineinragt. An dem kolbenstangenseitigen Ende der Haltevorrichtung sind formschlüssige Verriegelungselemente angebracht, durch die die Kolbenstange im Verhältnis zum Hydraulikzylinder in nahezu jeder axialen Stellung verriegelt und wieder gelöst werden kann. Dazu sind in der hohlen Kolbenstange axial hintereinander geschichtete Nutringe angeordnet, die hintereinander Nuten bilden, an denen die ortsfeste Haltevorrichtung entlang gleitet. Die Haltevorrichtung enthält dabei an ihrem einen Ende eine Spreizhülse, die formschlüssig zu den Nuten Formschlusselemente aufweist, die mithilfe eines Zugankern mit Spannkonus radial in die Nuten eingebracht werden können, so dass die Kolbenstange in dieser axialen Stellung verriegelt wird. Zum Lösen der Verriegelung ist an dem vorderen Ende des Zugankers ein Gegenkonus vorgesehen, durch den bei Aufbringen einer Axialkraft die Spreizhülse radial nach innen verlagert wird, so dass die Kolbenstange wieder axial frei beweglich ist. Diese hydraulische Verstellvorrichtung ist offensichtlich nur für sicherheitskritische Anwendungen vorgesehen, bei denen es situationsbedingt es nur auf eine sichere Verriegelung der Kolbenstange innerhalb des Zylinders ankommt, so dass damit eine Verriegelung an einer vorgesehenen Position offensichtlich nicht vorgsehen ist.
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Aus der
DE 10 2007 026 378 A ist ein Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Ein- oder Ausfederkräften an Kraftfahrzeugen bekannt, der einen Druckmittelzylinder enthält, in dem ein Kolben mit einer Kolbenstange axial verschieblich angeordnet ist. Dabei ist der Druckmittelzylinder in eine Ein- und eine Ausfahrkammer unterteilt, in denen als Druckmittel eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit enthalten ist. Zur Steuerung der Dämpfung ist zwischen der Ein- und der Ausfahrkammer als steuerbares Durchflussventil ein Drosselspalt vorgesehen, der die beiden Kammern miteinander verbindet und in dessen Bereich zur Steuerung mindestens ein Feldkrafterzeugungselement angeordnet ist. Dabei ist als Drosselventil ein Ringspalt im Druckmittelzylinder oder ein Ringspalt zwischen dem Kolben und der inneren Mantelfläche des Druckmittelzylinders vorgesehen. Mit einem derartigen elektrorheologischen oder magnetorheologischen Dämpfer kann zwar die Dämpfung einer äußeren Belastung gesteuert, aber diese nicht bei einer vorgegebenen Position stillgesetzt oder umgesteuert werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen druckmittelbetätigten Aktuator der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass dieser unter Einhaltung einer hohen Positioniergenauigkeit an einer vorgegebenen Stelle auf einfach Weise stillgesetzt oder umgesteuert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die kraftschlüssige Verbindung eines druckmittelbetätigten Aktuators mit einem gesteuerten elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder der Aktuator an jeder durchfahrbaren Position hochgenau stillgesetzt oder umgesteuert werden kann. Dazu ist vorzugsweise der elektrorheologische oder magnetorheologische Druckmittelylinder mit einem einfachen Positionssensor und einer elektronischen Steuervorrichtung zu einer Positioniervorrichtung zu kombinieren, die den Durchfluss der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit durch das elektrorheologische oder magnetorheologische Ventil solange zulässt, bis die vorgegebene Soll-Position durch den Positionssensor erfasst ist. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass eine derartige elektronische Steuerung sehr einfach ausführbar ist, die gewünschten Positionierstellungen leicht eingebbar sind und die Anfahrgeschwindigkeit zusätzlich gesteuert werden kann, so dass die Stillsetzungs- oder Umsteuerungspositionen sehr genau ausgeführt und eingehalten werden können.
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Darüber hinaus hat die Steuerung mit einem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder und einem steuerbaren Ventil den Vorteil, dass bei geschlossenem elektrorheologischen oder magnetorheologischem Ventil der Aktuator verriegelt ist, so dass auch bei einer weiteren Belastung der Aktuator-Kolbenstange die Stellung des Aktuators im Grunde nicht verändert werden kann. Desweiteren hat eine derartige elektronische Steuerung mittels eines elektrorheologischen oder magnetorheologischen Ventils den Vorteil, dass keine mechanischen Steuerelemente notwendig sind, die einem mechanischen Verschleiß unterliegen, so dass die erfindungsgemäße Positioniereinheit langlebig und störungsfrei verwendbar ist.
