DE3900949A1 - Elektrohydraulische steuerung zum steuern eines hydraulischen antriebes - Google Patents
Elektrohydraulische steuerung zum steuern eines hydraulischen antriebesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische
Steuerung zum Steuern eines hydraulischen Antriebes wie
beispielsweise ein Hydraulikzylinder, in dem ein
doppelseitig wirkender Arbeitskolben auf seinen
entgegengesetzten Seiten je einen Druckraum
begrenzt, enthaltend wenigstens ein Steuerventil mit
einseitig federbelastetem Steuerschieber, der aus
seiner Ruhestellung gegen die Federkraft auslenkbar
ist, und einen Servomotor zum Ansteuern des
Steuerschiebers.
Für die Bildung elektrohydraulischer Steuerungen
benutzt man in der Regel direkt gesteuerte
Regelventile, die auch als elektrohydraulische
Stetigventile bezeichnet werden. Ein solches
Regelventil enthält im Ventilgehäuse einen
federbelasteten Steuerschieber, an dem alle
erforderlichen Steuerkanten angeordnet sind. Diese
Steuerkanten müssen "fertigungstechnisch" abgeglichen
sein; sie sind nachträglich auch nicht teilweise
gegeneinander einstellbar. Durch die Einwirkung einer
Rückstellfeder wird der Steuerschieber in einer
mechanisch begrenzten Endstellung gehalten, die
zugleich die sogenannte "Not-Stop-Funktion" darstellt.
Aus dieser Endstellung heraus ist der Steuerschieber
durch die Kraft eines Hubmagneten (Steuermagnet) in die
verschiedenen Ventilstellungen bewegbar, um das
jeweils gewünschte Hydrauliksymbol zu erhalten. Das
Ausmaß der Hubbewegung des Steuermagneten (Sollwert)
wird über ein Wegmeßsystem erfaßt. Bei geeigneter
Ansteuerung kann mit einer solchen Anordnung ein
Regelkreis aufgebaut werden.
Bei einem solchen direkt gesteuerten Regelventil ist
die Mittellage nicht direkt abgreifbar, sondern nur
mittelbar über das Verhalten des zu steuernden
Verbrauchers zu bestimmen. Dies ist äußerst
unbefriedigend, denn es führt beim Einrichten bzw.
Einschalten des Regelventils zu ungewollten und
unkontrollierten Bewegungen des angeschlossenen
Verbrauchers.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die
sogenannte "Not-Stop-Funktion" (Regelventil inaktiv)
nicht separat ansteuerbar ist, sondern nur durch
Wegnahme des Sollwertgebers möglich ist. Da jedoch die
Lage des Steuerschiebers bei der mechanischen Endlage
nicht identisch ist mit der Mittelstellung des
Regelventils (ausgeregelter Zustand), werden bei der
Einstellung der "Not-Stop-Funktion" immer eine oder
mehrere Symbolstellungen des Regelventils überfahren.
Dies führt zwangsläufig zu ungewollten und
unkontrollierbaren Bewegungen am Verbraucher. Ferner
entstehen beim Abschalten aus einem der möglichen
Regelzustände mit größerer Sollwertvorgabe unzulässig
hohe Verzögerungen am Verbraucher, womit die Gefahr von
Schäden im Hydrauliksystem verbunden ist. Um diesen
negativen Auswirkungen zu begegnen, ist man dazu
übergegangen, zusätzliche Vorkehrungen zu treffen,
indem man in der Druckmittelzufuhrleitung ein
separates "Not-Stop-Ventil" und/oder
Sicherheitsdruckventile in den Verbraucherleitungen
eingebaut hat.
