DE3642642C3 - Schaltungsanordnung zur Lage- und Vorschubregelung eines hydraulischen Antriebes - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Lage- und Vorschubregelung eines hydraulischen AntriebesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Lage-
und Vorschubregelung eines hydraulischen Antriebes gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
wie sie aus der Firmenschrift der
Robert Bosch GmbH, "Hydraulik in
Theorie und Praxis", Stuttgart, 1983,
K6/VKD2 - USV 000/1 De, Seiten
288 bis 331, bekannt ist.
Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist beispielsweise der
Antrieb eines Werkzeugmaschinenschlittens mit einem hydrau
lischen Zylinder. Dabei soll der Vorschub des Schlittens
sowie die Beschleunigung und Geschwindigkeit frei program
mierbar sein, wozu beispielsweise eine NC-Steuerung dient.
Der NC-Steuerung wird die programmierte Führungsgröße als
Sollwert sowie die in einem Weggeber des Schlittens oder
des Antriebes ermittelte Regelgröße als Istwert zugeführt
und hierauf eine Regelabweichung gebildet, die einem Ver
stärker zugeführt wird, der zum Ansteuern eines Proportio
nalventils dient, das die Druckmittelwege zum und vom hy
draulischen Zylinder steuert. Wird anstelle des üblichen
Servoventils ein Proportionalventil verwendet, so ist da
mit eine erhebliche Kostenersparnis verbunden. Die mit
einem Proportionalventil erzielbare Regelgenauigkeit ist
jedoch verhältnismäßig gering.
Zur Erhöhung der Regelgenauigkeit ist bekannt (Morlok, J.,
Lukasczyik, W.: Erweiterte Einsatzmöglichkeiten von Pro
portionalventilen, In: o + p "ölhydraulik und pneumatik" 29,
1985, Nr. 2, S. 80 bis 87), für das Proportionalventil
eine hydraulische Lastkompensation, sei es durch Strömungs
kräfte am Ventil oder Druckwaagen vorzusehen, um den Durch
fluß durch das Ventil lastdruckabhängig konstant zu halten.
Bei höheren Anforderungen bedient man sich zum Ansteuern
des Proportionalventils eines elektrischen Positions- und
Geschwindigkeitsreglers, dem ein Sollwert sowie als Istwert
die Position eines Zylinders zugeführt werden. Darüber
hinaus läßt sich auch das Proportionalventil selbst mit
einer bekannten Lageregelung versehen (Edelmann, H.: Schnelle
Proportionalventile und ihre Anwendung, In: o + p "ölhy
draulik und pneumatik" 30, 1986, Nr. 1, S. 35 bis 40), um
das dynamische Regelverhalten, z. B. hinsichtlich der Durch
flußkennlinie des Ventils zu verbessern. Hierbei wird vor
ausgesetzt, daß das Ventil eine Nullüberdeckung hat, die
einen höheren Fertigungsaufwand bedingt. Auch sind Kompen
sationsschaltungen bekannt, mit denen die Durchfluß/Regel
abweichungskennlinie eines Proportionalventils im gesamten
Regelbereich des Ventilhubes linear gehalten werden kann (US-PS 45 13 782).
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Schal
tungsanordnung zum Aufbau einer Regelung für einen hydrauli
schen Antrieb mittels eines Proportionalventils so auszu
bilden, daß eine hohe Positioniergenauigkeit des Antriebes
erzielt wird.
Die genannte Aufgabe ist mit den im
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Kompensationsschaltung dient zum Kompensieren des
Positionsfehlers, der sich ergibt, wenn der Druckmittel
weg von der Druckmittelquelle zum hydraulischen Antrieb
von dem Proportionalventil geschlossen wird, bevor die
Regelabweichung Null ist. In diesem Fall bleibt der Schlit
ten stehen, bevor die von der Regelabweichung Null vorge
gebene gewünschte Schlittenposition erreicht ist. Die Ur
sache für dieses Verhalten liegt darin, daß das Proportio
nalventil für den gewählten Antriebszweck eine positive
Überdeckung aufweisen muß, d. h., daß in der Neutralstellung
des Ventils alle Ventilanschlüsse voneinander getrennt sein müssen.
Es ist erfindungsgemäß möglich, eine sehr genaue Lageregelung eines
hydraulischen Antriebes mittels eines Proportionalventils zu schaffen,
das im Hinblick auf seine
positive Schaltüberdeckung eine einfache
Bauart aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsan
ordnung zur Lage- und Vorschubregelung eines Werk
zeugmaschinenschlittens,
Fig. 2 Darstellungen der Durchflußkennlinie des Proportio
nalventils,
Fig. 3 den Signalverlauf zum Ansteuern des Proportional
ventils im Bereich der Ventilmittelstellung und
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich wie Fig. 3 mit einer künst
lich erzeugten Hysterese.