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Die Erfindung der Positioniereinheit mit einem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder hat weiterhin den Vorteil, dass die Steuerung sehr schnell, nahezu im echtzeitbetrieb, ausführbar ist, so dass der betätigte Aktuator nahezu bei jeder erfassten Ist-Stellung zeitgleich stillgesetzt oder umgesteuert werden kann, so dass eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erreichbar ist.
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Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung mit einer axialen oder linearen Kopplung des Aktuatorzylinders mit dem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder hat den Vorteil, dass die Ausführung durch die Aneinanderreihung zweier Zylindereinheiten mechanisch einfach ausfürhbar ist und nur eine kleine Zylinderquerschnittsfläche als Einbauraum benötigt. Eine derartige axiale oder lineare Kopplung durch die Anordnung einer durchgehenden Kolbenstange hat auch den Vorteil, dass zwischen den verbundenen Kolbenstangen bei einer gesteuerten Dämpfung oder Positionierung kein Moment zwischen dem Aktuator und dem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder als Positioniervorrichtung auftreten kann.
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Bei einer weiteren besonderen Ausführung mit einer parallel angeordneten Kopplung des Aktuators mit der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Positioniervorrichtung hat den Vorteil, dass diese Positioniereinheit sehr kurzbauend ausführbar ist und somit auch bei kurzem Einbauraum eingesetzt werden kann.
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Bei einer zusätzlichen besonderen Ausführung der Positioniereinheit mit einer koaxialen integrierten Kopplung des Aktuators mit der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Positioniervorrichtung hat den Vorteil, dass diese sowohl kurzbauend ausführbar ist, als auch momentenfrei arbeitet und nur einen relativ geringen Querschnittsraum zum Einbau benötigt.
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Eine weitere besondere Ausbildung der Erfindung mit einer programmgesteuerten elektronischen Steuervorrichtung in Zusammenwirken mit einem elektrischen Positionssensor hat den Vorteil, dass eine vorgesehen Positionierung ohne jede mechanische Einstellung und Justierung möglich ist und diese auch jederzeit einfach verändert werden kann. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, dass auf dem gesamten Verfahrweg des Aktuators ein oder mehrere Positionierstellungen vorgesehen werden können, die in beliebiger Reihenfolge und mit beliebiger Stillstandszeit aufgesucht werden können.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine schematisch dargestellte Positioniereinheit aus einem druckmittelbetätigten Aktuator und einer mit diesem linear gekoppelten elektrorheologischen Positioniervorrichtung, und
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2: eine schematisch dargestellte Positioniereinheit aus einem druckmittelbetätigten Aktuator und mit diesem koaxial gekoppelter elektrorheologischer Positioniervorrichtung.
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In 1 der Zeichnung ist eine Positioniereinheit schematisch dargestellt, die einen linear verfahrbaren druckmittelbetätigten Aktuator 1 enthält, der linear und axial mit einer elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 kraftschlüssig über dessen Kolbenstangen 8, 18 gekoppelt ist, wobei die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 ein elektrorheologisches Ventil 3 und einen Positionssensor 4 enthält, die mit einer elektronischen Steuervorrichtung 5 verbunden sind, durch die die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 bei einer vorgegebenen Kolbenstangen- oder Kolbenstellung stillsetzbar, weiterverfahrbar oder umsteuerbar ist.
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Der druckmittelbetätigte Aktuator 1 ist als Linearaktuator ausgebildet, dessen Kolbenstange 8 eine Linearbewegung ausführt. Dieser Aktuator 1 besteht vorzugsweise aus einem herkömmlichen Druckmittelzylinder 6 als Aktuatorzylinder, in den ein längsverschieblicher Aktuatorkolben 7 mit daran befestigter Aktuatorkolbenstange 8 angeordnet ist. Dabei ist die Aktuatorkolbenstange 8 mindestens an einer Seite des Aktuatorzylinders 6 aus einem ersten Abschlussdeckel 9 abgedichtet herausgeführt, um die Linearbewegung auf ein nicht dargestelltes Geräteteil zu übertragen. Zum Antrieb des Linearaktuators 1 unterteilt der Aktuatorkolben 7 den Aktuatorzylinder 6 in eine erste Aktuator-Druckmittelkammer 10 und eine zweite Aktuator-Druckmittelkammer 11, die über ein schaltbares 5/3-Wegeventil 12 mit einem Druckmittelspeicher 24 oder einer Druckmittelpumpe verbunden sind. Dabei kann der Aktuatorzylinder 6 sowohl als Hydraulik- oder auch als Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Zur Steuerung des Druckmittelein- oder -auslasses ist das elektrisch steuerbare Wegeventil 12 mit der elektronischen Steuervorrichtung 5 verbunden.
