DE102012017207A1 - Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung und hydraulische Ventilanordnung - Google Patents

Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung und hydraulische Ventilanordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung (100) mit einem hydraulischen Stetigventil (110) und einem hydraulischen Schaltventil (120) zur Bereitstellung eines variablen Öffnungsquerschnitts, wobei ein Öffnungsquerschnittsschwellwert vorgegeben wird, wobei oberhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Schaltventil (120) in eine feste Schaltstellung gebracht wird und nur das Stetigventil (110) angesteuert wird, und wobei unterhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Stetigventil (110) in eine feste Schaltstellung gebracht wird und nur das Schaltventil (120) angesteuert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung und hydraulische Ventilanordnung.
  • Stand der Technik
  • In Hydrauliksystemen werden Stetigventile, wie z. B. Proportionalventile, eingesetzt, deren Öffnungsquerschnitt (z. B. durch Anlegen eines analogen Ansteuersignals) im Wesentlichen stetig einstellbar ist. Stetigventile werden beispielsweise eingesetzt, um die Position, die Geschwindigkeit und/oder den Fluiddruck von Hydraulikkolben zu steuern oder zu regeln. Stetigventile weisen jedoch den Nachteil auf, dass sehr kleine Öffnungsquerschnitte nur mit großem Aufwand genau einzustellen sind, da der Zusammenhang zwischen Ansteuersignal und Öffnungsquerschnitt in diesem Bereich stark nichtlinear ist. Z. B. ist daher die exakte Vorgabe von kleinen und/oder langsamen Kolbenbewegungen verhältnismäßig aufwendig.
  • Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit anzugeben, um mit einer Ventilanordnung sowohl große als auch kleine Öffnungsquerschnitte möglichst exakt einstellen zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Ansteuern einer Ventilanordnung sowie eine Ventilanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Ventilanordnung mit einem Stetigventil und einem Schaltventil besonders vorteilhaft zur Steuerung oder Regelung von Position, Geschwindigkeit und/oder Fluiddruck eingesetzt werden kann, wenn die Vorteile beider Ventile so kombiniert werden, dass ein Öffnungsquerschnitt über den gesamten möglichen Bereich von insbesondere 0% bis 100% sehr exakt eingestellt werden kann. Im Wesentlichen wird dabei das Stetigventil für große Öffnungsquerschnitte über einem Schwellwert (von z. B. mehr als 10%) und das Schaltventil für kleine Öffnungsquerschnitte bis zu dem Schwellwert eingesetzt. Das jeweils andere Ventil ist dabei außer Funktion, d. h. bei einer Parallelschaltung geschlossen und bei einer Reihenschaltung geöffnet. Somit können die mit einem Stetigventil für kleine Öffnungsdurchmesser bestehenden Nachteile durch Einsatz eines Schaltventils für diesen Bereich überwunden werden. Als Stetigventil eignet sich besonders ein Proportional-Wegeventil, als Schaltventil ein Wege-Sitzventil. Wird die Ventilanordnung mit einem konstantem Hydraulikdruck versorgt, kann anstelle des Öffnungsquerschnitts auch der Volumenstrom betrachtet werden.
  • Die Erfindung entfaltet in Fertigungsmaschinen besondere Vorteile. Hier wird zur Optimierung der Zykluszeit meist mit einem Eil-/Schleichgang-Geschwindigkeitsprofil gearbeitet, d. h. es wird möglichst schnell (d. h. mit großem Öffnungsquerschnitt: hohe Dynamik, hohe Geschwindigkeit – z. B. 1 m/s) die Bearbeitungsposition angefahren und dann der Bearbeitungsvorgang selbst (z. B. Pressen, Bohren etc.) mit hoher Genauigkeit (d. h. kleiner Öffnungsquerschnitt: niedrige Dynamik, kleine Geschwindigkeit – z. B. 10 μm/s) durchgeführt. Für dieses Einsatzgebiet müssen für die schnellen Bewegungen große Volumenströme bewältigt und für die Genauigkeit sehr kleine Volumenströme geregelt werden, wofür sich die erfindungsgemäßen Lösung besonders gut eignet.
