DE10355250A1

DE10355250A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Leckage-Ermittlung

Info

Publication number: DE10355250A1
Application number: DE2003155250
Authority: DE
Inventors: Jan Bredau; Volker Nestle
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: DE10355250B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Leckage-Ermittlung bei einer Arbeitseinrichtung (1) mit einem Arbeitszylinder (2) oder Ventil und einem darin geführten Bewegungsglied (3) vorgeschlagen, um das Bewegungsglied (3) durch ein Druckmedium zu einer Arbeitsbewegung anzutreiben, wobei das Druckmedium aus einer Druckmittelkammer (6) bereitgestellt wird, ein in Zuführungsleitungen (5, 8, 9) zwischen Druckmittelkammer (6) und dem Arbeitszylinder/Ventil (2) angeordneter Drucksensor (14) den Druck des Druckmediums erfasst und wobei aufgrund der Druckschwankung ein Verlust des Druckmediums ermittelt wird. Ein in den Zuführungsleitungen (5, 8, 9) angeordneter Volumenstromsensor (16) erfasst den Volumenstrom (Q) des fließenden Druckmittels während der Arbeitsbewegung des Bewegungsglieds (3), wobei aufgrund einer physikalischen Gleichung der Druckmesswert (p) und der Volumenstrommesswert (Q) zueinander in eine mathematische Beziehung gebracht werden. Bei ordnungsgemäßem Betrieb ohne Leckage werden die Koeffizienten der physikalischen Gleichung auf die Arbeitseinrichtung (1) angepasst, um diese auf die tatsächliche Arbeitsbewegung des Bewegungsglieds (3) anzupassen, wobei bei Abweichen des gemessenen Druckmesswerts (p) oder des gemessenen Volumenstrommesswerts (Q) von einem Referenzmesswert bei einer vorgegebenen Position des Bewegungsglieds (3) oder bei Abweichen der über die physikalische Gleichung ermittelten Position (x) oder Geschwindigkeit (v) des Bewegungsglieds (3) von dessen ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leckage-Ermittlung bei einer Arbeitseinrichtung mit einem Aktor, insbesondere ein Arbeitszylinder oder pneumatisches Ventil, und einem darin geführten Bewegungsglied, um dieses durch ein Druckmedium zu einer Arbeitsbewegung anzutreiben, wobei das Druckmedium aus einer Druckmittelkammer bereitgestellt wird, ein in Zuführungsleitungen zwischen Druckmittelkammer und dem Aktor angeordneter Drucksensor den Druck des Druckmediums erfasst und wobei aufgrund der Druckschwankung ein Verlust des Druckmediums ermittelt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Arbeitseinrichtung mit Mitteln zur Leckageermittlung.

Aus der DE 19628221 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Betriebspositionen einer Arbeitseinrichtung bekannt. Die Betriebsposition wird aufgrund einer Druckmessung bei einem pneumatischen Druckmedium innerhalb der Zuführungsleitungen zwischen einer Druckmittelkammer und dem Arbeitszylinder bestimmt. Die Betriebsposition des Bewegungsglieds innerhalb des Arbeitszylinders wird auf der Grundlage des bei der Arbeitsbewegung zeitabhängig auftretenden Verbrauchs an zugeführtem pneumatischen Druckmedium ermit telt, indem man mit dem Verbrauch zusammenhängende Messwerte erfasst und mit einer Referenzwerteaufzeichnung vergleicht. Die gezeigte Arbeitseinrichtung weist mehrere, über die Zuführungsleitung verbundene Arbeitszylinder auf, die jeweils ein Bewegungsglied aufweisen, der den Arbeitszylinder in zwei Druckräume unterteilt. Aufgrund eines elektrisch ansteuerbaren Ventils wird das Druckmedium entweder über eine Zuführungsleitung in den Druckraum einerseits des Bewegungsglieds oder über eine weitere Zuführungsleitung andererseits des Bewegungsglieds in den Arbeitszylinder verbracht. Das Bewegungsglied ist innerhalb des Arbeitszylinders dadurch verfahrbar und ist mit einem Kraftübertragungsmittel, beispielsweise einem Pleuel oder einer Kolbenstange, mit dem zu bewegenden Bauteil einer Werkzeugmaschine verbunden. Der Druckmesssensor ist in der Zuführungsleitung zwischen Druckmittelkammer und den elektrisch betätigbaren Ventilen angeordnet, und der Druckverlauf wird mit einer Referenzkurve bei einer Auswerteeinheit verglichen, woraus die Ist-Position der einzelnen Bewegungsglieder durch ein Vergleichsmittel bestimmbar ist. Eine Leckagemessung ist bei dieser Arbeitseinrichtung nicht vorgesehen.

