DE3642642A1 - Schaltungsanordnung zur lage- und vorschubregelung eines hydraulischen zylinders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Lage­ und Vorschubregelung eines hydraulischen Zylinders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist beispielsweise der Antrieb eines Werkzeugmaschinenschlittens mit einem hydrau­ lischen Zylinder. Dabei soll der Vorschub des Schlittens sowie die Beschleunigung und Geschwindigkeit frei program­ mierbar sein, wozu beispielsweise eine NC-Steuerung dient.

Der NC-Steuerung wird die programmierte Führungsgröße als Sollwert sowie die in einem Weggeber des Schlittens oder des Antriebes ermittelte Regelgröße als Istwert zugeführt und hierauf eine Regelabweichung gebildet, die einem Ver­ stärker zugeführt wird, der zum Ansteuern eines Proportio­ nalventils dient, das die Druckmittelwege zum und vom hyd­ raulischen Zylinder steuert. Wird anstelle des üblichen Servoventils ein Proportionalventil verwendet, so ist da­ mit eine erhebliche Kostenersparnis verbunden. Die mit einem Proportionalventil erzielbare Regelgenauigkeit ist jedoch verhältnismäßig gering.

Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Schal­ tungsanordnung zum Aufbau einer Regelung für einen hydrau­ lischen Antrieb mittels eines Proportionalventils so auszu­ bilden, daß auch sehr kleine Vorschübe wie beispielsweise 20 mm/min gefahren werden können, eine hohe Positionierge­ nauigkeit des Antriebes erzielt wird und möglichst hohe Laststeife und Dynamik der Regelung erreicht werden.

Die genannte Aufgabe ist mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Es handelt sich bei der Erfindung einerseits darum, das veränderliche Durchflußverhalten eines Proportionalventils zu verbessern, indem die erste Kompensationsschaltung vor­ gesehen wird, welche einen degressiven Signalverlauf zur Ansteuerung des Proportionalventils erzeugt, der die pro­ gressive Durchflußkennlinie des Ventils kompensiert. Damit wird erreicht, daß im gesamten Regelbereich, also für den gesamten Stellhub des Ventilkolbens die Durchflußkennlinie linear bzw. annähernd linear verläuft. Dadurch wird er­ reicht, daß im gesamten Durchflußbereich die Regelverstär­ kung des Regelkreises auf einen Maximalwert einstellbar ist.

Die zweite Kompensationsschaltung dient zum Kompensieren des Positionsfehlers, der sich ergibt, wenn der Druckmit­ telweg von der Druckmittelquelle zum hydraulischen Antrieb von dem Proportionalventil geschlossen wird, bevor die Regelabweichung Null ist. In diesem Fall bleibt der Schlit­ ten stehen, bevor die von der Regelabweichung Null vorge­ gebene gewünschte Schlittenposition erreicht ist. Die Ur­ sache für dieses Verhalten liegt darin, daß das Proportio­ nalventil für den gewählten Antriebszweck eine positive Überdeckung aufweisen muß, d.h. daß in der Neutralstellung des Ventils alle Ventilanschlüsse voneinander getrennt sein müssen.

Durch die Kombination der beiden Kompensationsschaltungen zum Kompensieren der Durchflußkennlinie sowie zum Kompen­ sieren des durch die Ventilüberdeckung verursachten Posi­ tionierfehlers ist es erfindungsgemäß möglich, eine sehr genaue Lage- und Vorschubregelung eines hydraulischen An­ triebes mittels eines Proportionalventils zu schaffen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsan­ ordnung zur Lage- und Vorschubregelung eines Werk­ zeugmaschinenschlittens,

Fig. 2 Darstellungen der Durchflußkennlinie des Proportio­ nalventils,

Fig. 3 den Signalverlauf zum Ansteuern des Proportional­ ventils im Bereich der Ventilmittelstellung und

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich wie Fig. 3 mit einer künst­ lich erzeugten Hysterese.

In Fig. 1 ist eine Bohrspindel 1 auf einem Werkzeugmaschi­ nenschlitten 2 befestigt, der auf einer Gleitführung 3 mit­ tels eines hydraulischen Zylinders 4 verschiebbar ist. Zur Betätigung des Zylinders 4 dient ein Proportionalventil 5.

