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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern oder Regeln eines
pneumatischen Aktuators, und zwar eines solchen, der ein entgegen
der Wirkung einer Feder durch Beaufschlagung mit Unterdruck betätigbares
Stellelement, einen an eine Unterdruckquelle anschließbaren Auslass
und einen mit der Atmosphäre
verbindbaren Einlass aufweist. Ein solcher Aktuator ist im Prinzip
ein einfach wirkender Pneumatikzylinder, der in einer Richtung federbeaufschlagt
ist. Insbesondere sind darunter sogenannten Unterdruckdosen zu verstehen,
bei welchen der klassische Kolben eines Zylinders durch ein flexible Membran
ersetzt ist. An einer Seite der Membran ist ein Stellelement, etwa
ein Stößel fixiert,
wobei die andere Seite der Membran von einer Schraubendruckfeder
beaufschlagt ist. Mit Hilfe einer Ventilanordnung ist eine Verbindung
zwischen dem Aktuator und der Unterdruckquelle und eine Verbindung
zwischen dem Aktuator und der Atmosphäre herstellbar. Als Ventilanordnung
wird bei herkömmlichen
Vorrichtungen oft ein elektromagnetisch betätigtes 3/2-Wegeventil eingesetzt,
das in einer Schaltstellung die Verbindung mit der Unterdruckquelle
und in der anderen Schaltstellung die Verbindung mit der Atmosphäre aufrechterhält. Auf
diese Weise kann ein Aktuator so gesteuert werden, dass sich sein
Stellelement entweder in seiner einen oder in seiner anderen Endlage befindet.
Zwischenstellungen. Um Zwischenstellungen des Stellelements zu ermöglichen
werden. Zwischenstellungen können
dagegen mit sogenannten elektropneumatischen Wandlern erreicht werden. Dies
sind im Prinzip Druckregelventile mit denen im Aktuator ein vorgegebener
Unterdruck einstellbar ist. Nachteilig ist, dass ein solcher Wandler
einen stetigen Luftstrom von der Atmosphäre zur Unterdruckquelle erfordert
und dass der Wandler, außer
in der Nullstellung des Aktuators, in der sein Stellelement durch
die Wirkung der Feder in der Endlage gehalten ist, eine stetige
Stromzufuhr erfordert. Nachteilig ist weiterhin, dass ein elektropneumatischer
Wandler eine Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang, also zwischen
Unterdruckwelle und Atmosphäre
herstellt, was bedeutet, dass sich Druckschwankungen der Unterdruckquelle
direkt auf den im Aktuator einzustellenden Unterdruck auswirken.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine alternativ gestaltete Vorrichtung zur
Steuerung und Regelung eines Aktuators der eingangs genannten Art
vorzuschlagen, die auf eine einfache Art und weise die geschilderten
Nachteile umgeht und die insgesamt universeller einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ventilanordnung
eine Schaltstellung aufweist, bei welcher gleichzeitig beide Verbindungen
unterbrochen sind. Mit einer solchen Ventilanordnung, beispielsweise
einem 3/3-wegeventil, kann das Stellelement eines Aktuators in seine
Endlagen verfahren werden. Dadurch, dass beide Verbindungen, also
die zur Unterdruckquelle und die zur Atmosphäre gleichzeitig unterbrochen
werden können,
kann das Stellelement in beliebigen Zwischenstellungen gehalten
werden. Der Vorteil gegenüber der
Verwendung eines elektropneumatischen Wandlers besteht vor allem
darin, dass sich eine Druckschwankung der Unterdruckquelle erheblich
geringer auswirkt. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die
Steuerung des Aktuators über
den ihm zugeführten
oder aus ihm entnommen Luft- bzw. Volumen strom. Dieser hängt nun überwiegend
von dem Leitungsquerschnitt und weniger von der herrschenden Druckdifferenz
ab, so dass sich Druckschwankungen der Unterdruckquelle weniger
stark auswirken, als dies bei einem elektropneumatischen Wandler
der Fall ist. Eine Aktuator-Steuerung oder -Regelung wird dadurch
insgesamt stabiler und leichter beherrschbar.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Vorrichtung vorgesehen,
die ein erstes, die Verbindung zwischen dem Aktuator und einer Unterdruckquelle
und ein zweites, die Verbindung zwischen dem Aktuator und der Atmosphäre steuerndes
Ventil aufweist, wobei die Ventile unabhängig voneinander betätigbar sind.
Durch diese Ausgestaltung ergeben sich weitere, ansonsten nur aufwändig zu
realisierende Steuer- und Regelungsmöglichkeiten. Vorzugsweise wird
das einfachste Wegeventil, nämlich
ein 2/2-Wegeventil eingesetzt. Denkbar ist aber auch die Verwendung
von 3/2-Wegeventilen, wobei hier ein Anschluss verblockt ist.
