DE102016106589B4 - Electrohydraulic control circuit with stepper motor and manipulator - Google Patents

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Abstract

Elektrohydraulischer Steuerkreis (1) zum Ansteuern eines hydraulisch betätigten Antriebsaggregates (2), mittels dessen ein Mastsegment eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, hinsichtlich seiner Orientierung verstellbar ist, mit einem elektrisch angesteuerten Proportionalventil (3), welches mit hydraulischen Arbeitsleitungen (4, 5) des Antriebsaggregates (2) zu dessen Ansteuerung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (3) mit einem Schrittmotor (6) ansteuerbar ist, wobei das Proportionalventil (3) ein Gehäuse aufweist, welches einen Ventilkolben, eine Rückstellfeder und den Schrittmotor (6) enthält, wobei die Ansteuerung des Ventilkolbens über eine Zahnstange erfolgt, wobei ein Getriebe das vom Schrittmotor generierte Drehmoment übersetzt und über die Zahnstange als Kraft auf den Ventilkolben überträgt.Electrohydraulic control circuit (1) for controlling a hydraulically actuated drive unit (2) by means of which a mast segment of a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, is adjustable with respect to its orientation, with an electrically controlled proportional valve (3), which with hydraulic working lines (4, 5) of the drive unit (2) is connected to the drive, characterized in that the proportional valve (3) with a stepping motor (6) is controllable, wherein the proportional valve (3) has a housing which a valve piston, a return spring and the stepping motor (6), wherein the control of the valve piston via a rack, wherein a transmission translates the torque generated by the stepper motor and transmits via the rack as force on the valve piston.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Steuerkreis zum Ansteuern eines hydraulisch betätigten Antriebsaggregates, mittels dessen ein Mastsegment eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulator für Autobetonpumpen, hinsichtlich seiner Orientierung verstellbar ist, mit einem elektrisch angesteuerten Proportionalventil, welches mit hydraulischen Arbeitsleitungen des Antriebsaggregates zu dessen Ansteuerung verbunden ist.The invention relates to an electro-hydraulic control circuit for controlling a hydraulically actuated drive unit, by means of which a pole segment of a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, is adjustable with respect to its orientation, with an electrically controlled proportional valve, which is connected to hydraulic working lines of the drive unit to its control.

Ein solcher elektrohydraulischer Steuerkreis ist z.B. aus der WO 2014/165888 A1 bekannt. Der hier offenbarte elektrohydraulische Steuerkreis, welcher vorzugsweise in Form eines Hydraulikblockes direkt an den oder in der Nähe der hydraulischen Antriebsaggregate anzubringen ist, hat insbesondere gegenüber klassisch aufgebauten hydraulischen Systemen zur Ansteuerung der hydraulischen Antriebsaggregate mit zentralem Maststeuerblock große dynamische Vorteile zur Umsetzung einer aktiven Schwingungsdämpfung und vereinfacht die Steuerung des Mastes aufgrund eines verbesserten Ansprechverhaltens der einzelnen Mastsegmente. Allerdings ist der hier vorgeschlagene Steuerkreis in Summe wesentlich schwerer und größer als die üblichen Senkbrems- und Druckbegrenzungsventile, welche ansonsten bei einem klassisch aufgebauten System mit zentralem Maststeuerblock an den hydraulischen Antrieben angebracht sind. Dies ist ein Nachteil dieses Ansatzes, da bei der Konstruktion von Manipulatoren, insbesondere Großmanipulatoren für Autobetonpumpen, die Reduzierung von Gewicht eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der Reichweite spielt. Aus diesem Grund ist für die Auswahl der einzelnen Komponenten des Steuerkreises deren Gewicht ein maßgebliches Kriterium. Die Ventile, welche zur proportionalen Steuerung der hydraulischen Antriebe verwendet werden, werden üblicherweise mit Proportionalmagneten verstellt. Dabei kann der Ventilschieber durch die von den Proportionalmagneten generierten Kräfte entweder direkt oder elektrohydraulisch vorgesteuert angetrieben werden. Nachteilig an diesen Ventilen ist jedoch, dass diese aufgrund der Proportionalmagnete verhältnismäßig schwer sind. Insbesondere typische am Markt erhältliche Ventile, welche für Volumenströme über 100 l/min ausgelegt sind, wie es bei Großmanipulatoren zum Teil erforderlich ist, weisen ein Gewicht von etwa 7-8 kg auf. Dies ist für die Umsetzung des vorgeschlagenen elektrohydraulischen Steuerkreises von erheblichem Nachteil.Such an electro-hydraulic control circuit is eg from the WO 2014/165888 A1 known. The disclosed herein electrohydraulic control circuit, which is preferably in the form of a hydraulic block directly to or near the hydraulic drive units has, in particular over classic hydraulic systems designed to control the hydraulic drive units with central mast control block large dynamic advantages to implement an active vibration damping and simplified the control of the mast due to an improved response of the individual mast segments. However, the control circuit proposed here is in sum much heavier and larger than the usual Senkbrems- and pressure relief valves, which are otherwise attached to a classic design system with central mast control block on the hydraulic drives. This is a disadvantage of this approach, since in the construction of manipulators, particularly large manipulators for truck-mounted concrete pumps, the reduction of weight plays a crucial role in increasing the range. For this reason, their weight is a decisive criterion for the selection of the individual components of the control circuit. The valves used for the proportional control of the hydraulic drives are usually adjusted with proportional solenoids. In this case, the valve spool can be driven by the forces generated by the proportional solenoid either directly or electro-hydraulically pilot-operated. A disadvantage of these valves, however, is that they are relatively heavy due to the proportional magnets. In particular, typical valves available on the market which are designed for flow rates in excess of 100 l / min, as required in part for large manipulators, have a weight of approximately 7-8 kg. This is for the implementation of the proposed electro-hydraulic control circuit of considerable disadvantage.

