DE102014004877B3

DE102014004877B3 - Drive system and method for operating a drive system

Info

Publication number: DE102014004877B3
Application number: DE102014004877.2A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Neumann
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2034-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit einer Steuerungseinrichtung (2) und mit einem Aktor (3), der einen Arbeitskolben (5) zur Bereitstellung einer Antriebsbewegung längs eines Bewegungswegs (4) umfasst und der einen Fluidanschluss (11) zur Verbindung mit der Steuerungseinrichtung (2) aufweist, die eine Ventilsteuerung (16) zur Ansteuerung einer Ventilanordnung (15) und eine Ventilanordnung (15) zur Beeinflussung von Fluidströmen an den Aktor (3) und vom Aktor (3) umfasst, wobei die Ventilsteuerung (16) zur Ermittlung einer Position des Arbeitskolbens (5) längs des Bewegungswegs (4) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ventilsteuerung (16) zur Ermittlung der Position des Arbeitskolbens (5) zwei Drucksensoren (27, 28) zugeordnet sind, wobei ein erster Drucksensor (27) einem Eingangsanschluss (17) der Ventilanordnung (15) zugeordnet ist und wobei ein zweiter Drucksensor (28) mit einer Messleitung (29) fluidisch mit dem Aktor (3) verbunden ist und dass eine Positionsermittlung anhand von Sensorsignalen des ersten und des zweiten Drucksensors (27, 28) erfolgt.The invention relates to a drive system having a control device (2) and an actuator (3) which comprises a working piston (5) for providing a drive movement along a movement path (4) and which has a fluid connection (11) for connection to the control device (2 ), which comprises a valve control (16) for controlling a valve arrangement (15) and a valve arrangement (15) for influencing fluid flows to the actuator (3) and the actuator (3), wherein the valve control (16) for determining a position of the working piston (5) along the movement path (4) is formed. According to the invention, two pressure sensors (27, 28) are associated with the valve control (16) for determining the position of the working piston (5), a first pressure sensor (27) being associated with an input connection (17) of the valve arrangement (15) and a second pressure sensor (28) with a measuring line (29) is fluidically connected to the actuator (3) and that a position determination based on sensor signals of the first and the second pressure sensor (27, 28).

Description

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 ist und wobei zwischen der Ventilanordnung und dem Fluidanschluss des Aktors eine Fluidleitung für eine fluidische Kopplung des Steuerungseinrichtung mit dem Aktor angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems.The invention relates to a drive system with a control device for controlling an actuator and with a fluid operable actuator, which comprises a working piston for providing a drive movement along a movement path and having a fluid port for connection to the control device, the valve control for controlling a valve assembly and a Valve arrangement for influencing fluid flows to the actuator and the actuator comprises, wherein the valve control for determining a position of the working piston along the movement path is formed and wherein between the valve assembly and the fluid port of the actuator, a fluid line for a fluidic coupling of the control device is arranged with the actuator , Furthermore, the invention relates to a method for operating a drive system.

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.From the DE 10 2009 023 168 A1 a generic position measuring device for detecting the position of at least one actuator of a fluidic system without a position sensor arrangement is known in which at least one fluidic control valve is provided for controlling the fluidic system and in a supply line to the fluidic system, a volume flow and pressure sensor device is connected directly with connected to a controller. The controller has means for calculating the position x of the actuator according to a prescribable mathematical relationship, in which a flow supplied to the actuator or volume flow discharged from the actuator and the respective pressure are included.

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.The DE 10 2005 014 416 A1 discloses a method of controlling an air servo cylinder apparatus that includes a forward process for advancing a piston to a target position by controlling servo valves individually connected to a pressure chamber on the head side and a pressure chamber on the rod side of the cylinder, and a pressurizing process for subsequently applying a required pressure force on the piston. In the forward process, the piston starts driving when the servo valve on the head side is opened to the air intake side and the servo valve on the rod side is opened to the exhaust side. Subsequently, the opening degree of the servovalve on the rod side is varied in accordance with a deviation of the current position from the target position, so that the piston is slowly decelerated as it approaches the target position.

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.From the DE 42 20 333 A1 a method for determining the respective piston stroke of a piston in a hydraulic working cylinder is known in which the piston stroke is determined by measuring the pressure medium volume flowing into the working cylinder. For this purpose, the pressure of the pressure medium flowing to the working cylinder is measured on both sides of an orifice arranged in the pressure medium line. The volume flow per unit time is calculated from the difference between the measured pressure values, and the inflowing fluid volume and, hence, the piston travel are calculated by temporally integrating this value.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein vereinfachtes Antriebssystem sowie ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems bereitzustellen.The object of the invention is to provide a simplified drive system and an improved method for operating a drive system.

