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Die Erfindung betrifft eine Regeleinheit zur Ausgabe einer Regelausgangsgrösse in Abhängigkeit von einer Regeldifferenz zwischen einem der Regeleinheit zugeführten Istwert einer Regelgrösse und einer einen Sollwert für die Regelgrösse vorgebenden zugeführten Führungsgrösse.
Solche Regeleinheiten werden beispielsweise bei der Lagepositionierung von Maschinenbaugruppen, deren relative Lagen zueinander in einem gleichbleibenden Verhältnis stehen sollen, eingesetzt. Die Lage der einen Baugruppe wird der Regeleinheit als Führungsgrösse zugeführt, und der Messwert der Lage der anderen Baugruppe dient der Regeleinheit als Regelgrösse. Bei einer Regelabweichung gibt die Regelen- heit eine Regelausgangsgrösse aus, die der Regelabweichung entgegenwirken soll. Dazu wird die Regelasgangsgrösse normalerweise in einem Regelverstärker verstärkt, sodass eine Stellgrösse zur Veränderung der Lage der auszuregelnden Maschinenbaugruppe zur Verfügung steht.
Konventionelle Regeleinheiten für die Lagepositionierung arbeiten elektronisch, was In vielen Fällen bedeutende Nachteile mit sich bnngt. Oft ist die äussere Umgebung ungünstig für den Betrieb der empfindlichen Elektronikkomponenten. Beispielsweise Im Falle einer Einwirkung von mechanischen Stössen, induktiven oder kapazitiven Störeinflüssen, extremen Temperaturen, Feuchtigkeit oder Chemikalien ist eine hohe Ausfallhäufigkeit infolge der Empfindlichkeit der Elektronikkomponenten gegeben. Auch der Aufwand bei der Verkabelung ist hoch, und, um Störungen zu erkennen, ist eine spezielle Diagnoselogik erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronikfreie Regeleinheit zur Lagepositionierung zu entwickeln, die die Nachteile der konventionellen elektronischen Regeleinheiten vermeldet.
Erfindungsgemäss wird dies bel einer Regeleinheit der eingangs erwähnten Gattung dadurch erreicht, dass als Regelausgangsgrösse ein variabler Fluss eines Regelmediums In der Form von Druckluft oder Hydrauliköl ausgegeben wird, dass ein drehbar gelagertes Gehäuse, dessen Winkeistellung von der Führungsgrösse einstellbar Ist, und ein Im Gehäuse liegender, konzentrisch um die gleiche Achse drehbar gelagerter Rotor, dessen Winkelstellung vom Istwert der Regelgrösse einstellbar ist, vorgesehen sind und dass jeweils mindestens eine Durchführung durch das Gehäuse zur Zuführung und Abführung des Regelmediums zum und vom Rotor vorhanden 1St,
wobei zur Ausgabe eines mehr oder weniger starken Flusses des Regelmediums die Durchführungen durch das Gehäuse in Abhängigkeit von der Regelabweichung bzw in Abhängigkeit von der relativen Verdrehung zwischen Rotor und Gehäuse mit Öffnungen Im Rotor mehr oder weniger überlappen.
Die mehr oder weniger grossen Überlappungsflächen zwischen der Zuführungsdurchführung bzw der Abführungsdurchführung durch das Gehäuse und den Öffnungen des Rotors bilden vanable Drosselquerschnitte für das Regelmedium. Auf diese Weise kommt es in Abhängigkeit von der Regelabweichung zu einem vanablen Fluss des Regelmediums, der in der Folge einem Regelverstärker zugeführt werden kann, an den als Stellglieder für die Lagepositionierung ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder oder zwei einfach wirkende Hydraulikzylinder oder zwei Hydromotore oder ein hydrostatischer Antneb angeschlossen sind.
Besondere Vorteile der erfindungsgemässen Regeleinheit sind die Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse, die Langzeitlebensdauer der Reglerbaugruppe und der Messwegübertragung, die mögliche Robustheit und Einfachheit des mechanischen Aufbaus, die Wartungsfreundlichkeit und die Wartungsmöglichkeit durch normale Maschinentechniker sowie der günstige Preis infolge des Wegfalls der elektronischen Rechnerbaugruppe, der elektronischen Messwerterfassung und der gesamten Speztalverkabelung.
Wesentlich für die Erfindung sind die variablen Überlappungsflächen zwischen den Durchführungen durch das Gehäuse und den Öffnungen des Rotors, die als Drosseln mit variablen Drosselquerschnitten wirken. Sowohl für die Zuführung als auch für die Abführung des Regelmediums ist ein solcher vanabler Drosselauerschnitt vorgesehen. Günstigerweise ist der Rotor in mindestens zwei voneinander getrennten Kammern unterteilt, die die mit den Durchführungen durch das Gehäuse überlappbaren Öffnungen aufweisen, wobei von den Kammern mit ausserhalb vom Regler liegenden Steuerleitungen in Verbindung stehende Steuerkanäle für das Regelmedium ausgehen.
