DE19955270A1 - System zur Überwachung von Hydraulikzylindern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Überwachung der Arbeitsfunktionen von Hydraulikzylindern, die in Arbeitszylinder und Stellzylinder unterteilt sind und die Arbeitszylinder von den Stellzylindern angesteuert werden. Dem Stellzylinder sind Sensoren (4, 5) zugeordnet, die einmal die Position des Stellzylinderkolbens und zum anderen den Weg der Kolbenstange überwachen. Die Signale dieser Sensoren werden einer Auswerteeinheit (6) zugeführt, in der ein Soll-Istwert-Vergleich stattfindet. Ferner wird über einen Sensor (3) der Druck in der Verbindungsleitung zwischen Stellzylinder und Arbeitszylinder gemessen und als Messgröße der Auswerteeinheit zugeführt. Der Auswerteeinheit ist eine Steuereinheit zugeordnet, mittels derer Eingriffe in den jeweiligen Arbeitsablauf vornehmbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Überwachung der Arbeitsfunktionen von Hydraulikzylindern, bei denen die Arbeitszylinder von Stellzylindern angesteuert werden.

Hydraulikzylinder werden vielfach eingesetzt, so auch in der Spanntechnik. Ihr Einsatz wird stark von den örtlichen Gegebenheiten beeinflußt. Somit ergeben sich oft schwierige Einsatzbedingungen, durch die auch der Zugang zu den Hydraulikzylindern erschwert ist. Gerade diese Bedingungen, wie Feuchtigkeit, Chemikalien, elektrische und magnetische Störfelder, Vibrationen, Erschütterungen usw. erfordern eine exakte Überwachung der Funktionsabläufe aller Hydraulikzylinder.

Es ist bekannt, an den unzugänglichsten Stellen Hydraulikzylinder einzusetzen, die mit einer eigenen Pumpe zur Erzeugung des Arbeitsdruckes versehen sind. Im Falle eines Absinkens des Flüssigkeitsdruckes würde die Pumpe verstärkt weiter arbeiten, was bedeutet, daß sich Leckagen am Ort nicht immer feststellen lassen. Die Folge davon ist eine mangelnde Spannkraft. Es ist zwar bekannt die Stellung des Zylinderkolbens zu überwachen, damit ist aber noch keine Aussage über den Druckaufbau und die Haltekraft der Kolbenstange eindeutig gegeben. Auch die bekannten Widerstands- und Ultraschallmeßeinrichtungen geben nicht exakt die tatsächlichen Verhältnisse am Ort wieder.

Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, den Flüssigkeitsdruck in der Hydraulik und das Flüssigkeitsvolumen gleichzeitig zu überwachen unter Berücksichtigung der Temperatureinflüsse in Abhängigkeit der Kolbenhübe und Wege.

Die Lösung der Aufgabe ist den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche zu entnehmen.

Die Erfindung ist in den Zeichnungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Zusammenwirken von Stellzylinder und Arbeitszylinder

Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken mehrerer Hydraulikzylinder

Fig. 3 zeigt eine Weg- und Positionserfassung

Fig. 4 zeigt eine Hydraulikeinspeisung

In Fig. 1 ist der Arbeitszylinder 1 dargestellt. Dieser ist mir einem Druckraum 11 zum Spannen und mit einen Druckraum 12 zum Entspannen versehen. In dem Zylinder gleitet der Kolben 10 mit seiner Kolbenstange 13. Der Stellzylinder 2 besitzt die Druckräume 21 u. 22, in denen der Kolben 20 mit der Kolbenstange 23 gleitend geführt ist. An der Wandung des Zylinders 2 sind die Positionssensoren 4 angeordnet, zwischen denen die Kolbenposition des Kolben 20 ermittelt wird. Diese Messgröße wird von den Sensoren 4 an die Auswerteeinheit 6, die mit einer Steuereinheit versehen ist, weiter geleitet. Darüber hinaus ist der Weg, den die Kolbenstange 23 zurücklegt, erfaßbar, und zwar vom Sensor 5, der dieser Kolbenstange zugeordnet ist. Dieser am Sensor 5 ermittelte Wert ist ebenfalls der Auswerteeinheit 6 zuführbar, so daß in dieser Auswerteeinheit über die Sensoren 4 eine Positionserfassung und/oder über den Sensor 5 eine Wegmessung ansteht. Der vom Sensor 5 erfaßte Weg ist damit umgekehrt proportional dem Weg, den die Kolbenstange 13 im Arbeitszylinder 1 zurücklegt. Durch die Überwachung von Weg und Position des Stellzylinderkolbens durch die Sensoren 4 u. 5 wird gleichzeitig das Hydraulikvolumen im System erfaßt, so daß jede Volumenänderung erkennbar und erfaßbar ist. Es wird Fälle geben, in denen nur die Positionserfassung oder die Wegmessung in die Überwachung einbezogen sind.