Zur Programmierung der von der Bohrspindel 1 anzufahrenden Positionen sowie der Vorschubgeschwindigkeiten einschließ­ lich Beschleunigung und Verzögerung dient eine handels­ übliche NC-Steuerung 8. Die Regelgröße, also die Schlitten­ position wird mittels eines Inkrementallineals 9 eines Ab­ tastkopfes 10 und eines Wandlers 11 ermittelt und der NC- Steuerung 8 zugeführt. Die Regelgröße wird mit der jeweils vom Programm abgerufenen Führungsgröße verglichen und eine Regelabweichung gebildet, die auf der Ausgangsleitung 12 an­ steht. In einer üblichen NC-Steuerung wird die Regelabwei­ chung in einem Proportionalregler erzeugt, wobei die Aus­ gangsspannung einen proportionalen Verlauf hat und bei­ spielsweise zwischen ± 10 Volt geregelt wird.

An die NC-Steuerung 8 ist zunächst eine Differenzierstufe 14 angeschlossen, die ausgangsseitig mit einer ersten Kom­ pensationsschaltung 15 verbunden ist, die zu einem Knoten­ punkt 16 führt, an den eine zweite Kompensationsschaltung 18 und eine Summierstufe 19 angeschlossen sind. Über einen Schalter 20, der vom Ausgangssignal einer Zusatzschaltung 22 betätigt wird, gelangt die modifizierte Regelabweichung in einen Verstärker 24, dessen Ausgangssignal das Propor­ tionalventil 5 ansteuert. Die aus den Komponenten 14 bis 22 bestehende Schaltungsanordnung kann vorzugsweise auf einer Steuerkarte vereinigt werden, wobei die Eingangs­ spannung für die Differenzierstufe 14 ebenfalls ± 10 Volt beträgt, so daß ein unmittelbarer Anschluß an die handels­ übliche NC-Steuerung 8 möglich ist. Die Steuerkarte kann vorzugsweise in dem Endverstärker 24 eingebaut sein.

Die Differenzierstufe 14 besteht aus einem herkömmlichen Operationsverstärker, an dessen Eingang die bekannte Rei­ henschaltung von Spannungsteiler und Kondensator ange­ schlossen ist. Die Differenzierung des Eingangssignals er­ höht die Dynamik des Proportionalventils 5, so daß also der Kolben des Proportionalventils schneller seine neue Soll­ position erreichen kann.

In der ersten Kompensationsschaltung 15 wird das zugeführte Signal so verändert, daß eine nahezu lineare Durchflußkenn­ linie des Proportionalventils erzielt wird.

In Fig. 2 ist auf der Ordinate der Durchfluß Q des Propor­ tionalventils und auf der Abszisse der Stellhub des Kolbens des Proportionalventils in Prozent dargestellt. Diese Größe entspricht auch der Regelabweichung x. Die gestrichelte Linie 28 zeigt ein progressives Durchflußverhalten, d.h. bei der Auslenkung des Ventilkolbens aus der Mittelstellung Null vergrößert sich der Durchfluß nur sehr gering, um dann anschließend steil anzusteigen. Dieses Verhalten ist durch die dreieckförmigen Feinsteuernuten am Ventilkoblen verur­ sacht. Derartige Nuten sind erforderlich, um überhaupt die erforderlichen geringen Vorschubgeschwindigkeiten einstel­ len zu können. Für den Regelkreis bedeutet dies, daß im unteren Durchflußbereich eine geringe Durchflußverstärkung und im oberen Bereich eine große Durchflußverstärkung er­ zielt wird. Die geringe Verstärkung im unteren Durchflußbe­ reich wirkt sich in einer geringen Laststeife aus.

Durch die Kompensationsschaltung 15 wird die progressive Kennlinie 28 des Proportionalventils, durch einen degressi­ ven Verlauf der Ausgangsspannung der Kompensationsschaltung 15 kompensiert. Der Spannungsverlauf ist in Fig. 2 als strichpunktierte Linie 29 dargestellt. Wird das Proportio­ nalventil mit dieser Spannung angesteuert, so wird eine nahezu lineare Durchflußkennlinie des Proportionalventils erzielt, die in Fig. 2 als durchgezogene Linie 30 darge­ stellt ist und sich als Mittelwert der Kurvenzüge 28 und 29 ergibt. Es ist somit auf elektrischem Wege die Verstärkung im unteren Durchflußbereich soweit angehoben, daß über den gesamten Ventilhub von 0 bis 100% eine etwa konstante Durchflußverstärkung entsteht. Dadurch ist die Laststeife entsprechend vergrößert. Durch Beibehalten der Feinsteuer­ nuten mit progressivem Verhalten lassen sich äußerst kleine Vorschubgeschwindigkeiten für den Antrieb erzielen. Die de­ gressive Kennlinie 29 kann man durch Parallelschalten geeig­ neter Zenerdioden in der Rückführung des in der Differenzier­ stufe vorgesehenen Operationsverstärkers erreichen.

