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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Steuern eines pneumatisch oder hydraulisch betätigten Aktuators
sowie eine Vorrichtung zum Betreiben eines pneumatisch oder hydraulisch
betätigten
Aktuators.
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Wichtig beispielsweise bei der Steuerung
der Bewegung der Kolben von pneumatischen Arbeitszylindern ist die
Endlagendämpfung.
Diese soll Stöße bei einer
möglichst
schnellen Bewegung von einer Endlage zur anderen vermeiden. Das
einfachste bekannte System zum Erreichen einer derartigen Endlagendämpfung ist
die Anordnung mechanischer Dämpfer.
Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht flexibel einsetzbar
sind, da sie jeweils für
eine bestimmte bewegte Masse optimiert sind, um deren kinetische
Energie beim Aufprall zu absorbieren. Zusätzlich unterliegen solche Dämpfer einem
Verschleiß und
erfordern einen zusätzlichen
Platzbedarf in der Nähe
des Zylinders. Ähnliche
Nachteile haben in den Zylinder integrierte Luftkammern mit variablen Auslassöffnungen.
Auch diese sind nicht flexibel, weil sie jeweils an eine bestimmte
bewegte Masse angepasst werden.
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Diese Nachteile soll eine bekannte
elektronische Endlagendämpfung
beseitigen, bei welcher eine Geschwindigkeitsrampe vorgegeben ist,
welche über
einen kontinuierlich arbeitenden, linearen Regler ausgeregelt wird.
Dieses System hat jedoch den Nachteil, dass es aufgrund der erforderlichen
Proportionalventile relativ teuer ist. Ferner sind auch bei diesem
System die tolerierten Änderungen
der bewegten Masse eingeschränkt,
da sie höchstens
etwa 30% betragen dürfen.
Ferner setzt die ses System einen bestimmten, insbesondere symmetrischen
Aufbau des Zylinders, des Kolbens und des Versorgungsaufbaus voraus.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein
verbessertes Verfahren zum Steuern eines pneumatisch oder hydraulisch
betätigten
Aktuators und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, welche
eine verbesserte Endlagendämpfung
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen sowie durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 18 angegebenen
Merkmalen gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden
die unterschiedlichen Bewegungsphasen des Aktuators, beispielsweise
Beschleunigungs- und Bremsphasen in Abhängigkeit des vom Kolben des Aktuators
zurückgelegten
Weges gesteuert. Dabei findet jedoch innerhalb der einzelnen Phasen
keine Regelung über
Proportionalventile statt, vielmehr werden die Bewegungsphasen lediglich
durch Ein- und Ausschalten eines auf den Kolben wirkenden Fluiddruckes
oder eines Fluiddifferenzdruckes gesteuert. Bei dem Fluiddruck handelt
es sich dabei um einen vorgegebenen Versorgungsdruck. Es ist somit möglich, die
Steuerung, insbesondere eine closed loop Steuerung allein über Schaltventile
zu bewirken, was den Aufbau der gesamten Anlage vereinfacht. Bei
dem zu steuernden Aktuator kann es sich um einen beliebigen Aktuator,
beispielsweise einen Zylinder oder Rotor mit entsprechend ausgestaltetem
Kolben handeln. Bei einem Rotor entspricht der zurückgelegte
Weg einer zurückgelegten
Drehung, d.h. einem Winkel. Das Verfahren ist beispielsweise bei
ein- oder zweiseitig wirkenden Aktuatoren bzw. Zylindern mit oder
ohne Kolbenstange anwendbar. Bei einem einseitig wirkenden Aktuator
wird nur eine Seite mit einem Fluiddruck beaufschlagt, während in
entgegengesetzter Richtung vorzugsweise eine Federkraft wirkt. Die
Steuerung der einzelnen Bewe gungsphasen abhängig vom Verstellweg ermöglicht,
den Aktuator bzw. einen Kolben des Aktuators an beliebigen Positionen
gezielt und vorzugsweise gedämpft
anzuhalten. So ist es möglich,
in einem Zylinder beispielsweise auch Zwischenpositionen anzufahren
und zu halten.
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Vorzugsweise werden Beginn und/oder Ende
einer oder mehrerer beschleunigender und/oder bremsender Phasen
abhängig
vom zurückgelegten
Weg bestimmt. Dies ermöglicht,
die entsprechenden Bewegungsphasen abhängig vom Verstellweg bzw. -winkel
des Kobens so einzuleiten, dass eine optimale Endlagendämpfung erreicht
wird. Auf eine weitere Regelung, insbesondere Druckregelung während der
einzelnen Phasen wird dabei verzichtet. Die Steuerung und Endlagendämpfung wird nur
durch Steuerung der Schaltzeitpunkte erreicht.
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Weiter bevorzugt werden die Wegpunkte bzw.
Winkel, bei denen die Phasen beendet und/oder begonnen werden, in
Abhängigkeit
von einem Massenindex der zu bewegenden Masse festgesetzt. Der Massenindex
ist ein Wert, welcher proportional zu der jeweiligen zu bewegenden
Masse ist und ermöglicht,
das System und insbesondere die Endlagendämpfung an unterschiedliche
Massen anzupassen.
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Der Beginn und/oder das Ende der
einzelnen Phasen wird bevorzugt an aktuelle Systemparameter angepasst.
Auf diese Weise kann eine adaptive Steuerung geschaffen werden,
welche es ermöglicht,
die Steuerung des Aktuators, beispielsweise eines Antriebsrylinders
während
dessen Betrieb an unterschiedliche Umgebungsbedingungen, z. B. verschiedene
zu bewegende Massen anzupassen. Beispielsweise ist es möglich, das
Steuerungssystem zunächst
mit einem unspezifischen Parametersatz auszuliefern und die exakten
für das
jeweilige Antriebssystem spezifischen Parameter während des
ersten Betriebes, z.B. während
einer oder mehren Lernfahrten, mit dem unspezifischen Parametersatz
aus dem Verhalten des Antriebssystems abzuleiten. Alternativ können die
einzelnen Phasen der Bewegungssteuerung des Kolbens nach voreingestellten
Abschnitten des Verstellweges begonnen werden. Eine derartige Einstellung
wird insbesondere bei der Erstinbetriebnahme des Zylinders bzw.