Die DE 103 40 505 B4 offenbart ein als elektrisch ansteuerbares Proportionalventil betreibbares Drehschieberventil, dessen rotatorisch antreibbarer Kolben drehfest mit dem Rotor eines als Aktuator digital ansteuerbaren Schrittmotors gekoppelt ist.The DE 103 40 505 B4 discloses a controllable as an electrically controllable proportional valve rotary valve whose rotationally driven piston rotatably coupled to the rotor of a digitally controllable actuator as a stepper motor is coupled.

Die DE 198 36 042 A1 offenbart eine Ventilanordnung zur Steuerung eines Hydraulikantriebs.The DE 198 36 042 A1 discloses a valve assembly for controlling a hydraulic drive.

Bei dem in der aus der WO 2014/165888 A1 offenbarten Hydraulikkonzept wird auf die übliche Verwendung von Druckwaagen zur Steuerung des Volumenstroms aufgrund von Gewichts- und Bauraumbetrachtungen sowie deren dynamischen Einflusses verzichtet, sodass der sich einstellende Volumenstrom und damit die Geschwindigkeit des Zylinderkolbens stark von den Druckverhältnissen abhängig sind. Zur Steuerung der Verfahrgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders werden alternativ die lokalen Drücke in den Zylinderkammern und der Versorgungsdruck gemessen, um damit jene Ventilstellung zu ermitteln und einzustellen, welche quasistatisch zu der vom Benutzer gewünschten Verfahrgeschwindigkeit führt. Aufgrund dieser Lösungsvariante treten jedoch erhöhte Strömungskräfte an den Ventilen auf, da hier große Volumenströme bei zum Teil großen Druckdifferenzen aufrechtzuerhalten sind. Dies ist ein weiterer Grund für das Erfordernis nach lagegeregelten Ventilen, welche die Strömungskräfte kompensieren können. Bei Ventilen, welche mit Proportionalmagneten angesteuert werden, können diese Effekte jedoch trotz Sensoren zur Lageüberwachung nur unvollständig kompensiert werden.In the in the from the WO 2014/165888 A1 disclosed hydraulic concept is dispensed with the usual use of pressure compensators for controlling the flow rate due to weight and space considerations and their dynamic influence, so that the adjusting volumetric flow and thus the speed of the cylinder piston are highly dependent on the pressure conditions. To control the travel speed of the hydraulic cylinder, alternatively, the local pressures in the cylinder chambers and the supply pressure are measured in order to determine and adjust that valve position, which leads quasi-statically to the traversing speed desired by the user. Due to this solution variant, however, increased flow forces occur at the valves, since large volume flows are to be maintained at sometimes large pressure differences. This is another reason for the requirement for position-controlled valves that can compensate for the flow forces. In the case of valves which are controlled by proportional solenoids, however, these effects can only be compensated incompletely, in spite of sensors for position monitoring.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektrohydraulischen Steuerkreis anzugeben bzw. einen Manipulator zu schaffen, der die beschriebenen Nachteile behebt, insbesondere ein geringes Gewicht und eine geringe Größe aufweist und erhöhte Strömungskräfte an den Ventilen kompensiert, und eine einfache Steuerung und ein hervorragendes Ansprechverhalten der Antriebe bzw. Mastsegmente ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide an electro-hydraulic control circuit or to provide a manipulator which overcomes the disadvantages described, in particular has a low weight and a small size and compensates for increased flow forces on the valves, and a simple control and excellent response of the Drives or mast segments allows.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen elektrohydraulischen Steuerkreis mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Manipulator gemäß Anspruch 9.This object is achieved by an electro-hydraulic control circuit with the features of claim 1 and by a manipulator according to claim 9.

Dadurch, dass das Proportionalventil mit einem Schrittmotor ansteuerbar ist, lässt sich ein elektrohydraulischer Steuerkreis realisieren, der ein hervorragendes Ansprechverhalten der Mastsegmente gewährleistet. Zudem sind mit einem Schrittmotor ansteuerbare Proportionalventile deutlich leichter und kleiner als ähnlich leistungsfähige Ventile mit Proportionalmagneten, was eine deutliche Gewichtseinsparung und eine Reduzierung des erforderlichen Bauraums ermöglicht.Because the proportional valve can be controlled by a stepper motor, an electrohydraulic control circuit can be realized which ensures excellent response of the mast segments. In addition, with a stepper motor controllable proportional valves are significantly lighter and smaller than similarly powerful valves with proportional solenoids, which allows a significant weight savings and a reduction in the required space.

