DE3709211A1 - Einrichtung zur steuerung des kolbens eines arbeitszylinders - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steue­ rung des Kolbens eines Arbeitszylinders gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Einrichtungen werden benötigt, um unter­ schiedliche Lasten an Arbeitszylindern möglichst schnell und dabei weitgehend schwingungsfrei bewegen zu können. Hierzu ist es erforderlich, die Arbeits­ geschwindigkeit des Kolbens auf die jeweilige Last abzustimmen. Häufig ist es aber auch notwendig, druckmittelgesteuerte Arbeitsgeräte an einen bestimm­ ten Arbeitsablauf anzupassen. Es ist dann erforder­ lich die Kolbengeschwindigkeit genau auf bestimmte Geschwindigkeitswerte einstellen zu können oder eine vorbestimmte Kolbenposition mit bestimmten Geschwin­ digkeitsverlauf anzusteuern.

Eine derartige Einrichtung zur Steuerung der Ge­ schwindigkeit eines Arbeitszylinders ist aus der DE-OS 31 30 056 vorbekannt. Bei dieser Einrichtung wird die Kolbengeschwindigkeit durch Zu- oder Abschaltung von zusätzlichen Magnetventilen er­ reicht, wodurch der effektive Luftdurchflußquer­ schnitt verändert wird. Bei einer solchen Einrich­ tung ist es schwierig, eine feinfühlige Geschwin­ digkeitssteuerung vorzunehmen. Hierzu wäre eine entsprechend große Anzahl an Magnetventilen vorzu­ sehen, welche wiederum eine aufwendige Steuerschal­ tung erfordern würde.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Kolbengeschwindigkeitsverlauf stufenlos steuerbar ist und die bei einfacher und kostengünstiger Ausführungsart.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß der Kolben eines Arbeitszylinders im zeitlichen Wechsel fort­ laufend mit Druckmittelimpulsen beaufschlagt wird. Dies kann auch dann erfolgen, wenn gar keine Kolben­ bewegung stattfinden soll. In diesem Fall wird im zeitlichen Wechsel eine bestimmte Durckmittelmenge in die Druckmittelkammer eingefüllt und danach die gleiche Menge wieder ausgelassen. Da diese Druckmit­ telimpulse in rascher zeitlicher Folge wirksam werden, entsteht durch die Massenträgheit des Systems lediglich ein leichtes Vibrieren des Kol­ bens, der dann praktisch keinen Drucküberschuß zur Fortbewegung erhält.

Soll hingegen eine Kolbenbewegung erfolgen, so kann das Verhältnis zwischen der Einlaßmenge und der Auslaßmenge verändert werden, so daß in die Druckmit­ telkammer insgesamt entweder eine größere Druckmittel­ menge eingefüllt oder ausgelassen wird. Danach bestimmt sich auch gleichzeitig die Bewegungsrichtung des Kolbens. Ein Verhältnis zwischen der Einlaß- und der Auslaßmenge, dessen Wert 1 beträgt, dokumentiert dabei praktisch den Stillstand des Kolbens. Hingegen geben die beiden Werte <1 und <1 die beiden möglichen Bewegungsrichtungen des Kolbens an.

Die Beaufschlagung des Kolbens mit unterschiedlichen Einfüll- und Auslaßmengen erreicht die Erfindung dadurch, daß durch eine Steuerschaltung für jede Druckmittelkammer jeweils ein separates Einlaß- und ein Auslaßventil wechselweise für bestimmte Betäti­ gungszeiträume angesteuert werden. Dadurch ergibt sich eine Kolbengeschwindigkeit, die der Differenz der beiden Betätigungszeiträume proportional ist. Da das Verhältnis zwischen den Einlaß- und Auslaßzeit­ räumen stufenlos verstellbar ist, kann die Kolben­ geschwindigkeit von null bis zu einem maximalen Wert gesteuert werden. Der Maximalwert wird dadurch erreicht, daß die Steuereinrichtung entweder das Einlaßventil während des gesamten Betätigungsweges aussteuert und das Auslaßventil geschlossen hält oder umgekehrt. Hierbei ergibt sich ein Verhältnis zwischen der Einlaß- und der Auslaßdauer der Venti­ le, dessen Wert unendlich ist. Dagegen ergibt sich bei entgegengesetzter Betätigungsrichtung und maximaler Kolbengeschwindigkeit ein Verhältnis der Betätigungszeiträume, dessen Wert gleich null ist. Das Verhältnis der Betätigungszeiträume kann dadurch verändert werden, indem die Größe des Steuersignals am Eingang der Steuereinrichtung entsprechend der gewünschten Kolbengeschwindigkeit verändert wird.

Aus der EP-B1-00 14 369 ist es bekannt, Ventile von ABS-Bremsanlagen impulsartig anzusteuern. In dieser Schrift ist ein Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 und 6 beschrieben, wonach die Druckregelung auch durch eine Pulsbreitenmudulation gesteuert wird. Dabei ist dem Sollwertsignal eine dreieckför­ mige Wechselspannung überlagert, durch dessen Amplitude die Impulsbreite der Steuerimpulse be­ stimmt wird. Durch diese Steuerung ist es erreich­ bar, daß sich die Regelgeschwindigkeit mit Annähe­ rung an den Sollwertdruck langsam verringert. Hierdurch soll ein starkes Überschwingen des Druckes vermieden werden.

Würde ein derartiges Prinzip z. B. für eine Geschwin­ digkeitssteuerung oder Positioniereinrichtung verwandt, so wäre zur gleichen Zeit entweder nur eine Druckmitteleinfüllung oder ein Druckmittelaus­ laß steuerbar. Da die Erfindung hingegen im zeit­ lichen Wechsel sowohl Druckmittel einläßt als auch ausläßt, ist die Einrichtung zur Steuerung des Kolbens eines Arbeitszylinders praktisch mit doppel­ ter Frequenz steuerbar.

Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, daß sie im wesentlichen aus einer Steuereinrichtung und der dazugehörigen Ventileinrichtung besteht, die von der Art des Arbeitszylinders weitgehend unabhängig sind. So kann durch die impulsartige Geschwindig­ keitssteuerung nahezu jede Ausführungsart eines Arbeitszylinders in seiner Arbeitsgeschwindigkeit gesteuert werden. Eine derartige Steuereinrichtung ist auch ohne nennenswerten Aufwand bei vorhandenen Arbeitszylindern nachrüstbar.

Eine Geschwindigkeitssteuerung des Kolbens, die sich aus der Differenz unterschiedlich langer Einlaß- und Auslaßdruckmittelimpulse ergibt, hat außerdem noch den Vorteil, daß dadurch eine ausgesprochen genaue und feinfühlige Geschwindigkeitseinstellung möglich ist. Hierdurch lassen sich auch leicht Anpassungen an verschiedene Arbeitslasten vornehmen, so daß ein Schwingverhalten des Zylinder-Masse- Systems weitgehend ausgeschlossen ist. Da die Steuerung der Kolbengeschwindigkeit ausschließlich durch die Veränderung des Steuersignals am Eingang der Steuereinrichtung erfolgt, ist sowohl eine manuelle als auch eine rechnergestützte selbsttätige Steuerung möglich. Hierdurch lassen sich in automa­ tischen Produktionsprozessen die Arbeitsgeschwin­ digkeiten von Druckmitteleinrichtungen an unter­ schiedliche Arbeitsverfahren und Produktionsabläufe anpassen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird diese auf einfache Weise in einer Regelung bzw. Positionierung verwendbar.

Bei dieser Weiterbildung wird durch eine Sensorein­ richtung ein der jeweiligen Kolbenstellung ent­ sprechendes Istwertsignal erzeugt, welches die Steuereinrichtung, die gleichzeitig als Regelein­ richtung ausgebildet ist, mit einem Steuersignal als Sollwertsignal vergleicht und daraus entsprechende Regelabweichungssignale bildet. Diese steuern dann eine Ventileinrichtung entsprechend einem Wert, der der Größe der Regelabweichungssignale entspricht. Dieser Vorgang wird in dem Zeitpunkt beendet, in dem die Ist- und Sollwertsignale die gleiche Größe besitzen.

Die vorteilhafte Weiterbildung bietet insbesondere den Vorteil, daß durch den Pulsierbetrieb die Kolbengeschwindigkeit in der Nähe des Sollwertpunk­ tes selbsttätig verlangsamt und dadurch auch bei verschiedenen Kolbenbelastungen ein Überschwingen vermieden wird. Durch den Pulsierbetrieb kann auf einfache Weise die Position des Kolbens eines Arbeitszylinders nahezu exakt an jedem gewünschten Ort des Betätigungsweges still gesetzt werden, wodurch eine sehr hohe Regelgenauigkeit erzielbar ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Ventilein­ richtung auch ohne Regelabweichung pulsierend ansteuerbar ist, so daß ein Ankleben der Kolben­ dichtung verhindert wird. Dadurch sind auch geringe Regelabweichungen genau ausregelbar, ohne daß eine Regelabweichung verbleibt.

Bei einer besonderen Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft erwiesen, als Steuersignal eine pulsie­ rende Gleichspannung zu bilden. Hierzu wurde einem Gleichspannungssignal ein Wechselspannungssignal zeitlich wechselnder Größe oder Richtung überlagert. Als Wechselspannung eignet sich dazu vorzugsweise eine dreieckförmige Spannung, da diese eine gleich­ bleibende Spannungsänderung während ihres zeitlichen Verlaufs aufweist. Durch diese Spannungsänderung ist eine Proportionalität zwischen der Regelspannungsän­ derung und der Schaltimpulsdauer erreichbar.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die bauartbedingten Schaltschwellen der Magnetven­ tile durch eine elektronische Triggerschaltung mit einstellbaren Schaltschwellen ersetzt. Dies hat den Vorteil, daß die Impulszeiten einstellbar sind und so eine optimale Anpassung an Lastverhalten und Luftverbrauch erreichbar ist.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird die benötigte dreieckförmige Wechselspannung vorzugs­ weise durch eine Generatorschaltung der Regelein­ richtung erzeugt. Es sind auch Stellglieder vor­ gesehen, die sowohl die Frequenz als auch die Amplitude einstellbar machen. Hierdurch kann ins­ besondere ein möglichst geringes Schwingverhalten bei verschiedenen Kolbenbelastungen eingestellt werden. Dabei ist allerdings nur dann eine günstige Abstimmung erreichbar, wenn die Wechselspannungs­ amplitude größer ist als der Schaltschwellenbereich. Die Verstellmöglichkeit der Frequenz hat insbeson­ dere den Vorteil, daß dadurch das Schwingverhalten beeinflußbar ist. Die Frequenz darf allerdings nicht größer sein als die Schaltfrequenz der Magnetventi­ le. Bei den Ventilen werden üblicher Weise schnell schaltende Magnetventile eingesetzt, die in der Regel mit Schaltfrequenzen bis 100 Hz zuverlässig schalten.

In einer besonderen Ausführungsform wird die Wech­ selspannung extern an die Regeleinrichtung herange­ führt. Dabei ist es auch möglich, die Wechselspan­ nung sowohl der Soll- als auch der Istwertspannung zu überlagern und auf die jeweiligen Eingänge der Regeleinrichtung zu legen.

In einer weiteren besonderen Ausführungsform wird ein Arbeitszylinder verwendet, der über nur eine abgedichtete Druckmittelkammer verfügt. Dabei wird der Kolben gegen eine Druckfeder verschiebbar angeordnet. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß dadurch Magnetventile eingespart werden können.

In einer besonderen Ausführungsform könnte die Regeleinrichtung auch mit einem zeitlich wechselnden Sollwertsignal versorgt werden, dessen Werte einen bestimmten zeitlichen Kolbenverlauf entsprechen. Soweit die Sollwertpunkte örtlich und zeitlich dicht aufeinander folgen, wäre ein dynamischer Kolbenver­ lauf erzielbar. Dabei wäre es vorteilhaft, diesen Verlauf durch rechnergesteuerte Spannungswerte direkt auf den Sollwerteingang der Regeleinrichtung zu legen.

