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Die Erfindung betrifft einen gedämpften, pneumatischen Stellantrieb.
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Stellantriebe werden im industriellen Umfeld verwendet, um Objekte, beispielsweise Gegenstände, Antriebselemente oder Ventilelemente, zu positionieren. Dabei sind die Objekte mittels dieser Stellantriebe an definierten Stellen innerhalb eines bestimmten (Verstell-)Bereichs zu bewegen bzw. zu positionieren.
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Stellantriebe müssen folgende Eigenschaften aufweisen, die – in Abhängigkeit eines bestimmten Einsatzfalles – unterschiedlich gewichtet sein können: Präzision, hohe bzw. ausreichende Stellgeschwindigkeit, Ausfallsicherheit, niedriger Preis, geringer Wartungsaufwand und Diagnosefähigkeit.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Stellantrieben bekannt (http://de.wikipedia.org/wiki/Stellantrieb, erhältlich am 06.07.2011), die sich auf Grundlage einer jeweils eingesetzten Stellenergie wie folgt unterteilen lassen: pneumatische Stellantriebe, hydraulische Stellantriebe und elektrische Stellantriebe.
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Jeder dieser Arten von Stellantrieben erfüllt die oben geforderten Eigenschaften unterschiedlich gut.
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Hydraulische Stellantriebe erfüllen die Anforderungen an Präzision und Stellgeschwindigkeit besser als pneumatische Stellantriebe. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass ein Antriebsmedium beim pneumatischen Stellantrieb kompressibel ist und daher äußere Einflüsse, wie beispielsweise Lastkräfte, und innere Einflüsse, wie beispielsweise Reibung, unmittelbar Einfluss auf die Positionierung mittels bzw. bei einem solchen pneumatischen Stellantrieb haben.
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Pneumatische Stellantriebe sind hingegen in der Regel kostengünstiger als hydraulische oder elektrische Stellantriebe, was auf im industriellen Umfeld in der Regel vorhandener Druckluft, beispielsweise Instrumentenluft, zurückzuführen ist.
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Ein pneumatischer Stellantrieb (http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumatik, erhältlich am 06.07.2011) verwendet zur Positionierung eines Objekts einen pneumatisch, d. h. durch ein pneumatisches Medium bzw. Druckluft, in einem Arbeitszylinder bewegbaren Arbeitskolben oder einen Membranantrieb. Die Positionierung des Objekts durch den pneumatischen Stellantrieb erfolgt meist durch eine Steuereinheit, wobei eine bei der Positionierung angefahrene Objekt- oder Stellantriebsposition gemessen (Istposition bzw. Istwert), beispielsweise elektrisch gemessen, und mit einer Sollposition bzw. einem Sollwert verglichen wird.
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Besteht eine Abweichung zwischen Istwert und Sollwert, so wird über Ansteuerung der Pneumatik, beispielsweise durch Öffnen eines von dem pneumatischen Medium durchströmten Ventils, eine auf den Arbeitskolben oder den Membranantrieb wirkende Kraft erzeugt, die diesen bzw. den Stellantrieb – und damit das zu positionierende Objekt – in eine gewünschte Position, d. h. die Sollposition, schiebt.
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Um eine stetige, feinfühlige Regelung bei der Positionierung des Objekts – und damit eine ausreichend hohe Präzision der Positionierung des Objekts – zu gewährleisten, kann bei einem pneumatischen Stellantrieb vorgesehen werden, eine in den Arbeitszylinder strömende Druckluft zu variieren. Dieses geschieht entweder durch taktende Ansteuerung des Ventils oder mittels eines kontinuierlich angesteuerten Ventils. Dieses wird auch als Servopneumatik bezeichnet.
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Eine solche gesteuerte Positionierung bzw. die Ansteuerung und Regelung eines pneumatischen Stellantriebs ist aus der
DE 100 21 744 A1 bekannt.
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Auch ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Dämpfung bei dem pneumatischen Stellantrieb vorzusehen.
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Ein solcher gedämpfter, pneumatischer Stellantrieb ist aus der
DE 100 38 734 A1 bekannt.
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Dieser gedämpfte, pneumatische Stellantrieb aus der
DE 100 38 734 A1 dient zur Erzeugung einer konstanten, langsamen, linearen Antriebsbewegung. Dieser Stellantrieb besteht aus einem mit Druckluftanschlüssen versehenen, geschlossenen Zylindergehäuse mit einem integrierten längsbewegbaren Kolben, der mit einer Kolbenstange zur Übertragung der linearen Antriebsbewegung verbunden ist. Die Kolbenstange steht mit einer hydraulischen Dämpfereinheit in Wirkverbindung.