In Fig. 1 ist eine Bohrspindel 1 auf einem Werkzeugmaschi
nenschlitten 2 befestigt, der auf einer Gleitführung 3 mit
tels eines hydraulischen Zylinders 4 verschiebbar ist. Zur
Betätigung des Zylinders 4 dient ein Proportionalventil 5.
Zur Programmierung der von der Bohrspindel 1 anzufahrenden
Positionen sowie der Vorschubgeschwindigkeiten einschließ
lich Beschleunigung und Verzögerung dient eine handels
übliche NC-Steuerung 8. Die Regelgröße, also die Schlitten
position wird mittels eines Inkrementallineals 9, eines Ab
tastkopfes 10 und eines Wandlers 11 ermittelt und der NC-
Steuerung 8 zugeführt. Die Regelgröße wird mit der jeweils
vom Programm abgerufenen Führungsgröße verglichen und eine
Regelabweichung gebildet, die auf der Ausgangsleitung 12 an
steht. In einer üblichen NC-Steuerung wird die Regelabwei
chung in einem Proportionalregler erzeugt, wobei die Aus
gangsspannung einen proportionalen Verlauf hat und bei
spielsweise zwischen ±10 Volt geregelt wird.
An die NC-Steuerung 8 ist zunächst eine Differenzierstufe
14 angeschlossen, die ausgangsseitig mit einer ersten Kom
pensationsschaltung 15 verbunden ist, die zu einem Knoten
punkt 16 führt, an den eine zweite Kompensationsschaltung
18 und eine Summierstufe 19 angeschlossen sind. Über einen
Schalter 20, der vom Ausgangssignal einer Zusatzschaltung
22 betätigt wird, gelangt die modifizierte Regelabweichung
in einen Verstärker 24, dessen Ausgangssignal das Propor
tionalventil 5 ansteuert. Die aus den Komponenten 14 bis
22 bestehende Schaltungsanordnung kann vorzugsweise auf
einer Steuerkarte vereinigt werden, wobei die Eingangs
spannung für die Differenzierstufe 14 ebenfalls ±10 Volt
beträgt, so daß ein unmittelbarer Anschluß an die handels
übliche NC-Steuerung 8 möglich ist. Die Steuerkarte kann
vorzugsweise in dem Verstärker 24 eingebaut sein.
Die Differenzierstufe 14 besteht aus einem herkömmlichen
Operationsverstärker, an dessen Eingang die bekannte Rei
henschaltung von Spannungsteiler und Kondensator ange
schlossen ist. Die Differenzierung des Eingangssignals er
höht die Dynamik des Proportionalventils 5, so daß also der
Kolben des Proportionalventils schneller seine neue Soll
position erreichen kann.
In der ersten Kompensationsschaltung 15 wird das zugeführte
Signal so verändert, daß eine nahezu lineare Durchflußkenn
linie des Proportionalventils erzielt wird.
In Fig. 2 ist auf der Ordinate der Durchfluß Q des Propor
tionalventils und auf der Abszisse der Stellhub des Kolbens
des Proportionalventils in Prozent dargestellt. Diese Größe
entspricht auch der Regelabweichung x. Die gestrichelte
Linie 28 zeigt ein progressives Durchflußverhalten, d. h.
bei der Auslenkung des Ventilkolbens
aus der Mittelstellung
Null vergrößert sich der Durchfluß nur sehr gering, um dann
anschließend steil anzusteigen. Dieses Verhalten ist durch
die dreieckförmigen Feinsteuernuten am Ventilkolben verur
sacht. Derartige Nuten sind erforderlich, um überhaupt die
erforderlichen geringen Vorschubgeschwindigkeiten einstel
len zu können. Für den Regelkreis bedeutet dies, daß im
unteren Durchflußbereich eine geringe Durchflußverstärkung
und im oberen Bereich eine große Durchflußverstärkung er
zielt wird. Die geringe Verstärkung im unteren Durchflußbe
reich wirkt sich in einer geringen Laststeife aus.
