DE1253053B - Nachfolgesteuerung - Google Patents

Description

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AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 60-30

Nummer: 1253 053
Aktenzeichen: M 503501 a/60

1 253 053 Anmeldetag: 19. September 1961

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Die Erfindung betrifft eine Nachfolgesteuereinrichtung für einen mit einem strömenden Medium arbeitenden Stellantrieb zur Verlagerung eines beweglichen, veränderlichen äußeren Kräften ausgesetzten Körpers gegenüber einem ruhenden Körper, bei der ein Hilfssteuerorgan vorgesehen ist, das verschieblich im beweglichen Körper gelagert ist und gemeinsam mit einem eigentlichen Steuerorgan die Druckmittelzufuhr für den Stellantrieb beeinflußt, wobei es bei sich verändernden auf den beweglichen Körper ausgeübten Kräften eine Relativbewegung zum beweglichen Körper und zum Steuerorgan ausführt und dabei den Druckmittelstrom so steuert, daß eine der Stellung des Steuerorgans nicht entsprechende Verlagerung des beweglichen Körpers ausgeglichen wird.

Bekannt ist eine mit Druckluft betriebene Einrichtung dieser Art, bei der das Hilfssteuerorgan von einem Doppelsitzventil gebildet wird, dessen erster Sitz von dem beweglichen Körper und dessen zweiter Sitz vom Ende eines am eigentlichen Steuerorgan angeordneten Rohrs gebildet wird. Falls die Ventilsitze in einer Ebene liegen, sperrt das Ventil sowohl den Zufluß als auch den Abfluß des auf den beweglichen Körper einwirkenden Druckmittels. Falls sich dagegen z. B. das Steuerorgan um einen gewissen Betrag aus dem beweglichen Körper heraus verlagert, ruht zwar der Ventilteller des Ventils weiter auf seinem ersten Sitz und sperrt somit die Druckmittelzufuhr, wohingegen der zweite Sitz vom Ventilteller abgegeben wird, so daß Druckmittel aus dem Druckraum entweichen und der bewegliche Körper infolge des Druckabfalls dem eigentlichen Steuerorgan so weit folgen kann, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt.

Ein derartiges Arbeitsprinzip entspricht den ebenfalls bekannten Nachfolgesteuersystemen, welche mit zwei im entgegengesetzten Sinn wirkenden Ventilen arbeiten, von denen das eine die Druckmittelzufuhr in den Druckraum und das andere den Druckmittelabfluß aus dem Druckraum steuert.

Derartige Systeme sind mit dem schwerwiegenden Nachteil verbunden, daß sie vergleichsweise grob arbeiten und für Präzisionsmaschinen und Apparate nicht geeignet sind. Die Ursache für diese nicht hinreichend feinfühlige Arbeitsweise ist darin zu suchen, daß die Ventile bzw. das Doppelsitzventil nach der Art einer Zweipunktsteuerung arbeiten, indem sie entweder den Zu- bzw. Abfluß öffnen oder schließen.

Ein Mittel, um diesen Nachteil zu überwinden, besteht darin, unter allen Umständen einen Flüssigkeits-

Nachfolgesteuerung

Anmelder:
Mecanorga S. A., Genf (Schweiz)
Vertreter:

Dipl.-Ing. D. Jander und Dr.-Ing. Μ. Böning,
Patentanwälte, Berlin 33, Hüttenweg 15

Beanspruchte Priorität: Schweiz vom 3. Oktober 1960 (11105)

strom sowohl beim Einlaß- als auch beim Auslaßventil aufrechtzuerhalten, anstatt sie im erwünschten Gleichgewichtszustand völlig zu schließen. Diese Lösung bringt aber einen neuen Nachteil mit sich,

ao der darin besteht, daß der Abstand zwischen dem steuernden und dem gesteuerten Organ von den auf letzteres einwirkenden Kräften abhängt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nachfolgesteuerung der eingangs beschriebenen Art