Die WO 97/05395 zeigt ein Verfahren und eine Arbeitseinrichtung zum Testen einer hydraulischen Vorrichtung, die bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Indem die Kolben in den Arbeitszylindern, vor dem Einsatz der Vorrichtung bei einem Verkehrsmittel, ohne Fluid leer laufen, wird eine Vakuum- Signatur der Arbeitszylinder aufgezeichnet. Beim Befüllen der Arbeitszylinder mit dem hydraulischen Fluid wird eine Füll-Signatur erzeugt. Aufgrund der beiden Signaturen wird entschieden, ob die Vorrichtung zum Einsatz beim Verkehrsmittel geeignet ist. Das Verfahren wird an der Vorrichtung angewandt, bevor die Vorrichtung im Verkehrsmittel eingebaut bzw. dort im Betrieb ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Arbeitseinrichtung zu beschreiben, die eine Leckage-Ermittlung bei einer Arbeitseinrichtung in deren bestimmungsgemäßem Betrieb offenbaren, wobei die Leckage-Ermittlung aufgrund gemessener Sensorwerte erfolgt, die während des Arbeitsbetriebes dynamisch ermittelt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Danach erfasst ein in den Zuführungsleitungen angeordneter Volumenstromsensor den Volumenstrom des während der Arbeitsbewegung des Bewegungsglieds fließenden Druckmittels, der Druckmesswert und der Volumenstrommesswert werden zueinander aufgrund einer physikalischen Gleichung in eine mathematische Beziehung gebracht, und die Koeffizienten der physikalischen Gleichung werden bei ordnungsgemäßem Betrieb ohne Leckage auf die Arbeitseinrichtung angepasst, um diese auf die tatsächliche Arbeitsbewegung des Bewegungsglieds abzustimmen. Bei Abweichen des gemessenen Druckmesswerts oder des gemessenen Volumenstrommesswerts von einem Re ferenzmesswert bei einer vorgegebenen Position des Bewegungsglieds oder bei Abweichen der über die physikalische Gleichung ermittelte Position oder Geschwindigkeit des Bewegungsglieds von dessen gemessener Position/Geschwindigkeit oder Referenzposition bzw. -geschwindigkeit wird eine Leckage des Druckmediums festgestellt.

Das Verfahren ermöglicht die Ermittlung der Leckage an einem Aktor, insbesondere ein Arbeitszylinder oder ein pneumatisches Ventil, während der Arbeitsbewegung der Arbeitseinrichtung. Dabei wird ein gemessener Druckmesswert und ein gemessener Volumenstrommesswert verwendet. Für die Arbeitseinrichtung wird eine Modellbeziehung aufgrund einer physikalischen Gleichung entwickelt. Die Modellbeziehung basiert auf der vollständigen Bilanzierung der Volumenströme unter Berücksichtigung des Druckaufbaus bei der dynamischen Bewegung des Bewegungsglieds. Im leckagefreien Betrieb der Arbeitseinrichtung lässt sich aufgrund der physikalischen Gleichung aus den beiden Messwerten die Position oder die Geschwindigkeit des Bewegungsglieds ermitteln.

Im Folgenden wird das Verfahren bei einem Arbeitszylinder beschrieben, es ist aber auch bei einem pneumatischen Ventil einsetzbar. Grundlage für die Modellbeziehung zwischen Druck, Volumenstrom und Position des Bewegungsglieds ist folgende physikalische Gleichung:

Dabei bedeuten die Variablen folgendes: V ist das Volumen im Arbeitszylinder, dV/dt die Volumenänderung im Arbeitszylinder durch die Arbeitsbewegung des Bewegungsglieds, p ist der Druck an der Messposition und dp/dt der Druckgradienten im Volumen. Die physikalische Gleichung für den Betriebsvolumenstrom berücksichtigt die in das Volumen zu- und abfließenden Volumenströme einschließlich der Leckagen. Die Volumenänderung dV/dt entspricht beim Arbeitszylinder dem Produkt aus Kolbenfläche A des Bewegungsglieds und der Arbeitszylinder-Bewegungsgeschwindigkeit v. Damit ist die Arbeitsgeschwindigkeit v des Bewegungsglieds mit den Volumenströmen Q und dem Druck p verknüpft. Durch die Integration der Arbeitsgeschwindigkeit des Bewegungsglieds ist aber auch die Momentanposition x des Bewegungsglieds bestimmbar.

Der Drucksensor ist in eine von zwei Zuführungsleitungen des Arbeitszylinders eingebaut, die zu dem auf der Seite des Kraftübertragungsmittels des Bewegungsglieds angeordneten Zylinderraum führt. Neben dem Drucksensor kann auch der Volumenstromsensor in eine der beiden Zuführungsleitungen des Arbeitszylinders eingebaut sein. Bevorzugt ist der Drucksensor nahe am Zylinderanschluss des Arbeitszylinders angeordnet, und der Volumenstromsensor wird auf der vom Zylinderanschluss entfernten Seite des Drucksensors in der Zuführungsleitung angeordnet. Der Volumenstromsensor muss bidirektional arbeiten, da für die Auswertung die in den Zylinder zu- und abfließenden Volumenströme zu berücksichtigen sind. Ferner sollte der Volumenstromsensor eine kurze Ansprechzeit besitzen, damit die dynamischen Effekte, insbesondere beim Wechsel der Bewegungsrichtung des Bewegungsglieds, erfasst werden können. Werden die beiden Sensoren auf der Seite der Kolbenstange des Bewegungsglieds in die Zuführungsleitung zum Arbeitszylinder eingefügt, so kann dabei bestimmt werden, ob der Druckmittelverlust im Bereich des Arbeitszylinders oder in den vorgeschalteten Zuführungsleitungen oder der Druckmittelkammer erfolgt. Erfolgt die Leckage innerhalb des Arbeitszylinders, so ist bei dieser sogenannten internen Leckage ein Abfluss des Druckmittels über die Kolbendichtungen des Bewegungsglieds zu erwarten, während bei einer externen Leckage der Druckmittelverlust bei der vorgeschalteten Zuführungsleitung, der Druckmittelkammer oder bei der Kolbenstangendichtung erfolgt.

