EP1365159B1 - Elektrische Einrichtung für die Ansteuerung eines Ventils mit einer Verschleisszustandserkennung - Google Patents

Elektrische Einrichtung für die Ansteuerung eines Ventils mit einer Verschleisszustandserkennung Download PDF

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EP1365159B1
EP1365159B1 EP03101417A EP03101417A EP1365159B1 EP 1365159 B1 EP1365159 B1 EP 1365159B1 EP 03101417 A EP03101417 A EP 03101417A EP 03101417 A EP03101417 A EP 03101417A EP 1365159 B1 EP1365159 B1 EP 1365159B1
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valve
switching
wear
switching mechanism
electronics unit
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Albert Dipl-Ing Gerhard
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Bosch Rexroth AG
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Bosch Rexroth AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B19/00—Testing; Calibrating; Fault detection or monitoring; Simulation or modelling of fluid-pressure systems or apparatus not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B13/00—Details of servomotor systems ; Valves for servomotor systems
    • F15B13/02—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors
    • F15B13/04—Fluid distribution or supply devices characterised by their adaptation to the control of servomotors for use with a single servomotor
    • F15B13/0401—Valve members; Fluid interconnections therefor
    • F15B13/0402—Valve members; Fluid interconnections therefor for linearly sliding valves, e.g. spool valves

Definitions

  • the invention relates to a valve with an electronic unit for switching a pressure medium flow between at least two outer terminals (P, A) by means of an integrated switching mechanism which can be actuated via electrical control signals.
  • the present invention also relates to a pneumatic valve unit equipped with such valves.
  • the Pneumatic Program from Bosch "(Issue 15.31, Page 5.52 ) is a pneumatic multi-way valve, which is controlled by a generic electrical device.
  • the multiway valve has at least one multi-pole electrical connection, which is assigned to a pilot valve.
  • the pilot valve is attached to the end of the valve housing of the multi-way valve and serves to supply a pilot control with a control pressure.
  • About the pilot control here designed as a valve spool integrated switching mechanism is adjusted axially. Due to the axial adjustment, the outer connections of the multi-way valve are connected to each other via pressure medium.
  • the multi-way valve Since this is a 5/2-way valve, the multi-way valve has a total of five outer ports, of which a connection for the feed pressure supply (P) is provided. Two further connections serve as working connections (A, B) and the remaining two connections are provided for the ventilation (R, S).
  • the integrated switching mechanism can be both spring-reset and actively bidirectionally driven. In the first case, only a single pilot valve is required; for active directional drive, however, a pilot valve is provided on each end face of the multi-way valve.
  • the electrical control signals for the pilot valve (s) are generated by a higher-level control unit.
  • the higher-level control unit coordinates the actions of all multi-way valves and other active components of a pneumatic system.
  • the invention is also applicable to other valves, such as pressure control valves, which are usually constructed in the manner of a poppet valve, and the like.
  • valve As part of a pneumatic system, for example in the field of handling technology as a workpiece feeding robot for machine tools, the problem arises that in case of failure of a valve, the entire pneumatic system can fail, resulting in downtime in the production line. Danger of failure in a pneumatic system are mainly the valves, as they are exposed to a particularly high mechanical cycling during operation.
  • valves In addition to this failure problem of valves, it can also come in a pneumatic system due to progressive wear to a constantly slowing down the switching of the valve, which can cause impermissible conditions in the pneumatic system.
  • the invention includes the device-related teaching that an electronic unit is provided, which on the input side receives the electrical control signal for the valve and a following to a drive pulse electrical response signal, from which the electronic unit determined by comparing the time interval between the two signals to calculate the switching delay as Determine the degree of wear of the switching mechanism.
  • the advantage of the invention is, in particular, that the electronics required for controlling a valve can be enriched by an electronic unit with the function according to the invention in a simple manner. This can be displayed with a small additional component cost.
  • the invention is based on the finding that an extension of the switching time of a valve over its entire operating time is directly related to its state of wear.
  • the invention allows a timely detection of undesirably long switching times targeted replacement of multi-way valves or their wearing parts, which would fail in the foreseeable future. This ensures preventive maintenance of pneumatic systems.
  • a pressure sensor For generating the electrical reaction signal, which is needed for the comparison with the electrical drive signal, a pressure sensor is provided which is electrically connected to the electronic unit.