Aktuators gewählt,
wobei dieser dann nach einem festen vorgegebenen Programm gesteuert
wird. Dabei kann die Möglichkeit vorgesehen
sein, an einer Steuereinrichtung verschiedene Programme auszuwählen, welche
an verschiedene Aktuatoren bzw. Antriebszylinder oder deren Einsatzgebiete
angepasst sind. Insbesondere ist es denkbar, verschiedene Programme
für unterschiedliche
zu bewegende Massen vorzusehen, wobei vor Inbetriebnahme der Steuerung
dasjenige Programm ausgewählt
wird, welches der zu bewegenden Masse am nächsten kommt.
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Die aktuellen Systemparameter umfassen vorzugsweise
die Kolbenposition, den Fluiddruck, die Zeit und/oder aus diesen
Größen abgeleitete
Größen. Vorzugsweise
kann der Versorgungsdruck über entsprechende
Sensoren erfasst werden. Die Kolbenposition kann durch bekannte
Wegaufnehmer, beispielsweise Inkrementalgeber oder Potentiometer erfolgen.
Die Bewertung und Adaption der verhaltensbestimmenden Systemparameter
erfolgt vorzugsweise nur einmal während eines Bewegungsvorganges,
vorzugsweise am Ende des Bewegungsvorganges. Aufgrund der Erfassung
und Auswertung der aktuellen Systemparameter können sowohl der aktuelle, gerade
ablaufende Bewegungsvorgang als auch die nachfolgenden Bewegungsvorgänge des Kolbens
entsprechend angepasst werden durch Verlagerung des Beginns oder
Endes derjeweiligen Bewegungsphase.
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Vorzugsweise ist das System so ausgebildet, dass
der Massenindex der zu bewegenden Masse von dem System selbsttätig bestimmt
wird. Dies ermöglicht
eine automatische Anpassung des Systems bzw. der Steuerung an verschiedene
zu bewegende Massen, ohne dass entsprechende Einstell- oder Programmierarbeiten
erforderlich sind. Diese Be- Stimmung
des Massenindexes ist nicht auf das zuvor beschriebene Verfahren
beschränkt,
vielmehr kann einen derartige selbsttätige Erfassung des Massenindexes
auch bei anderen Steuer- bzw. Regelverfahren für pneumatische oder hydraulische
Aktuatoren eingesetzt werden.
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Der Massenindex kann vorzugsweise
aus den erfolgten Beschleunigungen und/oder Geschwindigkeiten des
Kolbens in einem vorzugsweise vom System selbständig bestimmten Wegintervall oder
nach einer vorbestimmten Zeitspanne ermittelt werden. Die aktuell
zu bewegende Masse kann prinzipiell aus den wirkenden Kräften, d.
h. den wirkenden Drücken
und der auftretenden Beschleunigung des Kolbens ermittelt werden.
Da es jedoch schwierig ist, die zur Bestimmung der Masse erforderlichen Größen in jedem
Zeitpunkt exakt zu bestimmen und insbesondere die auftretende Reibung
nur schwer zu berücksichtigen
ist, kann alternativ lediglich ein Massenindex aus der genannten
Größen bestimmt
werden, welcher das Verhältnis
zwischen verschiedenen bewegten Massen darstellt. Bei bekanntem
Fluiddruck kann die erfolgte Beschleunigung dadurch bestimmt werden,
dass an einer bestimmten Position oder nach einer bestimmten Zeit
nach Beschleunigungsbeginn die Geschwindigkeit des Kolbens bestimmt
wird. Die Geschwindigkeit wiederum kann durch Messung der Zeitdauer,
welche der Kolben benötigt,
um die Distanz zwischen zwei Wegpunkten zurückzulegen, ermittelt werden.
Abhängig
von der ermittelten Masse oder dem ermittelten Massenindex können dann
die einzelnen Phasen der Bewegung des Kolbens gesteuert werden.
In der Steuerung können
Werte für
bestimmte Massen, z.B. für
die minimale und die maximale Masse, und insbesondere die Zeitpunkte
für den
Beginn der einzelnen bremsenden und/oder dämpfenden Phasen vorgegeben
sein, aus denen dann für
die aktuell ermittelte Masse bzw. den aktuell ermittelten Massenindex
die jeweiligen Werte bzw. Zeitpunkte interpoliert werden. Bevorzugt
jedoch werden die jeweiligen Start- und Endpunkte für die einzelnen
Be wegungsphasen jeweils aktuell auf Grundlage des ermittelten Masseindexes
berechnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere
geeignet zum Steuern der Bewegung eines Kolbens eines doppelt wirkenden,
insbesondere pneumatischen Aktuators, wie beispielsweise eines Antriebszylinders.
Das Verfahren betrifft insbesondere die Endlagendämpfung des
Kolbens in dem Zylinder. Dazu ist eine erste, beschleunigende Phase
vorgesehen, in der eine schiebende Kammer an einer ersten Seite,
d. h. an der in Bewegungsrichtung hinteren Seite, des Kolbens belüftet wird.
Gleichzeitig wird eine bremsende Kammer an der entgegengesetzten
Seite, d. h. an der in Bewegungsrichtung vorne gelegenen Seite des
Kolbens entlüftet.
Dadurch erhöht
sich der Druck in der schiebenden Kammer, während sich der Druck in der
bremsenden Kammer verringern kann. Aufgrund dieses Druckgefälles wird eine
Kraft auf den Kolben erzeugt, welche diesen beschleunigt. Wenn der
Kolben in Bewegung ist, so vergrößert sich
das Volumen der schiebenden Kammer, während sich gleichzeitig das
Volumen der bremsenden Kammer verringert. Auf die Beschleunigungsphase,
in welcher der Kolben in einer bestimmten Richtung in Bewegung gesetzt
wird, kann zumindest eine erste bremsende Phase folgen, in der die
schiebende Kammer weiter belüftet
und die bremsende Kammer geschlossen wird. Dadurch wird erreicht, dass
das in der bremsenden Kammer eingeschlossene Fluid bzw. die in der
ersten bremsenden Kammer eingeschlossene Luft aus dieser nicht entweichen kann.
