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Die Erfindung betrifft einen Aktor zur Bereitstellung einer Antriebsbewegung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fluidantriebssystem zur Bereitstellung einer Antriebsbewegung und ein Verfahren zu Ermittlung einer Position eines Arbeitskolbens längs eines Bewegungswegs.
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Aus der
DE 10 2009 023 168 A1 ist eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Position wenigstens eines Stellglieds eines fluidischen Systems ohne Positionssensoranordnung vorgeschlagen, wobei wenigstens ein fluidisches Steuerventil zur Steuerung des fluidischen Systems vorgesehen ist. In einer Zuleitung zum fluidischen System ist eine Volumenstrom- und Drucksensoreinrichtung geschaltet, die direkt mit einem Controller verbunden ist. Der Controller besitzt Mittel zur Berechnung der Position des Stellglieds anhand des ermittelten Volumenstroms gemäß einer vorgebbaren Beziehung.
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Aus der
US 2013/0230389 A1 ist ein Ventil zum Steuern eines Spiels an einer Spitze von Turbinenschaufeln bekannt, das einen Kolben und einen Versorgungsmechanismus umfasst, wobei der Versorgungsmechanismus für eine Zufuhr von Fluid unter Druck ausgebildet ist, um den Kolben zu veranlassen, sich innerhalb eines Hohlkörpers zu bewegen, und das einen Mechanismus aufweist, der eine Position des Kolbens und eines Absperrelements, das sich zusammen mit dem Kolben bewegt, erfasst, wobei das Absperrelement so angebracht ist, dass es sich in einem Fluiddurchgang zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegen kann, wobei der Fluiddurchgang den Versorgungsmechanismus mit einem Drucksensor verbindet, der ein Ausgangssignal erzeugt, das die Position des Kolbens des Ventils darstellt.
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Die
DE 102 47 869 A1 offenbart einen druckmediumsbetätigten Arbeitszylinder, der einen endseitig durch zwei Endteile verschlossenen Zylinderraum aufweist, in dem ein längsverschieblicher Kolben angeordnet ist, durch den in dem Zylinderraum zwei Zylinderkammern abgeteilt sind. An einem der Endteile ist ein Differenzdruckaufnehmer angeordnet, der mit den beiden Zylinderkammern über eigene Leitungsmittel verbunden ist, die zumindest teilweise in den Endteilen ausgebildet sind. Der Differenzdruckaufnehmer weist einen an dem ihm zugeordneten Endteil vorgesehenen Signalausgang für ein elektrisches Ausgangssignal auf.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine zuverlässige Ermittlung der Position des Arbeitskolbens mit möglichst geringem messtechnischem Aufwand zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird für einen Aktor der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass an einem Endbereich des Aktorgehäuses ein vom Aktorgehäuse und vom Arbeitskolben begrenzter Messraum ausgebildet ist, der bei Eintreffen des Arbeitskolbens in einem Endbereich des Bewegungswegs zur Bereitstellung eines Druckpulses ausgebildet ist, wobei dem Messraum ein Fluidmessanschluss zugeordnet ist, der zumindest zeitweilig in fluidisch kommunizierender Verbindung mit dem Messraum steht.
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Der Messraum ist derart ausgebildet, dass bei Eintreffen des Arbeitskolbens am Ende seines Bewegungswegs und die damit einhergehende Verkleinerung des Messraums ein Druckanstieg mit einem hohen Druckänderungsgradienten erfolgt, so dass am Fluidmessanschluss ein Druckpuls bereitgestellt werden kann. Dieser Druckpuls wird dazu genutzt, die Position des Arbeitskolbens zu ermitteln. Vorzugsweise ist vorgesehen, den Druckpuls am Fluidmessanschluss über eine Messleitung an einen räumlich abgesetzten Drucksensor weiterzuleiten, der beispielsweise einer Steuerelektronik zugeordnet ist. Die Steuerelektronik kann als Bestandteil einer Steuerungseinrichtung ausgebildet sein und kann zudem zur Ansteuerung einer Ventileinrichtung ausgebildet sein, die ihrerseits zur Bereitstellung eines Fluidstroms an den Fluidanschluss des Aktors vorgesehen ist. Durch diese räumliche Trennung von fluidischen Komponenten einerseits und elektrischen beziehungsweise elektronischen Komponenten andererseits lässt sich eine vorteilhafte, einfache Aufbauweise für ein Fluidantriebssystem verwirklichen, das durch den erfindungsgemäßen Aktor