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Die Erfindung betrifft eine Versorgungseinrichtung zur Versorgung eines Druckluftverbrauchers, insbesondere eines Druckluftaktors, mit Druckluft. Ferner betrifft die Erfindung ein Versorgungssystem und ein Verfahren zur individuellen Versorgung eines Druckluftverbrauchers.
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Aus der
DE 10 2010 051 155 A1 ist eine Pneumatikzylinderanordnung zur Erzeugung einer mechanischen Verstellkraft aus zugeführter Druckluft mit einem Zylindergehäuse mit mindestens einem Anschluss zur Zuführung der Druckluft zu einer zugeordneten innenliegenden Druckkammer für die zumindest einseitige Beaufschlagung eines die Druckkammer begrenzenden Kolbens bekannt, wobei außen am Zylindergehäuse oder im Inneren des Zylindergehäuses eine kleinbauende Kompressoreinheit zur Erzeugung der Druckluft angeordnet ist, die ein hiervon ausgehender Zuführkanal oder eine Zuführleitung zum Anschluss des Zylindergehäuses leitet.
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Die
DE 10 2009 023 757 A1 offenbart eine Einrichtung zur Durchführung eines umformtechnischen Fügeprozesses, wobei ein Elektromotor und ein Drucklufterzeugungsmittel vorgesehen und unmittelbar an der Einrichtung angeordnet sind, wobei das Drucklufterzeugungsmittel derart ausgebildet und mit dem Elektromotorderart verbunden ist, dass es mittels des Elektromotors antreibbar ist und wobei das Drucklufterzeugungsmittel mit einem Ausgleichsantrieb zur Versorgung desselben mit Druckluft verbunden ist.
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Aus der
DE 202 01 058 U1 ist ein Pneumatikantrieb bekannt, der als Baueinheit mit einer durch Druckluft betätigbaren Antriebseinrichtung mit einem Gehäuse und einer relativ zu dem Gehäuse bewegbaren, einen Kolben und ein mit dem Kolben bewegungsgekoppeltes Abtriebsteil enthaltenden Abtriebseinheit sowie eine Positionserfassungseinrichtung zur Erfassung wenigstens einer Position der Abtriebseinheit eine elektrisch betätigbare Ventileinrichtung zur Steuerung der Druckluftbeaufschlagung des Kolbens und eine elektrisch betriebene Kompressoreinrichtung zur Erzeugung der für die Betätigung der Antriebseinrichtung erforderlichen Druckluft ausgebildet ist.
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Die WO 2010/ 045 993 A1 betrifft einen Elektromotor zum Antrieb eines Kompressors einer Luftversorgungseinheit eines Fahrzeugs, wobei der Elektromotor zumindest einen Halbleiterschalter zur Ansteuerung des Elektromotors aufweist.
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Aus der
DE 10 2015 213 330 A1 ist ein Aktuatorensystem mit einer Mehrzahl von hydraulischen oder pneumatischen Aktuatoreinheiten bekannt, wobei jede Aktuatoreinheit einen Aktuator und eine Pumpeneinheit aufweist und wobei die Aktautoreinheiten mit einer gemeinsamen elektrischen Energieversorgung verbunden sind.
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Die
DE 101 41 752 C1 offenbart eine Zylinderanordnung, die durch eine Aneinanderreihung mehrerer einzelner Druckmittelzylinder gebildet ist, um eine platzsparende Anordnung bei einfacher und schneller Montage zu schaffen, wobei die einzelnen Druckmittelzylinder über jeweils gegenüberliegend am Zylinderdeckel und/oder am Zylinderboden im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des jeweiligen Druckmittelzylinders ausgebildete Verbindungsmittel direkt aneinander befestigbar sind, wobei zur Speisedruckversorgung des direkt am Zylinderdeckel oder am Zylinderboden angeordneten Ventils ein im Zylinderdeckel oder im Zylinderboden ausgebildeter gemeinsamer, durch alle Druckmittelzylinder im Wesentlichen koaxial verlaufender Speisedruckkanal vorgesehen ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Versorgungseinrichtung, ein Versorgungssystem sowie ein Verfahren zur individuellen Versorgung eines Druckluftverbrauchers bereitzustellen, die eine energieeffiziente Betriebsweise für den Druckluftverbraucher ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird für eine Versorgungseinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei umfasst die Versorgungseinrichtung eine elektrisch angetriebene Verdichteranordnung zur Verdichtung von Druckluft, die mit einem Eingangsanschluss zur Ansaugung von Umgebungsluft und mit einem