DE2757612C3 - Druckmittelbetriebener digitaler Positionierantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen druckmittelbetriebenen digitalen Positionierantrieb gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch die Zeitschrift »ölhydraulik und Pneumatik-Report«, 1975, Seite 62, ist ein gattungsgemäßer elektrohydraulischer Linearverstärker bekanntgeworden, dessen Nachlaufverstärker mittels eines elektrischen Schrittmotors gesteuert bzw. geregelt wird. Diese Ausführungsform ist jedoch in allen Fällen, in denen hohe Genauigkeits- und Geschwindigkeitsanforderungen gestellt werden, nicht verwendbar, denn die verwendeten elektrischen Schrittmotoren weisen eine verhältnismäßig geringere Leistung auf. Hier muß nach jedem Schritt wieder beschleunigt werden und somit erreichen elektrische Schrittmotoren mit nachgeschalteter Masse eine geringe Start/Stop-Folge. Das Schieberventil ist als axial angeordnetes Kolbenschieberventil ausgebildet Die Baulänge des bekannten Linearverstärkers ist deshalb verhältnismäßig groß.

Aus der französischen Patentschrift 10 07 360 ist eine analoge Steuereinheit mit einem Drehschieberventil bei einem Nachlaufverstärker bekanntgeworden, wobei hier ein Scheibendrehschieberventil verwendet wird. Ein digitales Steuerverhalten und eine Verwendung bei hohen Geschwindigkeitsanforderungen ist nicht möglich.

Aus der US-Patentschrift 33 07 584 ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der ein hydraulischer J5 Schrittmotor zur Betätigung des Steuerventils eines Nachlaufverstärkers verwendet wird. Beim Schrittmotor werden binär abgestuften Wege von mehreren Hydraulikzylindern addiert und als Eingangssignal für den Nachlaufverstärker angeboten. Für hohe Geschwindigkeits- und Genauigkeitsanforderungen ist die gezeigte Ausführungsform nicht verwendbar.

Aus der DE-PS 8 96 440 ist es bekannt, einen hydraulischen Schrittmotor mit Kolben, Klauen und Zahnscheiben auszubilden. Die gezeigte Ausführungsform hat aber den Nachteil, daß sie in der Neutralstellung nicht verriegelt ist. daher können äußere Kräfte die Zahnscheibe in beiden Richtungen frei bewegen. Aber auch in angesteuertem Zustand kann die Zahnscheibe in einer Richtung durch äußere Kräfte durchgedreht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Positionierantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Ansteuerung der gewünschten Position des Antriebs mit hoher Genauigkeit und großer Geschwindigkeit erfolgt, der in der Dynamik verbessert ist und in seiner kompakten Ausführung einen Einsatz, insbesondere im Flugzeugbau, erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden so Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entrietv men,

In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausfüh* fungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Nachlaufverstärker entlang der Längsachse,

Fig.2 eine Ansicht der ersten Steuerscheibe gemäß

Fig. 1,

F i g. 3 eine Ansicht der zweiten Steuerscheibe gemäß Fig. 1,

Fig.4 eine Ansicht der dritten Steuerscheibe gemäß Fig. 1, ι

Fig.5 einen Teilschnitt durch den Schrittmotor in Seitenansicht,

F i g. 6 einen Teilschnitt durch den Schrittmotor gemäß F i g. 5 in Draufsicht.

Die F i g. 1 zeigt die Ausbildung des erfindungsgemäßen Nachlaufverstärkers 10, der in einem Zylinder 12 einen gegen Verdrehung gesicherten Arbeitskolben 11 aufweist Dieser Arbeitskolben 11 ist so ausgebildet, daß er beim Gleiten im Zylinder 12 eine Gewindespindel 13 mit relativ hoher Steigung verdreht.

Entsprechend der Stellung des Arbeitskolbens 11 im Zylinder 12 ist der Drehwinkel der Spindel ganz genau bestimmt, deren eines Ende in den hohlgebohrten, ein Innengewinde 25 aufweisenden Arbeitskolben 11 ragt und deren anderes Ende starr mit zw°i Scheiben 14, 15 eines Scheibendrehschieberventils 14, 15, 16 gekoppelt ist Der Arbeitskolben 11 weist eine von einer Arbeitskammer 20 zur Bohrung für die Spindel hin verlaufende Verbindungsbohrung 11a auf, die die notwendige Volumenanpassung ermöglicht.

