DE19728850B4

DE19728850B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Betätigung einer fluidisch betriebenen Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE19728850B4
Application number: DE1997128850
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. Dipl.-Ing. Stoll; Franz Josef Weilhard; Wolfgang Mechler
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 1997-07-05
Filing date: 1997-07-05
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-07-06
Also published as: DE19728850A1

Abstract

Verfahren zur Betätigung einer fluidisch betriebenen Stellvorrichtung (1), die ein Stellglied (3) aufweist, das eine bewegliche Wand wenigstens eines Arbeitsraumes (A₁, A₂) bildet, wobei zur Herbeiführung einer Bewegung des Stellglieds (3) Betätigungsfluid aus einer Fluidspeichereinrichtung (8) in den Arbeitsraum (A₁, A₂) eingespeist oder Betätigungsfluid aus dem Arbeitsraum (A₁, A₂) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man ein im Vergleich zum Maximalvolumen des Arbeitsraumes (A₁, A₂) geringeres Speichervolumen (12, 13) der Fluidspeichereinrichtung (8) abwechselnd entweder mit dem Arbeitsraum (A₁, A₂) oder mit einer Druckquelle (P) oder Drucksenke (R) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betätigung einer fluidisch betriebenen Stellvorrichtung, die ein Stellglied aufweist, das eine bewegliche Wand wenigstens eines Arbeitsraumes bildet, wobei zur Herbeiführung einer Bewegung des Stellgliedes Betätigungsfluid aus einer Fluidspeichereinrichtung in den Arbeitsraum eingespeist oder Betätigungsfluid aus dem Arbeitsraum abgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Betätigungsvorrichtung für eine fluidisch betriebene Stellvorrichtung.

Mit einem zum Beispiel als Stellkolben ausgebildeten Stellglied versehene Stellvorrichtungen finden ein Hauptanwendungsgebiet auf dem Sektor der Fluidtechnik, wo sie meist als Antriebe zum Bewegen beliebiger Bauteile eingesetzt werden. Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Stellvorrichtung geht aus der EP 0 454 510 A1 hervor, wobei es sich um einen hydraulisch betriebenen Arbeitszylinder handelt, dessen Stellkolben zwei Arbeitsräume voneinander abteilt, die entweder mit einem Betätigungsfluid aus einem Fluidspeicher beaufschlagbar oder mit einem Tank verbindbar sind, um den Stellkolben zu verlagern.

Eine besondere Problematik bei derartigen Stellvorrichtungen stellt die exakte Positionierung des Stellglieds dar. Noch am genauesten läßt sich hierbei mit sogenannten Proportionalventilen arbeiten, die es erlauben, die in die Arbeitsräume zuzuführenden und abzuführenden Fluidströme exakt und feinfühlig einzustellen. Nachteilig sind jedoch die hohen Kosten dieser Ventiltechnik. Im Vergleich kostengünstiger sind sogenannte Schaltventile, die digital zwischen Offenstellungen und Schließstellungen umschaltbar sind und weniger Fertigungsaufwand bedürfen. Mit ihnen lassen sich zwar gröbere Positionierarbeiten mit ausreichender Genauigkeit durchführen, bei Feinpositionierungen stößt man jedoch an gewisse Grenzen, vor allem wenn der Stellkolben nur um minimale Wegstrecken verlagert werden soll.

Im Falle der EP 0 454 510 A1 kommen Schaltventile zur Positionierung des Stellgliedes zum Einsatz. Diese Schaltventile sind derart miteinander verknüpft, daß die Fluidzufuhr aus einem Fluidspeicher in einen der Arbeitsräume gleichzeitig die Fluidabfuhr aus dem anderen Arbeitsraum hervorruft, so daß sich das Stellglied verlagert. Zum Halten des Stellgliedes in einer bestimmten Position wird das Fluidvolumen beider Arbeitsräume eingesperrt. Aufgrund des trägen Schaltverhaltens der Ventile ist es aber auch hier schwierig, den Stellkolben exakt zu positionieren.

Eine ähnliche Problematik ist auch dann gegeben, wenn man wie im Falle der DE 44 22 528 A1 die Ventile mit dem Betätigungsprinzip der sogenannten Pulsweitenmodulation betreibt.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die auf einfache Weise eine präzise Feinpositionierung des Stellglieds ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 vorgesehen, daß man ein im Vergleich zum Maximalvolumen des Arbeitsraumes geringeres Speichervolumen der Fluidspeichereinrichtung abwechselnd entweder mit dem Arbeitsraum oder mit einer Druckquelle oder Drucksenke verbindet.

Ferner wird die Aufgabe mit einer Betätigungsvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 6 gelöst, bei der die Fluidspeichereinrichtung ein im Vergleich zum Maximalvolumen des Arbeitsraumes geringeres Speichervolumen aufweist und bei der zwischen das Speichervolumen und den Arbeitsraum einerseits sowie zwischen das Speichervolumen und eine Druckquelle oder eine Drucksenke andererseits eine die wahlweise Freigabe oder Absperrung der betreffenden Verbindung ermöglichende Ventileinrichtung zwischengeschaltet ist, wobei das Speichervolumen abwechselnd entweder mit dem Arbeitsraum oder mit der Druckquelle oder der Drucksenke verbindbar ist.

Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, das Stellglied einer fluidisch betriebenen Stellvorrichtung ungeachtet der in der Regel vorhandenen Reibungskräfte auch über kurze Wegstrecken sehr exakt zu positionieren. Das Wirkprinzip basiert darauf, dem betreffenden Arbeitsraum je nach gewünschter Bewegungsrichtung des Stellglieds eine gewisse Fluidmenge dosiert zuzuführen oder zu entnehmen, wobei die Luftmenge durch das Speichervolumen vorgegeben ist. Dieses Speichervolumen ist kleiner als das Maximalvolumen des zugeordneten Arbeitsraumes und dabei zweckmäßigerweise verhältnismäßig gering, wobei die Positioniergenauigkeit in der Regel zunimmt, je geringer das Speichervolumen ausgeführt ist. Durch die abwechselnde Verbindung des Speichervolumens mit entweder dem Arbeitsraum oder einer Druckquelle oder Drucksenke wird verhindert, daß der Arbeitsraum unmittelbar mit der Druckquelle oder Drucksenke verbunden und damit eine unkontrollierte Zuströmung oder Abströmung von Betätigungsfluid ermöglicht wird. Es erfolgt vielmehr durch die portionsweise Zufuhr oder Abfuhr einer gewissen Fluidmenge ein allmählicher Druckaufbau oder Druckabbau, woraus sich in kleinen Schritten eine Änderung des Differenzdruckes beidseits des Stellglieds einstellt, so daß sich das Stellglied verlagert, wenn die resultierende Differenzkraft größer ist als die Summe der am Stellglied angreifenden äußeren Kräfte und der eventuell auftretenden Reibkraft. Bei ausreichend geringem Speichervolumen läßt sich so das Stellglied überaus fein positionieren. Aus der DE 35 30 787 A1 gehen bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Betätigung einer Stellvorrichtung hervor, bei der ein konstanter Fluidstrom in eine Impulsfolge unterteilt wird, die dann unter Zwischenschaltung einer als Filter wirkenden Ventileinrichtung der Stellvorrichtung zugeleitet wird. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist dort allerdings die Verwirklichung feiner Positionierungen von der Schaltgeschwindigkeit der Ventileinrichtung abhängig. Der Gedanke eines abwechselnden Füllens und Entleerens eines Speichervolumens zum Erreichen eines dosierten Druckaufbaues oder Druckabbaues geht aus der DE 35 30 787 A1 nicht hervor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ist die zu betreibende Stellvorrichtung mit einem Stellglied versehen, das zwei Arbeitsräume voneinander abteilt, sind zweckmäßigerweise zwei Speichervolumina vorgesehen, wobei man, um das Stellglied in einer gewünschten Stellrichtung zu verlagern, das eine Speichervolumen abwechselnd mit dem einen Arbeitsraum oder der Druckquelle und das andere Speichervolumen abwechselnd mit dem anderen Arbeitsraum oder der Drucksenke verbindet. Die entsprechende Ansteuerung erfolgt vorzugsweise derart zeitlich abgestimmt, daß die beiden Speichervolumina gleichzeitig entweder mit dem jeweils zugeordneten Arbeitsraum oder mit der jeweils zugeordneten Druckquelle bzw. Drucksenke verbunden werden. Auf diese Weise läßt sich gleichzeitig im einen Arbeitsraum eine allmähliche Druckerhöhung und im anderen Arbeitsraum eine allmähliche Druckreduzierung erreichen, die letztlich zur gewünschten Druckdifferenz führt.

Das Freigeben und Absperren der Verbindung zwischen den Speichervolumina einerseits sowie den Arbeitsräumen bzw. der Druckquelle oder der Drucksenke andererseits geschieht zweckmäßigerweise unter Verwendung zwischengeschalteter Ventileinrichtungen, wobei zweckmäßigerweise in jede Verbindung eine eigene Ventileinrichtung eingeschaltet ist. Die entsprechende Ventileinrichtung kann beispielsweise von einem einfach aufgebauten 2/2-Wegeventil gebildet sein, das als Schaltventil ausgeführt ist. Besondere Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit sind dabei nicht gestellt, da die Arbeitsräume stets nur mit dem Speichervolumen verbunden werden, das über eine begrenzte Fluidmenge verfügt.

Mehrere Ventileinrichtungen können bei Bedarf auch zu einer oder mehreren Ventileinheiten zusammengefaßt werden, wobei anstelle zweier 2/2-Wegeventile beispielsweise ein 4/3-Wegeventil treten könnte.

