DE3741425C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einem in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses laufenden Kolben, dessen Bewegung relativ zum Zylindergehäuse zum Verfahren weiterer Linear- oder Drehantriebe oder Werkzeuge dient, bei dem in Zylinderköpfe des Zylindergehäuses Patronenventile integriert sind, die zum Einstellen eines Drucks auf beiden Seiten des Kolbens betätigbar sind, wobei eines der Patronenventile als Druck-Servoventil ausgebildet ist, und ferner zum Positionieren des Kolbens relativ zum Zylindergehäuse ein zwischen Kolben- und Zylindergehäuse wirkendes Lagemeßsystem vorgesehen ist, das einen Lage-Istwert erzeugt und einem Lageregler zuführt, der weiterhin mit einem einem Lage-Sollwert entsprechenden Signal beschaltet ist, und schließlich der Lageregler ausgangsseitig mit einer Betätigungsspule des Druck-Servoventils verbunden ist.

Ein Linearantrieb der vorstehend genannten Art ist aus der DE-OS 34 36 946 bekannt.

Bei dem bekannten Linearantrieb werden als Druck-Servoventile Ventile mit integrierter fluidischer Druckrückführung verwendet, wie sie an sich aus den DE-OSen 32 16 692, 32 16 693, 32 21 928 sowie der DE-OS 27 30 933 bekannt sind.

Bei diesen bekannten Druck-Servoventilen wird in der Ventilpatrone selbst durch geeignete Kanäle im Ventilschieber und im Ventilgehäuse der Druck auf der Ausgangsseite des Ventils auf die Eingangsseite rückgekoppelt, damit der Ausgangsdruck des Ventils direkt über den Eingangsstrom der Betätigungsspule des Ventils einstellbar ist.

Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, daß beim Einsatz in Linearantrieben, bei dem für derartige Patronenventile extrem kleine Abmessungen gewünscht werden, die mechanische Druckrückkopplung unzureichend oder mit der erforderlichen Präzision zu aufwendig sein kann. Auch bringt es die mechanische Druck­ rückkopplung mit sich, daß nur in beschränktem Umfange mit regelungstechnischen Mitteln in die Funktionsweise des Druck- Servoventils eingegriffen werden bzw. das Druck-Servoventil nur mit beschränkter Flexibilität in Regelkreise integriert werden kann.

Aus der DE-PS 24 47 858 ist eine Servo-Ventileinrichtung zur Steuerung der Flüssigkeitsströmung zu und von einer hydraulischen Stellvorrichtung bekannt. Bei der bekannten Einrichtung besteht die Stellvorrichtung aus einer zweifach wirkenden, hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit. An die Zylinderräume beidseits des Kolbens sind Druckleitungen angeschlossen, die zu einem Hauptsteuerventil führen und bei Betätigung des Hauptsteuerventils alternativ mit einer Druckquelle bzw. einem drucklosen Reservoir beschaltbar sind. Das Hauptsteuerventil wird wiederum hydraulisch von einem Vorsteuerventil betätigt, das seinerseits mittels eines Kraftmotors elektrisch betätigbar ist. An die Druckleitungen, die zu den Zylinderräumen beidseits des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit führen, sind Druckgeber angeschlossen, deren Ausgänge auf einen Differenzbildner geführt sind. Dieser Differenzbildner erzeugt somit ein Signal, das der Druckdifferenz bzw. der Betätigungskraft der Kolbenstange der Kolben-Zylinder-Einheit entspricht.

Das Druckdifferenz- bzw. Kraftsignal wird in einem Kraftvergleicher elektrisch mit einer Vergleichskraft (Sollwert) verglichen. Aus der sich ergebenden Differenz wird, unter Berücksichtigung eines elektrischen Strömungssteuersignales sowie eines die Kraftrichtung der Kolben-Zylinder-Einheit angebenden Richtungssteuersignals eine Stellgröße für den Kraftmotor des Vorsteuerventils erzeugt.

Bei der bekannten Einrichtung ist somit eine geregelte Einstellung der Druckdifferenz bzw. der Betätigungskraft der Kolben- Zylinder-Einrichtung möglich, wobei als weitere Korrekturgröße ein elektrisches Strömungssteuersignal sowie ein Richtungssteuersignal (Vorzeichen) berücksichtigt werden kann. Bei der bekannten Einrichtung ist hingegen weder vorgesehen noch möglich, den Kolben der Kolben-Zylinder-Einheit exakt zu positionieren, weil es bei der bekannten Einrichtung lediglich auf die Betätigungskraft der Kolbenstange ankommt. Die Einstellung der Kolben- Zylinder-Einheit der bekannten Einrichtung beschränkt sich somit darauf, auf der Druckseite des Kolbens einen geregelten Druck einzustellen, wobei die drucklose Seite des Kolbens, die über das Hauptsteuerventil mit einem drucklosen Reservoir verbunden ist, zur Druckeinstellung nichts beitragen kann. An welcher Position des Kolbens die Kolbenstange an einem nicht geschilderten Objekt angreift, ist für die Einstellung der bekannten Einrichtung unbeachtlich und es kann daher eine lagegenaue Positionierung des Kolbens nicht vorgenommen, geschweige denn optimiert werden.