Die Sensoren 4 erfassen die jeweilige Position des Kolben 20 und sind so eingestellt, daß sie nur einen vorgegebenen Hub zulassen und bei jeder Abweichung davon ein Störsignal melden. Dieses wäre auch dann gegeben, wenn im Arbeitszylinder ein zu hoher Hydraulikbedarf entsteht. Die Druckkammer 21 des Stellzylinders 2 und die Druckkammer 11 des Arbeitszylinders 1 sind durch die Hydraulikleitung 7 verbunden. In dieser Hydraulikleitung 7 ist ein Drucksensor 3 angeordnet, der den Druck in dieser Hydraulikleitung mißt. Seine Werte gehen ebenfalls in die Auswerteeinheit 6 ein. Damit lassen sich der Hydraulikdruck und der Kolbenhub im Stellzylinder gleichzeitig erfassen. Durch die zusätzliche Überwachung der Hydraulikleitung 7 durch den Drucksensor 3 lassen sich Fehler leicht orten und dem jeweiligen Zylinder zuordnen. Darüber hinaus kann der Verbindungsleitung 7 ein Temperatursensor 14 zugeordnet werden, so daß die Temperaturschwankungen in der Hydraulik erkennbar und erfaßbar sind. Zur Sicherstellung eines einwandfreien Arbeitsablaufes ist das Zylindervolumen im Stellzylinder 2 grösser als das Zylindervolumen im Arbeitszylinder 1. Damit soll einmal eine ev. im System vorhandenen Elastizität, z. B. bedingt durch ein Nachgeben des Werkstückes, ausgeglichen werden und zum anderen sicher gestellt sein, daß der Arbeitszylinder immer in seine vorgegebene Stellung fahrbar ist.

Zur Betätigung des Arbeitszylinders 1 wird über die Hydraulikzuleitung 9 Druck im Druckraum 22 des Stellzylinders 2 aufgebaut. Der Kolben 20 fährt nach unten und drückt die Hydraulikflüssigkeit aus dem Druckraum 21 über die Hydraulikleitung 7 in den Druckraum 11 des Arbeitszylinders 2. Damit fährt der Kolben 10 nach oben und die Kolbenstange 13 wird gegen das Werkstück oder Werkzeug geführt und setzt dieses fest. Die in dem Druckraum 12 vorhandene Hydraulikflüssigkeit wird ventilgesteuert über die Hydraulikleitung 8 abgeführt.

Tritt im Arbeitszylinder 1 irgend ein Fehler ein, z. B. eine Leckage, so baut sich der geforderte Druck am Werkstück nicht auf. Die Folge davon ist, daß der Druck im Stellzylinder 2 erhöht wird, also mehr Hydraulik in den Druckraum 22 gelangt. Das bedeutet, daß der Kolben 20 weiter nach unten gedrückt wird und damit an dem Sensor 4 und/oder dem Sensor 5 den eingestellten Wert überschreitet. Der Sensor 4 und/oder Sensor 5 gibt dann eine Fehlermeldung an die Auswerteeinheit, womit über deren Steuereinheit Sofortmaßnahmen getroffen werden. Unabhängig davon wird mittels des Drucksensors 3 ständig der Druck in der Hydraulikleitung 7 gemessen. Damit werden nicht nur Fehler in dieser Leitung festgestellt, sondern jedweder Druckabfall im System.