Zweckmäßigerweise erfolgt die geschilderte Betätigung nur während einer Betriebsphase der Stellvorrichtung, bei der eine feine Positionierung des Stellglieds erforderlich ist. Während der übrigen Betriebsphasen kann eine konventionelle Betätigung erfolgen, wobei die Möglichkeit vorgesehen sein kann, zur Herbeiführung größerer Verlagerungswege des Kolbens zumindest zeitweilig eine gleichzeitige Verbindung zwischen dem Speichervolumen und dem zugeordneten Arbeitsraum sowie der zugeordneten Druckquelle oder Drucksenke vorzusehen, so daß das Betätigungsfluid ungehindert hindurchströmen kann und das Speichervolumen wirkungslos ist. Im übergangsbereich zwischen einer derartigen Betätigung und der Dosierbetätigung wäre auch eine zusätzliche Betriebsweise auf Basis der sogenannten Pulsbreitenmodulation möglich.

Je nach Art der Stellvorrichtung kann das Stellglied beispielsweise von einem linear verschiebbaren oder auch verschwenkbaren Stellkolben oder von einem Membranglied gebildet sein. Die Erfindung eignet sich ferner sowohl für sogenannte einfachwirkend als auch für sogenannte doppelt• wirkend angetriebene Stellvorrichtungen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine mögliche Bauform der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung in schematischer Darstellung,
2 eine weitere Bauvariante der Betätigungsvor richtung in ebenfalls schematischer Darstellung und
3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der beim Betreiben der Betätigungsvorrichtung aus 1 stattfindenden Verfahrensabläufe.
Aus 1 geht eine durch Fluidkraft betreibbare Stellvorrichtung 1 hervor, die ein Gehäuse 2 aufweist, in dem ein als Stellkolben ausgebildetes Stellglied 3 axial bewegbar angeordnet ist.
Das Stellglied 3 unterteilt den Innenraum des Gehäuses 2 unter Abdichtung in zwei axial aufeinanderfolgende Arbeitsräume A₁, A₂. Jeder Arbeitsraum A₁, A₂ kommuniziert mit einer Öffnung 4, 5, über die ein vorzugsweise pneumatisches Betätigungsfluid zugeführt oder abgeführt werden kann.
Durch die Zufuhr bzw. Abfuhr von Betätigungsfluid läßt sich der in den Arbeitsräumen A₁, A₂ herrschende jeweilige Arbeitsdruck P_A1 bzw. P_A2 vorgeben. Stellt sich eine ausreichend große Druckdifferenz dP ein, verlagert sich das kolbenartige Stellglied 3 in Richtung des geringeren Arbeitsdruckes, bis wieder Kräftegleichgewicht herrscht.
Die Bewegung des Stellglieds 3 ist außerhalb des Gehäuses 2 abgreifbar. Hierzu ist ein mit dem Stellglied 3 bewegungsgekoppeltes Abtriebsteil 6 vorgesehen, das beim Ausführungsbeispiel von einer am Stellglied 3 festgelegten und eine der stirnseitigen Gehäusewände durchsetzenden Kolbenstange gebildet ist. Die Stellvorrichtung 1 kann somit als fluidbetätigter Arbeitszylinder bezeichnet werden.
Die Stellvorrichtung 1 könnte auch kolbenstangenlos ausgeführt sein und beispielsweise über ein seitlich neben dem Gehäuse 2 angeordnetes Abtriebsteil verfügen, das über einen abgedichteten Längsschlitz des Gehäuses 2 hindurch oder magnetisch berührungslos mit einem Stellkolben axial bewegungsgekoppelt ist.
Das Stellglied 3 bildet eine bewegliche Wand von gleichzeitig sowohl dem ersten Arbeitsraum A₁ als auch dem zweiten Arbeitsraum A₂. Das momentane Volumen der Arbeitsräume A₁, A₂ hängt von der momentanen Axialposition des Stellglieds 3 ab. Jeder Arbeitsraum hat sein Maximalvolumen, wenn das Stellglied 3 an der von dem betreffenden Arbeitsraum abgewandten stirnseitigen Wand des Gehäuses 2 anliegt.
Die Stellvorrichtung des Ausführungsbeispiels ist ein Linearantrieb. Die Erfindung läßt sich jedoch beispielsweise auch bei Schwenk- oder Drehantrieben einsetzen, bei denen das Stellglied als eine Schwenkbewegung ausführendes Bauteil ausgebildet ist. Ferner wäre ein Einsatz bei Vorrichtungen möglich, deren Stellglied als aufgehängte verformbare Stellmembran ausgeführt ist.
Die Betätigung der Stellvorrichtung 1 erfolgt mittels einer Betätigungsvorrichtung 7. Wesentlicher Bestandteil dieser Betätigungsvorrichtung 7 ist eine Fluidspeichereinrichtung 8, die beim Ausführungsbeispiel über zwei separat voneinander ausgebildete Speichervolumina 12, 13 10 verfügt. Beide Speichervolumina 12, 13 können aber in einem gemeinsamen Fluidspeichergehäuse untergebracht sein.