Darüber hinaus ist es auch möglich, die Regeleinrich­ tung so auszuführen, daß bei Erreichen der Sollwert­ stellung der Pulsierbetrieb selbsttätig abschaltbar ist. Dies bietet insbesondere den Vorteil, daß dadurch der Luftverbrauch gesenkt werden kann.

Der Kolben des Arbeitszylinders kann aber auch so ausgestaltet sein, daß er als Betätigungskolben eines Ventils dient, bei dem die verschiedenen Positionen unterschiedliche Öffnungsquerschnitte ansteuern.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbei­ spiele, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Steuereinrichtung,

Fig. 2 den zeitlichen Spannungsverlauf einer pulsierenden Steuerspannung,

Fig. 3 den Schaltspannungsverlauf am zweiten Ausgang der Steuereinrichtung,

Fig. 4 den Schaltspannungsverlauf am ersten Ausgang der Steuereinrichtung,

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild einer Positioniereinrichtung,

Fig. 6 den Spannungsverlauf einer pulsierenden Regelspannung,

Fig. 7 den Schaltspannungsverlauf am zweiten Ausgang der Regeleinrichtung und

Fig. 8 den Schaltspannungsverlauf am ersten Ausgang der Regeleinrichtung.

Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 in vereinfachter Darstellung die wesentlichen Elemente einer Steuereinrichtung für einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder.

Der Arbeitszylinder (13) besteht aus einer ersten Druckmittelkammer (14), die durch einen Kolben (12) von der zweiten Druckmittelkammer (16) getrennt ist. Vom Kolben (12) ist eine Kolbenstange (15) abge­ dichtet nach außen geführt, an die entsprechende Arbeitslasten anbringbar sind.

Die Druckmittelkammern (14, 16) des Arbeitszylinders (13) sind über Druckmittelleitungen (11, 17) mit einer Magnetventileinrichtung (23) verbunden. Die Ventileinrichtung (23) ist ihrerseits mit einer Steuereinrichtung (27) verbunden, die die Magnetven­ tile (9, 10, 18, 19) entsprechend ansteuert.

Die Steuereinrichtung (27) ist mit einem Steuerein­ gang (1) und zwei Schaltsignalausgängen (5, 24) versehen. Der Steuereingang (1) ist mit einer Steuerspannung beaufschlagbar, ist einer Triggerschal­ tung (2) zugeführt wird. Die Triggerschaltung (2) ist mit einem Stellglied (3) zur Einstellung des Schalt­ schwellenbereiches (32) versehen. Die von der Triggerschaltung (2) gebildeten rechteckförmigen Spannungssignale werden in einer nachfolgenden Verstärkerschaltung (26) verstärkt und zur Ansteue­ rung zwei elektronischen Schaltern (4, 25) zugeführt. Jeder dieser beiden Schalter (4, 25) ist mit einem Schaltsignal (5, 24) verbunden, an die die Eingänge (6, 22) der Ventileinrichtung (23) herange­ führt sind. Dabei ist dem ersten Ausgang (5) ein erster Schalter (4) und dem zweiten Ausgang (24) ein zweiter Schalter (25) zugeordnet, wobei die elektro­ nischen Schalter (4, 25) die Schaltsignale zur Ansteuerung der Magnetventile (9, 10, 18, 19) bilden.

Die Magnetventileinrichtung (23) besteht aus einer Baugruppe von vier gleichartigen 2/2-Wege-Magnetven­ tilen (9, 10, 18, 19), deren Steueranschlüsse (8, 7, 21, 20) mit den Ausgängen (5, 24) der Steuereinrich­ tung (27) verbunden sind. Dabei wird der Steueran­ schluß (8) des ersten Magnetventils (9) mit dem Steueranschluß (21) des dritten Magnetventils (18) verbunden und über eine gemeinsame Leitung (22) an den zweiten Ausgang (24) der Steuereinrichtung (27) geführt. Gleichfalls ist der Steueranschluß (7) des zweiten Magnetventils (10) mit dem Steueranschluß (20) des vierten Magnetventils (19) verbunden und durch eine gemeinsame Leitung (6) auf den ersten Ausgang (5) der Steuereinrichtung (27) gelegt.

Das erste Magnetventil (9), ein Auslaßventil, ist mit dem zweiten Magnetventil (10), einem Einlaßven­ til, durch eine gemeinsame Druckmittelleitung (11) mit der ersten Druckmittelkammer (14) des Arbeits­ zylinders verbunden. Gleichfalls ist das vierte Ventil (19) als Auslaßventil mit dem dritten Ventil (18) als Einlaßventil über eine gemeinsame Druckmit­ telleitung (17) mit der zweiten Druckmittelkammer (16) des Arbeitszylinders (13) verbunden.

Die beiden Einlaßventile (10, 18) sind über eine weitere gemeinsame Druckmittelleitung mit einer Druckmittelquelle verbunden, die die Einlaßventile (10, 18) mit Druckluft versorgt.

In Fig. 2 der Zeichnung ist ein zeitlicher Steuer­ spannungsverlauf bei einer möglichen Arbeitszylin­ dersteuerung dargestellt.

Dieser Steuerspannungsverlauf (30) ist in einem Koordinatensystem über der Zeit aufgetragen. Dabei ist ein Steuerspannungsbereich U dargestellt, dessen Werteskala einen Bereich von 0 bis +4 umfaßt. Für die Festlegung der Werteskala wurde ein willkür­ licher Maßstab gewählt, der je nach den praktischen Gegebenheiten auch andere Werte annehmen kann.