  • Vorzugsweise wird das Schaltventil ballistisch betrieben, wie es beispielsweise in der EP 2 431 640 A2 beschrieben wird. Dadurch können ein kleiner Öffnungsquerschnitt bzw. ein kleiner Volumenstrom sehr genau eingestellt werden.
  • Die Ventilanordnung verfügt zweckmäßigerweise über eine Ansteuerschaltung, die in Abhängigkeit von einem Eingangssignal (um z. B. einen Öffnungsquerschnitt von 0% bis 100% vorzugeben) als Ansteuersignal für die eingesetzten Ventile passende Ausgangssignale erzeugt, d. h. insbesondere ein Analogsignal für das Stetigventil und ein Digitalsignal, z. B. ein PWM-Signal, für das Schaltventil. Die Ansteuerschaltung kann die Ausgangssignale aus dem Eingangssignal beispielsweise mittels eines gespeicherten Zusammenhangs, z. B. Kennlinien, erzeugen.
  • Wird eine solche Ventilanordnung zur Regelung einer Position, einer Geschwindigkeit oder eines Fluiddrucks eingesetzt, reicht eine einfache Proportionalregelung (P-Regler) aus. Eine PI-Regelung mit Integralteil, wie im Stand der Technik für kleine Werte nötig, kann eingespart werden. Dies vereinfacht die Regelung deutlich.
  • Durch die Kombination eines kostengünstigen, einfachen Stetigventils mit ballistisch angesteuertem Schaltventil werden die Vorteile der beiden Technologien verknüpft und die Nachteile reduziert, d. h. man erhält eine hohe Genauigkeit auch im Kleinsignalbereich, eine variable Geschwindigkeitsverstellung ohne störende Geräuschentwicklung (welche üblicherweise bei Schaltventilen im Großsignalbereich auftritt) und kommt mit einer einfachen und stabilen Regelung aus.
  • Besonders bevorzugt sind das Stetigventil und das Schaltventil parallel geschaltet, da dann das Schaltventil nur für kleine Durchflüsse ausgelegt sein muss, da es bei den großen Durchflüssen geschlossen ist. Somit kann das Schaltventil klein und massearm ausgebildet, was schnelle Schaltvorgänge erlaubt. Die Parallelschaltung bietet besonders hinsichtlich Durchflusserhöhung (Geschwindigkeitserhöhung, Betrieb von großen Zylindern) mit üblichen Komponenten (6er, 10er und 16er-Ventile, direkt und vorgesteuert) ein größeres Einsatzfeld und größere Flexibilität. Eine Reihenschaltung ist ebenso möglich, jedoch wäre hier ein erhöhter hydraulischer Aufwand (Block, Verrohrung) zu leisten, da alle Anschlüsse (Druckquelle bzw. Pumpe, Arbeitsleitungsanschlösse und Entlüftungsanschluss bzw. Tank) gesperrt werden müssten, z. B. über 2/2-Wege-Sitzventile.
  • Da Schieberventile herkömmlicherweise auch eine große Abhängigkeit der Leckage von der Temperatur zeigen (d. h. hohe Leckage im warmen Zustand und kleine Leckage im kalten Zustand), ist der Einsatz eines Schieberventils mit relativ großer positiver Überdeckung (von z. B. wenigstens 20%) als Stetigventil zweckmäßig.
  • Der Umschaltpunkt zwischen Stetig- und Schaltventil, d. h. der Öffnungsquerschnittsschwellwert bzw. Volumenstromschwellwert, wird in Abhängigkeit vom Einsatzzweck vorgegeben. Dabei ist zweckmäßigerweise die Größe bzw. ein Totvolumen des von der Ventilanordnung versorgten Aggregats (z. B. ein Hydraulikmotor, Hydraulikzylinder usw.), ob das Aggregat selbst verrohrt oder verschlaucht ist und/oder ob die Ventilanordnung direkt oder über Schläuche mit dem Aggregat verbunden ist, zu berücksichtigen.
  • Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät einer Ventilanordnung, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine.