Das erste Speichervolumen 12 ist über eine Leitung 14 an eine Druckquelle P angeschlossen. Das zweite Speichervolumen 13 ist über eine Leitung 14' an eine Drucksenke R angeschlossen. Die Drucksenke R kann von der Umgebung bzw. der Atmosphäre gebildet sein und Atmosphärendruck aufweisen. Die Druckquelle P liefert unter einem Betätigungsdruck stehendes Betätigungsfluid, wobei es sich bei dem Betätigungsdruck um einen Überdruck handelt, beispielsweise in der Größenordnung von 6 bis 10 bar. In die Verbindung zwischen ein jeweiliges Speichervolumen 12, 13 und die zugeordnete Druckquelle P bzw. Drucksenke R ist eine erste Ventileinrichtung V₁, V₂ zwischengeschaltet. Beide erste Ventileinrichtungen V₁, V₂ sind zweckmäßigerweise als Schaltventile in 2/2-Wegebauweise ausgeführt und werden beispielsgemäß elektromagnetisch betätigt, wobei entsprechende Elektromagneteinrichtungen bei 15 angedeutet sind. In ihrer Grundstellung, die beim Ausführungsbeispiel durch eine Federkraft 16 vorgegeben ist, nehmen die Ventileinrichtungen V₁, V₂ eine Schließstellung ein, in der sie die Verbindung zwischen dem Speichervolumen 12, 13 und der zugeordneten Druckquelle P bzw. Drucksenke R absperren. Durch Betätigung der Elektromagneteinrichtung 15 sind sie in eine Offenstellung umschaltbar, in der die Fluidver bindung zwischen der Druckquelle P bzw. der Drucksenke R und dem zugeordneten Speichervolumen 12, 13 freigegeben ist.
Anstelle der Elektromagneteinrichtung 15 könnten auch andersartige Betätigungseinrichtungen vorgesehen sein, z.B. solche piezoelektrischer Art. Auch könnten die Ventileinrichtungen insgesamt beispielsweise als Piezoventile ausgeführt sein.
Die beiden Speichervolumina 12, 13 sind darüber hinaus unter Zwischenschaltung einer weiteren Ventileinheit V₃ an jeweils einen der beiden Arbeitsräume A₁, A₂ angeschlossen. Je nach Schaltstellung der weiteren Ventileinheit V₃ ist auch hier die entsprechende Verbindung entweder freigegeben oder abgesperrt. In der in 1 gezeigten Grundstellung ist die Verbindung beider Speichervolumina 12, 13 zu den Arbeitsräumen A₁, A₂ unterbrochen, die Ventileinheit V₃ nimmt dann die Schließstellung ein, die beispielsweise durch zwei Federkräfte 17 stabilisiert sein kann.
Die Ventileinheit V₃ ist zweckmäßigerweise als Drei-Stellungs-Ventil ausgeführt und beim Ausführungsbeispiel von einem 4/3-Wegeventil gebildet. Ausgehend von der abgebildeten Schließstellung läßt es sich wahlweise in eine von zwei möglichen Offenstellungen umschalten, wobei in der ersten Offenstellung das erste Speichervolumen 12 mit dem ersten Arbeitsraum A₁ und das zweite Speichervolumen 13 mit dem zweiten Arbeitsraum A₂ verbunden ist, während in der zweiten Offenstellung das erste Speichervolumen 12 mit dem zweiten Arbeitsraum A₂ und gleichzeitig das zweite Speichervolumen 13 mit dem ersten Arbeitsraum A₁ verbunden ist. Die in den beiden Offenstellungen jeweils wirksamen Ventileinrichtungen der Ventileinheit V₃ sind in 1 schematisch durch V_3,1 und V_3,2 angedeutet. Zur Betätigung ist jeder Ventileinrichtung V_3,1 bzw. V_3,2 zweckmäßigerweise wiederum eine Elektromagneteinrichtung 15 zugeordnet.
Anstelle der Ventileinheit V₃, in der zwei zweite Ventileinrichtungen V_3,1 und V_3,2 zusammengefaßt sind, könnten auch wenigstens zwei separate Ventileinrichtungen vorgesehen sein, die vergleichbar den ersten Ventileinrichtungen V₁, V₂ aufgebaut sind und jeweils nur die Verbindung zwischen einem Speichervolumen und einem zugeordneten Arbeitsraum steuern. Um dann aber in beiden Bewegungsrichtungen des Stellglieds 3 eine Positionierung vornehmen zu können, sollten die zweiten Ventileinrichtungen paarweise vorhanden sein, so daß es möglich ist, je nach gewünschter Verlagerungsrichtung die Speichervolumina mit entweder dem einen oder dem anderen Arbeitsraum fluidisch zu verbinden. Die beim Ausführungsbeispiel vorhandene Zusammenfassung in einer als Umschaltventil arbeitenden Ventileinheit V₃ hat den Vorteil eines kompakteren Aufbaus und einer geringeren Anzahl von Ventilen.