Die physikalische Gleichung für den Betriebsvolumenstrom innerhalb der Arbeitseinrichtung bringt den Druckmesswert, den Volumenstrommesswert und die Position oder Geschwindigkeit des Bewegungsglieds zueinander in eine mathematische Beziehung. Deswegen ist es möglich, bei Kenntnis der Position des Bewegungsglieds, beispielsweise in einem unteren Totpunkt, und der Kenntnis des Drucks und des Volumenstroms innerhalb der Arbeitseinrichtung, die Position oder die Geschwindigkeit des Bewegungsglieds zu berechnen. Koeffizienten in der Gleichung werden bei einem leckagefreien Betrieb derart angepasst, dass die Berechnung der physikalischen Größen mit dem jeweils gemessenen Wert, beispielsweise der Position oder der Geschwindigkeit des Bewegungsglieds, übereinstimmt. Aufgrund der Abweichung der berechneten Werte von den gemessenen Werten, die beispielsweise auch als Referenzwerte in einem Steuercomputer abgelegt sein können, lässt sich eine Leckage des Druckmittels eindeutig bestimmen. Tests zeigen, dass sich während des Arbeitsbetriebs der Arbeitseinrichtung Leckagen innerhalb des Arbeitszylinders ermitteln lassen, die kleiner als ein Milliliter/Minute sind.

Insbesondere bei der Anordnung der beiden Messsensoren auf der Kolbenstangenseite lässt sich die interne Leckage innerhalb des Systems bei den Kolbendichtringe unterscheiden von einer externen Leckage, bei der das Druckmedium aus dem System abfließt. Bevorzugt kann die Position des Bewegungsglieds aufgrund eines Endstellungsschalters bestimmt und mit der berechneten Position des Bewegungsglieds verglichen werden. Im leckagefreien Betrieb sind dabei mit den Messungen des Drucks und des Volumenstroms die Arbeitsgeschwindigkeit v des Bewegungsglieds und daraus per Integration die Position x des Bewegungsglieds direkt bestimmbar. Die dazu gehörenden Werte bzw. Funktionskurven können in einer Auswerteeinheit, beispielsweise einen Steuercomputer, als Referenzwerte bzw. Re ferenzfunktionen abgelegt sein. Beim Auftreten einer Leckage ergibt sich die Gesamtleckage aus dem Vergleich von theoretisch ermittelter Arbeitsgeschwindigkeit v oder Position x des Bewegungsglieds mit der gemessenen Arbeitsgeschwindigkeit oder Position des Bewegungsglieds. Auf die Messung der Posi- tion des Bewegungsglieds kann verzichtet werden, wenn ein Referenzsignal verwendet wird. Im praktischen Betrieb wird der Wert für die Gesamtleckage ?Q so weit erhöht, bis die theoretisch ermittelte Position des Bewegungsglieds mit dem Referenzsignal übereinstimmt. Bei den Bewegungsgliedern, welche im Arbeitszyklus verfahren werden, kann ein Positionsreferenzsignal mittels der Endschaltersignale generiert werden. Die Auswertung erfolgt hier nach dem Ablauf eines Arbeitszyklus.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Abweichung des aufgrund des Messsignals berechneten Positionswertes von dem Referenzpositionswert ein Koeffizient schrittweise erhöht, bis sich die Abweichung minimiert. Bei einer Leckage wird dann in einem ersten Schritt geprüft, ob es sich bei der ermittelten Abweichung des Positionssignals x vom Referenzsignal um eine externe Leckage handelt. Dabei wird ein Koeffizient c schrittweise so weit erhöht, bis die Abweichung des errechneten Positionssignals vom Referenzpositionssignal minimal ist. Ist die Minimierung der Positionsabweichung nahe Null, kann eindeutig eine externe Leckage diagnostiziert werden. Ist eine Minimierung nur bis zu einer ge wissen Größe möglich, so tritt zusätzlich eine interne Leckage auf. Deren Größe ergibt sich aus der Differenz der Gesamtleckage und der bei der Minimierung bestimmten externen Leckage. Das Verfahren lässt eine rechnerische Vereinfachung mit direkter Ermittlung der internen Leckage zu, wenn zusätzlich der Druck p im Arbeitszylinder gemessen wird. Analog zur Ermittlung der externen Leckage wird dann auch bei der Ermittlung der internen Leckage der Koeffizient c in der physikalischen Gleichung so lange erhöht, bis die Abweichung der theoretischen zur Referenzposition des Bewegungsglieds minimal ist.