Die weitere Bewegung des Kolbens bewirkt, dass das Volumen der bremsenden
Kammer verringert wird, wodurch das Fluid in der Bremsenkammer komprimiert
wird und der Druck in dieser Kammer weiter ansteigt. Dabei steigt
der Druck in der bremsenden Kammer über den Versorgungsdruck an, welcher
von einer Druckluftquelle zur Betätigung des Zylinders erzeugt
wird. Somit steigt der Druck in der bremsenden Kammer so weit an,
dass er höher
als der Druck in der schiebenden Kammer ist. Dadurch wird eine Kraft
aufge baut, die entgegen der Bewegungsrichtung des Kolbens wirkt
und die kinetische Energie des Kolbens abbaut. Wenn der Druck in
der bremsenden Kammer zu stark ansteigen würde, würde die Kraft, die entgegen
der gewünschten
Bewegungsrichtung wirkt, irgendwann ausreichen, um die Bewegung
des Kolbens umzukehren, so dass er sich entgegen der gewünschten
Bewegungsrichtung bewegt. Der Kolben würde dabei anfangen zu schwingen.
Um dies zu verhindern, muss der Druck in der bremsenden Kammer wieder
verringert bzw. konstant gehalten werden. Dazu wird in zumindest
einer zweiten bremsenden Phase die schiebende Kammer geschlossen
und die bremsende Kammer belüftet. Durch
das Belüften
der bremsenden Kammer wird eine Verbindung der bremsenden Kammer
mit der Druckluftversorgung hergestellt. Da in der bremsenden Kammer
jedoch, wie erläutert,
ein Druck herrscht, der höher
als der Versorgungsdruck ist, strömt die Luft von der bremsenden
Kammer nun zurück
in die Versorgungsleitung. Dies hat gegenüber der Entlüftung der
bremsenden Kammer zur Umgebung hin den Vorteil, dass das Fluid bzw.
die Luft aus der bremsenden Kammer langsamer entweicht und der Kolben
weiter abgebremst wird. Würde
die bremsende Kammer zur Umgebung hin entlüftet, könnte die Luft bzw. das Fluid
sehr schnell entweichen, wodurch der Kolben wieder beschleunigt
werden würde. Das
Rückströmen des
Fluids aus der bremsenden Kammer in die Versorgungsleitung hat weiter
den Vorteil, dass die Luft bzw. das Fluid nicht verloren geht, so
dass der Luftverbrauch des Systems verringert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit
bei einfachem konstruktivem Aufbau eine gezielte und wirkungsvolle
Endlagendämpfung
eines Kolbens bei gleichzeitig verringertem Luftverbrauch. Das erfindungsgemäße Verfahren braucht
zu seiner Ausführung
keinerlei Proportionalventile, es sind lediglich Schaltventile erforderlich,
da die beiden Kammern, d. h. die schiebende und die bremsende Kammer,
entweder vollständig
geschlossen sind, oder die End- oder Belüftungsleitungen vollständig geöffnet sind.
Eine einstellbare Drosselwirkung in den Be- und Entlüftungsleitungen
ist nicht erwünscht
und nicht erforderlich. Auch wenn das Verfahren hier für einen
pneumatischen Zylinder beschrieben wurde, lässt sich das Verfahren auch
entsprechend bei einem hydraulischen Zylinder anwenden, wobei dann
allerdings der Einfluss der Kompressibilität des Fluids nicht ausgenutzt
werden kann.
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Vorzugsweise ist zusätzlich eine
dämpfende Phase
vorgesehen, in der sowohl die schiebende als auch die bremsende
Kammer belüftet
sind. Diese dämpfende
Phase schließt
sich an die zweite bremsende Phase an. In dieser Phase wird die
schiebende Kammer wieder belüftet,
um sicherzustellen, dass die Kraft, welche gegen die Bewegungsrichtung wirkt,
nicht zu lange auf den Kolben wirkt. Durch das erneute Belüften der
schiebenden Kammer wird die Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern
wieder verringert. Gleichzeitig wird das Fluid in der bremsenden
Kammer weiterhin in die Versorgungsleitung zurückgespeist, da der Druck in
der bremsenden Kammer weiter höher
als der Versorgungsdruck ist. Durch das Vorsehen dieser dämpfenden
Phase kann eine optimierte Dämpfung
des Kolbens beim Erreichen seiner Endlage bewirkt werden.
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Ferner ist in dem Verfahren vorzugsweise zumindest
eine Andrückphase
vorgesehen, in welcher die schiebende Kammer belüftet wird und die bremsende
Kammer entlüftet
wird, wenn sich der Kolben nahe einer Endlage befindet. Durch diese Einstellung
wird ein aktives Halten des Kolbens in der Endlage erreicht, da
durch Belüften
der schiebenden und das Entlüften
der bremsenden Kammer eine maximale Druckdifferenz zwischen den
beiden Kammern und damit eine maximale Kraft auf den Kolben erzeugt
wird. Diese Kraft drückt
den Kolben in seine Endlage, wodurch er dort den bestmöglichen
Halt erreicht.
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Diese Andrückphase folgt vorzugsweise
auf die dämpfende
Phase. D. h. nachdem der Kolben gedämpft seine Endlage erreicht
hat, wird er dort aktiv gehalten.
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Erfindungsgemäß werden die einzelnen Phasen
abhängig
vom Verstellweg des Kolbens begonnen. Der Verstellweg wird dazu
durch bekannte Wegaufnehmer, beispielsweise Inkrementalgeber, erfasst
und von einer Steuereinrichtung zum Starten der einzelnen Bewegungsphasen
entsprechend berücksichtigt.
