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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung eines Aktors und mit einem fluidisch betreibbaren Aktor, der einen Arbeitskolben zur Bereitstellung einer Antriebsbewegung längs eines Bewegungswegs umfasst und der einen Fluidanschluss zur Verbindung mit der Steuerungseinrichtung aufweist, die eine Ventilsteuerung zur Ansteuerung einer Ventilanordnung und eine Ventilanordnung zur Beeinflussung von Fluidströmen an den Aktor und vom Aktor umfasst, wobei die Ventilsteuerung zur Ermittlung einer Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs ausgebildet und wobei zwischen der Ventilanordnung und dem Fluidanschluss des Aktors ein Fluidschlauch für eine fluidische Kopplung des Steuerungseinrichtung mit dem Aktor angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems.
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Aus der
DE 10 2009 023 168 A1 ist eine gattungsgemäße Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds eines fluidischen Systems ohne eine Positionssensoranordnung bekannt, bei der wenigstens ein fluidisches Steuerventil zur Steuerung des fluidischen Systems vorgesehen ist und in eine Zuleitung zum fluidischen System eine Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung geschaltet ist, die direkt mit einem Controller verbunden ist. Der Controller besitzt Mittel zur Berechnung der Position x des Stellglieds gemäß einer vorgebbaren mathematischen Beziehung, in die ein an das Stellglied zugeführter Volumenstrom bzw. von dem Stellglied abgeführter Volumenstrom und der jeweilige Druck einbezogen werden.
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Die
DE 10 2005 014 416 A1 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer Luftservozylindervorrichtung, das einen Vorwärtsprozess zum Vorwärtsbewegen eines Kolbens bis zu einer Zielposition durch Steuerung von Servoventilen, die individuell mit einer Druckkammer an der Kopfseite und einer Druckkammer an der Stangenseite des Zylinder verbunden sind, und einen Druckbeaufschlagungsprozess zum anschließenden Aufbringen einer erforderlichen Druckkraft auf den Kolben umfasst. Bei dem Vorwärtsprozess beginnt der Kolben seinen Antrieb, wenn das Servoventil an der Kopfseite zu der Lufteinlassseite geöffnet und das Servoventil an der Stangenseite zu der Auslassseite geöffnet ist. Anschließend wird der Öffnungsgrad des Servoventils an der Stangenseite entsprechend einer Abweichung der momentanen Position von der Zielposition variiert, so dass der Kolben langsam abgebremst wird, wenn er sich der Zielposition annähert.
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Aus der
DE 42 20 333 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen des jeweiligen Kolbenweges eines Kolbens in einem hydraulischen Arbeitszylinder bekannt, bei dem der Kolbenweg durch Messung des in den Arbeitszylinder strömenden Druckmittelvolumens ermittelt wird. Hierzu wird der Druck des zum Arbeitszylinder strömenden Druckmittels beiderseits einer in der Druckmittelleitung angeordneten Drosselblende gemessen. Aus der Differenz der gemessenen Druckwerte wird der Volumenstrom pro Zeiteinheit, durch zeitliche Integration dieses Wertes das eingeströmte Druckmittelvolumen und hieraus der Kolbenweg berechnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein vereinfachtes Antriebssystem sowie ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Erfindungsaspekt für ein Antriebssystem der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass der Ventilsteuerung zur Ermittlung der Position des Arbeitskolbens zwei Drucksensoren zugeordnet sind, wobei ein erster Drucksensor einem Eingangsanschluss der Ventilanordnung zugeordnet ist, um einen Fluiddruck am Eingangsanschluss zu ermitteln und wobei ein zweiter Drucksensor einem Arbeitsanschluss der Ventilanordnung zugeordnet ist, um einen Fluiddruck am Arbeitsanschluss zu ermitteln, und dass die Ventilsteuerung für eine Positionsermittlung für den Arbeitskolben längs des Bewegungswegs ausschließlich anhand von Sensorsignalen des ersten und des zweiten Drucksensors ausgebildet ist.