mitbestimmt wird. Je nach Ausgestaltung des Messraums ist eine permanente oder eine lediglich zeitweilige fluidische Verbindung zwischen einem vom Messraum bestimmten Messvolumen und dem Fluidmessanschluss gegeben. Der Messraum kann abseits des Arbeitsraums im Aktor ausgebildet sein, bevorzugt ist der Messraum ein Bestandteil des Arbeitsraums des Aktors. Bei einer Ausführung des Aktors als einseitig wirkender Aktor mit genau einem Arbeitsraum und einem zugeordneten Fluidanschluss kann ein erster Messraum abseits des Arbeitsraums vorgesehen werden, um beispielsweise eine maximale Volumenausdehnung für den Arbeitsraum detektieren zu können, bei der der Arbeitskolben zusammen mit dem Aktorgehäuse ein maximales Volumen begrenzt. Ergänzend oder alternativ kann ein weiterer, im Arbeitsraum angeordneter Messraum ausgebildet sein, der zur Ermittlung einer Position des Arbeitskolbens längs des Bewegungswegs dient, bei der der Arbeitskolben zusammen mit dem Aktorgehäuse ein minimales Arbeitsvolumen bestimmt. Bei einer Ausführung des Aktors als doppeltwirkender Aktor mit zwei Arbeitsräumen kann in jedem der Arbeitsräume ein Messraum zugeordnet sein.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Fluidmessanschluss unabhängig vom Fluidanschluss ausgebildet ist. Vorzugweise sind im Aktorgehäuse eine erste Bohrung für den Fluidmessanschluss und eine zweite Bohrung für den Fluidanschluss vorgesehen, wobei sich die Bohrungen nicht schneiden. Dadurch soll gewährleistet werden, dass sich Druckpulse, die bei einer Freigabe eines Fluidstroms an den Fluidanschluss im Arbeitsraum auftreten können, nicht ungedämpft am Fluidmessanschluss anliegen und somit möglicherweise zu Fehlern bei der Ermittlung des Druckverlaufs am Fluidmessanschluss führen könnten.
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Bei einer ersten erfindungsgemäßen Variante des Aktors ist der Messraum als elastisch deformierbare Fluidkammer ausgebildet und der Fluidmessanschluss mündet in ein vom Messraum bestimmtes Messvolumen ein. Die elastisch deformierbare Fluidkammer kann beispielsweise als Faltenbalg aus einem elastischen Kunststoffmaterial hergestellt werden und am Ende des Bewegungswegs für den Arbeitskolben im Aktorgehäuse, insbesondere im Arbeitsraum, angeordnet sein. Die Fluidkammer begrenzt bei Abwesenheit des Arbeitskolbens ein Messvolumen, das durch das Eintreffen des Arbeitskolbens am Ende seines Bewegungswegs im Zuge einer elastischen Deformation der Fluidkammer reduziert wird, wodurch der gewünschte Druckpuls über den Fluidmessanschluss an einen Drucksensor weitergeleitet werden kann. Zusätzlich dient die Fluidkammer auch als Endlagendämpfung für den Arbeitskolben, um einen harten Aufprall des Arbeitskolbens am Aktorgehäuse und somit auch ein unerwünschtes Arbeitsgeräusch bei Erreichen der Endlage des Bewegungswegs zu vermeiden. Besonders bevorzugt ist eine dem Arbeitskolben zugewandte Stirnfläche der Fluidkammer mit einer Profilierung versehen, die von einer Profilierung einer der Fluidkammer zugewandten Stirnseite des Arbeitskolbens abweicht. Dadurch soll ein unerwünschtes Anhaften zwischen Fluidkammer und Arbeitskolben vermieden und eine zuverlässige Fluidzufuhr zwischen Fluidkammer und Arbeitskolben gewährleistet werden, mit der der Arbeitskolben aus seiner Endposition in eine von der Fluidkammer entfernte Arbeitsposition bewegt wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidkammer eine Messöffnung aufweist, die für eine zeitweilige, fluidisch kommunizierende und vom Arbeitskolben verschließbare Verbindung des Messvolumens mit dem Arbeitsraum ausgebildet ist. Mit Hilfe dieser Messöffnung kann bei Abwesenheit des Arbeitskolbens eine permanente Druckmessung über den Fluidmessanschluss vorgenommen werden, wobei der ermittelte Druck zumindest im Wesentlichen gleich dem im Arbeitsraum herrschenden Druck ist. Bei Annäherung des Arbeitskolbens an die Fluidkammer ist die Messöffnung derart auf eine der Fluidkammer zugewandte Stirnseite des Arbeitskolbens abgestimmt, dass bei einer Anlage des Arbeitskolbens an der Fluidkammer ein zuverlässiges Verschließen der Messöffnung eintritt. Somit wird bei einer weiteren Bewegung des Arbeitskolbens in Richtung der Fluidkammer das Messvolumen zunächst abgeschlossen und anschließend komprimiert, sodass an dem Fluidmessanschluss der gewünschte Druckpuls ausgegeben werden kann.
