DE202019002278U1

DE202019002278U1 - Vorrichtung zur stufenlosen Regulierung von pneumatischen Zylindersystemen mittels Hydraulikkreis

Info

Publication number: DE202019002278U1
Application number: DE202019002278.3U
Authority: DE
Original assignee: FEINTECHNIK R RITTMEYER GmbH
Current assignee: FEINTECHNIK R RITTMEYER GmbH
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2019-05-27
Publication date: 2020-05-29
Anticipated expiration: 2029-05-28

Abstract

Bearbeitungsmodul für ein hydropneumatisches Zylindersystem, aufweisend:
- mindestens ein stufenloses Durchflussventil,
- mindestens ein Wegmesssystem,
- ein starres Verbindungselement, welches mit einem pneumatischen Zylinder, einem hydraulischen Zylinder sowie einem Wegmesssystem starr verbunden ist,
- eine Steuerungselement, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub und die Position des Kolbens 101 eines Pneumatikzylinders 100 durch ein Durchflussventil 500 eines proportional arbeitenden Hydraulikzylinders 400 stufenlos einstellbar ist, dass ein Wegmesssystem 200 die Position des Kolbens 101 erfasst, dass eine Steuerung die Daten des Wegmesssystems verarbeitet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein hydropneumatisches Zylindersystem, das mindestens einen pneumatischen Zylinder mit mindestens einer verfahrbaren Zylinderkolbenstange aufweist, das mindestens ein mit dem Pneumatikzylinder verbundenes Wegmess-Systemelement sowie mindestens einen mit dem Pneumatikzylinder verbundenen Hydraulikzylinder aufweist, sowie auf ein Steuerungsmodul zur Auslösung, Regelung und Steuerung des Funktionsablaufs. Ferner bezieht sich die Erfindung auf den Betrieb eines solchen Zylindersystems.
Hintergrund und Stand der Technik
Innerhalb einer pneumatischen Anlage wird vom Kompressor hin zu den Verbrauchsstellen Druckluft durch Rohrleitungen geführt. Die Arbeitsglieder am Ende der Versorgungskette wandeln dann die Druckluftenergie in mechanische Kraft um. Zylinder sind solche Arbeitsglieder. Sie können grundsätzlich geradlinige Bewegungen ausführen.
Einen Arbeitszylinder, welcher mit Druckluft arbeitet, bezeichnet man als Pneumatikzylinder. Pneumatikzylinder finden in zahlreichen Prozessen Anwendung, wie etwa in der Förder-, Handhabungs- und Antriebstechnik. Von der Funktion her unterscheidet man Pneumatikzylinder, die einseitig oder beidseitig mit Druckluft beaufschlagbar sind.
Einfachwirkende Zylinder fahren mithilfe einer Feder wieder in ihre Ausgangsstellung zurück, während doppeltwirkende Pneumatikzylinder ausschließlich durch Druckluft gesteuert werden. Die Druckluft sorgt sowohl für die Zylinder-Erstbewegung als auch für das Zurückfahren in die Ausgangsstellung.
Allen pneumatischen Zylindern als auch den handelsüblichen Varianten davon ist zu eigen, dass weder eine belastungsunabhängige, freie Positionierung noch eine freie belastungsunabhängige Anpassung der Verfahrgeschwindigkeit möglich ist.
Der Grund dafür liegt in dem Medium Luft selbst. Anders als flüssige Medien in hydraulischen Systemen sind Luft oder allgemein Gase komprimierbar, also im Volumen veränderbar. Diese Volumenänderung unter Krafteinfluss begründet das federartige Verhalten gasförmiger Medien. Weitere Schwankungen begründen sich auch in äußeren Einflüssen wie z.B. der Umgebungstemperatur. Eine belastungsunabhängige, beliebige Positionierung von Aktoren, welche mittels komprimierbarer Medien bewegt werden, ist somit nicht realisierbar. Für einen präzisen Stopp der Bewegung werden deshalb vorzugsweise fix positionierte Anschläge eingesetzt. Zusätzliche Funktionselemente wie Drosseln und Ventile erlauben zumindest die Steuerung der Kolbengeschwindigkeit über definierte Strecken.