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Für die von der Ventilsteuerung vorgenommene Positionsermittlung des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs werden erfindungsgemäß lediglich die Sensorsignale des ersten und des zweiten Drucksensors benötigt. Darüber hinaus gehende Sensorsignale, insbesondere eines Durchflussmessgeräts, werden nicht benötigt. Vielmehr ist vorgesehen, anhand der ermittelten Fluiddruckwerte vor und nach der Ventilanordnung unter Zuhilfenahme von Berechnungs- und Schätzverfahren auf die Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswerg zu schließen. Bevorzugt sind die beiden Drucksensoren unmittelbar am Eingangsanschluss und unmittelbar am Arbeitsanschluss der Ventilanordnung fluidisch angekoppelt, so dass die von den Drucksensoren ermittelten Fluiddruckwerte möglichst genau den am Eingangsanschluss und am Arbeitsanschluss der Ventilanordnung vorherrschenden Fluiddruckwerten entsprechen.
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Dementsprechend ist die Ventilsteuerung dafür eingerichtet, ausschließlich auf der Basis der von den beiden Drucksensoren bereitgestellten Fluiddruckwerte die Positionsermittlung des Arbeitskolbens durchzuführen, weitere Sensoren werden erfindungsgemäß nicht benötigt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zweckmäßig ist es, wenn in der Ventilsteuerung wenigstens eine Eigenschaft des Fluidschlauchs aus der Gruppe: Durchmesser, Länge, Wandstärke, Elastizität pro Längeneinheit, Eigenfrequenz pro Längeneinheit, gespeichert ist. Durch Einbeziehung der wenigstens einen gespeicherten Eigenschaft des Fluidschlauchs in den Algorithmus, der in der Ventilsteuerung zur Berechnung der Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs eingesetzt wird, wird eine genaue Positionsbestimmung ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Drucksensor als Bestandteile der Ventilsteuerung ausgebildet sind. Bei einer Anordnung beider Drucksensoren auf einer gemeinsamen Leiterplatte, auf der auch die Ventilsteuerung aufgebaut ist, entfallen aufwendige und störanfällige elektrische Verbindungen zwischen den Drucksensoren und der Ventilsteuerung. Hierdurch wird die gewünschte einfache Aufbauweise für das Antriebssystem gewährleistet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt mit einem Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gemäß Anspruch 4 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass für eine Ermittlung einer Position eines Arbeitskolbens längs eines Bewegungswegs in einem ersten Schritt eine Berechnung eines Volumenstroms durch das Ventil anhand der Sensorsignale der beiden Drucksensoren und anhand von Eigenschaften der Ventilanordnung vorgenommen wird. Die Berechnung des Volumenstroms durch die Ventilanordnung erfolgt als vorbereitender Schritt für die Ermittlung des Volumenstroms zum Aktor bzw. vom Aktor, womit die Positionsbestimmung für den Arbeitskolben vorgenommen wird. Für die Berechnung des Volumenstroms durch die Ventilanordnung sind Kennwerte der Ventilanordnung erforderlich, beispielsweise der Durchflussbeiwert der Ventilanordnung, die zusammen mit den Sensorsignalen der beiden Drucksensoren zu dem gesuchten Volumenstrom verarbeitet werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem weiteren Schritt eine Ermittlung eines Drucks am Fluidanschluss des Aktors mittels eines mathematischen Modells vorgenommen wird, das auf einen Druckaufbau in einem größenvariabel vom Arbeitskolben begrenzten Arbeitsraum des Aktors anhand einer angenommenen Position und einer angenommenen Geschwindigkeit des Arbeitskolbens gerichtet ist.
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In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem weiteren Schritt, insbesondere unter Verwendung eines Störgrößenbeobachters, eine Ermittlung einer Differenz zwischen dem Sensorsignal des zweiten Drucksensors und des berechneten Drucks am Fluidanschluss des Aktors vorgenommen wird und eine Minimierung der ermittelten Differenz durch Anpassung der angenommenen Position und der angenommenen Geschwindigkeit des Arbeitskolbens vorgenommen wird, um die tatsächliche Position und Geschwindigkeit des Arbeitskolbens zu ermitteln.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung eines Aktors und mit einem fluidisch betreibbaren Aktor.