Aus der DE-OS 35 33 697 ist eine Druckregelvorrichtung bekannt, bei der ein Drucksystem mit einer Druckquelle über ein direkt steuerbares elektromagnetisch digital betätigbares Ventil verbunden ist. Das Ventil wird mittels eines Differenzverstärkers mit nachgeschaltetem PID-Regler betätigt. Dem Differenzverstärker wird einerseits ein Sollwert und andererseits ein Istwert zugeführt, wobei letzterer durch einen Drucksensor vom Drucksystem selbst erzeugt wird. Das Drucksystem bei der bekannten Vorrichtung kann ein Druckluft-Zufuhrsystem einer Farbspritzpistole sein. Bei derartigen Anwendungsfällen ist jedoch eine Lageregelung durch das Drucksystem weder vorgesehen noch erforderlich.

Aus der US-PS 42 54 690 ist ein Regelsystem für eine Werkzeugmaschine mit einem hydraulisch ausgelenkten Schneidwerkzeug, nämlich einem Stoßapparat zum spanabhebenden Erzeugen von Zähnen einer Verzahnung bekannt. Eine dabei verwendete Kolben- Zylinder-Einheit ist wiederum in den beiden an den Kolben angrenzenden Zylinderräumen mit Drucksensoren ausgestattet. Diese Drucksensoren steuern einen Regler, der die Auslenkgeschwindigkeit des Schneidwerkzeuges steuert. Auch hier ist eine Lageregelung weder vorgesehen noch zweckmäßig.

In der EP-PS 00 97 275 sind ein Verfahren zum Betrieb eines hydrostatischen oder pneumatischen Antriebs sowie ein entsprechender Antrieb beschrieben. Bei diesem Verfahren soll der Tatsache Rechnung getragen werden, daß bei dynamisch beaufschlagten Fluidsystemen aufgrund der Kompressibilität des Fluids Störungen auftreten können. Es wird daher eine Vorgehensweise vorgeschlagen, bei der sich aufgrund einer mathematischen Herleitung eine Pulsformung für die Steuerspannung eines Regelventils ergibt. Bei der mathematischen Herleitung werden auch der Weg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung eines Kolbens des hydrostatischen oder pneumatischen Antriebes berücksichtigt. Bei der Durchführung des bekannten Verfahrens werden jedoch diese Größen nicht erfaßt, geschweige denn für eine Regelung eingesetzt, weil bei dem bekannten Verfahren eine reine Drucksteuerung unter Ausnutzung der erläuterten Pulsformung vorgenomen wird und der Kolben des hydrostatischen oder pneumatischen Antriebes lediglich eine bestimmte Reaktionskraft aufbringen soll. Auch deswegen ist bei dem bekannten Verfahren bzw. dem danach arbeitenden Antrieb eine Lageregelung oder Positionierung des Kolbens weder vorgesehen noch erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei geringen Anforderungen an den mechanischen Aufbau der Patronenventile Druck-Servoventile mit ausreichenden Spezifikationen zur Verfügung stehen, wobei zusätzlich die Möglichkeit eröffnet wird, in regelungstechnischer Hinsicht flexible Konzepte zu verfolgen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Druck-Servoventil ein extern rückgekoppeltes Wege-Servoventil ist, daß ein in der Zylinderbohrung angeordneter Drucksensor mit einem ersten Eingang des Lagereglers verbunden ist, und daß in dem Lageregler ein vom Drucksensor erzeugtes, einem Druck- Istwert entsprechendes erstes Signal mit einem aus der Differenz von Lage-Istwert und Lage-Sollwert abgeleiteten zweiten Signal verknüpft wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil die Rückkopplung des Ausgangsdrucks des Patronenventils auf dessen Betätigungseingang über einen elektronischen Signalpfad erfolgt, der nicht nur die Herausnahme der Rückkopplungselemente aus der Ventilmechanik ermöglicht, sondern darüber hinaus regelungstechnische Eingriffe in den Rückkopplungszweig gestattet. Durch Beeinflussung des Reglers können auf diese Weise unterschiedliche Rückkopplungscharakteristiken eingestellt werden, so daß der Linearantrieb an unterschiedliche Aufgaben besser angepaßt werden kann.

Die Verknüpfung der Lagegrößen mit der Druckgröße im Lageregler hat darüber hinaus den Vorteil, daß für eine komplexere Regelung erforderliche abgeleitete Größen, insbesondere die Geschwindigkeit und die Beschleunigung alternativ aus den vorliegenden Lagewerten oder dem vorliegenden Druckwert ermittel werden können. So können beispielsweise die Geschwindigkeit und die Beschleunigung in an sich bekannter Weise durch einmaliges bzw. zweimaliges Differenzieren der Lagewerte nach der Zeit ermittelt werden. Da dies jedoch mitunter zu einer Erhöhung des Rauschens führt, können alternativ die Geschwindigkeit und die Beschleunigung auch aus dem Druckwert selbst abgeleitet werden, wenn man die bewegten Massen und die wirksamen Reibungskräfte berücksichtigt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Regler ein Zustandsregler, in dem die Summe einer gewichteten ersten Eingangsgröße, einer gewichteten ersten zeitlichen Ableitung einer zweiten Eingangsgröße sowie einer gewichteten zweiten zeitlichen Ableitung einer dritten Eingangsgröße als Ausgangssignal gebildet wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der Regler sowohl bei quasi stationären Änderungen wie auch bei schnellen Änderungen der Eingangsgröße den gewünschten Veränderungen mit der erfor­ derlichen Präzision und Stelligkeit zu folgen vermag.