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß der Steuer­ spannungsverlauf (30) dreieckförmig verläuft. Dieser Verlauf resultiert aus einer Steuergleichspannung, die von einer dreieckförmigen Wechselspannung überlagert wird. Eine dreieckförmige Spannung eignet sich deshalb besonders gut, weil dadurch eine lineare Spannungsänderung pro Zeiteinheit erzielt wird, wodurch eine lineare Proportionalität zwischen der Steuergleichspannungsänderung und der Dauer der Schaltimpulse (Pulsbreitenmodulation) erreichbar ist.

In der Zeichnung ist weiterhin noch ein Schalt­ schwellenbereich (32) eingetragen, der durch einen oberen Schaltschwellenwert (31) und einen unteren Schaltschwellenwert (34) begrenzt wird. Diese Schaltschwellenwerte (31, 34) sind willkürlich gewählt und können je nach den praktischen Gege­ benheiten verändert werden. Dabei ist der Schalt­ schwellenbereich (32) als einer der möglichen Bereiche ausgewählt, dessen Größe durch das Stell­ glied (3) veränderbar ist.

Aus der zeichnerischen Darstellung ist außerdem ersichtlich, daß die pulsierende Steuerspannung (30) als Steuersignal der Steuereinrichtung (27) die obere Schaltschwelle (31) etwa doppelt so lange überschreitet als die untere Schaltschwelle (34). Dabei hängt die Dauer des Über- oder Unterschreitens in erster Linie von der Größe der konstanten Steuer­ gleichspannung ab, deren Wert in der Zeichnung durch die Mittellinie (33) angedeutet ist.

In Fig. 3 der Zeichnung ist ein möglicher zeitlicher Schaltspannungsverlauf am zweiten Ausgang der Steuereinrichtung (27) dargestellt. Der zeitliche Schaltspannungsverlauf ist in Abhängigkeit vom Steuerspannungsverlauf (30) zeitgleich aufgetragen. Dabei ist die Dauer der jeweiligen Schaltspan­ nungsimpulse (35) gleich der Dauer des Überschrei­ tens des oberen Schaltspannungswertes (31) durch die pulsierende Steuerspannung (30).

In Fig. 4 der Zeichnung ist zeitgleich zum Steuer­ spannungsverlauf (30) ein möglicher Schaltspannungs­ verlauf am ersten Ausgang der Steuereinrichtung (27) dargestellt. Aus dem Schaltspannungsverlauf ist ersichtlich, daß eine Abhängigkeit zum Stuerspan­ nungsverlauf (30) besteht. Dabei entspricht die Impulsdauer der Schaltspannungsimpulse (36) der Dauer des Unterschreitens der unteren Schaltschwel­ lenspannung (34) durch die pulsierende Steuerspan­ nung (30).

Die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nachstehend näher erläutert.

Es wird angenommen, der Kolben (12) des Arbeits­ zylinders (13) stehe still und an der Kolbenstange (15) sei eine Last befestigt. Wird nun unterstellt, der Kolben (12) solle eine bestimmte Arbeitsge­ schwindigkeit annehmen, so wird am Eingang (1) der Steuereinrichtung (27) eine der gewünschten Kolben­ geschwindigkeit entsprechende pulsierende Steuer­ spannung (30) angelegt. Dabei entspricht die ange­ nommene Steuerspannung (30) einer vergleichsweise geringen Kolbengeschwindigkeit.

In der nachfolgenden Triggerschaltung (2) wird die pulsierende Steuerspannung (30) mit einem einstell­ baren Schaltschwellenbereich (32) verglichen. Der Schaltschwellenbereich (32) ist dabei durch ein Bereichsstellglied (3) veränderbar. Aus der pulsie­ renden Steuerspannung (30) bildet die Triggerschal­ tung (2) zunächst einen rechteckförmigen Spannungs­ impuls, dessen zeitliche Länge der Dauer des Über­ schreitens der positiven Halbwelle entspricht. In der Triggerschaltung (2) wird gleichfalls eine Polaritätskennung vorgenommen, wodurch die Schalt­ schwellenüberschreitungen und die Schaltschwellen­ unterschreitungen einer getrennten Signalverstärkung der nachfolgenden Verstärkerschaltung (26) zugeführt werden.

Der so erhaltene und verstärkte rechteckförmige Spannungsimpuls, der während des Zeitraums der positiven Wechselspannungshalbwelle gebildet wurde, erzeugt in einer elektrischen Schalterschaltung (25) einen Schaltspannungsimpuls (35) am zweiten Ausgang (24) der Steuereinrichtung (27).

Durch den Schaltspannungsimpuls (35) werden das dritte Einlaßventil (18) und das erste Auslaßventil (9) für die Dauer des rechteckförmigen Spannungsim­ pulses (35) betätigt, so daß in die zweite Druckmit­ telkammer (16) eine bestimmte zusätzliche Menge Druckluft einströmt, während gleichzeitig aus der ersten Druckmittelkammer (14) die gleiche Menge Luft ausgelassen wird. Der Kolben (12) des Arbeitszylin­ ders (13) wird sich deshalb eine bestimmte Strecke in Richtung auf die erste Druckmittelkammer (14) zubewegen.

Gleichfalls wird im geringen zeitlichen Abstand ein Schaltimpuls (36) während des Zeitraums des Unterschreitens des Schaltschwellenbereiches das andere Ventilpaar (10, 19) für einen kürzeren Zeitraum betätigen, so daß auch zusätzliche Druck­ luft in die erste Druckmittelkammer (14) einströmt und gleichzeitig Druckluft aus der zweiten Druck­ mittelkammer (16) ausgelassen wird. Da die Ventil­ einrichtung (23) üblicherweise mit einer Frequenz von 10 bis 20 Hz betrieben wird, ist die Massenträg­ heit des Kolbensystems so groß, daß sich der Kolben (12) lediglich um den Differenzbetrag in Richtung auf die erste Druckmittelkammer (14) zubewegt.