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Ein in der 1 schematisch dargestelltes Antriebssystem 1 umfasst eine Steuerungseinrichtung 2 zur Ansteuerung eines Aktors 3 und einen fluidisch betreibbaren Aktor 3. Ein derartiges Antriebssystem 1 wird beispielsweise in einer nicht dargestellten Bearbeitungsmaschine eingesetzt, die zur Bearbeitung von Werkstücken vorgesehen ist, um ein Maschinenteil der Bearbeitungsmaschine oder ein Werkstück längs eines vorgebbaren Bewegungswegs 4, bei dem es sich insbesondere um einen geradlinigen Bewegungsweg handeln kann, zu bewegen. Dabei dient die Steuerungseinrichtung 2 zur Steuerung oder Regelung eines Fluidstroms an den Aktor 3 bzw. eines Fluidstroms vom Aktor 3, um die gewünschte Bewegung entsprechend den gestellten Anforderungen steuern oder regeln zu können.
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Exemplarisch ist der Aktor 3 als Pneumatikzylinder ausgebildet, bei dem ein Arbeitskolben 5 schiebebeweglich abdichtend in einer Ausnehmung 6 eines Zylindergehäuses 7 aufgenommen ist. Der Arbeitskolben 5 kann in dem Zylindergehäuse 7 zwischen einer ersten Endposition 8 und einer zweiten Endposition 9 verschoben werden. Exemplarisch ist vorgesehen, dass der Arbeitskolben 5 mit dem Zylindergehäuse 7 einen größenvariablen Arbeitsraum 10 ausbildet. Für eine Fluidzufuhr in den Arbeitsraum 10 ist ein Fluidanschluss 11 vorgesehen, der mittels eines Fluidkanals 12 in fluidisch kommunizierender Verbindung mit dem Arbeitsraum 10 steht. Bei einer Fluidzufuhr in den Arbeitsraum 10 kann der Arbeitskolben 5 längs des Bewegungswegs 4 in Richtung der zweiten Endposition verschoben werden.
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Für eine Fluidbereitstellung an den Aktor 3 umfasst die Steuerungseinrichtung 2 eine Ventilanordnung 15, bei der es sich exemplarisch um ein 3/3-Wegeventil handelt, sowie eine Ventilsteuerung 16 zur elektrischen Ansteuerung der Ventilanordnung 15. Die Ventilanordnung 15 ist an einem Eingangsanschluss 17 mit einer Fluidquelle 18 verbunden, bei der es sich exemplarisch um eine Druckluftquelle handelt. Ein Arbeitsanschluss 19 der Ventilanordnung 15 ist über einen Fluidschlauch 20 fluidisch kommunizierend mit dem Fluidanschluss 11 des Aktors 3 verbunden. Ein Ausgangsanschluss 21 der Ventilanordnung 15 ist mit einem Fluidauslass 22 fluidisch kommunizierend verbunden, wobei der Fluidauslass exemplarisch als Schalldämpfer ausgebildet ist.
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Die Ventilanordnung 15 weist eine durch beidseitig angeordnete Federmittel 23, 24 vorgegebene Neutralstellung auf, in der sämtliche fluidischen Verbindungen zwischen dem Eingangsanschluss 17, dem Arbeitsanschluss 19 und dem Ausgangsanschluss 21 gesperrt sind. Für eine Auslenkung der Ventilanordnung 15 aus der Neutralstellung in eine von zwei Schaltstellungen, in denen wahlweise eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss 17 und dem Arbeitsanschluss 19 oder zwischen dem Arbeitsanschluss 19 und dem Ausgangsanschluss 21 vorliegt, sind Steuerspulen 25, 26 vorgesehen, die bei Strombeaufschlagung durch die Ventilsteuerung 16 eine entsprechende Schaltbewegung der Ventilanordnung 15 hervorrufen können.
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Die Ventilsteuerung 16 ist exemplarisch als Mikrocontroller ausgebildet, in dem ein Steuerungsprogramm für die Ansteuerung des Aktors 3 hinterlegt ist. Die Ventilsteuerung 16 kann wahlweise für einen autarken Betrieb des Aktors 3 vorgesehen sein, ohne auf äußere Steuerbefehle reagieren zu müssen. Alternativ kann die Ventilsteuerung 16 mittels einer gestrichelt dargestellten Busleitung oder in anderer Weise mit einer nicht dargestellten, übergeordneten Maschinensteuerung verbunden sein, um Bewegungsbefehle der Maschinensteuerung in eine geeignete Ansteuerung des Aktors 3 umzusetzen.