Die Spindel 13 verdreht bei Bewegung des Arbeitskolbens 11 die beiden äußeren Scheiben 14, 15 des Scheibendrehschieberventils, das aus drei Scheiben 14, 15, 16 besteht, welche achszentrisch angeordnet sind. Hierbei sind die beiden äußeren Scheiben 14, 15 über eine hochgenau parallel bearbeitete Distanzbuchse 17 mittels Schrauben 27 und Paßstift 26 miteinander verbunden und starr an der Gewindespindel 13 angeordnet Die mittlere Steuerscheibe 16 ist planseitig so genau gearbeitet daß sie zwischen die beiden anderen Steuerscheiben 14, 15 spielfrei paßt Die an der Spindel starr angeordnete Steuerscheibe 14 weist eine zentrale Bohrung 14a (F i g. 4) auf, die als hydraulische Verbindung in die Kolbenkammer 20 des Zylinders 12 führt.

Dieses vorbeschriebene Scheibendrehschieberventil ist so aufgebaut, daß in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung der inneren Steuerscheibe 16 zu den beiden iußeren Steuerscheiben 14, 15 das Druckverhältnis an den beiden Flächen des Arbeitsko.'bens 11 gesteuert wird.

Hierzu weisen die beiden fest miteinander verbundenen Steuerscheiben 14, 15 je eine Steuernut 18 und 19 auf. von denen jede mit e^;ner Kolbenkammer 20 oder 21 in Verbindung steht. Die mittlere Steuerscheibe J6 ist mit einem Steuerschlitz 22 versehen, der mit dem Systemdruck P verbunden ist und sie weist außerdem noch ein Steuerschlitzpaar 23 (F i g. 3) auf. das über eine Bohrung 23' mit dem Niederdruck R. d. h. dem Rücklauf, dem Tank oder dem atmosphärischen Druck verbunden ist. Druckmittelquelle P und Druckmittelsenke R sind bei 28 und 29 an den Nachlaufverstärker 10 angeschlossen.

In der Neutralstellung dieses Steuerscheibensystems ist die Überdeekung zwischen dem druckbeaufschlagten Steuerschlitz 22 der mittleren Scheibe 16 und den Steuernuten 18, 19 der beiden äußeren Scheiben 14, 15 genauso groß wie die Überdeekung zu den beiden Rücklaufsteuerschlitzen 23. Ferner ist die Überdeekung der Steuemuten 18, 19 zu 22 in der Neutralstellung gleich groß. Wird nun diese Neutralstellung z. B. durch Verdrehen der mittleren Steuerscheibe 16 aufgehoben, so gelangt der Systemdruek P über die Scheibe 16 und die entsprechenden äußeren Steuerscheiben 14 bzw. 15 in die Koibenkammer 20 bzw. 21. Der nun bestehende Druckunterschied zwischen den beiden Kolbenkammern führt zur Hubbewegung des Arbeitskolbens 11, da die jeweils entgegengesetzte Kolbenkammer über die Steuerscheibe 15 bzw. 14 und Steuerscheibe 16 mit dem Niederdruck R verbunden ist. Durch die Hubbewegung des Arbeitskolbens 11 werden gleichzeitig die beiden äußeren Steuerscheiben 14, 15 so lange verdreht, bis eine erneute Neutralstellung des Steuerscheibensystems erzielt ist Somit ist aber eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Verdrehwinkel der mittleren Steuerscheibe 16 und der Stellung des Arbeitskolbens 11 gegeben. Wird die Neutralstellung z. B. durch äußere Kraftstöße des Arbeitskolbens 11 und somit durch Verdrehung der äußeren Steuerscheiben 14 und 15 aufgehoben, so wiederholt sich der oben beschriebene Steuervorgang ebenfalls. Der Arbeitskolben 11 fährt automatisch in seine vorgegebene Stellung.

Die mittlere Steuerscheibe 16 kai.¹, nun über die mit ihr fest verbundene Welle 24 durc.i den darauf wirkenden digitalen Schrittmotor 30 (F i g. 5,6) verstellt werden. Diese bewirkt, daß der Arbeitskolben 11 immer in die vorgewählte Stellung fährt. Entsprechend einem konkrc-.en digitalen Steuerimpuls wird das nachstehend beschriebene Schrittschaltwerk 30 um einen genau definierten Schritt in der jeweils gewünschten Richtung bewegt. Ein bestimmtes Streckeninkrement, welches durch eine genau definierte Anzahl von kleinsten Teilschritten bestimmt ist kann exakt durchfahren werden, wenn eine ebenso definierte Anzahl von entsprechenden Steuerimpulsen den Schrittmotor 30 beaufschlagen. Unter Berücksichtigung der Randbedingungen, wie beispielsweise minimaler Systemdruek P und Einhaltung der Dauer der Steuerimpulse, kann davon ausgegangen werden, daß die eingegebenen Steuerimpulse tatsächlich ausgeführt werden. Daher ist eine Rückmeldung überflüssig.

Der erfindungsgemäße Schrittmotor 30 setzt sich aus mehreren Scheiben z. B. 31, 32 zusammen, die gegensinnig sägeverzahnt ausgebildet und miteinander verbunden sind. Diese Scheiben werden jeweils von einem hydraulisch bewegten Klauensystem ? B. 33,33a,· 34,34a angetrieben und in Ruhestellung verriegelt.