  • the equipment of a conventional valve with a pressure sensor requires only a small additional manufacturing effort.
  • the arrangement of the pressure sensor takes place in the region of the feed pressure connection of the valve.
  • the reaction signal is created by the feed pressure drop when switching the valve.
  • the arrangement of the pressure sensor in the region of the feed pressure port is particularly suitable for equipping an entire valve unit with the wear condition detection, since here a single pressure sensor is sufficient, which is to be integrated into the central supply pressure supply of the valve unit. Because this reaction signal thus applies to all valves, but the electrical control signal is present individually for each valve of the valve unit, the state of wear of each individual valve located in the composite of a valve unit can also be determined by the comparison.
  • the electronic unit is designed such that the switching delay determined via the control signal and the reaction signal is compared with a stored setpoint value for an admissible switching delay, in order to define a wear limit, which is maintenance or replacement of the valve indexed.
  • the wear limit and / or the state of wear of the valve is preferably displayed by means of an output unit connected downstream of the electronics unit.
  • the output unit is, for example, a simple indicator light whose illumination indicates the wear limit.
  • the current state of wear can be evaluated via a computer-aided diagnosis, including For example, a diagnostic connector of a computer with the parent control unit of a pneumatic system can be connected.
  • FIG. 1 shows a schematic representation in the form of a block diagram of an electrical device for controlling a valve.
  • the valve 1 fulfills the function of a 2/2-way valve in this embodiment and is equipped with a corresponding integrated switching mechanism 2 in the form of a valve spool assembly.
  • the switching mechanism 2 controls the flow of compressed air from a feed pressure port P to a working port A back. In the open position of the valve 1 shown compressed air passes unhindered from the feed pressure port P to the working port A. In the other - not shown here - switching position of the compressed air flow between the feed pressure port P and the working port A is locked.
  • the electrical control signal 4 for the valve 1 is delivered by a - not shown here - higher-level control unit.
  • an electronic unit 5 which receives the electrical drive signal 4 on the input side. Also on the input side, the electronic unit 5 receives an electrical reaction signal 6, which is obtained via a pressure sensor 7a.
  • the pressure sensor 7a is arranged in the region of the feed pressure ports P.
  • a pressure sensor 7 is further arranged in the region of the working port A of the multi-way valve 1, which registers a working pressure increase in response to an electrical control signal 4 at the pilot valve 3.
  • the electronic unit 5 determined by comparison the time interval between the drive signal 4 and the response signal 6, to determine from this the switching delay of the valve 1 as a measure of the state of wear of the integrated switching mechanism 2.
  • a signal derived therefrom, which characterizes the current state of wear, is made available to an output unit 8 arranged downstream of the electronic unit 5.
  • the output unit 8 visually displays the current state of wear.
  • the present invention is not limited to the preferred embodiment described above. On the contrary, modifications are also conceivable which are also included within the scope of the claims. Thus, the invention is not only applicable to a valve 1, which is designed in the manner of a pilot-operated spool valve, such as in a driven via a proportional solenoid pressure control valve. Furthermore, the arrangement of a pressure sensor 7a for detecting the electrical reaction signal 6 is not limited to the here preferably only indicated location within the multi-way valve 1. The pressure sensor 7a can also be placed outside the valve 1 in a suitable manner, if from this a useful value for the switching delay can be obtained in comparison with the electrical drive signal 4.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einer Elektronikeinheit zum Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mindestens zwei äußeren Anschlüssen (P, A) mittels einer integrierten Schaltmechanik, die über elektrische Ansteuersignale betätigbar ist. Die vorliegende Erfmdung betrifft weiterhin auch eine pneumatische Ventileinheit, welche mit solchen Ventilen ausgestattet ist.