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Zur
Betätigung
eines Ventils können
beispielsweise Antriebe auf Basis einer Formgedächtnislegierung, Piezo-Antriebe
oder ein klassischer elektromagnetischer Antrieb verwendet werden.
Die Ventile, die beispielsweise als Sitz- oder Schieberventile ausgestaltet
sind, sind elektrisch so angesteuert, dass im bestromten Zustand
der Anschluss des Aktuators geöffnet
und im nicht bestromten Zustand geschlossen ist. Damit kann eine
einmal eingestellte Position des Stellelementes des Aktuators ohne
Energieverbrauch aufrechterhalten werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die Verbindung zwischen
dem Aktuator und der Atmosphäre
und die Verbindung zwischen dem Aktuator und der Unterdruckquelle
unter schiedliche Strömungswiderstände auf.
Dadurch weist das Stellelement in einer Richtung eine geringere
Stellgeschwindigkeit auf als in der anderen Richtung. Diese Ausgestaltung
eröffnet
weitere Varianten hinsichtlich der Steuerung oder Regelung eines
Aktuators, wie weiter unten noch gezeigt wird. Die unterschiedlichen Strömungswiderstände werden
bevorzugt durch eine Drosselung erreicht, wobei diese in einem Ventil selbst
oder in einer daran angeschlossenen Pneumatikleitung vorhanden sein
kann. Vorzugsweise wird die Verbindung zwischen dem Aktuator und
der Atmosphäre
gedrosselt. Denkbar ist auch, dass eine Drosselung durch Verwendung
eines Proportionalventils erreicht wird. Proportionalventile lassen
sich im übrigen
generell bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
einsetzen.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen als Unterdruckdose ausgestalteten
Aktuator, sowie zwei damit verbundene Ventile als Bestandteile einer Steuer-
bzw. Regelvorrichtung,
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2 bis 6 schematische
Darstellungen der Ventile von 1, welche
unterschiedliche Schaltzustände
bzw. Steuerungsmöglichkeiten
aufzeigen,
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7 bis 9 Weg-Zeit-Diagramme,
welche Steuerungsmöglichkeiten
für das
Stellelement eines Aktuators aufzeigen.
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Beispielhaft
für einen
Aktuator ist die 1 eine Unterdruckdose 1 gezeigt.
Diese umfasst ein im Querschnitt etwa rundes Gehäuse 2, in dem eine etwa
topfförmige
Membran 3 angeordnet und mit der Seitenwand 4 des
Gehäuses 2 gasdicht
ver bunden ist. Die Membran 3 unterteilt den Innenraum des
Gehäuses
in einen ersten und zweiten Teilraum 5, 6 wobei
in dem, bezogen auf die Anordnung in 1 unterhalb
der Membran 3 angeordneten Teilraum 5 eine Schraubendruckfeder 7 angeordnet
ist. Diese stützt sich
einerseits am Boden 8 des Gehäuses und andererseits an einer
an der nach unten weisenden Seite der Membran 3 fixierten
Druckplatte 9 ab. An der Druckplatte 9 ist ein
Stößel 10 als
Stellelement fixiert, wobei dieser die Membran 3 und die
obere Wand 12 durchsetzt. Im Boden 8 ist eine
Anschlussöffnung 13 vorhanden,
an welche eine sich in zwei Teilleitungen 14, 15 verzweigende
Leitung 11 angesetzt ist. Zur Steuerung der Anschlussöffnung 13 ist
jede Teilleitung 14, 15 mit einem ersten Ventil 16 bzw.
einen zweiten Ventil 17 verbunden. Die Ventile 16, 17 sind 2/2-Wegeventile
mit elektromagnetischer Betätigung. Der
eine Anschluss 18, 19 eines Ventils 16, 17 ist
mit einer Teilleitung 14 bzw. 15 verbunden. Der
andere Anschluss U des ersten Ventils 16 ist mit einer
Unterdruckwelle und der andere Anschluss A des zweiten Ventils 17 mit
der Atmosphäre
verbunden. Die unterschiedlichen Schaltstellungen der Ventile 16, 17 sind in 2, 3 angedeutet.
Dort sind die Ventile 16, 17 jedoch als 3/2-Wegeventile abgebildet,
wobei der dritte Anschluss 20 des ersten Ventils 16 verschlossen
ist. Der den Betätigungsantrieb
(nicht dargestellt) eines Ventils 16, 17 z.B.
einen Elektromagneten mit Strom versorgende Stromkreis 22 ist
in den Abbildungen 1 bis 6 schematisch
angedeutet. Er umfasst einen Schalter 23a, b zum Öffnen bzw.
