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Die Erfindung betrifft einen Stabilisator für ein pneumatisches Steueraggregat,
das als übertragungsmittel von Befehlssignalen eine Mehrzahl von Luftkanälen - vorzugsweise
zwei - verwendet, durch welche die Befehlssignale vom Signalgeber bis zur Empfangsstelle
geleitet werden. Bei solchen Aggregaten bestehen die Befehlssignale aus wechselnden
Druckimpulsen, die entweder aperiodisch oder periodisch aufeinanderfolgen. Bei niedrigen
Drücken und entsprechend geringer Luftgeschwindigkeit verhalten sich die Luftsäulen
praktisch wie hydraulische Säulen; die Impulse nehmen dann ein Verhalten an,-das
der Akustik ähnlich ist.
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Folgen in einem Zwei- oder Mehrkanalsystem die Befehlsimpulse schnell
aufeinander, entstehen Eigenschwingungen im System, die bei niedrigen Frequenzen
eine Pendelneigung der Empfangsorgane zur Folge haben. Entstehen solche Pendelbewegungen,
müssen deren Amplituden jedenfalls so klein gehalten werden, daß die Pendelung die
Übertragung der Befehlssignale nicht beeinflussen kann. Es ist technisch außerordentlich
schwierig, dieses Ziel zu erreichen, weil die Impulsgeber im Luftstrom naturgemäß
akustisch schwingen und weil die Frequenz dieser Schwingungen weitgehend von der
Masse der Impulsgeber abhängt, die wiederum nicht beliebig klein gestaltet werden
darf, wenn das Gerät industriell verwendet und wechselnden Temperaturverhältnissen,
Feuchtigkeit und Erschütterungen ausgesetzt werden soll.
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Aus diesem Grunde ist die Mehrwege-Pneumatik bisher im wesentlichen
nur für gröbere Steueraggregate verwendet worden, obwohl sie bei kurzen übertragungsstrecken
durch die geringere Hysteresis und die Einfachheit des Systems erhebliche Vorteile
gegenüber einer elektromagnetischen Übertragung aufweist.
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Die Mehrwege-Pneumatik als Übertragungsmittel für Steuerimpulse drängt
heute vor, insbesondere für die Steuerung von Werkzeugmaschinen. Bei denjenigen
Steuervorgängen, die hohe Anforderungen an Genauigkeit stellen, wie z. B. automatisches
Pr'äzisionskopierdrehen und -fräsen, ist die Mehrwege-Pneumatik imstande, eine Übertragungsgenauigkeit
zu leisten, die etwa der Genauigkeit einer elektronischen Übertragung gleichkommt.
In neuester Zeit sind mehrere solcher Steuerungseinrichtungen bekanntgeworden (vgl.
z. B. die Gegenstände des deutschen Patents 1096 840, der britischen Patente
966 089 und 966 912 sowie der USA.-Patente 3 082 781 und 3 169 746). Ein pneumatisches
Steueraggregat dieser Art ist in der Zeitschrift »technica« vom 21. Juni 1963 beschrieben
worden.
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Bei diesen neuartigen Steuersystemen handelt es sich um einen Luftstrom,
der im Steuerkreis unter der Einwirkung eines Steuerimpulses als Eingangsgröße aufgespalten
wird, und zwar in einen Stromteil mit höherem und einen mit niedrigerem Druck, die
in je einem Übermittlungskanal an je eine Membran oder einen Zylinderkolben herangeführt
werden, die dann wiederum die Ausgangsimpulse an das zu steuernde Objekt oder -
normalerweise - als Stellkraft eines auf dieses Objekt einwirkenden Stellmotors
weitergeben. Als Stellmotor kann ein Elektromotor verwendet werden; es können auch
Ventile eines hydrostatischen Systems gestellt werden. In neuester Zeit sind hydrodynamische
Stellmotoren zur Verwendung gekommen, die entweder auf dem Turbinenprinzip (»technica«
a. a. O.) oder auf dem Prinzip des Taumelscheibenkolbenmotors begründet sind. Obwohl,
wie schon, gesagt, die übertragungsgenauigkeit der in der Größenordnung der Genauigkeit
einer elektronischen übertragung liegt und obwohl die Pneumatik im Aufbau und in
der Verwendung sehr viel einfacher, robuster und billiger ist als die Elektronik,
konnte die pneumatische Steuerung sich bisher nicht durchsetzen, weil die Pendelneigung
und die damit verbundene Empfindlichkeit der Einstellung den ganzen übertragungsvorgang
stets gefährdete. Hohe übertragungsgenauigkeit erforderte, daß die Abstimmung des
Systems bis zur Grenze des Pendelanfangs geführt wurde; jede Unregelmäßigkeit am
Werkzeug oder am Material, Öldruck, Luftdruck usw. konnte Pendelschwingungen auslösen.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, diese im pneumatischen Übertragungssystem
liegende Schwingungs- und Pendelneigung an der Empfangsseite durch eine einfache
Maßnahme zu unterdrücken. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß die Luftführungskanäle,
durch welche die pneumatischen Steuersignale übertragen werden, durch wenigstens
einen Verbindungskanal überbrückt, der in Länge und Querschnitt derart abgestimmt
ist, daß die Eigenschwingungen des Steuersystems unterdrückt werden. Die Abstimmung
kann in einfacher Weise empirisch durchgeführt werden, indem man die Kanallänge
und/oder den Kanalquerschnitt so lange verändert, bis die Eigenschwingungen des
Systems aufhören. Versuche haben ergeben, daß dies mit großer Genauigkeit relativ
sehr schnell durchführbar ist. Vorzugsweise sind hierzu Verstellorgane vorgesehen,
durch welche die Länge und der Durchgangsquerschnitt sowie die Lage der Verbindungsstutzen
jedes Verbindungskanals relativ zum Steueraggregat geändert und abgestimmt werden
können.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung dargestellt,
das nachstehend erläutert wird. Es zeigt F i g. 1 ein pneumatisches Steuergerät
mit zwei Luftkanälen für die Signalübertragung, zwei Membranen für die Übersetzung.