Die Ausführung des Proportionalventils mit einem Schrittmotor ermöglicht zudem eine besonders präzise Steuerung des Ventilkolbens insbesondere im Falle hoher Volumenströme, welche unweigerlich mit hohen Strömungskräften verbunden sind. Sofern die Strömungskräfte nicht die maximal möglichen Haltekräfte des Schrittmotors überschreiten, wird eine angefahrene Position des Ventilkolbens bzw. ein angefahrener Schritt durch den Schrittmotor exakt gehalten.The execution of the proportional valve with a stepper motor also allows a particularly precise control of the valve piston, in particular in the case of high flow rates, which are inevitably associated with high flow forces. Unless the flow forces are the maximum exceed possible holding forces of the stepping motor, a struck position of the valve piston or an approached step is kept exactly by the stepper motor.

Dies bietet insbesondere große Vorteile, wenn bei der Steuerung der Verfahrgeschwindigkeit des hydraulischen Antriebsaggregates auf die Verwendung von Druckwaagen verzichtet wird und anstelle dessen anhand der Messung der Druckverhältnisse die Stellung des Ventilkolbens gesteuert wird.This offers particular great advantages, when dispensing with the use of pressure compensators in the control of the travel speed of the hydraulic drive unit and instead the position of the valve piston is controlled based on the measurement of the pressure conditions.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Advantageous embodiments and modifications of the invention will become apparent from the dependent claims.

Von besonderem Vorteil ist, dass der Schrittmotor einen nicht-selbsthemmenden Schrittmotorantrieb aufweist. Dadurch kann das Proportionalventil bzw. der Ventilkolben von Rückstellfedern in eine Neutral-/Sperrstellung geschoben werden, wenn der Schrittmotor stromlos ist oder nicht angesteuert wird oder ausgefallen ist.It is particularly advantageous that the stepper motor has a non-self-locking stepper motor drive. As a result, the proportional valve or the valve piston can be pushed by return springs in a neutral / locking position when the stepper motor is de-energized or is not driven or has failed.

Weiter vorteilhaft ist, dass über Drucksensoren eine Stellung des Proportionalventils ermittelt wird, die zu einer gewünschten Verfahrgeschwindigkeit des Antriebsaggregates führt. Durch die Messung der Drücke mit den Drucksensoren wird also jene Stellung des Proportionalventils ermittelt und entsprechend angesteuert, welche zu einem gewünschten Volumenstrom bzw. einer gewünschten Verfahrgeschwindigkeit des hydraulischen Antriebsaggregats führt.It is also advantageous that a position of the proportional valve is determined via pressure sensors, which leads to a desired travel speed of the drive unit. By measuring the pressures with the pressure sensors so that position of the proportional valve is determined and controlled accordingly, which leads to a desired flow or a desired travel speed of the hydraulic drive unit.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Proportionalventil ein Gehäuse aufweist, welches einen Ventilkolben, eine Rückstellfeder und den Schrittmotor enthält. Ein derartiges Proportionalventil ist einfach und störungsunanfällig aufgebaut, was insbesondere beim Einsatz in Manipulatoren von besonderem Vorteil ist. Insbesondere wenn das Proportionalventil direkt an dem zugeordneten, zu steuernden Antriebsaggregat angeordnet ist, wo es für Reparaturen unter Umständen schlecht erreichbar ist.According to the invention, it is provided that the proportional valve has a housing which contains a valve piston, a return spring and the stepping motor. Such a proportional valve is simple and trouble-prone, which is particularly advantageous when used in manipulators. In particular, when the proportional valve is located directly on the associated drive unit to be controlled, where it may be difficult to reach for repairs.

Erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die Ansteuerung des Ventilkolbens über eine Zahnstange, insbesondere über ein Getriebe mit Zahnrad und Zahnstange, erfolgt. Eine derartige Ansteuerung des Ventilkolbens ermöglicht eine besonders genaue Einhaltung der Position des Ventilkolbens im Proportionalventil. Aus diesem Grund kann die Ansteuerung des Antriebsaggregates besonders genau erfolgen, was zu einer deutlichen Verbesserung des Ansprechverhaltens von Mast bzw. Mastsegment führt.According to the invention it is provided that the control of the valve piston via a rack, in particular via a gear with gear and rack occurs. Such control of the valve piston allows a particularly accurate compliance with the position of the valve piston in the proportional valve. For this reason, the control of the drive unit can be particularly accurate, which leads to a significant improvement in the response of mast or mast segment.

Weiter vorteilhaft ist, dass der Schrittmotor eine Überwachungseinheit zur Überwachung der vom Schrittmotor durchgeführten Stellschritte aufweist. Eine solche Überwachungseinheit macht eine aufwändige sensorgestützte Überwachung der Ventilkolbenlage überflüssig, wie sie bei Ventilen mit Proportionalmagneten erforderlich ist.It is also advantageous that the stepper motor has a monitoring unit for monitoring the steps performed by the stepping motor. Such a monitoring unit makes a complex sensor-based monitoring of the valve piston position superfluous, as required for valves with proportional solenoids.