Bevorzugt kann ein Polytropenkoeffizient n bestimmt werden, der die Temperaturänderung im Arbeitszylinder bei großen Druckänderungen berücksichtigt. In der Befüllungs- und Entleerungsphase des Arbeitszylinders, das heißt bei einem pneumatischen Druckmittel während der Belüftungs- und Entlüftungsphase, entstehen große Temperaturänderungen. Bei einer erstmaligen Referenzfahrt der Arbeitseinrichtung können die Polytropenkoeffizienten n in der Belüftungs- und Entlüftungsphase bestimmt werden. Hierzu werden wieder die über die physikalische Gleichung bestimmten theoretischen Positionswerte mit der Referenzposition des Bewegungsglieds abgeglichen. Soweit bei großen Temperaturänderungen das Druckmedium stark von der Ruhetemperatur abweicht, kann ein zusätzlicher Temperatursensor die Momentantemperatur des Druckmediums ermitteln. Dadurch kann die physikalische Gleichung verbessert werden, da der Ruhedruck bei einer festgelegten Ruhetemperatur in die physikalische Gleichung eingeht. Die erhöhten Temperaturen bei der Befüllung des Arbeitszylinders können durch die gemessenen Temperaturwerte kompensiert werden.

Das Verfahren ist insbesondere bei pneumatischen Arbeitseinrichtungen anwendbar. Es kann aber auch bei pneumatischen Motoren bzw. pneumatischen Greifern zur Leckagebestimmung herangezogen werden. Unter Abänderung der zugrundeliegenden Formeln kann aber auch eine Leckage eines anderen Druckmediums, beispielsweise eines hydraulischen Druckmediums, ermittelt werden. Die Bilanzierung beinhaltet keine Unsicherheit durch Reibungs- und Laständerungen. Denn diese werden über den gemessenen Druck am Drucksensor erfasst. Signalstörungen, zum Beispiel Rauschen, können zum Driften des errechneten Positionswertes des Bewegungsglieds führen, der durch Integration aus dem Geschwindigkeitssignal des Bewegungsglieds berechnet wird. Daher kann das Positionssignal nach jedem Arbeitszyklus mit einem Endschaltersignal auf den Anfangswert getriggert werden.

Zur Bestimmung von Befüllungsphase, stationärer Phase und Entleerungsphase des Arbeitszylinders kann der Druckgradient verwendet werden. Bezogen auf einen pneumatischen Arbeitszylinder kann zur Definition der Belüftungsphase, der stationären Phase und der Entlüftungsphase die Größe des Druckanstiegs über den Druckgradienten dp/dt zur Berechnung verwen det werden, da der Druck als Messgröße am Druckmesssensor vorliegt. Mit Schwellwerten kann dann definiert werden, wann die Größe des Polytropenkoeffizienten n wechselt. Es gilt dann für die Belüftungsphase: dp/dt > Schwellwert > 0 und für die Entlüftungsphase: dp/dt < Schwellwert < 0. In der Belüftungs- und Entlüftungsphase ergeben sich Polytropenkoeffizienten n, die von dem in der stationären Phase abweichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Leckageströme nicht, wie bei bekannten Verfahren, direkt gemessen, sondern indirekt aus Messgrößen und physikalischen Beziehungen ermittelt. Die Messgrößen sind Druck, Volumenstromsignal und ein gemessenes oder abgelegtes Positionssignal. Im leckagefreien Betrieb ist die Position indirekt aus Druck- und Volumenstrom ermittelbar. Die Leckage kann während des Arbeitsbetriebs bestimmt und in externe oder interne Anteile bezogen auf den Arbeitszylinder separiert werden. Neu an dem Verfahren sind der Einsatz eines hochdynamischen Volumenstromsensors, die Anwendung der Druckaufbaugleichung zur Leckage-Bestimmung und die Methodik zur praxisgerechten Anwendung des Verfahrens, wobei die Temperatureinflüsse und beispielsweise das sich verändernde Zylindervolumen berücksichtigt werden.

Der mathematische Zusammenhang aufgrund der physikalischen Gleichung als Basis für das erfindungsgemäße Verfahren zur Leckageermittlung wird erstmals während des Arbeitsbetriebs der Arbeitseinrichtung angewandt. Die Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Verfahrens ist eine hochdynamische Volumenstrommessung, die bisher für derartige Zwecke nicht zur Verfügung stand. Mit der zweckmäßig angeordneten Volumenstromsensorik und Erweiterung der gasdynamischen Gesetze um die Gesamtbilanzbildung mit den Leckageströmen lässt sich das Verfahren hervorragend zur Leckage-Ermittlung bei pneumatischen Arbeitseinrichtungen verwenden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch von einer Arbeitseinrichtung mit einem Arbeitszylinder und einem darin geführten Bewegungsglied gelöst, das durch ein Druckmedium zu einer Arbeitsbewegung antreibbar ist, und das mit einer Druckmittelkammer zur Bereitstellung des Druckmittels über Zuführungsleitungen versehen ist, wobei der Arbeitszylinder durch das Bewegungsglied in zwei Druckräume geteilt ist. Beide Druckräume sind jeweils mit einer Zuführungsleitung verbunden, und in eine der Zuführungsleitungen ist ein Drucksensor eingeschaltet. Erfindungsgemäß ist der Drucksensor in der Zuführungsleitung angeordnet, die zum auf der Seite des Kraftübertragungsmittels des Bewegungsglieds angeordneten Druckraum geführt ist. Der Volumenstromsensor ist in der gleichen Zuführungsleitung angeordnet.