Im ausgeregelten Zustand des Systems sind die Kammern des Rotors vorteilhafterweise von der Zuführungsdurchführung getrennt und mit der Abführungsdurchführung verbunden. Tritt eine Regelabweichung auf, so wird der Rotor relativ zum Gehäuse verdreht, wobei bel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine kleine Regelabweichung, die innerhalb eines Stabilislerberelches des Systems liegt, den Zustand des Reglers noch nicht verändert.
Bei einer Regelabweichung, die über dem Stabilislerbereich liegt, tritt dann eine Überlappung zwischen der Zuführungsdurchführung und einer Öffnung einer der Kammern des Rotors auf, wobei die Verbindung dieser Kammer mit der Abführungsdurchführung gleichzei-
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des Regelmediums durch den von dieser Kammer ausgehenden Steuerkanal wird hervorgerufen, der durch einen Regelverstärker geführt werden kann. Der Rückfluss vom Regelverstärker gelangt dann über einen anderen Steuerkanal in eine andere Kammer des Rotors, die bel diesem Zustand des Reglers nicht mit der Zuführungsdurchführung verbunden ist, wohl aber eine Öffnung aufweist, die mit der Rückführungsdurch-
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führung überlappt.
Es ist vorteilhaft, für den Regler einen Sättigungsbereich vorzusehen, sodass für eine Regelabweichung innerhalb dieses Sättigungsbereiches die Überiappungsfläche zwischen der Zuführungsdurchführung bzw der Abführungsdurchführung und den Öffnungen des Rotors maximal ist und bei einer weiteren Zunahme der Regelabweichung nicht mehr zunimmt. Hingegen nimmt bei einer Regelabweichung, die zwischen dem Stabilislerbereich und dem Sättigungsbereich liegt, die Überlappungsfläche zwischen den Durchführungen durch das Gehäuse und den Öffnungen des Rotors mit der Regelabweichung zu.
Es ist günstig, die Form der Durchführungen durch das Gehäuse und der Öffnungen des Rotors so auszubilden, dass der variable Drosselquerschnitt bei einer Regelabweichung, die zwischen dem Stabilisierbereich und dem Sättigungsbereich liegt, die Form einer Doppelkrelssegmentfläche aufweist.
Günstigerweise sind im Rotor Drosseln mit einem konstanten Drosselquerschnitt vorgesehen, die den maximalen Fluss des Regelmediums begrenzen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
In diesen zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Regeleinheit, Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Regeleinheit teilweise im Schnitt, Fig. 3 a bis f Projektionen der Öffnungen des Rotors und der Zuführungs- bzw. Abführungsdurchführung auf den Kreisumfang U in der Fig. 1 und Fig. 4 ein Diagramm eines möglichen Verlaufs einer Regelcharakteristik.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Regeleinheit weist einen Rotor 6 auf, der mittels eines Kugellagers 20 drehbar in einem Befestigungsteil 13 gelagert 1St. Ein Gehäuse 5 ist mittels der Gleitlagerung 15 drehbar um den Rotor 6 gelagert. Über den Gelenkreiter 8 wird der Istwert der Regelgrösse dem am Rotor 6 befestigten Hebel 11 zugeführt. Die Führungsgrösse, die den Sollwert der Regelgrösse vorgibt, wird über den Gelenkreiter 9 dem am Gehäuse 5 befestigten Hebel 10 zugeführt. Ein ausgeregelter Zustand des Systems, bel dem der Istwert der Regelgrösse dem Sollwert entspricht, ist in Fig. 1 dargestellt.
Ein ausgeregelter Zustand des Systems ist dadurch charakterisiert, dass der Rotor 6 und das Gehäuse 5 die gleiche Winkelstellung einnehmen, die natürlich auch eine andere als die in Fig. 1 gezeigte sein kann.
Das Verhältnis zwischen der dem Hebel 10 zugeführten Führungsgrösse und dem dem Hebel 11 zugeführten Istwert der Regelgrösse ist durch das Verhältnis der Abstände Rs und RST der Gelenkreiter 9, 8 von der Drehachse 35 gegeben und ist für jeden ausgeregelten Zustand konstant. Die Gelenkreiter 9, 8 sind so ausgebildet, daS Ihre Abstände Rs und RST von der Drehachse stufenlos verstellbar sind. Dadurch ist das Regelverhältnis einstellbar.
