DE3831118A1 - Fluidbetaetigter antrieb fuer maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen fluidbetätigten Antrieb für Maschinen mit einem Zylinder, in dem ein Kolben mit einer herausgeführten Kolbenstange, die mit einem bewegbaren Maschinenteil gekoppelt ist, verschiebbar ist, mit zwei Anschlüssen für die Zuführung bzw. Abführung des Fluids aus den beiden durch den Kolben getrennten Zylinderkammern sowie mit einer Ventilanordnung, die wenigstens ein zwischen einer Pumpe und dem jeweiligen Anschluß des Zylinders angeordnetes Zuführungsventil und ein zwischen einem Fluidtank und dem jeweiligen anderen Anschluß des Zylinders angeordnetes Abführungsventil enthält, wobei das Zuführungsventil und das Abführungsventil den gleichen Öffnungsquerschnitt aufweisen.

Aus der DE-OS 26 21 327 ist ein solcher fluidbetätigter Antrieb für eine Werkzeugmaschine, insbesondere für Scheren, bekannt. Hierbei wird ein Schermesser von einer Kolbenstange betätigt. Die Kolbenstange ist an einer Stirnseite eines Zylinders herausgeführt, in dem ein Kolben mit der Kolbenstange verschiebbar ist. In der Nähe der beiden Stirnseiten des Zylinders sind Anschlüsse für die Zuführung bzw. Abführung des Fluids vorgesehen. Das Fluid kann z.B. ein Hydrauliköl oder ein Gas sein. Die beiden Anschlüsse sind mit einer Ventilanordnung verbunden, die aus einer Vierwegeventilanordnung besteht, welche drei Stellungen einnehmen kann. In der ersten Stellung wird das Fluid von einer Pumpe über ein erstes Zuführungsventil der Ventilanordnung zu dem ersten Anschluß des Zylinders geleitet. Über ein Abführungsventil fließt das Fluid von dem zweiten Anschluß des Zylinders zu einem Fluidtank. In der zweiten Stellung wird über ein zweites Zuführungsventil das Fluid zum zweiten Anschluß gepumpt. Der erste Anschluß ist noch über ein Vorspannventil mit dem zweiten Anschluß verbunden. Dieses Vorspannventil öffnet sich, sobald ein bestimmter Druck überschritten wird. In diesem Fall fließt von einem zum anderen Anschluß ein Teil des Fluids. In der Nullstellung sind Fluidtank und die Pumpe miteinander verbunden.

Bei anderen bekannten fluidbetätigten Antrieben wird auch ein zweites Abführungsventil verwendet, das eine Ver­ bindung in der zweiten Stellung der Vierwegeventil­ anordnung mit einem Anschluß und dem Fluidspeicher herstellt. Eine solche Vierwegeventilanordnung weist in der Regel nicht vier diskrete Ventile (zwei Zuführungs- und zwei Abführungsventile) auf. Innerhalb der Vierwege­ ventilanordnung werden vielmehr durch Veränderung von Leitungswegen bei der Umschaltung ein erstes oder zweites Zuführungs- bzw. Abführungsventil gebildet.

Um das mit der Kolbenstange zu bewegende Maschinenteil zu bewegen und zu positionieren, wird ein Regelsystem verwendet, welches die Ventilanordnung stellt. Um das System preiswert zu halten, ist es erforderlich, daß Standard-Ventilanordnungen und einfache Regler eingesetzt werden. Bei solchen Standard-Ventilanordnungen weisen üblicherweise Zuführungsventil und Abführungsventil den gleichen Öffnungsquerschnitt auf. Als einfache Regler sind lineare Regler, z.B. P-, I- oder PI-Regler vorgesehen. Es hat sich bei solchen fluidbetätigten Antrieben mit Regelsystem gezeigt, daß bei geringen Geschwindigkeiten des Kolbens und insbesondere in der Mittelstellung des Kolbens im Zylinder der Kolben zu schwingen beginnt und eine genaue Positionierung des Maschinenteils nicht möglich ist. Diese Schwingungen des Kolbens werden durch die Federwirkung des Fluids hervorgerufen, die mit steigendem Abstand des Kolbens von einer Stirnseite des Zylinders zur Mittelstellung hin zunimmt, d.h. das Fluid ist für den Kolben, wenn er in der Nähe der Stirnseite liegt, steifer, als wenn er in der Mittelstellung liegt. Außerdem ist auch eine Schwingneigung bei geringem Öffnungsquerschnitt der Ventile vorhanden.