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Um die Kolben- oder Kolbenstangenstellung des Aktuators 1 genau steuern zu können, ist der Aktuator 1 mit einer elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 gekoppelt, wobei diese axial hintereinander angeordnet und miteinander kraftschlüssig über deren Kolbenstangen 8, 18 verbunden sind. Dazu ist die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 im Grunde wie ein herkömmlicher elektrorheologischer Schwingungsdämpfer ausgebildet, der einen herkömmlichen Hydraulikzylinder als eletrorheologischen Zylinder 16 mit darin verschieblichen Hydraulikkolben als elektrorheologischen Kolben 17 enthält, an dem eine durchgehende Kolbenstange als elektrorheologische Kolbenstangen 18 befestigt ist. Dabei ist die durchgehende elektrorheologische Kolbenstange 18 axial mit der Aktuatorkolbenstange 8 kraftschlüssig verbunden und ragt abgedichtet aus den beiden Abschlussdeckeln des elektrorheologischen Zylinders 16 heraus. Die durch den Aktuatorkolben 17 gebildeten beiden Druckmittelkammern stellen eine erste elektrorheologische Kammer 13 und eine zweite elektrorheologische Kammer 14 dar und sind über ein steuerbares elektrorheologisches Ventil 3 miteinander verbunden. Dadurch kann die elektrorheologische Flüssigkeit 20 von der einen Druckmittelkammer 13, 14 in die andere Druckmittelkammer 13, 14 strömen, sofern der elektrorheologische Kolben 17 von dem gekoppelten Aktuator 1 axial bewegt wird. Das elektrorheologische Ventil 3 ist vorzugsweise als Ringspaltventil ausgebildet, wobei zwischen einem Innnen- und einem Außenrohr des elektrorheologischen Zylinders 16 ein Ringspalt zum Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit 20 belassen ist. Dabei sind die beiden koaxial angeordneten Zylinderrohre als Elektroden ausgebildet, die mit einer in der Steuervorrichtung 5 gebildeten Hochspannungsquelle verbindbar sind. Ein derartiges Ringspaltventil 3 ist vorzugsweise im Zylinderrohr des elektrorheologischen Zylinders 16 integriert, in dem dies aus zwei koaxial angeordneten Rohren besteht, die durch einen Ringspalt voneinander getrennt sind.
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Allerdings kann ein derartiges elektrorheologisches Ventil 3 auch durch einen Ringspalt zwischen dem Kolben 17 und der inneren Mantelfläche des elektrorheologischen Zylinders 16 gebildet werden, die dann als Elektroden ausgebildet sind. Durch das durch eine Hochspannung gebildete elektrische Feld kann die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit 20 mit zunehmender Gleichspannung kontinuierlich verändert werden, so dass diese ohne Spannung flüssig und bei einer Hochspannung von ca. 5.000 Volt fest ist und dann keinen Durchfluss zulässt. Das elektrorheologische Ventil 3 kann auch als Flchspaltventil ausgebildet sein, bei dem die beiden Elektroden als voneinander parallel beabstandete elektrische leitende Platten vorgesehen sind.
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Die Positioniervorrichtung als magnetorheologische Positioniervorrichtung könnte allerdings auch aus einem Druckmittelzylinder und einer magnetorheologischen Flüssigkeit gebildet sein, die über ein magnetorheologisches Ventil verfügt. Bei einem derartigen bekannten magnetorheologischen Vetil wird allerdings die Viskosität durch ein magnetisches Feld verändert, das durch einen steuerbaren Strom erzeugt wird.
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Zur Erfassung der jeweiligen Position des elektrorheologischen Kolbens 17 oder der Kolbenstange des elektrorheologischen Zylinders 16 ist an diesem ein Positionssensor 4 vorgesehen. Dieser ist als Wegsensor ausgebildet, der vorzugsweise parallel zur Zylinderwand am elektrorheologischen Zylinder 16 befestigt ist und die Kolbenstellung berührungslos über ein am elektrorheologischen Kolben 17 angebrachten Dauermagneten 15 erfasst. Dieser Wegsensor 4 bildet ein elektrisches Signal, das der Kolbenstellung des elektrorheologischen Zylinders 16 als auch der Kolbenstellung des Aktuatorkolbens 7 entspricht und dieses über eine elektrische Verbindung der Steuervorrichtung 5 übermittelt.