Ausgehend von der Druckmittelkammer wird das Druckmedium über eine Zuführungsleitung zu einem Steuerventil zugeführt, von dem aus zwei Zuführungsleitungen mit jeweils einem der Druckräume des Arbeitszylinders verbunden sind. Der Drucksensor ist bevorzugt in der Zuführungsleitung vorgesehen, die zu dem Druckraum des Arbeitszylinders führt, der der Kolbenstange des Bewegungsglieds nahegelegen ist. Dadurch lässt sich der Druckverlauf in diesem Druckraum messen.

Der Drucksensor ist in der Zuführungsleitung zwischen dem Volumenstromsensor und dem Druckraum angeordnet. Durch die An-Ordnung von Drucksensor und Volumenstromsensor in derselben Zuführungsleitung, die zum Druckraum auf der Kolbenstangenseite des Arbeitszylinders führt, lässt sich eine vorliegende Leckage in einen internen und einen externen Anteil trennen. Die interne Leckage erfolgt innerhalb des Arbeitszylinders durch Kolbenüberströmung, und eine externe Leckage kann über die Kolbenstangendichtung erfolgen. Es wird bei dem zugeordneten Verfahren der Ansatz genutzt, dass die Leckagen abhängig von der Druckdifferenz über der Leckagestelle sind.

Erfindungsgemäß ist eine elektronische Auswerteeinheit vorgesehen, die aufgrund einer Volumenstrommessung und einer Druckmessung während des Arbeitsbetriebs des Bewegungsglieds aufgrund einer physikalischen Gleichung berechnet, ob eine Leckage des Druckmittels vorliegt. Die Berechnung innerhalb der Auswerteeinheit erfolgt nach dem eingangs beschriebenen Verfahren, welches zunächst in einem leckagefreien Betrieb Koeffizienten n, c der physikalischen Gleichung auf die vorliegende Arbeitseinrichtung anpasst und die aufgrund der Abweichungen der berechneten von den gemessenen Größen bei spielsweise bei der Position oder Geschwindigkeit des Bewegungsglieds eine Leckage erkennt. Die Auswerteeinheit ist insbesondere ein Steuerrechner, der auch zur Ansteuerung der elektrischen Ventile der Arbeitseinrichtung vorgesehen ist.

Die Auswerteeinheit berechnet unter Einbeziehung der gemessenen Position des Bewegungsglieds und der Messwerte der beiden Sensoren, ob eine Leckage im Bereich des Arbeitszylinders oder im Bereich der Zuführungsleitung bzw. Druckmittelkammer bzw. Stangendichtung vorliegt.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung oder in den Unteransprüchen offenbart. Es zeigen, jeweils in schematischer Darstellung:

1 eine Arbeitseinrichtung mit einem Arbeitszylinder und einer Vorrichtung zur Leckage-Ermittlung gemäß der vorliegenden Erfindung,

2 eine Ansicht des Arbeitszylinders mit den Sensoren und Arbeitsventilen gemäß der vorliegenden Erfindung,

3 eine Auswertung des Verfahrens zur Leckage-Ermittlung ohne vorhandene Leckage und

4 eine Auswertung des Verfahrens zur Leckage-Ermittlung mit einer Leckage.

Die Arbeitseinrichtung 1 weist mindestens einen pneumatisch betätigbaren Arbeitszylinder 2 auf, in dem ein Bewegungsglied 3 entlang einer Längsachse des Arbeitszylinders 2 durch Luftdruck. bewegbar ist und über eine Kolbenstange 4 mit einer nicht dargestellten Arbeitslast m gekoppelt ist. Die Arbeitslast m kann ein Bauteil einer Maschine sein, welches in einer maschinentypischen Weise verlagert werden soll.

Durch Zufuhr eines Druckmediums, insbesondere Druckluft oder auch ein flüssiges Druckmittel, wird das Bewegungsglied 3 zu seiner Arbeitsbewegung angetrieben. Gemäß der dargestellten Ausführungsform führt das Bewegungsglied 3 zwei Arbeitsbewegungen aus, bei denen das Bewegungsglied 3 einen Ausfahrhub und einen Rückhub ausführt. Die für die Arbeitsbewegung notwendige Energie liefert das pneumatische Druckmedium, das der Arbeitseinrichtung 1 über Zuführungsleitungen 5 aus einer Druckmittelquelle 6 zugeführt wird. Von der Druckmittelquelle 6 führt die zentrale Zuführungsleitung 5 zu der Arbeitseinrichtung 1, um alle vorhandenen Arbeitszylinder 2 mit dem erforderlichen Druckmedium zu versorgen. Von einem Steuerelement 7 zweigen zwei Zuführungsleitungen 8, 9 ab, die zu unterschiedlichen Druckräumen 10, 11 im Arbeitszylinder 2 führen. Ausgehend vom Steuerelement 7 führt die Zuführungsleitung 9 zum kolbenstangenseitigen Druckraum 11 des Arbeitszy linders 2. Ausgehend vom Steuerelement 7 führt die Zuführungsleitung 8 zu dem anderen Druckraum 10 innerhalb des Arbeitszylinders 2. Die beiden Druckräume 10, 11 sind durch das Bewegungsglied 3 fluiddicht voneinander getrennt.