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Die Dämpfereinheit ist innerhalb des Zylindergehäuses angeordnet und umfasst zwei mit einer Hydraulikflüssigkeit befüllte Faltenbälge, die beidseits an einer ortsfest bezüglich des Zylindergehäuses angeordneten, mittleren Trennwand befestigt sind. Diese Trennwand weist eine Öffnung zum Überströmen der Hydraulikflüssigkeit auf, wobei distale Enden der beiden Faltenbälge durch die Druckluft beaufschlagbaren Kolben verschlossen sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen pneumatischen Stellantrieb anzugeben, mittels welchem sich Objekte mit hoher Genauigkeit positionieren lassen. Auch soll die Erfindung einen einfach und kostengünstig zu realisierenden pneumatischen Stellantrieb ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch einen pneumatischen Stellantrieb mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
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Dieser pneumatische Stellantrieb weist eine pneumatische Verstelleinheit mit einem pneumatisch antreibbaren Verstellelement auf. Weiter weist dieser pneumatische Stellantrieb eine Dämpfungseinheit auf.
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Das Verstellelement steht derart in einer Wirkverbindung mit der Dämpfungseinheit, dass der Antrieb des Verstellelements durch die Dämpfungseinheit gedämpft ist.
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Weiter ist bei dem pneumatischen Stellantrieb erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Dämpfungswiderstand der Dämpfungseinheit verstellbar ist.
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Anschaulich gesehen setzt somit die Erfindung einem pneumatisch initiierten Antrieb des Verstellelements eine über ihren Dämpfungswiderstand einstellbare bzw. regulierbare Dämpfung entgegen, wobei über die Einstellung bzw. Regulierung der Dämpfung die Antriebsbewegung des Verstellelements kontrolliert bzw. gesteuert wird.
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Anders ausgedrückt, dadurch, dass die Erfindung somit einerseits die pneumatische Verstelleinheit vorsieht, andererseits die die pneumatische Verstelleinheit über den einstellbaren Dämpfungswiderstand gezielt/reguliert dämpfende Dämpfungseinheit vorsieht, wird bei der Erfindung die zur Verstellung des Verstellelements benötigte Energie über die Pneumatik zugeführt und bereitgestellt, während über die regulierbare/einstellbare Dämpfung, welche auf den Antrieb des Verstellelements wirkt, die Bewegung des Verstellelements gesteuert und kontrolliert wird.
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Die Erfindung basiert somit auf einer Trennung der Funktionen „Energie zuführen”, was erfindungsgemäß über die Pneumatik bzw. durch die zu- bzw. abgeführte Druckluft erfolgt, und „Bewegung steuern”, was bei der Erfindung durch die Ein- bzw. Verstellung des Dämpfungswiderstands der Dämpfungsvorrichtung erfolgt.
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Bei herkömmlichen pneumatischen Stellantrieben sind diese beiden Funktionen, d. h. „Energie zuführen” und „Bewegung steuern”, insoweit vereint, als dass die Bewegung durch Dosierung der zu- oder abströmenden Druckluft, d. h. der zugeführten Energie, geregelt wird. Weil aber hier das Druckmedium kompressibel ist, gelingt eine exakt kontrollierte Bewegungssteuerung über diese Dosierung bei solchen herkömmlichen pneumatischen Stellantrieben nur schlecht, was Einbußen an der Verstellgenauigkeit mit sich bringt.
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Durch die vorgesehene Kopplung von pneumatischer Verstellung und einstellbarer Dämpfung löst damit die Erfindung in einfacher und effektiver Weise den Konflikt zwischen Genauigkeit und Kosten, wie er sonst bei reinen pneumatischen Stellantrieben einerseits und reinen hydraulischen oder elektrischen Stellantrieben andererseits auftritt. Die Erfindung stellt über die Trennung der beiden Funktionen, „Energie zuführen” und „Bewegung steuern”, und deren Ausführung durch das jeweilige, entsprechend vorteilhafte System, „Pneumatik” und „einstellbare Dämpfung”, einen kostengünstigen Stellantrieb mit hoher verfügbarer Verstellpräzision zur Verfügung.
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Im Vergleich zu hydraulischen Stellantrieben fallen bei der Erfindung deutlich geringere Kosten an, da kein Aggregat zu einer Druckversorgung wie dort erforderlich ist. Auch im Vergleich zu elektrischen Stellantrieben sind die Kosten geringer, insbesondere weil bei der Erfindung keine aus der Elektrik resultierenden Schutzanforderungen zu erfüllen sind.