Ein Steuersignal beaufschlagt nun ein sehr schnell arbeitendes Magnetventil 37 oder 38, welches den Systemdruek P freigibt und die Arbeitskolbensysteme 35 und 36 beaufschlagt. Jedes der beiden Arbeitskolbensysteme 35, 36 setzt sich aus einem gesteuerten Kolben

39 oder 40 und einem konstantdruckbeaufschlagten Kolben 41 oder 42 zusammen. Der gesteuerte Kolben 39 bzw. 40 bewegt sich bei der Beaufschlagung der Kolb.ns.tangenseite nun gegen die Kraft des auf der Kolbenstangenseite konstant beaufschlagten Kolbens 41 bzw. 42, weil die wirksame Kolbeniläche des gesteuerten Kolbens 39 bzw. 40 nahezu doppelt so grob ist als diejenige des Kolbens 41 bzw. 42.

Das obengenannte Magnetventil 37 oder 38 beaufschlagt gleichzeitig zu dem entsprechenden Kolben 39,

40 die Trennfläche 43 zwischen dem gesteuerten und dem konstantbeaufschlagten Kolben des jeweils anderen Arbeitskolbensystems 35 bzw. 36 mit Druck. Da nun die Trennfläche 43 erheblich größer ist als die konstantbeaufschlapte und die gesteuerte Fläche, werden die Kolben 39, 40 bzw. 41, 42 dieses anderen Systems 35 bzw. 36 voll ausgefahren, so daß die diesem System zugehörige Zahnscheibe 31 bzw. 32 entriegelt wird.

Der gesteuerte Kolben 39 bzw. 40 des beaufschlagten Systems bewegt sich nun soweit, bis seine Klaue 33 bzw. 34 auf einen Sägezahn der Zahnscheibe 31 bzw. 32 stößt. Kurz vorher aber hat die Klaue 33a bzw. 34a des konstantbeaufschlagten Kolbens 41 bzw. 42 die Zahnlücke verlassen. Der gesteuerte Kolben 39 bzw. 40 bewegt nun die Zahnscheibe 31 bzw. 32 exakt soweit, bis seine Klaue in die Zahnlücke paßt, d. h. die Zahnscheibe wird um eine halbe Zahnteilung gedreht.

Wird der Steuerimpuls von diesem Magnetventil 37 bzw. 38 genommen, so wird die Fläche des gesteuerten Kolbens 39 bzw. 40 des jeweiligen Systems 35 bzw. 36 mit dem Rücklauf R verbunden. Der konstantbeaufschlagte Kolben 41 bzw. 42 fährt dann mit hoher Geschwindigkeit wieder ein, wobei er den Gegenkolben 39 bzw. 40 ausfährt. Die Klaue 33a bzw. 34a des konstantdruckbeaufschlagten Kolbens nimmt nun ihrerseits die Zahnscheibe 31 bzw.32 exakt soweit mit, bis sie in die Zahnlücke paßt.

Erst wenn der gesteuerte Kolben 39 bzw. 40 kurz vor seiner Neutralstellung — also bei ausgefahrenem Kolben — steht, wird die Trennfläche 43 des anderen Systems mit dem Rücklauf verbunden, was bisher durch ein Rückschlagventil verhindert werden mußte. Auch bei diesem System fährt der konstantdruckbeaufschlagte Kolben 41 bzw. 42 ein, bis seine Klaue 33a bzw. 34a in der Zahnlücke einrastet.

Der Schrittmotor 30 ist gegen Verdrehung in beiden Richtungen gesichert. Je Steuerimpuls auf das eine oder andere Steuerventil 317 bzw. 38 wird der Schrittmotor um eine ganze Zahnteilung in die eine oder andere Richtung bewegt Dieses erfindungsgemäße Schrittschaltwerk benötigt keine Überwachungs- und Rückmeldeeinrichtungen mehr.

Dem Schrittmotor 30 können weitere Schrittschaltwerke dieser Art überlagert werden, weiche mechanisch miteinander so verbunden sind, daß sie z. B. als Summierwerk oder Differenzierwerk arbeiten. Diese Vermehrfachung des Schrittmotors ermöglicht zum einen die Steigerung der Genauigkeit der Stellung des Arbeitskolbens 11, zum anderen die Erhöhung der maximalen Laufgeschwindigkeit des Arbeitskolbens 11 und darüber hinaus eine wesentliche Verbesserung des dynamischen Regelverhaltens des Positionierantriebs. Wird z. B. eine hohe Stellgenauigkeit und hohe Laufgeschwindigkeit des Arbeitskolbens 11 gefordert, so könnte z. B. der Kolbenhub in tn große Abschnitte geteilt werden^ die vom Schrittmotor mit m Stellungen angesteuert werden, jede dieser /η-Stellungen wird wiederum unterteilt in η kleine Abschnitte, die vom Schrittmotor mit /!-Stellungen angesteuert werden. Die Ansteuerung der beiden Schrittmotore 30 mit der m- und n-Teilung geschieht gleichzeitig.