as dahingehend weiterzuentwickeln, daß mit ihr der Abstand zwischen dem steuernden und dem gesteuerten Organ unabhängig von den äußeren Kräften möglichst konstant gehalten werden kann, um so eine erhöhte Nachfahrgenauigkeit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Hilfssteuerorgan zusammen mit dem ihm gegenüberliegenden eigentlichen Steuerorgan einen Drosselspalt bildet, durch den Druckmittel in einen im Inneren des Hilfssteuerorgans gelegenen Raum fließt, welcher einerseits mit dem Stellantrieb und andererseits über einen Auslaß konstanten Querschnitts mit einer Abströmöffnung im beweglichen Körper in Verbindung steht, wobei der Querschnitt des Drosselspalts veränderlich ist und das HiIfssteuerorgan eine Ausgleichsbewegung ausführt, die es um einen Betrag näher an eine angrenzende Wand des beweglichen Körpers oder von dieser wegführt, der dem Betrag entspricht, um den sich das Ende des Steuerorgans dem Hilfssteuerorgan nähert bzw. sich von diesem entfernt.

Der Hauptteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß mit ihr durch die ständige Kontrolle und gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung der Stellung des Hilfssteuerorgans gegenüber dem steuernden und gesteuerten Organ eine praktisch auch kleinste Lageveränderungen sofort ausgleichende Steuerung möglich ist. Auf Grund der hohen

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erzielbaren Arbeitsgenauigkeit eignet sich die erfindungsgemäße Einrichtung unter anderem besonders für den Einsatz im Präzisionswerkzeugmaschinenbau.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform nach der Erfindung,

F i g. 2 die schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung,

F i g. 3 bis 6 verschiedene Stellungen der Steuerorgane der Einrichtung nach F i g. 1.

In F i g. 1 ist ein beweglicher Körper, und zwar beispielsweise der Support einer Werkzeugmaschine, der sich auf Gleitschienen 2 verschieben läßt, die an einem ruhenden Körper 3 angeordnet sind. Die Bewegung des Körpers 1 wird von einem Steuerorgan 4 gesteuert, das entweder von Hand oder automatisch betätigbar ist.

Zur Verschiebung des beweglichen Körpers 1 in Arbeitsrichtung dient ein Kolben 5, der in einem Zylinder 6 hin- und hergeht und mit einem strömenden Medium aus einer Servovorrichtung beaufschlagt wird, die ihrerseits durch die Stellung des Steuerorgans 4 beeinflußt wird. Der Kolben 5 ist fest mit dem ruhenden Körper 3 verbunden, während der Zylinder6 ein Teil des beweglichen Körpers! ist; auch eine umgekehrte Anordnung ist denkbar.

Zur Rückführung des beweglichen Körpers in seine Ausgangsstellung wird ausschließlich die Servovorrichtung verwendet.

Die Servovorrichtung zur Steuerung des Druckes im Zylinder 6 weist einen Verteilerkopf 7 auf, der ständig den Abstand eines Hilfssteuerorgans 9 vom Ende 8 des Steuerorgans 4 kontrolliert. Das Hilfssteuerorgan steuert in Abhängigkeit von seiner Stellung gegenüber dem äußeren Ende 8 des Steuerorgans 4 den Druck des Mediums im Zylinder 6.

Das Druckmittel wird über einen Kanal 10 in eine Ausnehmung 14 im beweglichen Körperl geleitet. Von hier aus kann es über den veränderlichen Drosselspalt zwischen dem Hilfssteuerorgan 9 und dem Ende 8 des Steuerorgans 4 in einen Raum 15 gelangen, der einerseits über einen Auslaß 16 konstanten Querschnitts mit einer Ablauföffnung 17 und andererseits über einen Kanal 18 mit dem Zylinder 6 in Verbindung steht.

Das Hilfssteuerorgan 9 führt bei der Druckmittelsteuerung gegenüber dem beweglichen Körper 1 eine Kompensationsbewegung aus, wobei es sich der Wand 19 des beweglichen Körpers 1 in einem Ausmaß nähert oder wobei es sich von dieser in einem Ausmaß entfernt, welches dem Ausmaß entspricht, um das es sich dem Ende 8 nähert oder um das es sich von diesem entfernt. Das Hilfssteuerorgan 9 ist als Schieber ausgebildet, der die Neigung hat, sich unter der Wirkung des Drucks des strömenden Mediums im Raum 15 vom Ende 8 zu entfernen. Dieser Druck wirkt auf eine Fläche, die gleich dem Unterschied zwischen den Teilen des Verteilerkopfes 7 und dem Kolbenstangenende 20 des Hilfssteuerorgans 9 ist und der dem Druck in einem zweiten Raum 21, welcher auf die Oberfläche einer Schulter 2 einwirkt, entgegengerichtet ist.