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Im Vergleich zu pneumatischen Stellantrieben ist erfindungsseitig eine wesentlich höhere Laststeifigkeit, d. h. die Fähigkeit des Stellantriebs bei äußerer Belastung möglichst wenig nachzugeben, vorhanden. Äußere Belastungen werden bei der Erfindung durch die Dämpfungseinheit „aufgefangen”, welche weniger kompressibel ist als die Pneumatik bei der Erfindung. Daher haben bei der Erfindung die äußeren Einflüsse, wie beispielsweise die Lastkräfte, aber auch innere Einflüsse, wie beispielsweise Reibung, weniger störenden Einfluss auf die Positionierung als bei reinen pneumatischen Stellantrieben.
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So zeigt sich bei der Erfindung – verglichen mit pneumatischen Stellantrieben – ein deutlich verringerter Stick-Slip-Effekt (Haftgleiteffekt), d. h. ein Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern, in Folge dessen die Erfindung eine höhere Positionierungsgenauigkeit erreicht.
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Darüber hinaus erweist sich bei der Erfindung von Vorteil, dass sie über ein Blockieren mindestens eine der beiden Einheiten, „pneumatische Verstelleinheit” und „einstellbare Dämpfungseinheit”, auf effektive und einfache Weise ein Festsetzen des Stellantriebs, beispielsweise in einer Sollwertposition, ermöglicht, um so nicht beabsichtigte Rückführungskräfte abzufangen. Vereinfacht bzw. anders ausgedrückt, eine Bewegung des Stellantriebs lässt sich jederzeit durch Blockieren einer der beiden Einheiten stoppen. Es besteht somit keine Gefahr, dass ein Ausfall einer Einheit zu einer unkontrollierten Bewegung führt.
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Außerdem erweist sich die Erfindung robust bzw. unempfindlich gegenüber Verschmutzung, da die pneumatische Verstelleinheit – nur als „Energiezuführung” und eben nicht als „Bewegungssteuerung” – auf komplexere, verschmutzungsanfälligere Bauteile, wie zum Beispiel Regelventile, verzichten kann.
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Auch erweist sich die Erfindung gegenüber hydraulischen Stellantrieben als wartungsärmer, da die Dämpfungseinheit ein abgeschlossenes System bildet, bei dem zur Dämpfung verwendete Medien, beispielsweise ein hydraulisches Medium, im geschlossenen System verbleibt. Auf eine Kühlung sowie auf eine Filtration kann ebenso verzichtet werden.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinheit ein Dämpfungsmedium, insbesondere ein hydraulisches Medium, wie beispielsweise Wasser, Mineralöl, Ester oder Glycol, aufweist, welches weniger kompressibel ist als ein pneumatisches Medium der pneumatischen Verstelleinheit bzw. als Druckluft. Vereinfacht ausgedrückt, das hydraulische Medium der Dämpfungseinheit, welches die Bewegung steuert, soll weniger kompressibel sein als die Druckluft der pneumatischen Verstelleinheit. Gerade hierdurch lässt sich dann der Einfluss von äußeren Einflüssen, wie beispielsweise die Lastkräfte, und inneren Einflüssen, wie beispielsweise die Reibung, bei der Bewegung und damit auf die Positionierung reduzieren und die Verstellpräzision erhöhen.
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Auch kann vorgesehen sein, dass das Dämpfungsmedium eine elektrorheologische Flüssigkeit ist. Elektrorheologische Flüssigkeiten, beziehungsweise elektrorheologische Fluide (abgekürzt: ERF), sind, wie bekannt ist, adaptive Materialien, deren Fließverhalten durch ein elektrisches Feld in weitem Rahmen schnell und reversibel gesteuert werden kann. Somit lässt sich so auf einfache Weise der Dämpfungswiderstand der Dämpfungseinheit bzw. die Dämpfungseigenschaft der Dämpfung durch Anlegen bzw. Verändern einer angelegten, einstellbaren Spannung an die elektrorheologische Flüssigkeit steuern.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinheit einen hydraulischen Dämpfungszylinder, beispielsweise einen üblichen hydraulischen Zylinder oder einen Gleichgangzylinder, mit einem hydraulisch bewegbaren hydraulischen Dämpfungskolben sowie ein mit einem hydraulischen Medium durchströmtes, einstellbares Stellglied, insbesondere ein Proportionalventil, aufweist. Über die Einstellung des Proportionalventils wird dabei der Dämpfungswiderstand der Dämpfungseinheit ein- bzw. verstellt.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die pneumatische Verstelleinheit einen Pneumatikzylinder mit einem pneumatisch antreibbaren Kolben und die Dämpfungseinheit den hydraulischen Dämpfungszylinder mit einem hydraulischen Kolben aufweisen, wobei insbesondere der pneumatische Kolben und der hydraulische Kolben zumindest kraftschlüssig gekoppelt sind. Dabei erfolgt die Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips dadurch, dass eine Bewegung des Pneumatikzylinders zwangsweise auch zu einer Bewegung des Dämpfungszylinders führt.
