DE10205812A1

DE10205812A1 - Pneumatische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE10205812A1
Application number: DE2002105812
Authority: DE
Inventors: Walter Stumpf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Es wird eine pneumatische Stellvorrichtung (1) mit mindestens einer Kolben-Gehäuse-Einheit (14), die einen in einem Gehäuse (2) in axialer Richtung verschieblich dichtend geführten Kolben (3) aufweist, beschrieben. Die Stellvorrichtung (1) ist mit einer Einrichtung (11) zum Ermitteln der Kolbenstellung in dem Gehäuse (2) ausgebildet. Der Kolben (3) begrenzt mit dem Gehäuse (2) zwei Kolbenräume (6, 7), deren Volumina in Abhängigkeit von der Kolbenstellung variieren. Die Kolbenstellung ist in Abhängigkeit der während einer Kolbenbewegung aus wenigstens einem der beiden Kolbenräume zu- bzw. abgeführten Steuerluftmasse bestimmbar (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer pneumatischen Stellvorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.

Aus der DE 198 27 883 A1 ist eine Druckluftanlage mit mehreren Zylindern bekannt. Die Zylinder sind als sogenannte einfache oder doppelwirkende Zylinder ausgebildet, bei deren ein Kolben in zwei einander entgegengesetzte Richtungen jeweils bis in eine Endstellung verfahrbar ist. Zur Überprüfung, ob der Kolben in dem Zylinder eine seiner beiden Endstellungen erreicht hat, ist in jedem der beiden Zylinderräume bzw. Kolbenräume ein Sensor vorgesehen, die bei Erreichen der jeweiligen Endstellung des Kolbens ein Signal generieren.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß eine derartige Einrichtung zum Ermitteln der Kolbenstellung in einem Zylinder bzw. Gehäuse nur bei ausreichendem Bauraum oder bei translatorischen Bewegungen einer pneumatischen Stellvorrichtung eingesetzt werden kann.

Ist ein Einsatz der Sensoren bei zu engen Bauräumen oder bei Drehbewegungen einer pneumatischen Stellvorrichtung nicht möglich, wird bei bekannten Systemen davon ausgegangen, daß eine angestrebte Endlage nach einer vorgegebenen Zeit und einer zusätzlichen Zeitreserve erreicht ist. Diese Vorgehensweise führt jedoch zu einem nicht kontrollierbaren Crash-Potential, da eine genaue Feststellung, ob die angestrebte Endlage eines Kolbens erreicht ist, nicht exakt durchführbar ist. Zusätzlich wird aus Sicherheitsgründen eine Taktzeitverlängerung vorgesehen, was jedoch unerwünscht ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße pneumatische Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß eine Kolbenstellung in Abhängigkeit der während einer Kolbenbewegung wenigstens einem der beiden Kolbenräume zu- bzw. abgeführten Steuerluftmasse bestimmbar ist. Durch die Überwachung der strömenden Steuerluftmasse ist das Erreichen einer Endstellung eines Kolbens exakt bestimmbar. Dies schließt insbesondere ein kraftschlüssiges Einrasten eines Kolbens in seiner Endstellung mit ein.

Die exakte Bestimmung der Kolbenstellung der einem Kolbenraum zu- bzw. der aus einem Kolbenraum abgeführten Steuerluftmasse führt vorteilhafterweise zu kürzeren Ansprechzeiten der pneumatischen Stellvorrichtung, da im Gegensatz zu den aus der Praxis bekannten Stellvorrichtungen, bei denen eine Kolbenendstellung in Abhängigkeit einer vorgegebenen Zeit angenommen wird, eine sicherheitsrelevante Taktzeitverlängerung nicht erforderlich ist.

Das Erreichen einer Endstellung eines Kolbens einer pneumatischen Stellvorrichtung ist durch eine bestimmte geförderte Luftmasse in einem bestimmten Zeitraum und einem entsprechenden Systemdruck genau charakterisiert. Die in der Praxis angewandte Vorgehensweise zur Bestimmung der Kolbenstellung, bei der das Erreichen der Endstellung eines Kolbens nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraumes und einer zusätzlichen Zeitreserve ohne genaue Kenntnis der tatsächlichen Position des Kolbens vorausgesetzt wird, wird mit einer pneumatischen Stellvorrichtung nach der Erfindung durch eine genau ermittelbare Kolbenstellung über die Ermittlung der Steuerluftmasse und dem bereits bekannten Systemdruck ersetzt.

Damit besteht die Möglichkeit, einen eventuell klemmenden Kolben, der nicht in der gewünschten Art und Weise bewegt worden ist, zu erkennen und einen von der Kolbenbewegung abhängigen Prozeß oder Arbeitsschritt rechtzeitig vor Eintritt eines schädigenden Ereignisses an eine Anlage oder einem hochwertigen Produkt zu stoppen.

Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen pneumatischen Stellvorrichtung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht gezeigt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer pneumatischen Stellvorrichtung, wobei ein Kolben in einer ersten Endstellung angeordnet ist; und

Fig. 2 die pneumatische Stellvorrichtung gemäß Fig. 1, wobei der Kolben in seiner zweiten Endlage dargestellt ist.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer pneumatischen Stellvorrichtung 1, die eine Kolben-Gehäuse-Einheit 14 mit einem in einem Gehäuse 2 in axialer Richtung verschieblich dichtend geführten Kolben 3 aufweist. Die Bewegungsrichtung des Kolbens 3 und einer damit fest verbundenen Kolbenstange 4 ist durch einen Doppelpfeil 5 näher angegeben.
Der Kolben 3 begrenzt mit dem Gehäuse zwei Kolbenräume 6, 7, deren Volumina in Abhängigkeit der Stellung des Kolbens 3 variieren. Die beiden Kolbenräume 6 und 7 sind jeweils über eine Leitung 8 bzw. 9 mit einem nicht näher dargestellten Drucksystem verbunden, wobei zwischen dem. Drucksystem und den beiden Kolbenräumen 6 und 7 ein 3/2-Wege- Ventil 10 angeordnet ist, welches elektromagnetisch betätigt ist.
Des weiteren ist zwischen dem Drucksystem und dem 3/2-Wege- Ventil 10 eine Einrichtung 11 zum Ermitteln der Kolbenstellung im Gehäuse 2 vorgesehen, welche ein Meßelement 12 und eine Auswerteeinrichtung 13 zur Verarbeitung der von dem Meßelement 12 ermittelten zugeführten Steuerluftmasse von dem Drucksystem zu einem der beiden Kolbenräume 6, 7 aufweist.
Das 3/2-Wege-Ventil 10 ist in der in der Fig. 1 dargestellten Stellung derart geschaltet, daß dem Kolbenraum 6 Steuerluft bzw. Druckluft von dem Drucksystem zugeführt wird und die in dem Kolbenraum 7 enthaltene Steuerluft an die Umgebung abgeführt wird.
In Fig. 2 ist die pneumatische Stellvorrichtung 1 gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei das Steuerorgan bzw. das 3/2- Wege-Ventil 10 derart geschaltet ist, daß von dem Drucksystem Steuerluft in den Kolbenraum 7 geführt wird und die Steuerluft des Kolbenraumes 6 an die Umgebung der pneumatischen Stellvorrichtung 1 abgeführt wird.
Die von dem Drucksystem den Kolbenräumen 6, 7 zugeführte Steuerluftmasse wird von dem Meßelement 12 bei konstantem Druck und bei konstanter Temperatur bestimmt, wobei die Signale des Meßelementes 12 in der Auswerteeinrichtung 13verarbeitet werden. Anhand der elektrischen Signale des Meßelementes 12 wird in der Auswerteeinrichtung 13, die mit einem Mikroprozessor versehen ist und das Drucksystem ansteuert, eine Kolbenstellung bestimmt.
Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die zugeführte Steuerluftmasse auch bei variablem Druck sowie sich verändernder Temperatur weiter zu bestimmen, wobei hierzu eine entsprechende Steuer- und Regeleinrichtung vorzusehen ist, über die die variablen Prozeßbedingungen bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Das Meßelement 12 ist vorliegend als ein Platin-Dünnschicht-Temperatursensor ausgebildet, der bei 0°C einen Widerstand von 100 Ohm aufweist. Die Auswahl des für den jeweilig vorliegenden Anwendungsfall geeigneten Platin- Dünnschicht-Temperatursensors liegt selbstverständlich im Ermessen des Fachmannes, da eine entsprechende Empfindlichkeit des Dünnschichtsensors abhängig von den Abmessungen der pneumatischen Stellvorrichtung 1 ist. Größere Stellvorrichtungen benötigen in der Regel erheblich größere Steuerluftmassen zur Bewegung des Kolbens 3, als dies bei kleineren Gehäusedimensionen der Fall ist.
Abweichend hiervon kann es vorgesehen sein, daß das Meßelement als ein Dickschichtsensor oder ein anderes geeignetes Meßelement ausgebildet ist. Ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl eines geeigneten Meßelementes ist, daß mit dem Meßelement der Beginn und das Ende der pneumatisch gesteuerten Bewegung des Kolbens 3 in dem Gehäuse 2 auf einfache Art und Weise und möglichst verzögerungsfrei feststellbar ist. Anhand der bekannten Geometrie der pneumatischen Stellvorrichtung, der zugeführten Steuerluftmasse und dem Systemdruck ist der Stellweg des Kolbens 3 in dem Gehäuse 2 bestimmbar.
Eine weitgehend verzögerungsfreie Erfassung der zugeführten Steuerluftmasse ist mit dem an sich bekannten Platin-Dünnschicht-Temperatursensor (Pt100) möglich, der in anderen Bereichen zur Temperaturmessung eingesetzt wird. Mit derartigen Meßelementen aus der Halbleitertechnologie, die eine geringe Masse aufweisen, sind Ansprechzeiten bei der Bestimmung der zugeführten Steuerluftmassen erreichbar, welche vorteilhafterweise unter 0,1 Sekunden liegen.
Das Meßelement 12 wird über eine nicht näher dargestellte Heizeinrichtung beheizt, so daß sich im Ruhezustand der pneumatischen Stelleinrichtung, d. h., wenn der pneumatischen Stellvorrichtung 1 keine Steuerluft zugeführt wird, an dem Meßelement 12 ein thermischer Gleichgewichtszustand einstellt, der bei der Zuführung von Steuerluft in einen der beiden Kolbenräume 6 bzw. 7 gestört wird. Die geförderte Steuerluftmasse stellt hierbei ein Maß für den thermischen Energietransport dar.
Damit besonders kurze Ansprechzeiten der Einrichtung 11 erreicht werden, wird das Meßelement 12 mit einer möglichst geringen Masse ausgeführt. Dies resultiert daraus, daß im allgemeinen Meßelemente mit größeren Massen eine höhere Trägheit bzw. eine geringere Meßempfindlichkeit aufweisen als Meßelemente mit kleiner Masse, da die Masse des Meßelementes aufgeheizt oder abgekühlt werden muß und eine Temperaturänderung bei geringen Massen erheblich schneller abläuft.
Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, daß die von der pneumatischen Stellvorrichtung 1 während einer Kolbenbewegung aus einem der Kolbenräume 6 oder 7 abgeführte Steuerluft bestimmt wird, während die dem anderen Kolbenraum 7 oder 6 zugeführte Steuerluftmasse ermittelt wird. Die aktuelle Kolbenstellung wird dann anhand der abgeführten und zugeführten Steuerluftmasse bestimmt. Hierzu wird ein weiteres Meßelement in einer Auslaßleitung, welche mit den beiden Kolbenräumen 6, 7 verbunden ist, stromab des dann als 4/2-Wege-Ventil ausgebildeten Steuerorgan 10 angeordnet.
Bei dieser nicht näher dargestellten Ausführungsform der pneumatischen Stellvorrichtung wird im Zuführbereich und auch im Abführbereich der pneumatischen Stellvorrichtung jeweils eines der vorbeschriebenen Meßelemente angeordnet, mittels welchem die zugeführten und auch die abgeführten Steuerluftmassen bestimmt werden. Anhand der ermittelten Volumenströme wird die aktuelle Kolbenposition bestimmt, wobei vorteilhafterweise ein Abgleich zwischen zugeführten und abgeführten Steuerluftmassen erfolgen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen pneumatischen Stellvorrichtung ist es vorgesehen, mehrere Kolben-Gehäuse-Einheiten parallel zu schalten. So kann es beispielsweise zur Betätigung eines Spannfutters vorgesehen sein, drei Kolben-Gehäuse-Einheiten mit der integrierten Einrichtung zum Ermitteln der Kolbenstellung nach der Erfindung parallel zu betreiben.