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Diese Steuervorrichtung 5 enthält einen Leistungsverstärker, der zur Steuerung des elektrorheologischen Ventils 3 die dafür notwendige Gleichspannung von 0 bis 5.000 V bildet. Desweiteren enthält die Steuervorrichtung 5 noch eine elektrische Eingangsschaltung 26, die die elektrischen Signale des Wegsensors 4 empfängt und in ein digitales Signal umwandelt, das der Stellung des elektrorheologischen Kolbens 17 der Positioniervorrichtung 2 oder des Aktuatorkolbens 7 entspricht. Die Steuereinrichtung 5 enthält zusätzklich noch eine programmgesteuerte Rechenschaltung als Prozessor 27, die mit einer Eingabeschaltung 28 verbunden ist, durch die ein oder mehrere gewünschte Positionen in die Steuervorrichtung 2 eingebbar sind, an der der Aktuator 1 stillgesetzt oder umgesteuert werden soll. Dabei kann auch eine bestimmte Stillstandszeit oder eine Weitersteuerungsfolge vorgegeben werden. Dazu berechnet die programmgesteuerte Rechenschaltung 27 entsprechende Gleichspannungswerte, durch die der Durchfluss durch das elektrorheologische Ventil 3 gesteuert wird. Vorzugsweise wird durch die Rechenschaltung 27 eine kontinuierlich ansteigende Steuerspannung errechnet, bei der die Durchflussmenge mit zunehmender Annäherung an die Stillsetzungsstellung erhöht wird, um ein verlangsamtes Anfahren an diese Stillsetzungsstellung zur ermöglichen, durch das die Positionierungsgenauigkeit erhöht wird.
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Zusätzlich erhält die Steuervorrichtung 5 eine Ausgangsschaltung 29, die mit dem 5/3-Wegeventil des Aktuators 1 verbunden ist, durch das das Druckmittel in die Aktuatorkammern 10, 11 ein- oder auslassbar ist oder das Wegeventil 12 einfach gesperrt geschaltet wird, so dass der Aktuator 1 in seiner Stellung für einen vorgegebenen Zeitraum fixiert oder verriegelt wird.
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Die vorbeschriebene Positioniereinheit mit dem druckmittelbetriebenen Aktuator 1 und die mit diesem gekoppelte elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 arbeiten im Betriebsablauf wie folgt:
Es sei angenommen, der Aktuator 1 solle z. B. während seines Betriebs so gesteuert werden, dass er zwischen den vorgegebenen Stellungen A und C permanent periodischen hin und her verfährt und bei der Stellung B für einen vorgesehenen Zeitraum stillgesetzt wird. Dabei zeigt die 1 der Zeichnung den Betriebszustand, bei der sich der Aktuator 1 gerade in der mittleren Verfahrensstellung B befindet und sich in Richtung auf die Verfahrensstellung A bewegen soll. Diese Verfahrensstellung B erfasst der Wegsensor 4 durch den gegenüberliegenden Dauermagneten 15 im elektrorheologischen Kolben 17. Dadurch wird z. B. im Wegsensor 4 ein elektrisches Signal erzeugt, das der mittleren Stellung B entspricht. In der Eingangsschaltung 26 der Steuervorrichtung 5 wird daraus ein Digitalwert gebildet, der der vorgegebenen Stillsetzungsstellung B entspricht. In der programmgesteuerten Rechenschaltung 27 wird der Ist-Wert mit den eingegebenen Soll-Wert der Stillsetungsstellung B verglichen und das elektrorheologische Ventil 3 mit einer in einer Steuerspannungsschaltung 30 erzeugten Hochspannung beaufschlagt, durch die die elektrorheologische Flüssigkeit 20 sich so versteift, dass der Durchfluss durch das elektrorheologische Ventil 3 gestoppt wird. Dadurch kann die elektrorheologische Flüssigkeit 20 nicht mehr von der ersten elektrorheologischen Kammer 13 in die zweite elektrorheologische Kammer 14 gelangen, so dass der elektrorheologische Kolben 17 eine Dämpfung erfährt, und dadurch in dieser Stellung B zum Stillstand kommt. Durch die kraftschlüssige Verbindung der beiden durchgehenden Kolbenstangen 8, 18 wird auch der Aktuatorkolben 7 mit dessen Kolbenstange 8 in dieser vorgegebenen Stellung B stillgesetzt. Dabei muss die Dämpfungskraft der elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 mindestens so groß sein, wie die Veschiebekraft des Aktuators 1.