Der große Durchmesser der Schulter 22 ist gleich demjenigen des Verteilerkopfes 7, während der kleine Durchmesser der gleiche ist wie derjenige des Kolbenstangenendes 20 des Hilfssteuerorgans 9. Die nutz-

bare Oberfläche der Schulter 22 ist daher gleich der Differenz der Flächen zwischen dem Verteilerkopf 7 und dem Kolbenstangenende 20 des Hilfssteuerorgans 9.

Der Druck im Raum 21 hängt von zwei öffnungen ab: Die erste, veränderliche Abmessungen aufweisende öffnung verbindet den Raum 21 mit der Druckmittelquelle über einen Durchlaß zwischen einer ebenen Gegenfläche 23, die parallel zu der ίο ebenen Fläche des Endes 8 verläuft, und der Oberfläche 24 der Schulter 22. Die Gegenfläche 23 wird durch die Oberfläche eines Ringes 25 gebildet, der mit dem beweglichen Körper 1 fest verbunden ist. Die zweite, konstante Abmessungen aufweisende öffnung, deren Querschnitt dem Querschnitt des Auslasses 16 entspricht, besteht aus einem Auslaß 26, der zwischen dem Raum 21 und der Abstromöffnung 17 liegt, die ins Freie führt. Unter den geschilderten Bedingungen ist der Druck des strömenden Mediums in den beiden ao Räumen 15 und 21 gleich groß, wenn der Abstand von der Schulter 22 des Hilfssteuerorgans 9 zur Gegenfläche 23 des an dem beweglichen Organ befestigten Ringes 25 der gleiche ist wie der Abstand des Verteilerkopfes 7 vom Hilfssteuerorgan 9 und as vom Ende 8.

Der Druck, der auf die beiden einander gegenüberliegenden Flächen der Ausnehmung 27 zwischen dem Kopf 7 und der Schulter 2 ausgeübt wird, ist ohne Einfluß.

In der Gleichgewichtsstellung des Hilfssteuerorgans9 müssen die einander entgegenwirkenden Kräfte, die das Organ halten, gleich sein, und bei gleicher Größe der Flächen, auf welche die Drücke wirken, muß der Druck des strömenden Mediums in den Räumen 15 und 21 ebenfalls der gleiche sein. Mit anderen Worten, in den beiden Leitungssystemen für das Medium müssen die Drücke am Eingang und der Querschnitt der Ausgangsöffnung gleich groß sein. Die Gleichheit der Drücke ergibt sich, wenn die Eintrittsöffnungen gleich groß sind, d. h. wenn der Abstand der Schulter 22 von dem Ring 25 der gleiche ist wie derjenige des Verteilerkopfes 7 von der benachbarten ebenen Fläche des Endes 8. Dies bedeutet gleichzeitig, daß der bewegliche Körper 1 unter dem Einfluß der Gegenkraft, der er ausgesetzt ist, seinerseits eine Verschiebung erfährt, die derjenigen des Steuerorgans gleich groß und entgegengesetzt gerichtet ist.

.Das Hilfssteuerorgan9 wird in einem Lager28 geführt, in welchem ein Schmiermittel vorhanden sein kann. Das unter Druck befindliche strömende Medium, welches aus den Räumen 15 und 21 kommt und durch den sehr kleinen Spielraum zwischen dem Hilfssteuerorgan 9 und den Ringen 29 und 30 strömen kann, gelangt in die Kammern 31 und 32, die über die Abströmöffnung 17 mit der Umgebung in Verbindung stehen.