der Signale und einen Verbindungskanal und F i g. 2 ein Verstellorgan für die Abstimmung
des Verbindungskanals.
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Die beiden Luftkanäle 1 und 2 verbinden den pneumatischen Signalgeber
(nicht gezeichnet, über dem Bild befindlich) mit zwei Membrangehäusen 3, 4, die
Übersetzungsmembranen 5, 6 enthalten. Jede der Membranen 5, 6 drückt mit einem Druckfinger
7, 8 auf den Kopf 9 eines Hebelarmes 10, der um eine Schwenkachse 11 ausschwenken
kann.
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Die Luftkanäle 1, 2 sind über den Verbindungskanal 12 miteinander
verbunden. Die Länge des Verbindungskanals 12 kann abgestimmt werden, indem der
Kanal, wie in F i g. 2 gezeigt, aus drei Schlauchstücken 12 a,
12 b, 12 c zusammengesetzt ist, die gleitend ineinander verschiebbar
sind. In analoger Weise können die Luftkanäle 1, 2 als verstellbare Schläuche ausgebildet
werden, wodurch die Lage des Verbindungskanals 12 relativ zu den Membrangehäusen
3, 4 verändert werden kann.
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Durch die Einschaltung des Verbindungskanals 12 wird erreicht, daß
periodische Schwingungen in den Luftsäulen 1, 2 so weit gedämpft werden, wie es
erforderlich ist, um eine Übertragung dieser Schwingungen auf die Membranen 5, 6
auf ein für die Steuerungsaufgabe erträgliches Maß zu unterdrücken.
Entgegen
den Befürchtungen der Fachleute leidet die Empfindlichkeit des Übertragungssystems
überraschenderweise hierunter nicht, sondern es ist durch die beschriebenen Abstimmungsmittel
(Verlängerung oder Verkürzung des Verbindungskanals, Änderung dessen Lage relativ
zu den Membranen) in einfacher Weise möglich, die gewünschte Empfindlichkeit einzustellen.
Auch die Luftdurchgangsquerschnitte der Luftkanäle 1, 2, 12 sind für die Empfindlichkeit
des Systems maßgebend, jedoch nicht in dem Umfang wie z. B. die Länge des Verbindungskanals
12.
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Die erfindungsgemäße Anordnung eines Verbindungskanals 12 beseitigt
außerdem folgenden weiteren Nachteil bei pneumatischen Steuersystemen. Gibt man
durch den Luftkanal 1 eine Reihe schnelle und verhältnismäßig starke Impulse, entsteht
ein erheblicher Druckunterschied zwischen den Luftsäulen 1 und 2. Der Eichzustand
der Membranen 5, 6 wird hierbei vorübergehend gestört, und es folgt zwangläufig
eine kurze Pause, sobald die starken Impulse aufhören, weil der relative Niederdruck
in der Luftsäule 2 nicht so schnell aufgefüllt und weil der überdruck in der Luftsäule
1 wegen der Elastizität der Luftsäule nicht sofort ausgeglichen wird. Diese
Tatsache hat bisher verhindert, daß man eine empfindliche Regelung bei Drücken über
etwa 0,2 atü ausführen könnte. Durch den Verbindungskanal 12 erfolgt der Druckausgleich
auch bei plötzlichen Impulsänderungen praktisch sofort.