Die Überwachungsfunktion kann auf mehrere Arbeitszylinder und Stellzylinder erweitert werden. Dieses zeigt Fig. 2

Die Arbeitszylinder 1 und 1a werden von dem Stellzylinder 2 über Hydraulikleitung 7 in ihre Arbeitsteilung gefahren. Für das Rückfahren der Arbeitszylinder in ihre Grundstellung dient ein weiterer Stellzylinder 2a. Beide Stellzylinder sind mit Sensoren 4 bzw. 5 bestückt, die auf eine gemeinsame Auswerteeinheit 6 arbeiten. Damit wird nicht nur der Hydraulikzufluss sondern auch der Hydraulikabfluss und darüber hinaus der Spann- und Entspannvorgang überwacht. In der Hydraulikzuleitung 7 ist neben dem Drucksensor 3 ein weiterer Sensor 14 vorgesehen, der die Temperatur in dieser Leitung überwacht und entsprechende Signale an die Auswerteeinheit gibt. Temperatur bedingte Schwankungen in der Hydraulik, die zu Volumensänderungen führen lassen sich damit erfassen. Der Temperatursensor 14 kann im Bedarfs fall auch in der Leitung 8 installiert sein.

Die Wirkungsweise gem. Fig. 2 ist folgende:
Zur Einleitung des Spannvorganges wird im Stellzylinder 2 in Kammer 22 ein Druck aufgebaut, durch den der Kolben 20 nach unten in die gezeigte Stellung gefahren wird. Die in Kammer 21 anstehende Hydraulik ist über Hydraulikleitung 7 in die Kammern 11 der Arbeitszylinder 1 u. 1a gedrückt worden. Beide Arbeitszylinder sind somit in die gezeigte Stellung gefahren. Der Stellzylinder 2 ist dementsprechend so ausgelegt und in seinem Zylindervolumen so bemessen, daß er zumindest ein Hydraulikvolumen umfaßt, das dem Hydraulikbedarf der angeschlossenen Arbeitszylinder entspricht. Über den ganzen Spannvorgang sind Kolbenweg und Kolbenstellung im Stellzylinder erfaßt worden, so daß jede Abweichung vom Sollwert sofort erkennbar ist. Gleichzeitig werden der Druck und die Temperatur in der Hydraulikleitung 7 und gegebenenfalls in der Hydraulikleitung 8 gemessen und ihre Werte festgehalten. In der Auswerteeinheit 6 findet somit im Prinzip ein Soll- Istwert- Vergleich aller eingegeben Werte statt.

Werden die Arbeitszylinder 1 u. 1a zurückgestellt, so wird im Stellzylinder 2a die Kammer 22 mit Druck beaufschlagt. Damit wird der Kolben 20 im Stellzylinder 2a nach unten gefahren und die Hydraulik aus Kammer 21 in die Kammern 12 der Arbeitszylinder 1 u. 1a über Leitung 8 gedrückt, so daß die Kolben 10 der Arbeitszylinder nach unten fahren. Die Hydraulik in den Kammern 11 der Arbeitszylinder wird hierbei zurück in die Kammer 21 des Stellzylinders 2 gefördert. Die Überwachung der Druckkammern in den Arbeits- und Stellzylindern findet somit sowohl während des Spannvorganges als auch beim Entspannvorgang statt. Damit ist sicher gestellt, daß alle Fehler erkannt und erfaßt werden.

Das gezeigte Beispiel ist von zwei Arbeitszylindern ausgegangen, selbstverständlich können mehrere Arbeitszylinder an die Stellzylinder angeschlossen werden. Dieses bedingt lediglich eine entsprechende Auslegung der Stellzylinder an die benötigen Volumen in den Arbeitszylindern.

Die Sensoren 4 können auf verschiedenen Arten ihre Aufgaben erfüllen, jedes bekannte Mess-System zur Erfassung von Stellungen und Wegen ist anwendbar. Für die Stellzylinder hat sich ein System bewährt, das sowohl den Weg als auch die Position gleichzeitig erfasst. Dieses ist in Fig. 3 gezeigt.

Die Kolbenstange 23 des Stellzylinder 2 ist durch den Kolben 20 und auch durch den Zylinderboden hindurchgeführt. Der untere Teil der Kolbenstange ist als Tauchkern 17 ausgebildet. Unmittelbar an den Kolbenboden schließt sich eine Tauchspule 16 an, in die der Tauchkern 17 hineintaucht. Damit wird die Kolbenstellung des Kolben 20 und der von ihm zurückgelegte Weg erfaßt. Diese Werte gehen dann in die Auswerteeinheit 6 ein.

Das Hydraulikvolumen unterliegt in der Regel gewissen Schwankungen. Diese sind bedingt durch Temperatureinflüsse, durch gewisse Elastizitäten während des Spannvorganges oder durch kleine Leckagen usw. Das Hydraulikvolumen in den Kammern der Arbeits- und Stellzylinder einschließlich der Verbindungsleitungen soll aber weitestgehend const. gehalten werden. Das bedeutet, daß Verluste ausgeglichen werden müssen. Dieses ist in Fig. 4 gezeigt.