Das Steuerelement 7 kann verschiedene Schaltstellungen einnehmen. Das Umschalten in die gewünschte Schaltstellung wird durch elektrische Betätigungssignale verursacht, die über eine elektrische Ansteuerleitung 12 von einer Steuerschaltung 13 zur Verfügung gestellt werden. Die Steuerschaltung 13 ermöglicht mindestens zwei Schaltstellungen, in denen wahlweise eine Verbindung der Zuführungsleitung 5 über die Zuführungsleitung 9 in den Druckraum 11 oder eine Zuführung des Druckmittels über die Zuführungsleitung 5 und die Zuführungsleitung 8 zum Druckraum 10 schaltbar ist. Je nach Schaltstellung des Steuerelements 7 führt dadurch das Bewegungsglied 3 eine Arbeitsbewegung innerhalb des Arbeitszylinders 2 durch.

Die Ansteuerschaltung 13 stellt Ansteuersignale über die Ansteuerleitung 12 in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge zur Verfügung, so dass über das Steuerelement 7 ein gewünschter Betriebsablauf der Arbeitseinrichtung 1 angesteuert wird. Dieser Betriebsablauf setzt sich aus einer beliebigen Anzahl identischer Arbeitszyklen zusammen, indem die Arbeitseinrichtung 1 in aufeinander abgestimmter Weise sich wiederholende Arbeitsbewegungen ausführt.

In die Zuführungsleitung 9 zum kolbenstangenseitigen Druckraum 11 ist ein Drucksensor 14 eingeschaltet, der den Druck p des Druckmediums in der Zuführungsleitung 9 misst und den erfassten Druck p an eine Druckverarbeitungseinheit 15 weiterleitet. In der Zuführungsleitung 9 und zwischen dem Drucksensor 14 und dem Steuerelement 7 ist ein Volumenstromsensor 16 angeordnet, der den gemessenen Volumenstromwert Q an eine Volumenstrom-Erfassungseinheit 17 weitergibt. Eine Auswerteeinheit 18 berechnet aus den eingehenden Signalen der Druckerfassungseinheit 15 und der Volumenstrom-Erfassungseinheit 17, ob eine Leckage bei der Arbeitseinrichtung 1 vorliegt. Ein Leckage-Steuergerät 19 steht mit der Ansteuerschaltung 13 für das Steuerelement 7 in Verbindung und greift in die Steuerung des Steuerelements 7 ein, um bei einer Leckage die geeigneten Maßnahmen durchzuführen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ermittlung einer Leckage an einem Arbeitszylinder 2 während des Betriebs der Arbeitseinrichtung 1 durch das Messen des Drucks p des Druckmediums in einer Zuführungsleitung 9 durch einen Drucksensor 14 und die Messung des Volumenstroms Q innerhalb der Zuführungsleitung 9 mittels eines Volumenstromsensors 16. Der Volumenstromsensor 16 muss bidirektional arbeiten, da für die Auswertung in der Volumenstrom-Erfassungseinheit 17 die in den Arbeitszylinder 2 zu- und abfließenden Volumenströme Q zu berücksichtigen sind.

Bevorzugt sind die beiden Sensoren 14, 16 im Druckraum auf der Seite der Kolbenstange 4 im Arbeitszylinder 2 angeordnet, wodurch sich bei dem Verfahren zur Leckage-Ermittlung bezüglich einer systeminternen Leckage über die Kolbendichtungen im Arbeitszylinder 2 oder einer systemexterne Leckage über die Stangendichtung der Kolbenstange 4 im Arbeitszylinder 2 unterscheiden lässt. Die Auswertung der Sensorsignale des Drucksensors 14 bzw. des Volumenstromsensors 16 erfolgt über eine Bilanz der zu- und abfließenden Volumenströme Q bezogen auf ein Druckmedium-Volumen V des Arbeitszylinders 2.

In 2 sind die physikalischen Zusammenhänge im Bereich des Arbeitszylinders 2 dargestellt. Der Drucksensor 14 misst den Druck p, und der Volumenstromsensor 16 misst den Volumenstrom Q. Für die Berechnung der Leckage bei dem Arbeitszylinder 2 sind als Basisgleichungen Druckaufbaubeziehungen bei bewegten Bewegungsgliedern 3 und thermodynamische Grundbeziehungen erforderlich. Es gilt für die Bilanzierung für den Volumenstrom Q in einem betrachteten Gesamtvolumen:

Das Gesamtvolumen V innerhalb des Arbeitszylinders lässt sich berechnen, während die Änderung des Volumenstroms dQ/dt durch den Volumenstromsensor 16 gemessen wird. Der Druck p wird über den Drucksensor 14 gemessen, und die Druckänderung dp/dt kann mit der Druckerfassungseinheit 15 gemessen werden.