Der geringe Abstand zwischen dem EndeS des Steuerorgans und der entsprechenden Fläche 19 des beweglichen Körpers 1 sowie die Breite der Überdeckung haben zur Folge, daß die Druckmittelverluste zwischen diesen beiden Flächen vernachlässigbar klein sind.

In der einfachsten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes nach F i g. 1 erhält der Zylinder 6 das strömende Medium aus dem Raum 15 unmittelbar durch den Kanal 18, der diesen Raum 15 mit dem Zylinder 6 verbindet. Es kann jedoch

Claims (1)

1 zweckmäßig sein, den Flüssigkeitsstrom zu verstärken, der dazu dient, die Verschiebung des beweglichen Körpers 1 gegenüber der Steuervorrichtung zu bewirken. In diesen Fällen kann die Vorrichtung gemäß der abgeänderten Ausführungsform nach F i g. 2 modifiziert werden, bei welcher der Druck des antreibenden Mediums durch die Druckmittelmenge zwischen zwei Öffnungen bestimmt wird, die größer sind als diejenigen, die den Druck des Mediums in den Steuerkreisen regeln. Die Eintrittsöffnung kann beispielsweise eine Bohrung 12 mit feststehenden Abmessungen sein, die es zuläßt, daß eine bestimmte Druckmittelmenge von dem Kanal 10 abgeleitet wird, um in dem Zylinder 6 wirksam zu werden, sowie von dem Teil der Ausgangsöffnung 33 mit den veränderlichen Abmessungen durch Verschiebung der Regelungsanschläge 34, 35 in Abhängigkeit von der Stellung eines Schiebers 13, der in den Kanal 18 eingeschaltet ist und der andererseits für die Gleichheit der Drücke des Steuermediums und des Treib- ao mediums sorgt. Eine derartige Konstruktion würde es ermöglichen, verschiedene Druckmittel zu benutzen, indem man die Druckmittelmenge, die durch die Bohrung 12 fließt, nicht vom Kanal 10 ableitet, sondern von as einer anderen Quelle eines anderen strömenden Mediums. Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet wie folgt: Angenommen, das ganze System sei im Gleichgewicht und die äußere Kraft, die auf den beweglichen Körper 1 im Sinn des Pfeils 36 wirkt (F i g. 1), sei durch das in dem Zylinder 6 enthaltene strömende Medium kompensiert. Betätigt man nun das Steuerorgan 4 in einem solchen Sinn, daß das äußere Ende 8 bestrebt ist, sich von dem Verteilerkopf 7 des Hilfssteuerorgans 9 zu entfernen, so wird zunächst die Vergrößerung des Durchlaßquerschnitts zwischen dem Verteilerkopf 7 und dem Ende 8 eine Druckerhöhung im Raum 15 und damit auch im Kanal 18 und in dem Zylinder 6 bewirken. Die auf den beweglichen Körper 1 ausgeübte Kraft nimmt zu, und dieser beginnt, sich im selben Sinn wie das Ende 8 des Steuerorgans 4 zu verschieben. Eine neue Gleichgewichtsstellung wird erreicht werden, wenn der bewegliche Körper 1 und das Hilfssteuerorgan 9 einen Weg zurückgelegt haben, der gleich groß und gleichgerichtet ist wie derjenige des äußersten Endes 8 des Steuerorgans 4, ohne daß sich hierbei die Stellung des beweglichen Körpers 1 in bezug auf das Hilfssteuerorgan 9 ändert. Das bedeutet nichts anderes, als daß der bewegliche Körper 1 sehr genau den Verschiebungen des Endes 8 des Steuerorgans 4 folgt. In jeder Gleichgewichtslage des Systems gleicht die vom Medium im Zylinder 6 ausgeübte Kraft die äußere Kraft aus. Die Stärke der Ausgleichskraft hängt einzig und allein von dem Druck des Mediums ab und infolgedessen von der Entfernung des Verteilerkopfes 7 vom Ende 8 des Steuerorgans 4. Jedem Wert der äußeren Kraft entspricht also eine bestimmte Stellung des Hilfssteuerorgans 9 