Bei einer ersten bevorzugten Variante dieses Ausführungsbei­ spiels sind die erste Eingangsgröße die Differenz eines Soll- Druckwertes und eines Ist-Druckwertes des Drucksensors und die zweite und dritte Eingangsgröße der Ist-Druckwert.

Bei einer zweiten Variante des Ausführungsbeispiels sind die erste, zweite und dritte Eingangsgröße die Differenz eines Soll-Druckwertes und eines Ist-Druckwertes des Drucksensors.

Die vorstehend genannten und die noch weiter möglichen Varianten zeigen deutlich, mit welcher Flexibilität beim erfindungsgemäßen Linearantrieb durch Ausgestaltung des elektronischen Rückkopp­ lungszweiges Regelungsverhalten unterschiedlichster Art reali­ sierbar sind.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der beiden vorstehend genannten Varianten wird der Soll-Druckwert durch Wichtung der Differenz eines Soll-Lagewertes und eines Ist-Lagewertes des Kolbens gebildet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die in der Praxis am Linearantrieb gemessene Größe, nämlich die axiale Lage des Kolbens durch eine Wichtung, d.h. eine tabellarische Zuordnung in einen Soll-Druckwert umgesetzt werden kann, der dann in dem Regler zum Einstellen des Ist-Druckwertes herangezogen werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das andere Patronenventil ein Wege-Servoventil und die Druck/Er­ regerstrom-Kennlinien der Patronenventile schneiden sich mit einer Steigung von etwa 0,06 bar/A.

Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das andere Patronenventil ebenfalls ein Druck-Servoventil und die Druck/Erregerstrom-Kennlinien der Patronenventile schneiden sich ebenfalls mit einer Steigung von etwa 0,06 bar/A.

Diese Maßnahme hat den wesentlichen Vorteil, daß durch den endlichen Schnittwinkel der Kennlinien ein definierter Ar­ beitspunkt entsteht, der auch bei geringfügiger Schwankung der Kennlinien infolge von Umwelteinflüssen stabil bleibt. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber vorbekannten Anordnungen dar, bei denen zwei Wege-Servoventile eingesetzt wurden, die im interessierenden Arbeitsbereich eine nahezu senkrecht verlaufende Kennlinie aufweisen, so daß die Kennlinien sich unter einem extrem spitzen Winkel schneiden und der Arbeitspunkt bei Schwankungen oder sonstigen Fluktuationen der Kennlinien in weiten Bereichen wandern konnte.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines erfindungsgemäßen Linearantriebes mit zugehörigen elektronischen Steuereinheiten;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II von Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie III-III von Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung, ähnlich Fig. 1, jedoch für eine Variante der Erfindung;

Fig. 5 ein schematisiertes Blockschaltbild einer erfin­ dungsgemäß verwendeten Steuereinheit für einen Linearantrieb;

Fig. 6 eine Variante zum Blockschaltbild der Fig. 5;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung durch ein Druck-Servoventil, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung für einen Linearantrieb verwendet werden kann;

Fig. 8 eine Darstellung, ähnlich Fig. 7, jedoch für eine Variante mit mechanischer Druckrückkopplung;

Fig. 9 eine schematisierte Druck/Erregerstrom-Kennlinie der Druck-Servoventile gemäß Fig. 7 oder 8;

Fig. 10 eine Darstellung ähnlich den Fig. 7 und 8, jedoch für ein Wege-Servoventil;

Fig. 11 eine Wege/Erregerstrom-Kennlinie des Wege-Servo­ ventils gemäß Fig. 10;

Fig. 12 eine Druck/Erregerstrom-Kennlinie des Wege-Servo­ ventils gemäß Fig. 10;

Fig. 13 einen schematisierten Fluidplan zur Erläuterung einer ersten Beschaltung eines erfindungsgemäßen Linearantriebes;

Fig. 14 eine Darstellung ähnlich Fig. 13, jedoch für eine Variante der Erfindung;

Fig. 15 ein Arbeitsdiagramm mit zwei Kennlinien zur Er­ läuterung des Arbeitspunktes bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 13;

Fig. 16 eine Darstellung ähnlich Fig. 15, jedoch für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14.

In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt einen Linearantrieb, wie er z.B. in der Handhabungstechnik verwendet wird. Linearantriebe der hier interessierenden Art werden üblicherweise modular zusammengesetzt und zwar entweder mit weiteren Linearantrieben gleicher oder anderer Abmessungen, mit Drehantrieben, mit Kurzhubantrieben oder mit Werkzeugen, insbesondere Greifern. Auf diese Weise lassen sich durch Kombination von Modulen Handhabungssysteme zusammenstellen, die in vorgegebenen Ar­ beitsräumen beliebige Handhabungs-, Transport-, Montage- oder Fügearbeiten ausführen können.