Ausgangsanschluss zur Bereitstellung von verdichteter Druckluft fluidisch kommunizierend verbunden ist, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Bereitstellung von elektrischer Energie an die Verdichteranordnung und einen Drucksensor, der einem zwischen der Verdichteranordnung und dem Ausgangsanschluss ausgebildeten Versorgungskanal zugeordnet ist und der zur Bereitstellung eines druckabhängigen Sensorsignals an die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die Steuerungseinrichtung für eine Drehzahlsteuerung der Verdichteranordnung durch Verknüpfung des Sensorsignals des Drucksensors mit einem vorgebbaren Fluidvolumenstrom für den Druckluftverbraucher und für eine Bereitstellung genau derjenigen elektrischen Energiemenge an die Verdichteranordnung ausgebildet ist, die zur Erreichung der Drehzahl benötigt wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Versorgungseinrichtung zur individuellen Versorgung genau eines Druckluftverbrauchers mit Druckluft ausgelegt und ausgebildet ist. Dementsprechend kann die Verdichteranordnung exakt in Abhängigkeit von dem Druckluftbedarf des Druckluftverbrauchers betrieben werden: Insbesondere kann ein von der Verdichteranordnung an den Ausgangsanschluss bereitgestellter Versorgungsdruck individuell für den Druckluftverbraucher so gewählt werden, dass dieser eine vorgegebene, druckluftabhängige Aktion, insbesondere eine Bewegung, durchführen kann. Hiervon ist auch umfasst, dass die Versorgungseinrichtung mit mehreren Druckluftverbrauchern fluidisch gekoppelt ist, die eine synchrone Aktion, insbesondere ein synchrone Bewegung durchführen sollen und die daher als einheitlicher Druckluftverbraucher betrachtet werden können. Für eine individuell auf den Druckluftbedarf des Druckluftverbrauchers zugeschnittene Ansteuerung der Verdichteranordnung ist die Steuerungseinrichtung vorgesehen, die anhand eines Sensorsignals eines Drucksensors genau diejenige elektrische Energiemenge, insbesondere durch Vorgabe einer elektrischen Spannung oder durch Vorgabe eines elektrischen Stroms, an die Verdichteranordnung bereitstellt, die zur Erreichung des für die gewünschte Aktion des Druckluftverbrauchers notwendigen Fluidvolumenstroms erforderlich ist. Hierzu führt die Steuerungseinrichtung vorzugsweise eine Pulsweitenmodulation für die elektrische Energieversorgung eines der Verdichteranordnung zugeordneten elektrischen Antriebs, insbesondere zur Drehzahlsteuerung eines Elektromotors, durch. Dabei ist vorgesehen, dass die bereitgestellte elektrische Energie durch Verknüpfung des Sensorsignals des Drucksensors mit einem Fluidvolumenstrom in der Steuerungseinrichtung ermittelt wird. Der Fluidvolumenstrom kann in der Steuerungseinrichtung anhand der vom zugeordneten Druckluftverbraucher durchzuführenden Aktion ermittelt werden oder der Steuerungseinrichtung von außen als Fluidstromsignal, beispielsweise von einer übergeordneten Steuerung, zugeführt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Steuerungseinrichtung mit ihrer Rechenkapazität zur Bestimmung der elektrischen Energiemenge anhand des Sensorsignals des Drucksensors und des vorgebbaren Fluidvolumenstroms, mit ihrer Speicherkapazität zur Speicherung eines Algorithmus oder Kennfelds für die Verknüpfung des Sensorsignals des Drucksensors mit dem vorgebbaren Fluidvolumenstrom sowie mit ihren elektrischen Eigenschaften zur Bereitstellung elektrischer Energie an die Verdichteranordnung zur Ansteuerung genau einer Verdichteranordnung ausgelegt ist. Dies ermöglicht bereits dann eine kostengünstige Gestaltung der Steuerungseinrichtung, wenn nur eine der Komponenten: Recheneinheit, Einheit, elektrische Endstufe unter Berücksichtigung einer Sicherheitsmarge für die Ansteuerung genau einer Verdichteranordnung ausgelegt ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn die Verdichteranordnung und die Steuerungseinrichtung sowie der Drucksensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und/oder dass in dem Versorgungskanal eine, insbesondere als 3/3-Wege-Schaltventil oder als 5/3-Wege-Schaltventil ausgebildete, elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbundene Ventileinrichtung angeordnet ist, die für eine Beeinflussung eines Querschnitts des Versorgungskanals ausgebildet ist und die elektrisch mit der Steuerungseinrichtung gekoppelt ist.