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Um eine Positionsbestimmung für den Arbeitskolben 5 längs des Bewegungswegs 4 durchführen zu können umfasst die Ventilsteuerung 16 einen ersten Drucksensor 27, der dem Eingangsanschluss 17 zugeordnet ist, und einen zweiten Drucksensor 28, der dem Arbeitsanschluss 19 zugeordnet ist. Um eine einfache Aufbauweise für die Ventilsteuerung 16 gewährleisten zu können ist der zweite Drucksensor 28 der Ventilsteuerung 16 baulich zugeordnet, beispielsweise im gleichen Gehäuse wie die Ventilsteuerung 16 untergebracht. Vorzugsweise ist der zweite Drucksensor 28 auf einer nicht näher dargestellten elektrischen Leiterplatte der Ventilsteuerung 16 angeordnet. Dabei ist vorgesehen, die Positionsbestimmung für den Arbeitskolben 5 ausschließlich auf der Basis von Sensorsignalen des ersten Drucksensors 27 und des zweiten Drucksensors 28 vorzunehmen, wodurch eine kostengünstige und hochdynamische Positionsbestimmung ermöglicht wird.
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Mit Hilfe des ersten Drucksensors 27 wird ein Fluiddruck am Eingangsanschluss 17 der Ventilanordnung 15 ermittelt. Dabei ist der erste Drucksensor 27 vorzugsweise über eine kurze Messleitung 29 mit dem Eingangsanschluss 17 verbunden. Mit Hilfe des zweiten Drucksensors 28 wird ein Fluiddruck am Arbeitsanschluss 19 der Ventilanordnung 15 ermittelt. Dabei ist der zweite Drucksensor 28 vorzugsweise über eine kurze Messleitung 30 mit dem Arbeitsanschluss 19 der Ventilanordnung 15 verbunden.
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In der Ventilsteuerung 16 sind auch Eigenschaften der Ventilanordnung 15, insbesondere ein Durchflussbeiwert, gespeichert, mit deren Hilfe in Kenntnis des Fluiddrucks am Eingangsanschluss 17 und des Fluiddrucks am Arbeitsanschluss 19 in einem ersten Berechnungsschritt, der in der Ventilsteuerung 16 durchgeführt werden kann, ein Volumenstrom für das Fluid von der Fluidquelle 18 durch die Ventilanordnung 15 bestimmt wird.
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In Kenntnis des Volumenstroms durch die Ventilanordnung 15 könnte nunmehr mit Hilfe einer bekannten Differentialgleichung, die die Druckänderung in einem Arbeitsraum eines Fluidzylinders beschreibt, nach geeigneter Umstellung dieser Differentialgleichung nach dem Weg s bzw. nach der Geschwindigkeit v eine Position des Arbeitskolbens 5 längs des Bewegungswegs 4 in einer ersten Näherung ermittelt werden werden. Die ermittelten Werte für die Position und die Geschwindigkeit wären jedoch recht ungenau, da eine Reihe von Randbedingungen, insbesondere die Eigenschaften des Fluidschlauchs 20, bei der Verwendung der bekannten Differentialgleichung unberücksichtigt geblieben sind.