Um eine höhere Präzision in der beliebigen Positionierung von Pneumatikzylindern zu erreichen, können diese beispielsweise an hydraulische Zylinder angekoppelt werden. Man spricht dann von hydropneumatischen Zylindersystemen. Hydraulische Zylinder lassen sich sowohl in Ihrer Bewegungsgeschwindigkeit als auch in freien Teilstrecken deutlich präziser positionieren als luftbetriebene Zylinder, beispielsweise durch den Einsatz von Drosseln. Dadurch können pneumatische Zylinder mit Hilfe des integrierten, geschlossen hydraulischen Kreislaufs des Hydraulikzylinders ohne Eigenantrieb wie ein Ölbremssystem verwendet werden. Eine externe eingeschränkte Steuerung ist somit möglich.
Derartige handelsübliche Hydrauliksysteme sind also mit Drosseln versehen, mit denen je durch die Drosseln definierte Teilstrecke eine fest voreingestellte Verfahrgeschwindigkeit des mechanisch angekoppelten Pneumatikzylinders realisiert werden kann.
Zudem ermöglichen entsprechende Ventile ein Umschalten zwischen den voreingestellten Drossel-Geschwindigkeiten oder auch ein Überbrücken der Drosseln. Derartige, bereits bestehende Systeme ermöglichen also eine Steuerung angekoppelter Pneumatikzylinder insofern, dass zwischen unterschiedlichen, fix eingestellten Hubgeschwindigkeiten gewählt werden oder auch die Hubbewegung selbst an einer vordefinierten Stelle gestoppt werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der in der Erfindung beschriebenen Vorrichtung, dass die Kolbenbewegungen von handelsüblichen, pneumatischen Zylindern sowohl steuerbar als auch stufenlos regelbar sind, dass die Positioniergenauigkeit deutlich erhöht wird, dass die Bewegungsgeschwindigkeit über den gesamten Hub der Kolbenstange frei gewählt und verändert werden kann, dass die Bewegung an jeder Stelle des Kolbenhubs gestoppt oder wieder initialisiert werden kann, und dass die zusätzlich erforderlichen Bauteile einfach zu beschaffen oder kostengünstig zu fertigen sind. Darüber hinaus ist Aufgabe der Erfindung, dass die Steuerung, mit deren Hilfe das hydropneumatische Zylindersystem gesteuert oder geregelt wird, durch den Abgleich mit der über das Messsystem ermittelten jeweiligen Position und anschließender Berechnung eines Korrekturwertes, selbstlernend ausgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem pneumatisch betriebenen Zylinder, dessen Kolben sowohl an einen Hydraulikzylinder als auch an ein Wegmesssystem direkt oder mittels mindestens einem Haltelement starr angekoppelt ist.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Bearbeitungsmoduls.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Luftzylinder, welcher mit Druckluft beaufschlagt wird, und der starr mit einem Hydraulikzylinder verbunden ist.
Der geschlossene Ölkreis des Hydraulikzylinders ist mit mindestens ein einem Durchflussventil versehen. Dieses Durchflussventil kann eine steuerbare Durchflussdrossel sein oder ein ansteuerbares Kugelhahnventil oder ein Proportionaldruckregelventil, mit dem die Bewegungen des Hydraulikzylinders geregelt oder gesteuert werden können.
Die Vorrichtung ist zudem mit einem Steuerungselement verbunden. Durch die Verbindung der beschriebenen mechanischen Funktionselemente mit einer Steuerungseinheit und die Auswertung des Wegmesssystems entsteht somit ein frei programmierbarer Regelkreis. Der Pneumatikzylinder wird nur in den Wirkrichtungen Ein- und Ausfahren umgeschaltet. Das angestrebte hydropneumatische System ist in seiner Funktionalität somit vergleichbar beispielsweise mit einem elektrischen Linearantrieb, bestehend aus beispielsweise einem Linearmotor mit Kugelgewindetrieb, aber ohne die dazu erforderliche Leistungselektronik und ohne den damit verbundenen Aufwand.
Durch die Ankopplung eines Wegmesssystems an das hydropneumatische Zylinderpaar kann zu jedem Zeitpunkt der Kolbenbewegung deren exakte Position und Geschwindigkeit von der Steuerung ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, dass durch eine entsprechende Anpassung der Öl-Durchflussmenge des Ventils des Hydraulikzylinders die gesamte Bewegung des Kolbens im Sinne des gewünschten Verlaufs stufenlos beeinflusst wird.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigt schematisch

