DE102009023168A1

DE102009023168A1 - Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds eines fluidischen Systems ohne Positionssensor

Info

Publication number: DE102009023168A1
Application number: DE102009023168A
Authority: DE
Inventors: Roberto Gutierrez Gonzalez; Jan Bredau
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2010-12-02
Also published as: EP2417364B1; CN102483079A; CN102483079B; EP2417364A1; WO2010136131A1

Abstract

Es wird eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds (19) eines fluidischen Systems (10) ohne Positionssensoranordnung vorgeschlagen, wobei wenigstens ein fluidisches Steuerventil (12) zur Steuerung des fluidischen Systems (10) vorgesehen ist. In einer Zuleitung (13) zum fluidischen System (10) ist eine Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) geschaltet, die direkt mit einem Controller (18) verbunden ist. Der Controller (18) besitzt Mittel zur Berechnung der Positon x des Stellglieds (19) gemäß der Beziehung x = ∫ 1/A · (Q· K- Q/K) · dt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds eines fluidischen Systems ohne Positionssensor. Positionssensoren und Wegmesssysteme zur Steuerung von Bewegungen in fluidischen Systemen, insbesondere Arbeitszylindern, sind in vielfältigen Variationen bekannt und zur Prozesssteuerung unabdingbar. Unter bestimmten Bedingungen, z. B. bei sehr hohen Temperaturen, ist die Verwendung von Positionssensoren und Wegmesssystemen sehr problematisch und kostenintensiv. Auch wenn keine hohen Temperaturen vorliegen, stellen Positionssensoren und Wegmesssysteme einen Kostenfaktor dar, der insbesondere bei nicht zu hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit möglichst gering gehalten werden sollte.
Aus der DE 103 55 250 B4 ist es bekannt, eine Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung in der Zuleitung zu einem Arbeitszylinder anzuordnen. Dies dient jedoch nicht zur Positionser fassung des Kolbens, sondern zur Leckage-Ermittlung, indem die gemessenen Druck- und Volumenstromwerte mit Referenzwerten verglichen werden. Zur Ermittlung der Leckage ist zusätzlich ein Endstellungsschalter erforderlich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds eines fluidischen Systems zu schaffen, bei der auf Positionssensoren oder Wegmesssysteme verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass auf jegliche Positionssensoren oder Wegmesssysteme verzichtet werden kann und die Position bzw. Positionen indirekt über die Erfassung von Durchfluss bzw. Volumenstrom und Druck ermittelt werden können. Die Sensorik braucht deshalb nicht entlang des Hubwegs des Stellglieds angeordnet sein, sondern kann in der Zuleitung zum fluidischen System, also auch extern angeordnet sein, wobei die geometrische Position variabel ist. Dies ermöglicht eine variablere geometrische Auslegung der Anordnung bei geringerem Verkabelungsaufwand. Durch den Ersatz von Positionssensoren oder Wegmesssystemen durch billigere Volumenstrom- und Drucksensoren können die Kosten für die Positionserfassung reduziert werden.
Das fluidische System ist insbesondere ein pneumatisches System, das mit Druckluft betrieben wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Positionsmesseinrichtung möglich.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Ausbildung der Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung als Messmodul, insbesondere als Anbau- oder Einbaumodul erwiesen. Ein solches Modul kann in einfacher Weise am oder im fluidischen System oder am oder im wenigstens einen Steuerventil in variabler Weise angebracht werden.
Weist das fluidische System wenigstens einen fluidbetätigten Aktor auf oder besteht es aus wenigstens einem fluidbetätigten Aktor, so kann die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung in vorteilhafter Weise an oder in einem der Deckel des Aktors oder an dessen Außenseite angeordnet werden.
Bilden mehrere Steuerventile eine Ventilbatterie, so kann diese zweckmäßigerweise mit einer oder mit mehreren Volumen strom- und Drucksensoreinrichtungen versehen sein, insbesondere in Form von Modulen.
Die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung kann auch vorteilhaft mehreren fluidbetätigten Aktoren als fluidisches System zugeordnet sein. Dies erweist sich vor allem dann als besonders vorteilhaft, wenn der Controller Mittel zur zeitlichen Zuordnung der erfassten Messsignale der Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung zum jeweils betätigten Aktor aufweist, so dass mit einer Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung die Positionen der Stellglieder mehrerer Aktoren erfasst werden können.
Bei dem mindestens einen fluidbetätigten Aktor handelt es sich beispielsweise um einen Linearantrieb, z. B. um einen Arbeitszylinder, oder um einen Drehantrieb.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines durch ein Steuerventil gesteuerten Arbeitszylinders, wobei eine Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung in eine der Zuleitungen zum Arbeitszylinder angeordnet ist,
2 eine Anordnung von zwei modulartigen Volumenstromund Drucksensoreinrichtungen an einer Ventilbatterie und
3 die Anordnung einer Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung im Zylinderdeckel eines Arbeitszylinders.
Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein fluidischer Arbeitszylinder 10 als Beispiel eines fluidischen Systems durch eine einen Druck P aufweisende Druckquelle 11 über eine Ventilanordnung 12 gesteuert, bei der es sich beispielsweise um ein 5/3-Wege-Ventil handeln kann oder um zwei separate Ventile, die in die beiden Zuleitungen 13, 14 zu den beiden Kammern des fluidischen Arbeitszylinders 10 geschaltet sind. In beide Zuleitungen 13, 14 sind Drosselrückschlagventile 15, 16 geschaltet, die zweckmäßige Ausgestaltungen darstellen, jedoch nicht zwingend erforderlich sind. In eine der beiden Zuleitungen 13 ist darüber hinaus eine als Messmodul ausgebildete Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 geschaltet, durch die der zur entsprechenden Arbeitskammer des Arbeitszylinders 10 geführte bzw. rückgeführte Volumenstrom Q_N sowie der jeweilige Druck p gemessen wird.
Die Messwerte Q_N und p der Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 werden einem Controller 18 zugeführt, der als externe Steuerzentrale oder als individuell zugeordnete Steuereinrichtung ausgebildet sein kann. Die Zuführung kann kabelgebunden oder auch drahtlos erfolgen. In diesem Controller 18 wird aus den Messwerten Q_N und p gemäß der Beziehung