Dadurch, dass an bestimmten Positionen des Verstellweges die bremsenden
Phasen eingeleitet werden, kann sichergestellt werden, dass der Kolben
beim Erreichen seiner Endlagen optimal gedämpft ist und nicht mit einer
zu hohen kinetischen Energie die Endlage erreicht. Ferner kann gleichzeitig
die maximale Beschleunigung des Kolbens erreicht werden und sichergestellt
werden, dass der Kolben nicht vor Erreichen der Endlage abstoppt.
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Mit zunehmender Masse wird vorzugsweise der Übergang
von der beschleunigenden Phase zu der bremsenden Phase verlagert,
d. h. die bremsende Phase wird früher, nach einem kürzeren Verstellweg
des Kolbens eingeleitet. Das System somit die Phasenübergänge selbständig an
die aktuelle Masse an. Mit größerer Masse
weist der bewegte Kolben auch eine höhere kinetische Energie auf,
so dass ein früheres
Abbremsen erforderlich ist. Dazu kann die bewegte Masse oder ein
für diese
repräsentativer Massenindex
während
der aktuell laufenden Bewegung oder bei einer zuvor erfolgten Bewegung
des Kolbens ermittelt werden. Beispielsweise kann die Steuerung
des Kolbens bei einer ersten Bewegung gemäß einer maximalen Masse erfolgen
und bei dieser Bewegung die aktuelle Masse bestimmt werden, so dass
bei nachfolgenden Kolbenbewegungen die Steuerung an die entsprechende
Masse angepasst erfolgen kann und der Übergangspunkt von der beschleunigenden
Phase zu der ersten bremsenden Phase entsprechend gewählt werden
kann. Auch der Übergang
von der ersten bremsenden Phase in die zweite bremsende Phase sollte
in Abhängigkeit
der aktuellen Systemparameter und insbesondere der aktuellen Masse
erfolgen. Es ist dabei wichtig, dass die Rückspeisung des Drucks von der
bremsenden Kammer in die Versorgungsleitung rechtzeitig beginnt.
Um die Totzeit der Ventile zu berücksichtigen, muss vorzugsweise
das Signal zum Einschalten des Belüftungsventils der bremsenden
Kammer vor dem tatsächlichen Überschreiten
des Versorgungsdruckes in der bremsenden Kammer gegeben werden. Ansonsten
würde in
der bremsenden Kammer ein so hoher Druck aufgebaut, welcher ausreichend
wäre, die
Bewegungsrichtung umzukehren. Zur Steuerung des Übergangs der ersten bremsenden
Phase zur zweiten bremsenden Phase kann beispielsweise die Ableitung
der auftretenden Kraft verwendet werden, wobei, wenn diese einen
vorgegebenen Schwellwert überschreitet,
von der ersten bremsenden Phase in die zweite bremsende Phase übergegangen
wird. Die Dauer der zweiten bremsenden Phase ist wiederum abhängig von
der bewegten Masse. Bei hoher Masse kann diese Phase aufgrund der
größeren kinetischen
Energie und Massenträgheit
länger
andauern.
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Ferner wird der Übergang von der beschleunigenden
Phase zu den bremsenden Phasen, d. h. zu der ersten bremsenden Phase
vorverlagert, falls der Kolben beim Auftreffen auf eine Endlage
eine zu große
kinetische Energie aufweist. D. h., wenn bei einem ersten Bewegungsvorgang
des Kolbens festgestellt wird, dass dieser beim Erreichen der Endlage eine
zu große
kinetische Energie aufweist und einen unerwünschten Stoß erzeugt, wird bei einem zweiten Bewegungsvorgang
die Steuerung so eingerichtet, dass der Übergang von der beschleunigenden
Phase zu der bremsenden Phase nach einem kürzeren Verstellweg des Kolbens,
d. h. frühzeitiger
stattfindet.
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Umgekehrt wird der Übergang
von der beschleunigenden Phase zu den bremsenden Phasen vorzugsweise
nach hinten verlagert, falls der Kolben vor Erreichen einer Endlage
stoppt. Wenn bei einer ersten Be wegung des Kolbens festgestellt
wird, dass dieser zu früh
abgebremst wird und seine Endlage nicht erreicht, kann bei nachfolgenden
Bewegungen die Steuerung so eingerichtet werden, dass die bremsenden
Phasen erst nach einem längeren
Verstellweg des Kolbens, d. h. später eingeleitet werden, so dass
der Kolben die vorgegebene Endlage erreicht.
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Ferner wird der Übergang in die Andrückphase
vorzugsweise so gesteuert, dass der Übergang in die Andrückphase
vorverlagert wird, falls der Kolben beim Erreichen der Endlage wieder
zurückschwingt. Durch
frühzeitiges
aktives Halten des Kolbens, bei welchem die maximale Druckdifferenz
zwischen schiebender und bremsender Kammer herrscht, kann ein Zurückschwingen
des Kolbens verhindert werden, da dieser mit der maximal möglichen
Kraft aufgrund der Druckdifferenz zwischen den Kammern gegen die
Endlage gedrückt
wird.
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Weiter bevorzugt kann die Steuerung
des Aktuators bzw. Kolbens in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung
erfolgen. So können
für die
beiden möglichen
Bewegungsrichtungen bei einem doppelt wirkenden Aktuator bzw. Zylinder
unterschiedliche Steuerungsprogramme vorgesehen sein. Beispielsweise
können
unterschiedlich große
Kolbenoberflächen
berücksichtigt
werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante
wird der Kolben vor seiner Bewegung, d. h. vor Beginn der beschleunigenden
Phase, durch Belüften
der Kammern an beiden Kolbenseiten vorgespannt. Dazu können die
Kammern beispielsweise so lange belüftet werden, bis etwa die Hälfte des
Versorgungsdruckes in beiden Kammern herrscht. Durch die Vorspannung
wird erreicht, dass das System weniger empfindlich auf kurze Schaltspiele
reagiert und weniger zum Schwingen neigt. Alternativ oder zusätzlich kann
der Kolben vor Beginn der beschleunigenden Phase in eine Startposition
an einem Ende des Zylinders gebracht werden.