Durch eine rasche zeitliche Abfolge der jeweiligen Schaltimpulse (35, 36) ergibt sich eine kontinuier­ liche Kolbenbewegung, deren Geschwindigkeit sich entsprechend der Dauer der Differenz der beiden Schaltimpulszeiten verhält. Da der Schaltimpuls (35) am zweiten Ausgang (24) der Steuereinrichtung (27) etwa die doppelte Impulszeit beträgt als der Schalt­ impuls (36) am ersten Ausgang (5), bewegt sich der Kolben (12) kontinuierlich in Richtung auf die erste Druckmittelkammer (14) zu.

Die Dauer der einzelnen Schaltspannungsimpulse (35, 36) ist durch eine stufenlose Einstellung des Schaltschwellenbereiches (32) durch das Stellglied (3) veränderbar. Dabei ergibt eine Vergrößerung des Schaltschwellenbereiches (32) eine zeitliche Verkür­ zung der einzelnen Schaltspannungsimpulse (35, 36). Hierdurch ist allerdings die Differenzzeit der beiden Signalfolgen nicht beeinflußbar. Ein günsti­ ges Schwingungsverhalten des Zylinder-Masse-Systems und ein niedriger Luftverbrauch ergibt sich, wenn der Schaltschwellenbereich (32) etwa ²/₃ des Amlitudenwertes der pulsierenden Steuerspannung (30) beträgt. Eine Optimierung des Systems ist allerdings erst unter Berücksichtigung der jeweili­ gen Arbeitslasten erreichbar.

Durch eine Veränderung der pulsierenden Steuerspan­ nung (30) am Eingang (1) der Steuereinrichtung (27) tritt eine Verschiebung gegenüber den Schaltschwel­ lenspannungen (31, 34) ein. Dadurch erfolgt gleich­ zeitig ein Änderung der zeitlichen Dauer der Schaltspannungsimpulse (35, 36), die auch eine Änderung der Kolbengeschwindigkeit zur Folge haben. Bei einer kontinuierlichen Veränderung der Eingangs­ spannung (30) ist deshalb eine stufenlose Geschwin­ digkeitssteuerung erreichbar. Eine solche Steuerung ist auch rechnergesteuert möglich, so daß auch während eines Betätigungsweges unterschiedliche Kolbengeschwindigkeiten ansteuerbar sind. So ist es auch möglich, die Kolbengeschwindigkeit am Ende eines Betätigungsweges zu verringern.

Hingegen ist die Kolbengeschwindigkeit gleich null, wenn die Steuerspannung (30) den Schaltschwellenbe­ reich (32) symmetrisch durchläuft, weil dann die Dauer des Überschreitens der oberen Schaltschwellen­ spannung (31) gleich der Dauer des Unterschreitens der unteren Schaltschwellenspannung (34) entspricht. Da die Steuerspannung (30) gegenüber den Schalt­ schwellenspannungen (31, 34) sowohl erhöht als auch gesenkt werden kann, ergibt sich gleichzeitig die Möglichkeit, eine Richtungsänderung der Kolbenbewe­ gung hervorzurufen. Dadurch können auch unterschied­ liche Betätigungsgruppen mit Richtungsänderungen bei der gleichen Arbeitszylinderausführung erreicht werden.

Darüber hinaus ist die Steuereinrichtung (27) auch so ausführbar, daß die Steuerspannung lediglich als eine gleichbleibende Steuergleichspannung auf den Eingang (1) zu geben ist, während die dreieckförmige Wechselspannung in einer Generatorschaltung der Steuereinrichtung erzeugt wird und durch eine Modulatorschaltung der Steuergleichspannung additiv überlagert wird.

Die Steuereinrichtung kann hingegen auch so ausge­ führt sein, daß der Arbeitszylinder lediglich über eine Druckmittelkammer verfügt. Dabei ist der Kolben auf der der Druckmittelkammer abgewandten Seite gegen eine Druckfeder verschiebbar. Bei einer solchen Ausführungsart würde das Einlaß- und das Auslaßventil der einen Kammer direkt mit den beiden Ausgängen (5, 24) der Steuereinrichtung (27) verbun­ den. Die bei einem Arbeitszylinder mit zwei Druck­ mittelkammern erforderlichen weiteren zwei Magnet­ ventile könnten demgegenüber eingespart werden.

Die Zeichnung zeigt in Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung der wesentlichen Elemente einer Einrich­ tung zur Positionierung des Kolbens eines Arbeits­ zylinders.

Der aus zwei Druckmittelkammern bestehende Arbeits­ zylinder (55) ist mit einer Sensoreinrichtung (59) verbunden, die die Istwertsignale für eine Regelein­ richtung (75) liefert. Dabei sind die Ausgänge (47, 70) der Regeleinrichtung (75) mit einer Ventilein­ richtung (66) verbunden, deren Ventile (51, 52, 64, 65) den Druckmittelfluß in die beiden Druckmittel­ kammern (54, 60) einsteuern. Der Arbeitszylinder (55) besteht aus einer ersten Druckmittelkammer (54) und einer zweiten Druckmittelkammer (60), die durch einen Kolben (56) getrennt sind. Der Kolben (56) ist mit einer Kolbenstange (61) verbunden, an der verschiedene Arbeitslasten befestigt werden können.

Die Kolbenstange (61) ist noch mit einem Betätigungs­ mechanismus versehen, der mit der Sensoreinrichtung (59) verbunden ist. Die Sensoreinrichtung (59) besteht aus einem verstellbaren Widerstand (58), der durch den Betätigungsmechanismus entsprechend der Kolbenbewegung verstellt wird. Die am Widerstand (58) jeweils abgegriffene Gleichspannung wird durch eine Leitung (57) auf den Istwerteingang (40) der Regeleinrichtung (75) geführt.

Die Regeleinrichtung (75) verfügt außerdem noch über einen zweiten Eingang, den Sollwerteingang (76), der zur Einspeisung einer Sollwertgleichspannung dient. In der Regeleinrichtung (75) sind beide Eingänge zu einer Vergleicherschaltung (41) geführt, die mit einer Mudulatorschaltung (42) verbunden ist.