Durch die weitere Kompensationsschaltung 15 wird die progressive
Kennlinie 28 des Proportionalventils, durch einen degressi
ven Verlauf der Ausgangsspannung der Kompensationsschaltung
15 kompensiert. Der Spannungsverlauf ist in Fig. 2 als
strichpunktierte Linie 29 dargestellt. Wird das Proportio
nalventil mit dieser Spannung angesteuert, so wird eine
nahezu lineare Durchflußkennlinie des Proportionalventils
erzielt, die in Fig. 2 als durchgezogene Linie 30 darge
stellt ist und sich als Mittelwert der Kurvenzüge 28 und 29
ergibt. Es ist somit auf elektrischem Wege die Verstärkung
im unteren Durchflußbereich so weit angehoben, daß über den
gesamten Ventilhub von 0 bis 100% eine etwa konstante
Durchflußverstärkung entsteht. Dadurch ist die Laststeife
entsprechend vergrößert. Durch Beibehalten der Feinsteuer
nuten mit progressivem Verhalten lassen sich äußerst kleine
Vorschubgeschwindigkeiten für den Antrieb erzielen. Die de
gressive Kennlinie 29 kann man durch Parallelschalten geeig
neter Zenerdioden in der Rückführung des in der Differenzier
stufe vorgesehenen Operationsverstärkers erreichen.
In der zweiten Kompensationsschaltung 18 wird der Fehler
kompensiert, der durch die erforderliche Überdeckung des
Proportionalventils im Bereich seiner Mittelstellung verur
sacht ist. Infolge der positiven Überdeckung des Proportio
nalventils, womit vor Erreichen der genauen Mittelstellung
des Ventilkolbens die Druckmittelwege abgesperrt werden,
bleibt der Antriebszylinder 4 stehen, sobald der Ventilkol
ben die positive Überdeckung erreicht hat, aber noch nicht
in Mittelstellung steht, und das von dem Proportionalregler
der NC-Steuerung 8 gelieferte Signal für die Regelüber
wachung noch nicht Null erreicht hat. Die Mittelstellung des
Ventilkolbens soll aber der Regelabweichung 0 Volt entspre
chen. Mit anderen Worten kann der Schlitten seine der Regel
abweichung Null entsprechende Position nicht erreichen, da
kurz vorher infolge der positiven Überdeckung das Ventil
schließt, so daß der Schlitten stehen bleibt.
Es wird deshalb kurz vor Erreichen der Überdeckung von der
Kompensationsschaltung 18 ein Signal erzeugt, welches der
in der ersten Kompensationsschaltung 15 modifizierten Regel
abweichung aufgeschaltet wird, um den Ventilkolben anzuhal
ten und einen Restquerschnitt für den Durchfluß von Strö
mungsmittel so lange offen zu halten, bis die Null-Position
des Schlittens erreicht ist, d. h. bis die Regelabweichung
Null ist.
Der Zusammenhang ist in Fig. 3 dargestellt. Mit 29 ist wie
derum die von der ersten Kompensationsschaltung 15 geliefer
te degressive Ausgangsspannung bezeichnet, von der in Fig. 3
nur der im Kleinsignalbereich, also etwa im Feinsteuerbe
reich des Ventils betreffende Abschnitt dargestellt ist.
Bei einer Kolbenauslenkung von beispielsweise zwischen 5
und 10% des Sollwertes spricht die zweite Kompensations
schaltung 18 an und liefert ein Signal 32, das gegensinnig
zur degressiven
Kennlinie 29 verläuft. Das Signal 32 wird
in der Summierstufe 19 zu dem Signal 29 addiert, so daß sich
an dem Ausgang der Summierstufe das Signal 34 ergibt, mit
dem im Feinsteuerbereich ein Restquerschnitt am Ventil so
lange offengehalten wird, bis das Signal 29 und damit die
Regelabweichung den Nullwert erreicht. Jetzt wird die Span
nung 32 abgeschaltet und damit der federzentrierte Kolben
des Proportionalventils in die Mittelstellung gebracht.
Durch diese Maßnahme wird also verhindert, daß die positive
Ventilüberdeckung zu einer Fehlpositionierung des Schlittens
führt. Über die Amplitude der Signalspannung 32 läßt sich
der Restquerschnitt des Ventils und damit die Restgeschwin
digkeit des Antriebes einstellen.
In der Regel sind aufgrund von Fertigungstoleranzen die
positiven Überdeckungen für die Ventilkolbenstellung in
Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung unterschiedlich. Es ist
dann zweckmäßig, auch die von der Kompensationsschaltung
18 erzeugten Spannungen 32 bzw. 32′ für die beiden Bewe
gungsrichtungen unterschiedlich einzustellen, so daß hier
für an der Schaltung 18 getrennte Einstellungsmöglichkeiten
vorgesehen sind.