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Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Variante des Aktors ist vorgesehen, dass am Arbeitskolben ein Vorsprung ausgebildet ist, der in den Arbeitsraum ragt und an einer dem Arbeitskolben gegenüberliegenden, endseitigen Stirnwand des Arbeitsraums eine Ausnehmung für eine, insbesondere abdichtende, Aufnahme des Vorsprungs ausgebildet ist, wobei der Fluidanschluss in die Ausnehmung einmündet und wobei der Fluidmessanschluss abseits der Ausnehmung in den Arbeitsraum einmündet. Bei einer Annäherung des Arbeitskolbens an die endseitige Stirnwand des Arbeitsraums findet durch die Wechselwirkung des Vorsprungs mit der Ausnehmung in der Stirnwand beispielsweise eine fluidische Abkopplung des Fluidanschlusses statt. Somit kann das im Arbeitsraum verbleibende Fluidvolumen ausschließlich durch den Fluidmessanschluss entweichen, womit der gewünschte Druckpuls am Fluidmessanschluss bereitgestellt wird.
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Ferner ist für die zweite erfindungsgemäße Variante vorgesehen, dass der Fluidmessanschluss in einen Fluidkanal einmündet, der zwischen dem Arbeitsraum und der Ausnehmung ausgebildet ist.
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Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird bei Annäherung des Vorsprungs am Arbeitskolben an die Ausnehmung in der Stirnwand des Arbeitsraums zunächst durch Abschluss des im Arbeitsraum aufgenommenen Fluidvolumens der gewünschte Druckpuls an den Fluidmessanschluss bereitgestellt. Anschließend kann das im verbleibenden Arbeitsraum aufgenommene Fluid durch den Fluidkanal in die Ausnehmung und von dort in den Fluidanschluss weitergeleitet werden, sodass eine vorteilhafte Annährung des Arbeitskolbens an seinen Endbereich längs des Bewegungswegs gewährleistet werden kann.
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Des Weiteren ist für die die zweite erfindungsgemäße Variante vorgesehen, dass der Fluidkanal eine Drosseleinrichtung umfasst oder als Drosseleinrichtung ausgebildet ist. Der Fluidkanal ermöglicht einen Fluidaustausch zwischen dem Arbeitsraum und der Ausnehmung und spielt insbesondere dann eine wesentliche Rolle, wenn der Vorsprung am Arbeitskolben in der Ausnehmung der endseitigen Stirnwand des Arbeitsraums aufgenommen wird, wodurch ein direktes Abströmen des im Arbeitsraum aufgenommenen Fluids durch den Fluidanschluss unterbunden wird. In diesem Fall steht der Fluidkanal als einzige Fluidverbindung zwischen Arbeitsraum und dem der Ausnehmung zugeordneten Fluidanschluss zur Verfügung, sodass das im Arbeitsraum eingeschlossene Fluid ausschließlich durch den Fluidkanal in die Ausnehmung und von dort zum Fluidanschluss strömen kann. Um den gewünschten Druckpuls oder möglicherweise ein am Fluidmessanschluss anliegendes erhöhtes Druckniveau während der Annäherung des Arbeitskolbens an den Endbereich des Arbeitswegs zu ermöglichen, weist der Fluidkanal einen freien Querschnitt auf, der kleiner als ein freier Querschnitt des Fluidanschlusses ist, sodass hierdurch eine Drosselwirkung für das strömende Fluid hervorgerufen wird. Diese Drosselwirkung bewirkt zum einen den gewünschten Druckpuls für den Fluidmessanschluss und gewährleistet zum anderen eine sanfte Abbremsung der Linearbewegung des Arbeitskolbens bis zur vollständigen Annäherung an die endseitige Stirnwand des Arbeitsraums.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem weiteren Aspekt mit einem Fluidantriebssystem gelöst, wie es im Anspruch 5 angeben ist. Das Fluidantriebssystem weist eine Steuerungseinrichtung auf, die eine Steuerelektronik und wenigstens eine von der Steuerelektronik ansteuerbare Ventileinrichtung umfasst und die zur Beeinflussung von Fluidströmen zwischen einer Fluidquelle und einem Aktor ausgebildet ist. Ferner umfasst das Fluidantriebssystem einen Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fluidanschluss des Aktors mit einem Ventilanschluss der Ventileinrichtung fluidisch kommunizierend verbunden ist und wobei die Steuerungseinrichtung eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung einer vorgebbaren Position, insbesondere einer Endposition, des Arbeitskolbens längs eines Bewegungswegs im Aktorgehäuse aufweist, die einen der Steuerelektronik zugeordneten Drucksensor umfasst, der mit dem Fluidmessanschluss fluidisch kommunizierend verbunden ist. Entscheidend für das erfindungsgemäße Fluidantriebssystem ist es, dass eine räumliche Trennung zwischen dem Aktor und der Steuerungseinrichtung vorliegt, beispielsweise ist die Steuerungseinrichtung in einem Schaltkasten einer