Darüber hinaus kann für bestimmte Zwecke die Zahnscheibe 31 bzw. 32 des Schrittmotors 30 mit einer Teilung, die einem bestimmten Arbeitsprogramm entspricht, versehen werden. Hierdurch wird der Stellmotor 10 programmierbar.

Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist nun ein digitalkompatibler hydraulisch/pneumatischer Stellmotor mit Schrittmotor geschaffen, der durch seinen konstruktiven Aufbau eine sehr hohe Genauigkeit gewährleistet, wobei die kommandierte Sollstellung mit der tatsächlich erreichten Iststellung auch unter hohen Belastungen sehr genau übereinstimmt Die im Stellzylinder integrierten Steuerelemente sind im Hinblick auf die hohe^ Regelanforderungen so gewählt daß neben den hohen Genauigkeitsanforderungen auch ein ebenfalls äußerst gutes dynamisches Verhalten erreicht wird.

Der vorbeschriebene Erfindungsgegenstand ist ohne jede zusätzliche D/A-Wandlung zum Einsatz im Zusammenwirken mit Computern geeignet Der direkte Zugriff zu den Steuerelementen ermöglicht jedoch auch den Betrieb mit analogen Führungssignalen. Auch ist eine direkte Handsteuerung — beispielsweise für den Einsatz bei Bau- und Landwirtschaftsmaschinen — möglich.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Druckmittelbetriebener digitaler Positionierantrieb, bestehend aus einem Nachlaufverstärker mit einem beidseitig durch ein achszentrisch angeordnetes Schieberventil beaufschlagbaren Arbeitskolben und mit einer Stellungsrückführung zwischen Arbeitskolben und Schieberventil durch eine Gewindespindel mit relativ hoher Steigung, sowie einem doppeltwirkenden Schrittmotor zur Betätigung des Steuerventils, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Schrittmotor (30) ist hydraulisch angetrieben und weist zwei gegensinnig verzahnte und miteinander verbundene Zahnscheiben (31, 32) auf, von denen jede mittels Klauen (33,33a,· 34, 34a), die über je ein Arbeitskolbensystem (35, 36) beza Jgbar sind, in einer Richtung schrittweise verdrehbar ist;

b) das Schieberventil ist als Scheibendrehschieberventil (14,15,16) ausgebildet.

2. Positionierantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Scheibendrehschieberventil aus drei Steuerscheiben ^14, 15, 16) besteht, wovon die beiden äußeren Scheiben (14, 15) über eine Distanzbuchse (17) miteinander verschraubt und mit der Gewindespindel (13) starr verbunden Sind.

3. Positionierantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Steuerscheibe (16) spielfrei zwischen den beiden äußeren Steuerscheiben (14, 15) angec Jnet und mit den Zahnscheiben (31, 32) des Schrittmotors (30) verbunden ist.

4. Positionierantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Steuerscheiben (14, 15) mit je einer Steuernut (18,19) versehen sind, die jeweils mit einer der Kolbenkammern (20, 21) in Verbindung stehen, und daß die mittlere Steuerscheibe (16) einen mn einer Druckmittelquelle (P) verbundenen Steuerschlitz (22) und ein mit einer Druckmittelsenke (R) verbundenes Steuerschlitzpaar aufweist, wobei die Zur Steuerung dienenden Kanten der Steuernuten (18,19) und Steuerschlitze (22,23) in Neutralstellung deckungsgleich sind.

5. Positionierantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Arbeitskolbensystem (35, 35) zwei in einer Zylinderbohrung angeordnete Kolben (39, 4t; 40, 42) aufweist, von denen jeder über eine Kolbenstange mit einer Klaue (33,33a. 34,34a) verbunden ist.

6. Positionierantrieb nach Anspruch 5, dadurch

fekennzeichnet, daß einer der in einer gemeinsamen ylinderbohrung angeordneten Kolben (41, 42) auf Seiner Kolbenstangenseite mit einem konstanten Druck (/^beaufschlagt ist.

7. Positionierantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht mit Konstantdruck (P) beaufschlagte Kolben (39) eines Kolbensystems (35) und die Trennfläche (43) des anderen Kolbensyslems (36) von einem Magnetventil (38) beaufschlagbar sind.

8. Positionierantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere SchriUmoiöreinheiten (30) zur Betätigung des Scheibendrehschieberventils (14,15,16) vorgesehen sind.