Die Leitungen 7 und 8 sind über ein Schaltventil 18 verbunden. Dieses Schaltventil 18 ist einmal von der Auswerteeinheit 6 in Abhängigkeit der gemessenen Werte ansteuerbar, und zwar immer dann wenn der Entspannvorgang eingeleitet ist und zum anderen direkt von der Steuereinheit der Auswerteeinheit beeinflußbar. Wird über Leitung 8 die Druckkammer 12 beaufschlagt, fährt der Kolben 10 nach unten und drückt die Hydraulik über Leitung 7 in die Kammer 21 des Stellzylinders 2. Der Kolben 20 des Stellzylinders fährt hoch. Wird hierbei ein Volumenabfall im System registriert, so geht ein Steuersignal von der Auswerteeinheit 6 an das Schaltventil 18, dieses öffnet und aus Leitung 8 wird Hydraulik in die Leitung 7 geleitet. Damit infolge eines Druckanstieges keine Rückwirkung auf den Kolben 10 entsteht ist dem Schaltventil 18 ein Druckregelventil 19 zugeordnet. Diese Druckregelventil sorgt da für, daß nur soviel Hydraulik in den Regelkreislauf gelangt, wie erforderlich um den Kolben 20 des Stellzylinders 2 in die korrekte Ausgangsstellung zu bringen. Um auch kleinen Leckagen entgegen zu wirken, kann das Schaltventil 18 in Intervallen oder durch Steuerbefehle betätigt werden.

Claims (5)

1. System zur Überwachung der Arbeitsfunktionen von Hydraulikzylindern, bei denen die Arbeitszylinder von den Stellzylindern betätigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit (6) vorgesehen ist, der Messwerte von Sensoren (3, 4, 5, 14)) zugeführt werden, die im Stellzylinder (2) die Position des Zylinderkolbens (20) und/oder den Weg der Kolbenstange (23) erfassen und die den Druck der Hydraulik und gegebenenfalls die Temperatur in der Hydraulikleitung, die den Stellzylinder mit dem Arbeitszylinder (1) verbindet, messen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Stellzylinder (2) die Positionssensoren (4) zugeordnet sind, die die Position des Stellzylinderkolbens (20) erfassen und bei Abweichung von vorgegebenen Werten Signale an die Auswerteeinheit (6) liefern, daß der Kolbenstange (23) des Stellzylinders (2) ein Wegmeßsensor (5) zugeordnet ist, der den von der Kolbenstange zurückgelegten Weg erfaßt und diese Werte an die Auswerteeinheit (6) führt, daß in der Hydraulikleitung (7), die den Stellzylinder (2) mit dem Arbeitszylinder (1) verbindet, ein Drucksensor (3) zur Überwachung des Hydraulikdruckes vorgesehen ist, dem ein Temperatursensor (14) zuschaltbar ist, deren Werte der Auswerteeinheit zuge führt sind und daß in der Auswerteeinheit (6), die von diesen Sensoren erfaßten Werte im Ist-Sollwert-Vergleich verarbeitet werden und daß abhängig davon über eine der Auswerteeinheit zugeordnete Steuereinheit Eingriffe in den jeweiligen Arbeitsvorgang vornehmbar sind.

3. System nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Positionserfassung des Zylinderkolbens (20) und zur Wegmessung der Kolbenstange (23) ein Messfühler vorgesehen ist, der aus einer dem Stellzylinder (2) zugeordneten Tauchspule (16) besteht und aus einem Tauchkern (17), der als Teil der Kolbenstange (23) ausgebildet ist und daß die Eintauchtiefe des Tauchkerns in die Tauchspule als Messwert der Auswerteeinheit zu führbar ist.

4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Druckleitungen (7, 8) ein Schaltventil (18) angeordnet ist, das von der Steuereinheit der Auswerteeinheit (6) ansteuerbar ist.

5. System nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylindervolumen des Stellzylinders (2) größer als das Zylindervolumen des Arbeitszylinders (1) ist und daß bei mehreren Arbeitszylindern das Volumen im Stellzylinder zumindest dem Volumen aller angeschlossenen Arbeitszylinder entspricht.