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Durch die Kombination aus „gängiger” Pneumatik und „gängiger” Hydraulik bzw. Hydraulikzylinder und Pneumatikzylinder lässt sich so, auf Grund einfacher und kostengünstiger Standardbauteile, ein einfacher und kostengünstiger, aber wirkungsvoller, Stellantrieb realisieren.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die pneumatische Verstelleinheit ein Membranantrieb, beispielsweise ein einfach oder doppelt wirkender Membranantrieb, ist. Solche Membranantriebe sind im Allgemeinen bekannt, robust und auch einfach zu realisieren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die pneumatische Verstelleinheit ein Stellglied, insbesondere ein Wegeventil, aufweist, über welches die pneumatische Verstelleinheit mit einem pneumatischen Medium beaufschlagbar ist. Solche kostengünstigen Pneumatik-Wegeventile, beispielsweise Schaltventile, welche auch einen hohen Luftdurchsatz ermöglichen, sind deshalb einsetzbar, da erfindungsgemäß die Pneumatik „nur” die „Energie zuführt”, wohingegen die Dämpfungseinheit die „Bewegung steuert”, was beispielsweise dort einen Einsatz von komplexeren Stetigventilen erfordern würde. Darüber hinaus erweist sich dadurch, d. h. durch den Einsatz solcher Pneumatik-Wegeventile, die pneumatische Verstelleinheit, kurz „Pneumatik-Seite”, als verschmutzungsunempfindlich gegenüber durch Druckluft zugeführte Verschmutzung als sie bei einem Einsatz von Regelventilen auf der Pneumatik-Seite wäre.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass dieses Stellglied auf der Pneumatik-Seite ein stetiges oder taktend angesteuertes Ventil ist. Dadurch kann eine in die pneumatische Verstelleinheit strömende Luftmenge variiert werden, wodurch eine stetige, feinfühlige Regelung und Verstellung bei dem Stellantrieb ermöglicht wird.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Dämpfungseinheit ein Stellglied, insbesondere ein Stetigventil, wie beispielsweise ein Proportional- oder ein Regelventil, aufweist, durch dessen Einstellung der Dämpfungswiderstand der Dämpfungseinheit verstellbar ist. Die Einstellung erfolgt dabei über einen einstellbaren, stetigen Übergang einer Ventilöffnung eines solchen Stetigventils, wodurch ein das Ventil durchströmender Volumenstrom gezielt veränderbar ist. Wirkt dieser einstellbare Volumenstrom auf ein verschiebliches Objekt, wie beispielsweise auf einen Kolben eines Dämpfungszylinders der Dämpfungseinheit, so lassen sich durch die Einstellung des Stetigventils die Kraft auf den Kolben und damit der Dämpfungswiderstand auf einfache Weise einstellen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine elektronische Regeleinheit vorgesehen, unter Verwendung derer die Verstellung des Verstellelements und damit der Antrieb des pneumatischen Stellelements regelbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass über die Regeleinheit ein Stellglied – beispielsweise auf der Pneumatik-Seite und/oder auf der „Dämpfungs-Seite”, insbesondere dort ein Wegeventil und/oder ein Proportionalventil, – ansteuerbar ist bzw. angesteuert wird.
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Weiter kann hier vorgesehen sein, dass der pneumatische Stellantrieb eine Positions- und/oder Wegermessvorrichtung, insbesondere zu einer Messung einer Istposition des pneumatisch antreibbaren Verstellelements, aufweist, wobei die elektronische Regeleinheit derart eingerichtet sein kann, dass im Rahmen der Ansteuerung des Stellglieds ein Ist-/Sollwert-Vergleich durchführbar ist.
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Soll beispielsweise eine Position eines zu bewegenden Objekts mittels des Stellantriebs verändert werden, d. h. der Istwert entspricht nicht mehr dem (Weg-)Sollwert, steuert die Regeleinheit das Pneumatikventil, beispielsweise ein kostengünstiges Schaltventil mit großem Querschnitt, an und öffnet dieses Ventil. Die Bewegung des Objekts beginnt erst dann, wenn das Ventil auf der „Dämpfungs-Seite” ebenfalls angesteuert wird und lässt sich beim Erreichen der Sollposition durch kontinuierliches Ansteuern sanft abbremsen. Dieses kann mit hoher Präzision erfolgen, so dass im Vergleich zu konventionellen pneumatischen Antrieben eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden kann.