Der Modulatorschaltung (42) wird gleichfalls von einer Generatorschaltung (44) eine dreieckförmige Wechselspannung zugeführt. Das in der Modulatorschal­ tung (44) erzeugbare überlagerte Signal dient zur Steuerung einer Triggerschaltung (74), die daraus Rechtecksignale ausbildet, die über eine Verstärker­ schaltung (73) zwei elektronischen Schaltern (46, 71) zugeleitet werden. Dabei ist dem ersten Ausgang (47) ein erster Schalter (46) um dem zweiten Ausgang (70) ein zweiter Schalter (71) zugeordnet, wobei die Schalter zur Ausbildung von Schaltsignalen für die Ansteuerung der Magnetventile (51, 52, 64, 65) dienen.

Der Generatorschaltung (44), der Modulatorschaltung (42) und der Triggerschaltung (74) sind Stellglie­ der (43, 45, 72) zugeordnet, die eine stufenlose Verstellbarkeit des Schaltschwellenspannungsberei­ ches, der Wechselspannungsfrequenz und der Wechsel­ spannungsamplitude ermöglichen, wobei alle Stell­ größen auf den Wert null veränderbar sind.

Die Magnetventileinrichtung (66) besteht aus einer Baugruppe von vier gleichartigen 2/2-Wege-Magnetven­ tilen (51, 52, 64, 65), deren Steueranschlüsse (49, 50, 68, 67) mit den Ausgängen (46, 70) der Regelein­ richtung (75) verbunden sind. Dabei wird der Steuer­ anschluß (50) des ersten Magnetventils (51) mit dem Steueranschluß (68) des dritten Magnetventils (64) verbunden und über eine gemeinsame Leitung (69) an den zweiten Ausgang (70) der Regeleinrichtung (75) geführt. Gleichfalls ist der Steueranschluß (49) des zweiten Magnetventils (52) mit dem Steueranschluß (67) des vierten Magnetventils (65) verbunden und durch eine gemeinsame Leitung (48) auf den ersten Ausgang (47) der Regeleinrichtung (75) gelegt.

Das erste Magnetventil (51) stellt ein Auslaßventil dar und ist mit dem zweiten Ventil (52), einem Einlaßventil, durch eine gemeinsame Druckmittellei­ tung (53) mit der ersten Druckmittelkammer (54) des Arbeitszylinders (55) verbunden. Gleichfalls ist das vierte Ventil (65), ein Auslaßventil, mit dem dritten Ventil (64), einem Einlaßventil, über eine gemeinsame Druckmittelleitung (62) mit der zweiten Druckmittelkammer (6) des Arbeitszylinders (55) verbunden. Die beiden Einlaßventile (52, 64) sind über eine weitere gemeinsame Druckmittelleitung mit einer Druckmittelquelle (63) verbunden, die die Einlaßventile (52, 64) mit Druckluft versorgt.

In Fig. 6 der Zeichnung ist ein Regelspannungsver­ lauf (81) dargestellt, der den gesamten wirksamen Regelspannungsbereich abdeckt. Dieser Spannungsver­ lauf (81) ist über der Zeit in einem Koordinaten­ system aufgetragen. Dabei ist ein Regelspannungsbe­ reich (81) dargestellt, der in einer Werteskala einen Bereich von -6 bis +6 umfaßt. Für die Festle­ gung der Werteskala wurde ein willkürlicher Span­ nungsmaßstab gewählt, der je nach den praktischen Erfordernissen ganz bestimmte Spannungswerte anneh­ men kann. Diese hängen in erster Linie von der maximal möglichen Differenz der Ist- und Sollwert­ spannungen ab.

Die pulsierende Regelspannung (81) verläuft dabei dreieckförmig um eine Regelabweichungsspannung (80), deren Verlauf nur angedeutet ist. Die Regelabwei­ chungsspannung (80) stellt die jeweilige Differenz aus den möglichen Soll- und Istwertspannungen dar. Parallel zur Zeitachse t ist ein Schaltschwellenbe­ reich (78) eingetragen, der einen oberen Wert (77) von +1 und einen unteren Wert (79) von -1 angibt. Dabei durchläuft die Regelspannung (81) einen zeitlichen Bereich, in dem eine ganze Regelspannungs­ amplitude den Schaltschwellenbereich (78) unter­ schreitet und einen Bereich, in dem wiederum eine Regelspannungsamplitude den Schaltschwellenbereich (78) überschreitet. Dieser Bereich enthält alle möglichen Regelzustände der Positioniereinrichtung.

In Fig. 7 der Zeichnung ist zeitgleich zum Regel­ spannungsverlauf (81) der Schaltspannungsverlauf (83) am zweiten Ausgang (70) der Regeleinrichtung (75) dargestellt. Aus dem Schaltspannungsverlauf (83) ist ersichtlich, daß eine Abhängigkeit zum Regelspannungsverlauf (81) besteht. Dabei entspricht die Impulsdauer der Schaltspannungsimpulse (82) der Dauer des Überschreitens der oberen Schaltschwel­ lenspannung (77) durch die Regelspannung (81).

In dem Zeitpunkt, in dem die pulsierende Regelspan­ nung (81) mit einer gesamten Amplitude den oberen Schaltschwellenbereich (77) überschreitet, entsteht ein Dauerimpuls (86) an den Eingängen (50, 68) der gesteuerten Magnetventile (51, 64), so daß bei großer Regelabweichung ein zeitweiliger Übergang vom Pulsierbetrieb zum Dauerbetrieb eintritt. In diesem Betriebszustand ist das dem zweiten Ausgang (70) zugeordnete Magnetventilpaar (51, 64) (zweites Magnetventilpaar) dauernd geöffnet, während daß dem ersten Ausgang (47) zugeordnete Ventilpaar (52, 65) (erstes Magnetventilpaar) immer geschlossen ist. Hierdurch entsteht im Dauerbetrieb zwischen dem zweiten Magnetventilpaar (51, 64) und dem ersten Magnetventilpaar (52, 65) ein Öffnungsverhältnis (Impulsverhältnis) dessen Wert unendlich ist. Im umgekehrten Fall, bei dem das zweite Magnetven­ tilpaar (51, 64) dauernd geschlossen ist, während das erste Magnetventilpaar (52, 65) geöffnet ist, beträgt das Öffnungsverhältnis hingegen einen Wert von null. Diese beiden Werte geben den Regelbereich an, zwischen dem sich das Öffnungsverhältnis der beiden Ventilpaare bewegen kann. Bei einem zeit­ lichen Impulsverhältnis von 1 findet hingegen keine Regelung statt, da dann beide Ventilpaare stets gleich große Zeiträume geöffnet sind, was praktisch den Stillstand des Kolbens bedeutet.