In der zweiten Kompensationsschaltung 18 wird der Fehler kompensiert, der durch die erforderliche Überdeckung des Proportionalventils im Bereich seiner Mittelstellung verur­ sacht ist. Infolge der positiven Überdeckung des Proportio­ nalventils, womit vor Erreichen der genauen Mittelstellung des Ventilkolbens die Druckmittelwege abgesperrt werden, bleibt der Antriebszylinder 4 stehen, sobald der Ventilkol­ ben die positive Überdeckung erreicht hat, aber noch nicht in Mittelstellung steht, und das von dem Proportionalregler der NC-Steuerung 8 gelieferte Signal für die Regelüber­ wachung noch nicht Null erreicht hat. Die Mittelstellung des Ventilkolbens soll aber der Regelabweichung 0 Volt entspre­ chen. Mit anderen Worten kann der Schlitten seine der Regel­ abweichung Null entsprechende Position nicht erreichen, da kurz vorher infolge der positiven Überdeckung das Ventil schließt, so daß der Schlitten stehen bleibt.

Es wird deshalb kurz vor Erreichen der Überdeckung von der Kompensationsschaltung 18 ein Signal erzeugt, welches der in der ersten Kompensationsschaltung 15 modifizierten Regel­ abweichung aufgeschaltet wird, um den Ventilkolben anzuhal­ ten und einen Restquerschnitt für den Durchfluß von Strö­ mungsmittel solange offenzuhalten, bis die Null-Position des Schlittens erreicht ist, d.h. bis die Regelabweichung Null ist.

Der Zusammenhang ist in Fig. 3 dargestellt. Mit 29 ist wie­ derum die von der ersten Kompensationsschaltung 15 geliefer­ te degressive Ausgangsspannung bezeichnet, von der in Fig. 3 nur der im Kleinsignalbereich, also etwa im Feinsteuerbe­ reich des Ventils betreffende Abschnitt dargestellt ist. Bei einer Kolbenauslenkung von beispielsweise zwischen 5 und 10% des Sollwertes spricht die zweite Kompensations­ schaltung 18 an und liefert ein Signal 32, das gegensinnig zur degressiven Kennlinie 28 verläuft. Das Signal 32 wird in der Summierstufe 19 zu dem Signal 29 addiert, so daß sich an dem Ausgang der Summierstufe das Signal 34 ergibt, mit dem im Feinsteuerbereich ein Restquerschnitt am Ventil so­ lange offengehalten wird, bis das Signal 29 und damit die Regelabweichung den Nullwert erreicht. Jetzt wird die Span­ nung 32 abgeschaltet und damit der federzentrierte Kolben des Proportionalventils in die Mittelstellung gebracht. Durch diese Maßnahme wird also verhindert, daß die positive Ventilüberdeckung zu einer Fehlpositionierung des Schlittens führt. Über die Amplitude der Signalspannung 32 läßt sich der Restquerschnitt des Ventils und damit die Restgeschwin­ digkeit des Antriebes einstellen.

In der Regel sind aufgrund von Fertigungstoleranzen die positiven Überdeckungen für die Ventilkolbenstellung in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung unterschiedlich. Es ist dann zweckmäßig, auch die von der Kompensationsschaltung 18 erzeugten Spannungen 32 bzw. 32′ für die beiden Bewe­ gungsrichtungen unterschiedlich einzustellen, so daß hier­ für an der Schaltung 18 getrennte Einstellungsmöglichkeiten vorgesehen sind.