Bearbeitungsmaschine vorgesehen, während der Aktor räumlich entfernt als Bestandteil der Bearbeitungsmaschine zur Bewegung eines Maschinenteils vorgesehen ist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Aktors, wie er in den Ansprüchen 1 bis 4 angegeben ist, sind lediglich Fluidleitungen zwischen dem Aktor und der Steuerungseinrichtung zu verlegen. An die Verlegung von Fluidleitungen sind geringere Ansprüche zu stellen, als dies für elektrische Leitungen der Fall ist, die eine höhere Bruchempfindlichkeit aufweisen und möglichst entfernt von elektromagnetischen Strahlungsquellen verlegt werden sollten, um Störeinstrahlungen zu vermeiden. Bei dem erfindungsgemäßen Fluidantriebssystem umfasst die Steuerelektronik eine Verarbeitungseinrichtung, die zur Verarbeitung von Signalen des Drucksensors ausgebildet ist, der vorzugsweise auf einer gemeinsamen elektrischen Leiterplatte mit der Verarbeitungseinrichtung angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung der Steuerelektronik wird eine einfache elektrische Aufbauweise erzielt, da es nicht notwendig ist, räumlich abgesetzte Drucksensoren oder andere Sensoren, wie beispielsweise Endschalter oder Positionstransmitter mit der Steuerelektronik über Kabelverbindungen zu verbinden. Vorzugsweise ist die Verarbeitungseinrichtung derart ausgebildet, dass sie an Hand eines Druckpulses, der am Fluidmessanschluss bereitgestellt wird und über eine entsprechende fluidische Messleitung an den Drucksensor übertragen wird, ein Erreichen einer Endposition des Arbeitskolbens detektieren kann. Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinrichtung für eine fortdauernde oder zumindest zeitweilige Druckmessung über den Drucksensor und den Fluidmessanschluss während des regulären Betriebs des Aktors ausgebildet ist. Somit kann beispielsweise an Hand der dabei auftretenden Druckverläufe im Arbeitsraum zumindest eine grobe Bestimmung der Position des Arbeitskolbens längs seines Bewegungswegs vorgenommen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß einem weiteren Aspekt mit einem Verfahren zur Ermittlung einer Position eines Arbeitskolbens längs eines Bewegungswegs in einem Aktorgehäuse eines erfindungsgemäßen Aktors gelöst, wie es im Anspruch 6 angegeben ist. Hierbei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Bereitstellen eines Ansteuersignals von einer Steuerelektronik an eine Ventileinrichtung zur Freigabe eines Fluidstroms zwischen der Ventileinrichtung und einem Fluidanschluss eines Aktors, Bereitstellen eines Fluidmessdrucks von einem Fluidmessanschluss am Aktor an einen der Steuerelektronik zugeordneten Drucksensor, Ermitteln eines Druckverlaufs für den Fluidmessdruck in der Steuerelektronik und Bestimmung der Position des Arbeitskolbens an Hand von vorgebbaren Druckverlaufsmustern und/oder Druckschwellwerten in der Steuerelektronik, wobei über den Fluidmessanschluss eine permanente Druckmessung bei Anordnung des Arbeitskolbens abseits einer Endposition nahe einer Stirnseite des Aktorgehäuses vorgenommen wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische und ausschnittartige Darstellung einer Bearbeitungsmaschine, der ein konventionelles Fluidantriebssystem und ein erfindungsgemäßes Fluidantriebssystem zugeordnet sind,
- 2 eine erste Ausführungsform eines Aktors, in dem jeweils endseitig angeordnete, unterschiedlich ausgebildete Fluidkammern vorgesehen sind,
- 3 eine zweite Ausführungsform eines Aktors, in dem jeweils endseitig angeordnete, unterschiedlich ausgebildete Fluidkammern vorgesehen sind und
- 4 eine schematische Darstellung einer Steuerungseinrichtung für einen erfindungsgemäßen Aktor.
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Eine in der 1 schematisch und nur ausschnittartig dargestellte Bearbeitungsmaschine 1, bei der es sich beispielsweise um eine Werkzeugmaschine oder einen Industrieroboter handeln kann, ist zur Bereitstellung einer oder mehrerer Bewegungen von nicht näher dargestellten Maschinenkomponenten ausgebildet, um eine Werkstückbearbeitung oder eine Werkstückmontage oder eine Werkstückhandhabung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck umfasst die Bearbeitungsmaschine 1 eine exemplarisch als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildete Steuerungsvorrichtung 2, die zur Koordination der Funktionsabläufe, insbesondere der Bewegungsabläufe, der Bearbeitungsmaschine 1 ausgebildet ist. Die Steuerungsvorrichtung 2 ist mit einem Feldbus 3 elektrisch kommunizierend verbunden, über den Feldbustelegramme an eine Vielzahl von Feldgeräten verschickt und Feldbustelegramme von den Feldgeräten empfangen werden können.