In Fig. 8 der Zeichnung ist zeitgleich zum Regel­ spannungsverlauf (81) der Schaltspannungsverlauf (84) am ersten Ausgang (47) der Regeleinrichtung (75) dargestellt. Diesem Ausgang (47) sind die Schaltsignale zugeordnet, die beim Unterschreiten des Schaltschwellenbereiches (78) erzeugt werden. Es ist ersichtlich, daß solange ein Dauerimpuls am ersten Ausgang (47) anliegt, die pulsierende Regel­ spannung (81) die untere Schaltungsspannungsschwelle (79) nicht überschreitet. Sobald die pulsierende Regelspannung (81) in den Schaltschwellenbereich (78) hineinragt, liegt keine Schaltspannung mehr am ersten Ausgang der Regeleinrichtung (75) an. Die Schaltspannungsimpulse (85) werden somit nur für den Zeitraum erzeugt, für den die pulsierende Regelspan­ nung (81) den Schaltschwellenbereich (78) unter­ schreitet.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung wird nachstehend näher erläutert.

Es wird angenommen, daß der Kolben (56) des Arbeits­ zylinders (55) eine bestimmte Stellung innehat, die etwa in der Mitte des Zylinders (55) sein kann.

Durch die Betätigungseinrichtung zwischen dem Kolben (61) und der Sensoreinrichtung (59) wird an einem Widerstand (58) der Sensoreinrichtung (59) eine bestimmte Gleichspannung abgegriffen, die der Iststellung entspricht. Durch eine Leitung (57) liegt diese Spannung am Istwerteingang (40) der Regeleinrichtung (75) an. Wird nun unterstellt der Kolben solle eine andere Position einnehmen, so wird am Sollwerteingang (75) eine der gewünschten Stel­ lung entsprechende Gleichspannung angelegt. Es wird angenommen, diese Spannung sei größer als die Istwertspannung.

Aus diesen beiden Gleichspannungen wird in einer Vergleicherschaltung (41) eine Differenzspannung (Regelabweichungsspannung) gebildet. Die in der Generatorschaltung (44) erzeugte dreieckförmige Wechselspannung wird in der Modulatorschaltung (42) der Differenzspannung additiv überlagert, so daß eine pulsierende Gleichspannung entsteht, deren Verlauf der dreieckförmigen Wechselspannung ent­ spricht. Dabei ist sowohl die Amplitude der Wech­ selspannung durch ein Spannungsstellglied (43) als auch die Frequenz durch ein Stellglied (45) ver­ änderbar. Die pulsierende Gleichspannung stellt dabei die Regelspannung (81) dar. In der nachfol­ genden Triggerschaltung (74) wird die pulsierende Regelspannung (81) mit einem einstellbaren Schalt­ schwellenbereich (78) verglichen. Dabei ist der Schaltschwellenbereich (78) durch ein Bereichs­ stellglied (72) veränderbar.

Der Regelspannungsbereich ist hierbei willkürlich so gewählt, daß die positive Halbwelle (88) den Schalt­ schwellenbereich (78) etwa doppelt so lang über­ schreite als die negative Halbwelle (87). Aus der pulsierenden Regelspannung (81) bildet die Trigger­ schaltung (74) zunächst einen rechteckförmigen Spannungsimpuls, dessen zeitliche Länge der Dauer des Überschreitens der positiven Halbwelle (88) entspricht (Pulsbreitenmodulation). In der Trigger­ schaltung (74) wird gleichfalls eine Polaritätsken­ nung vorgenommen, wodurch die Schaltschwellenüber­ schreitungen und die Schaltschwellenunterschrei­ tungen einer getrennten Signalveränderung der nachfolgenden Verstärkerschaltung (73) zugeführt werden.

Der so erhaltene und verstärkte rechteckförmige Spannungsimpuls, der während des Zeitraums der positiven Wechselspannungshalbwelle (88) gebildet wurde, erzeugt in einer elektrischen Schalterschal­ tung (71) einen Schaltspannungsimpuls (82) am zweiten Ausgang (70) der Regeleinrichtung (75).

Durch den Schaltspannungsimpuls (82) werden das dritte Einlaßventil (64) und das erste Auslaßventil (51) für die Dauer des rechteckförmigen Spannungsim­ pulses (82) betätigt, so daß in die zweite Druckmit­ telkammer (60) eine bestimmte Menge Druckluft einströmt, während gleichzeitig aus der ersten Druckmittelkammer (54) die gleiche Menge Druckluft ausgelassen wird. Der Kolben (56) des Arbeitszylin­ ders (55) wird sich deshalb eine bestimmt Strecke in Richtung auf die erste Druckmittelkammer (54) zubewegen.