Der Linearantrieb 10 gemäß Fig. 1 weist ein Zylindergehäuse 11 auf, das mit einer axialen Zylinderbohrung 12 versehen ist. In der Zylinderbohrung 12 läuft ein kolbenstangenloser Kolben 13. Auf beiden Seiten des Kolbens 13 ist ein flexibles Band 14 befestigt, das durch druckdichte Durchführungen 15, 16 in Zylinderköpfen 17, 18 hindurchgeführt ist und dort über Umlenkrollen 19, 20 auf beiden Seiten eines Wagens 21 befestigt ist. Der Wagen 21 ist auf der Außenseite des Zylindergehäuses 11 in axialer Richtung verschiebbar angeordnet. Die Zylinder­ köpfe 17, 18 schließen die Zylinderbohrung 12 druckdicht ab.

Mit dem Wagen 21 ist ein schematisch angedeuteter Tastkopf 22 gekoppelt, der mit einer Längenskala 23 an der Außenseite des Zylindergehäuses 11 zusammenwirkt. Mit den Elementen 22, 23 kann zu jedem Zeitpunkt die Position des Wagens 21 in Längs­ richtung auf dem Zylindergehäuse 11 erfaßt und in ein elektri­ sches Signal umgewandelt werden.

An Oberflächen 24, 25 des Wagens 21 und/oder stirnseitigen Oberflächen 26, 27 der Zylinderköpfe 17, 18 und/oder Längsober­ flächen 28 des Zylindergehäuses 11 können in der eingangs beschriebenen Weise weitere Linearantriebe oder sonstige Antriebe, Werkzeuge und dgl. angeflanscht werden.

Der in Fig. 1 linke Zylinderkopf 17 ist mit einem ersten Einbauraum 30 versehen, der sich quer zur Längsrichtung des Zylindergehäuses 11 erstreckt. Vom ersten Einbauraum 30 führt ein Kanal 31 zur Zylinderbohrung 12. Im rechten Zylinderkopf 18 ist symmetrisch dazu ein zweiter Einbauraum 32 vorgesehen, der mit einem Kanal 33 ebenfalls zur Zylinderbohrung 12 führt. Im rechten Zylinderkopf 18 ist ferner ein dritter Einbauraum 34 vorgesehen, der mit einem Kanal 35 zur rechten Oberfläche 27 an der Stirnseite des Zylinderkopfs 18 führt.

ln die Einbauräume 30, 32, 34 können Patronenventile vollständig integriert werden, von denen mit 36 ein erstes im ersten Einbauraum 30 und mit 37 ein zweites im zweiten Einbauraum 32 angedeutet ist. Die Patronenventile 36, 37 dienen dazu, um in einer weiter unten noch ausführlich beschriebenen Weise einen Druck p₂ auf beiden Seiten des Kolbens 13 einzustellen, damit dieser in der Zylinderbohrung 12 in der gewünschten Weise läuft. Ein in den dritten Einbauraum 34 eingesetztes Patronen­ ventil kann über den zugehörigen Kanal 35 dazu verwendet werden, um ein auf die Oberfläche 27 angeflanschtes weiteres Modul, insbesondere ein Greifer oder einen Kurzhubantrieb unmittelbar mit einem Fluid zu versorgen.

Aus den vorstehend genannten Gründen sind die Patronenventile 36, 37 als Servoventile ausgebildet, während ein in den dritten Einbauraum 34 einzusetzendes Patronenventil vorzugsweise als Schaltventil auszubilden wäre.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Fluid vorzugsweise Druckluft verwendet wird.

Fig. 2 zeigt in einer Schnittdarstellung zusätzlich, daß das zweite Patronenventil 37, in äußerst schematisierter Darstel­ lung, eine elektrisch betätigbare Vorstufe 38 sowie eine davon betätigte Hauptstufe 39 umfaßt, die mit einem Schieber 40 versehen ist. Der Schieber 40 kann den in Fig. 2 nicht erkenn­ baren Kanal 31 wahlweise mit einem Zufluß 41 und einem Abfluß 42 für das Fluid verbinden, wie dies weiter unten noch im einzelnen erläutert werden wird.

Fig. 3 zeigt zusätzlich, daß sich durch das Zylindergehäuse 11 ferner in axialer Richtung zwei Längskanäle 43, 44 er­ strecken. Die Längskanäle 43, 44 dienen dazu, um zentrale Anschlüsse für elektrische Signale, elektrische Energie oder Fluid nur an einem Zylinderkopf vorsehen und innerhalb des Linearantriebes 10 dann über die Längskanäle 43, 44 zum jeweils anderen Zylinderkopf weiterleiten zu können. Dies reduziert den Bedarf an zusätzlicher externer Verdrahtung und Ver­ schlauchung.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel dient der erste Längskanal 43 zum Weiterleiten des Fluids, während der zweite Längskanal 44 zur Aufnahme eines Kabels 45 dient. Es versteht sich, daß der zweite Längskanal 44 zusätzlich zur Führung des Kabels 45 auch zum Transportieren eines Fluids benutzt werden kann.

Erfindungsgemäß ist der Linearantrieb 10 mit mindestens einem Patronenventil 36 oder 37 versehen, das als Druck-Servoventil ausgebildet ist.