die jeweilige Position x des als Stellglied 19 dienenden Kolbens des Arbeitszylinders 10 berechnet. Dabei ist A die druckbeaufschlagbare Fläche des Stellglieds 19, also des Kolbens des Arbeitszylinders 10, und Q_K der Kompressionsstrom, der proportional zum Aktuatorvolumen und der Druckänderung gemäß der Beziehung Qk = V·dp/dtist, wobei V das Volumen ist, das aus dem Totvolumen, also dem Volumen von Leitungen, Schläuchen und dergleichen, und dem hubabhängigen Zylindervolumen besteht. K_p1 und K_p2 sind druckabhängige Korrekturfaktoren für den Volumenstrom Q_N und den Kompressionsstrom Q_k. Diese Korrekturfaktoren berücksichtigen den aktuellen Druck sowie Temperatur-/Wärmeeffekte, die mit einem Polytropenkoeffizienten berücksichtigt sind. Dieser Koeffizient wird automatisch durch die Größe des Druckes, der Druckänderung und der Verfahrgeschwindigkeit des Zylinders ermittelt. Der berechnete Positionswert x ergibt sich aus dem Integral der Kolbengeschwindigkeit, so dass auch diese in einfacher Weise dadurch erhalten wird, indem man auf die Integration verzichtet.
Die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 kann sowohl beim Einspeisen als auch beim Abführen von Druckmedium durch die zugeordnete Zuleitung 13 genutzt werden. Erfolgt die Messung während der Fluideinspeisung, werden beide Korrekturfaktoren zweckmäßigerweise als positive Werte berücksichtigt. Bei einer Messung während der Fluidabfuhr werden die beiden Korrekturfaktoren zweckmäßigerweise als negative Werte berücksichtigt.
Die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 kann auch in die andere (14) der beiden Zuleitungen eingeschaltet sein. Ebenso besteht die Möglichkeit, gleichzeitig in sämtliche Zuleitungen 13, 14 jeweils eine eigene Volumenstrom-Drucksensoreinrichtung einzuschalten, die dann zweckmäßigerweise an ein und demselben Controller 18 angeschlossen sind.
Der ermittelte Positionswert x kann in einer Anzeige- und/oder Registriereinrichtung 20 angezeigt und/oder gespeichert bzw. aufgezeichnet werden.
Bei der Ermittlung der Position gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren bzw. gemäß der vorstehend angegebenen Beziehung beginnen die Messungen ab dem Steuersignal für die Ventilanordnung 12, durch das ein Volumenstrom initiiert wird. Das Verfahren kann zur reinen Endlagenermittlung noch robuster und vereinfachter gemacht werden, indem Druck- und Volumenstrommuster Plausibilitätskontrollen unterworfen werden. Beispielsweise sind die Messwerte für Druck und Volumenstrom zu Beginn des Vorgangs gleich Null. Verlässt das Stellglied 9 eine Endlage, so erreichen Druck und Volumenstrom ihr Maximum. Bei Erreichen der entgegengesetzten Endlage durch das Stellglied 9 wird für den Druck ein Endwert festgestellt, während der Volumenstrom zu Null wird.
Mit der Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 können auch zusätzliche Diagnosen realisiert werden, z. B. die Erfassung der Schaltzeit über den Drucksensor, indem die Druckanstiegszeit gemessen wird.
In 2 ist eine als Ventilbatterie ausgebildete Ventilanordnung 21 als fluidisches System dargestellt, die aus einer Vielzahl von aneinandergereihten Plattenventilen 22 oder sonstigen Ventilen besteht. Zwei der Plattenventile 22 sind jeweils mit einer Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 ausgestattet, die als Anbaumodul an das jeweilige Plattenven til 22 angebaut ist. Prinzipiell kann auch jedes der Plattenventile 22 mit einer eigenen Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 versehen sein, wobei neben einem Anbau auch ein Einbau realisiert werden kann. Durch Auswertung des Musters der Steuersignale seitens des Controllers 18 oder anderer Steuereinrichtungen, beispielsweise auch einer internen Steuereinrichtung der Ventilinsel, kann der Sensoraufwand verringert werden. Diese Steuersignale liegen bereits in der Ventilbatterie vor. Da selten alle Ventile gleichzeitig schalten, können abhängig vom aktuellen Schaltzustand die Messsignale einer Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 dem jeweils aktiven Ventil bzw. Plattenventil 22 mit entsprechendem Aktuator zugeordnet werden. Hierfür kann auch nur eine einzige Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 für alle Ventile bzw. Plattenventile 22 vorgesehen sein, die in einer gemeinsamen fluidischen Zuführleitung angeordnet wird. Eine entsprechende Auswerteelektronik mit der Schaltmatrix kann gleich in der Ventilbatterie integriert sein. Applikationsabhängig kann die Zahl der Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtungen 17 variieren. Wenn nur die Endlagen interessieren, kann für grobe Aussagen hinsichtlich der Endlagen auch nur das Volumenstrom-Messsignal ausgewertet werden, wobei dann eine Druckerfassung bzw. ein im Modul enthaltener Drucksensor nicht erforderlich ist.
In 3 ist ein Teilbereich des fluidischen Arbeitszylinders 10 mit seinem Kolben als Stellglied 19 vergrößert dargestellt. Der Arbeitszylinder 10 weist ein Zylinderrohr 23 auf, das am dargestellten Endbereich durch einen Deckel 24 verschlossen ist. Die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung 17 ist in diesem insbesondere als Zylinderdeckel ausgebildeten Deckel 24 als Einbaumodul integriert. Alternativ hierzu kann sie auch außen an dem Deckel 24 oder außen am Zylinderrohr 23 als Modul angebaut sein. In den Ausführungsbeispielen ist als fluidisches System ein fluidischer Arbeitszylinder dargestellt. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Aktoren. als fluidische Systeme anwendbar, wobei ein fluidisches System auch mehrere Aktoren bzw. Arbeitszylinder aufweisen kann.
Wie bereits ausgeführt, ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die indirekte Positionserfassung in fluidischen Systemen bzw. Aktoren, wie Antrieben, Zylindern und dergleichen, durch die Verwendung von Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtungen. Vorteile sind dabei die Verringerung der Störanfälligkeit, die Reduzierung von Inbetriebnahme- und Verkabelungsaufwand sowie ein geringerer Wartungsaufwand.
Der gezeigte Arbeitszylinder 10 weist eine Kolbenstange auf, könnte jedoch auch kolbenstangenlos ausgebildet sein. Anstelle des gezeigten Arbeitszylinders 10 könnte auch ein anderer fluidbetätigter Aktor vorhanden sein, beispielsweise ein Drehantrieb, ein Krustenbrecherzylinder, eine Handhabungsvorrichtung oder eine Greifvorrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10355250 B4 [0002]

