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PATENTANSPRÜCH E
1. Anordnung für eine hydraulische Folgeregelung zur Einstellung einer Verstellpumpe oder eines Verstellmotors, bei der ein die Einstellung bewirkender hydraulischer Verstellkolbenantrieb (204) durch ein Wegeventil (201) gesteuert ist, gekennzeichnet durch ein axialverschiebliches mit dem Ventilkolben (10) des Wegeventils (201) verbundenes Schraubengetriebe mit einer Gewindespindel (50), auf die die Führungsgrösse als Rotation und der Istwert als axiale Verschiebung übertragen ist.
2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Kolben des Verstellkolbenantriebes (204) starr verbundene Kolbenstange (205) einerseits mit dem Verstellelement der Verstellpumpe (207) oder eines Verstellmotors und andererseits mit einer auf die Gewindespindel (50) des Schraubengetriebes aufgeschraubten Mutter (53) verbunden ist (Fig. 3).
3. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung in einem hydrostatischen Antrieb, bei dem der Verstellkolbenantrieb (204) mit der Verstellpumpe (401) verbunden ist, die Rückführung des Istwertes vom Verstellmotor (407) auf die Spindel (62) erfolgt, und dass der Stellmotor (200) des Wegeventils (201) zur Einstellung der Führungsgrösse mit der Spindel (62) über eine Differenzschraube (60) verbunden ist (Fig. 4).
4. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung in einer Steuerung für einen Zylinder-Kolben-Antrieb (603) der Verstellkolbenantrieb (204) mit der Verstellpumpe (601) verbunden ist, um den Kolben (603) zu verstellen, und dass zur Rückführung des Istwertes von der Kolbenstange (604) eine starr mit dieser verbundene und auf die Gewindespindel (50) aufgeschraubte Mutter (53) vorhanden ist (Fig. 6).
5. Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellmotor (200) des Wegeventiles (201) zur Abgabe der Führungsgrösse mit der Gewindespindel (50) oder der Spindel (62) wirkverbunden ist, und dass der Ventilkolben (10) des Wegeventils (201) mittels der Kraft einer Feder (19) an einem mit der Spindel (51) starr verbundenen Anschlag (52) anliegt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung für eine hydraulische Folgeregelung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Wie bekannt, muss bei einer Folgeregelung der Istwert der Regelgrösse gemessen und dem Regler als Information zugeführt werden. Im Regler wird dann durch Vergleich dieser Information mit einer entsprechenden Information, die aus dem festen oder veränderlichen Sollwert besteht, die Regelabweichung festgestellt. Es ist dann die Aufgabe des Reglers, diese Regelabweichungen möglichst schnell durch Einwirken auf das Stellglied zu beseitigen. Eine genaue Regelung verlangt, dass die Rückführung des Sollwertes sehr genau erfolgt, weil sich allfällige Ungenauigkeiten zur Information hinzuaddieren, so dass die Regelung fehlerhaft arbeitet.
Beispielsweise ist in der Zeitschrift ölhydraulik und pneumatik 25(1981) Nr.8, Seiten 635-643, eine Regelung für einen Verstellmotor an einem Konstant-Drucknetz beschrieben. Vor einem Messwertgeber, in diesem Fall eine Messpumpe, wird eine Information mittels eines Widerstandsnetzwerkes erzeugt, von dem dann eine dem Istwert entsprechende Information auf ein Regelventil angebracht wird, von dem dann entsprechend einem Vergleich mit einer Information, die der Sollwertvorgabe entspricht, ein Kolben bezüglich Steuerkanten verschoben wird, um dem Stellglied, einen Verstellkolbenantrieb, hydraulische Flüssigkeit zuoder von diesem wegzuführen. Damit wird gegenüber der früheren elektrischen Istwertmessung durch tachometrische Messung der Drehzahl eine hydraulische Vergleichsmessung gemacht.