Aus der Darstellung in Fig. 4 ist erkennbar, daß die von der zweiten Kompensationsschaltung 18 gelieferte Zusatz­ spannung 32 auch bereits vor dem Zeitpunkt abgeschaltet werden kann, zu dem die Regelabweichung Null erreicht wird. Hierzu dient die Zusatzschaltung 22, die auf entsprechende einstellbare Werte der Ausgangsspannung 29 der ersten Kom­ pensationsschaltung 15 anspricht und bei Aktivierung den Schalter 20 öffnet, so daß dann das Ausgangssignal der Summierstufe 19 abgeschaltet wird und der Kolben des Pro­ portionalventils in die Mittelstellung gelangt, bevor der Schlitten 2 die gewünschte Nullposition erreicht hat.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß das Ventil kurz vor Erreichen der Sollposition des Schlittens schließt und dann der Schlitten von selbst in die Nullposition gelangt. Dies hängt von der Eigenfrequenz des Regelkreises ab. Ist die Eigenfrequenz gering, z.B. 20 Hertz, so handelt es sich um ein weiches Regelsystem, bei dem der Schlitten seine Soll­ position stets leicht überfahren kann. Dies würde bedeuten, daß durch dauerndes Überfahren auch ein dauerndes Schalten in der Gegenrichtung erforderlich wird und der Schlitten um seine Position pendelt. Dies wird durch die Zusatzschaltung 22 vermieden, mit der das Ventil kurz vor Erreichen der Sollposition des Schlittens abgesperrt wird, so daß ein leichtes Überschwingen des Schlittens nicht sofort zum Schalten in die Gegenrichtung führt. Die Zusatzschaltung 22 sorgt somit für eine künstliche Hysterese, die einstellbar ist. Hat dagegen das System eine hohe Eigenfrequenz, bei­ spielsweise 100 Hertz, so ist die Zusatzschaltung 22 nicht erforderlich.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur Lage- und Vorschubregelung ei­ nes hydraulischen Zylinders mit einem Proportionalven­ til zur Steuerung der Druckmittelwege zwischen dem Zylinder und einer Druckmittelquelle und einem Tank, mit einem Ver­ stärker zur Ansteuerung des Proportionalventils und einer Regelschaltung zum Erzeugen einer der dem Verstärker zuzu­ führenden Regelabweichung aus einer Führungsgröße und einer Regelgröße, gekennzeichnet durch

• 1. eine erste Kompensationsschaltung (15) zum Konstanthal­ ten der Regelverstärkung, von der die Durchfluß/Regel­ abweichung-Kennlinie des Proportionalventils (5) im ge­ samten Regelbereich des Ventilhubes linear gehalten wird und
• 2. eine zweite Kompensationsschaltung (18) zum genauen Positionieren, von der im Bereich einer kleinen, im Überdeckungsbereich des Proportionalventils liegenden Regelabweichung ein Signal (32) erzeugt wird, von dem ein Restquerschnitt des Proportionalventils vor Errei­ chen seiner Überdeckung solange offengehalten wird, bis die Regelabweichung Null ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß unterschiedliche Restquerschnitte für den Strömungsmitteldurchfluß des Proportionalventils von der zweiten Kompensationsschaltung (18) einstellbar sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß je nach Bewegungsrichtung des Zylin­ ders (4) unterschiedliche Restquerschnitte für den Durch­ fluß von der zweiten Kompensationsschaltung (18) einstell­ bar sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der ersten und zweiten Kompensationsschaltung (15, 18) in einer Summierstufe (19) addiert werden und die Summierstufe an den Verstärker (24) für das Proportionalventil angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Kompensations­ schaltung (15) die von der Form der Feinsteuernuten des Proportionalventils herrührende progressive Durchfluß-Kenn­ linie durch einen entsprechenden degressiven Signalverlauf am Ausgang der ersten Kompensationsschaltung linearisiert wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Regel­ schaltung (8) eine Differenzierstufe angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kompensa­ tionsschaltung aus Zenerdioden aufgebaut ist, die in die Rückführung eines als Differenzierstufe dienenden Opera­ tionsverstärkers geschaltet sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung eine programmierbare NC-Steuerung mit proportionalem Spannungs­ ausgang ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzschaltung (22) vorgesehen ist, von der abhängig von der Eigenfrequenz des Regelkreises der Restquerschnitt des Proportionalventils (5) vor Erreichen der Sollposition des Zylinders geschlos­ sen wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzschaltung (22) an den Ausgang der ersten Kompensationsschaltung (15) angeschlossen ist und zwischen der Summierstufe (19) und dem Verstärker (24) ein von der Zusatzschaltung angesteuerter Schalter (20) angeordnet ist, der bei Erreichen einer vorbestimmten, von Null abweichenden Regelabweichung geöffnet wird.