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Durch die Anordnung der Verdichteranordnung, der Steuerungseinrichtung sowie des Drucksensors in einem gemeinsamen Gehäuse lässt sich eine kompakte Versorgungseinrichtung verwirklichen, an die in einer Grundkonfiguration lediglich elektrische Energie bereitgestellt werden muss, da sowohl die Ermittlung der elektrischen Energiemenge für die Verdichteranordnung als auch die Erzeugung der zur Versorgung des Druckluftverbrauchers notwendigen Druckluft in der Versorgungseinrichtung vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gehäuse für eine unmittelbare mechanische Anordnung an einem, insbesondere als Pneumatikzylinder ausgebildeten, Druckluftverbraucher und/oder für eine Anreihung mit weiteren Gehäusen weiterer Versorgungseinrichtungen ausgebildet ist. Bei einer unmittelbaren mechanischen Anordnung am Druckluftverbraucher stellt sich dieser nach außen wie ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein elektrischer Antrieb dar, da lediglich eine Zufuhr von elektrischer Energie und gegebenenfalls von Steuersignalen an die Versorgungseinrichtung erforderlich ist. Bei einer Anreihung mehrerer Versorgungseinrichtungen zu einer Versorgungsbatterie kann beispielhaft vorgesehen werden, eine zentralisierte elektrische Energieversorgung für die Versorgungseinrichtungen vorzusehen, um einen Installationsaufwand zu minimieren.
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Mit der Zuordnung einer Ventileinrichtung zum Versorgungskanal, die in Abhängigkeit von einem von der Steuerungseinrichtung bereitgestellten Steuersignals in wenigstens zwei unterschiedliche Funktionsstellungen gebracht werden kann, ist eine Beeinflussung des Querschnitts des Versorgungkanals möglich. Beispielhaft kann vorgesehen sein, bei einer Versorgung des Druckluftverbrauchers mit Druckluft zunächst die Ventileinrichtung aus einer Schließstellung in eine Öffnungsstellung zu bringen, während nach Abschluss einer Versorgung des Druckluftverbrauchers die Ventileinrichtung aus der Öffnungsstellung in die Schließstellung überführt wird, so dass ein im Druckluftverbraucher vorliegendes Druckluftvolumen nicht über den Fluidkanal abströmen kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung mit einem Druckluftauslass verbunden ist und dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, während eines Belüftungsvorgangs für den Druckluftverbraucher eine permanente Ansteuerung der Ventileinrichtung in eine Öffnungsstellung für eine verlustarme fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Verdichteranordnung und dem Ausgangsanschluss durchzuführen und/oder dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, während eines Entlüftungsvorgangs für den Druckluftverbraucher eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Ventileinrichtung zwischen der Öffnungsstellung und einer Schließstellung für eine Drosselung einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Druckluftauslass durchzuführen.
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Dabei kann der Druckluftauslass als Ausgang ausgebildet sein, durch den Druckluft vom Druckluftverbraucher in die Umgebung ausströmen kann. Besonders bevorzugt ist dem Druckluftauslass ein Schalldämpfer zugeordnet, um eine Geräuschentwicklung beim Entlüften des Druckluftverbrauchers auf einem niedrigen Niveau zu halten. Dementsprechend ist die Ventileinrichtung dazu ausgebildet, zumindest eine Umschaltung zwischen einer fluidisch kommunizierenden Verbindung von der Verdichteranordnung zum Ausgangsanschluss und einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Druckluftauslass zu ermöglichen. Beispielhaft ist die Ventileinrichtung zu diesem Zweck zumindest als 3/3-Wege Ventil ausgebildet.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtung bei einer Druckluftversorgung des Druckluftverbrauchers von der Steuerungseinrichtung durch geeignete Ansteuerung in eine Öffnungsstellung gebracht wird, so dass ein minimaler Strömungswiderstand im Fluidkanal zwischen der Verdichteranordnung und dem Ausgangsanschluss gewährleistet werden kann. Hierdurch wird die energieeffiziente Betriebsweise für den Druckluftverbraucher unterstützt, da die Verdichteranordnung in Analogie zu einem Servoventil exakt denjenigen Fluidvolumenstrom an den Druckluftverbraucher bereitstellt, den dieser zur Bewältigung seiner Aktion, insbesondere seiner Bewegungsaufgabe, benötigt. Bei einer Entlüftung des Druckluftverbrauchers kann vorgesehen sein, die gegebenenfalls als Schaltventil ausgebildete Ventileinrichtung durch Ansteuerung mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal in der Art eines Servoventils zu betreiben, um einen Fluidvolumenstrom vom Druckluftverbraucher über den Ausgangsanschluss bis zum Druckluftauslass auf ein vorgebbares, gegebenenfalls zeitlich veränderliches, Niveau einstellen zu können. Dies ist beispielsweise dann von Interesse, wenn der Druckluftverbraucher als Pneumatikzylinder ausgebildet ist, der bei Belüftung eine Gegenkraft einer gekoppelten Maschinenkomponente zur Durchführung einer vorgebbaren Bewegung aus einer Ruhestellung in eine Funktionsstellung überwindet und bei Entlüftung eine gebremste Rückführung der Maschinenkomponente in die Vorzugsstellung gewährleisten soll.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Druckluftauslass mit einem zwischen dem Eingangsanschluss und der Verdichteranordnung ausgebildeten Ansaugkanal fluidisch kommunizierend verbunden ist und dass am Eingangsanschluss ein Rückschlagventil ausgebildet ist, um eine Rückführung von Druckluft an die Verdichteranordnung zu ermöglichen. Durch diese Maßnahme kann ein besonders energieeffizienter Betrieb des Druckluftverbrauchers gewährleistet werden, da die Energie, die in der an den Druckluftverbraucher bereitgestellten Druckluft enthalten ist, zumindest teilweise wieder an die Verdichteranordnung zurückgeführt werden kann.