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Exemplarisch ist ein Feldgerät 4 als elektropneumatische Einheit ausgebildet und dient zur Ansteuerung mehrerer Aktoren 5, 6. Dabei ist der Aktor 5 in konventioneller Weise aufgebaut, während der Aktor 6 erfindungsgemäß aufgebaut ist. Jedem der Aktoren 5, 6 sind mehrere Endgeräte 7 bis 9 beziehungsweise 10 und 11 zugeordnet, die für den Betrieb des jeweiligen Aktors 5, 6 erforderlich sind.
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Exemplarisch ist beim Aktor 5, der gemäß dem Stand der Technik ausgeführt ist, eine fluidische Verbindung zwischen einem ersten Fluidanschluss 12 und dem in bekannter Weise als Ventilmodul 7 ausgeführten Endgerät mittels eines Fluidschlauchs 13 vorgesehen. Ferner ist eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen einem Fluidanschluss 14 und dem in bekannter Weise als Ventilmodul ausgeführten Endgerät 8 mittels eines Fluidschlauchs 15 vorgesehen. Darüber hinaus sind elektronische Positionstransmitter 16, 17 über Anschlusskabel 18, 19 mit dem in bekannter Weise als elektronisches Eingangsmodul ausgeführten Endgerät 9 verbunden. Für eine Bewegung des Aktors 5 ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung 2 über den Feldbus 3 ein Feldbustelegramm an das Feldgerät 4 übersendet. Dieses Feldbustelegramm ist entsprechend einem vorgebbaren Feldbusprotokoll codiert und wird im Feldgerät 4 in einen Bewegungsbefehl umgesetzt, der an die Endgeräte 7 bis 9 weitergeleitet wird. In Abhängigkeit von den Schaltzuständen der als Ventilmodule ausgebildeten Endgeräte 7, 8 und den am Endgerät 9 anliegenden Sensorsignalen der Positionstransmitter 16, 17 führt der Bewegungsbefehl zu einer Freigabe von Fluidströmen an den beziehungsweise von dem Aktor 5 durch entsprechende Ansteuerungen nicht näher dargestellter Ventile in den Endgeräten 7, 8. Durch die Fluidströme, die an den Aktor 5 bereitgestellt werden, kann dieser exemplarisch eine lineare Bewegung einer Kolbenstange 20 relativ zu einem Aktorgehäuse 21 vollziehen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aktor 6, der zusammen mit den erfindungsgemäßen Endgeräten 10 und 11 ein erfindungsgemäßes Fluidantriebssystem 30 bildet, sind abweichend vom Aktor 5, der den Stand der Technik repräsentiert, lediglich fluidische Verknüpfungen zwischen dem Aktor 6 und den Endgeräten 10 und 11 vorgesehen, elektrische Leitungen müssen hier nicht verlegt werden. Übereinstimmend mit dem Aktor 5 ist auch der Aktor 6 exemplarisch als doppelwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet und weist somit jeweils endseitig am Aktorgehäuse 31 angebrachte Fluidanschlüsse 32, 33 auf. Jeder der Fluidanschlüsse 32, 33 ist über eine Fluidleitung 34, 35 mit einem Ventilanschluss 36 beziehungsweise 37 des jeweiligen Endgeräts 10, 11 verbunden. Dem jeweiligen Ventilanschluss 36, 37 ist eine in 4 schematisch dargestellte Ventileinrichtung zugeordnet, die beispielsweise als 3/2-Wegeventil ausgebildet sein kann. Die Ventileinrichtung ist für eine zeitweilige fluidische Verbindung einer nicht näher dargestellten Fluidquelle mit dem jeweiligen Fluidanschluss 32, 33 sowie für eine Absperrung des jeweiligen Fluidanschlusses 32, 33 und für eine Entlüftung des jeweiligen Fluidanschlusses 32, 33 ausgebildet. Dementsprechend kann mit Hilfe der Ventileinrichtung eine Fluidzufuhr in einen nachstehend näher beschriebenen Arbeitsraum des Aktors 6 vorgenommen werden, alternativ erfolgt eine Absperrung des im Arbeitsraum eingeschlossenen Fluids oder eine Entlüftung des jeweiligen Arbeitsraums. Dementsprechend erfolgt jeweils eine Bewegung des Arbeitskolbens längs seines Bewegungswegs.
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Um eine Ermittlung einer Position des nachstehend näher beschriebenen Arbeitskolbens im Arbeitsraum des Aktors 6 zu ermöglichen, weist der Aktor 6 Fluidmessanschlüsse 38, 39 auf, die über Fluidmessleitungen 40, 41 mit einem am jeweiligen Endgerät 10, 11 ausgebildeten Sensoranschluss 42, 43 fluidisch kommunizierend verbunden sind. Hierdurch kann das jeweilige Endgerät 10, 11 zumindest das Erreichen einer Endlage durch einen Arbeitskolben des Aktors 6 längs eines Bewegungswegs ermitteln. Darüber hinaus ist es ergänzend oder alternativ auch möglich, während des regulären Betriebs des Aktors 6 eine Druckermittlung im jeweiligen Arbeitsraum vorzunehmen, um Rückschlüsse auf die aktuelle Position des Arbeitskolbens ziehen zu können.