Um ein Druck-Servoverhalten zu erhalten, ist im Ausführungs­ beispiel der Fig. 1 im linken Zylinderkopf 17 ein Drucksensor 50 vorgesehen, der mit seiner Sensorfläche an die Zylinderboh­ rung 12 grenzt. Der Drucksensor 50 erzeugt somit ein dem Druck p₂ entsprechendes elektrisches Signal. Dieses Signal wird in einem Vorverstärker 51, der ebenfalls in den Zylinderkopf 17 integriert ist, verstärkt. Der Ausgang des Vorverstärkers 51 ist an einen Regler 52 angeschlossen, der beim Ausführungsbei­ spiel der Fig. 1 ebenfalls in den Zylinderkopf 17 integriert ist. Ein Kabel 53 führt vom Ausgang des Reglers 52 zur Betäti­ gungsspule des ersten Patronenventils 36. Ein weiterer Eingang des Reglers 52 ist mit einem Steckverbinder 54 verbunden, der eine lösbare elektrische Verbindung an einer Außenfläche des Zylinderkopfs 17 darstellt.

Vom Steckverbinder 54 führt eine Leitung zu einem Ausgang 55 eines externen Schaltgeräts 56, das z.B. in einer Steuerkonsole des gesamten Handhabungssystems untergebracht sein kann.

Das externe Schaltgerät 56 enthält einen Umsetzer 57 sowie einen vorgeschalteten Differenzbildner 58, an dessen erstem Eingang 59 ein Wege-Sollsignal S₁ und an dessen zweitem Eingang 60 ein Wege-Istsignal S₂ anliegt. Das Wege-Istsignal S₂ wird vom Tastkopf 22 in Verbindung mit der Längenskala 23 erzeugt.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Steuer- und Regelvorrichtung für den Druck p₂ in der Zylinderbohrung 12 ist wie folgt:

Über den ersten Eingang 59 wird der Differenzbildner 58 ein Sollwert S₁ für die Position zugeführt, die der Kolben 13 relativ zum Zylindergehäuse 11 einnehmen soll. Dieser Sollwert kann z.B. dem gewünschten Verfahrweg eines Greifers entsprechen, der an der Oberfläche 24 des Wagens 21 angeflanscht ist.

Im Differenzbildner 58 wird nun die Differenz ΔS zwischen Sollwert S₁ und Istwert S₂ gebildet, wie sie im jeweiligen Augenblick von der Längenmeßeinrichtung 22, 23 erfaßt wurde. Die Wertedifferenz ΔS wird an den Umsetzer 57 weitergegeben, der nach Art einer Kennlinie oder einer Tabelle den Eingangs- Differenzwerten ΔS einen Ausgangs-Sollwert P₁ eines Drucks zuordnet. Die im Umsetzer 57 enthaltene Tabelle oder Kennlinie kann in weiten Bereichen frei vorgegeben werden, wie dies im jeweiligen Einzelfall gewünscht wird.

Der Druck-Sollwert P₁ gelangt nun auf den Regler 52, dem andererseits ein Druck-Istwert P₂ als elektrisches Signal zugeführt wird, das dem tatsächlich herrschenden Druck p₂ in der Zylinderbohrung 12 entspricht. Der Regler 52 erzeugt aus diesen beiden Eingangssignalen schließlich ein Stellsignal Y für den Betätigungsmagneten des ersten Patronenventils 36.

Durch Betätigung des ersten Patronenventils 36 wird dessen Schieber so verstellt, daß z.B. der Bereich der Zylinderbohrung 12 in Fig. 1 links vom Kolben 13 druckentlastet wird, mit der Folge, daß der Kolben 13, wie in Fig. 1 mit Pfeilen angedeutet, nach links wandert. lnfolge des straff gespannten Bandes 14 drehen sich die Umlenkrollen 19, 20 im Uhrzeigersinn und der Wagen 21 wandert gegenläufig zum Kolben 13 auf dem Zylinder­ gehäuse 11 in Fig. 1 nach rechts. Die jeweilige Position des Wagens 21 wird fortlaufend von der Längenmeßeinrichtung 22, 23 erfaßt und an das externe Schaltgerät 56 weitergegeben, bis schließlich das Erreichen der mit S₁ vorgegebenen Soll­ position erkannt wird. In diesem Augenblick wird auf beiden Seiten des Kolbens 13 ein gleich großer Druck p₂ in der Zylin­ derbohrung 12 eingestellt, so daß der Kolben 13 und damit der Wagen 21 wieder still stehen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 1 nur insoweit, als das dem Druck p₂ entsprechende elektrische Signal P₂ hinter dem Vorverstärker 50a über eine zweite Steckverbindung 63 und ein Kabel 64 dem Regler 52a zugeleitet wird, der sich bei diesem Ausführungs­ beispiel im externen Schaltgerät 56a befindet. Das Stellsignal Y des Reglers 52a gelangt vom Ausgang 55a des externen Schalt­ geräts 56 über eine Kabelverbindung und den ersten Steckver­ binder 54a auf das erste Patronenventil 37a.

Damit ist es möglich, ohne zusätzliche lange Kabelverbindungen zwischen dem externen Schaltgerät 56a und dem Linearantrieb 10a regelungstechnisch in den Regler 52a einzugreifen und ihm beispielsweise weitere Zustandsgrößen zuzuführen.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild, das zunächst unabhängig davon ist, ob sich der Regler 52 im Zylinderkopf 17 oder als Regler 52a im externen Schaltgerät 56a befindet.