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Praktisch bedeutet dies, dass ein an den Druckluftverbraucher für eine Durchführung einer ersten Aktion, insbesondere einer ersten Bewegungsaufgabe, bereitgestelltes Druckluftvolumen bei einer Durchführung einer zweiten, beispielsweise entgegengesetzten Aktion, insbesondere einer Bewegung in eine der ersten Bewegungsaufgabe entgegengesetzte Bewegungsrichtung, des Druckluftverbrauchers bereitgestelltes Druckluftvolumen in den Ansaugkanal der Verdichteranordnung bereitgestellt wird: Somit liegt im Ansaugkanal verglichen mit einer umgebenden Atmosphäre, aus der üblicherweise eine Ansaugung von Luft durch die Verdichteranordnung erfolgt, ein höheres Druckniveau vor. Somit wird die Energiemenge, die die Verdichteranordnung zur Bereitstellung eines Fluidvolumenstroms an den Druckluftverbraucher benötigt, reduziert und damit der Wirkungsgrad einer Kombination der Versorgungseinrichtung mit dem Druckluftverbraucher verbessert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Druckluftverbraucher zwei Arbeitskammern aufweist, wie dies beispielsweise bei einem doppeltwirkenden Pneumatikzylinder der Fall ist, bei dem eine Bewegung einer Kolbenstange, die mit einem die Arbeitskammern größenvariabel begrenzenden Arbeitskolben verbunden ist, durch Veränderung von Druckniveaus in den jeweiligen Arbeitskammern herbeigeführt wird. Durch die Rückführung des jeweils höheren Drucks aus der einen Arbeitskammer an die Verdichteranordnung wird dementsprechend eine Druckerhöhung in der jeweils anderen Arbeitskammer erleichtert.
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Vorzugsweise ist die Steuerungseinrichtung elektrisch mit wenigstens einem Eingangs- und/oder Ausgangsanschluss verbunden, der für eine elektrische Verbindung mit einer Sensoreinrichtung und/oder einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einer Anzeigeeinrichtung, ausgebildet. Hierdurch können zusätzliche Funktionen wie beispielsweise ein Anschluss eines weiteren Sensors und/oder eine Bereitstellung von elektrischer Energie an einen elektrischen Verbraucher, der beispielsweise als Anzeigeeinrichtung ausgebildet sein kann, ermöglicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn an einem Eingangsanschluss ein Positionssensor angeschlossen ist, über den die Steuerungseinrichtung eine Information darüber erhalten kann, in welcher Funktionsstellung sich der Druckluftverbraucher befindet. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass eine Ermittlung des Fluidvolumenstroms, der in der Steuerungseinrichtung mit dem Drucksignalen des Drucksensors verknüpft wird, anhand eines Ausgangssignals eines Stellungsreglers erfolgt, der seinerseits mit einem Positionssignal eines den Druckluftverbraucher zugeordneten Positionssensors, insbesondere eines Wegmesssystems, versorgt wird.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungseinrichtung für eine Drehzahlerfassung für einen der Verdichteranordnung zugeordneten elektrischen Antrieb anhand eines Strom- und/oder Spannungsverlaufs ausgebildet ist oder dass die Steuerungseinrichtung mit einem Bewegungssensor an einem der Verdichteranordnung zugeordneten elektrischen Antrieb für eine Drehzahlerfassung verbunden ist. Bei dem elektrischen Antrieb für die Verdichteranordnung handelt es sich typischerweise um einen Elektromotor, der bei Bereitstellung von elektrischer Energie eine Rotation einer mit der Verdichteranordnung gekoppelten Antriebswelle bewirkt. Um den von der Verdichteranordnung bereitgestellten Fluidvolumenstrom mit verbesserter Genauigkeit vorgeben zu können, ist es vorteilhaft, Kenntnis über die Drehzahl des Elektromotors zu haben. Hierzu kann in der Steuerungseinrichtung eine Erfassung des Strom- und/oder Spannungsverlaufs vorgenommen werden, der von einer der Steuerungseinrichtung zugeordneten elektrischen Endstufe an den Elektromotor bereitgestellt wird. Hierzu kann insbesondere eine Welligkeit im Strom- und/oder Spannungsverlauf ermittelt werden, anhand derer in Kenntnis der elektromechanischen Eigenschaften des Elektromotors in mittelbarer Weise auf die Drehzahl des Elektromotors zurückgeschlossen werden kann. Ergänzend oder alternativ kann dem elektrischen Antrieb ein Bewegungssensor zugeordnet sein, der elektrisch mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist und als Drehzahlsensor dient. In Kenntnis der tatsächlichen Drehzahl des elektrischen Antriebs sowie der mechanischen Eigenschaften der Verdichteranordnung unter Einbeziehung des Sensorsignals des Drucksensors kann mit einfachen Mitteln eine präzise Schätzung für den tatsächlich bereitgestellten Fluidvolumenstrom