Die Erfindung will diesen Nachteilen
abhelfen. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine
elektrohydraulische Steuerung zu schaffen, bei der das
Steuerventil unabhängig von der jeweiligen Vorgabe des
Servomotors zum Ansteuern des Steuerventils aktivierbar
ist. Dabei soll das Einstellen des Steuerventils in die
Stellungen "aktiv" bzw. "inaktiv" gegenüber der
Sollwertvorgabe stets Priorität haben. Ferner soll die
Steuerung so beschaffen sein, daß bei Neueinschaltung
der Anordnung die Sollwertvorgabe unabhängig von der
Stellung des Steuerventils ausgerichtet werden kann,
d.h. es soll möglich sein, den Servomotor in die
Null-Stellung zu fahren, ohne daß irgendwelche
Bewegungen des Verbrauchers damit verbunden sind.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer
elektrohydraulischen Steuerung der eingangs
beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
in einem einteiligen oder mehrteiligen Ventilgehäuse
wenigstens je ein je einem Druckraum des
Hydraulikzylinders zugehöriges Steuerventil vorgesehen
ist, deren Steuerschieber koaxial spiegelbildlich
zueinander mit gegenseitigem Abstand voneinander
angeordnet sind, daß zwischen den inneren Enden der
Steuerschieber ein gemeinsames Steuerelement eines
Servomotors sich befindet, mittels dessen die
federbelasteten Steuerschieber gleichsinnig durch
mechanischen Druckkontakt bewegbar sind, daß ferner
jeder Steuerschieber in je einem Druckraum einen
Hilfskolben enthält und daß die Druckräume über
wenigstens ein Schaltventil mit Druckmittel im Sinne
einer der Federkraft entgegengerichteten Bewegung
beaufschlagbar und dadurch die Steuerschieber in eine
der Einwirkung des Steuerelements entzogene inaktive
Stellung bewegbar sind, in der beide Druckräume des
Hydraulikzylinders mit einer zum Tank führenden Leitung
verbunden sind, während die von der Druckölversorgung
kommende Leitung durch die Steuerventile gesperrt ist.
Nach einem wesentlichen Gedanken der Erfindung enthält
das Hauptsteuerventil in einem gemeinsamen
Ventilgehäuse wenigstens zwei spiegelbildlich
angeordnete, gleichsinnig bewegbare Steuerschieber mit
den daran angeordneten Steuerkolben zum Steuern je
eines Druckraumes des Verbrauchers. Die Sollwertvorgabe
wird hierbei über ein gemeinsames Steuerelement des
Servomotors auf beide Steuerschieber gleichzeitig
übertragen. Für die "Not-Stop-Funktion" enthält jeder
Steuerschieber einen Hilfskolben in je einem Druckraum.
Damit ist die "Not-Stop-Funktion" mit Hilfe eines
Schaltventils auf direktem Wege erreichbar, und zwar
unabhängig vom jeweiligen Regelzustand der beiden
Steuerventile. In der Stellung "Not-Stop-Funktion",
d.h. in der inaktiven Stellung der Steuerventile kann
die Mittellage des Steuerelements des Servomotors
ausgerichtet werden, ohne den Verbraucher zu bewegen,
obwohl die Druckölversorgung ansteht. Damit ist
zugleich eine zweikanalige Ansteuerung der
Steuerventile gegeben. Ein weiterer Vorteil in der
baulichen Aufteilung der Steuerventile und der
zugleich vorgesehenen symmetrisch gegenüberliegenden
Anordnung der Steuerschieber ist in der Kompensation
der hydraulischen Anpreßkräfte zu sehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der elektrohydraulischen
Steuerung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Danach ist es u.a. vorteilhaft, das Steuerelement des
Servomotors als exzentrisch gelagerten Hubring
auszubilden, dessen äußere Mantelfläche als
Anlagefläche für das innere Ende der beiden
Steuerschieber dient.
Um die Steuerschieber axial gegeneinander einstellen zu
können, ist es zweckmäßig, an ihrem inneren Ende axial
verstellbare Bauteile, wie z.B. eine Schraube oder eine
Spindel, anzuordnen. Jedes einzelne Steuerventil ist
zweckmäßigerweise als an sich bekanntes 3/3-Wegeventil
ausgebildet.
Die inaktive Stellung der Steuerschieber, d.h. die
Stellung "Not-Stop-Funktion" kann mechanisch dadurch
festgelegt werden, daß für den Hilfskolben des
Steuerschiebers ein mechanischer Anschlag, z.B. die
Abschlußwand des Zylinderraumes, vorgesehen wird.
Für die Einstellung der Mittellage des Servomotors ist
es zweckmäßig, mit dem drehbaren Hubring eine
Schaltnocke zu verbinden, die in der Mittellage einen
Null-Punkt-Schalter betätigen kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend
an einem in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt einer Ausführungsform
eines Doppel-Steuerventils zum Steuern
eines zweiseitig beaufschlagbaren
Hydraulikzylinders gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Schaltplan einer elektrohydraulischen
Steuerung gemäß der Erfindung zum Steuern
eines Hydraulikzylinders im Schaltzustand
"inaktive Stellung" der Steuerventile,
Fig. 3 den Schaltplan nach Fig. 2 im Schaltzustand
"aktive Stellung" der Steuerventile,
Fig. 4 den Schaltplan nach Fig. 2 im Schaltzustand
Betätigung des Hydraulikzylinders und
Fig. 5 den Schaltplan nach Fig. 2 im Schaltzustand
Betätigung des Hydraulikzylinders in
entgegengesetzter Richtung.