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Der Vorteil des Fluidantriebssystems 30 gegenüber dem Aktor 5 gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass lediglich Fluidleitungen 34, 35 und Fluidmessleitungen 40, 41 zwischen dem Aktor 6 und den Endgeräten 10, 11 verlegt werden müssen. Die Verlegung von Fluidleitungen ist weniger kritisch als die Verlegung von elektrischen Sensorleitungen, Fluidleitungen können auch entlang von relativ zueinander bewegten Maschinenkomponenten verlegt werden und weisen bei geringeren Kosten eine höhere Dauerfestigkeit als Sensorleitungen auf, so dass eine höhere Verfügbarkeit der entsprechend ausgerüsteten Bearbeitungsmaschine 1 gewährleist werden kann.
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In der 2 ist eine erste Ausführungsform des Aktors 6 dargestellt. Exemplarisch ist der Aktor 6 als doppelwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet, bei dem im Aktorgehäuse 31 ein Arbeitskolben 47 längs eines Bewegungswegs 48 schiebebeweglich aufgenommen ist. Der Arbeitskolben 47 weist für eine abdichtende Aufnahme im Aktorgehäuse 31 eine umlaufende Dichteinrichtung 49 auf, wobei mit dieser Dichteinrichtung 49 am Arbeitskolben 47 ein erster Arbeitsraum 50 von einem zweiten Arbeitsraum 51 getrennt wird. In jeden der Arbeitsräume 50, 51 mündet jeweils einer der Fluidanschlüsse 32, 33 ein, sodass über den jeweiligen Fluidanschluss 32, 33 eine Fluidzufuhr beziehungsweise Fluidabfuhr in den Arbeitsraum 50, 51 beziehungsweise aus dem Arbeitsraum 50, 51 erfolgen kann. Bei geeigneter Druckbeaufschlagung der Arbeitsräume 50, 51 über die jeweiligen Fluidanschlüsse 32, 33 kann die Bewegung des Arbeitskolbens 47 längs seines Bewegungswegs 48 entgegen einer äußeren Kraft, beispielsweise einer Kraft einer nicht dargestellten Maschinenkomponente, vorgenommen werden.
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Um die gewünschte Positionsermittlung für den Arbeitskolben 47 längs des Bewegungswegs 48 zu ermöglichen, sind den Arbeitsräumen 50, 51 jeweils Fluidmessanschlüsse 38, 39 zugeordnet. Nachstehend soll die Funktionsweise der jeweiligen Einrichtungen, die mit den Fluidmessanschlüssen 38, 39 verbunden sind, näher erläutert werden.
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Der Fluidmessanschluss 38 ist fluidisch kommunizierend mit einem Fluidkanal 52 verbunden. Der Fluidkanal 52 verbindet den Arbeitsraum 50 mit einer endseitig an einer Stirnseite 53 des Arbeitsraums 50 ausgebildeten Ausnehmung 54. Ferner mündet der Fluidanschluss 32 unmittelbar in die Ausnehmung 54 ein. Darüber hinaus ist am Arbeitskolben 47 ein Vorsprung 55 ausgebildet, der hinsichtlich seines Querschnitts an die Ausnehmung 54 angepasst ist und vorzugsweise abdichtend in der Ausnehmung 54 aufgenommen werden kann. Dementsprechend findet bei einer Annäherung des Arbeitskolbens 47 die Stirnseite 53 ab dem Zeitpunkt eines Eintretens des Vorsprungs 55 in die Ausnehmung 54 eine fluidische Abtrennung eines ersten Fluidvolumens 56 von einem zweiten Fluidvolumen 57 statt. Zur Verdeutlichung dieser Situation ist der Arbeitskolben 47 gestrichelt dargestellt, das erste Fluidvolumen 56 ist mit einer ersten Schraffur und das zweite Fluidvolumen 57 ist mit einer zweiten Schraffur versehen. Ab dem Eintreten des Vorsprungs 55 in die Ausnehmung 54 ist eine weitere Annäherungsbewegung des Arbeitskolbens 47 an die Stirnseite 53 nur bei einer Komprimierung und/oder Verdrängung des im ersten Fluidvolumen 56 aufgenommenen Fluids möglich. Das Fluid kann lediglich aus dem ersten Fluidvolumen 56 über den vorzugsweise als Kanal mit kleinem Querschnitt, als Drosselkanal oder gemäß der Darstellung der 2 als Kanal mit Drosselbereich ausgeführten Fluidkanal 52 in das zweite Fluidvolumen 57 und von dort über den Fluidanschluss 32 abströmen. Durch die schlagartige Trennung der beiden Fluidvolumina 56, 57 wird im Fluidkanal 52 und somit auch am Fluidmessanschluss 38 ein Druckpuls hervorgerufen, der über die Fluidmessleitung 40 an den Sensoranschluss 42 übertragen wird und von der nachstehend noch näher beschriebenen Verarbeitungseinrichtung im Endgerät 10 detektiert werden kann.