Von besonderem Vorteil ist, dass die Überwachungseinheit einen Speicher für die durchgeführten Stellschritte aufweist. Mit einem solchen Speicher gehen die Informationen über die vom Schrittmotor durchgeführten Stellschritte des Ventilkolbens im Proportionalventil nicht verloren.It is particularly advantageous that the monitoring unit has a memory for the executed steps. With such a memory, the information about the steps performed by the stepping motor of the valve piston in the proportional valve is not lost.

Eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht weiter vor, dass das Proportionalventil Volumenströme von bis zu 150 l/min regelt und ein Gesamtgewicht von 3 bis 4 kg aufweist. Ein solches Proportionalventil bietet einen großen Gewichtsvorteil gegenüber bekannten ähnlich leistungsfähigen Ventilen. Dieser Gewichtsvorteil wird dabei insbesondere durch den Verzicht auf einen Proportionalmagneten erreicht.An advantageous embodiment of the invention further provides that the proportional valve regulates flow rates of up to 150 l / min and has a total weight of 3 to 4 kg. Such a proportional valve offers a large weight advantage over known similarly powerful valves. This weight advantage is achieved in particular by not using a proportional magnet.

Weiter vorteilhaft ist, dass das Proportionalventil eine Gesamtlänge von höchstens 275 mm, vorzugsweise höchstens 265 mm, bei einer Gesamthöhe von höchstens 120 mm, vorzugsweise höchstens 110 mm, aufweist. Ein solches Proportionalventil bietet einen großen Vorteil hinsichtlich des notwendigen Bauraums gegenüber bekannten ähnlich leistungsfähigen Ventilen. Dieser Vorteil wird insbesondere durch den Verzicht auf einen Proportionalmagneten erreicht.It is further advantageous that the proportional valve has a total length of at most 275 mm, preferably at most 265 mm, with a total height of at most 120 mm, preferably at most 110 mm. Such a proportional valve offers a great advantage in terms of the necessary space compared to known similarly powerful valves. This advantage is achieved in particular by dispensing with a proportional magnet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schrittmotor eine Schrittweite für die Stellschritte zwischen 20 µm und 5 µm, vorzugsweise 10 µm aufweist. Ein solcher Abstand zwischen zwei Stellschritten des Schrittmotors führt zu einer entsprechenden Schrittweite des Ventilkolbens, sodass eine besonders präzise Ansteuerung der Antriebsaggregate gewährleistet werden kann.According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the stepping motor has a step size for the positioning steps between 20 microns and 5 microns, preferably 10 microns. Such a distance between two setting steps of the stepping motor leads to a corresponding step size of the valve piston, so that a particularly precise control of the drive units can be ensured.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Manipulator, insbesondere einen Großmanipulator für Autobetonpumpen, mit einem ausfaltbaren Knickmast, der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel und eine Mehrzahl von Mastsegmenten aufweist, wobei die Mastsegmente an Knickgelenken jeweils um Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment oder dem Drehschemel mittels je eines hydraulischen Antriebsaggregates begrenzt verschwenkbar sind, wobei ein elektrohydraulischer Steuerkreis gemäß der vorherigen und nachfolgenden Beschreibung zum Steuern wenigstens eines der Antriebsaggregate vorgesehen ist.The invention further relates to a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, with a folding articulated mast, which has a pivotable about a vertical axis turntable and a plurality of mast segments, wherein the mast segments at articulated joints each about buckling axes relative to an adjacent mast segment or the turntable by means of each a hydraulic drive unit are limited pivotally, wherein an electro-hydraulic control circuit according to the preceding and following description for controlling at least one of the drive units is provided.

Eine vorteilhafte Ausführungsform dieses Manipulators sieht vor, dass das Proportionalventil direkt am oder in unmittelbarer Nähe zum zugeordneten, zu steuernden Antriebsaggregat angeordnet ist. Aufgrund der besonders geringen Größe und des geringen Gewichts des erfindungsgemäßen Proportionalventils eignet sich dieses besonders für einen dezentralen hydraulischen Steuerkreis. So kann das Proportionalventil an dem zu steuernden Antriebsaggregat derart angeordnet sein, dass das Proportionalventil zusammen mit dem Antriebsaggregat am Mastsegment des Knickmastes seine Position gegenüber dem Drehschemel bzw. der Betonpumpe ändert und dabei zuverlässig schaltet.An advantageous embodiment of this manipulator provides that the proportional valve directly on or in the immediate vicinity of assigned to be controlled drive unit is arranged. Due to the particularly small size and low weight of the proportional valve according to the invention, this is particularly suitable for a decentralized hydraulic control circuit. Thus, the proportional valve can be arranged on the drive unit to be controlled such that the proportional valve changes its position relative to the turntable or the concrete pump together with the drive unit on the mast segment of the articulated mast and thereby reliably switches.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den folgenden Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