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In dieser Startposition wird der
Kolben vorzugsweise aktiv gehalten, d. h. der Kolben wird gegen
die entsprechende Endlage gedrückt.
Dabei wirkt die Haltekraft entgegen der Bewegungsrichtung der nachfolgend
stattfindenden Bewegung. Dies bewirkt, dass zu Beginn der Beschleunigungsphase
in der schiebenden Kammer Umgebungsdruck und in der bremsenden Kammer
Versorgungsdruck herrscht. Wenn sich während der Beschleunigung der
Kolben bewegt, verringert sich ferner das Volumen der bremsenden
Kammer und vergrößert sich das
Volumen der schiebenden Kammer. Dadurch wird erreicht, dass der
Druck in den Kammern nur vergleichsweise langsam ansteigt bzw. sinkt,
so dass während
des gesamten Beschleunigungsvorganges immer ein hohes Druckniveau
im gesamten System herrscht, was sich positiv auf die Kontrollierbarkeit des
Prozesses bzw. Bewegungsvorganges auswirkt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine
Vorrichtung zum Betreiben eines pneumatisch oder hydraulisch betätigten Aktuators.
In dem Aktuator ist zumindest eine Wegmesseinrichtung zum Erfassen
zumindest eines Wegpunktes eine Kolbens vorgesehen. Bei der Wegmesseinrichtung
kann es sich um ein bekanntes Wegmesssystem handeln, welches ständig bzw.
kontinuierlich die Position des Kolbens bestimmt oder nur vorbestimmte
diskrete Kolbenpositionen erfasst. Wenn eine vorbestimmte Kolbenposition
und die Geschwindigkeit des Kolbens bekannt sind, können die weiteren
Wegpunkte, welche zur Steuerung der Bewegungsphasen des Kolbens
relevant sind, über
die verstrichene Zeit bestimmt werden. Es wird somit möglich, mit
wenigen Positionssensoren den Aktuator in Abhängigkeit seines Verstellweges
zu steuern. Ferner ist erfindungsgemäß an zumindest einer Seite des
Kolbens eine Kammer vorgesehen, welche über zumindest ein Schaltventil
mit einem Fluiddruck beaufschlagbar und von diesem entspannbar ist.
Das bedeutet, der vorgegebene Fluiddruck wird nur ein- und ausgeschaltet,
d.h. im Falle einer Pneumatik wird die Kammer lediglich be- und
entlüftet.
Dabei kann nur ein vorgegebener Druck, d.h. ein Versorgungsdruck
angelegt werden, eine Druckregelung zur Bewegungssteuerung des Kolbens
findet nicht statt. Zusätzlich
ist ein Steuerungsmodul vorgesehen, welches die unterschiedlichen
Bewegungsphasen des Kolbens in Abhängigkeit von dessen Verstellweg
einleitet. Die Steuerung der einzelnen Bewegungsphasen über die
Schaltventile erfolgt dabei in der oben beschriebenen Weise.
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Beispielsweise dient die Vorrichtung
zum Betreiben bzw. Bewegen eines doppelt wirkenden, insbesondere
pneumatischen Aktuators bzw. Antriebszylinders. Der doppelt wirkende
Antriebszylinder weist in bekannter Weise zwei an entgegengesetzten Seiten
eines Kolbens angeordnete Kammern auf, welche jeweils über zumindest
ein Ventil be- und entlüftbar
sind. Ferner ist ein Steuerungsmodul vorgesehen, über welches
die Ventile betätigt
werden und welches eingerichtet ist, die Bewegung des Kolbens gemäß dem oben
erläuterten
Verfahren mit seinen bevorzugten Varianten zu steuern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
weist einen einfachen Aufbau auf, da sie mit kostengünstigen
Standardbauteilen auskommt und die erforderliche Endlagendämpfung bei der
Bewegung des Kolbens in dem Antriebszylinder lediglich durch ein
in dem Steuerungsmodul hart- oder softwaremäßig abgelegtes Steuerungsprogramm
erreicht wird. Die Ventile sind als Schaltventile ausgebildet. Dies
vereinfacht den Aufbau und reduziert die Kosten der Vorrichtung.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Schaltventile nicht in einfacher Weise gepulst. Dies würde einen
hohen Verschleiß der
Ventile bewirken und ferner keine schnelle Beschleunigung des Kolbens
zulassen, da die Beschleunigung aufgrund der Totzeiten der Ventile
nur gebremst erfolgen würde. Die
maximale Beschleunigung und maximale Geschwindigkeit wird mit einer
minimalen Anzahl von Schaltspielen erreicht, wodurch ferner die
Ventillebensdauer erhöht
wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise
einzelne Module auf, welche die Steuerung, insbesondere closed loop
Steuerung bzw. Regelung einzelner Bewegungsabläufe des Kolbens übernehmen.
So ist vorzugsweise ein Parkmodul vorgesehen, welches die Ventile
steuert, um den Kolben in eine Parkposition zu bringen. Diese Parkposition
ist vorzugsweise eine Startposition in einer Endlage des Zylinders,
in welcher der Kolben aktiv gehalten wird. Zum aktiven Halten wird
die der Endseite des Zylinders abgewandte Kammer des Kolbens mit Druck
beaufschlagt, während
die Kammer an der der Endseite des Zylinders zugewandten Seite des
Kolbens entlüftet
ist. Dadurch wird der Kolben mit maximaler Kraft gegen die Endseite
des Zylinders gedrückt.