Da die Kolbenfläche A (A_A bzw. A_B) zu beiden Seiten des Bewegungsglieds 3 bekannt ist und die Position des Bewegungsglieds 3 innerhalb des Arbeitszylinders 2 messbar ist oder in einer Endstellung über einen Endstellungsschalter bestimmbar ist, kann die mittlere Geschwindigkeit v des Bewegungsglieds 3 bei der Formel berücksichtigt werden, indem der Hub des Bewegungsglieds 3 durch die Zeitdifferenz zwischen den beiden Endpositionen geteilt wird. Die Geschwindigkeit v des Bewegungsglieds 3 ist mit der Volumenänderung dV/dt über der Zeit dadurch verknüpft, dass beim Arbeitszylinder 2 das Produkt aus Kolbenfläche A und Zylindergeschwindigkeit v der Volumenänderung dV/dt entspricht. Dadurch lässt sich einerseits der Volumenstrom aus dem Drucksignal p und der Stellung des Bewegungsglieds 3 innerhalb des Arbeitszylinders 2 berechnen und mit dem gemessenen Volumenstrom Q über den Volumenstromsensor 16 vergleichen. Wenn die beiden Werte, nämlich der berechnete und der gemessene Volumenstromwert, nicht übereinstimmen, so liegt eine Leckage vor.

Bei dem Verfahren zur Leckage-Ermittlung bei einer Arbeitseinrichtung 1 lässt sich noch zwischen interner und externer Leckage unterscheiden. Hierbei wird berücksichtigt, dass die Leckagen abhängig von der Druckdifferenz über der Leckagestelle sind. Im Fall der externen Leckage über der Stangenseite des Bewegungsglieds 3 gilt: Q = c·Δp wobei c der konstante Leckage-Leitwert und Δp die Druckdifferenz in der Arbeitseinrichtung 1 ist.

3 zeigt die physikalischen Zusammenhänge, wie sich diese beim Verfahren zur Leckage-Ermittlung ergeben. Die Kurve 20 zeigt den Hub des Bewegungsglieds 3 entsprechend der Messung mittels der Endstellungsschalter und einer linearen Interpolation des Bewegungsgliedhubs zwischen den Endpositionen. Die Kurve 21 zeigt den über die Basisgleichung ermittelten theoretischen Kolbenhub des Bewegungsglieds 3, und nach Anpassung der entsprechenden Konstanten, beispielsweise des Polytropenkoeffizienten n, der die Temperatureinflüsse berücksichtigt, ist erkennbar, dass die theoretisch berechneten Werte mit den Messwerten nahezu übereinstimmen. Die Kurve 22 gibt den relativen Fehler im Positionssignal des Bewegungsglieds 3 an und wird beispielsweise in der Auswerteeinheit 18 errechnet.

In 4 ist die Abweichung der berechneten Position des Bewegungsglieds 3 von der gemessenen Position des Bewegungsglieds 3 bei vorliegender Leckage in der Arbeitseinrichtung 1 dargestellt. Die Kurve 23 zeigt wieder den Hub des Bewegungsglieds 3 entsprechend der Messung über die Endstellungsschalter. Die Kurve 24 zeigt die berechnete Position entsprechend der Basisgleichung für das Bewegungsglied 3. Die Abweichung zwischen den beiden Kurven 23 und 24 ist deutlich, woraus die Auswerteeinheit 18 eine Leckage bei der Arbeitseinrichtung 1 erkennt und diese an das Leckage-Steuergerät 19 übermittelt. Die Kurve 25 schließlich zeigt noch die Geschwindigkeit des Bewegungsglieds 3 während seiner Arbeitsbewegung innerhalb des Arbeitszylinders 2.

Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Leckage innerhalb einer Arbeitseinrichtung 1 dadurch ermittelt, dass die Position x des Bewegungsglieds 3 einerseits gemessen und andererseits über physikalische Beziehungen über eine Basisgleichung berechnet wird. Messgrößen bzw. Größen für die Berechnung sind der Druck p, das Volumenstromsignal Q und eine gemessene oder abgelegte Position x des Bewegungsglieds 3. Bei Abweichung der gemessenen von der berechneten Position x des Bewegungsglieds 3 wird von einer Leckage in der Arbeitseinrichtung 1 ausgegangen. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass während des Betriebs der Arbeitseinrichtung 1 hinsichtlich einer internen oder externen Leckage in der Arbeitseinrichtung 1 untersucht werden kann. Neu an diesem Verfahren sind der Einsatz eines hochdynamischen Volumenstromsensors 16 und die Anwendung der Druckaufbaugleichung zur Leckage-Bestimmung.