  • 1 einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Steuerkreises.
Further features, details and advantages of the invention will become apparent from the following description and from the drawing. An embodiment of the invention is shown purely schematically in the following drawings and will be described in more detail below. It shows:
  • 1 a circuit diagram of a control circuit according to the invention.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrohydraulischen Steuerkreises 1 zum Ansteuern eines hydraulisch betätigten Antriebsaggregates 2, mittels dessen ein nicht gezeigtes Mastsegment eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulator für Autobetonpumpen, hinsichtlich seiner Orientierung verstellbar ist, mit einem elektrisch angesteuerten Proportionalventil 3, welches mit den hydraulischen Arbeitsleitungen 4, 5 des Antriebsaggregates 2 zu dessen Ansteuerung verbunden ist. Das Proportionalventil 3 ist mit einem Schrittmotor 6 ansteuerbar, wobei das Proportionalventil 3 ein Gehäuse aufweist welches einen Ventilkolben, eine Rückstellfeder und den Schrittmotor 6 enthält. Die Ansteuerung des Ventilkolbens am Proportionalventil 3 erfolgt über eine Zahnstange mittels des Schrittmotors 6. An dem Schrittmotor 6 ist eine Überwachungseinheit zur Überwachung der von dem Schrittmotor 6 durchgeführten Stellschritte vorgesehen. Um nachvollziehen zu können, in welcher Stellung sich das Proportionalventil 3 befindet, ist zudem ein Speicher vorgesehen für die Speicherung der durchgeführten Stellschritte des Schrittmotors 6. Die Ansteuerung mittels Schrittmotor 6 ermöglicht eine präzise Einstellung des Proportionalventils 3 unabhängig von den auftretenden Strömungskräften, was eine besonders genaue Steuerung des Antriebsaggregates 2 ermöglicht.The 1 shows a schematic representation of an electro-hydraulic control circuit 1 for driving a hydraulically actuated drive unit 2 , By means of which a not shown mast segment of a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, with respect to its orientation is adjustable, with an electrically controlled proportional valve 3 , which with the hydraulic working lines 4 . 5 of the drive unit 2 is connected to its control. The proportional valve 3 is with a stepper motor 6 controllable, wherein the proportional valve 3 a housing having a valve piston, a return spring and the stepping motor 6 contains. The activation of the valve piston on the proportional valve 3 via a rack by means of the stepper motor 6 , At the stepper motor 6 is a monitoring unit for monitoring that of the stepper motor 6 provided Stellschritte provided. In order to understand in which position the proportional valve 3 In addition, a memory is provided for the storage of the steps performed by the stepping motor 6 , The control by stepper motor 6 allows precise adjustment of the proportional valve 3 regardless of the occurring flow forces, which is a particularly accurate control of the drive unit 2 allows.

Da das durch den Schrittmotor 6 generierte Drehmoment über ein internes Getriebe mit einer Zahnstange als Kraft auf den Ventilkolben übersetzt wird, kann dieser vorteilhafter Weise wesentlich leichter als ein Proportionalmagnet bei gleicher Leistung ausgestaltet sein. Diese Eigenschaft ermöglicht die Konstruktion eines Proportionalventils 3, welches für Volumenströme bis zu 150 l/min ausgelegt ist und dabei lediglich ein Gesamtgewicht von 3-4 kg aufweist. Weiter vorteilhaft ist, dass das Proportionalventil 3 durch den Entfall der Proportionalmagneten sowie des Sensors zur Lageüberwachung wesentlich kompakter gebaut werden kann. Dies ermöglicht die Konstruktion eines Proportionalventils 3 mit den genannten Leistungsdaten mit einer Gesamtlänge von unter 275 mm bei einer Gesamthöhe von unter 120 mm.Because of the stepper motor 6 generated torque is translated via an internal gear with a rack as force on the valve piston, this can advantageously be designed much easier than a proportional solenoid with the same power. This feature allows the construction of a proportional valve 3 , which is designed for flow rates up to 150 l / min and only has a total weight of 3-4 kg. Another advantage is that the proportional valve 3 can be built much more compact by the elimination of the proportional magnet and the sensor for position monitoring. This allows the construction of a proportional valve 3 with the aforesaid performance data of a total length of less than 275 mm and a total height of less than 120 mm.

Über das elektrisch angesteuerte Proportionalventil 3 kann das Antriebsaggregat 2, insbesondere der Hydraulikzylinder, verfahren werden, indem das Proportionalventil 3 die dem Antriebsaggregat 2 zugeordneten Arbeitsleitungen 4, 5 mit einer Druckdifferenz beaufschlagt. Hierfür werden die Arbeitsleitungen 4, 5 wahlweise jeweils mit einer ersten Druckversorgung (P1) 14 oder einem ersten Rücklauf (T1) 15 durch das Proportionalventil 3 verbunden.Via the electrically controlled proportional valve 3 can the drive unit 2 , in particular the hydraulic cylinders, are moved by the proportional valve 3 the the drive unit 2 assigned working lines 4 . 5 subjected to a pressure difference. For this purpose, the working lines 4 . 5 optionally each with a first pressure supply ( P1 ) 14 or a first return ( T1 ) 15 through the proportional valve 3 connected.