vorgenommen werden, wodurch eine weitere Effizienzsteigerungen für die Versorgungseinrichtung ermöglicht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Versorgungssystem dadurch gelöst, dass jede der Verdichteranordnungen für eine Versorgung genau eines Druckluftverbrauchers ausgebildet ist und dass die Versorgungseinrichtungen jeweils in einem Gehäuse angeordnet sind, das für eine Anreihung mit benachbarten Versorgungseinrichtungen ausgebildet ist und/oder dass jede der Steuerungseinrichtungen mit einer Busschnittstelle für eine Ankopplung an ein Buskommunikationssystem ausgebildet ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren zur individuellen Versorgung eines Druckluftverbrauchers, insbesondere eines Druckluftaktors, mit Druckluft unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Versorgungseinrichtung mit den nachfolgenden Schritten gelöst: Ermitteln eines Versorgungsdrucks im Versorgungskanal, der die Verdichteranordnung mit dem, insbesondere genau einen, Druckluftverbraucher verbindet, anhand eines Sensorsignals des dem Versorgungskanal zugeordneten Drucksensors, Ermitteln und Bereitstellen einer elektrischen Energiemenge für die Verdichteranordnung anhand des Versorgungsdrucks, um einen vorgebbaren Fluidvolumenstrom von der Verdichteranordnung an den Druckluftverbraucher bereitzustellen, wobei die Ermittlung der elektrischen Energiemenge in einer Steuerungseinrichtung anhand eines Berechnungsalgorithmus oder einer Wertetabelle vorgenommen wird und die Druckluft an den Druckluftverbraucher zur Bewirkung einer Stellbewegung bereitgestellt wird.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Ermittlung des vorgebbaren Fluidvolumenstroms von einem Positionsregler vorgenommen wird, der eine Sollposition des Druckluftverbrauchers mit einer Istposition des Druckluftverbrauchers vergleicht und den Fluidvolumenstrom anhand eines Bewegungsprofils aus der Gruppe: Bewegungsbeschleunigung, Bewegungsabbremsung, gleichförmige Bewegung, Endlagenbewegungsdämpfung, für den Druckluftverbraucher bestimmt. Vorzugsweise ist der Positionsregler als Softwaremodul in der Steuerungseinrichtung implementiert und erhält von einem dem Druckluftverbraucher zugeordneten Sensor, beispielsweise einem Wegmesssystem, eine Positionsinformation, die dem Soll-IstVergleich zugeführt wird, um einen Betrag für einen Fluidvolumenstrom als Ausgangsignal des Positionsreglers bereitstellen zu können. Hierzu greift der Positionsregler auf ein jeweils vom Druckluftverbraucher, insbesondere Druckluftaktor, bereitzustellendes Bewegungsprofil zurück, mit dem eine gewünschte Bewegung des Druckluftaktors beschrieben wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass anhand des ermittelten Versorgungsdrucks eine Druckregelung für den angeschlossenen Druckluftverbraucher vorgenommen wird und/oder dass ein Entlüftungsvorgang für den Druckluftverbraucher mit einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung einer in dem Versorgungskanal angeordneten und mit einem Druckluftauslass verbundenen Ventileinrichtung zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung durchgeführt wird, um eine Drosselung einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Druckluftauslass zu bewirken. Eine Druckregelung für den angeschlossenen Druckluftverbraucher ist insbesondere dann von Interesse, wenn der Druckluftverbraucher als Druckluftaktor ausgebildet ist und in einer kraftgeregelten Betriebsweise betrieben werden soll. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Druckluftverbraucher als Bestandteil einer Klemmvorrichtung vorgesehen ist, die eine vorgebbare Klemmkraft auf ein Werkstück ausüben soll. Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, den Druckluftverbraucher zunächst durch Bereitstellung eines angepassten Fluidvolumenstroms aus einer Freigabestellung für das Werkstück in eine Klemmstellung für das Werkstück zu bewegen und nach Erreichen der Klemmstellung eine Umschaltung auf eine Druckregelung für den Druckluftverbraucher vorzunehmen, bei der ein Druck in einer Arbeitskammer des Druckluftverbrauchers zumindest weitgehend konstant gehalten wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Versorgungseinrichtung mit einem daran angeschlossenen, als einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgebildeten, Druckluftverbraucher,
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Versorgungseinrichtung mit einem daran angeschlossenen, als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildeten, Druckluftverbraucher, und
- 3 ein Blockschaltbild für wesentliche Funktionen der Versorgungseinrichtung, wie sie in den 1 und 2 dargestellt ist.