Der Druck-Sollwert P₁ wird dem Regler 52 zugeführt und gelangt dort zunächst auf einen Inverter 70, in dem das Vorzeichen des Signals invertiert wird. Es schließt sich ein erster Summierer 71 an, dem über einen weiteren Eingang das elektrische Signal P₂ des Druck-Istwerts zugeführt wird. Am Ausgang des ersten Summierers 71 steht dann die Signaldifferenz ΔP = P₂-P₁ an. Dieser Differenzwert wird einer ersten Wichtungs­ stufe 72 zugeführt, die den Differenzwert ΔP mit einer ersten Konstante K₁ multipliziert. Die Konstante K₁ kann größer oder kleiner als eins sein und ein positives oder negatives Vor­ zeichen haben. Die Wichtungsstufe 72 kann bei einer Konstante K₁ kleiner als eins als Potentiometer und bei einer Konstante K₁ größer oder kleiner als eins als Verstärker ausgebildet sein. Am Ausgang der ersten Wichtungsstufe 72 steht dann ein Signal K₁ ΔP an.

Das elektrische Signal P₂ des Druck-lstwerts wird darüber hinaus unmittelbar auf einen ersten Differenzierer 73 geführt, der die erste zeitliche Ableitung des Signals P₂ bildet. Diese erste zeitliche Ableitung gelangt auf eine zweite Wichtungsstufe 74, die entsprechend der ersten Wichtungsstufe 72 ausgebildet ist und die erste zeitliche Ableitung von P₂ mit einem konstan­ ten Faktor K₂ multipliziert.

Der Ausgang des ersten Differenzierers 73 ist ferner auf einen zweiten Differenzierer 75 geführt, an dessen Ausgang somit die zweite zeitliche Ableitung des elektrischen Signals P₂ des Druck-Istwerts anliegt. Auch diese zweite zeitliche Ablei­ tung wird über eine dritte Wichtungsstufe 76, die einem konstan­ ten Faktor K₃ entspricht, geführt.

Die Ausgänge der Wichtungsstufen 72, 74 und 76 sind in einem zweiten Summierer 77 zusammengeführt, dessen Ausgang gleich­ zeitig den Ausgang 55 des Reglers 52 bildet. Das an diesem Ausgang 55 anliegende Stellsignal Y gehorcht somit der Be­ ziehung:

Y = K₁ΔP + K₂P₂ + K₃P₂

Bei einer Variante des Reglers 52′, wie ihn Fig. 6 darstellt, werden sowohl die erste Wichtungsstufe 72′ wie auch der erste Differenzierer 73′ einheitlich mit der Signaldifferenz ΔP beaufschlagt. Im übrigen ist die Schaltungsanordnung dieselbe wie in Fig. 5.

Fig. 7 zeigt im Querschnitt das Druck-Servoventil 61 in der Ausgestaltung, wie es auch in Fig. 1 und 2 mit externer Druck­ rückkopplung vorgesehen ist.

Das Patronenventil 36 ist an einen Fluid-Zufluß 78 sowie einen Fluid-Abfluß 79 versorgungsseitig angeschlossen, während sein Ausgang mit dem Kanal 31 in Verbindung steht. Im Kanal 31 bzw. an dessen Ausgang in die Zylinderbohrung 12 ist der Drucksensor 50 angeordnet, der über die Elemente 51, 52 eine Stellgröße Y bildet, die in Verbindung mit dem Innenwiderstand eines Betätigungsmagneten einen Steuerstrom I ergibt.

Das Patronenventil 36 weist eine Spule 80 auf, die eine Prall­ platte 81 trägt. Die Spule 80 und die Prallplatte 81 sind in einer Membran 82 aufgehängt und damit in gewissen Grenzen elastisch axial verfahrbar und zwar in Abhängigkeit von der Stärke des Erregerstroms I.

Bei nicht-erregter Spule 80 liegt diese unter der elastischen Rückstellwirkung der Membran 82 mit der Prallplatte 81 auf einer Düse 83 auf. Die Düse 83 ist mit einem axialen Kanal 84 im Schieber 40 verbunden. Über eine Ringnut steht der Kanal 84 mit dem Zufluß 78 in Verbindung, wenn der Schieber 40 in der in Fig. 7 gezeichneten Eingangsstellung ist. In dieser Stellung steht der Ausgangskanal 31 über entsprechende Ringnuten mit dem Abfluß 79 in Verbindung. Gelangt nun Druck über den Zufluß 78 in den Kanal 84, verschiebt sich der Schieber 40 gegen die Kraft einer Feder 87 nach rechts, wobei der Schieber 40 mit einer radialen Oberfläche 86 von einem die Düse 83 enthaltenden Düsenkörper abhebt. Hebt nun die Prallplatte 81 von der Düse 83 ab, weil die Spule 80 erregt wurde, strömt Fluid über den Kanal 84 in den Hohlraum zwischen Membran 82 und Düsenhalter und von dort über einen weiteren Kanal 85 ins Freie. Auf diese Weise vermindert sich die Auslenkkraft des Schiebers 40 und dieser kehrt unter der Wirkung der Feder 87 wieder nach links zurück.

Auf diese Weise läßt sich in Abhängigkeit vom Druck p im Kanal 31 bzw. der Zylinderbohrung 12 die Position des Schiebers 40 und damit die Überdeckung zu den Eingangs- und Ausgangskanälen einstellen, so daß ein gewünschter Druck p durch Variation des Erregerstromes I reproduzierbar eingestellt werden kann.