Bei der in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsform
sind in einem Gehäuse (1) zwei gleiche Steuerschieber
(2, 2 a) koaxial und in bezug auf die Mittelebene (3)
spiegelbildlich zueinander angeordnet. Angesichts der
gleichen Ausgestaltung der beiden Steuerschieber (2,
2 a) und damit auch der Steuerventile wird für die
nachfolgende Beschreibung nur eines der beiden
Steuerventile beschrieben. Für das zweite
Steuerventil gilt das gleiche, wobei zu den einzelnen
Bezugszahlen jeweils der Buchstabe a hinzutritt.
Die Steuerventile sind einzeln in der Art eines
üblichen 3/3-Wegeventils ausgebildet. Der Steuerschieber
(2, 2 a) enthält zwei Steuerkolben (4, 5) mit je
einer Steuerkante (6, 7) und ferner einen Hilfskolben
(8). Die Steuerkolben (4 und 5) und der Hilfskolben (8)
sind miteinander verbunden und bilden mit einer
endseitigen Kolbenstange (9), die aus dem Ventilgehäuse
(1) austritt, den axial beweglichen Steuerschieber (2).
Zwischen der freien Stirnfläche der Kolbenstange (9)
und einer Abschlußkappe (10) ist eine Schraubendruckfeder
(11) angeordnet, die den Steuerschieber (2) aus der
dargestellten mechanischen Endlage in die entgegengesetzte
Richtung zu bewegen sucht.
Im Bereich der Hubbewegung der Steuerkolben (4, 5) ist
in der Führungsbohrung des Ventilgehäuses (1) je eine
umlaufende Ringnut (12, 13) enthalten, wobei an die
Ringnut (12) die von der nicht dargestellten
Druckmittelquelle kommende Leitung (P) und an die
Ringnut (13) die zum Tank führende Leitung (T)
angeschlossen ist. Zwischen den beiden Ringnuten (12, 13)
befindet sich eine mittige Ringnut (14), an die eine
Leitung (B) angeschlossen ist, die zum Hydraulikzylinder
(15), und zwar zum Druckmittelraum desselben führt.
Seitlich am Ventilgehäuse (1) ist ein Sollwertmotor
(17), beispielsweise ein elektrischer Schrittmotor,
angeflanscht. Die Antriebswelle (18) des
Sollwertmotors (17) ist mit einem Exzenterring (19)
gekuppelt, der ein Wälzlager, z.B. ein Kugellager mit
einem Außenring (20) trägt. Der Außenring (20) dient als
mechanische Abstützung für die federbelasteten
Steuerschieber (2, 2 a). Um die beiden Steuerschieber
(2, 2 a) unabhängig voneinander in ihrer
axialen Lage justieren zu können,
ist an der freien Stirnfläche des Steuerkolbens (4) ein
in seiner axialen Länge verstellbares Bauteil (21),
z.B. eine Schraube oder eine Spindel, angebracht.
Solange der Hilfskolben (8), auf dessen Bedeutung
nachfolgend noch eingegangen wird, nicht beaufschlagt
ist, steht das Bauteil (21) unter der Einwirkung der
Kraft der Druckfeder (11) mit dem Außenring (20) des
Exzenterringes in Druckberührung.
Der Sollwertmotor (17) kann in eine Mittellage gefahren
werden. Für das Einstellen dieser Mittellage ist mit
der Antriebswelle (18) des Sollwertmotors eine
Schaltnocke (22) verbunden, die bei Erreichen der
Mittellage einen an sich bekannten Null-Punkt-Schalter
(23) betätigt.
Der Exzenterring (19) ist so angeordnet, daß in der
vorerwähnten Mittellage die am Außenring (20) des
Exzenterringes (19) anliegenden Bauteile (21 und 21 a)
von der Drehachse der Welle (18) den gleichen radialen
Abstand haben. Bei einer Drehung des Sollwertmotors
(17) nimmt dieser radiale Abstand auf einer Seite zu
und auf der anderen Seite im gleichen Maße ab und
umgekehrt. Auf diese Weise sind durch Drehen des
Sollwertmotors (17) die beiden Steuerschieber (2, 2 a)
aus ihrer Mittellage heraus jeweils in die eine oder
andere Endlage gleichzeitig bewegbar.