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Alternativ oder zusätzlich ist
ein Startmodul vorgesehen, welches die Vorspannung des Kolbens vor
dessen Bewegung steuert. Zur Vorspannung des Kolbens werden, wie
oben erläutert,
die Kammern an beiden Seiten des Kolbens mit Druck beaufschlagt, um
die Bewegung des Kolbens besser steuern bzw. kontrollieren zu können. Dieses
Vorspannen und insbesondere die Höhe des zur Vorspannung angelegten
Druckes wir durch das Startmodul gesteuert bzw. geregelt.
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Ferner weist das Steuerungsmodul
bevorzugt ein separates Modul zur Endlagendämpfung auf, welches die Beschleunigung
und das Abbremsen des Kolbens steuert. Das Modul zur Endlagendämpfung übernimmt
somit die Steuerung bzw. Regelung der Beschleunigung und des Abbremsens des
Kolbens in der oben beschriebenen Weise, d. h. es leitet die Beschleunigungsphase,
die bremsenden Phasen, die dämpfende
Phase und/oder die Andruckphase ein und überwacht diese. Weiter bevorzugt
ist in der Vorrichtung eine Speichereinrichtung zum Speichern der
Steuerungsparameter vorgesehen. So können die in vorangehenden Bewegungsabläufen des
Kolbens ermittelten aktuellen Systemparameter in diesem Speicher
abgelegt werden, um nachfolgende Bewegungsvorgänge entsprechend angepasst
zu steuern. Al ternativ können
aus den ermittelten Systemparametern, beispielsweise der zu bewegenden
Masse, zunächst
entsprechende Steuerungsparameter wie beispielsweise der Beginn der
bremsenden Phase, ermittelt werden und im dem Speicher abgelegt
werden. Bei nachfolgenden Bewegungsvorgängen des Kolbens werden diese
Werte dann aus dem Speicher ausgelesen und der Kolben von dem Steuerungsmodul
und insbesondere dem Modul zur Endlagendämpfung entsprechend gesteuert
bzw. geregelt. Ferner können
in dem Speicher vorgegebene Steuerungsparameter oder Programme abgelegt
sein, welcher unabhängig
von den aktuell ermittelten Systemparametern zur Steuerung des Kolbens
abgerufen werden, beispielsweise um bei Inbetriebnahme einen ersten
Bewegungsablauf des Kolbens zu steuern.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand
der beigefügten
Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
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1 schematisch
den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Betreiben eines Antriebszylinders und
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2 schematisch
den Aufbau des erfindungsgemäßen Steuerungsmoduls.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Ansteuern
bzw. Betätigen
eines doppelt wirkenden pneumatischen Antriebszylinders 2.
Im Inneren des Antriebszylinders 2 ist ein Kolben 4 angeordnet, welcher
in üblicher
Weise mit einer oder zwei Kolbenstangen zum Bewegen externer, hier
nicht gezeigter Einrichtungen verbunden ist. Der Kolben 4 ist
von beiden Seiten mit Druck beaufschlagbar, es wird somit eine vordere
Zylinderkammer 6 und eine hintere Zylinderkammer 8 an
entgegengesetzten Seiten des Kolbens 4 gebildet. Der Kolben 4 ist
ferner in bekannter Weise mit einer Positionserfassungseinrichtung 10,
beispielsweise einem Inkre mentalgeber verbunden, um die Position
des Kolbens 4 im Inneren des Zylinders 2 bestimmen
zu können.
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Die vordere Zylinderkammer ist mit
einem Belüftungsventil 12 und
einem Entlüftungsventil 14 verbunden.
Entsprechend ist die hintere Zylinderkammer 8 mit einem
Belüftungsventil 16 und
einem Entlüftungsventil 18 verbunden.
Die Belüftungsventile 12 und 16 stehen
mit einer Vorsorgungsleitung 20 in Verbindung, welche mit
einer Druckluftquelle verbunden ist.
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Ferner ist ein Drucksensor 22 zum
Bestimmen des Druckes in der vorderen Zylinderkammer 6, ein
Drucksensor 24 zum Bestimmen des Druckes in der hinteren
Zylinderkammer 8 und ein Drucksensor 26 zum Bestimmen
des Druckes in der Versorgungsleitung 20 vorgesehen. Die
Ventile 12, 14, 16 und 18 werden
von einer Steuereinheit 28 vorzugsweise elektrisch betätigt. Die
Positionserfassungseinrichtung 10 sowie die drei Drucksensoren 22, 24 und 26 sind
ebenfalls über
Signalleitungen mit der Steuereinheit 28 verbunden, so
dass die Steuereinheit 28 Informationen über den
Druck in der vorderen Zylinderkammer 6, der hinteren Zylinderkammer 8 und
in der Versorgungsleitung 20 sowie über die Position des Kolbens 4 erhält. Die
Steuereinheit 28 kann ferner eine Eingabeeinrichtung 30 zur
Eingabe von Befehlen oder Daten durch einen Benutzer der zur Kommunikation
mit weiteren Steuereinrichtungen aufweisen. Die Eingabeeinrichtung 30 kann
als Tastatur oder als uni- oder bidirektionale Schnittstelle ausgebildet
sein.
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Die Bewegung des Kolbens 4 in
dem Zylinder 2 in Richtung X erfolgt nach folgendem Steuerverfahren,
welches eine Endlagendämpfung
des Kolbens 4 beim Erreichen der Endlage 32 in
dem Zylinder 2 bewirkt. Bei der Bewegung in Richtung X
bildet die hintere Zylinderkammer 8 die schiebende und
die vordere Zylinderkammer 6 die bremsende Kammer. 1 zeigt eine Position des
Kolbens 4 zwischen den Endlagen 32 und 34, d.