Während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 die Druckrückkopp­ lung über die Elemente 50, 51, 52 extern erfolgte, sieht das in Fig. 8 skizzierte Ausführungsbeispiel eine interne Druck­ rückkopplung vor, indem der Schieber 40′ mit einem weiteren axialen Kanal 90 versehen ist, der vom Ausgangskanal 31′ auf die in Fig. 8 rechte Stirnseite des Schiebers 40′ führt. Der dort vorhandene Hohlraum 91, in dem sich die Feder 87′ befindet, ist beim Ausführungsbeispiel der Fig. 8 druckdicht geschlossen, während beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 eine Entlüftungs­ bohrung ins Freie vorgesehen war, um die Verschiebung des Schiebers 40 nach rechts in Fig. 7 nicht zu behindern.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 8 wirkt somit ein Rückkoppeldruck von rechts auf den Schieber 40′, während sich von links der bereits im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 geschilderte Eingangsdruck auswirken kann.

Fig. 9 zeigt eine Kennlinie 92, wie sie mit einem Druck-Servo­ ventil 61 gemäß Fig. 7 oder 61′ gemäß Fig. 8 erzielt wird.

Über dem Erregerstrom I, der beim dargestellten Ausführungs­ beispiel zwischen 0 und 100 mA variieren kann, ist der einstell­ bare Ausgangsdruck p zwischen 0 und 6 bar variierbar. Die Abhängigkeit des Ausgangsdrucks p vom Erregerstrom I ist dabei nahezu linear und die Steigung der Kurve beträgt ca. 0,06 bar/A .

Fig. 10 zeigt im Vergleich dazu ein Wege-Servoventil 93, das als Patronenventil 37 dem Aufbau der Fig. 7 entspricht.

Infolge der fehlenden Druckrückkopplung ergibt sich eine Kennlinie 94 gemäß Fig. 11 für den Weg x über dem Erregerstrom I. Variiert man auch hier den Erregerstrom zwischen 0 und 100 mA, ergibt sich eine Wegevariation x des Schiebers 40 zwischen beispielsweise 0 und 2 mm mit ebenfalls nahezu linearer Abhängigkeit.

Läßt man das Wege-Servoventil 93, mit dem sich demzufolge Volumenströme von beispielsweise 500 l/min leicht einstellen lassen, auf einen geschlossenen Hohlraum, beispielsweise die Zylinderbohrung 12 arbeiten, so ergibt sich eine Kennlinie 95 gemäß Fig. 12 für den Ausgangsdruck p in Abhängigkeit vom Erregerstrom I. Die Kennlinie 95 zeigt deutlich, daß bei der kontinuierlichen Auslenkung des Schiebers 40 der Ausgangsdruck p sprunghaft von 0 auf den Endwert ansteigt, wenn die Über­ deckung des Schiebers 40 den Eingang mit dem Ausgang des Patronenventils 37 verbindet.

Aus den vorstehend ausführlich geschilderten Varianten von Ventilen, wie sie für Linearantriebe der hier interessierenden Art einsetzbar sind, ergeben sich die beiden in Fig. 13 und 14 schematisch dargestellten Schaltmöglichkeiten.

In Fig. 13 wird als erstes Patronenventil 36 im ersten Ein­ bauraum 30 ein Druck-Servoventil 61 verwendet, wie es weiter oben ausführlich zu Fig. 7 erläutert wurde und in den Fig. 1 und 4 auch eingezeichnet ist. Als zweites Patronenventil 37 im zweiten Einbauraum 32 wird hingegen ein Wege-Servoventil 93 eingesetzt, wie es weiter oben ausführlich zu Fig. 10 erläutert wurde. Mit 97 ist die externe Rückkopplung des Drucks am Druck-Servoventil 61 angedeutet, so wie sie in Fig. 7 durch die Elemente 50 bis 52 dargestellt ist.

Man erkennt aus Fig. 13 ferner, daß die Zuflüsse 41 und 78 miteinander verbunden sind, wie dies z.B. durch den ersten Längskanal 43 möglich gemacht wird.

Fig. 14 zeigt demgegenüber eine Kombination, bei der die Verhältnisse im ersten Einbauraum 30 gegenüber Fig. 13 un­ verändert sind, im zweiten Einbauraum 32 jedoch als zweites Patronenventil 37 ein zweites Druck-Servoventil 61′ mit Rück­ kopplung 97′ eingesetzt wird.

Die beiden in Fig. 13 und 14 gezeigten Möglichkeiten wirken sich hinsichtlich des Arbeitsverhaltens in einer Weise aus, die in den Fig. 15 und 16 dargestellt ist.

Fig. 15 zeigt den Fall der Verschaltung gemäß Fig. 13. In diesem Falle wird die Kennlinie 92 des Druck-Servoventils 61 mit der Kennlinie 95′ des Wege-Servoventils 93 kombiniert, wobei wegen der gegenläufigen Wirkung der Ventile 61, 93 die Kennlinie 95′ gegenüber der Kennlinie 95 von Fig. 12 um die Ordinate gespiegelt ist.