Gleichfalls wird in geringem zeitlichen Abstand ein Schaltspannungsimpuls (85) während des Zeitraums des Unterschreitens des Schaltschwelenbereiches das andere Ventilpaar (52, 65) für einen kürzeren Zeitraum betätigen, so daß auch Druckluft in die erste Druckmittelkammer (54) einströmt und gleich­ zeitig Druckluft aus der zweiten Druckmittelkammer (60) ausgelassen wird. Da die Ventileinrichtung (66) üblicher Weise mit einer Frequenz von etwa 10 bis 20 Hz betrieben wird, ist die Massenträgheit des Kolbensystems so groß, daß sich der Kolben (56) lediglich um den Differenzbetrag in Richtung auf die erste Druckmittelkammer (54) zubewegt. Dadurch ergibt sich gleichfalls ein neuer Istspannungswert am Sensorwiderstand (58), so daß der gleiche Vorgang mit etwas verminderter Differenzspannung wiederholt wird. Dabei werden die Schaltimpulse (82) am zweiten Ausgang (70) fortlaufend kleiner und am ersten Ausgang (47) fortlaufend größer, bis beide beim Errechnen der Sollkolbenstellung die gleiche Dauer aufweisen. In diesem Zeitpunkt wird der Kolben (56) still gesetzt, während die Ventileinrichtung (66) noch weiterhin pulsiert. Da dann beide Impulszeit­ räume gleich groß sind, entsteht ein leichtes Vibrieren am Kolben (56), das ein Ankleben des Dichtungsmaterials verhindert.

Claims (12)

1. Einrichtung zur Steuerung des Kolbens eines Arbeitszylinders mit folgenden Merkmalen:

• a) Es ist eine Ventileinrichtung zum Füllen und Entleeren mindestens einer Druckmit­ telkammer vorgesehen;
• b) es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, bei der Steuersignale am Eingang zur Bildung von Schaltsignalen für die Ventil­ einrichtung dienen;
• c) die Ventileinrichtung ist so ausgebildet, daß für jede Druckmittelkammer mindestens je ein Einlaßventil und mindestens je ein Auslaßventil vorgesehen ist;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• d) Die Steuereinrichtung (27, 75) ist so ausgebildet, daß das Einlaßventil (10, 18, 52, 64) und das Auslaßventil (9, 19, 51, 65) im zeitlichen Wechsel impulsartig ansteuerbar ist, wobei das zeitliche Verhältnis zwischen der Dauer der Einlaß­ ventil-Schaltimpulse und der Dauer der Auslaßventil-Schaltimpulse in Abhängigkeit von den Steuersignalen zwischen null und unendlich veränderbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, für einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder, dadurch gekennzeich­ net, daß der Steueranschluß (7, 21, 49, 68) des Einlaßventils (10, 18, 52, 64) der einen Druckmittelkammer jeweils mit dem Steueran­ schluß (8, 20, 50, 67) des Auslaßventils (9, 19, 51, 65) der anderen Druckmittelkammer (14, 16, 54, 60) verbunden und jeweils mit einer gemeinsamen Leitung (6, 22, 48, 69) zu einem der beiden Ausgänge (5, 24, 47, 70) der Steuer­ einrichtung (27, 75) geführt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (23, 66) mehrere gleichartige als Einlaßventil bzw. Auslaßventil dienende 2/2-Wege-Magnetventile (9, 10, 18, 19, 51, 52, 64, 65) enthält, die mit hoher Schaltgeschwindigkeit steuerbar sind, wobei die Schaltfrequenz der Ventile höher ist als die Frequenz des pulsierenden Steuersignals (30, 81).

4. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27, 75) als Elektronik­ schaltung ausgebildet ist, deren Steuersignal eine veränderbare dreieckförmige pulsierende Gleichspannung (30, 81) ist, die von einer Triggerschaltung (2, 74) mit einem bestimmbaren Schaltschwellenbereich (32, 78) verglichen wird, und wobei die Triggerschaltung für die Dauer des Über- und/oder Unterschreitens dieses Bereiches rechteckförmige Spannungssignale erzeugt und auch eine Signaltrennung vornimmt, die das erzeugte rechteckförmige Signal für den Zeitraum des Unterschreitens dem einen Ausgang und für die Dauer des Überschreitens dem anderen Ausgang der Steuereinrichtung (27, 75) zuordnet.

5. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27) so ausgebildet ist, daß am Eingang (1) als Steuersignal eine veränderbare Gleichspannung anlegbar ist, die in einer Modulatorschaltung mit einer von einer Generatorschaltung erzeugten dreieckförmigen Wechselspannung additiv überlagert wird, wodurch eine pulsierende dreieckförmige Gleich­ spannung entsteht, die der nachfolgenden Triggerschaltung (2) zuführbar ist.

6. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27, 75) so ausgebildet ist, daß der Steuereingang (1, 76) mit einer Rechnerschaltung verbindbar ist und in bestimm­ ten zeitlichen Abständen eine Abfolge vorbe­ stimmbarer Steuerspannungswerte erhält, die zur permanenten Steuerung eines vorgegebenen programmgesteuerten Kolbenverlaufes dienen.

7. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• a) Es ist eine Sensoreinrichtung (59) zur Feststellung der Kolbenposition vorge­ sehen, die zur Abgabe von Istwertsignalen dient;
• b) es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die auch als Regeleinrichtung (75) ausge­ bildet ist und in der die Istwertsignale mit Sollwertsignalen vergleichbar sind und die zugleich zur Steuerung der Ventilein­ richtung (66) dient;
• c) die Regeleinrichtung (75) ist so ausge­ bildet, daß das zeitliche Verhältnis zwischen der Dauer der Einlaßventil- Schaltimpulse und der Dauer der Auslaß­ ventil-Schaltimpulse in Abhängigkeit der Regelabweichung zwischen null und unend­ lich veränderbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regeleinrichtung (75) so ausgebildet ist, daß in einer Vergleicherschal­ tung (41) aus unterschiedlichen Soll- und Istwertsignalen eine Regelabweichungsspannung (80) entsteht, die in einer Modulatorschaltung (42) mit einer von einer Generatorschaltung (44) erzeugten dreieckförmigen Wechselspannung additiv überlagert wird, wodurch eine pulsieren­ de Gleichspannung als Regelspannung (81) entsteht, die der Triggerschaltung (74) als Steuersignal dient.

9. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (23, 66) und die Steuereinrichtung (27, 75) als Baueinheit ausgebildet sind.

10. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (23) unmittelbar am Arbeitszylinder (13) angeordnet und mit diesem baulich verbunden ist.

11. Einrichtung nach mindestens einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben gegen eine Rückstellfeder verschieb­ bar ist.