Es liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen fluidbetätigten Antrieb zu schaffen, der von einem linearen Regler gesteuert wird und dessen Kolben bei geringer Geschwindigkeit nicht zu schwingen beginnt.

Diese Aufgabe wird bei einem fluidbetätigten Antrieb der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen Zuführungsventil und Anschluß des Zylinders ein Abflußweg mit einer Drossel angeordnet ist, über die ein Teil des durch das Zuführungsventil fließenden Flusses abführbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen fluidbetätigten Antrieb wirkt die im Abflußweg angeordnete Drossel wie ein Dämpfungsglied, das einen dämpfenden Einfluß auf das als Feder wirkende Fluid und die Masse des Maschinenteils hat. Die Drossel kann hierbei als weiteres Ventil oder als Rohr ausgebildet sein, das einen geringeren Querschnitt als das Rohr zwischen Anschluß des Zylinders und Zuführungsventil aufweist. Eine Drossel ist, dabei jeweils mit einem der beiden Anschlüsse des Zylinders verbunden. Mit welchem Anschluß eine Drossel verbunden ist, ist abhängig von der Bewegungsrichtung des Kolbens. Es ist z.B. durch eine Umschaltanordnung bei Veränderung der Bewegungsrichtung des Kolbens möglich, die Verbindung zwischen einem Anschluß des Zylinders und der Drossel zu verändern.

Die Ventilanordnung kann als Vierwegeventilanordnung ausgebildet sein. Eine solche Vierwegeventilanordnung kann in der ersten Stellung ein erstes Zuführungsventil zwischen einen ersten Anschluß des Zylinders und eine Pumpe und ein erstes Abführungsventil zwischen den zweiten Anschluß des Zylinders und einen Fluidtank schalten. In der zweiten Stellung schaltet sie ein zweites Abführungs­ ventil zwischen den ersten Anschluß des Zylinders und den Fluidtank und ein zweites Zuführungsventil zwischen den zweiten Anschluß des Zylinders und die Pumpe. Bei Null­ stellung weisen die Ventile der Ventilanordnung keine Verbindung mit den Anschlüssen des Zylinders auf. Eine solche Vierwegeventilanordnung weist in der Regel nicht zwei diskrete Zuführungsventile und zwei diskrete Abführungsventile auf, sondern zwei Ventile, die durch entsprechende Veränderung der Leitungswege innerhalb der Vierwegeventilanordnung bei der Umschaltung ein erstes oder zweites Zuführungs- bzw. Abführungsventil bilden.

Durch die Erfindung wird bei geringer Geschwindigkeit des Kolbens eine genaue Positionierung desselben möglich, da dieser durch den dämpfenden Einfluß der Drossel nicht schwingen kann.

Es sei noch erwähnt, daß aus der DE-OS 27 38 455 ein aktiver Schwingungsdämpfer bekannt ist, bei dem ein Zylinder an einer Stirnseite mit einer ersten Masse und die im Zylinder bewegbare Kolbenstange mit einer zweiten Masse verbunden ist. Die beiden durch den Kolben getrennten Zylinderkammern sind mit einer einstellbaren Drossel verbunden, die bei Bedarf geöffnet wird und so eine veränderbare Schwingungsdämpfung bewirkt. Hierbei ist jedoch keine Möglichkeit zur Positionierung der Massen vorgesehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zwischen Zuführungsventil und Anschluß des Zylinders angeordnete Abflußweg mit der Drossel einen Teil des durch das Zuführungsventil fließenden Flusses in den Fluidtank leitet und daß ein weiterer zwischen Abführungsventil und dem anderen Anschluß des Zylinders angeordneter Abflußweg mit einer Drossel einen Teil des vom anderen Anschluß fließenden Flusses in den Fluidtank leitet. Durch Hinzufügung dieser weiteren Drossel ergibt sich durch eine einfache konstruktive Maßnahme jeweils ein Dämpfungsglied für beide Bewegungsrichtungen des Kolbens, ohne daß z.B. eine konstruktiv aufwendige Umschaltanordnung notwendig ist. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, sollten die Drosseln mindestens mit einem solchen Öffnungsquerschnitt versehen werden, daß bei maximalem Druck und Fluß ein Zehntel des Fluids durch eine Drossel abfließt. Die genaue Größe des Öffnungsquerschnitts der Drosseln kann durch praktische Versuche oder durch eine Rechnersimulation ermittelt werden.