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Weiterhin ist bei der bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Dämpfungseinheit eine Kompensationseinheit, beispielsweise eine Druckkammer – beispielsweise vom Prinzip wirkend ähnlich einem Einrohrdämpfer –, zur Kompensation von Volumenänderungen und/oder Wärmedehnungen in einem Dämpfungsmedium der Dämpfungseinheit aufweist. Dadurch können beispielsweise Volumenänderungen in Kammern eines als Dämpfungseinheit eingesetzten Hydraulikzylinders beim Ein- oder Ausfahren des Verstellelements sowie Wärmedehnungen einer hydraulischen Druckflüssigkeit in dem Hydraulikzylinder ausgeglichen werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Dämpfungseinheit eine oder mehrere Druckmessvorrichtungen aufweist, unter Verwendung dieser einen oder mehreren Druckmessvorrichtungen, beispielsweise Drucksensoren, ein Druck bzw. Drücke in einem Dämpfungsmedium der Dämpfungseinheit messbar ist bzw. sind.
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Diese Druckinformationen können der elektronischen Regeleinheit zur Verfügung gestellt werden. Unter Verwendung solcher Druckinformationen kann, beispielsweise mittels der elektronischen Regeleinheit, ein Lastzustand des Stellantriebs identifiziert werden. So kann beispielsweise aus diesen Druckinformationen die Größe einer Lastkraft ermittelt werden, falls – bei vollständig geöffnetem Pneumatik-Ventil – der Luftversorgungsdruck in der pneumatischen Verstelleinheit bekannt ist.
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Auch erweist sich hier von Vorteil, dass mittels dieser Druckvorrichtungen bzw. dieser Druckinformationen ein optimaler Zeitpunkt für ein Öffnen des Stetigventils auf der Dämpfungs-Seite bestimmt werden kann. Denn nach dem Öffnen oder Umsteuern des Wegeventils auf der Pneumatik-Seite muss sich auf der Pneumatik-Seite zunächst der Druck und damit eine Kraft in Richtung einer beabsichtigten Bewegung aufbauen („Energie zuführen”).
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Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dämpfungseinheit in der Verstelleinheit integriert ist, insbesondere dass die Dämpfungseinheit im Wesentlichen innerhalb der Verstelleinheit angeordnet ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, einen Hydraulikzylinder der Dämpfungseinheit innerhalb eines Pneumatikzylinders der pneumatischen Verstelleinheit anzuordnen. Um hierbei das Verstellelement zu dämpfen, kann weiter vorgesehen sein, dass ein Zylindergehäuse des Hydraulikzylinders fest mit einem Kolben des Pneumatikzylinders verbunden, wohingegen eine Kolbenstange des Hydraulikzylinders fest mit einem Gehäuse des Pneumatikzylinders verbunden ist.
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Durch eine derartige integrierte Bauweise von pneumatischer Verstelleinheit und Dämpfungseinheit lassen sich auf einfache Weise kompakt bauende Stellantriebe realisieren.
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Weiterhin kann auch vorgesehen werden, die Erfindung zum Bewegen eines Objekts einzusetzen, wobei die zu bewegende Last mit dem pneumatisch antreibbaren Verstellelement zumindest kraftschlüssig gekoppelt ist. Dabei wird die Bewegung des zu bewegenden Objekts, beispielsweise eine lineare Bewegung bis zu 500 mm oder auch bis zu 200 mm oder 700 mm, durch die pneumatische Verstelleinheit ausgelöst; die Bewegung des zu bewegenden Objekts wird durch die Dämpfungseinheit reguliert.
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Auch kann vorgesehen sein, die Erfindung zum Positionieren und/oder Verstellen eines Objekts, insbesondere eines Leitschaufelapparats an einer Turbomaschine, einzusetzen. So kann beispielsweise mittels eines erfindungsgemäßen Stellantriebs der Leitschaufelapparat von einer Mitdrallstellung in eine Gegendrallstellung bewegt werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 einen pneumatischen Stellantrieb mit hydraulischer Dämpfung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
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2 einen pneumatischen Stellantrieb mit hydraulischer Dämpfung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen pneumatischen Stellantrieb 1 mit hydraulischer Dämpfung 20 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Dieser pneumatische Stellantrieb 1 mit hydraulischer Dämpfung 20 kombiniert eine pneumatische Verstelleinheit 10 („Pneumatik-Seite”) mit einer hydraulischen Dämpfung 20 („Hydraulik-Seite”).