Es ist ferner eine elektronische Steuereinrichtung 18 vorgesehen, die über strichpunktiert angedeutete elektrische oder optische Steuerleitungen 22 mit den verschiedenen Ventileinrichtungen bzw. deren Betätigungseinrichtungen wie Elektromagneteinrichtungen 15 verbunden ist und die mit einem Wegaufnehmer 23 zusammenarbeitet, der auf geeignete Weise mit dem Stellglied 3 gekoppelt ist. Der Wegaufnehmer könnte berührungslos arbeiten oder beispielsweise unter Verwendung einer Potentiometereinrichtung, die durch Widerstandsänderung Rückschlüsse auf die aktuelle Ist-Position des Stellglieds 3 ermöglicht.
Über die Steuereinrichtung 18 kann nun eine gewünschte Soll-Position des Stellglieds 3 vorgegeben werden, in die sich das Stellglied 3 ausgehend von der Ist-Position verlagert, wobei die Positionierung über die entsprechend angesteuerte Betätigungsvorrichtung 7 erfolgt. Das dabei zugrundeliegende Arbeitsprinzip sieht vor, daß man die beiden Speichervolumina 12, 13 abwechselnd entweder mit einem der Arbeitsräume A₁, A₂ oder mit der zugeordneten Druckquelle P bzw. Drucksenke R verbindet und dadurch dem einen Arbeitsraum dosierte Mengen von Betätigungsfluid zuführt und gleichzeitig aus dem anderen Arbeitsraum dosierte Mengen von Betätigungsfluid abführt, bis sich zwischen den beiden Arbeitsräumen A₁, A₂ eine Druckdifferenz dP einstellt, die ausreichend hohe Differenzkräfte hervorruft, um das Stellglied 3 ein Stück weit zu verlagern. Da man sich bei dieser taktweisen Dosierung ganz allmählich an diejenige Druckdifferenz herantastet, die ausreicht, um das Stellglied zu verlagern, wird die Entstehung einer zu großen Druckdifferenz vermieden, und man ist in der Lage, minimalste Bewegung des Stellglieds zu erzeugen, um eine zielgenaue Positionierung auch bei kleinen Wegstrecken des Stellglieds 3 zu erhalten. Das Grundproblem bei Positionierungen über kurze Wegstrecken besteht speziell bei Stellkolben darin, daß zunächst die höhere Haftreibung überwunden werden muß, um den Stellkolben in Bewegung zu setzen, und daß dann bei konventioneller Ansteuerung in aller Regel eine zu hohe Druckdifferenz anliegt, die dazu führt, daß der Stellkolben über das gewünschte Ziel hinausbewegt wird. Mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung kann dieser Problematik wirksam entgegengewirkt werden.
Nachfolgend sei unter Bezugnahme auf die 3 der Betriebsablauf der Betätigungsvorrichtung 7 geschildert, der sich abspielt, wenn das Stellglied 3 ausgehend von der gezeigten Ist-Position 24 in einer durch Pfeil angedeuteten axialen Stellrichtung 25 in eine strichpunktiert angedeutete Soll-Position 26 verlagert wird. Den Betrachtungen liegt dabei ein Zustand bei zunächst noch stillstehendem Stellglied 3 zugrunde.
In dem Diagramm der 3 sind jeweils in Abhängigkeit von der Zeit t die Schaltzustände der ersten Ventil einrichtungen V₁, V₂, die in den Speichervolumina 12, 13 herrschenden Speicherdrücke P₁, P₂, der Schaltzustand der Ventileinrichtung V_3,1 (Bestandteil der Ventileinheit V₃) und der Differenzdruck dP in den Arbeitsräumen A₁, A₂ aufgetragen.
Zunächst sei angenommen, daß in den beiden Arbeitsräumen A₁, A₂ Anfangsdrücke herrschen, die am Stellglied 3 ein Kräftegleichgewicht bewirken, so daß der Stellglied 3 in der Ist-Position 24 verharrt. Die Ventileinrichtungen V₁, V₂ und die Ventileinheit V₃ befinden sich dabei in der Schließstellung.
Nun wird die Ventileinrichtung V₁ geöffnet, was in 3 durch einen ersten Rechteckimpuls 27 angedeutet ist. Das zu den Arbeitsräumen A₁, A₂ weiterhin abgesperrte erste Speichervolumen 12 wird dabei mit Betätigungsfluid aus der Druckquelle P gefüllt, wobei der Speicherdruck P₁ ansteigt (Anstiegsflanke 28 in 3), bis er dem anliegenden Betätigungsdruck entspricht. Anschließend wird die Ventileinrichtung V₁ wieder in die Schließstellung umgeschaltet, so daß die im ersten Speichervolumen 12 befindliche Fluidmenge eingeschlossen ist. Nun wird die Ventileinheit V₃ betätigt, so daß sie in die erste Offenstellung umschaltet, in der die Ventileinrichtung V_3,1 wirksam ist. Das erste Speichervolumen 12 wird hierdurch fluidisch mit dem ersten Arbeitsraum A₁ verbunden, so daß Betätigungsfluid aus dem ersten Speichervolumen 12 in den ersten Arbeitsraum A₁ überströmt, wobei der Arbeitsdruck P_A1 ansteigt und der Speicherdruck P₁ gemäß Absenkungsflanke 32 aus 3 absinkt, bis Druckausgleich vorliegt. Nun wird die Ventileinheit V₃ bzw. die zugeordnete Ventileinrichtung V_3,1 wieder in die Schließstellung zurückgeschaltet. Im ersten Arbeitsraum A₁ herrscht nun ein Arbeitsdruck P_A1, der dem Druckniveau des Speicherdruckes P₁ im ersten Speichervolumen 12 entspricht, das in 3 bei 33 angedeutet ist.