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Eine in der 1 dargestellte Versorgungseinrichtung 1 umfasst ein nur schematisch dargestelltes kastenförmiges Gehäuse 2, an dem an einer Außenoberfläche ein Ansaugstutzen 3, ein Versorgungsanschluss 4 sowie eine elektrische Schnittstelle 5 ausgebildet sind.
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Rein exemplarisch ist an dem Versorgungsanschluss 4 eine Fluidleitung 6 angekoppelt, die mit einem beispielhaft als einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgebildeten Druckluftverbraucher 7 fluidisch kommunizierend verbunden ist. Der Druckluftverbraucher 7 führt bei Beaufschlagung mit Druckluft, die von der Versorgungseinrichtung 1 bereitgestellt werden kann, eine Linearbewegung einer Kolbenstange 8 durch und kann beispielsweise zur Bewegung einer nicht dargestellten Maschinenkomponente ausgebildet sein.
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Um Druckluft an den Versorgungsanschluss 4 bereitstellen zu können, umfasst die Versorgungseinrichtung 1 eine elektrisch angetriebene Verdichteranordnung 9, bei der es sich beispielsweise um eine kompakt ausgebildete Kolbenpumpe handeln kann. Die Verdichteranordnung 9 ist mit einem Ansaugkanal 10 fluidisch kommunizierend verbunden, der an einem Eingangsanschluss 13 in nicht näher dargestellter Weise in den Ansaugstutzen 3, der beispielhaft als nicht näher dargestellter Luftfilter ausgebildet sein kann, ausmündet. Ferner ist die Verdichteranordnung 9 über einen Versorgungskanal 11 mit einem Ausgangsanschluss 14 fluidisch kommunizierend verbunden, der in den Versorgungsanschluss 4 mündet. Dementsprechend kann die Verdichteranordnung 9 Luft aus der Umgebung der Versorgungseinrichtung 1 durch den Ansaugstutzen 3 ansaugen, verdichten und an den Versorgungsanschluss 4 bereitstellen.
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Für den Betrieb der Verdichteranordnung 9 ist rein exemplarisch ein Elektromotor 12 vorgesehen, der mit einer drehbeweglich gelagerten Antriebswelle 15 die nicht näher dargestellte Kolbenpumpe der Verdichteranordnung 9 in Bewegung versetzen kann. Beispielhaft handelt es sich bei dem Elektromotor 12 um einen Gleichstrommotor, insbesondere um einen Gleichstrom-Bürstenmotor.
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Um eine Bereitstellung von Druckluft am Versorgungsanschluss 4 hervorzurufen, ist der Elektromotor 12 elektrisch über eine Leitungsanordnung 16 mit einem Leistungsteil 17 verbunden, bei dem es sich um eine elektrische Endstufe einer rein exemplarisch als Mikrocontroller ausgebildeten Steuerungseinrichtung 18 handelt. Das Leistungsteil 17 ist über eine Steuerleitung 19 elektrisch mit der Steuerungseinrichtung 18 verbunden und erhält von der Steuerungseinrichtung 18 ein Steuersignal, das beispielhaft einen Betrag eines elektrischen Stroms oder einer elektrische Spannung repräsentiert, die vom Leistungsteil 17 an den Elektromotor 12 bereitgestellt werden soll.
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Die Steuerungseinrichtung 18 steht über eine Signalleitung 20 in elektrischer Verbindung mit der elektrischen Schnittstelle 5, die rein exemplarisch als kombinierte Signal-und Leistungsschnittstelle ausgebildet ist. Dementsprechend können an der elektrischen Schnittstelle 5 von einer nicht dargestellten, übergeordneten Steuereinrichtung bereitgestellte Steuersignale über die Signalleitung 20 an die Steuerungseinrichtung 18 bereitgestellt werden.
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Ferner umfasst die elektrische Schnittstelle 5 einen nicht näher dargestellten Leistungsanschluss, an dem elektrische Leistung von einer nicht dargestellten elektrischen Quelle an die Versorgungseinrichtung 1 für den Betrieb des Elektromotors 12 bereitgestellt werden kann. Hierzu ist die elektrische Schnittstelle 5 über eine Leistungsleitung 21 direkt mit dem Leistungsteil 17 verbunden.