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 Versorgungsdruck für die Ventilanordnung zu ermitteln und wobei ein zweiter Drucksensor mit einer Messleitung fluidisch mit dem Aktor verbunden ist, um einen Fluiddruck im Bereich des Fluidanschlusses 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.This object is achieved according to a first aspect of the invention for a drive system of the type mentioned above with the features of claim 1. It is provided that the valve control for determining the position of the working piston are associated with two pressure sensors, wherein a first pressure sensor is associated with an input port of the valve assembly to determine a supply pressure for the valve assembly and wherein a second pressure sensor with a measuring line fluidly connected to the actuator is to determine a fluid pressure in the region of the fluid port and that the valve control for a position determination for the working piston along the movement path is formed solely on the basis of sensor signals of the first and the second pressure sensor.

Übereinstimmend mit der DE 10 2009 023 168 A1 besteht die Zielsetzung bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem darin, eine Positionsbestimmung für den Arbeitskolben des Aktors ohne Verwendung eines separat ausgebildeten Positionsmesssystems, das die Bewegung des Arbeitskolbens mit einem geeigneten Wegsensor erfasst, zu ermöglichen.Consistent with the DE 10 2009 023 168 A1 The objective of the drive system according to the invention is to allow a position determination for the working piston of the actuator without the use of a separately formed position measuring system, which detects the movement of the working piston with a suitable displacement sensor.

Abweichend von der DE 10 2009 023 168 A1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Positionsbestimmung für den Arbeitskolben ohne Verwendung eines Durchflusssensors zu verwirklichen. Durch einen Verzicht auf einen Durchflusssensor kann zum einen ein Kostenvorteil realisiert werden, da ein Durchflusssensor im Vergleich mit einem Drucksensor einen erheblich höheren Kostenaufwand mit sich bringt. Zum anderen hat ein Durchflussensor im Vergleich zu einem Drucksensor aufgrund der üblicherweise für derartige Antriebssysteme verwendeten Durchflussmessverfahren eine größere Trägheit im Sinne einer Zeitverzögerung, so dass eine Positionsmessung auf Basis eines Sensorsignals eines Durchflusssensors stets einen trägheitsbedingten Messfehler aufweist.Deviating from the DE 10 2009 023 168 A1 is inventively provided to realize the position determination for the working piston without the use of a flow sensor. By dispensing with a flow sensor on the one hand a cost advantage can be realized because a flow sensor in comparison with a pressure sensor brings a considerably higher cost. On the other hand, a flow sensor compared to a pressure sensor due to the flow measurement method usually used for such drive systems has a greater inertia in the sense of a time delay, so that a position measurement based on a sensor signal of a flow sensor always has an inertial measurement error.