Falls die Wirkflächen des Kolbens im wesentlichen die gleiche Größe aufweisen, ist vorgesehen, daß der Abflußweg mit der Drossel zwischen den beiden Anschlüssen des Zylinders angebracht ist und einen Teil des durch das Zuführungsventil fließenden Fluids in das Abführungsventil leitet. Als Wirkfläche des Kolbens wird eine Fläche des Kolbens bezeichnet, die in einer Zylinderkammer mit dem Fluid in Berührung kommt. Diese Weiterbildung ist einfach realisierbar, denn es ist außer dem Anschluß der Ventil­ anordnung zum Fluidtank kein weiterer Anschluß zum Fluid­ tank erforderlich. Diese Ausgestaltung kann nur bei gleichen Wirkflächen des Kolbens verwendet werden, da bei ungleichen Wirkflächen und bei geöffneten Ventilen Druck­ werte und Flußwerte auftreten können, die eine Geschwin­ digkeit von Null hervorrufen. Ein solches System ist aber nicht regelbar.

Damit nach erfolgter Positionierung des Maschinenteils keine Energieverluste auftreten, ist vorgesehen, entweder daß vor jeder Drossel ein Schaltventil angeordnet ist oder daß die Drossel selbst als Schaltventil ausgebildet ist. Energieverluste treten dann auf, wenn die Pumpe nach der Positionierung Fluid dem Zylinder liefern muß, damit der Kolben in der gewünschten Position bleibt. Daher wird die Ventilanordnung und der Leitungsweg mit der Drossel nach erfolgter Positionierung geschlossen.

Ein solcher fluidbetätigter Antrieb für Maschinen wird vorteilhafterweise in einem Regelsystem verwendet, mit dessen Hilfe der mit der Kolbenstange gekoppelte Maschinenteil positioniert wird. Hierbei wird die aus dem Vergleich zwischen der gemessenen Istposition und der gewünschten Sollposition gebildete Sollabweichung einem linearen Regler zugeführt, der die Stellgröße zur Stellung des Öffnungsquerschnitts der Ventile in der Ventil­ anordnung bildet. Vorzugsweise sollte als linearer Regler ein P-Regler vorgesehen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen naher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Regelsystem mit einem fluidbetätigten Antrieb für eine Maschine zur Positionierung eines Maschinenteils und

Fig. 2 und 3 die Schaltpläne zweier fluidbetätigter Antriebe fur Maschinen.

In Fig. 1 ist ein Regelsystem zur Regelung der Position eines Maschinenteils dargestellt, das von einem fluid­ betätigten Antrieb bewegt wird. Beispielsweise kann der fluidbetätigte Antrieb die Formschließeinheit vor der Einspritzdüse einer Spritzgießmaschine bewegen. Die Position des Maschinenteils wird von einem Wegaufnehmer 1 gemessen und als Istposition einer Vergleichsstelle 2 zugeführt, in der die Istposition mit der gewünschten Sollposition verglichen wird. Die sich aus dem Vergleich zwischen der gemessenen Istposition und der gewünschten Sollposition ergebende Sollabweichung wird einem linearen Regler 3, vorzugsweise einem P-Regler zugeführt, der eine Stellgröße erzeugt, die dem fluidbetätigten Antrieb 4 zugeleitet wird.

In Fig. 2 ist ein Schaltplan fur ein erstes Ausführungs­ beispiel des fluidbetätigten Antriebes dargestellt. In einem Zylinder 5 ist ein Kolben 6 mit einer Kolben­ stange 7, die an einer Stirnseite 8 des Zylinders heraus­ geführt wird, bewegbar. Die Kolbenstange 7 ist mit einem Maschinenteil 9 gekoppelt. In der Nähe der beiden Stirn­ seiten des Zylinders 5 ist der Zylinder mit Anschlüssen 10 und 11 für die Zuführung bzw. für die Abführung von unter Druck stehendem Fluid, z.B. Hydrauliköl, versehen. Als Fluid kann auch ein Gas verwendet werden. Die Anschlüsse 10 und 11 des Zylinders 5 sind aber Rohr­ leitungen 15 und 16 mit einer Ventilanordnung 12 ver­ bunden, die in diesem Ausführungsbeispiel als Vierwege­ ventilanordnung ausgebildet ist. An die Ventil­ anordnung 12 ist noch eine Pumpe 13 und ein Fluidtank 14 angeschlossen. Die Pumpe 13 befördert aus dem Fluidtank 14 Fluid in die Ventilanordnung 12.