  • Aus dem Produktkatalog "Das Pneumatik-Programm von Bosch" (Ausgabe 15.31, Seite 5.52) geht ein pneumatisches Mehrwegeventil hervor, welches über eine gattungsgemäße elektrische Einrichtung angesteuert wird. Hierzu weist das Mehrwegeventil mindestens einen mehrpoligen elektrischen Anschluss auf, der einem Pilotventil zugeordnet ist. Das Pilotventil ist stimseitig am Ventilgehäuse des Mehrwegeventils angebracht und dient der Beaufschlagung einer Vorsteuerung mit einem Steuerdruck. Über die Vorsteuerung wird die hier als Ventilschieber ausgeführte integrierte Schaltmechanik axial verstellt. Durch die axiale Verstellung werden die äußeren Anschlüsse des Mehrwegeventils druckmittelvermittelnd miteinander verbunden. Da es sich hier um ein 5/2-Wegeventil handelt, besitzt das Mehrwegeventil insgesamt fünf äußere Anschlüsse, von denen ein Anschluss für die Speisedruckversorgung (P) vorgesehen ist. Zwei weitere Anschlüsse dienen als Arbeitsanschlüsse (A, B) und die verbleibenden zwei Anschlüsse sind für die Entlüftung (R, S) vorgesehen. Die integrierte Schaltmechanik kann sowohl federrückgestellt als auch aktiv bidirektional angetrieben werden. Ersterenfalls ist lediglich ein einziges Pilotventil erforderlich; zum aktiven direktionalen Antrieb ist dagegen an jeder Stirnseite des Mehrwegeventils ein Pilotventil vorgesehen.
  • Gewöhnlich werden die elektrischen Ansteuersignale für das bzw. die Pilotventile von einer übergeordneten Steuereinheit aus generiert. Die übergeordnete Steuereinheit koordiniert die Aktionen aller Mehrwegeventile und sonstigen aktiven Bestandteile eines pneumatischen Systems.
  • Neben dem vorstehend beschriebenen Mehrwegeventil, welches als Schieberventil ausgebildet ist, ist die Erfindung auch auf andere Ventile anwendbar, beispielsweise auf Druckregelventile, welche üblicherweise nach Art eines Sitzventils aufgebaut sind, und dergleichen.
  • Beim Einsatz eines Ventils als Bestandteil eines pneumatischen Systems, beispielsweise auf dem Gebiet der Handhabungstechnik als Werkstückzuführroboter für Werkzeugmaschinen, tritt das Problem auf, dass bei Ausfall eines Ventils das gesamte pneumatische System ausfallen kann, was zu Ausfallzeiten in der Fertigungslinie führt. Ausfallgefährdet bei einem pneumatischen System sind vor allem die Ventile, da diese einer besonders hohen mechanischen Wechselbeanspruchung im Betrieb ausgesetzt sind.
  • Um dieses Problem zu beherrschen war es bisher üblich, entweder einen defekten Bestandteil eines pneumatischen Systems erst auszutauschen, nachdem dieses defekt ist; zum anderen wurde vereinzelt ein vorsorglicher Austausch nach Ablauf der geschätzten Standzeit des Ventils vorgenommen. Bei der letztgenannten Methode erfolgte der Austausch oftmals bereits weit vor der tatsächlichen Verschleißgrenze, da wegen der Variationsbreite große Abweichungen zwischen der geschätzten Standzeit und der tatsächlichen Standzeit auftreten.
  • Neben dieser Ausfallproblematik von Ventilen kann es bei einem pneumatischen System infolge fortschreitenden Verschleißes auch zu einem sich stetig verlangsamenderen Schalten des Ventils kommen, was unzulässige Zustände im pneumatischen System herbeiführen kann.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventil der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass über einfache Mittel eine Ermittlung des tatsächlichen Verschleißzustandes möglich ist.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich eines Ventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich einer hieraus aufgebauten pneumatischen Ventileinheit wird die Aufgabe mit dem Anspruch 6 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die einrichtungstechnische Lehre ein, dass eine Elektronikeinheit vorgesehen ist, welcher eingangsseitig das elektrische Ansteuersignal für das Ventil und ein auf einen Ansteuerimpuls folgendes elektrisches Reaktionssignal zugeht, woraus die Elektronikeinheit durch Vergleich den zeitlichen Abstand zwischen beiden Signalen ermittelt, um hieraus die Schaltverzögerung als Maß des Verschleißzustandes der Schaltmechanik zu bestimmen.
  • Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass die zur Ansteuerung eines Ventils ohnehin benötigte Elektronik um eine Elektronikeinheit mit der erfindungsgemäßen Funktion in einfacher Weise bereichert werden kann. Dieses ist mit einem geringen zusätzlichen Bauteileaufwand darstellbar. Die Erfmdung basiert auf der Erkenntnis, dass eine Verlängerung der Schaltzeit eines Ventils über dessen gesamte Betriebszeit im direkten Zusammenhang mit dessen Verschleißzustand steht. Somit ermöglicht die Erfindung über eine rechtzeitige Erkennung unerwünscht langer Schaltzeiten einen gezielten Austausch von Mehrwegeventilen oder deren Verschleißteile, welche in absehbarer Zeit ausfallen würden. Damit ist eine präventive Wartung pneumatischer Systeme gewährleistbar.