Mit QA ist der maximale Bereich bezeichnet, in dem die Führungsgrösse und die Regelgrösse verstellt werden können. Als Regelmedium wird der durch das Gehäuse 5 gehenden Durchführung 7 Druckluft oder Niederdruckhydrauliköl zugeführt. Die Abführung des Regelmediums erfolgt durch die Durchführung 22.
Im ausgeregelten Zustand des Systems wird die Zuführungsdurchführung 7 vom Steg 25 verschlossen, während die Abführungsdurchführung 22 einen etwas grösseren Querschnitt als der Steg 25 besitzt und daher mit den Kammern 16a und 16b des Rotors 6 kommuniziert. Die Steuerkanäle 17a und 17b sind somit drucklos. Für sehr kleine Regeldifferenzen, bei denen der Rotor 6 relativ zum Gehäuse 5, um einen Winkel, der kleiner als ÓA Ist, aus der ausgeregelten Position verdreht ist, bleibt dieser Zustand des Reglers erhalten.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann auch ein im wesentlichen gleicher Querschnitt der Zuführungsdurchführung 7, der Abführungsdurchführung 22 und des Steges 25 vorgesehen sein. Der Winkel SA, der den Stabilisierberelch angibt, geht in diesem Fall gegen Null. Auch ist es möglich, den Durchmesser der Abführungsdurchführung 22 kleiner als den Durchmesser des Steges 25 auszubilden, sodass die Abführungsdurchführung 22 im ausgeregelten Zustand des Systems von den Kammern 16a, 16b des Rotors 6 getrennt ist. Welche dieser Ausführungsformen des Reglers verwendet wird und wie gross der Stabilisierbereich SA ausgebildet wird, hängt von den Anforderungen der konkreten Anwendung ab. Diese Flexibilität der erfindungsgemässen Regeleinheit bedeutet einen wichtigen Vorteil der Erfindung.
Betrachten wir nun eine Regelabweichung, die grösser als der Stabilislerberelch & A des Regelsystems 1St. Wird beispielsweise das Gehäuse 5 um einen Winkel grösser als à im Uhrzeigersinn verdreht, so wird die Verbindung zwischen der Rotorkammer 16b und der Abführungsöffnung 22 unterbrochen und eine Verbindung zwischen der Zuführungsöffnung 7 und der Rotorkammer 16b hergestellt. In der Rotorkammer 16b kommt es somit zu einem Druckaufbau, der einen Fluss des Regelmediums durch den Steuerkanal 17b bewirkt.
Ist der Steuerkanal 17b über eine flexible Steuerleitung 18b und eine starre Steuerleitung 19b mit einem Regelverstärker (nicht gezeigt) verbunden, so gelangt der Rückfluss vom Regelverstärker durch die Steuerleitungen 19a, 18a und den Steuerkanal 17a in die Rotorkammer 16a, wobei zwischen der Rotorkammer 16a und der Abführungsöffnung 22 eine Verbindung besteht.
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Die Verbindungen zwischen der Zuführungsöffnung 7 bzw. der Abführungsöffnung 22 mit den Rotorkammern 16a und 16b können als Drosseln für den Zu- und Abstrom des Regelmediums mit einem vanablen Drosselquerschnitt, der von der Regeldifferenz abhängig ist, betrachtet werden. Der Drosselquerschnitt hängt von der Grösse der Überlappungsflächen zwischen den Öffnungen 26a-d der Rotorkammern 16a, 16b mit der Zuführungsöffnung 7 bzw. der Abführungsöffnung 22 ab und somit von der Regeldifferenz.
Je grösser die Drosselquerschnitte sind, desto grösser ist der Fluss des Regelmediums durch die Steuerkanäle 17a und 17b. Die Drosseln 21 a und 21 b mit einem konstanten Drosselquerschnitt haben eine überlagerte Stromregelfunktion und begrenzen den maximalen Fluss des Regelmediums.
Klarerweise kann die Führungsgrösse anstatt dem Gehäuse auch dem Rotor zugeführt werden, wobei In diesem Fall die Regelgrösse dem Gehäuse zugeführt wird.
Ein Leckstrom 12 des Regelmediums wird durch die Kanäle 24 und die Drossel 23 ins Freie geführt.
Der Leckstrom des Regelmediums kann auch eine schmierende Funktion besitzen.
In den Fig. 3a-c ist eine Projektion der Öffnungen 26a, 26b der Rotorkammern 16a, 16b und der Zuführungsöffnung 7 auf den Kreisumfang U dargestellt. Im ausgeregelten Zustand und im Fall einer
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der Form einer Doppelkreissegmentfläche auf (Fig. 3b). In diesem Bereich nimmt die variable Drosselfläche 31 und somit der Fluss durch den Steuerkanal17b mit zunehmender Regeldifferenz stetig zu.