Claims

Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds (19) eines fluidischen Systems (12) ohne Positionssensoranordnung, mit wenigstens einem fluidischen Steuerventil (12; 21) zur Steuerung des fluidischen Systems (12), mit einer in eine Zuleitung (13) zum fluidischen System (12) geschalteten Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17), die direkt mit einem Controller (18) verbunden ist, wobei der Controller (18) Mittel zur Berechnung der Position x des Stellglieds (19) gemäß der Beziehung
besitzt, wobei A die druckbeaufschlagte Fläche des Stellglieds (19), Q_N der gemessene Volumenstrom, K_p1 und K_p2 druckabhängige Korrekturfaktoren und Q_K der vom wirksamen Gesamtvolumen V und von der zeitlichen Ableitung des gemessenen Druckes p abhängige Kompressionsstrom ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einem Kompressionsstrom gemäß Qk = V·dp/dt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstrom und Drucksensoreinrichtung (17) zwischen das wenigstens eine Steuerventil (12; 21) und das fluidische System (10) geschaltet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) als Messmodul ausgebildet ist, insbesondere als Anbau- oder Einbaumodul.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) am oder im fluidischen System (10) angeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische System (10) wenigstens einen fluidbetätigten Aktor, beispielsweise einen Arbeitszylinder oder Drehantrieb, aufweist oder aus einem solchen besteht, wobei die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) zweckmäßigerweise an oder in einem der Deckel (24) des fluidbetätigten Aktors oder an dessen Außenseite angeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstrom- und Druck sensoreinrichtung (17) am oder im wenigstens einen Steuerventil (12; 21) angebracht ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Steuerventile (22) eine Ventilbatterie (21) bilden, die mit wenigstens einer Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) versehen ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) mehreren Aktoren, insbesondere Arbeitszylindern oder Drehantrieben, als fluidisches System zugeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller (18) Mittel zur zeitlichen Zuordnung der erfassten Messsignale der Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung (17) zum jeweils betätigtem fluidischen System, insbesondere Aktor aufweist.