  • Zur Erzeugung des elektrischen Reaktionssignals, welches für den Vergleich mit dem elektrischen Ansteuersignal benötigt wird, ist ein Drucksensor vorgesehen, der elektrisch mit der Elektronikeinheit in Verbindung steht. Die Ausrüstung eines herkömmlichen Ventils mit einem Drucksensor erfordert einen nur geringen zusätzlichen Herstellungsaufwand.
  • Die Anordnung des Drucksensors erfolgt im Bereich des Speisedruckanschlusses des Ventils. Das Reaktionssignal entsteht hierbei durch den Speisedruckabfall beim Schalten des Ventils. Die Anordnung des Drucksensors im Bereich des Speisedruckanschlusses ist besonders geeignet zur Ausrüstung einer ganzen Ventileinheit mit der Verschleißzustandserkennung, da hier ein einziger Drucksensor ausreicht, welcher in die zentrale Speisedruckversorgung der Ventileinheit zu integrieren ist. Weil dieses Reaktionssignal somit für alle Ventile gilt, aber das elektrische Ansteuersignal für jedes Ventil der Ventileinheit einzeln vorliegt, lässt sich auch der Verschleißzustand jedes einzelnen sich im Verbund einer Ventileinheit befindlichen Ventils durch den Vergleich ermitteln.
  • Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist die Elektronikeinheit so ausgelegt, dass die über das Ansteuersignal und das Reaktionssignal ermittelte Schaltverzögerung mit einem hinterlegten Sollwert für eine zulässige Schaltverzögerung verglichen wird, um hierüber eine Verschleißgrenze zu definieren, die eine Wartung oder ein Austausch des Ventils indiziert.
  • Die Verschleißgrenze und/oder der Verschleißzustand des Ventils wird vorzugsweise mittels einer der Elektronikeinheit nachgeschalteten Ausgabeeinheit zur Anzeige gebracht. Als Ausgabeeinheit eignet sich beispielsweise eine einfache Leuchtanzeige, deren Aufleuchten die Verschleißgrenze anzeigt. Es ist jedoch auch denkbar, dass der aktuelle Verschleißzustand über eine rechnergestützte Diagnose auswertbar ist, wozu beispielsweise ein Diagnosestecker eines Rechners mit der übergeordneten Steuereinheit eines pneumatischen Systems verbunden werden kann.
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor oder werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausrührungsbeispiels der Erfindung anhand der einzigen Figur dargestellt. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung in Form eines Blockschaltbildes einer elektrischen Einrichtung für die Ansteuerung eines Ventils.
  • Das Ventil 1 erfüllt in diesem Ausführungsbeispiel die Funktion eines 2/2-Wegeventils und ist mit einer entsprechenden integrierten Schaltmechanik 2 in Form einer Ventilschieberanordnung ausgestattet. Die Schaltmechanik 2 steuert den Durchfluss von Druckluft von einem Speisedruckanschluss P zu einem Arbeitsanschluss A hin. In der gezeigten Offenstellung des Ventils 1 gelangt Druckluft ungehindert vom Speisedruckanschluss P zum Arbeitsanschluss A. In der anderen - hier nicht gezeigten - Schaltstellung ist der Druckluftfluss zwischen dem Speisedruckanschluss P und dem Arbeitsanschluss A gesperrt.
  • Das Schalten des Druckluftflusses erfolgt über einen axialen Antrieb der Schaltmechanik 2 mittels eines Vorsteuerventils 3, welches nach Art einer Vorsteuerung ausgehend von einem eingangsseitig zugeführten elektrischen Ansteuersignal 4 einen entsprechenden Steuerdruck generiert. Das elektrische Ansteuersignal 4 für das Ventil 1 wird von einer - hier nicht weiter dargestellten - übergeordneten Steuereinheit abgegeben.