Die Ansteuerung des Proportionalventils 3 erfolgt über den zugeordneten Schrittmotor 6 durch eine elektronische Steuereinrichtung ECU (electronic control unit). Die elektronische Steuereinrichtung ECU überwacht den Zustand des Systems, ermöglicht die Implementierung komplexer Algorithmen, bietet eine Schnittstelle zur Kommunikation nach außen über ein Bussystem (beispielsweise CAN) sowie die Möglichkeit, eine Vielzahl von Sensoren mit dieser zu verbinden. Abhängig von der Stellung des Proportionalventils 3 wird ein der Druckversorgung P1 (14) zugeordneter Versorgungsdruck auf eine Arbeitsleitung 4 oder 5 des zugeordneten Antriebsaggregates 2 gegeben. Die Sperrventile 8, 8a erfüllen eine Lasthaltefunktion, wenn sich der Steuerkreis 1 in einem inaktiven Zustand oder sicheren Zustand befindet. Das Sperrventil 13 hat ebenfalls eine Sicherheitsfunktion, insbesondere verhindert es ein Aufdrücken der Sperrventile 8, 8a im Falle eines klemmenden Ventilkolbens im Proportionalventil 3 außerhalb der Mittellage. Mit den Sensoren 7, 7a, 7b werden der Versorgungsdruck der Zuleitung P1, durch Sensor 7 im aktiven Zustand des Steuerkreises 1 und die Drücke in den Arbeitsleitungen 4, 5, durch Sensoren 7a,7b, zu dem hydraulischen Antriebsaggregat 2 gemessen. Diese Messungen werden von der Steuereinrichtung ECU zur Ermittlung jener Sollstellung des Ventils 3 herangezogen, welche quasistatisch zu einem gewünschten Volumenstrom bzw. einer gewünschten Verfahrgeschwindigkeit des hydraulischen Antriebsaggregats 2 führt. Der Schrittmotor 6 hat hier gegenüber einem Ventil mit Proportionalmagneten den Vorteil, dass die Sollstellung des Ventils besonders genau und weitestgehend unempfindlich gegenüber auftretenden Strömungskräften eingestellt werden kann. Damit wird eine genaue und proportionale Steuerung der Verfahrgeschwindigkeit des hydraulischen Antriebsaggregats 2 ohne das Erfordernis einer gesonderten Druckwaage ermöglicht. Der elektrohydraulische Steuerkreis 1 umfasst in der dargestellten Ausführung außerdem einen optionalen, dem Proportionalventil 3 parallel geschalteten hydraulischen Notkreis für den Notbetrieb. Dieser Notkreis ermöglicht ein Verfahren des Antriebsaggregates 2 bei Ausfall der dem Proportionalventil 3 zugeordneten (vor- bzw. nachgeschalteten) Bauteile. Jedem Proportionalventil 3 zur Steuerung eines Antriebsaggregates 2 ist vorzugsweise ein eigener Notkreis zugeordnet. Der Notkreis umfasst ein Steuerventil 11 zur Steuerung der Verfahrrichtung des Antriebsaggregates 2 im Notbetrieb sowie zwei gegenseitig verkoppelte Ventile 10, 10a, welche als hydraulische entsperrbare Rückschlagventile oder Senkbremsventile 10, 10a in klassischer Verschaltung ausgeführt sind. Mit den nachgeschalteten einstellbaren Drosseln 9, 9a kann die Verfahrgeschwindigkeit im Notbetrieb begrenzt werden. Das Antriebsaggregat 2, insbesondere der Hydraulikzylinder, kann so im Notbetrieb verfahren werden, indem das Steuerventil 11 für den Notbetrieb die dem Antriebsaggregat 2 zugeordneten Arbeitsleitungen 4, 5 mit einer Druckdifferenz beaufschlagt. Hierfür werden die Arbeitsleitungen 4, 5 wahlweise jeweils mit einer zweiten Druckversorgung (P2) 16 oder einem zweiten Rücklauf (T2) 17 von dem Steuerventil 11 verbunden. Im Notbetrieb erfolgt die Druckversorgung des Antriebsaggregates 2 vorzugsweise über die separate Druckversorgung (P2) 16 und den separaten Rücklauf (T2) 17, so dass bei einer Undichtigkeit der Druckversorgung (P1) 14 oder des Rücklaufs (T1) 15 weiterhin eine Steuerung des Antriebsaggregates 2 möglich ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei Ausfall der regulären Maststeuerung samt Proportionalventil 3 der Mast noch verfahren werden kann, um beispielsweise den Mast einzufahren und gegebenenfalls den Restbeton aus der Betonpumpe und den Förderrohren herauszupumpen. Die elektronische Steuereinrichtung ECU überwacht hierzu den Zustand und das Verhalten des Steuerkreises 1 mittels der zur Verfügung stehenden Sensoren. Sobald die elektronische Steuereinrichtung ECU einen Fehler erkennt, schaltet sie den Steuerkreis 1 automatisch in einen sicheren Zustand. Die Ansteuerung der elektronischen Steuereinrichtung kann über ein BUS-System erfolgen, welches Steuerbefehle und Sollwerte überträgt, die vorzugsweise über eine Benutzerschnittstelle von einem Benutzer vorgegeben werden können.The control of the proportional valve 3 via the assigned stepper motor 6 by an electronic control device ECU (electronic control unit). The electronic control device ECU monitors the state of the system, enables the implementation of complex algorithms, provides an interface for communication to the outside via a bus system (for example CAN) and the possibility of connecting a large number of sensors to it. Depending on the position of the proportional valve 3 becomes one of the pressure supply P1 (14) associated supply pressure on a working line 4 or 5 the associated drive unit 2 given. The check valves 8th . 8a perform a load holding function when the control circuit 1 is in an inactive state or safe state. The check valve 13 also has a safety function, in particular it prevents a pressing of the check valves 8th . 8a in the case of a clamping valve piston in the proportional valve 3 outside the middle layer. With the sensors 7 . 7a . 7b are the supply pressure of the supply line P1 , by sensor 7 in the active state of the control circuit 1 and the pressures in the working pipes 4 . 5 , by sensors 7a , 7b, to the hydraulic drive unit 2 measured. These measurements are taken by the controller ECU to determine that nominal position of the valve 3 used, which quasi-statically to a desired volume flow or a desired travel speed of the hydraulic drive unit 2 leads. The stepper motor 6 Here compared to a valve with proportional solenoids has the advantage that the desired position of the valve can be adjusted particularly accurately and largely insensitive to occurring flow forces. This is an accurate and proportional control of the travel speed of the hydraulic drive unit 2 without the requirement of a separate pressure compensator. The electrohydraulic control circuit 1 In the illustrated embodiment, it also includes an optional proportional valve 3 Parallel hydraulic emergency circuit for emergency operation. This emergency circuit allows a process of the drive unit 2 in case of failure of the proportional valve 3 assigned (upstream or downstream) components. Each proportional valve 3 for controlling a drive unit 2 Preferably, a separate emergency circuit is assigned. The emergency circuit comprises a control valve 11 for controlling the direction of travel of the drive unit 2 in emergency mode and two mutually coupled valves 10 . 10a , which as hydraulic release check valves or lowering brake valves 10 . 10a are executed in classic interconnection. With the downstream adjustable chokes 9 . 9a the travel speed can be limited in emergency mode. The drive unit 2 , in particular the hydraulic cylinder, can thus be moved in emergency operation by the control valve 11 for emergency operation that the drive unit 2 assigned working lines 4 . 5 subjected to a pressure difference. For this purpose, the working lines 4 . 5 optionally each with a second pressure supply ( P2 ) 16 or a second return ( T2 ) 17 from the control valve 11 connected. In emergency operation, the pressure supply of the drive unit takes place 2 preferably via the separate pressure supply ( P2 ) 16 and the separate return ( T2 ) 17 such that in the event of a leak in the pressure supply ( P1 ) 14 or the return ( T1 ) 15 furthermore a control of the drive unit 2 is possible. This can ensure that in case of failure of the regular mast control including proportional valve 3 the mast can still be moved to retract, for example, the mast and possibly pump out the residual concrete from the concrete pump and the delivery pipes. The electronic control device ECU monitors the condition and behavior of the control circuit 1 by means of the available sensors. Once the electronic control device ECU detects an error, it switches the control circuit 1 automatically in a safe state. The control of the electronic control device can take place via a BUS system, which transmits control commands and setpoints, which can preferably be predetermined by a user via a user interface.