Es entfällt damit die Umwandlung von einer mechanischen Information in eine elektrische Information und von dieser in eine hydraulische Information. Anstelle der zweifachen Umformung wird gemäss dem Vorschlag die mechanische Information direkt in eine hydraulische Information und diese in einen Messwert umgewandelt, um damit den Kolben des Steuerventils hydraulisch zu verstellen, wenn eine Differenz zwischen Sollwert und Istwert festgestellt wird. Bei jeder Umwandlung wird bekanntlich Energie verbraucht, und es werden Fehler infolge von Toleranzen in das System hineingebracht, die es auszuregeln gilt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, sowohl für Verstellmotoren als auch für Verstellpumpen eine hydraulische Folgeregelung zu schaffen, bei der einerseits eine digitale oder eine analoge Ansteuerung mit dem Sollwert ermöglicht wird und anderseits eine direkte Verstellung des Steuerventils ermöglicht wird, ohne dass irgendwelche Umformungen von Daten oder Informationen benötigt werden.
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend, unter Betrachtung verschiedener Anwendungsmöglichkeiten, anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1. eine schematische Schnittansicht eines Wegeventils mit Stellmotor und Gewindespindel,
Fig. 2 wie Fig. 1, jedoch zusätzlich mit Differenzschraube,
Fig. 2a wie Fig. 2, jedoch mit Rückführung über Ritzel
Fig. 3 ein Prinzipschema einer Regelanordnung mit Rückführung vom Stellzylinder,
Fig. 4 ein Prinzipschema einer dritten Regelanordnung mit Rückführung vom Antriebsmotor.,
Fig. 5 ein Prinzipschema einer vierten Regelanordnung mit Rückführung von der Last,
Fig. 6 ein Prinzipschema einer fünfen Regelanordnung mit einer Regelpumpe für die Hubregelung bei einem Kolben mit direkter Rückführung, und
Fig. 7 ein Prinzipschema einer sechsten Regelanordnung mit einer Regelpumpe für den Antrieb eines Hebezeuges mit Lagerückführung.
Das Wegeventil 1 (Fig. 1) ist ein aus der Technik der Linear-Verstärker bekanntes Element. Ein in axialer Richtung verschiebbarer Ventilkolben 20 weist zwei umlaufende Steuernocken 12, 13 auf, die voneinander durch eine mittig angeordnete Kolbennut 14 getrennt sind und beidseits in Richtung gegen das Kolbenende zu mit je einer äusseren Kolbennut 15, 16 versehen ist.
Das Ventilgehäuse 20 besitzt seinerseits eine Druckzuführleitung 21, eine Rückführleitung 22 und zwei Steuerleitungen 23, 24. Die Druckzuführleitung 21 mündet in eine mittige umlaufende Zylindernut 25 und die Rückführleitung 22 ist über eine Abzweigleitung 26 mit zwei äusseren Zylindernuten 27, 28 verbunden. Eine axiale Verschiebung des Ventilkolbens 10 nach unten in Fig. 1 bewirkt eine Verschiebung der Steuernocken 12, 13 nach unten, so dass die obere Steuerleitung 23 mit der äussern Zylindernut 27 und über diese mit der Rückführleitung 22 verbunden ist. Anderseits ist aber die untere Steuerleitung 24 über die mittlere Zylindernut 25 mit der Druckzuführleitung 21 verbunden, so dass ein hydraulisches Verstellelement seine Lage verändern kann.
Über eine axialelastische, drehsteife Kupplung 30 ist ein elektrischer Motor 40 als Sollwertgeber mit einer Gewindespindel 50 verbunden. Diese Gewindespindel 50 ist über eine als Eingangswelle ausgebildete Spindel 51 mit der Kupplung 30 verbunden. Die Spindel 51 ist zentrisch durch einen axialen Hohlraum 17 im Arbeitskolben hindurchgeführt und liegt mit einem Flansch 52 aussenseitig an einem Ventilkolbenboden 18 an. Zwischen dem als Zylinderdeckel ausgebildeten Gehäuseboden 31 der Kupplung 30 und der innenseitigen Wand des Ventilkolbenbodens 18 ist eine Schraubenfeder 19 eingesetzt, durch die der Ventilkolben 10 gegen den Flansch 52 gepresst ist.
Auf die Gewindespindel 50 ist eine Mutter 53 geschraubt.