Wie Fig. 15 deutlich zeigt, entsteht auf diese Weise ein Arbeitspunkt 100 als Schnittpunkt der Kennlinien 92 und 95′, der im Arbeitsbereich der Ventile 61, 93, d.h. im Erregerstrom­ bereich zwischen 0 und 100 mA und im Druckbereich zwischen 0 und 6 bar klar definiert ist. Selbst bei geringfügigen Fluk­ tuationen der Kennlinien 92 und 95′ bleibt der Arbeitspunkt 100 im wesentlichen erhalten. Dies bildet einen wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik, in dem zwei Wege-Servoventile miteinander kombiniert wurden, so daß zwei Kennlinien nach Art der Kennlinien 95′ (eine davon gespiegelt) sich schneiden und der Schnittpunkt dieser beiden Sprungfunktionen im Bereich der steilen Flanke liegt, so daß bei geringfügiger Fluktuation der Kennlinien bezüglich der Abszisse der Arbeitspunkt in Ordinatenrichtung erheblich wandern konnte.

Fig. 16 zeigt schließlich noch den Fall der Verschaltung gemäß Fig. 14.

In diesem Falle werden die beiden Kennlinien 93 und 93′ zweier Druck-Servoventile 61, 61′ zum Schnitt gebracht und es ergibt sich der in Fig. 16 eingezeichnete Arbeitspunkt 101 ebenfalls inmitten des Arbeitsbereichs der Ventile 61, 61′ und ebenfalls mit endlicher Steigung der Kennlinien 93, 93′ im Arbeitspunkt 101.

In den Fällen der Fig. 15 und 16 beträgt die Steigung der Kennlinien 92, 95′; 93, 93′ etwa 0,06 bar/A.

Die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Servo­ ventile arbeiten typischerweise mit geringen Steuerleistungen von beispielsweise 1,5 W und stellen damit hohe Ausgangs­ leistungen des Linearantriebes von beispielsweise einem kW ein. Es versteht sich jedoch, daß diese und die vorstehend genannten Betriebsdaten nur beispielhaft zu verstehen sind, und daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht verlassen wird, wenn bei entsprechend kleineren oder größeren Linearan­ trieben auch entsprechend kleinere oder größere Servoventile eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Linearantrieb mit einem in einer Zylinderbohrung (12) eines Zylindergehäuses (11) laufenden Kolben (13), dessen Bewegung relativ zum Zylindergehäuse (11) zum Verfahren weiterer Linear- oder Drehantriebe oder Werkzeuge dient, bei dem in Zylinderköpfe (17, 18) des Zylindergehäuses (11) Patronenventil (36, 37) integriert sind, die zum Einstellen eines Drucks (p) auf beiden Seiten des Kolbens (13) betätigbar sind, wobei eines der Patronenventile (36) als Druck-Servoventil (61) ausgebildet ist, und ferner zum Positionieren des Kolbens (13) relativ zum Zylindergehäuse (11) ein zwischen Kolben (13) und Zylindergehäuse (11) wirkendes Lagemeßsystem (22, 23) vorgesehen ist, das einen Lage-Istwert (S₂) erzeugt und einem Lageregler (52) zuführt, der weiterhin mit einem einem Lage-Sollwert (S₁) entsprechenden Signal beschaltet ist, und schließlich der Lageregler (52) ausgangsseitig mit einer Betätigungsspule (80) des Druck-Servoventils (61) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Druck-Servoventil (61) ein extern rückgekoppeltes Wege-Servoventil ist, daß ein in der Zylinderbohrung (12) angeordneter Drucksensor (50) mit einem Eingang des Lagereglers (52) verbunden ist, und daß in dem Lageregler (52) ein vom Drucksensor (50) erzeugtes, einem Druck-Istwert (p) entsprechendes erstes Signal (P₂) mit einem aus der Differenz von Lage-Istwert (S₂) und Lage-Sollwert (S₁) abgeleiteten zweiten Signal (P₁) verknüpft wird.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (52) ein Zustandsregler ist, in dem die Summe einer gewichteten ersten Eingangsgröße, einer gewichteten ersten zeitlichen Ableitung einer zweiten Eingangsgröße sowie einer gewichteten zweiten zeitlichen Ableitung einer dritten Eingangsgröße als Ausgangssignal (Y) gebildet wird.

3. Linearantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Eingangsgröße die Differenz eines Soll- Druckwertes (P₁) und eines Ist-Druckwertes (P₂) des Drucksensors (50) und die zweite und die dritte Eingangsgröße der Ist-Druckwert (P₂) sind.

4. Linearantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Eingangsgröße die Differenz eines Soll-Druckwertes (P₁) und eines Ist- Druckwertes (P₂) des Drucksensors (50) sind.

5. Linearantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Druckwert (P₁) durch Wichtung der Differenz (ΔS) eines Soll-Lagewertes (S₁) und eines Ist-Lagewertes (S₂) des Kolbens (13) gebildet wird.

6. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Patronenventil (37) ein Wege-Servoventil (93) ist und daß die Druck/Erregerstrom- Kennlinien (93, 95′) der Patronenventile (36, 37) sich mit einer Steigung von etwa 0,06 bar/A schneiden.

7. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Patronenventil (37) ebenfalls ein Druck-Servoventil (61′) ist und daß die Druck/Erregerstrom-Kennlinien (93, 95′) der Patronenventile (36, 37) sich mit einer Steigung von 0,06 bar/A schneiden.