h. bei seiner Bewegung. Vor dem Beginn der Bewegung des Kolbens 4 in
der Richtung X wird der Kolben 4 vorzugsweise vorgespannt,
indem die vordere Zylinderkammer 6 und die hintere Zylinderkammer 8 mit
Druck beaufschlagt werden. Dadurch kann ein unerwünschtes
Schwingen des Kolbens 4 vermieden werden. Alternativ oder
anschließend
wird der Kolben 4 vorzugsweise zunächst in die Endlage 34 bewegt
bzw. in dieser aktiv gehalten, indem die vordere Zylinderkammer 6 belüftet und
die hintere Zylinderkammer 8 entlüftet ist. Beim Be- und Entlüften ist
zu beachten, dass es sich bei den Ventilen 12 bis 18 um
reine Schaltventile handelt, welche nur zwei Zustände, nämlich geöffnet und geschlossen
aufweisen. Anstatt für
jede Zylinderkammer ein Be- und ein Entlüftungsventil, d. h. vier 2/2-Wege-Schaltventile
vorzusehen, können
auch zwei 5/3-Wege- oder zwei 3/3-Wegeventile vorgesehen werden,
welche die Zylinderkammern 6 und 8 be- und entlüften. Auch
diese Ventile weisen jeweils für
den Be- und Entlüftungsvorgang
nur zwei Schaltzustände,
nämlich
Leitung geöffnet
und Leitung geschlossen auf. Wichtig ist, dass die Zylinderkammern 6 und 8 über die
Ventile vollständig
geschlossen werden können.
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Aus der Endlage 34 wird
der Kolben 4 in Richtung X beschleunigt, indem die hintere
Zylinderkammer 8 durch Öffnen
des Belichtungsventils 16 belüftet wird. Gleichzeitig wird
die vordere Zylinderkammer 6 durch Öffnen des Entlüftungsventils 14 entlüftet. Dies
führt zu
einem Druckanstieg in der hinteren Zylinderkammer 8 und
zu einem Druckabfall in der vorderen Zylinderkammer 6,
wodurch der Kolben 4 in der Richtung X beschleunigt wird.
Die Bewegung bzw. Position des Kolbens 4 in der Richtung
X wird durch die Positionserfassungseinrichtung 10 erfasst. Nach
einem vorbestimmten Verstellweg beendet die Steuereinheit 28 die
beschriebene Beschleunigungsphase und beginnt die erste Bremsphase.
Dazu wird das Entlüftungsventil 14 der
vorderen Zylinderkammer 6 geschlossen. Dies bewirkt, dass
sich der Druck des Fluids in der vorderen Zylinderkammer 6 bei
weiterer Bewegung des Kolbens 4 in der Richtung X erhöht, da sich
das Volumen der vorderen Zylinderkammer 6 verringert. Durch
den Druck in der vorderen Zylinderkammer 6 wird dabei eine
ansteigende Gegenkraft erzeugt, welche auf den Kolben 4 wirkt
und der von dem Druck in der hinteren Zylinderkammer 8 erzeugten
Kraft entgegenwirkt. Dies führt
zu einer Verlangsamung der Bewegung des Kolbens 4.
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Ferner steigt dabei der Druck in
der vorderen Zylinderkammer 6 schnell über das Niveau des Druckes
in der Versorgungsleitung 20 an. Sobald der Druck in der
Versorgungsleitung 20, welcher von dem Drucksensor 26 erfasst
wird, überschritten
wird oder kurz bevor dieser Schwellwert erreicht wird, beginnt die
Steuereinheit 28 die zweite Bremsphase. In der zweiten
Bremsphase wird das Belüftungsventil 16 der
hinteren Zylinderkammer 8 geschlossen und das Belüftungsventil 12 der
vorderen Zylinderkammer 6 geöffnet. Dadurch, dass zu diesem
Zeitpunkt in der vorderen Zylinderkammer 6 nun ein Druck
herrscht, welcher größer ist
als der Druck in der Versorgungsleitung 20, wird die vordere
Zylinderkammer 6 über die
Versorgungsleitung 20 entlüftet. Dieses Entlüften erfolgt
relativ langsam, da die Druckdifferenz zwischen der vorderen Zylinderkammer 6 und
dem Druck in der Versorgungsleitung 20 relativ gering ist. Das
Entlüften
erfolgt somit wesentlich langsamer als es über das Entlüftungsventil 14 zur
Umgebung hin erfolgen würde.
Durch dieses langsame Entlüften
der vorderen Zylinderkammer 6 wird die Bewegung des Kolbens 4 in
der Richtung X weiter abgebremst.
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Nach einem weiteren Verstellweg des
Kolbens 4 in der Richtung X, welcher von der Positionserfassungseinrichtung 10 erfasst
wird, beendet die Steuereinheit 28 die zweite Bremsphase
und beginnt eine Dämpfungsphase,
in welcher das Belüftungsventil 16 für die hintere
Kolbenkammer 18 wieder geöffnet wird. Dadurch wird die
hintere Zylinderkammer 8 wieder mit Druck beaufschlagt,
wodurch verhindert wird, dass die durch den Druck in der vorderen
Zylinderkammer 6 erzeugte Kraft so groß wird, dass der Kolben 4 entgegen
der Bewegungsrichtung X zurückbewegt
wird. Dadurch kann ein Zurückschwingen
des Kolbens verhindert werden.
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Nach einem weiteren Verstellweg in
der Richtung X wird von der Steuereinheit 28 eine Andruckphase
eingeleitet, in welcher das Belüftungsventil 12 der
vorderen Zylinderkammer 6 geschlossen und das Entlüftungsventil 14 der
vorderen Zylinderkammer 6 geöffnet wird. Gleichzeitig wird
die hintere Zylinderkammer 8 weiter belüftet. Dadurch wird der Kolben
durch die maximale Druckdifferenz zwischen der vorderen Zylinderkammer 6 und
der hinteren Zylinderkammer 8 gegen die Endlage 32 gedrückt und
an dieser Endposition aktiv gehalten.
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Der Beschleunigungs- und Bremsvorgang des
Kolbens 4 wurde hier für
eine Bewegung in der Richtung X beschrieben. Für eine Bewegung entgegen dieser
Richtung erfolgen Beschleunigung und Abbremsen entsprechend, wobei
die hintere Zylinderkammer 8 als bremsende und die vordere
Zylinderkammer 6 als schiebende Kammer dient.