Es ist auch denkbar, dass die Spindel 51 über eine Differenzschraube 60 mit der Gewindespindel 50 verbunden sein könnte (Fig. 2). Eine weitere Variante zeigt Fig. 2a. Ein auf der Welle 62 befestigtes Ritzel 502 ist mit der Differenzschraube 60 verbunden Bei einer Regelanordnung gemäss Fig. 3 ist ein Stellmotor 200 an ein Wegeventil 201 der nach Fig. 1 oder 2 beschriebenen Bauart als elektrischer Motor 40 angeflanscht. Die Steuerleitungen 23, 24 sind mit den Zylinderäumen 202, 203 eines Steuerzylinders 204 verbunden. Die Kolbenstange 205 des Steuerzylinders 204 ist einerseits mit der Stelleinheit 206 einer Verstellpumpe 207 und anderseits mit der Mutter 53 der Gewindespindel 50 verbunden. Wenn der Stellmotor 200 ein Schrittmotor ist, kann die Ansteuerung der Regelanordnung numerisch erfolgen.
Die Arbeitsweise ist wie folgt: Der Stellmotor 200 dreht die Spindelverlängerung 51 in eine funktionsbestimmte Drehlage. Dadurch verschiebt die Spindel 50 die relative Lage der Mutter 53. Weil diese durch die Kolbenstange 205 festgehalten ist, verschiebt die Spindel 50 den Ventilkolben 10 im Wegeventil 201, und das hydraulische Fluid findet einen Weg zum Steuerzylinder 204 hin und von diesem weg, bis der Kolben die Stellung eingenommen hat, die durch die Veränderung der Lage der Mutter 53 auf der Spindel 50 befohlen ist.
Gleicherweise könnte auch ein Verstellmotor anstelle der Verstellpumpe 207 auf eine vorgegebene Drehzahl geregelt werden. Kennzeichnend an dieser Anordnung ist, dass keine Erfassung der Drehzahl des Motors oder der Pumpe notwendig ist. Dadurch ist eine sehr reaktionsschnelle dynamische Regelung ohne den Umweg über einen elektrischen oder hydraulischen Sollwert-Istwert-Vergleich möglich.
Fig. 4 und 5 zeigen Anordnungen für eine Regelung bzw.
Steuerung an hydrostatischen Antrieben. Die Leistung einer durch einen Motor 402 angetriebenen Verstellpumpe 401 wird durch die Kolbenstange 205 eines Steuerzylinders 204 geregelt. Damit wird für einen Verstellmotor 407 die Drehzahl und der Weg vorgegeben. Die Rückführung erfolgt von der Abtriebswelle 408 des Motors 407 auf ein Wegeventil der nach Fig. 2a beschriebenen Bauart. Im Beispiel gemäss Fig. 4 erfolgt die Rückführung vom Motor 407 aus und im Beispiel gemäss Fig. 5 von der Last 501 über das Ritzel 502. um den Weg der Last mit dem Steuermotor 200 numerisch oder analog vorgeben zu können.
Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele für das Steuern und Regeln von Zylindern mittels einer geregelten Verstellpumpe 601 die durch einen Motor 602 angetrieben ist. Die Kolbenstange 604 eines Zweikammerzylinders 603 ist mit der Mutter 63 der Gewindespindel 50 starr verbunden. Eine Veränderung der Einstellung durch den Steuermotor 200 bewirkt somit zunächst eine Veränderung der Lage des Ventilkolbens im Wegeventil 201, so dass im Stellzylinder 204 der Kolben entweder in die eine oder in die andere Richtung verschoben wird. Durch die Kolbenstange 205 wird die Verstellpumpe 601 beeinflusst und damit der Kolben im Zylinder 603 verschoben. Wenn die stabile Lage erreicht ist, sind die Wege im Wegeventil 201 durch den Arbeitskolben geschlossen.
Eine diesem vergleichbare Anordnung zeigt Fig. 7, nur dass hier die vertikale Lage eines Aufzugs 700 als Rückmeldungsinformation für ein Wegeventil der Bauart nach Fig. 2a verwendet wurde.
In allen beschriebenen Fällen erfolgt die Regelung ausschliesslich durch das Wegeventil ohne elektrischen oder hydraulischen Soll-Ist-Vergleich. Bei Zylindern braucht es keine Wegmessung und/oder Geschwindigkeitsmessung, sondern allein durch die Vorgabe am Stellmotor des Wegeventils erfolgt der Antrieb in bezug auf Geschwindigkeit und Lage.