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Dazu weist der pneumatische Stellantrieb 1 mit hydraulischer Dämpfung 20 einen Pneumatikzylinder 13 auf, in welchem ein pneumatisch antreibbares Verstellelement 11 geführt bzw. verschieblich angeordnet ist. Das pneumatisch antreibbare Verstellelement 11 weist einen in dem Pneumatikzylinder 13 geführten bzw. dort verschieblich angeordneten Kolben 14 auf, wodurch sich in dem Pneumatikzylinder 13 beiderseits des Kolbens 14 zwei in ihrer Größe durch die Bewegung des Kolbens 14 veränderbare (pneumatische) Kammern 16, 17 ausbilden.
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Der Kolben 14 auf der Pneumatik-Seite ist beiderseits mit aus dem Pneumatikzylinder 13 herausragenden Kolbenstangen 9 verbunden, wobei am Ende der einen Kolbenstange 9 ein Anlenkpunkt 5 für eine – durch den Stellantrieb 1 zu positionierende/positionierbare – Last (4, nicht dargestellt), beispielsweise ein Leitschaufelapparat einer Turbomaschine, vorgesehen ist.
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Der Pneumatikzylinder 13 wird über ein Wegeventil 15 mit Druckluft 12 beaufschlagt (Pneumatiksystem). Dazu ist Druckluft 12 aus einer (Druckluft-)Quelle 18, beispielsweise Instrumentenluft, – regel- bzw. steuerbar – über das Wegeventil 15 über zwei Arbeitsanschlüsse mittels entsprechender Druckluftleitungen 19 in die Kammern 16, 17 des Pneumatikzylinders 13 einleitbar. Die Entlüftung des Pneumatiksystems erfolgt über einen Entlüftungsanschluss an dem Wegeventil 15.
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Die Bewegung des Pneumatikzylinders 13 bzw. des Kolbens 14 bzw. des Verstellelements 11 des Pneumatikzylinders 13 wird über einen hydraulischen Dämpfungszylinder 22, kurz auch nur Hydraulik- oder Dämpfungszylinder 22, auf der Hydraulik-Seite gebremst.
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Dazu weist der Hydraulikzylinder 22 einen Kolben 23 auf, welcher in dem Hydraulikzylinder 22 geführt bzw. dort verschieblich angeordnet ist, wodurch sich in dem Hydraulikzylinder 22 beiderseits des Kolbens 23 zwei in ihrer Größe durch die Bewegung des Kolbens 23 veränderbare Kammern 27, 28 ausbilden. An dem Kolben 23 des Hydraulikzylinders 22 ist eine Kolbenstange 8 angeordnet, welche aus dem Hydraulikzylinder 22 ragt.
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Der Hydraulikzylinder 22 bzw. beide Kammern 27, 28 des Hydraulikzylinders 22 werden über ein geschlossenes Hydrauliksystem mit Hydraulikleitungen 29 mit Hydraulikflüssigkeit 21, einem Öl, versorgt. Im Hydrauliksystem bzw. im Hydraulikkreislauf ist ein steuerregelbares Proportionalventil 24 angeordnet.
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Weil eine Bewegung des Dämpfungszylinders 22 bzw. des Kolbens 23 des Dämpfungszylinders 22 die (kaum kompressible) Hydraulikflüssigkeit 21 von Kammer 27 in Kammer 28 oder umgekehrt verdrängt, besteht die Möglichkeit über das Proportionalventil 24 der Bewegung des Dämpfungszylinders 22 einen verstellbaren Widerstand entgegenzusetzen.
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Wie weiter 1 zeigt, ist ein weiterer, auch verschieblicher Kolben 7 innerhalb des Hydraulikzylinders 22 angeordnet, wodurch sich eine weitere Kammer 6 in dem Dämpfungszylinder 22 ausbildet (Kompensationseinheit 25).
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In dieser weiteren Kammer 6 des Dämpfungszylinders 22 ist Gas unter erhöhtem Druck eingeschlossen und gleicht eine Volumenänderung in den beiden (Hydraulik-)Kammern 27, 28 beim Ein- und Ausfahren des Kolbens 23 sowie eine Wärmedehnung der Hydraulikflüssigkeit 21 aus. Dies entspricht der Wirkungsweise eines Einrohrdämpfers 25.