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Um in dieser Stellung B den Aktuator 1 nicht weiter mit einer Verschiebekraft zu beaufschlagen, steuert die Ausgangsschaltung 29 der Steuervorrichtung 5 gleichzeitig das Wegeventil 12 so an, dass die Druckmittelzufuhr in die zweite Druckmittelkammer 11 unterbrochen oder abgeschaltet wird. Ist dann die vorgegebene Stillsetzungszeit beendet, schaltet die Steuervorrichtung 5 die Druckmittelzufuhr in die zweite Druckmittelkammer 11 durch das Wegeventil 12 wieder ein und die Steuer- oder Dämpferspannung zum elektrorheologischen Ventil 3 auf vorzugsweise 0 Volt. Dadurch wird in der zweiten Druckmittelkammer 11 ein Verschiebedruck aufgebaut, der eine Verschiebekraft in Richtung der Verfahrensstellung A bewirkt.
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Gleichzeitig wird die elektrorheologische Flüssigkeit 20 im elektrorheologischen Ventil 3 in einen dünnflüssigen Zustand umgewandelt, so dass die elektrorheologische Flüssigkeit 20 nahezu ungehindert von der ersten elektrorheologischen Kammer 13 in die zweite elektrorheologische Kammer 14 strömen kann, so dass in der Positioniervorrichtung 2 keine Dämpfung aufgebaut wird und der Aktuator 1 in Richtung der Umsteuerstellung A vefährt. Dabei ist die Verfahrgeschwindigkeit des Aktuatorkolbens 7 nur von dem Druckunterschied in dessen Druckmittelkammern 10, 11 und der Größe der wirksamen Kolbenfläche abhängig. Um den Aktuatorkolben 7 genau in Umkehrpunkt A stillsetzen zu können, wird vorzugsweise die Verfahrgeschwingkeit mit zunehmender Annäherung zur Umkehrstellung A verringert. So wird aus den Signalen des Wegsensors 4 in der programmgesteuerten Rechenschaltung 27 laufend die verbleibende Verfahrstrecke ermittelt und aus einer dafür vorgegebenen Verfahrgeschwindigkeit eine Steuer- oder Dämpferspannung errechnet, durch die die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit so erhöht wird, dass der Durchfluss von der ersten elektrorheologischen Kammer 13 in die zweite elektrorheologische Kammer 14 entsprechend der vorgegebenen Anfahrgeschwindigkeit verringert wird, wodurch auch die Anfahrgeschwindigkeit zur Umkehrpunktstellung A gedämpft wird.
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Bei Erreichen des Umkehrpunktes A wird dann das elektrorheologische Ventil 3 mit einer hohen Steuer- oder Dämpferspannung beaufschlagt, so dass die Anfahrgeschwindigkeit dort Null ist und dadurch der Aktuator stillgesetzt wird. Gleichzeitig erzeugt an dieser Umkehrstellung A die Ausgangsschaltung 29 der Steuervorrichtung 5 ein Umschaltsignal an das Wegeventil 12, wodurch die Druckmittelzufuhr von der zweiten Druckmittelkammer 11 zur ersten Druckmittelkammer 10 umgeschaltet wird. Gleichzeitig wird nach dem Stillstand am Umkehrpunkt A die Hochspannung am elektrorheologischen Ventil 3 auf 0 Volt gesetzt, so dass der Aktuator 1 ungedämpft in Richtung auf die Stillsetzungsstelle B verfährt. Dabei wird vorzugsweise auch wieder die Anfahrgeschwindigkeit mit Annäherung an die Stillsetzungsstelle B wie vorbeschrieben verringert, um eine zielgenaue Positionierung zu erreichen. Die daraufhin folgende Vorschubrichtung zur Umsteuerstellung C erfolgt wie vorbeschrieben, mur mit entgegengesetzter Richtungssteuerung.