Die Betätigung der beiden Ventileinrichtungen V₁, V₂ erfolgt zweckmäßigerweise stets gleichzeitig, so daß sich bei in Offenstellung befindlicher Ventileinrichtung V₁ auch die andere erste Ventileinrichtung V₂ in Offenstellung befindet. Dabei wird das zweite Speichervolumen 13 an die Drucksenke R entlastet bzw. entlüftet, so daß in dem zweiten Speichervolumen 13 Umgebungsdruck herrscht. Das erste Öffnungsintervall der Ventileinrichtung V₂ ist in 3 durch einen Rechteckimpuls 27' angedeutet.
Bei in die Offenstellung umgeschalteter Ventileinheit V₃ wird gleichzeitig zur Verbindung zwischen dem ersten Speichervolumen 12 und dem ersten Arbeitsraum A₁ eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Speichervolumen 13 und dem zweiten Arbeitsraum A₂ hergestellt. Die Verbindung des zweiten Speichervolumens 13 zur Drucksenke R ist dabei abgesperrt. Dies hat zur Folge, daß zwischen dem zweiten Arbeitsraum A₂ und dem zweiten Speichervolumen 13 ebenfalls ein Druckausgleich stattfindet, wobei Betätigungsfluid aus dem einen höheren Arbeitsdruck P_A2 aufweisenden zweiten Arbeitsraum A₂ in das zweite Speichervolumen 13 überströmt. Der Speicherdruck P₂ steigt dabei entsprechend der Anstiegsflanke 34 gemäß 3 auf ein Druckniveau 33' an, das mit dem im zweiten Arbeitsraum A₂ verbleibenden Arbeitsdruck P_A2 identisch ist.
Das Öffnungsintervall der Ventileinheit V₃ bzw. der zugehörigen Ventileinrichtung V_3,1 ist in 3 bei 35 angedeutet.
Während also im Laufe des geschilderten Betätigungszyklus' der Druck im ersten Arbeitsraum A₁ geringfügig erhöht wird, wird der Druck im zweiten Arbeitsraum A₂ gleichzeitig geringfügig abgesenkt. Daraus resultiert ein erster Anstieg des Differenzdruckes dP zwischen den beiden Arbeitsdrücken P_A1 und P_A2, was in 3 durch eine Anstiegsflanke 36 verdeutlicht wird.
Bei geschlossener Ventileinheit V₃ werden anschließend erneut die beiden Ventileinrichtungen V₁, V₂ in die Offenstellung umgeschaltet, so daß die beiden Speichervolumen 12, 13 neuerlich gefüllt bzw. entlüftet werden. Nach dem anschließenden Schließen der beiden Ventileinrichtungen V₁, V₂ wird die Ventileinheit V₃ aus der zuvor noch eingenommenen Schließstellung erneut in die erste Offenstellung umgeschaltet, so daß sich die vorstehend beschriebene Verfahrensweise wiederholt. Bei diesem zweiten Betätigungszyklus ergibt sich im Stellglied 3 ein weiterer Anstieg des ersten Arbeitsdruckes P_A1 bei gleichzeitiger weiterer Absenkung des zweiten Arbeitsdruckes P_A2, wobei die sich einstellenden Druckniveaus mit den in den Speichervolumina 12, 13 herrschenden übereinstimmen und in 3 bei 37, 37' angedeutet sind. Als Resultat verbleibt dementsprechend ein zweiter Anstieg des Differenzdruckes dP, was in 3 durch die Anstiegsflanke 38 verdeutlicht ist.
Die geschilderten Betätigungszyklen werden dann so oft wiederholt, bis sich zwischen den beiden Arbeitsräumen A₁, A₂ die gewünschte Druckdifferenz dP eingestellt hat, die für eine geringfügige Verlagerung des Stellglieds 3 in Stellrichtung 25 sorgt.
Soll das Stellglied 3 in entgegengesetzter Stellrichtung 25' verlagert werden, finden die gleichen Betriebsabläufe wie vorstehend geschildert statt, jedoch mit dem Unterschied, daß die Ventileinheit V₃ nicht in die erste Offenstellung, sondern in die zweite Offenstellung umgeschaltet wird, so daß in dieser zweiten Offenstellung die Ventileinrichtung V_3,2 aktiv ist. Dies führt dann dazu, daß in den einzelnen Betätigungszyklen im ersten Arbeitsraum A₁ ein Druckabbau und im zweiten Arbeitsraum A₂ ein Druckaufbau stattfindet.
Um die geschilderte Betriebsweise zu gewährleisten, sollte ein jeweiliges Speichervolumen volumenmäßig geringer sein als das Maximalvolumen des zeitweise mit ihm kommunizierenden Arbeitsraumes. Zweckmäßigerweise wird das Speichervolumen erheblich kleiner gewählt, wobei man sich größenmäßig an der auszuführenden Positionieraufgabe orientiert. Die Speichervolumina werden zweckmäßigerweise um so kleiner gewählt, je feiner das Stellglied 3 positioniert werden soll. Die Größe der Speichervolumina beeinflußt die Druckerhöhungsschritte und die Druckabsenkungsschritte in den Arbeitsräumen pro Betätigungszyklus.