Die als Vierwegeventilanordnung ausgebildete Ventil­ anordnung 12 ist in drei Stellungen setzbar. In der in Fig. 2 eingezeichneten Nullstellung wird weder Fluid von der Pumpe 13 in eine Rohrleitung 15 oder 16 gepumpt noch Fluid in den Fluidtank 14 geleitet. In der Stellung I der Ventilanordnung 12 leitet ein erstes Zuführungsventil Fluid von der Pumpe 13 über die Rohrleitung 15 zum Anschluß 10 des Zylinders 5. Fluid vom Anschluß 11 wird über die Rohrleitung 16 einem ersten Abführungsventil zugeführt, über welches das Fluid weiter zum Fluidtank 14 geleitet wird. In der Stellung II der Ventilanordnung 12 stellt ein zweites Zuführungsventil eine Verbindung zwischen der Pumpe 13 und der Rohrleitung 16 her und ein zweites Abführungsventil eine Verbindung zwischen der Rohrleitung 15 und dem Fluidtank 14. Die Vierwege­ ventilanordnung weist in der Regel nicht vier diskrete Ventile (zwei Zuführungs- und zwei Abführungsventile) auf. Innerhalb der Vierwegeventilanordnung werden vielmehr durch Veränderung der Leitungswege zu zwei Ventilen bei der Umschaltung ein erstes oder zweites Zuführungsventil gebildet. Dadurch wird also in der Stellung I der Ventil­ anordnung 12 der Kolben 6 zur Stirnseite 8 geschoben und in der Stellung II der Kolben 6 von der Stirnseite 8 fortbewegt. Die Ventilanordnung 12 erhält die Stellgröße vom Regler 3 über einen Anschluß 17, und die Stellung der Ventilanordnung 12 wird über einen Anschluß 18 von einer hier nicht näher dargestellten Steuerschaltung vorgegeben.

An die Rohrleitungen 15 und 16 sind noch jeweils zwei Drosseln 19 und 20, die als einstellbare Ventile ausge­ bildet sind, über eine Rohrleitung 21 und 22 (Abfluß­ wege) angeschlossen. Über die Drossel 19 fließt ein Teil des in der Rohrleitung 15 fließenden Fluids über eine weitere Rohrleitung 30 zum Fluidtank 14, und über die Drossel 20 fließt ein Teil des in der Rohrleitung 16 fließenden Fluids über eine Rohrleitung 23 ebenfalls zum Fluidtank 14. Der Öffnungsquerschnitt der Drosseln 19 und 20 ist einstellbar, und die Drosseln 19 und 20 sind schließbar. Die Größe des Öffnungsquerschnittes der Drosseln 19 und 20 ist durch praktische Versuche oder durch eine Rechnersimulation ermittelbar. Die Größe wird dabei so eingestellt, daß keine Schwingung des Kolbens 6 auftreten kann. Nach erfolgter Positionierung werden die Drosseln 19 und 20 von der hier nicht näher dargestellten Steuerschaltung geschlossen und die Ventilanordnung 12 in die Nullstellung gefahren, um zu verhindern, daß weiter Fluid fließt und damit Energieverluste auftreten. Vor die Drosseln 19 und 20 kann auch jeweils ein Schaltventil gesetzt werden, das nach erfolgter Positionierung geschlossen wird.

Der in Fig. 3 dargestellte Schaltplan stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines fluidbetätigten Antriebes dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Kolben 6, der sich mit der Kolbenstange 7 innerhalb des Zylinders 5 bewegt, gleiche Wirkflächen auf. Darunter ist zu verstehen, daß die Flächen des Kolbens in beiden Zylinderkammern, die mit dem Fluid in Berührung kommen, im wesentlichen gleich groß sind. Die Kolbenstange 7, die mit dem Maschinenteil 9 gekoppelt ist, ist ebenfalls an der Stirnseite 8 des Zylinders 5 herausgeführt. Die beiden in der Nähe der Stirnseiten des Zylinders 5 liegenden Anschlüsse 10 und 11 sind mit Rohrleitungen 24 und 25 verbunden, die zu der Ventilanordnung 12 führen. Die Ventilanordnung 12 ist wiederum an die Pumpe 13 und den Fluidtank 14 angeschlossen. Zwischen den Rohrleitungen 24 und 25 liegt eine weitere Rohrleitung 26 (Abflußweg) mit einer einstellbaren und abschaltbaren Drossel 27. Über diese Drossel 27 wird ein Teil des vom jeweiligen Zuführungsventil fließenden Fluids abgeleitet und dem zum jeweiligen Abführungsventil fließenden Fluid hinzugefügt.