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Ferner kann während des normalen Betriebs des Aktors, bei dem sich der Arbeitskolben 47 nicht in der Endposition nahe der Stirnseite 53 befindet, eine permanente Druckmessung über den Fluidmessanschluss 38, die Fluidmessleitung 40 und den Sensoranschluss 42 vorgenommen werden.
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Im zweiten Arbeitsraum 51 ist eine elastisch deformierbare Fluidkammer 58 angeordnet, die fluidisch kommunizierend mit dem Fluidmessanschluss 39 verbunden ist. Der Fluidmessanschluss 39 ist seinerseits über die Fluidmessleitung 41 mit dem Sensoranschluss 43 fluidisch kommunizierend verbunden.
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Exemplarisch ist die Fluidkammer 58 als im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Mittelachse 59 der Kolbenstange 20 ausgebildet und in der Art eines Faltenbalgs ausgebildet und wird bei Annäherung des Arbeitskolbens 47 an die Stirnseite 60 des Arbeitsraums 51 komprimiert. Exemplarisch ist vorgesehen, dass die Fluidkammer 58 eine Messöffnung 61 aufweist, die für eine fluidisch kommunizierende Verbindung mit dem Arbeitsraum 51 vorgesehen ist. Die Messöffnung 61 ist derart ausgebildet, dass sie bei Annäherung des Arbeitskolbens 47 abdichtend verschlossen werden kann. Dementsprechend kann während eines regulären Betriebs des Aktors 6, bei dem der Arbeitskolben 47 entfernt von der Fluidkammer 58 angeordnet ist, eine permanente Druckmessung am Fluidmessanschluss 39 vorgenommen werden. Nähert sich hingegen der Arbeitskolben 47 derartig an die Fluidkammer 58 an, dass die Messöffnung 61 abdichtend verschlossen wird, erfolgt bei einer weiteren Annäherung des Arbeitskolbens 47 an die Stirnseite 60 eine Komprimierung des in der Fluidkammer 58 aufgenommenen Fluidvolumens. Dadurch wird am Fluidmessanschluss 39 ein Druckpuls bereitgestellt, der über die Fluidmessleitung 41 an den Sensoranschluss 43 weitergegeben werden kann. An Hand der Ermittlung des Druckpulses kann auf das Erreichen der Endlage des Arbeitskolbens 47 geschlossen werden, darüber hinaus ist gegebenenfalls eine permanente Druckmessung im Arbeitsraum 51 vorgesehen, um eine Abschätzung der Position des Arbeitskolbens 47 längs des Bewegungswegs 48 zu ermöglichen.
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Der in der 3 dargestellte Aktor 66 unterscheidet sich vom Aktor 6 in erster Linie dadurch, dass es sich exemplarisch lediglich um einen einfachwirkenden Pneumatikzylinder handelt, der dementsprechend einen einzigen Fluidanschluss 67 umfasst. Der Fluidanschluss 67 kann über eine nicht dargestellte Fluidleitung mit einem der Endgeräte 10 oder 11 verbunden werden. Durch Bereitstellung eines Fluidzustroms an den Fluidanschluss 67 findet eine Druckbeaufschlagung eines im Aktorgehäuse 68 ausgebildeten und vom Arbeitskolben 69 größenvariabel begrenzten Arbeitsraums 70 statt. Hierdurch findet eine lineare Bewegung des Arbeitskolbens 69 längs des Bewegungswegs 71 statt, wobei sich der Arbeitskolben 69 an eine Stirnseite 72 des Aktorgehäuses 68 annähert. Bei dieser Annäherung wird vom Arbeitskolben 69 ein Fluidvolumen aus dem Aktorgehäuse 68 verdrängt, das durch eine Entlüftungsbohrung 73 entweichen kann. Ferner ist zum Detektieren des Erreichens eines Endbereichs des Bewegungswegs 71 benachbart zur Stirnseite 72 eine Fluidkammer 74 angeordnet, die im Wesentlichen die gleiche Aufbauweise wie die Fluidkammer 58 gemäß der 2 aufweist. Der einzige Unterschied zwischen der Fluidkammer 74 und der Fluidkammer 58 besteht darin, dass auf die Messöffnung 61 verzichtet wird, sodass bei der Annäherung des Arbeitskolbens 69 an die Stirnseite 72 ausschließlich ein Druckpuls über den Fluidmessanschluss 75 und eine nicht dargestellte Fluidmessleitung an eines der Endgeräte 10 oder 11 ausgegeben werden kann. Im Arbeitsraum 70 ist hingegen benachbart zu einer Stirnseite 76 eine Fluidkammer 58 vorgesehen, die identisch mit der Fluidkammer 58 gemäß 2 ausgeführt ist, sodass hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet wird.