Claims

verfahren zur Leckage-Ermittlung bei einer Arbeitseinrichtung (1) mit einem fluidischen Aktor (2) und einem darin geführten Bewegungsglied (3), um das Bewegungsglied (3) durch ein Druckmedium zu einer Arbeitsbewegung anzutreiben, wobei das Druckmedium aus einer Druckmittelkammer (6) bereitgestellt wird, ein in Zuführungsleitungen (5, 8, 9) zwischen Druckmittelkammer (6) und dem Aktor (2) angeordneter Drucksensor (14) den Druck (p) des Druckmediums erfasst und wobei aufgrund der Druckschwankung ein Verlust des Druckmediums ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Zuführungsleitungen (5, 8, 9) angeordneter Volumenstromsensor (16) den Volumenstrom (Q) des fließenden Druckmittels während der Arbeitsbewegung des Bewegungsglieds (3) erfasst, dass aufgrund einer physikalischen Gleichung der Druckmesswert (p) und der Volumenstrommesswert (Q) zueinander in eine mathematische Beziehung gebracht werden, dass bei ordnungsgemäßem Betrieb ohne Leckage die Koeffizienten (c, n) der physikalischen Gleichung auf die Arbeitseinrichtung (1) angepasst werden, um diese auf die tatsächliche Arbeitsbewegung des Bewe gungsglieds (3) abzustimmen, und dass bei Abweichen des gemessenen Druckmesswerts (p) oder des gemessenen Volumenstrommesswerts (Q) von einem Referenzmesswert bei einer vorgegebenen Position des Bewegungsglieds (3) oder bei Abweichen der über die physikalische Gleichung ermittelten Position (x) oder Geschwindigkeit (v) des Bewegungsglieds (3) von dessen gemessener Position/Geschwindigkeit oder Referenzposition bzw. -geschwindigkeit eine Leckage des Druckmediums festgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Arbeitszylinder (2) oder pneumatisches Ventil ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (14) in eine von zwei Zuführungsleitungen (8, 9) des Arbeitszylinders (2) eingebaut wird, die zu dem auf der Seite des Kraftübertragungsmittels (4) des Bewegungsglieds (3) angeordneten Zylinderraum (11) führt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass gemessen wird, ob der Druckmittelverlust im Bereich des Aktors (2) intern oder im Bereich der vorgeschalteten Zuführungsleitungen (5, 8, 9), der Druckmittelkammer (6) oder bei der Kolbenstangendichtung des Bewegungsglieds (3) extern erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Berechnung verwendete physikalische Gleichung den Druckmesswert (p), den Volumenstrommesswert (Q) und die Position (x) oder Geschwindigkeit (v) des Bewegungsglieds (3) zueinander in eine mathematische Beziehung bringt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (x) des Bewegungsglieds (3) aufgrund eines Endstellungsschalters gemessen und mit der berechneten Position des Bewegungsglieds (3) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Abweichung des aufgrund der Messsignale berechneten Positionswertes (x) von dem Referenzpositionswert des Bewegungsglieds (3) ein Koeffizient (c, n) schrittweise erhöht wird, bis sich die Abweichung minimiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Polytropenkoeffizienten (n) die Temperaturänderung bei großen Hubänderungen (Δp) im Arbeitszylinder (2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung von Befüllungsphase, stationärer Phase und Entleerungsphase des Arbeitszylinders (2) der Druckgradient (Δp) verwendet wird.
Arbeitseinrichtung mit einem fluidischen Aktor (2) und einem darin geführten Bewegungsglied (3), das durch ein Druckmedium zu einer Arbeitsbewegung antreibbar ist, und mit einer Druckmittelkammer (6) zur Bereitstellung des Druckmittels über Zuführungsleitungen (5, 8, 9), wobei der Arbeitszylinder (2) durch das Bewegungsglied (3) in zwei Druckräume (10, 11) geteilt ist, beide Druckräume (10, 11) mit jeweils einer Zuführungsleitung (8, 9) verbunden sind und in einer der Zuführungsleitungen (8, 9) ein Drucksensor (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (14) in der Zuführungsleitung (9) angeordnet ist, die zum auf der Seite des Kraftübertragungsmittels (4) des Bewegungsglieds (3) angeordneten Druckraum (11) geführt ist, und der Volumenstromsensor (16) in der gleichen Zuführungsleitung (9) angeordnet ist.
Arbeitseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (14) in der Zuführungsleitung (9) zwischen dem Volumenstromsensor (16) und dem Druckraum (11) angeordnet ist.
Arbeitseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Auswerteeinheit (18, 19) vorgesehen ist, die aufgrund einer Volumenstrommessung (Q) und einer Druckmessung (p) während des Arbeitsbetriebes des Bewegungsglieds (3) berechnet, ob eine Leckage des Druckmittels vorliegt.
Arbeitseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (15, 17, 18, 19) unter Einbeziehung der gemessenen Position des Bewegungsglieds (3) und der Messwerte der beiden Sensoren (14, 16) berechnet, ob eine Leckage im Bereich des Arbeitszylinders (2) oder im Bereich der Zuführungsleitungen (5, 8, 9) bzw. der Druckmittelkammer (6) vorliegt.