Durch die Verwendung einer Messleitung für die Ermittlung des Fluiddrucks am Aktor kann auf eine elektrische Leitung zwischen der Ventilsteuerung und dem Aktor verzichtet werden. Eine solche elektrische Leitung wäre ansonsten zur elektrischen Versorgung eine unmittelbar am Fluidanschluss des Aktors zu platzierenden zweiten Drucksensors und zur Signalübertragung von einem derart angeordneten zweiten Drucksensor zur Ventilsteuerung notwendig. Eine elektrische Leitung würde im Vergleich zu einer fluidischen, insbesondere pneumatischen, Messleitung erheblich höhere Anforderungen an die Leitungsverlegung zwischen Ventilsteuerung und Aktor stellen und auch in elektrischer Hinsicht, insbesondere im Hinblick auf eine Vermeidung einer elektromagnetischen Störeinstrahlung in die Ventilsteuerung, zusätzlichen Aufwand erfordern. Durch die Zuordnung sowohl des ersten wie auch des zweiten Drucksensors zur Ventilsteuerung werden elektrische Leitungslängen zwischen den Drucksensoren und der Ventilsteuerung minimiert. Die Ventilsteuerung, bei der es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor handeln kann, ist mit einem fest vorgegebenen oder zumindest teilweise frei vorgebbaren Programm ausgerüstet, das einen Algorithmus beinhaltet, mit dessen Hilfe die Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs aus den Signalen der beiden Drucksensoren ermittelt werden kann. By using a measuring line for the determination of the fluid pressure at the actuator can be dispensed with an electrical line between the valve control and the actuator. Such an electrical line would otherwise be necessary for electrical supply to be placed directly on the fluid port of the actuator second pressure sensor and for signal transmission from a second pressure sensor arranged in such a way for valve control. An electrical line would in comparison to a fluidic, in particular pneumatic, measuring line considerably higher demands on the cable routing between the valve control and actuator and also in electrical terms, especially with regard to avoiding electromagnetic interference in the valve control, require additional effort. By assigning both the first and the second pressure sensor for valve control electrical cable lengths between the pressure sensors and the valve control are minimized. The valve control, which may be, for example, a microcontroller or a microprocessor, is equipped with a fixed predetermined or at least partially freely definable program that includes an algorithm by means of which the position of the working piston along the path of movement of the signals of the two Pressure sensors can be determined.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zweckmäßig ist es, wenn in der Ventilsteuerung wenigstens eine Eigenschaft der Fluidleitung und/oder der Messleitung aus der Gruppe: Durchmesser, Länge, Wandstärke, Elastizität pro Längeneinheit, Eigenfrequenz pro Längeneinheit, gespeichert ist. Durch Einbeziehung der wenigstens einen gespeicherten Eigenschaft der Fluidleitung und/oder der Messleitung in den Algorithmus, der in der Ventilsteuerung zur Berechnung der Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs eingesetzt wird, wird eine genaue Positionsbestimmung ermöglicht. Je nach verwendetem Algorithmus zur Ermittlung der Position des Arbeitskolbens werden die Eigenschaften der Fluidleitung und/oder der Messleitung in die Positionsermittlung mit einbezogen.It is expedient if at least one property of the fluid line and / or the measuring line is stored in the valve control from the group: diameter, length, wall thickness, elasticity per unit length, natural frequency per unit length. By including the at least one stored property of the fluid conduit and / or the measurement conduit in the algorithm used in the valve control to calculate the position of the working piston along the path of travel, accurate location determination is enabled. Depending on the algorithm used to determine the position of the working piston, the properties of the fluid line and / or the measuring line are included in the position determination.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messleitung mit einem ersten Endbereich mit dem Fluidanschluss des Aktors verbunden ist und mit einem zweiten Endbereich mit dem zweiten Drucksensor verbunden ist. Mit Hilfe des zweiten Drucksensors soll der Druck in einem Arbeitsraum des Aktors möglichst präzise bestimmt werden, um eine genaue Positionsbestimmung für den in diesem Arbeitsraum abdichtend und beweglich längs des Bewegungswegs aufgenommenen Arbeitskolben zu ermöglichen. Exemplarisch wird der Arbeitsraum für einen Pneumatikzylinder von einer Ausnehmung in einem Zylindergehäuse und von dem längs des Bewegungswegs im Zylindergehäuse aufgenommenen Arbeitskolben bestimmt und ist aufgrund der Beweglichkeit des Arbeitskolbens größenvariabel. Eine Bestimmung des Drucks im Arbeitsraum kann mit Hilfe eines separat am Aktor ausgebildeten Messanschlusses verwirklicht werden, der direkt in den Arbeitsraum mündet. Um eine einfache Aufbauweise und eine Verwendung des zweiten Drucksensors mit einer Vielzahl unterschiedlicher Aktoren gewährleisten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Messleitung im Bereich des Fluidanschlusses anzubringen, da hierfür lediglich eine geeignete Abzweigung von der Fluidleitung bereitgestellt werden muss.In an advantageous development of the invention, provision is made for the measuring line to be connected to the fluid connection of the actuator with a first end region and to be connected to the second pressure sensor with a second end region. With the help of the second pressure sensor, the pressure in a working space of the actuator should be determined as precisely as possible in order to enable an accurate determination of the position of the working piston accommodated in this working space in a sealing and movable manner along the movement path. By way of example, the working space for a pneumatic cylinder is determined by a recess in a cylinder housing and by the working piston received along the path of movement in the cylinder housing and is variable in size due to the mobility of the working piston. A determination of the pressure in the working space can be realized with the aid of a measuring connection formed separately on the actuator, which discharges directly into the working space. In order to be able to ensure a simple structure and use of the second pressure sensor with a large number of different actuators, it is provided according to the invention to mount the measuring line in the region of the fluid connection, since only a suitable branch from the fluid line has to be provided for this purpose.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Drucksensor als Bestandteil der Ventilsteuerung ausgebildet ist und/oder dass die Messleitung separat von der Fluidleitung ausgebildet ist. Bei einer Integration des zweiten Drucksensors oder 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. Die separate Gestaltung der Messleitung ermöglicht eine einfache Nachrüstung der Positionsmessung an ein bereits bestehendes Antriebssystem, indem lediglich ein geeigneter Adapter am Fluidanschluss des Aktors angebracht wird und die Messleitung bis zum zweiten Drucksensor verlegt wird, der der entsprechend ausgerüsteten Ventilsteuerung zugeordnet ist.In a further embodiment of the invention it is provided that the second pressure sensor is formed as part of the valve control and / or that the measuring line is formed separately from the fluid line. In an integration of the second pressure sensor or both pressure sensors on a common printed circuit board on which the valve control is constructed, eliminating complex and fault-prone electrical connections between the pressure sensors and the valve control. As a result, the desired simple structure for the drive system is ensured. The separate design of the measuring line allows easy retrofitting of the position measurement to an existing drive system by only a suitable adapter is attached to the fluid port of the actuator and the measuring line is laid to the second pressure sensor, which is assigned to the appropriately equipped valve control.

Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem zweiten Erfindungsaspekt für ein Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems gemäß dem Anspruch 5 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass für eine Ermittlung einer Position eines Arbeitskolbens längs eines Bewegungswegs in einem ersten Schritt eine Berechnung eines Volumenstroms durch die Ventilanordnung anhand der Sensorsignale der beiden Drucksensoren und anhand von Eigenschaften der Fluidleitung und/oder der Messleitung und 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, anhand dessen 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 in der Ventilsteuerung zu dem gesuchten Volumenstrom durch die Ventilanordnung verarbeitet werden. Ferner kann vorgesehen werden, Eigenschaften der Fluidleitung und/oder der Messleitung in die Ermittlung des Volumenstroms durch die Ventilanordnung mit einzubeziehen.The object of the invention is achieved according to a second aspect of the invention for a method for operating a drive system according to claim 5. It is provided that for a determination of a position of a working piston along a movement path in a first step, a calculation of a volume flow through the valve assembly based on the sensor signals of the two pressure sensors and based on properties of the fluid line and / or the measuring line and the valve assembly is made. The calculation of the volume flow through the valve assembly is carried out as a preparatory step for determining the volume flow to the actuator or from the actuator, based on which the position determination is made for the working piston. For the calculation of the volume flow through the valve assembly characteristics of the valve assembly are required, for example, the flow coefficient of the valve assembly, which are processed together with the sensor signals of the two pressure sensors in the valve control to the desired flow through the valve assembly. Furthermore, it can be provided, properties the fluid line and / or the measuring line in the determination of the volume flow through the valve assembly to include.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Berechnung eines Druckwerts am Ausgangsanschluss der Ventilanordnung anhand des berechneten Volumenstroms durch die Ventilanordnung vorgenommen wird.In an advantageous development of the method, it is provided that a calculation of a pressure value at the outlet connection of the valve arrangement is made on the basis of the calculated volume flow through the valve arrangement.

In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Berechnung eines Volumenstroms am Fluidanschluss des Aktors anhand des berechneten Volumenstroms durch die Ventilanordnung vorgenommen wird.In a further embodiment of the method, it is provided that a calculation of a volumetric flow at the fluid connection of the actuator is carried out on the basis of the calculated volumetric flow through the valve arrangement.

Mit Hilfe des berechneten Volumenstroms am Fluidanschluss des Aktors und dem ermittelten Fluiddruckwerts am Fluidanschluss des Aktors kann nunmehr anhand der in DE 10 2009 023 168 A1 offenbarten Vorgehensweise die Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen werden, einen Beobachteralgorithmus für Ermittlung der Position des Arbeitskolbens einzusetzen, in den die ermittelten Werte für den Volumenstrom und den Fluiddruck am Fluidanschluss des Aktors eingesetzt werden, um hierüber die Position des Arbeitskolbens im Rahmen einer Fehlerminimierung für den Beobachteralgorithmus zu ermitteln.With the help of the calculated volume flow at the fluid port of the actuator and the determined fluid pressure value at the fluid port of the actuator can now be described with reference to the in DE 10 2009 023 168 A1 disclosed procedure, the position of the working piston are determined along the path of movement. Alternatively or additionally, it may be provided to use an observer algorithm for determining the position of the working piston into which the determined values for the volume flow and the fluid pressure at the fluid port of the actuator are used in order to determine the position of the working piston within the scope of an error minimization for the observer algorithm ,

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:An advantageous embodiment of the invention is shown in the drawing. Hereby shows:

1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung eines Aktors und mit einem fluidisch betreibbaren Aktor und 1 a schematic representation of a drive system with a control device for controlling an actuator and with a fluid operable actuator and

2 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems, das eine als Feldgerät ausgebildete Steuerungseinrichtung, eine daran angekoppelte Ventileinheit und eine daran angekoppelte Eingangseinheit sowie einen fluidisch betreibbaren Aktor umfasst. 2 a schematic representation of a drive system comprising a control device designed as a field device, a valve unit coupled thereto and an input unit coupled thereto and a fluid operable actuator.