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Abweichend vom Aktor 6 ist beim Aktor 66 eine Rückstellung des Arbeitskolbens 69 in eine Position benachbart zur Stirnseite 76 durch äußere Kräfte vorgesehen, die beispielsweise von einem nicht dargestellten Maschinenteil der Bearbeitungsmaschine 1 auf die Kolbenstange 77 einwirken können.
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In der 4 ist exemplarisch das Endgerät 10 näher dargestellt, das für eine vorteilhafte Ansteuerung eines der erfindungsgemäßen Aktoren 6, 66 vorgesehen ist. Das Endgerät 10 umfasst eine schematisch dargestellte Steuerelektronik 80, die auf einer ebenfalls nur schematisch dargestellten Leiterplatte 81 aufgebaut ist. Die Steuerelektronik 80 umfasst eine vorzugsweise als Mikrokontroller oder Mikroprozessor ausgebildete Verarbeitungseinrichtung 82, die über Schnittstellen 83, 84 in elektrisch kommunizierende Verbindung mit dem Feldgerät 4 und benachbart angeordneten Endgeräten gebracht werden kann. Über die Schnittstellen 83, 84 werden sowohl Bewegungsbefehle vom Feldgerät 4 an die Verarbeitungseinrichtung 82 bereitgestellt, als auch Positionsinformationen von der Verarbeitungseinrichtung 82 an das Feldgerät 4 und gegebenenfalls von dort aus an die Steuerungsvorrichtung 2 weitergeleitet. Die Verarbeitungseinrichtung 82 ist elektrisch mit einer Ventileinrichtung 85 verbunden, die ihrerseits mit fluidischen Schnittstellen 86, 87 verbunden ist. Über die fluidischen Schnittstellen 86, 87 kann ein druckbeaufschlagtes Fluid an die Ventileinrichtung 85 bereitgestellt werden. Ferner kann über die fluidischen Schnittstellen 86 und 87 eine Abfuhr von Fluid, das von einem an der Ventileinrichtung 85 angeschlossenen Aktor bereitgestellt wird, vorgenommen werden.
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Bei der Ventileinrichtung 85 handelt es sich exemplarisch um ein 3/2-Wegeventil, das mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Magnetantriebs zwischen seinen unterschiedlichen Schaltstellungen umgeschaltet werden kann, wobei die hierzu erforderlichen elektrischen Signale von der Verarbeitungseinrichtung 82 bereitgestellt werden.
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Ferner ist die Verarbeitungseinrichtung 82 elektrisch mit einem Drucksensor 88 verbunden, der für eine fluidische Kopplung mit einem der Fluidmessanschlüsse 38 oder 39 des Aktors 6 beziehungsweise mit einem der Fluidmessanschlüsse 39 oder 75 des Aktors 66 vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Drucksensor 88 sowohl zur Ermittlung eins Druckpulses bei Erreichen eines Endbereichs des jeweiligen Bewegungswegs 48, 71 des entsprechenden Arbeitskolbens 47, 69 vorgesehen. Darüber hinaus kann der Drucksensor 88 auch für eine permanente oder wiederkehrende Druckermittlung im jeweiligen Arbeitsraum 50, 51, 70 vorgesehen sein.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Aktoren 6, 66 ist für eine Steuerung oder gegebenenfalls gar eine Regelung der Position des jeweiligen Arbeitskolbens 47, 69 ausschließlich eine fluidische Kopplung zwischen den Endgeräten 10, 11 und den zugeordneten Aktoren 6, 66 erforderlich. Sämtliche elektronische Auswertungs- und Verarbeitungsvorgänge finden ausschließlich im jeweiligen Endgerät 10, 11 statt, das hierzu die vorstehend beschriebene Steuerelektronik 80 aufweist, die auch den räumlich vom jeweiligen Aktor 6, 66 getrennten Drucksensor 88 umfasst. Durch die Konzentration der elektronischen Messtechnik, insbesondere des Drucksensors 88 und der Verarbeitungseinrichtung 82 in der Steuerelektronik 80 werden Schwierigkeiten vermieden, wie sie bei der Anbringung von elektronischen Positionstransmittern unmittelbar am jeweiligen Aktor auftreten können. Diese Schwierigkeiten betreffen insbesondere die geringere Zuverlässigkeit und Belastbarkeit der elektrischen Kabelverbindung zwischen einem entsprechenden Positionstransmitter 16, 17 und dem Endgerät 9. Dementsprechend ist bei der erfindungsgemäßen Steuerelektronik eine einfachere Aufbauweise möglich, da über die Fluidmessleitungen 40, 41 keine unerwünschte Einkopplung von elektrischen oder elektromagnetischen Störfeldern in die Steuerelektronik 80 zu befürchten ist.