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Wie beschrieben, kann der gesamte
Brems- und Dämpfungsvorgang
zum Erreichen einer Endlagendämpfung
bei der Bewegung des Kolbens 4 durch wenige Schaltvorgänge der
Schaltventile 12, 14, 16 und 18 erreicht
werden. Es erfolgt dabei kein Pulsen der Schaltventile, vielmehr
wird lediglich eine minimale Anzahl von Schaltspielen eingesetzt.
Dies ermöglicht
eine maximale Beschleunigung und maximale Geschwindigkeit des Kolbens
und reduziert den Verschleiß der
Ventile.
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Die Zeitpunkte bzw. Wegpunkte entlang
des Verfahrweges in der Richtung X, an denen die einzelnen Brems-und
Dämpfungsphasen
begonnen werden, werden von der Steuereinheit 28 entweder
nach einem vorgegebenen, beispielsweise über die Eingabeeinrichtung 30 eingegebenen
oder eingestellten Programm oder in Abhängigkeit von Sys temparametern,
welche über
die Sensoren 10, 20, 22 und 24 ermittelt
werden, bestimmt. Dabei wird insbesondere die bewegte Masse oder
ein für
die bewegte Masse repräsentativer
Wert berücksichtigt,
da bei einer großen
bewegten Masse aufgrund deren größerer kinetischer
Energie ein früheres
Abbremsen erforderlich ist als bei einer geringeren bewegten Masse.
Die Systemparameter werden dabei während des aktuell zu steuernden
Bewegungsvorganges oder in vorangegangenen Bewegungsdurchgängen ermittelt,
so dass das System im Betrieb an aktuelle Systemparameter angepasst
werden. Es kann somit eine sehr genaue Steuerung bzw. Regelung auch
für unterschiedlich
bewegte Massen erreicht werden. Dabei kann die bewegte Masse um
100% variieren. Ferner kann das Steuersystem an eine beliebige Systemkonfiguration,
d. h. verwendete Pneumatikkomponenten, insbesondere auch Zylinder
mit einseitiger Kolbenstange, kolbenstangenlose Zylinder und Schwenkantriebe,unterschiedliche
bewegte Massen und Betriebslagen angepasst werden. In der Steuereinheit 28 können für bestimmte
Massen vorgegebene Bremspunkte abgespeichert sein, welche bereits vorher
experimentell ermittelt wurden. Im Betrieb können dann auf Grundlage der
ermittelten Systemparameter für
eine bestimmte ermittelte bewegte Masse die richtigen Bremspunkte
mit Hilfe eines Fuzzy-Systems approximiert werden. Dabei werden Zwischenwerte
zwischen den gespeicherten Werten approximiert, welche das Verhältnis zwischen
bewegter Masse und Bremspunkt wiederspiegeln.
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2 zeigt
schematisch den Aufbau des erfindungemäßen Steuerungsmodul bzw. der
erfindungsgemäßen Steuereinheit 28.
Das erfindungsgemäße Dämpfungsverfahren
wird kurz als NEED-Verfahren, d. h. als Neuro-Fuzzy-Elektronische-Endlagen-Dämpfung bezeichnet.
Das Steuerungsmodul erhält
Benutzereingaben über
die Eingabeeinrichtung 30. Ferner sind mit dem Steuerungsmodul 28 die
Sensoren 10, 20, 22 und 24 (siehe 1) verbunden. Die Steuereinheit 28 betätigt als
Aktoren die Schaltventile 12, 14, 16 und 18,
welche anhand von 1 erläutert wur den.
Das Steuerungsmodul 28 bzw. die Steuereinheit 28 weist
drei Module 36, 38 und 40 auf. Das erste
Modul 36 ist ein Parkmodul, welches dazu dient, den Kolben 4 in
eine vorgegebene Parkposition vorzugsweise an einer der Endlagen 32 und 34 vor
Beginn der Beschleunigungsphase zu bringen. Dabei erfolgt nur eine
langsame Bewegung, welche durch Pulsen des Belüftungsventils 12 oder 16 je
nach Bewegungsrichtung des Kolbens 4 erreicht wird. Das
zweite Modul 38 ist das Modul zur Endlagendämpfung bzw.
das NEED-Modul, welches die zuvor beschriebene Steuerung bzw. Regelung zum
Beschleunigen und Abbremsen des Kolbens 4 ausführt. Das
dritte Modul 40 ist ein Startmodul 40, welches
die beschriebene Vorspannung des Kolbens durch Belüften beider
Zylinderkammern 6 und 8 steuert. Übergeordnet über diese
drei Module 36, 38 und 40 ist ein Metasystem 42,
welches auf Grundlage der von den Sensoren 10, 20, 22 und 24 ermittelten
Werfe und von Benutzerangaben entscheidet, welches der drei Module 36, 38 und 40 aktiviert
werden soll, um die Aktoren 12, 14, 16 und 18 zu
betätigen.
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Auch wenn das erfindungsgemäße Verfahren
am Beispiel eines linearen Pneumatikzylinders beschrieben wurde,
lässt sich
das Verfahren entsprechend auch bei anderen pneumatischen oder hydraulischen
Aktuatoren, beispielsweise Rotoren einsetzen. Ferner ist das Verfahren
auch bei einseitig wirkenden Aktuatoren anwendbar, bei welchen der Fluiddruck
gegen eine Federkraft wirkt.
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- 2
- Zylinder
- 4
- Kolben
- 6
- Vordere
Zylinderkammer
- 8
- Hintere
Zylinderkammeer
- 10
- Positionserfassungssystem
- 12,
16
- Belüftungsventile
- 14,
18
- Entlüftungsventile
- 20
- Versorgungsleitung
- 22,
24, 26
- Drucksensoren
- 28
- Steuereinheit
- 30
- Eingabeeinrichtung
- 32,
34
- Endlagen
- 36
- Parkmodul
- 38
- NEED-Modul
- 40
- Startmodul
- 42
- Metasystem
- X
- Bewegungsrichtung