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In der Steuervorrichtung 5 könnte alternativ zur Verringerung der Anfahrgeschwindigkeit auch eine Maximalgeschwindigkeit vorgegeben werden, wodurch die Ist-Geschwindigkeiten aus den Wegstrecken pro Zeit ermittelbar sind und bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit das elektrorheologische Ventil 3 so lang mit einer entsprechenden Dämpferspannung beaufschlagt wird, bis die Sollgeschwindigkeit wieder erreicht ist. Aufgrund der vorgesehenen programmgesteuerten Rechenschaltung 27 sind in der Steuervorrichtung 5 im Grunde beliebige Positionier- oder Umkehrstellungen (A, B, C) vorgebbar, die auch in unterschiedlicher Reihenfolge und zeitlichem Abstand voneinander vorgebbar sind. So können die vorgegebenen Positionier- oder Umkehrstellungen (A, B, C) nachträglich jederzeit leicht verändert oder durch weitere Vorgaben ergänzt werden. So kann z. B. die Aktuatorkolbenstange 18 mit einem Kraftaufnehmer versehen werden, der die Vorschubkraft erfasst und den Aktuator 1 bei Über- oder Unterschreitung einer vorgegebenen Sollkraft durch Beaufschlagung einer entsprechenden Dämpferspannung still setzt und/oder in Umkehrrichtung umschaltet.
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Durch die axial hintereinander angeordneten und über die Kolbenstangen 8, 18 kraftschlüssig miteinander verbundenen Aktuator 1 und eltrorheologische Positioniervorrichtung 2 ergibt sich zwar eine Positioniereinheit mit relativ geringer Querschnittsfläche aber einer Länge, die mindestens dem Doppelten des Aktuatorzylinders 6 entspricht. Sollte hingegen aber nur die Einbaulänge des Aktuatorzylinders 6 zur Verfügung stehen, könnten der Aktuatorzylinder 6 und der elektrorheologische Zylinder 16 auch parallel nebeneinander angeordnet werden. Zur kraftschlüssigen Kopplung beider Zylinder 6, 16 werden dann die parallel ausfahrbaren Kolbenstangen 8, 18 mittels eines quer angeordneten Verbindungsbalkens miteinander kraftschlüssig gekoppelt. Im Einzelnen werden der Aktuator 1 und die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 genauso ausgeführt, wie bei der axial hintereinander angeordneten Vorrichtung nach 1 der Zeichnung.
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In 2 der Zeichnung ist eine Positioniereinheit schematisch dargestellt, die einen druckmittelbetriebenen Aktuator 1 und eine koaxial in diesem integrierte elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 enthält, die kraftschlüssig miteinander gekoppelt sind. Dabei entsprechen die Bezugszeichen der 2 den gleichen Bezugszeichen der 1 soweit diese mit den dortigen Teilen funktionsgleich sind.
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Der Aktuator 1 besteht aus einem Aktuatorzylinder 6 Druckmittelzylinder, in dem ein Aktuatorkolben 7 axial längsverschieblich angeordnet ist, an dem eine durchgehende Aktuatorkolbenstange 8 befestigt ist. Dabei ist der Aktuatorkolben 7 ringförmig ausgebildet und koaxial um die Aktuatorkolbenstange 8 etwa auf dessen halber axialer Länge befestigt. Die Aktuatorkolbenstange 8 ist dabei innen hohl ausgebildet und ragt abgedichtet aus dem rechtsseitig angeordneten ersten Aktuatorabschlussdeckel 9 heraus. Durch den Aktuatorkolben 7 wird der Aktuatorzylinder 6 in einer erste Druckmittelkammer 10 und eine zweite Druckmittelkammer 11 aufgeteilt, die jeweils mit einer Druckmittelleitung mit einem 5/3-Wägeventil 12 verbunden sind. Linksseitig ist der Aktuatorzylinder 6 durch einen zweiten Aktuatorabschlussdeckel 21 abgedichtet, der mit einem ortsfesten Aktuatorgeräteteil 19 starr oder gelenkig verbunden ist.
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Die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 ist bei dieser Ausführung im Grunde koaxial in der hohlen Aktuatorkolbenstange 8 integriert angeordnet, die gleichzeitig als elektrorheologischer Zylinder 16 ausgebildet ist. Dabei umfasst die elektrorheologische Positionoiervorrichtung 2 neben dem elektrorheologischen Zylinder 16 einen elektrorheologischen Kolben 17 mit daran befestigter elektrorheologischer Kolbenstange 18, einem elektrorheologischen Ventil 3, einem Positionssensor 4 und einer elektronischen Steuervorrichtung 5. Der elektrorheologische Zylinder 16 enthält einen abgedichteten Innenraum, in dem ein elektrorheologischer Kolben 17 ortsfest angeordnet ist, der den elektrorheologischen Zylinder 16 in eine erste elektrorheologische Druckmittelkammer 13 und eine zweite elektrorheologische Druckmittelkammer 14 unterteilt, in denen eine elektrorheologische Flüssigkeit 20 eingefüllt ist.