Aus der Darstellung in Fig. 4 ist erkennbar, daß die von
der zweiten Kompensationsschaltung 18 gelieferte Zusatz
spannung 32 auch bereits vor dem Zeitpunkt abgeschaltet
werden kann, zu dem die Regelabweichung Null erreicht wird.
Hierzu dient die Zusatzschaltung 22, die auf entsprechende
einstellbare Werte der Ausgangsspannung 29 der ersten Kom
pensationsschaltung 15 anspricht und bei Aktivierung den
Schalter 20 öffnet, so daß dann das Ausgangssignal der
Summierstufe 19 abgeschaltet wird und der Kolben des Pro
portionalventils in die Mittelstellung gelangt, bevor der
Schlitten 2 die gewünschte Nullposition erreicht hat.
Damit wird der Vorteil erzielt, daß das Ventil kurz vor
Erreichen der Sollposition des Schlittens schließt und dann
der Schlitten von selbst in die Nullposition gelangt. Dies
hängt von der Eigenfrequenz des Regelkreises ab. Ist die
Eigenfrequenz gering, z. B. 20 Hertz, so handelt es sich um
ein weiches Regelsystem, bei dem der Schlitten seine Soll
position stets leicht überfahren kann. Dies würde bedeuten,
daß durch dauerndes Überfahren auch ein dauerndes Schalten
in der Gegenrichtung erforderlich wird und der Schlitten um
seine Position pendelt. Dies wird durch die Zusatzschaltung
22 vermieden, mit der das Ventil kurz vor Erreichen der
Sollposition des Schlittens abgesperrt wird, so daß ein
leichtes Überschwingen des Schlittens nicht sofort zum
Schalten in die Gegenrichtung führt. Die Zusatzschaltung 22
sorgt somit für eine künstliche Hysterese, die einstellbar
ist. Hat dagegen das System eine hohe Eigenfrequenz, bei
spielsweise 100 Hertz, so ist die Zusatzschaltung 22 nicht
erforderlich.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung zur Lage- und Vorschubregelung eines
hydraulischen Antriebes mit einem Proportionalventil mit positiver
Schaltüberdeckung des Steuerkolbens in dessen Mittelstellung
zur Steuerung der Druckmittelwege zwischen dem
Antrieb, einer Druckmittelquelle und einem Tank, mit einem
Verstärker zur Ansteuerung des Proportionalventils und einer
Regelschaltung zum Erzeugen einer der dem Verstärker zuzuführenden
Regelabweichung aus einer Führungsgröße und einer
Regelgröße des hydraulischen Antriebs,
kurz vor Erreichen der Überdeckung von
einer Kompensationsschaltung (18) ein zur
Regelabweichung gegensinnig verlaufendes
Signal (32) erzeugt wird, welches der Regelabweichung
aufgeschaltet wird, um den
Steuerkolben anzuhalten und einen Restquerschnitt
für den Durchfluß von
Strömungsmittel so lange offen zu halten,
bis die Regelabweichung Null ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß unterschiedliche Restquerschnitte für
den Strömungsmitteldurchfluß des Proportionalventils
von der Kompensationsschaltung (18) einstellbar sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß je nach Bewegungsrichtung des
Antriebes unterschiedliche Restquerschnitte für den
Durchfluß von der Kompensationsschaltung (18) ein
stellbar sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
mit einer weiteren Kompensationsschaltung (15) zum Konstanthalten
der Regelverstärkung, von der die Durchfluß/Regelab
weichung-Kennlinie des Proportionalventils im gesamten
Regelbereich des Ventilhubes linear gehalten wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der
beiden Kompensationsschaltungen (15, 18) in einer
Summierstufe (19) addiert werden und die Summierstufe
an den Verstärker (24) für das Proportionalventil an
geschlossen ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Regel
schaltung (8) eine Differenzierstufe (14) angeschlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (8) eine
programmierbare NC-Steuerung mit proportionalem Span
nungsausgang ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzschaltung (22)
vorgesehen ist, von der abhängig von der Eigenfrequenz
des Regelkreises der Restquerschnitt des Proportional
ventils (5) vor Erreichen der Sollposition des Antriebes
geschlossen wird.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zusatzschaltung (22) an den Ausgang
der weiteren Kompensationsschaltung (15) zum Konstanthalten der
Regelverstärkung angeschlossen ist und zwischen der
Summierstufe (19) und dem Verstärker (24) ein von der
Zusatzschaltung angesteuerter Schalter (20) angeordnet
ist, der bei Erreichen einer vorbestimmten, von Null
abweichenden Regelabweichung geöffnet wird.
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