  • Um den Verschleißzustand der Schaltmechanik 2 zu überwachen, ist eine Elektronikeinheit 5 vorgesehen, welcher eingangsseitig das elektrische Ansteuersignal 4 zugeht. Ebenfalls eingangsseitig geht der Elektronikeinheit 5 ein elektrisches Reaktionssignal 6 zu, welches über einen Drucksensor 7a gewonnen wird. Der Drucksensor 7a ist im Bereich der Speisedruckanschlussen P angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist weiterhin im Bereich des Arbeitsanschlusses A des Mehrwegeventils 1 ein Drucksensor 7 angeordnet, der einen Arbeitsdruckanstieg in Reaktion auf ein elektrisches Ansteuersignal 4 am Vorsteuerventil 3 registriert. Die Elektronikeinheit 5 ermittelt durch Vergleich den zeitlichen Abstand zwischen dem Ansteuersignal 4 und dem Reaktionssignal 6, um hieraus die Schaltverzögerung des Ventils 1 als Maß des Verschleißzustandes der integrierten Schaltmechanik 2 zu bestimmen. Ein hieraus gewonnenes Signal, welches den aktuellen Verschleißzustand kennzeichnet, wird einer der Elektronikeinheit 5 nachgeschalteten Ausgabeeinheit 8 zur Verfügung gestellt. Die Ausgabeeinheit 8 bringt den aktuellen Verschleißzustand optisch zur Anzeige.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche ebenfalls vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind. So ist die Erfindung nicht allein bei einem Ventil 1 anwendbar, welches nach Art eines vorgesteuerten Schieberventils ausgebildet ist, wie beispielsweise bei einem über einen Proportionalmagneten angetriebenen Druckregelventil. Ferner ist die Anordnung eines Drucksensors 7a zur Erfassung des elektrischen Reaktionssignals 6 nicht auf die hier nur vorzugsweise angegebene Stelle innerhalb des Mehrwegeventils 1 beschränkt. Der Drucksensor 7a kann auch außerhalb des Ventils 1 an geeigneter Weise platziert werden, wenn sich hieraus im Vergleich mit dem elektrischen Ansteuersignal 4 ein brauchbarer Wert für die Schaltverzögerung gewinnen lässt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ventil
    2
    Schaltmechanik
    3
    Vorsteuerventil
    4
    Elektrisches Ansteuersignal
    5
    Elektronikeinheit
    6
    Elektrisches Reaktionssignal
    7
    Drucksensor
    8
    Ausgabeeinheit

Claims (6)

  1. Ventil (1) zum Schalten eines Druckmittelflusses zwischen mindestens zwei äußeren Anschlüssen (P, A) mittels einer integrierten Schaltmechanik (2), die über elektrische Ansteuersignale (4) betätigbar ist., wobei eine Elektronikeinheit (5) vorgesehen ist, der eingangsseitig das elektrische Ansteuersignal (4) und ein auf einen Ansteuerimpuls folgendes elektrisches Reaktionssignal (6) zugeht, woraus die Elektronikeinheit (5) durch Vergleich den zeitlichen Abstand zwischen dem Ansteuersignal (4) und dem Reaktionssignal (6) ermittelt, um hieraus die Schaltverzögerung als Maß des Verschleißzustandes der Schaltmechanik (2) zu bestimmen, und dass zur Erzeugung des elektrischen Reaktionssignals (6) ein Drucksensor (7, 7a) vorgesehen ist, der elektrisch mit der Elektronikeinheit (5) in Verbindung steht,
    wobei der Drucksensor im Bereich des Speisedruckanschlusses (P) des Ventiles integriert ist, und das Reaktionssignal (6) durch den Speisedruckabfall beim Schalten des einzelnen Ventiles (1) oder mehrerer im Rahmen einer Ventileinheit angeordneter Ventile (1) entsteht.
  2. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronikeinheit (5) die ermittelte Schaltverzögerung mit einem hinterlegten Sollwert vergleicht, um eine Verschleißgrenze zu definieren.
  3. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronikeinheit (6) eine Ausgabeeinheit (8) zum Anzeigen des Verschleißzustandes und/oder der Verschleißgrenze nachgeschaltet ist.
  4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Ansteuersignale (4) mindestens einem Vorsteuerventil (3) des Ventiles (1) zugeführt sind, worüber die Schaltmechanik nach Art einer Vorsteuerung betätigbar ist.
  5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Ansteuersignale (4) mindestens einem Elektromagneten des Ventiles zugeführt sind, worüber die Schaltmechanik direkt elektromagnetisch betätigbar ist.
  6. Pneumatische Ventileinheit, umfassend mehrere Ventile gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
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