Solange die Steuerschieber (2, 2 a) mit dem Außenring
(20) in Druckkontakt stehen, sind die beiden
Steuerventile "aktiv". Mit Hilfe der bereits erwähnten
Hilfskolben (8 bzw. 8 a) können die Steuerventile
zusätzlich in eine "inaktive" Stellung gebracht
werden. Für diese Steuerung ist ein an sich bekanntes
Schaltventil (24) vorgesehen, welches bei dem
Ausführungsbeispiel aus einem 4/2-Wegeventil mit
magnetischer Ansteuerung durch einen Magneten (25)
besteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
angenommen, daß die Druckräume (26 bzw. 26 a), die von
den Hilfskolben (8 bzw. 8 a) begrenzt sind, von einem
einzigen Schaltventil (24) gleichzeitig steuerbar sind.
Die Anschlüsse (P und T) sind ständig jeweils mit der
von der Druckmittelquelle kommenden Zufuhrleitung (P)
bzw. der zum Tank führenden Leitung (T) verbunden. Dies
kann entweder durch direkte Verbindungsleitungen oder
wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
über Anschlüsse innerhalb des Ventilgehäuses (1)
geschehen. Dargestellt ist das Schaltventil (24) in
der Ruhestellung, in der es bei nicht erregtem
Stellmagneten (25) durch die Druckfeder (27) gehalten
wird. In dieser Stellung sind die Druckräume (26, 26 a)
beaufschlagt; die Steuerschieber (2, 2 a) nehmen
infolgedessen die in der Zeichnung dargestellte
mechanische Endlage ein, d.h. die Steuerventile stehen
in der inaktiven Stellung. In dieser inaktiven Stellung
besteht zwischen den Bauteilen (21, 21 a) und dem
Außenring (20) des Exzenterringes (19) keine
Kontaktberührung. Der Sollwertmotor (17) kann somit
ausgerichtet werden, ohne daß die Steuerschieber (2,
2 a) bewegt werden.
Nachfolgend werden die einzelnen möglichen
Schaltzustände anhand der Schaltpläne der Fig. 2 bis
5 erläutert. In diesen Schaltplänen sind die
Wegeventile mit den üblichen Hydrauliksymbolen
dargestellt.
Folgende Schaltzustände sind möglich:
- 1. Steuerventile inaktiv (Fig. 2)
- 2. Steuerventile aktiv, "ausgeregelte Mittellage" (Fig. 3)
- 2.1 Steuerventile in einer ersten Schaltstellung (Fig. 4) und
- 2.2 Steuerventile in der zweiten, entgegengesetzten Schaltstellung (Fig. 5).
Zu 1. Das Schaltventil (24) ist in Ruhestellung.
Die Steuerschieber (2, 2 a) nehmen die
Endstellung gemäß Fig. 1 ein. Der mechanische
Kontakt mit dem Außenring (20) ist
aufgehoben. An den Steuerventilen stellt sich
das in Fig. 2 dargestellte Hydrauliksymbol
ein. Die Stellung des Sollwertmotors (17) hat
auf dieses Symbol keinen Einfluß. Die
Druckölversorgung (P) ist gesperrt, der
Hydraulikzylinder (15) ist in beiden
Druckräumen (16, 16 a) zum Tank (T) entlastet.
In diesem Betriebszustand kann der
Sollwertmotor, wenn dies erforderlich ist,
ausgerichtet werden, ohne daß die
Steuerventile betätigt werden.
Zu 2. Das Schaltventil (24) ist als Folge der
Erregung des Magneten (25) in
Arbeitsstellung. Die Druckräume (26, 26 a)
sind zum Tank entlastet. Die Federn (11, 11 a)
pressen die Steuerschieber (2, 2 a) gegen den
Außenring (20). Durch die symmetrische
Anordnung der Steuerschieber (2, 2 a) heben
sich die Anpreßkräfte auf, so daß für den
Sollwertmotor (17) kein zusätzliches
Drehmoment auftritt.
Steht der Sollwertmotor (17) in Mittellage,
stellt sich an den Steuerventilen das in
Fig. 2 dargestellte Hydrauliksymbol ein. Die
Steuerventile sind in der aktiven Stellung.
Der Hydraulikzylinder ist über die
Anschlüsse (A und B) hydraulisch eingespannt.
Zu 2.1 Wird der Sollwertmotor (17) entsprechend der
Sollwertvorgabe in einer Richtung gedreht,
verschieben sich durch den exzentrischen
Hubring (19) die Steuerschieber (2, 2 a) gemäß
der Darstellung in Fig. 4 gleichsinnig nach
rechts. An den Steuerventilen stellt sich das
in Fig. 4 dargestellte Hydrauliksymbol ein.
Dies bedeutet, daß bei dem Hydraulikzylinder
(15) der Druckraum (16 a) beaufschlagt und der
Druckraum (16) entlastet ist.