Eine Sättigung der Fläche des überlappt (31) und somit des Flusses durch den Steuerkanal 17b Ist erreicht, wenn die Regeldifferenz so gross ist, dass die Öffnung 7 vollständig mit der Öffnung 26b überlappt (Fig. 3c). Bei Regeldifferenzen über diesem Sättigungswert liegt maximaler Fluss des Regelmediums vor, der von den konstanten Drosseln 21 a, 21 b begrenzt wird.
Analog dazu ist die in Fig. 3c - f dargestellte Situation für die Abführungsöffnung 22 und die
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der Abführungsöffnung (22) und beiden Rotoröffnungen 26c, 26d vorliegt. AC und AD können aber auch verschwinden oder sogar negativ sein, sodass ein mit Fig. 3a vergleichbares Bild die Folge wäre. In diesem Fall wären die Rotorkammern 16a, 16b im ausgeregelten Zustand von der Abführungsdurchführung 22 getrennt. Bei Regeldifferenzen über dem Stabilisierbereich verschwindet jedenfalls der Überlapp mit einer der Rotoröffnungen, z. B. der Rotoröffnung 26d, während sich der Überlapp mit der anderen Rotoröffnung, z. B. der Rotoröffnung 26c, stetig vergrössert.
Wenn also eine Regelabweichung xo vorliegt, die über dem Stabilisierberelch liegt, wird ein Fluss durch die Sternerkanäle 17a, 17b hervorgerufen. Dieser Fluss kann In einem Regelverstärker verstärkt werden und auf ein Stellglied, z. B. einer Kolben-Zylindereinheit mit einem doppelt wirkender Kolben, geführt werden. Das Stellglied gibt dann die Stellgrösse y aus, die gegen die Regelabweichung Xo gerichtet ist. Bei einer plötzlich auftretenden Regelabweichung Xo über dem Stabilisierberelch, nimmt die Stellgrösse von Null ausgehend zu, solange eine Regelabweichung über dem Stabilisierberelch vorliegt. Ein Regler mit solch einer Sprungantwort wird als Integralregler bezeichnet.
Im vorliegenden Fall Ist die maximale zeitliche Änderung der Stellgrösse durch die maximalen Öffnungen der variablen Drosseln für den Zu- und den Abstrom des Regelmediums sowie den Öffnungen der konstanten Drosseln (21 a, 21 b) begrenzt.
In Fig. 4 ist ein Beispiel für eine Regelcharakteristik aufgezeichnet, bei der ausgehend von einem Istwert x, S1 ein Sollwert x angefahren wird. wenn die Regelabweichung nicht die Form eines Sprunges, sondern einen realistischen Verlauf aufweist (kontinuierliche Zu- bzw Abnahme). Im Falle einer Regelabweichung xo, die den Sättigungsbereich erreicht. kommt es zu einer maximalen zeitlichen Änderung der Stellgrösse (dy/dt) max. Bei einer kleineren Regelabweichung xo', die unterhalb des Sättigungsbereiches, aber oberhalb des Stabilisierbereiches liegt, ist die zeitliche Änderung der Stellgrösse Immer kleiner als ihr maximal möglicher Wert.
Bei einer Regelabweichung xo"in die negative x-Richtung ändert sich die Richtung der Verdrehung zwischen Rotor und Gehäuse, die Richtung des Flusses des Regelmediums und somit die Richtung der hervorgerufenen Stellgrösse y.
Da ein variabler Drosselquerschnitt zweifach vorhanden ist, sowohl für den Zufluss als auch für den Abfluss des Regelmediums, ist das Regelsystem sehr stabil und eine sehr gute Schwingungsdämpfung wird erreicht. Bel dem erfindungsgemässen Regler handelt es sich um einen Vierquadrantenregler, da sowohl die Richtung der Stellgrösse als auch Beschleunigung und Abbremsung in beide Richtungen geregelt werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Regeleinheit besteht darin, dass hohe Flüsse des Regelmediums möglich sind. Den variablen Drosselquerschnitten für den Zu- und den Abfluss des Regelmediums kann im Prinzip jede beliebige Form gegeben werden, wenn die Formen der Querschnittsflächen der Zuführungs- (7) und Abführungsöffnungen (22) sowie der Rotoröffnungen (26a-d) entsprechend gewählt
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werden. Die Regelcharakteristik entsprechend Fig. 4 kann dadurch an einen gewünschten Verlauf angepasst werden.
Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Anstatt einer drehbaren Lagerung des Gehäuses und des Rotors wäre es bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Teile auch möglich, das Gehäuse und das Rotor linear verschiebbar zu lagern. In diesem Fall könnte beispielsweise noch eine zusätzliche Querteilung der Kammern des Rotors vorgesehen sein.