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Um die Bewegung des Pneumatikzylinders 13 bzw. des Kolbens 14/Verstelleinheit 11 des Pneumatikzylinders 13 über den hydraulischen Dämpfungszylinder 22 zu dämpfen bzw. zu bremsen, sind die beiden Zylinder 13, 22, der Pneumatikzylinder 13 und der Hydraulikzylinder 22, über ihre jeweiligen Kolbenstangen 9, 8 fest miteinander verbunden 30, wodurch eine Bewegung des Pneumatikzylinders 13 – und der Last (4) – zwangsweise auch zu einer Bewegung des Dämpfungszylinders 22 – führt.
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Wenn das Proportionalventil 24 des Dämpfungszylinders 22 komplett geschlossen ist, wird jegliche Bewegung des Hydraulikkolbens 23 und damit des mit dem Hydraulikkolben 23 fest verbundenen Pneumatikkolbens 14/Verstellelements 11 – gehemmt, sodass auf diese Weise eine Verblockung des Stellantriebs 1 möglich ist.
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Zur Ansteuerung der beiden Ventile 15, 24, d. h. dem Wegeventil 15 und dem Proportionalventil 24, kommt eine elektronische Regeleinheit 2 zum Einsatz, welche über entsprechende elektrische Leitungen mit den Ventilen 15, 24 verbunden ist.
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Weiterhin weist der Stellantrieb 1 einen Positionssensor 3 zur Positions- bzw. Wegmessung auf, welcher ebenfalls über eine elektrische Leitung 31 mit Regeleinheit 2 verbunden ist.
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Wie 1 zeigt, ist in diesem Fall der Positionssensor 3 im Bereich der Kolbenstange 9 des Pneumatikzylinders 13 angeordnet, wodurch er unmittelbar die Position bzw. den Weg des pneumatischen Verstellelements 11 – und damit die Position bzw. den Weg der Last (4) – misst (Istwert IW).
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Die Regeleinheit 2 vergleicht den Istwert IW aus der Positionsmessung mit einem vorgebbaren Sollwert SW. Soll die Position der zu bewegenden Last (4) verändert werden (d. h. der Wegsollwert SW entspricht nicht mehr dem Istwert IW), so steuert die elektronische Regeleinheit 2 das Pneumatik-/Wegeventil 15 voll in die beabsichtigte Richtung auf. Das Pneumatikventil 15 kann somit als kostengünstiges Schaltventil 15 mit großem Querschnitt ausgeführt werden.
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Die Bewegung des Pneumatikkolbens 13/pneumatischen Verstellelements 11 und damit der Last (4) beginnt erst dann mit nennenswerter Geschwindigkeit, wenn das Proportionalventil 24 ebenfalls angesteuert wird und lässt sich beim Erreichen der Zielposition bzw. Sollposition/Sollwert SW durch kontinuierliches Verringern der Ansteuerung sanft abbremsen. Dies kann mit großer Präzision geschehen, sodass im Vergleich zu konventionellen pneumatischen Antrieben bei dem Stellantrieb 1 eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden kann.
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Wenn im Stillstand aufgrund einer Leckage am Proportionalventil 24 eine schleichende Bewegung des Stellantriebs 1 bzw. des Verstellelements 11 erfolgt, kann durch gelegentliche Luftbeaufschlagung auf der Pneumatik-Seite (ohne Ansteuerung des Proportionalventils 24 auf der Hydraulik-Seite) dies kompensiert werden.
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Auch denkbar ist der Einsatz eines Sitzventils, z. B. in Cartridge-Bauart, auf der Hydraulik-Seite, sodass die Leckage prinzipbedingt vernachlässigbar gering ist.
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Wie weiter 1 zeigt, ist die Hydraulik-Seite des Stellantriebs 1 mit Drucksensoren P 26, 27 ausgestattet. Dabei sind zwei Drucksensoren P 26, 27 in den Hydraulikleitungen 29 angeordnet, welche jeweils den Druckzustand in den beiden Hydraulikkammern 27, 28 des Hydraulikzylinders 22 messen. Die beiden Drucksensoren P 26, 27 sind über elektrische Leitungen 31 mit der Regeleinheit 2 verbunden.
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Mit Hilfe der (Druck-)Information aus den Drucksensoren P 26, 27 kann die Reglereinheit 2 den Lastzustand des Stellantriebs 1 identifizieren. So kann die Regeleinheit 2, bei vollständig geöffnetem Pneumatik-Wegeventil 15 und bekanntem Luftversorgungsdruck der Instrumentenluft 18, unter Verwendung dieser Druckinformationen die Größe einer Lastkraft und damit den Lastzustand des Stellantriebs 1 bestimmen.