  • 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
  • In 1 ist schematisch eine hydraulische Maschine 10 dargestellt, welche eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung 100 aufweist. Die hydraulische Maschine 10 weist eine Druckquelle 20, beispielsweise eine Hydraulikpumpe, auf, welche aus einem Tank 21 Hydraulikflüssigkeit fördert und in eine Hydraulikdruckleitung 22 abgibt. Die Hydraulikdruckleitung 22 ist mit einem Druckquellenanschluss P der Ventilanordnung 100 verbunden. Wie üblich, weist die Ventilanordnung 100 weiterhin einen Tankanschluss T sowie Arbeitsleitungsanschlüsse A und B auf.
  • Die hydraulische Maschine 10 weist weiterhin ein Steuergerät bzw. eine Recheneinheit 30 auf, die die Ventilanordnung 100 vorzugsweise über elektrische Ansteuersignale 31 ansteuert. In Folge der Ansteuerung werden die Arbeitsleitungsanschlüsse A, B in entsprechender Weise mit den Anschlüssen P und T verbunden, so dass ein Hydraulikaggregat 40, beispielsweise ein Hydraulikzylinder, entsprechend mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagt werden kann, um seine Bewegung und/oder Geschwindigkeit zu steuern.
  • In 2 ist die Ventilanordnung 100 detaillierter dargestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Ventilanordnung 100 ein Stetigventil 110 sowie ein Schaltventil 120 auf, welche gemäß der hier dargestellten Ausführungsform parallel geschaltet sind. Dies bedeutet, dass die Versorgungsanschlüsse P und T sowie die Arbeitsleitungsanschlüsse A und B jeweils parallel geschaltet sind. Die Ventilanordnung 100 weist weiterhin eine Recheneinheit 130 auf, die die ihr zugeführten Ansteuersignale 31 empfängt und in geeignete Ansteuersignale für die Ventile 110 und 120 umrechnet.
  • Das Ansteuersignal 31 kann insbesondere ein analoges Spannungssignal sein, welches ein Sollwert für einen Volumenstrom Q von A nach B oder umgekehrt ist. Wird die Ventilanordnung mit einem konstantem Hydraulikdruck versorgt, entspricht die Einstellung eines Volumenstroms der Einstellung des Öffnungsquerschnitts. Das Ansteuersignal kann insbesondere ein analoges Spannungssignal, beispielsweise von –10 V bis +10 V sein. Dementsprechend kann der Volumenstrom Q von –100% (d. h. voller Volumenstrom von B nach A) bis +100% (d. h. voller Volumenstrom von A nach B) sein.
  • Das Stetigventil zeichnet sich dadurch aus, dass es in Abhängigkeit von einem analogen bzw. stetigen Ansteuersignal (d. h. ”0, ..., 1”), welches hier an a und b anliegt, einen variablen Öffnungsquerschnitt hat. Das Schaltventil zeichnet sich dadurch aus, dass es in Abhängigkeit von einem digitalen bzw. diskreten Ansteuersignal (d. h. ”0” oder ”1”), welches hier an einem Anschluss b anliegt, vollständig schließt oder vollständig öffnet. Bei einer ballistischen Ansteuerung wird ein digitales Ansteuersignal mit einer hohen Tastrate angelegt, so dass bereits wieder ”0” anliegt, bevor das Ventil vollständig geöffnet hat und so dass bereits wieder ”1” anliegt, bevor das Ventil vollständig geschlossen hat. Somit stellt sich ein Zwischenzustand mit einem ebenfalls (durch die Tastrate) variablen Öffnungsquerschnitt ein. Ein im Rahmen der Erfindung vorteilhaft einzusetzendes ballistisches Ansteuerverfahren ist in der bereits genannten EP 2 431 640 A2 beschrieben, deren Offenbarung zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht werden soll.
  • Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird ein Volumenstromschwellwert Q0 vorgegeben, wobei ein Volumenstrom Q < Q0 durch das Schaltventil 120 und ein Volumenstrom Q > Q0 durch das Stetigventil 110 bereitgestellt wird. Dementsprechend steuert die Recheneinheit 130 bei einem Volumenstrom Q < Q0 das Schaltventil 120, vorzugsweise ballistisch, an und schließt das Stetigventil 110, und steuert bei einem Volumenstrom Q > Q0 das Stetigventil 110 an und schließt das Schaltventil 120.