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, wobei das Antriebssystem 1 dazu eingesetzt werden kann, 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.An Indian 1 schematically illustrated drive system 1 comprises a control device 2 for controlling an actuator 3 and a fluid operable actuator 3 , Such a drive system 1 is used, for example, in a processing machine, not shown, which is provided for the machining of workpieces, wherein the drive system 1 can be used to a machine part of the machine or a workpiece along a predetermined path of movement 4 , which in particular is a straight-line path of movement, can move. In this case, the control device is used 2 for controlling or regulating a fluid flow to the actuator 3 or a fluid flow from the actuator 3 to control or regulate the desired movement according to the requirements.

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 und -abfuhr in den bzw. aus dem 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 9 verschoben werden. Eine Fluidabfuhr aus dem Arbeitsraum 10 findet statt, wenn der Arbeitskolben 5 durch äußere Krafteinwirkung in Richtung der ersten Endposition 8 verschoben wird.Exemplary is the actor 3 designed as a pneumatic cylinder, in which a working piston 5 sliding moveably sealing in a recess 6 a cylinder housing 7 is included. The working piston 5 can in the cylinder housing 7 between a first end position 8th and a second end position 9 be moved. As an example, it is provided that the working piston 5 with the cylinder housing 7 a variable-size workspace 10 formed. For a fluid supply and removal in and out of the work space 10 is a fluid connection 11 provided by means of a fluid channel 12 in fluid communication with the workspace 10 stands. With a fluid supply to the working space 10 can the working piston 5 along the path of movement 4 in the direction of the second end position 9 be moved. A fluid discharge from the working space 10 takes place when the working piston 5 by external force acting in the direction of the first end position 8th is moved.

Exemplarisch ist der Aktor 3 mit einer im Arbeitsraum 10 angeordneten und an einander gegenüberliegenden Oberflächen einer vorderen Stirnwand des Zylindergehäuses 7 und des Arbeitskolbens 5 abgestützten Feder 80 ausgestattet, die mit einer Vorspannung in den Aktor 3 eingebaut ist und die ohne Einwirken eines Fluiddrucks auf den Arbeitskolben 5 oder einer äußeren Kraft auf eine dem Arbeitskolben 5 zugeordnete Kolbenstange eine Rückstellung und Positionierung des Arbeitskolbens 5 in eine erste Funktionsposition bewirkt, 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.Exemplary is the actor 3 with one in the workroom 10 arranged and on opposite surfaces of a front end wall of the cylinder housing 7 and the working piston 5 supported spring 80 equipped with a bias in the actuator 3 is installed and without the action of a fluid pressure on the working piston 5 or an external force on a working piston 5 associated piston rod a provision and positioning of the working piston 5 effected in a first functional position in which the spring 80 has a maximum extent. Further, in a peripheral wall portion of the cylinder housing 7 one communicating with one in the cylinder housing 7 for the working piston 5 trained motor space associated compensation hole 81 provided, the pressure equalization in the movement space during a movement of the working piston 5 allows.

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 eine exemplarisch als Fluidschlauch ausgebildete Fluidleitung 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. 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.For fluid supply to the actuator 3 includes the control device 2 a valve assembly 15 , which is exemplified by a 3/3-way valve, as well as a valve control 16 for the electrical control of the valve arrangement 15 , The valve arrangement 15 is at an input port 17 with a fluid source 18 connected, which is exemplified by a compressed air source. A work connection 19 the valve assembly 15 is via an exemplary designed as a fluid hose fluid line 20 fluidically communicating with the fluid port 11 of the actor 3 connected. An output connection 21 the valve assembly 15 is with a fluid outlet 22 fluidically communicating connected, wherein the fluid outlet is exemplified as a muffler. The valve assembly 15 has a spring means arranged on both sides 23 . 24 predetermined neutral position, in which all fluidic connections between the input terminal 17 , the work connection 19 and the output terminal 21 are locked. For a deflection of the valve assembly 15 from the neutral position to one of two switch positions, in which optionally a fluidically communicating connection between the input port 17 and the work connection 19 or between the work connection 19 and the output terminal 21 present are control coils 25 . 26 provided when the current through the valve control 16 a corresponding switching movement of the valve assembly 15 can cause.