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Auch ermöglicht die Druckinformation aus den Drucksensoren P 26, 27 die Bestimmung des optimalen Zeitpunkts zum Öffnen des Proportionalventils 24 auf der Hydraulik-Seite, denn nach dem Öffnen oder Umsteuern auf der Pneumatik-Seite muss sich in dessen Pneumatikzylinder 13 zunächst der Druck und damit eine Kraft in Richtung der beabsichtigten Bewegung aufbauen.
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Alternativ kann bei dem Stellantrieb 1 bzw. auf dessen Pneumatik-Seite auch vorgesehen sein, anstelle des schaltenden Pneumatikventils 15 bzw. des Wegeventils 15 ein stetiges oder taktend angesteuertes Ventil zu verwenden, um dadurch die in den Pneumatikzylinder 13 strömende Druckluft 12 zu variieren. Dadurch lässt sich eine stetige, feinfühlige Regelung bei der Verstellung/Bewegung des Verstellelements 11 und damit der Positionierung der Last (4) – und damit auch eine hohe Präzision der Positionierung der Last (4) gewährleisten.
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2 zeigt ebenfalls einen pneumatischen Stellantrieb 1 mit hydraulischer Dämpfung 20 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen gleiche Elemente.
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Bei dem in 2 dargestellten pneumatischen Stellantrieb 1 ist der Dämpfungszylinder 22 innerhalb des Hydraulikzylinders 13 angeordnet, wodurch sich eine kompakte Bauweise des Stellantriebs 1 realisieren lässt.
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Wie 2 zeigt, weist der Kolben 14 des Pneumatikzylinders 13 eine Einsenkung 35 auf, in welche der Hydraulikzylinder 22 eingesetzt und mit dem Pneumatikkolben 14 fest verbunden ist 30.
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Die Kolbenstange 8 des Hydraulikkolbens 23 ragt aus dem Hydraulikzylinder 22 heraus und erstreckt sich bis an das axiale Ende des Pneumatikzylinders 13, mit welchem bzw. in welchem sie fest verbunden ist.
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Zur Versorgung der beiden Hydraulikkammern 27, 28 des Hydraulikzylinders 22 mit der Hydraulikflüssigkeit 21 ist der Kolben 23 bzw. die Kolbenstange 8 des Hydraulikzylinders 22 mit Bohrungen 33 versehen, welche mit den Hydraulikleitungen 29 des Hydrauliksystems (vgl. 1) verbunden sind. Der Fluss 34 des Hydraulikmediums 21 ist mit Pfeilen 34 verdeutlicht.
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Hydrauliksystem, Pneumatiksystem sowie Regeleinheit 2 sind bei dem Stellantrieb nach 2 entsprechend denen des Stellantriebs 2 nach 1 ausgebildet und sind in 2 nicht näher dargestellt.
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Wie 2 auch zeigt, sind die Kolben 14, 23 des Stellantriebs 1 sowie die Kolbenstange 9 des pneumatischen Verstellelements 11 mittels Dichtungen 32 abgedichtet, um ein Aus- oder Eintreten des jeweiligen Fluids 12, 21 in die jeweilige Kammer 16, 17 bzw. 27, 28 über die Kontaktstelle zwischen Kolben/Kolbenstange 9, 14, 23 und Zylinder 13, 22 zu verhindern.
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In seiner Funktionsweise und Ansteuerung entspricht der Stellantrieb 1 nach 2 dem Stellantrieb 1 nach 1, wodurch auch hier die zur Verstellung des Verstellelements 11 auf der Pneumatik-Seite – und damit zur Positionierung der Last (4) – benötigte Energie über die Pneumatik zugeführt und bereitgestellt wird, während über die regulierbare/einstellbare Dämpfung 20 auf der Hydraulik-Seite, welche auf den Antrieb des Verstellelements 11 wirkt, die Bewegung des Verstellelements 11 auf der Pneumatik-Seite gesteuert und kontrolliert wird.
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Das Prinzip der Stellantriebe 1 aus den 1 und 2 basieren bzw. realisieren somit auf einer bzw. eine Trennung der Funktionen „Energie zuführen”, was über die Pneumatik bzw. durch die zu- bzw. abgeführte Druckluft 12 auf der Pneumatik-Seite erfolgt, und „Bewegung steuern”, was durch die Ein- bzw. Verstellung des Dämpfungswiderstands der Dämpfung 20 auf der Hydraulik-Seite erfolgt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10021744 A1 [0011]
- DE 10038734 A1 [0013, 0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/Stellantrieb, erhältlich am 06.07.2011 [0004]
- http://de.wikipedia.org/wiki/Pneumatik, erhältlich am 06.07.2011 [0008]