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Am elektrorheologischen Kolben 17 ist linksseitig eine elektrorheologische Kolbenstange 18 befestigt, die abgedichtet axial aus dem elektrorheologischen Zylinder 16 herausgeführt und an dem zweiten Abschlussdeckel 21 befestigt ist. Zum Volumenausgleich der einseitig herausgeführten elektrorheologischen Kolbenstange 18 ist im elektrorheologischen Zylinder 16 zusätzlich noch eine Gaskammer 22 mit einem vorgegebenen Überdruck vorgesehen, die durch einen axial verschieblichen Trennkolben 23 von der zweiten elektrorheologischen Kammer 14 getrennt wird.
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Zwischen dem elektrorheologischen Kolben 17 und der inneren Zylinderwand des elektrorheologischen Zylinders 16 ist ein ringförmiger Ventilspalt 31 belassen, durch den die elektrorheologische Flüssigkeit 20 von der einen elektrorheologischen Kammer 13, 14 in die andere elektrorheologische Kammer 13, 14 strömen kann. Dadurch wird das elektrorheologische Ventil 3 gebildet, wobei die innere Zylinderwand des elektrorheologischen Zylinders 16 als Anode (Minuspol) und die äußere Zylinderwand des elektrorheologischen Kolbens 17 als Kathode (Pluspol) ausgebildet sind, die mit der Steuerspannungsschaltung 30 der Steuervorrichtung 5 verbunden sind. Durch eine entsprechende Gleichspannungsbeaufschlagung der Elektroden kann die Durchströmmenge durch das elektrorheologische Ventil 3 kontinuierlich bis zur Durchflusssperrung verändert werden. Dabei kann das elektrorheologische Ventil 3 auch als Ringspalt- oder Flachspaltventil innerhalb des elektrorheologischen Zylinders 16 oder innerhalb des elektrorheologischen Kolbens 17 ausgebildet werden.
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Zur Steuerung der Positionierung des Aktuators 1 ist parallel zum Aktuatorzylinder 6 ein Wegsensor 3 als Positionssensor angeordnet, der z. B. einen Dauermagneten 15 im Aktuatorkolben 7 erfasst. Der Wegsensor 4 ist elektrisch mit der Steuervorrichtung 5 verbunden, die das elektrische Signal des Wegsensors 4 in der Eingangsschaltung 26 auswertet, das der Stellung des Aktuatorkolbens 7 und der Aktuatorkolbenstange 8 innerhalb des Aktuatorzylinders 6 entspricht. Durch die am zweiten Abschlussdeckel 21 des Aktuatorzylinders 6 befestigte elektrorheologische Kolbenstange 18 des elektrorheologischen Kolbens 17 ist der Aktuator 1 kraftschlüssig mit der elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 gekoppelt und bilden eine Positioniereinheit. Deshalb könnte der Wegsensor 4 auch parallel zum elektrorheologischen Zylinder 16 angeordnet sein, der die elektrorheologische Kolbenstellung im Verhältnis zum elektrorheologischen Zylinder 16 erfasst. Allerdings ist es bei dieser Ausführung zweckmäßiger den Wegsensor 4 parallel zum ortsfesten Aktuatorzylinder 6 anzuordnen, wodurch eine einfachere elektrische Verbindung zur Steuervorrichtung 5 ermöglicht wird.
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Die vorstehend beschriebene Ausführung der Positioniereinheit 2 arbeitet im Betriebszustand funktionsmäßig wie folgt:
Dabei sei zum Beispiel angenommen, dass der Aktuatorkolben 7 und damit gleichzeitig auch dessen Aktuatorkolbenstange 8 als Betätigungsorgan zwischen den Positionierungsstellungen A und C periodisch abwechselnd hin und her verfahren werden soll, wobei die gegenwärtige Bewegung in Pfeilrichtung 25 von der Aktuatorkolbenstellung B zur Kolbenstellung C verläuft. Dazu erfasst die Eingangsschaltung 26 der programmgesteuerten Steuervorrichtung 5 vom Wegsensor 4 ein elektrisches Signal, das der Ist-Aktuatorkolbenstellung B entspricht, woraus der Abstand zur Soll-Stellung C errechnet wird. Aus der Wegdifferenz ermittelt die programmgesteuerte Rechenschaltung 27 der Steuervorrichtung 5 eine vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit, die vorzugsweise mit zunehmender Annäherung an die Soll-Position C verringert wird. Zur Erzeugung dieser Vorschubgeschwindigkeit wird das Wegeventil 12 so geschaltet, dass das Druckmittel vom Druckmittelspeicher 24 in die erste Aktuatorkammer 10 ein- und aus der zweiten Aktuatorkammer 11 ausströmt, so dass der Aktuatorkolben 7 mit einer Kraft in Pfeilrichtung 25 beaufschlagt wird.