Zu 2.2 Der Sollwertmotor (17) ist aus der Mittellage
in die entgegengesetzte Richtung gedreht
worden. Die Steuerschieber (2, 2 a)
verschieben sich durch die Einwirkung des
exzentrischen Hubrings (19) gemäß der
Darstellung in Fig. 5 gleichsinnig aus der
Mittellage nach links. Bei den Steuerventilen
stellt sich das in Fig. 5 dargestellte
Hydrauliksymbol ein. Dies bedeutet, daß nun
der Druckraum (16) beaufschlagt und der
Druckraum (16 a) des Hydraulikzylinders (15)
zum Tank hin entlastet ist.
Bei den beiden Schaltzuständen der Fig. 4 und 5 ist die
Durchflußmenge des Druckmittels zu den
Druckmittelräumen (16 bzw. 16 a) und umgekehrt vom
Drehwinkel des Sollwertmotors (17) abhängig, so daß in
Verbindung mit einer geeigneten Ansteuerung ein
Regelkreis aufgebaut werden kann. Die maximale
Durchflußmenge wird jeweils erzielt, wenn der
exzentrische Hubring (19) aus seiner Mittellage
heraus in die eine oder andere Richtung jeweils um
90° gedreht wird.
Die separate Ansteuerung des Schaltventils (24) bietet
bei der beschriebenen elektrohydraulischen Steuerung
den großen Vorteil, daß die "Not-Stop-Funktion"
jederzeit ansteuerbar ist, gleichgültig, welcher
Regelzustand gerade vorliegt. Dabei ist die
"Not-Stop-Funktion" direkt erreichbar, ohne dabei ein
"anderes Hydrauliksymbol" zu durchfahren.
Claims (6)
1. Elektrohydraulische Steuerung zum Steuern eines
hydraulischen Antriebs wie beispielsweise ein
Hydraulikzylinder, in dem ein doppelseitig wirkender
Arbeitskolben auf seinen entgegengesetzten Seiten je einen
Druckraum begrenzt, enthaltend wenigstens ein
Steuerventil mit einseitig federbelastetem Steuerschieber,
der aus seiner Ruhestellung gegen die Federkraft
auslenkbar ist, und einen Servomotor zum Ansteuern des
Steuerschiebers, dadurch gekennzeichnet, daß in einem
einteiligen oder mehrteiligen Ventilgehäuse (1)
wenigstens je ein je einem Druckraum (16, 16 a) des
Hydraulikzylinders (15) zugehöriges Steuerventil
vorgesehen ist, deren Steuerschieber (2, 2 a) koaxial
und spiegelbildlich zueinander mit gegenseitigem Abstand
voneinander angeordnet sind, daß zwischen den inneren
Enden der Steuerschieber (2, 2 a) ein gemeinsames
Steuerelement (19) eines Servomotors (17) sich befindet,
mittels dessen die an ihren äußeren Enden federbelasteten
Steuerschieber (2, 2 a) gleichsinnig durch mechanischen
Druckkontakt bewegbar sind, daß ferner jeder
Steuerschieber (2, 2 a) in je einem Druckraum (26, 26 a)
einen Hilfskolben (8, 8 a) enthält und daß die Druckräume
(26, 26 a) über wenigstens ein Schaltventil (24) mit
Druckmittel im Sinne einer der Federkraft
entgegengerichteten Bewegung beaufschlagbar und dadurch
die Steuerschieber (2, 2 a) in eine der Einwirkung des
Steuerelements (19) des Servomotors (17) entzogene
inaktive Stellung bewegbar sind, in der beide Druckräume
(16, 16 a) des Hydraulikzylinders (15) mit der zum Tank
führenden Leitung (T) verbunden sind, während die von
der Druckölversorgung kommende Leitung (P) durch die
Steuerschieber (2, 2 a) gesperrt ist.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Steuerelement des Servomotors (17) als
exzentrischer Hubring (19, 20) ausgebildet ist, dessen
äußere Mantelfläche als Anlage für je ein inneres Ende
der auf diametral entgegengesetzten Seiten befindlichen
Steuerschieber (2, 2 a) dient.
3. Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß am inneren Ende jedes Steuerschiebers
(2, 2 a) ein in seiner axialen Länge verstellbares Bauteil
(21, 21 a), wie z.B. eine Schraube oder Spindel angeordnet
ist.
4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß mit dem drehbaren Hubring (19, 20)
eine Schaltnocke (22) für die Betätigung eines
elektrischen 0-Punkt-Schalters (23) verbunden ist.
5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß jedes Steuerventil als 3/3-Wegeventil
ausgebildet ist.
6. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Steuerschieber (2, 2 a) in der
inaktiven Stellung an einem mechanischen Anschlag
anliegt.
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ID=6372071
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