Prinzipiell wäre es auch möglich, nur einem Arbeitsraum ein Speichervolumen zuzuordnen und durch getaktete dosierte Druckerhöhung oder Druckerniedrigung eine Verlagerung des Stellglieds herbeizuführen. Im übrigen könnten die Speichervolumina auch von Druckmittelkanälen bzw. Druckmittelleitungen geeigneten Querschnittes und geeigneter Länge gebildet sein.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen der 1 lediglich durch eine Umkehrung der Anordnung der Ventileinheit V₃ und der beiden Ventileinrichtungen V₁ und V₂. Im übrigen sind übereinstimmende Bauteile in 2 mit identischen Bezugszeichen versehen.
So ist jedes Speichervolumen 12, 13 fest an einen der beiden Arbeitsräume A₁, A₂ angeschlossen, und in die jeweilige Verbindung ist eine der Ventileinrichtungen V₁, V₂ zwischengeschaltet. Die Ventileinheit V₃ befindet sich nun in der Verbindung zwischen den Speichervolumina 12, 13 und der Druckquelle P bzw. der Drucksenke R. In den beiden Offenstellungen der Ventileinheit V₃ wird jeweils das eine Speichervolumen mit der Druckquelle P und gleichzeitig das andere Speichervolumen mit der Drucksenke R verbunden. Die Verbindung zwischen den Speichervolumina 12, 13 und den zugeordneten Arbeitsräumen A₁, A₂ wird über die separaten Ventileinrichtungen V₁, V₂ getrennt gesteuert. Es versteht sich allerdings, daß in dieser Ausführungsform wie auch im Falle der Ausführungsform gemäß 1 die beiden Ventileinrichtungen V₁, V₂ auch gemeinsamer Bestandteil einer Ventileinheit sein können. Auch wäre es möglich, anstelle der beiden Speichervolumina 12, 13 gemeinsam zugeordneten Ventileinheit V₃ zwei Paare von 2/2-Wegeventilen zuzuordnen, die unabhängig voneinander betätigbar sind und jeweils entweder eine Verbindung zur Druckquelle P oder zur Drucksenke R ermöglichen. Die Vereinigung mehrerer Ventilfunktionen in einer umfassenderen Ventileinheit ermöglicht allerdings kompaktere Bauformen.
Zweckmäßigerweise ermöglicht die Betätigungsvorrichtung auch noch weitere Betriebsweisen als die geschilderte. Die Anordnung wird vorzugsweise so getroffen, daß das geschilderte Betätigungsverfahren stets dann zur Anwendung gelangt, wenn es darum geht, geringe Druckdifferenzen einzustellen, um feine Positionieraufgaben zu bewältigen. Darüber hinaus ist es aber ohne weiteres möglich, zur Herbeiführung größerer Verlagerungswege des Stellglieds zumindest zeitweilig eine gleichzeitige Verbindung zwischen den Speichervolumina 12, 13 sowie dem zugeordneten Arbeitsraum und der zugeordneten Druckquelle bzw. Drucksenke vorzunehmen. Hierzu bedarf es lediglich einer Ansteuerung der Ventileinrichtungen V₁, V₂ und der Ventileinheit V₃ derart, daß eine durchgängige Verbindung von der Druckquelle P bzw. der Drucksenke R zum zugeordneten Arbeitsraum A₁, A₂ vorliegt. Auf diese Weise lassen sich rasch große Druckdifferenzen einstellen, um große Hübe des Stellglieds 3 zu verwirklichen. Die "Dosierschaltung" ist dabei praktisch wirkungslos gemacht. Die Druckdifferenz dP wird dadurch eingestellt, daß man die Ventileinheit V₃ in eine der beiden Offenstellungen bringt und anschließend die Ventileinrichtungen V₁, V₂ in gewünschter Weise schaltet.
Um eine eher mittelgroße Druckdifferenz dP einzustellen, ist darüber hinaus eine Ansteuerung nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation möglich. Hierbei wird wiederum die Ventileinheit V₃ entsprechend der gewünschten Stellrichtung 25, 25' in die erste oder zweite Offenstellung verbracht und belassen und anschließend der Aufbau der erforderlichen Druckdifferenz durch pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Ventileinrichtungen V₁, V₂ hervorgerufen.
Mit dem erfindungsgemäßen Betätigungsverfahren sind im Vergleich dazu noch erheblich geringere Druckdifferenzen einstellbar, was nicht nur die Feinpositionierung großer Stellvorrichtungen, sondern auch eine exakte Positionierung kleinbauender Stellvorrichtungen ermöglicht, bei denen die zu steuernden Fluidströme entsprechend klein sind.