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Eine Einbeziehung der Eigenschaften des Fluidschlauchs 20 erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines mathematischen Schlauchmodells, bei dem es sich exemplarisch um ein lineares dynamisches System 4. Ordnung handeln kann, durch das einige wesentliche Phänomene, die während des Fluidstroms durch den Fluidschlauch 20 auftreten, recht präzise beschrieben werden können. Bei diesen Phänomenen handelt es sich insbesondere um Volumeneffekte während des Fluidstroms, die auf beispielsweise auf Fülleffekte und/oder Druckpulsationen im Fluidschlauch 20 zurückzuführen sind. Ferner werden Schwingungen des Fluid im Fluidschlauch 20, der auch als Fluidsäule angesehen werden kann, berücksichtigt. Darüber wird auch ein Druckabfall durch Fluidreibung im Fluidschlauch 20 durch eine nichtlineare Erweiterung des mathematischen Schlauchmodells berücksichtigt. Mit Hilfe des mathematischen Schlauchmodells kann in Kenntnis wenigstens einer Eingangsgröße, also eines Fluiddrucks oder eines Volumenstroms am Anfang des Fluidschlauchs 20 sowie in Kenntnis wenigstens einer Ausgangsgröße, also eines Fluiddrucks oder eines Volumenstroms am Ende des Fluidschlauchs 20, auf den jeweils anderen Wert am Anfang und am Ende des Fluidschlauchs 20 geschlossen werden. Allerdings liegt aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung der Drucksensoren 27, 28 an der Ventilanordnung 15 und dem Verzicht auf einen Drucksensor am Aktor 3 sowie dem Verzicht auf einen Durchflussensor kein gemessener Wert vom Ende des Fluidschlauchs 20, der am Fluidanschluss 11 des Aktors 3 angeschlossen ist, vor.
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Um dennoch eine möglichst exakte Positionsbestimmung für den Arbeitskolben 5 zu ermöglichen, wird nunmehr ein Störgrößenbeobachter eingesetzt. Mit Hilfe des Störgrößenbeobachters soll der Druck am Fluidanschluss 11 des Aktors 3 möglichst genau berechnet werden, um diesen dann als ermittelten Fluiddruckwert vom Ende des Fluidschlauchs 20, der am Fluidanschluss 11 des Aktors 3 angeschlossen ist, in das vorstehend beschriebene mathematische Schlauchmodell einbeziehen zu können. Der Störgrößenbeobachter wird so ausgelegt, dass er auf Basis von Annahmen für die gesuchte Position des Arbeitskolbens und für die gesuchte Geschwindigkeit des Arbeitskolbens unter Benutzung der eingangs erwähnten bekannten Differentialgleichung einen Druckwert für den Fluidanschluss 11 des Aktors 3 ermitteln kann, diesen Druckwert in das mathematischen Schlauchmodell eingibt und einen Fluiddruck am Anfang des Fluidschlauchs 20 und somit am Arbeitsanschluss 19 berechnet. Dieser berechnete Fluiddruck kann dann mit dem tatsächlich vom Drucksensor 28 gemessenen Fluiddruck verglichen werden und ein Fehler ermittelt werden, der anschließend wieder, gegebenenfalls unter Verwendung von konstanten, vorgebbaren Korrekturfaktoren, wieder der bekannten Differentialgleichung zugeführt, die beispielsweise um ein additives Glied erweitert ist, das den Fehler und den zugeordneten Korrekturfaktor umfasst, um damit einen neuen Druckwert zu ermitteln. Ferner kann beispielsweise eine Ermittlung der Geschwindigkeitsänderung als Produkt des Fehlers mit einem zugeordneten Korrekturfaktor erfolgen und die dadurch bestimmte Geschwindigkeit ebenfalls wieder in die bekannte Differentialgleichung einbezogen werden. Auf diesem Wege kann eine schrittweise Fehlerreduzierung vorgenommen werden, so dass am Ende des Berechnungsvorgangs eine berechnete Position für den Arbeitskolben vorliegt, die zumindest nahezu exakt der tatsächlichen Position des Arbeitskolbens entspricht.
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Exemplarisch ist der Aktor 3 mit einer im Arbeitsraum 10 angeordneten Feder 80 ausgestattet, die mit einer Vorspannung in den Aktor 3 eingebaut ist und die für Rückstellung und Positionierung des Arbeitskolbens 5 in eine erste Funktionsposition ausgebildet ist, in der die Feder 80 eine maximale Ausdehnung aufweist. Ferner ist in einem Umfangswandabschnitt des Zylindergehäuses 7 eine kommunizierend mit einem im Zylindergehäuse 7 für den Arbeitskolben 5 ausgebildeten Bewegungsraum verbundene Ausgleichsbohrung 81 vorgesehen, die einen Druckausgleich im Bewegungsraum bei einer Bewegung des Arbeitskolbens 5 ermöglicht.