Schließen
des Stromkreises 22. Bei geschlossenem Schalter 23 bzw.
im bestromten Zustand eines Ventils 16, 17 sind
die Anschlüsse 18, 19 mit
dem Anschluss U bzw. A verbunden. Bei geöffnetem Schalter 23 sind die
Anschlüsse 18, 19 und
damit die Anschlussöffnung 13 der Unterdruckdose 1 verschlossen
und die Anschlüsse
U und A mit den dritten Anschlüssen 20 bzw. 20a verbunden.
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In
der Schaltstellung gemäß 2 ist
die Unterdruckdose 1 über
die Anschlüsse 18 und
U des ersten Ventil 16 mit eine Unterdruckquelle verbunden.
Die Folge ist, dass die Membran auf Grund des im Teilraum 6 herrschenden
Atmosphärendrucks
unter Kompression der Schraubendruckfeder 7 in Richtung
des Pfeils 26 auf den Boden 8 zu bewegt wird, wobei
sie den an ihr fixierten Stößel 10 mitnimmt.
Bei entsprechender Öffnungsdauer
des ersten Ventils 16 wird der Stößel 10 ausgehend von
seiner ersten, in 1 gezeigten Endlage in seine
zweite Endlage verfahren, bei der die Schraubendruckfeder 7 maximal
komprimiert ist. Wenn diese Endlage erreicht ist, wird über ein
Steuersignal der Schalter 23a geöffnet und dadurch auch der
Anschluss 18 versperrt. Da sich das zweite Ventil 17 im
unbestromten Zustand befindet, bleibt der im ersten Teilraum des
Gehäuses 2 vorhandene
Unterdruck erhalten bzw. verharrt der Stößel 10 in seiner zweiten
Endlage. Mit der in 2 und 3 gezeigten
Anordnung lassen sich aber nicht nur die Endstellungen sondern auch
beliebige Zwischenstellungen des Stößels 10 herbeiführen. Dazu
ist es denkbar, dass an entsprechenden Positionen des Stößels 10 Wegsensoren
(nicht gezeigt) vorhanden sind, die ein ein Öffnen oder Schließen eines
Schalters 23a, b bewirkendes elektrisches Signal erzeugen.
Denkbar sind auch andere Sensoren, etwa Sensoren, die den Druck
im Gehäuse 2 oder eine
von der Unterdruckdose beeinflusste Messgröße abgreifen (jeweils nicht
dargestellt). Aber auch ohne Zuhilfenahme von Sensoren lässt sich
der Stößel 10 exakt
positionieren. Beispielsweise kann für einen bestimmten Anwendungsfall
die Zeitdauer bestimmt werden, die ein Stößel 10 benötigt, um
von einer Position zu einer anderen Position zu gelangen. Die Ansteuerung
dieser Position, beispielsweise die Position x2 (1, 7)
erfolgt dann ganz einfach dadurch, dass das erste Ventil 16 für die empirisch bestimmte
oder berechnete Zeitdauer bei geschlossenem zweiten Ventil 17 offen
gehalten wird. Für
eine umgekehrte Bewegung, also etwa von der Position x2 in die Position
x1 kann entsprechend verfahren werden, wobei nun das erste Ventil 16 geschlossen und
das zweite Ventil 17 geöffnet
ist, so dass Atmosphärenluft über die
Anschlussöffnung 13 in
den Teilraum 5 einströmen
kann. Bei der Bestimmung der in Rede stehenden Zeitdauer ist zu
berücksichtigen, dass
die Ventile eine gewisse Totzeit aufweisen. Diese ergibt sich daraus,
dass nach dem Öffnen
eines Stromkreises 22 noch eine gewisse Zeit vergeht, bis ein
Ventil von seiner Öffnungs-
in seine Schließstellung
gelangt.
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Wenn
zwischen zwei Positionen genügend Verfahrweg
vorhanden ist, wenn also die Zeitdauer, die vergeht bis der Stößel 10 von
einer Position (x1) in eine nächste
Position (x2) gelangt, größer als
die Totzeit Z des Ventils ist, kann eine Position relativ zielgenau
angefahren werden. Diese Situation ist in den Diagrammen gemäß 7 bis 9 jeweils
in der linken Diagrammhälfte
aufgezeigt. Allgemein ist in den Diagrammen die dickere Linie der
Soll- und die dünnere
Linie der Istwert einer anzufahrenden Position des Stößels 10.
Für den
in Rede stehenden Fall wird bei geschlossenem Ventil 17 das
Ventil 16 geöffnet
und zum Zeitpunkt t1 wieder geschlossen.