Claims

Verfahren zur Betätigung einer fluidisch betriebenen Stellvorrichtung (1), die ein Stellglied (3) aufweist, das eine bewegliche Wand wenigstens eines Arbeitsraumes (A₁, A₂) bildet, wobei zur Herbeiführung einer Bewegung des Stellglieds (3) Betätigungsfluid aus einer Fluidspeichereinrichtung (8) in den Arbeitsraum (A₁, A₂) eingespeist oder Betätigungsfluid aus dem Arbeitsraum (A₁, A₂) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man ein im Vergleich zum Maximalvolumen des Arbeitsraumes (A₁, A₂) geringeres Speichervolumen (12, 13) der Fluidspeichereinrichtung (8) abwechselnd entweder mit dem Arbeitsraum (A₁, A₂) oder mit einer Druckquelle (P) oder Drucksenke (R) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einem zwei Arbeitsräume (A₁, A₂) voneinander abteilenden Stellglied (3) zwei Speichervolumina (12, 13) vorsieht, wobei man zur Verlagerung des Stellglieds in einer Stellrichtung (25; 25') das eine Speichervolumen (12) abwech selnd mit dem einen Arbeitsraum (A₁) oder mit einer Druckquelle (P) und das andere Speichervolumen (13) abwechselnd mit dem anderen Arbeitsraum (A₂) oder der Drucksenke (R) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die beiden Speichervolumina (12, 13) zeitlich abgestimmt mit dem jeweils zugeordneten Arbeitsraum (A₁, A₂) sowie der Druckquelle (P) bzw. der Drucksenke (R) verbindet, so daß eine gleichzeitige Verbindung entweder zu den Arbeitsräumen (A₁, A₂) oder zur Druckquelle (P) bzw. zur Drucksenke (R) vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herbeiführung größerer Verlagerungswege des Stellglieds (3) zumindest zeitweilig eine gleichzeitige Verbindung zwischen dem Speichervolumen (12, 13) und dem zugeordneten Arbeitsraum (A₁, A₂) sowie der zugeordneten Druckquelle (P) oder Drucksenke (R) vorsieht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man eine pulsierende gleichzeitige Verbindung vorsieht.
Betätigungsvorrichtung für eine fluidisch betriebene Stellvorrichtung (1), die ein Stellglied (3) aufweist, das eine bewegliche Wand wenigstens eines Arbeitsraumes (A₁, A₂) bildet, wobei zur Herbeiführung einer Bewegung des Stellglieds (3) Betätigungsfluid aus einer Fluidspeichereinrichtung (8) in den Arbeitsraum (A₁, A₂) einspeisbar oder Betätigungsfluid aus dem Arbeitsraum (A₁, A₂) abführbar ist, da durch gekennzeichnet, daß die Fluidspeichereinrichtung (8) ein im Vergleich zum Maximalvolumen des Arbeitsraumes (A₁, A₂) geringeres Speichervolumen (12, 13) aufweist, und daß zwischen das Speichervolumen (12, 13) und den Arbeitsraum (A₁, A₂) einerseits sowie zwischen das Speichervolumen (12, 13) und eine Druckquelle (P) oder eine Drucksenke (R) andererseits eine die wahlweise Freigabe oder Absperrung der betreffenden Verbindung ermöglichende Ventileinrichtung (V₁, V₂, V_3,1, V_3,2) zwischengeschaltet ist, wobei das Speichervolumen (12, 13) abwechselnd entweder mit dem Arbeitsraum (A₁, A₂) oder mit der Druckquelle (P) oder der Drucksenke (R) verbindbar ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Stellvorrichtung (1), bei der das Stellglied (3) zwei Arbeitsräume (A₁, A₂) voneinander abteilt, zwei Speichervolumina (12, 13) vorgesehen sind, die jeweils einerseits mit einem der Arbeitsräume (A₁, A₂) und andererseits mit der Druckquelle (P) oder der Drucksenke (R) verbindbar sind.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtungen zur Verlagerung des Stellglieds (3) in einer Stellrichtung (25, 25') derart betätigbar sind, daß das eine Speichervolumen (12) abwechselnd mit dem einen Arbeitsraum (A₁) oder der Druckquelle (P) und das andere Speichervolumen (13) abwechselnd mit dem anderen Arbeitsraum (A₂) oder der Drucksenke (R) in Verbindung steht.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen die Speichervolumina (12, 13) und die Druckquelle (P) oder Drucksenke (R) zwischengeschalteten ersten Ventileinrichtungen (V₁, V₂) und/oder die zwischen die Speichervolumina (12, 13) und die Arbeitsräume (A₁, A₂) zwischengeschalteten zweiten Ventileinrichtungen (V_3,1; V_3,2) Bestandteil einer Ventileinheit (V₃) sind.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ventileinheit (V₃) so ausgebildet ist, daß in Abhängigkeit von der gewählten Schaltstellung stets ein gleichzeitiges Freigeben oder Absperren der zugeordneten Verbindung erfolgt, wobei die Ventileinheit insbesondere als 4/3-Wegeventileinheit ausgebildet ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ventileinrichtungen (V₁, V₂) von 2/2-Wegeventilen gebildet sind.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine elektronische Steuereinrichtung (18) zur Ansteuerung der Ventileinrichtungen in Abhängigkeit von der Ist-Position und einer gewünschten Soll-Position des Stellkolbens.