in bezug auf das Ende 8 des Steuerorgans 4. Das Verhaletn der erfindungsgemäßen Einrichtung bei Änderungen der äußeren Kraft wird an Hand der F i g. 3 bis 6 erläutert. In F i g. 3 liegt der bewegliche Körper 1 infolge des im Zylinder 6 (vgl. Fig. 1) wirkenden Drucks gegen 053 den Arm 8 des eigentlichen Steuerorgans 4 an. Das Hilfssteuerorgan 9 befindet sich im Gleichgewicht, da die Drücke in den Räumen 21 und 15 infolge gleichen Abstandes zwischen den Flächen 24 und 23 und zwischen den Flächen 37 und 38 gleich sind. Sobald auf den beweglichen Körper 1 eine erhöhte Kraft36 (vgl. Fig. 1) ausgeübt wird, ist dieser bestrebt, sich in Richtung des Pfeils 39 in F i g. 4 zu bewegen. Unterstellt man, daß das Hilfssteuerorgan 9 durch Reibungsschluß zunächst diese Ausweichbewegung des Teils 1 mitmacht, so ergibt sich die in F i g. 4 dargestellte Situation, bei welcher der Abstand zwischen den Flächen 37 und 38 größer ist als der Abstand zwischen den Flächen 23 und 24. Infolge der ungleichen Abstände steigt der Druck im Raum 15 (größerer Strömungsquerschnitt zwischen 37 und 38) gegenüber dem Druck im Raum 21 an (unveränderter Strömungsquerschnitt zwischen 23 und 24). Der entstehende Druckunterschied stört das Gleichgewicht des Hilfssteuerorgans 9 und verschiebt dieses in Richtung des Pfeils 40 in F i g. 5. Durch die Verschiebung des Hilfssteuerorgans 9 wird der Abstand zwischen den Flächen 37 und 38 noch größer als in F i g. 4, und der Druck im Raum 15 steigt über den Wert hinaus, welcher erforderlich wäre, um den beweglichen Teil 1 in einer neuen Ausweichlage (F i g. 4) zu halten. Der Drucküberschuß bewirkt eine Rückverlagerung des beweglichen Teils 1 in Richtung des Pfeils 41 in F i g. 6. Gleichzeitig mit dieser Verlagerung wird der Abstand zwischen den Flächen 37 und 38 verringert. In der in F i g. 6 gezeigten Stellung ist er wieder gleich dem Abstand zwischen den Flächen 23 und 24, so daß das Hilfssteuerorgan 9 sich erneut in einer Gleichgewichtslage befindet, in welcher allerdings die Drücke in den Räumen 21 und 15 entsprechend der erhöhten äußeren Kraft 36 höher sind. Es liegt auf der Hand, daß die im vorstehenden schrittweise beschriebenen Teilvorgänge tatsächlich gleichzeitig ablaufen und daß sich daher das Ende 8 des Steuerorgans 4 praktisch nicht vom Ring 25 abhebt, sondern stets einwandfrei satt anliegt, so daß eine außerordentlich genaue Steuerung möglich ist. Da nun die Fläche des Verteilerkopfes 7 sehr klein ist im Vergleich zu derjenigen des Querschnitts des Zylinders 6, hat die Steuervorrichtung nur sehr kleine Kräfte zu überwinden und kann infolgedessen auch sehr kleine Abmessungen haben und sehr feinfühlig arbeiten. Patentansprüche:

1. Nachfolgesteuereinrichtung für einen mit einem strömenden Medium arbeitenden Stellantrieb zur Verlagerung eines beweglichen, veränderlichen äußeren Kräften ausgesetzten Körpers gegenüber einem ruhenden Körper, bei der ein Hilfssteuerorgan vorgesehen ist, das verschieblich im beweglichen Körper gelagert ist und gemeinsam mit einem eigentlichen Steuerorgan die Druckmittelzufuhr für den Stellantrieb beeinflußt, wobei es bei sich verändernden, auf den beweglichen Körper ausgeübten Kräften eine Relativbewegung zum beweglichen Körper und zum Steuerorgan ausführt und dabei den Druckmittelstrom so steuert, daß eine der Stellung des Steuerorgans nicht entsprechende Verlagerung des beweglichen Körpers ausgeglichen wird,