Der Öffnungsquerschnitt der Drossel 27 kann ebenfalls durch praktische Versuche oder durch eine Rechner­ simulation zur Verhinderung von Schwingungen des Kolbens 6 ermittelt werden. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird nach erfolgter Positionierung die Drossel 27 abgeschaltet und die Ventilanordnung in die Nullstellung gefahren.

Statt als Ventile können die Drosseln 19, 20 und 27 auch als Rohrleitungen mit wesentlich geringerem Querschnitt als die Rohrleitungen 15, 16, 24 und 25 ausgebildet werden. In diesem Fall wird in die verengte Rohrleitung ein Schaltventil eingesetzt, das nach erfolgter Positionierung geschlossen wird.

Claims (7)

1. Fluidbetätigter Antrieb fur Maschinen mit einem Zylinder (5), in dem ein Kolben (6) mit einer herausgeführten Kolbenstange (7), die mit einem bewegbaren Maschinenteil (9) gekoppelt ist, verschiebbar ist, mit zwei Anschlüssen (10, 11) für die Zuführung bzw. Abführung des Fluids aus den beiden durch den Kolben getrennten Zylinderkammern sowie mit einer Ventilanordnung (12), die wenigstens ein zwischen einer Pumpe (13) und dem jeweiligen Anschluß des Zylinders angeordnetes Zuführungsventil und ein zwischen einem Fluidtank (14) und dem jeweiligen anderen Anschluß des Zylinders angeordnetes Abführungsventil enthält, wobei das Zuführungsventil und das Abführungsventil den gleichen Öffnungsquerschnitt aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zuführungsventil und Anschluß des Zylinders (5) ein Abflußweg (21, 22, 26) mit einer Drossel (19, 20, 27) angeordnet ist, über die ein Teil des durch das Zuführungsventil fließenden Flusses abführbar ist.

2. Fluidbetätigter Antrieb fur Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Zuführungsventil und Anschluß (10, 11) des Zylinders (5) angeordnete Abflußweg (21, 22) mit der Drossel (19, 20) einen Teil des durch das Zuführungsventil fließenden Flusses in den Fluidtank (14) leitet und daß ein weiterer zwischen Abführungsventil und dem anderen Anschluß (11, 10) des Zylinders angeordneter Abflußweg (22, 21) mit einer Drossel (20, 19) einen Teil des vom anderen Anschluß fließenden Flusses in den Fluid­ tank (14) leitet.

3. Fluidbetätigter Antrieb für Maschinen nach Anspruch 1, bei dem die beiden Wirkflächen des Kolbens (6) eine im wesentlichen gleiche Größe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abflußweg (26) mit der Drossel (27) zwischen den Anschlüssen (10, 11) des Zylinders (5) angebracht ist und einen Teil des durch das Zuführungsventil fließenden Fluids in das Abführungsventil leitet.

4. Fluidbetätigter Antrieb für Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder Drossel ein Schalt­ ventil angeordnet ist.

5. Fluidbetätigter Antrieb für Maschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (19, 20, 27) selbst als Schaltventil ausgebildet ist.

6. Verwendung eines fluidbetätigten Antriebes für Maschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Regelsystem zur Positionierung des mit der Kolben­ stange (7) gekoppelten Maschinenteils (9), wobei die aus dem Vergleich zwischen der gemessenen Istposition und der gewünschten Sollposition gebildete Sollabweichung (in 2) einem linearen Regler (3) zugeführt wird, der die Stell­ größe zur Stellung des Öffnungsquerschnitts der Ventile in der Ventilanordnung (12) bildet.

7. Verwendung eines fluidbetätigten Antriebes für Maschinen in einem Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als linearer Regler (3) ein P-Regler vorgesehen ist.