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Die Steuerungseinrichtung 18 steht weiterhin über eine Sensorleitung 22 mit einem Drucksensor 30 in Verbindung, der zur Bereitstellung eines druckabhängigen, elektrischen Sensorsignals ausgebildet ist. Ferner steht die Steuerungseinrichtung 18 über Steuerleitungen 23, 24 mit Magnetantrieben 25, 26 einer Ventileinrichtung 27 in elektrisch leitender Verbindung.
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Nähere Angaben zur Funktion der Steuerungseinrichtung 18 erfolgen in Zusammenhang mit der 3.
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Die Ventileinrichtung 27 ist fluidisch in den Versorgungskanal 11 eingeschleift und ist rein exemplarisch als elektrisch angesteuertes 3/3-Wege-Schaltventil ausgebildet. Somit ermöglicht die Ventileinrichtung 27 eine Sperrung des Versorgungskanals 11, wie dies in den 1 und 2 rein exemplarisch dargestellt ist. Alternativ kann die Ventileinrichtung 27 durch geeignete Ansteuerung der Magnetantriebe 25, 26 in eine nicht dargestellte Schaltstellung gebracht werden, bei der eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Verdichteranordnung 9 und dem Versorgungsanschluss 4 sowie dem daran angeschlossenen Druckluftverbraucher 7 gewährleistet ist. Desweiteren kann die Ventileinrichtung 27 in eine weitere, nicht dargestellte Schaltstellung gebracht werden, bei der eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss 4 und den daran angeschlossenen Druckluftverbraucher 7 und einem der Versorgungseinrichtung 1 zugehörigen Druckluftauslass 28 vorliegt, der beispielhaft mit einem Schalldämpfer 29 ausgerüstet ist.
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Eine Ermittlung eines im Versorgungskanal 11 vorliegenden Fluiddrucks erfolgt mit Hilfe des Drucksensors 30, der über eine nicht näher bezeichnete Fluidleitung mit dem Versorgungskanal 11 fluidisch kommunizierend verbunden ist.
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Bei einer in der 2 dargestellten zweiten Ausführungsform einer Versorgungseinrichtung 31 werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform der Versorgungseinrichtung 1 gemäß der 1 verwendet.
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Abweichend von der Versorgungseinrichtung 1 ist bei der Versorgungseinrichtung 31 eine Rückführung von Druckluft vorgesehen, die von einem exemplarisch als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildeten Druckluftverbraucher 37 bereitgestellt werden kann. Hierzu ist die Ventileinrichtung 57 exemplarisch als 5/3-Wegeventil ausgebildet, wodurch eine zeitgleiche Belüftung einer nicht näher bezeichneten Arbeitskammer des Druckluftverbraucher 37 sowie eine Entlüftung einer weiteren, nicht näher bezeichneten Arbeitskammer des Druckluftverbrauchers 37 vorgenommen werden kann. Hierzu weist die Versorgungseinrichtung 31 im Unterschied zur Versorgungseinrichtung 1 zwei Ausgangsanschlüsse 44 auf, die jeweils fluidisch kommunizierend mit den nicht bezeichneten Arbeitskammern des Druckluftverbrauchers 37 verbunden sind.
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Ferner sind die beiden Druckluftauslässe 58 der Ventileinrichtung 57 zu einer Rückführleitung zusammengefasst, die fluidisch kommunizierend mit dem Ansaugkanal 10 verbunden ist. Um ein unerwünschtes Austreten von Druckluft über den Ansaugstutzen in die Umgebung zu verhindern, ist bei der Versorgungseinrichtung 31 zwischen dem Eingangsanschluss 13 und der Verdichteranordnung 9 ein rein exemplarisch als Kugelventil ausgebildetes Rückschlagventil 63 angeordnet. Zudem ist dem Druckluftverbraucher 37 ein Wegmesssystem 64 zugeordnet, das eine Bewegung eines Arbeitskolbens 65 in einem Zylinderraum 66 eines Zylindergehäuses 67 längs einer Bewegungsachse 68 erfassen kann. Über eine Sensorleitung 69 ist das Wegmesssystem 64 elektrisch mit der Steuerungseinrichtung 48 verbunden, die somit abweichend von der Steuerungseinrichtung 18 nicht nur zur Verarbeitung eines Drucksignalen des Drucksensors 30, sondern auch zur Verarbeitung des Wegsignals des Wegmesssystems 64 ausgebildet ist.
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Aus dem Blockschaltbild gemäß der 3 sind die wesentlichen Funktionen zu entnehmen, wie sie in der Verarbeitungseinrichtung 1 und der Verarbeitungseinrichtung 31 implementiert sein können, wenn eine Positionsregelung durchgeführt werden soll. Diese Funktionen umfassen rein exemplarisch einen Positionsregler 72 sowie eine Spannungssteuerung 73, die vorzugsweise als Softwarekomponenten in der Steuerungseinrichtung 18, 48 verwirklicht sind.