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PATENT CLAIM E
1. Arrangement for a hydraulic slave control for adjusting a variable displacement pump or a variable displacement motor, in which a hydraulic adjusting piston drive (204) causing the adjustment is controlled by a directional control valve (201), characterized by an axially displaceable with the valve piston (10) of the directional control valve (201) Connected screw gear with a threaded spindle (50) to which the command variable is transferred as rotation and the actual value as axial displacement.
2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a piston rod (205) rigidly connected to the piston of the adjusting piston drive (204) on the one hand with the adjusting element of the adjusting pump (207) or an adjusting motor and on the other hand with one on the threaded spindle (50) of the screw gear screwed nut (53) is connected (Fig. 3).
3. Arrangement according to claim 1, characterized in that when used in a hydrostatic drive, in which the adjusting piston drive (204) is connected to the adjusting pump (401), the feedback of the actual value from the adjusting motor (407) to the spindle (62) , and that the servomotor (200) of the directional control valve (201) for setting the command variable is connected to the spindle (62) via a differential screw (60) (FIG. 4).
4. Arrangement according to claim 1, characterized in that when used in a control for a cylinder-piston drive (603) the variable piston drive (204) is connected to the variable pump (601) to adjust the piston (603), and that for returning the actual value from the piston rod (604) there is a nut (53) rigidly connected to it and screwed onto the threaded spindle (50) (FIG. 6).
5. Arrangement according to one of the claims 1 to 4, characterized in that the servomotor (200) of the directional control valve (201) for delivering the guide variable with the threaded spindle (50) or the spindle (62) is operatively connected, and that the valve piston (10 ) of the directional valve (201) by means of the force of a spring (19) against a stop (52) rigidly connected to the spindle (51).
The present invention relates to an arrangement for hydraulic follow-up control according to the preamble of independent patent claim 1.
As is known, in a follow-up control the actual value of the controlled variable must be measured and fed to the controller as information. The control deviation is then determined in the controller by comparing this information with a corresponding information consisting of the fixed or variable setpoint. It is then the job of the controller to eliminate these control deviations as quickly as possible by acting on the actuator. A precise control requires that the setpoint value is fed back very precisely because any inaccuracies are added to the information, so that the control works incorrectly.
For example, in the journal Oil Hydraulics and Pneumatics 25 (1981) No. 8, pages 635-643, a regulation for a servomotor on a constant pressure network is described. Information is generated in front of a sensor, in this case a measuring pump, by means of a resistance network, from which information corresponding to the actual value is then attached to a control valve, from which a piston is then compared in accordance with information corresponding to the setpoint specification Control edges is displaced to supply hydraulic fluid to or away from the actuator, an adjusting piston drive. In comparison to the previous electrical actual value measurement, a hydraulic comparison measurement is made by tachometric measurement of the speed.
There is thus no need to convert mechanical information into electrical information and from this into hydraulic information. Instead of the double conversion, the suggestion converts the mechanical information directly into hydraulic information and this into a measured value in order to hydraulically adjust the piston of the control valve when a difference between the target value and the actual value is determined. Every conversion is known to consume energy and errors are brought into the system due to tolerances that need to be corrected.
It is an object of the invention to provide a hydraulic follow-up control for variable-displacement motors as well as for variable-displacement pumps, in which on the one hand digital or analog control with the setpoint is made possible and on the other hand a direct adjustment of the control valve is made possible without any transformation of data or information is needed.
According to the invention this is achieved by the features in the characterizing part of independent claim 1.
Exemplary embodiments are described below, taking into account various possible applications, with reference to the drawing. Show it:
1 is a schematic sectional view of a directional control valve with servomotor and threaded spindle,
2 like Fig. 1, but additionally with differential screw,
Fig. 2a as Fig. 2, but with feedback via pinion
3 shows a basic diagram of a control arrangement with feedback from the actuating cylinder,
4 shows a basic diagram of a third control arrangement with feedback from the drive motor.
5 is a schematic diagram of a fourth control arrangement with feedback from the load,
Fig. 6 is a schematic diagram of a fifth control arrangement with a control pump for stroke control in a piston with direct feedback, and
Fig. 7 is a schematic diagram of a sixth control arrangement with a control pump for driving a hoist with position feedback.
The directional control valve 1 (FIG. 1) is an element known from the linear amplifier technology. An axially displaceable valve piston 20 has two circumferential control cams 12, 13 which are separated from one another by a centrally arranged piston groove 14 and which are provided on both sides in the direction towards the piston end with an outer piston groove 15, 16 each.