1 Prinzipskizze Zusammenbau einer ersten Ausführungsform des regel- oder steuerbaren hydropneumatischen Zylindersystems

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Bearbeitungsmoduls für ein hydropneumatisches Zylindersystem als Kinematik Modell dargestellt.
Das Bearbeitungsmodul weist einen Pneumatikzylinder 100 auf, ein Wegmesssystem 200, ein Verbindungselement 300, einen Hydraulikzylinder 400, ein steuer- oder regelbares Durchflussventil 500, einen Hydrospeicher 600, ein 5/2 Wegeventil 700 sowie eine Steuerung 800.
Die Vorrichtung wird mittels Druckluft betrieben. Die Druckluft wird mittels eines vorzugsweise Wegeventils 700 gesteuert.
Der Pneumatikzylinder 100 mit dem Kolben 101 sowie der Kolbenstange 102 ist ein handelsüblicher, einfach- oder doppeltwirkender Zylinder. Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass das Verbindungselement 300 mit der Kolbenstange 102 des Zylinders 100 starr verbunden wird, vorzugsweise mit dem Gewindeanschluss 103 der Kolbenstange 102.
Das Verbindungselement 300 ist seinerseits starr verbunden mit einem Wegmesssystem 200 sowie mit einem Hydraulikzylinder 400. Das Wegmesssystem 200 sowie der Hydraulikzylinder sind vorzugsweise Standardausführungen.
Es ist in der bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass sowohl die Messstrecke 201 des Wegmesssystems 200 als auch der Hub 401 des Hydraulikzylinders 400 dem Hub 104 des Pneumatikzylinders entsprechen. Eine weitere bevorzugte Ausführung sieht vor, alle Komponenten innerhalb des Pneumatikzylinders zu integrieren.
Der mit dem Verbindungselement 300 starr verbundene Hydraulikzylinder 400 ist mit dem Hydrospeicher 600 verbunden, dessen interner Druck über dem Betriebsdruck des Gesamtsystems liegen muss. Ein Ventil 500 regelt die Durchflussmenge und die Durchflussgeschwindigkeit der Hydraulikflüssigkeit. Das Ventil 500 ist durch eine Steuerung 800 ansteuer- und regelbar.
Die Steuerung 800 ermittelt zu jedem Zeitpunkt die genauen Positionierdaten des Wegmesssystems 200 und berechnet dadurch die jeweilige Position des Pneumatikzylinders 100. Durch den Abgleich der durch die Steuerung 800 eingegebenen Sollwerte mit den durch das Wegmesssystem 200 ermittelten Istwerten und durch die von der Steuerung berechneten Korrekturwerte entsteht ein selbstlernendes System, welches zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Positioniergenauigkeit des Pneumatikzylinders 100 führt.
Bezugszeichenliste

100: Pneumatikzylinder als Arbeitszylinder
101: Kolben
102: Kolbenstange
103: Gewindeanschluss
104: Hub Pneumatikzylinder
200: Wegmesssystem
201: Messstrecke
300: Starres Verbindungselement
400: Hydraulikzylinder
401: Hub Hydraulikzylinder
500: Steuer- und regelbares Durchflusssystem
600: Hydrospeicher
700: Wegeventil
800: Steuerungselement

Claims

Bearbeitungsmodul für ein hydropneumatisches Zylindersystem, aufweisend: - mindestens ein stufenloses Durchflussventil, - mindestens ein Wegmesssystem, - ein starres Verbindungselement, welches mit einem pneumatischen Zylinder, einem hydraulischen Zylinder sowie einem Wegmesssystem starr verbunden ist, - eine Steuerungselement, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub und die Position des Kolbens 101 eines Pneumatikzylinders 100 durch ein Durchflussventil 500 eines proportional arbeitenden Hydraulikzylinders 400 stufenlos einstellbar ist, dass ein Wegmesssystem 200 die Position des Kolbens 101 erfasst, dass eine Steuerung die Daten des Wegmesssystems verarbeitet.
Bearbeitungsmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Analyse und Verarbeitung der Daten, welche vom Messsystem 200 erfasst werden, zu einer permanenten Erhöhung der Positioniergenauigkeit des pneumatischen Zylinders führen.
Bearbeitungsmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung 800 selbstlernend ist.