Des Weiteren ist es sinnvoll, für die Proportionalventile 3 mit Schrittmotoren 6 unterschiedliche Leistungsklassen hinsichtlich der zu fördernden Volumenströme vorzusehen, da sich deren Bedarf bezüglich der am Mast befindlichen hydraulischen Antriebe 2 stark unterscheiden kann. Insbesondere werden für hydraulische Antriebe 2 in Form von Zylindern zur Ansteuerung von Gelenken des Mastes, welche bei ausgestrecktem Mast weit vom Drehschemel entfernt sind, wesentlich kleinere Zylinder im Vergleich zu jenen Gelenken, welche sich nahe am Drehschemel befinden, eingesetzt, da die zu erbringenden Kräfte wesentlich geringer sind. Durch den Einsatz von Proportionalventilen 3 mit an die eingesetzten hydraulischen Antriebe 2 abgestuften Leistungsklassen können noch zusätzliche Einsparungen hinsichtlich des Gewichts und des Bauraums erzielt werden, was für die Auslegung und Konstruktion des Mastes wesentlich von Vorteil sein kann.Furthermore, it makes sense for the proportional valves 3 with stepper motors 6 provide different performance classes in terms of volume flows to be funded, as is their need for the hydraulic drives located on the mast 2 can differ greatly. In particular, for hydraulic drives 2 in the form of cylinders for controlling joints of the mast, which are far away from the turntable with extended mast, much smaller cylinder compared to those joints, which are close to the turntable used, since the forces to be supplied are much lower. Through the use of proportional valves 3 with to the hydraulic drives used 2 graded performance classes additional savings in terms of weight and space can be achieved, which can be significantly beneficial for the design and construction of the mast.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Steuerkreiscontrol circuit
22
Antriebsaggregatpower unit
33
Proportionalventilproportional valve
44
Arbeitsleitung A working line A
55
Arbeitsleitung B working line B
66
Schrittmotorstepper motor
7 7a, 7b7, 7a, 7b
Drucksensorenpressure sensors
8 8a8 8a
Lasthalte-/SperrventileLoad Holding / check valves
9 9a9 9a
einstellbare Drosselnadjustable throttles
10 10a10 10a
Senkbrems-(Rückschlag-)ventileSenkbrems- (non-return) valves
1111
Steuerventil (Notbetrieb)Control valve (emergency operation)
1212
Freigabeventilrelease valve
1313
Sperrventilcheck valve
1414
Versorgung (Normalbetrieb)Supply (normal operation)
1515
Rücklauf (Normalbetrieb)Rewind (normal operation)
1616
Versorgung (Notbetrieb)Supply (emergency operation)
1717
Rücklauf (Notbetrieb)Return (emergency operation)
ECUECU
Steuereinrichtungcontrol device