The valve housing 20 in turn has a pressure supply line 21, a return line 22 and two control lines 23, 24. The pressure supply line 21 opens into a central circumferential cylinder groove 25 and the return line 22 is connected via a branch line 26 to two outer cylinder grooves 27, 28. An axial displacement of the valve piston 10 downward in FIG. 1 causes the control cams 12, 13 to be displaced downward, so that the upper control line 23 is connected to the outer cylinder groove 27 and, via this, to the return line 22. On the other hand, the lower control line 24 is connected to the pressure supply line 21 via the central cylinder groove 25, so that a hydraulic adjustment element can change its position.
Via an axially elastic, torsionally rigid coupling 30, an electric motor 40 is connected to a threaded spindle 50 as a setpoint device. This threaded spindle 50 is connected to the coupling 30 via a spindle 51 designed as an input shaft. The spindle 51 is guided centrally through an axial cavity 17 in the working piston and is in contact with a flange 52 on the outside against a valve piston head 18. A helical spring 19 is inserted between the housing base 31 of the coupling 30, which is designed as a cylinder cover, and the inside wall of the valve piston base 18, by means of which the valve piston 10 is pressed against the flange 52.
A nut 53 is screwed onto the threaded spindle 50.
It is also conceivable that the spindle 51 could be connected to the threaded spindle 50 via a differential screw 60 (FIG. 2). Another variant is shown in FIG. 2a. A pinion 502 fastened on the shaft 62 is connected to the differential screw 60. In a control arrangement according to FIG. 3, a servomotor 200 is flanged to a directional valve 201 of the type described according to FIG. 1 or 2 as an electric motor 40. The control lines 23, 24 are connected to the cylinder chambers 202, 203 of a control cylinder 204. The piston rod 205 of the control cylinder 204 is connected on the one hand to the actuating unit 206 of a variable displacement pump 207 and on the other hand to the nut 53 of the threaded spindle 50. If the servomotor 200 is a stepper motor, the control arrangement can be controlled numerically.
The mode of operation is as follows: The servomotor 200 rotates the spindle extension 51 into a functionally determined rotational position. Thereby, the spindle 50 shifts the relative position of the nut 53. Because this is retained by the piston rod 205, the spindle 50 displaces the valve piston 10 in the directional control valve 201, and the hydraulic fluid finds a way to and from the control cylinder 204 until the Piston has taken the position that is commanded by changing the position of the nut 53 on the spindle 50.
Likewise, a variable motor could be regulated to a predetermined speed instead of the variable pump 207. It is characteristic of this arrangement that it is not necessary to record the speed of the motor or the pump. This enables a very responsive dynamic control without the detour via an electrical or hydraulic setpoint-actual value comparison.
4 and 5 show arrangements for a control or
Control on hydrostatic drives. The output of a variable displacement pump 401 driven by a motor 402 is regulated by the piston rod 205 of a control cylinder 204. The speed and the path are thus specified for an adjusting motor 407. The return takes place from the output shaft 408 of the motor 407 to a directional valve of the type described in FIG. 2a. In the example according to FIG. 4, the feedback takes place from the motor 407 and in the example according to FIG. 5 from the load 501 via the pinion 502. In order to be able to specify the path of the load with the control motor 200 numerically or analogously.
6 and 7 show examples of the control and regulation of cylinders by means of a regulated variable pump 601 which is driven by a motor 602. The piston rod 604 of a two-chamber cylinder 603 is rigidly connected to the nut 63 of the threaded spindle 50. A change in the setting by the control motor 200 thus initially causes a change in the position of the valve piston in the directional control valve 201, so that the piston in the actuating cylinder 204 is displaced either in one direction or in the other direction. The variable displacement pump 601 is influenced by the piston rod 205 and the piston in the cylinder 603 is thus displaced. When the stable position is reached, the paths in the directional control valve 201 are closed by the working piston.
An arrangement comparable to this is shown in FIG. 7, only that here the vertical position of an elevator 700 was used as feedback information for a directional valve of the type according to FIG. 2a.
In all the cases described, the control is carried out exclusively by the directional control valve without an electrical or hydraulic target / actual comparison. With cylinders, there is no need for distance measurement and / or speed measurement, but only by the setting on the servomotor of the directional control valve, the drive is carried out in relation to speed and position.