Dieser Zeitpunkt ist so gewählt,
dass der Stößel in der
Totzeit Z die gewünschte
Endposition (x2) erreicht. Steht jedoch
nur ein geringer Verfahrweg des Stößels 10 zwischen zwei
Positionen (x2–x3)
zur Verfügung
bzw. ist die genannte Zeitdauer kleiner als die Totzeit Z, fährt der
Stößel 10 zwangsläufig über die
vorbestimmte Position (x3) hinaus. Diese Situation ist in der rechten
Hälfte
des Diagramms von 7 aufgezeigt. Aus Vereinfachungsgründen ist
in diesem Diagramm und auch in den Diagrammen von 8 und 9 jeweils
nur die Bewegung des Stößels 10 in der
jeweiligen Totzeit Z dargestellt. Wenn der Stößel 10 in umgekehrter
Richtung von der Position x3 zur Position
x2 verfahren werden soll, wird bei geschlossenem
Ventil 16 das Ventil 17 kurzzeitig geöffnet und wieder
geschlossen (Zeitpunkt t3). Dabei fährt der Stößel über die
angepeilte Position x2 hinaus. Dementsprechend
kann eine bestimmte Position (x3) von der einen oder anderen Seite
her nur mit einer Stellgenauigkeit S1 angefahren werden, welche
der vom Stößel während der
Totzeit Z durchfahrenen Strecke entspricht.
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In 4 bis 6 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei welchem die Verbindung zwischen der Atmosphäre und dem
Aktuator bzw. der Unterdruckdose 1 gedrosselt ist. Bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist in der Teilleitung 15 eine Drosselstelle 25 vorhanden.
Die Drosselung kann aber auch innerhalb des Ventils 17 oder
in einer am Anschluss A vorhandenen Zuleitung vorgenommen werden.
Bei der Unterdruckbeaufschlagung der Unterdruckdose 1,
entsprechend der in 4 gezeigten Situation, bei der
das Ventil 16 bestromt und das Ventil 17 unbestromt
ist, ergibt sich kein Unterschied zu der weiter oben beschriebenen
Variante (2). Das Belüften des Raumes 5 der
Unterdruckdose 1, bei dem dieser mit der Atmosphäre verbunden
ist (5) erfolgt aufgrund der Drosselstelle 25 und
den dadurch reduzierten Luftstrom eine Rückstellung des Stößels 10 mit
geringerer Geschwindigkeit. Dieser Effekt kann nun, wie in 8 schematisch
gezeigt ist, dazu benutzt werden, ein Übersteuern des Stößels 10 zumindest
zum Teil zu kompensieren, indem das Ventil 17 nach kurzzeitiger
Bestromung zum Zeitpunkt t4 abgeschaltet
wird, so dass der Raum 5 der Unterdruckdose 1 kurzzeitig
belüftet
wird und sich darin der Unterdruck verringert. Aufgrund der langsamen
Rückstellung
durchfährt
der Stößel 10 während der
Totzeit Z eine kleinere Strecke, so dass er bei der Position x4 zum Stillstand kommt. Dadurch ergibt sich eine
Verstellgenauigkeit s2, die kleiner als die Verstellgenauigkeit
s1 (7) ist.
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Bei
einer weiteren Verfahrensweise, die schematisch in 8 wiedergegeben
ist, ist die bevorzugte Verstellrichtung des Stößels 10 ebenfalls
jene, bei der dieser in Richtung des Pfeils 26 bei Unterdruckbeaufschlagung
des Raumes 5 in die Unterdruckdose 1 hinein verfahren
wird. Eine solche Verfahrensweise wird immer dann vorteilhaft sein,
wenn eine Betätigung
des Stößels in
Pfeilrichtung 26 schnell erfolgen soll, wobei es auf die
Zielgenauigkeit der angefahrenen Position nicht allzu sehr ankommt.
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Wenn
bei einer Ausgestaltung gemäß den 4 bis 6,
wenn also die Drosselstelle 25 in der Teilleitung 15 angeordnet
ist, ein Überschwingen des
Stößels 10 bei
einer Verfahrung in Richtung des Pfeils 26 (1) über seine
Zielposition hinaus verhindert werden soll, kann das Ventil 17 bereits
zugeschaltet werden, wenn das Ventil 16 noch geöffnet, sich
also im bestromten Zustand befindet (6). Bei
dem in 9 gezeigten Beispiel soll der Stößel 10 von
der Position x2 zur Position x3 verfahren werden. Dabei werden beide
Ventile zum Zeitpunkt t5 gleichzeitig geöffnet. Dabei
ergibt sich aufgrund des Luftstroms 27 über das Ventil 17 eine
geringere Geschwindigkeit des Stößels 10.
Beide Ventile werden zum Zeitpunkt t6 abgeschaltet,
wobei der Abschaltzeitpunkt so gelegt ist, dass in der verbleibenden
Totzeit Z der Stößel 10 die
vorgesehene Endposition (x3) erreicht. Gegenüber den vorher beschriebenen Beispielen
ergibt sich dabei eine nochmals verbesserte Verstellgenauigkeit
s3.