  • Anstelle eines Schaltventils, welches ballistisch angesteuert wird, ist ebenso der Einsatz einer Schaltventil-Brückenschaltung möglich. Auch durch Ansteuerung, vorzugsweise PWM-Ansteuerung, einer solchen Schaltventil-Brückenschaltung kann ein vorbestimmter Volumenstrom bereitgestellt werden.
  • Die Erfindung schafft die Möglichkeit, einen beliebigen Volumenstrom über einen weiten Bereich vorzugeben und dabei sowohl große Volumenströme zu ermöglichen als auch kleine Volumenströme sehr genau einzustellen. Dadurch können Hydraulikzylinder 40 bzw. allgemein Hydraulikmaschinen besonders vorteilhaft betrieben werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2431640 A2 [0008, 0025]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Ansteuern einer hydraulischen Ventilanordnung (100) mit einem hydraulischen Stetigventil (110) und einem hydraulischen Schaltventil (120) zur Bereitstellung eines variablen Öffnungsquerschnitts, wobei ein Öffnungsquerschnittsschwellwert vorgegeben wird, wobei oberhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Schaltventil (120) in eine feste Schaltstellung gebracht wird und nur das Stetigventil (110) angesteuert wird, und wobei unterhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Stetigventil (110) in eine feste Schaltstellung gebracht wird und nur das Schaltventil (120) angesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei unterhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Stetigventil (110) geschlossen und nur das Schaltventil (120) angesteuert wird, und wobei oberhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Schaltventil (120) geschlossen und nur das Stetigventil (110) angesteuert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei unterhalb des Öffnungsquerschnittsschwellwertes das Stetigventil (110) ballistisch angesteuert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Stetigventil (110) als Stetigventil mit positiver Überdeckung ausgebildet ist und wobei der Öffnungsquerschnittsschwellwert in Abhängigkeit vom Grad der positiven Überdeckung vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein variabler Volumenstrom bereitgestellt und ein Volumenstromschwellwert vorgegeben wird.
  6. Recheneinheit (130), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  7. Hydraulische Ventilanordnung (100) mit einem hydraulischen Stetigventil (110) und einem hydraulischen Schaltventil (120) zur Bereitstellung eines variablen Öffnungsquerschnitts und mit einer Recheneinheit (130) nach Anspruch 6.
  8. Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 7, wobei das hydraulische Stetigventil (110) und das hydraulische Schaltventil (120) parallel geschaltet sind.
  9. Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Recheneinheit (130) dazu eingerichtet ist, aus einem Ansteuersignal für die hydraulische Ventilanordnung (100) ein erstes Ansteuersignal für das Stetigventil (110) und ein zweites Ansteuersignal für das Schaltventil (120) zu erzeugen.
  10. Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 9, wobei das Ansteuersignal für die hydraulische Ventilanordnung ein einen Soll-Öffnungsquerschnitt oder einen Soll-Volumenstrom vorgebender, analoger Strom- oder Spannungswert ist.
  11. Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das erste Ansteuersignal für das Stetigventil (110) ein einen Soll-Öffnungsquerschnitt oder einen Soll-Volumenstrom vorgebender, analoger Strom- oder Spannungswert ist.
  12. Hydraulische Ventilanordnung (100) nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei das zweite Ansteuersignal für das Schaltventil (120) ein einen Schaltzustand vorgebender, digitaler Strom- oder Spannungswert ist.
  13. Hydraulische Maschine (10) mit einer Druckquelle (20) für Hydraulikflüssigkeit, einer hydraulischen Ventilanordnung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 12 und einem Hydraulikaggregat (40), dessen Beaufschlagung mit Hydraulikflüssigkeit durch die Ventilanordnung (100) gesteuert wird.
  14. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 6, ausgeführt werden.
  15. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, welches Programmcodemittel aufweist, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit ausgeführt werden.
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