Claims (10)

Elektrohydraulischer Steuerkreis (1) zum Ansteuern eines hydraulisch betätigten Antriebsaggregates (2), mittels dessen ein Mastsegment eines Manipulators, insbesondere eines Großmanipulators für Autobetonpumpen, hinsichtlich seiner Orientierung verstellbar ist, mit einem elektrisch angesteuerten Proportionalventil (3), welches mit hydraulischen Arbeitsleitungen (4, 5) des Antriebsaggregates (2) zu dessen Ansteuerung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (3) mit einem Schrittmotor (6) ansteuerbar ist, wobei das Proportionalventil (3) ein Gehäuse aufweist, welches einen Ventilkolben, eine Rückstellfeder und den Schrittmotor (6) enthält, wobei die Ansteuerung des Ventilkolbens über eine Zahnstange erfolgt, wobei ein Getriebe das vom Schrittmotor generierte Drehmoment übersetzt und über die Zahnstange als Kraft auf den Ventilkolben überträgt.Electrohydraulic control circuit (1) for controlling a hydraulically actuated drive unit (2) by means of which a mast segment of a manipulator, in particular a large manipulator for truck-mounted concrete pumps, is adjustable with respect to its orientation, with an electrically controlled proportional valve (3), which with hydraulic working lines (4, 5) of the drive unit (2) is connected to the drive, characterized in that the proportional valve (3) with a stepping motor (6) is controllable, wherein the proportional valve (3) has a housing which a valve piston, a return spring and the stepping motor (6), wherein the control of the valve piston via a rack, wherein a transmission translates the torque generated by the stepper motor and transmits via the rack as a force on the valve piston. Steuerkreis (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (6) einen nicht-selbsthemmenden Schrittmotorantrieb aufweist.Control circuit (1) to Claim 1 , characterized in that the stepping motor (6) comprises a non-self-locking stepping motor drive. Steuerkreis (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über Drucksensoren (7, 7a, 7b) eine Stellung des Proportionalventils (3) ermittelt wird, die zu einer gewünschten Verfahrgeschwindigkeit des Antriebsaggregates (2) führt. Control circuit (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that via pressure sensors (7, 7a, 7b) a position of the proportional valve (3) is determined, which leads to a desired travel speed of the drive unit (2). Steuerkreis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (6) eine Überwachungseinheit zur Überwachung der vom Schrittmotor (6) durchgeführten Stellschritte aufweist.Control circuit (1) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the stepping motor (6) has a monitoring unit for monitoring the steps performed by the stepping motor (6). Steuerkreis (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit einen Speicher für die durchgeführten Stellschritte aufweist.Control circuit (1) to Claim 4 , characterized in that the monitoring unit has a memory for the performed adjusting steps. Steuerkreis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (3) Volumenströme von bis zu 150 Litern pro Minute regelt und ein Gesamtgewicht von 3 bis 4 kg aufweist.Control circuit (1) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the proportional valve (3) regulates flow rates of up to 150 liters per minute and has a total weight of 3 to 4 kg. Steuerkreis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (3) eine Gesamtläge von höchstens 275 mm, vorzugsweise höchstens 265 mm, bei einer Gesamthöhe von höchstens 120 mm, vorzugsweise höchstens 110 mm, aufweist.Control circuit (1) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the proportional valve (3) has a Gesamtläge of at most 275 mm, preferably at most 265 mm, with a total height of at most 120 mm, preferably at most 110 mm. Steuerkreis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (6) eine Schrittweite für die Stellschritte zwischen 20 µm und 5 µm, vorzugsweise 10 µm aufweist.Control circuit (1) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the stepping motor (6) has a step size for the adjusting steps between 20 microns and 5 microns, preferably 10 microns. Manipulator, insbesondere Großmanipulator für Autobetonpumpen, mit einem ausfaltbaren Knickmast, der einen um eine Hochachse drehbaren Drehschemel und eine Mehrzahl von Mastsegmenten aufweist, wobei die Mastsegmente an Knickgelenken jeweils um Knickachsen gegenüber einem benachbarten Mastsegment oder dem Drehschemel mittels je eines Antriebsaggregates (2) begrenzt verschwenkbar sind, gekennzeichnet durch einen elektrohydraulischen Steuerkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern wenigstens eines der Antriebsaggregate (2).Manipulator, in particular large manipulator for truck-mounted concrete pumps, with a folding articulated mast, which has a pivotable about a vertical axis turntable and a plurality of mast segments, wherein the mast segments at articulated joints each about buckling axes relative to an adjacent mast segment or the turntable by means of a respective drive unit (2) pivoted limited characterized by an electro-hydraulic control circuit (1) according to one of the preceding claims for controlling at least one of the drive units (2). Manipulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (3) direkt am oder in unmittelbarer Nähe zum zugeordneten, zu steuernden Antriebsaggregat (2) angeordnet ist. Manipulator after Claim 9 , characterized in that the proportional valve (3) is arranged directly on or in the immediate vicinity of the associated, to be controlled drive unit (2).
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