Claims

1. Pneumatische Stellvorrichtung (1) mit mindestens einer Kolben-Gehäuse-Einheit (14), die einen in einem Gehäuse (2) in axialer Richtung verschieblich dichtend geführten Kolben (3) aufweist und mit einer Einrichtung (11) zum Ermitteln der Kolbenstellung in dem Gehäuse (2), wobei der Kolben (3) mit dem Gehäuse (2) zwei Kolbenräume (6, 7) begrenzt, deren Volumina in Abhängigkeit von der Kolbenstellung variieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstellung in Abhängigkeit der während einer Kolbenbewegung aus wenigstens einem der beiden Kolbenräumen (6 bzw. 7) zu- bzw. abgeführte Steuerluftmasse bestimmbar ist.

2. Pneumatische Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) zum Ermitteln der Kolbenstellung im Gehäuse (2) im Bereich einer Luftzuführung ein Meßelement (12) zur Bestimmung der einem der Kolbenräume (6 bzw. 7) zugeführten Steuerluftmasse aufweist.

3. Pneumatische Stellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (12) beheizt ist und eine Steuerluftmasse in Abhängigkeit einer Temperaturänderung des Meßelementes erfolgt, wobei das Meßelement zur Erhöhung einer Ansprechzeit eine geringe Masse aufweist.

4. Pneumatische Stellvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement als ein Dünnschichtsensor (12) ausgebildet ist.

5. Pneumatische Stellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnschichtsensor als ein Platin-Dünnschicht-Temperatursensor (12) ausgebildet ist.

6. Pneumatische Stellvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (12) als ein Dickschichtsensor ausgebildet ist.

7. Pneumatische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) eine Auswerteeinrichtung (13) aufweist.

8. Pneumatische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zu- bzw. abgeführte Steuerluftmasse bei konstantem Druck und konstanter Temperatur bestimmt wird.

9. Pneumatische Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben-Gehäuse-Einheiten parallel geschaltet sind.