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Der Positionsregler 72, der vorzugsweise in der Steuerungseinrichtung 18, 48 implementiert ist, erhält von einem nicht dargestellten Sollwertgeber, der in einer mit der jeweiligen Versorgungseinrichtung 1, 31 verbundenen, übergeordneten Steuerung (insbesondere einer speicherprogrammierbaren Steuerung - SPS) oder unmittelbar in der Steuerungseinrichtung 18, 48 der jeweiligen Versorgungseinrichtung 1, 31 ausgebildet sein kann, einen Soll-Positionswert ssoll, der aus einem vorgegebenen Bewegungsablauf für den an der jeweiligen Versorgungseinrichtung 1, 31 angeschlossenen Druckluftverbraucher 7, 37 ermittelt wird. Ferner erhält der Positionsregler 72 einen beispielhaft mit einem Wegmesssystem 64 ermittelten Ist-Positionswert sist. Die Aufgabe des Positionsreglers 72 besteht in einer Ermittlung einer Soll-Ist-Abweichung sowie in einer daraus resultierenden Ermittlung eines Sollwerts für einen Fluidvolumenstrom Qsoll. Dieser Sollwert Qsoll wird vom Positionsregler 72 an eine in der Steuerungseinrichtung 18, 48 ausgebildete Spannungssteuerung 73 bereitgestellt, wo eine Verknüpfung des Sollwerts für den Fluidvolumenstrom Qsoll mit einem gemessenen Versorgungsdruck pist erfolgt. Der Versorgungsdruck pist wird vom Drucksensor 30 am Versorgungskanal 11 ermittelt und an die jeweilige Steuerungseinrichtung 18, 48 bereitgestellt. Als Ergebnis der Verknüpfung des Sollwerts für den Fluidvolumenstrom Qsoll mit dem gemessenen Versorgungsdruck pist wird ein Spannungswert UKompressor gebildet, der eine elektrische Spannung repräsentiert, die an den Elektromotor 12 zum Antrieb der Verdichteranordnung 9 bereitgestellt werden soll. Dieser Spannungswert UKompressor wird als Steuersignal an das Leistungsteil 17 bereitgestellt und dort in eine geeignete elektrische Spannung umgesetzt, die dem Elektromotor 12 zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch beginnt die Verdichteranordnung 9 mit der Verdichtung von Luft, wodurch im Versorgungskanal 11 ein Druckanstieg stattfindet, der mit Hilfe des Drucksensors 30 an die Spannungssteuerung 73 rückgekoppelt wird und zu einer neuerlichen Verknüpfung mit dem jeweils aktuell vorliegenden Sollwert für den Fluidvolumenstrom Qsoll genutzt wird. Exemplarisch ist ferner vorgesehen, eine Bewegung des Kolbens bzw. der Kolbenstange 8 mit Hilfe des Wegmesssystem 64 zu ermitteln und die aktuelle Position des Kolbens bzw. der Kolbenstange 8 als aktuellen Ist-Positionswert sist an den Positionsregler 72 bereitzustellen, wo gegebenenfalls eine Anpassung des Sollwerts für den Fluidvolumenstrom Qsoll vorgenommen werden kann.
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Somit ist bei den Versorgungseinrichtungen 1, 31 eine Kombination einer Positionsregelung auf Basis einer tatsächlich gemessenen Position des Druckluftverbrauchers 7, 37 mit einer Spannungssteuerung, die auf dem vom Positionsregler 72 ermittelten Sollwert für den Fluidvolumenstrom Qsoll sowie einen gemessenen Druckwert im Versorgungskanal 11 basiert, verwirklicht.
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Ergänzend kann für die Versorgungseinrichtung 31 vorgesehen sein, eine Rückführung von Druckluft von einem in der 3 nicht näher dargestellten Druckluftverbraucher 7, 37 an die Verdichteranordnung 9 mit der optionalen und daher gestrichelt dargestellten Rückführleitung 62 zu verwirklichen, um einen Wirkungsgrad für die Versorgungseinrichtung 31 zu verbessern.
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Alternativ zu dem in 2 dargestellten Wegmesssystem 64 kann der Druckluftverbraucher 7, 37 auch mit einem oder mehreren nicht näher dargestellten Positionssensoren, insbesondere Endschaltern ausgerüstet werden, die beispielhaft nur dann eine Positionsinformation liefern, wenn sich der Druckluftverbraucher 7, 37 in einer vorgegebenen Konfiguration, beispielsweise einer Endposition für die Kolbenstange 8, befindet.
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Vorteilhaft ist es, wenn eine Bereitstellung von elektrischer Energie, an den Elektromotor 12 mit einem pulsweitenmodulierten Ansteuersignal erfolgt, da hierdurch in effizienter Weise Einfluss auf die Drehzahl des Elektromotors 12 und die damit verknüpfte Fluid-Förderleistung der Verdichteranordnung 9 genommen werden kann.