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Gleichzeitig schaltet die Steuerspannungsschaltung 30 der Steuervorrichtung 5 nur einen geringen Gleichspannungswert, der der vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit entspricht, auf die Elektroden des elektrorheologischen Ventils 4, so dass die elektrorheologische Flüssigkeit 20 nur wenig gedämpft von der ersten elektrorheologischen Kammer 14 in die zweite elektrorheologische Kammer 13 strömen kann, so dass sich der Aktuatorkolben 7 mit der Aktuatorkolbenstange 8 mit relativ hoher Vorschubgeschwindigkeit zur Kolbenstellen C bewegt. Dabei verbleibt der elektrorheologische Kolben 17 an seiner ortsfesten Position, während sich der elektrorheologische Zylinder 16 als Aktuatorkolbenstange 8 in Pfeilrichtung 25 bewegt. Mit zunehmender Annäherung an die vorgegebene Umsteuerungsposition C wird durch die Steuerspannungsschaltung 30 der Steuervorrichtung 5 die vorgesehene Steuerspannung zwischen den Elektroden des elektrorheologischen Ventils 5 erhöht, so dass die Dämpfung des elektrorheologischen Kolbens 17 innerhalb des elektrorheologischen Zylinders 16 kontinuierlich erhöht wird, wodurch sich die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend verringert. Dabei wird bei Erreichen der Soll- oder Umsteuer-Stellung C die Steuerspannung so erhöht, dass sich die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit 20 so erhöht, dass dadurch kein Durchfluss durch den Ringspalt 31 möglich ist und dadurch der elektrorheologische Zylinder 16 und der Aktuatorkolben 7 stillgesetzt werden.
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Durch die vorgegebene Umsteuerbewegung des Aktuators 1 schaltet die Steuervorrichtung 5 mit Erreichen der Soll- oder Umsteuerungsposition C das Wegeventil 12 um, so dass jetzt das Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher 24 in die zweite Druckmittelkammer 11 ein- und aus der ersten Druckmittelkammer 10 ausströmt. Dadurch wird der Aktuatorkolben 7 in entgegengesetzter Richtung mit einer Druckkraft beaufschlagt. Da gleichzeitig das elektrorheologische Ventil 3 spannungsfrei geschaltet wird, bewegt sich der Aktuatorkolben 7 mit der Aktuatorkolbenstange 8 und dem elektrorheologischen Zylinder 16 in Richtung der Umsteuerposition 8 und wird dort wie vorbeschrieben stillgesetzt und umgesteuert.
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Auch bei dieser Ausführung können die Umsteuerstellungen A und C in beliebigem Abstand entlang des Verschiebeweges des Aktuatorzylinders 6 vorgegeben und der Steuervorrichtung 5 mit seinem Anfangs- und Endpunkt eingegeben werden. So sind auch einzelne Positionierungen an vorgegebenen Aktuatorstellungen möglich, die von externen Sensor- oder Schaltvorrichtungen gesteuert werden und die mit der Steuervorrichtung 5 verbunden sind. Eine derartige Positioniereinheit kann beim Aktuatorteil sowohl als Pneumatik- als auch als Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Zur Stillsetzung muss dabei der Aktuatorzylinder 6 nur dann druckfrei geschaltet werden, wenn die Dämpfungskraft des elektrorheologischen Ventils 3 kleiner als die Vorschubkraft des Aktuatorzylinders 6 ist. Bei der Ausführung nach 2 der Zeichnung sind dabei die wirksamen Flächenteile des Aktuatorkolbens 7 so auf die Kolbenfläche des elektrorheologischen Kolbens 17 abzustimmen, dass die Vorschubkraft kleiner als die Dämpfungskraft der elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1922304 U [0003]
- DE 102004039092 B4 [0004]
- DE 102007026378 A [0005]