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. Beispielsweise kann die Ventilsteuerung 16 für einen getakteten Betrieb des Aktors 3 vorgesehen sein, insbesondere für eine Bereitstellung einer Antriebsbewegung längs des Bewegungswegs 4 gemäß einem vorgebbaren Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeitsverlauf. 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.The valve control 16 is exemplified as a microcontroller in which a control program for the control of the actuator 3 is deposited. The valve control 16 can optionally for a self-sufficient operation of the actuator 3 be provided without having to respond to external control commands. For example, the valve control 16 for a timed operation of the actuator 3 be provided, in particular for providing a drive movement along the path of movement 4 in accordance with a predefinable acceleration and / or speed profile. Alternatively, the valve control 16 be connected by means of a bus line shown in dashed lines or in any other way with a higher-level machine control, not shown, to movement commands of the machine control in a suitable control of the actuator 3 implement.

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 der Messleitung 29 zugeordnet ist.To determine the position of the working piston 5 along the path of movement 4 to perform, includes the valve control 16 a first pressure sensor 27 which is the input terminal 17 is assigned, and a second pressure sensor 28 , the measuring lead 29 assigned.

Erfindungsgemäß sind für die Positionsbestimmung neben der Ventilsteuerung 16 ausschließlich der dem Eingangsanschluss 17 zugeordnete erste Drucksensor 27 und der dem Fluidanschluss 11 des Aktors 3 zugeordnete zweite Drucksensor 28 vorgesehen. Weitere Komponenten, insbesondere Sensoren, sind für die Positionsbestimmung nicht erforderlich und nicht vorgesehen.According to the invention for the position determination in addition to the valve control 16 excluding the input connector 17 associated first pressure sensor 27 and the fluid port 11 of the actor 3 associated second pressure sensor 28 intended. Other components, in particular sensors, are not required for determining the position and are not provided.

Um eine einfache Aufbauweise für die Ventilsteuerung 16 gewährleisten zu können, ist der zweite Drucksensor 28 der Ventilsteuerung 16 baulich zugeordnet. Beispielsweise ist der zweite Drucksensor 28 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. Hierdurch wird eine vorteilhafte elektronische Anbindung des zweiten Drucksensors 28 an die Ventilsteuerung 16 ermöglicht.For a simple design of the valve control 16 to be able to guarantee, is the second pressure sensor 28 the valve control 16 structurally assigned. For example, the second pressure sensor 28 in the same housing as the valve control 16 accommodated. Preferably, the second pressure sensor 28 on a non-illustrated electrical circuit board of the valve control 16 arranged. This results in an advantageous electronic connection of the second pressure sensor 28 to the valve control 16 allows.

Um mit Hilfe des zweiten Drucksensors 28 eine Messung des Fluiddrucks am Fluidanschluss 11 des Aktors 3 vornehmen zu können, ohne dass der zweite Drucksensor 28 unmittelbar am Aktor 3 angeordnet werden muss, ist eine Messleitung 29 vorgesehen, die für eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem zweiten Drucksensor 28 und dem Fluidanschluss 11 ausgebildet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Messleitung 29 um eine Fluidleitung, dessen Eigenschaften wie seine Länge und sein Durchmesser bekannt und vorzugsweise in der Ventilsteuerung 16 gespeichert sind. Bevorzugt sind auch Eigenschaften der Fluidleitung 20 in der Ventilsteuerung 16 gespeichert.To use the second pressure sensor 28 a measurement of fluid pressure at the fluid port 11 of the actor 3 to be able to make without the second pressure sensor 28 directly at the actuator 3 must be arranged is a measuring line 29 provided for a fluidically communicating connection between the second pressure sensor 28 and the fluid connection 11 is trained. Preferably, the measuring line is 29 to a fluid conduit, its properties such as its length and diameter known and preferably in the valve control 16 are stored. Also preferred are properties of the fluid line 20 in the valve control 16 saved.

In der Ventilsteuerung 16 sind vorzugsweise auch Eigenschaften der Ventilanordnung 15, insbesondere ein Durchflussbeiwert, gespeichert, mit deren Hilfe in Kenntnis des Fluiddrucks am Eingangsanschluss 17 der Ventilanordnung 15 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 zum Aktor 3 und/oder ein Volumenstrom für das Fluid vom Aktor 3 hin zum Fluidauslass 22 durch die Ventilanordnung 15 bestimmt werden kann.In the valve control 16 are preferably also properties of the valve assembly 15 , In particular, a flow coefficient stored with their help in knowledge of the fluid pressure at the input port 17 the valve assembly 15 in a first calculation step, in the valve control 16 can be performed, a volume flow for the fluid from the fluid source 18 through the valve assembly 15 to the actor 3 and / or a volume flow for the fluid from the actuator 3 towards the fluid outlet 22 through the valve assembly 15 can be determined.

In einem nachfolgenden Schritt erfolgt eine Ermittlung eines Druckwerts am Arbeitsanschluss 19 der Ventilanordnung 15 anhand des berechneten Volumenstroms durch die Ventilanordnung 15. Nach dieser Berechnung kann nunmehr eine Ermittlung eines Volumenstroms am Fluidanschluss 11 des Aktors 3 anhand des berechneten Volumenstroms durch die Ventilanordnung 15 vorgenommen werden. Durch diese Berechnungen liegen nunmehr sowohl der Volumenstrom am Fluidanschluss 11 als auch der Fluiddruck am Fluidanschluss 11 vor, anhand derer die Positionsermittlung für den Arbeitskolben 5 vorgenommen wird.In a subsequent step, a determination of a pressure value at the work connection takes place 19 the valve assembly 15 based on the calculated volume flow through the valve assembly 15 , After this calculation, it is now possible to determine a volumetric flow at the fluid connection 11 of the actor 3 based on the calculated volume flow through the valve assembly 15 be made. Due to these calculations, both the volume flow at the fluid connection now lie 11 as well as the fluid pressure at the fluid port 11 before, on the basis of which the position determination for the working piston 5 is made.

Wahlweise kann die Positionsermittlung anhand der in DE 10 2009 023 168 A1 offenbarten Vorgehensweise durchgeführt werden.Optionally, the position determination based on the in DE 10 2009 023 168 A1 disclosed procedure can be performed.

Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen werden, in der Ventilsteuerung 16 einen Beobachteralgorithmus in Form eines Programms für den Mikrocontroller ablaufen zu lassen. Bei der Verwendung des Beobachteralgorithmus wird iterativ unter Verwendung der ermittelten Werte für den Volumenstrom und den Fluiddruck am Fluidanschluss des Aktors ein Positionsfehler für den Arbeitskolben errechnet, der im Rahmen einer Fehlerbetrachtung minimiert wird, um darüber zur tatsächlichen Position des Arbeitskolbens 5 längs des Bewegungswegs 4 zu gelangen.Alternatively or additionally, can be provided in the valve control 16 to run an observer algorithm in the form of a program for the microcontroller. When using the observer algorithm, iteratively, using the determined values for the volumetric flow and the fluid pressure at the fluid port of the actuator, a position error is calculated for the working piston, which is minimized in the context of an error consideration, to the actual position of the working piston 5 along the path of movement 4 to get.

Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform eines Antriebssystems 41 werden für funktionsgleiche Komponenten wie beim Antriebssystem 1 die gleichen Bezugszeichen verwendet.At the in 2 illustrated embodiment of a drive system 41 are for functionally identical components as the drive system 1 the same reference numerals are used.

Das Antriebssystem 41 unterscheidet sich vom Antriebssystem 1 dadurch, dass die Ventilsteuerung 42, die Drucksensoren 43, 44 und eine zentrale Steuereinheit 45 als Module ausgebildet sind, die aneinandergereiht angeordnet sind und mittels einer internen Kommunikationsleitung, bei der es sich insbesondere um eine Busleitung handeln kann, elektrisch kommunizierend miteinander verbunden sind.The drive system 41 different from the drive system 1 in that the valve control 42 , the pressure sensors 43 . 44 and a central control unit 45 are formed as modules, which are arranged in a row and by means of an internal communication line, which may in particular be a bus line, are electrically communicating with each other.

Exemplarisch kann vorgesehen werden, dass die zentrale Steuereinheit 45 als Buskoppler ausgebildet ist, um einen Anschluss an ein nicht dargestelltes Feldbussystem zu ermöglichen. Jedenfalls ist exemplarisch vorgesehen, dass die zentrale Steuereinheit 45 für eine Kommunikation mit den Drucksensoren 43 und 44 und mit der Ventilsteuerung 42 vorgesehen ist. Ferner ist die, insbesondere als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildete, zentrale Steuereinheit 45 dazu vorgesehen, in einem Programmspeicher ein Berechnungsprogramm ablaufen zu lassen, mit dessen Hilfe die Schritte des Verfahrens zur Positionsermittlung des Arbeitskolbens 5 längs des Bewegungswegs 4 durchgeführt werden können.By way of example, it can be provided that the central control unit 45 is designed as a bus coupler to allow connection to a not shown fieldbus system. In any case, it is provided by way of example that the central control unit 45 for communication with the pressure sensors 43 and 44 and with the valve control 42 is provided. Furthermore, the, in particular as a programmable logic controller (PLC) trained, central control unit 45 intended to run in a program memory a calculation program, with the help of which the steps of the method for determining the position of the working piston 5 along the path of movement 4 can be performed.

Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann anstelle der typischerweise aus flexiblem Material hergestellten Fluidleitung ein Fluidrohr eingesetzt werden. Ferner kann ergänzend oder alternativ anstelle der flexiblen Messleitung eine starre Messleitung eingesetzt werden. Bei einer weiteren, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Länge der Fluidleitung und/oder der Messleitung zumindest nahezu verschwindend, so dass die Ventilanordnung unmittelbar am Aktor angebracht ist.In an embodiment of the invention, not shown, a fluid tube may be used instead of the fluid line typically made of flexible material. Furthermore, a rigid measuring line can additionally or alternatively be used instead of the flexible measuring line. In a further, not shown embodiment of the invention, the length of the fluid line and / or the measuring line are at least almost vanishing, so that the valve assembly is mounted directly on the actuator.

Claims

Drive system ( 1 ) with a control device ( 2 ) for controlling an actuator ( 3 ) and with a fluid operable actuator ( 3 ), which has a working piston ( 5 ) for providing a drive movement along a movement path ( 4 ) and the one fluid connection ( 11 ) for connection to the control device ( 2 ), which has a valve control ( 16 ) for controlling a valve arrangement ( 15 ) and a valve assembly ( 15 ) for influencing fluid flows to the actuator ( 3 ) and the actuator ( 3 ), wherein the valve control ( 16 ) for determining a position of the working piston ( 5 ) along the path of movement ( 4 ) and between the valve arrangement ( 15 ) and the fluid connection ( 11 ) of the actuator ( 3 ) a fluid line ( 20 ) for a fluidic coupling of the control device ( 2 ) with the actuator ( 3 ), wherein the valve control ( 16 ) for determining the position of the working piston ( 5 ) two pressure sensors ( 27 . 28 ), wherein a first pressure sensor ( 27 ) an input terminal ( 17 ) of the valve assembly ( 15 ) is assigned to a supply pressure for the valve assembly ( 15 ) and wherein a second pressure sensor ( 28 ) with a measuring line ( 29 ) fluidically with the actuator ( 3 ) is connected to a fluid pressure in the region of the fluid port ( 11 ) and that the valve control ( 16 ) for a position determination for the working piston ( 5 ) along the path of movement ( 4 ) based solely on sensor signals of the first and the second pressure sensor ( 27 . 28 ) is trained.

Drive system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that in the valve control ( 16 ) at least one property of the fluid line ( 20 ) and / or the measuring line ( 29 ) from the group: diameter, length, wall thickness, elasticity per unit length, natural frequency per unit length, is stored.

Drive system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring line ( 29 ) having a first end region with the fluid connection ( 11 ) of the actuator ( 3 ) and with a second end region with the second pressure sensor ( 28 ) connected is.

Drive system ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the second pressure sensor ( 28 ) as part of the valve control ( 16 ) is formed and / or that the measuring line ( 29 ) separately from the fluid line ( 20 ) is trained.

Method for operating a drive system ( 1 ) according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that for determining a position of a working piston ( 5 ) along a path of movement ( 4 ) in a first step, a calculation of a volume flow through the valve assembly ( 15 ) based on the sensor signals of the two pressure sensors ( 27 . 28 ) and properties of the fluid line ( 20 ) and / or the measuring line ( 29 ) and the valve assembly ( 16 ) is made.

A method according to claim 5, characterized in that in a further step, a calculation of a pressure value at the output terminal ( 21 ) of the valve assembly ( 16 ) based on the calculated Volume flow through the valve assembly ( 16 ) is made.

A method according to claim 6, characterized in that in a further step, a calculation of a volume flow at the fluid connection ( 11 ) of the actuator ( 3 ) based on the calculated volume flow through the valve assembly ( 16 ) is made.

A method according to claim 7, characterized in that in a further step based on the calculated volume flow at the fluid connection ( 11 ) of the actuator ( 3 ) and the determined fluid pressure in the region of the fluid connection ( 11 ) a position determination for the working piston ( 5 ) is made.