DE9116670U1

DE9116670U1 - Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders

Info

Publication number: DE9116670U1
Application number: DE9116670U
Authority: DE
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2001-12-13

Description

Mannesmann Aktiengesellschaft

Mannesmannufer 2 27 861

4000 Düsseldorf

Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders

Die Erfindung betrifft eine Druckmittel schaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders mittels einer Mehrwegeventil anordnung bestehend aus Einlaß- und Auslaßventilen, wobei druckmittelmäßig parallel geschaltete Auslaßventile mit jeweils einem Drosselelement zur gedrosselten Entlüftung des Arbeitszylinders vorgesehen sind und die Drosselelemente untereinander verschiedene Drosselquerschnitte aufweisen, die über die Ansteuerung der Auslaßventile einzeln oder kombiniert betätigbar sind.

Eine Druckmittel schaltung der gattungsgemäßen Art ist aus der EP 0 111 637 Al bekannt. Hierbei ist eine Mehrfachanordnung von Auslaßlentilen bekannt, die jeweils entlüftungsseitig parallel geschaltet und mit einem Drosselelement verbunden sind und zur Entlüftung des Arbeitszylinders schaltbar sind. Dabei sind die Auslaßventile als elektromagnetisch betätigte Ventile ausgebildet, die über ein elektrisches Regelsystem einzeln oder kombiniert betätigbar sind. Bei dieser bekannten Druckmittelschaltung sind insgesamt vier Auslaßventile vorgesehen, denen ausgangsseitig jeweils ein

Drosselelement nachgeschaltet ist. Dabei können die nachgeschalteten Drosselelemente entweder gleichen Querschnitt aufweisen, wodurch es möglich is^durch gleichzeitiges Ansteuern von mehreren Drosselelementen bis zu vier verschiedene Drosselquerschnitte zu erhalten oder die Drosselelemente weisen verschiedene Drosselquerschnitte auf, wodurch sich dann in Kombination mehr verschiedene Drosselquerschnitte in Summe ergeben können. Des weiteren ist bei dieser bekannten Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders der Arbeitszylinder mit einem Sensor versehen, der die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung erfaßt und diese dem elektrischen Regelsystem zur Ansteuerung der Auslaßventile zuführt. Bei der Wahl von vier gleichen Drosselquerschnitten, ergibt sich dann wie oben bereits erwähnt auch nur die Möglichkeit, in Summe nur vier Drosselquerschnitte durch kombiniertes Zusammenschalten wählen zu können. Sind die Drosselquerschnitte verschieden, so ergeben sich mehr kombinierbare Drosselsummenquerschnitte. Nachteilig ist im ersten Fall, daß sich bei gegebener Anzahl von Entlüftungs- bzw. Auslaßventilen nur eine minimale Anzahl verschiedener Drosselsummenquerschnitte ergibt. Für den zweiten Fall ist bei der Wahl "irgendwie" verschiedener Drosselquerschnitte zwar eine größere Anzahl von Drosselsummenquerschnitten erreichbar, jedoch sind die verschiedenen Drosselsummenquerschnitte nicht konkret aufeinander abgestimmt. Des weiteren ist von Nachteil, daß die Drosseln jeweils separat zu den Auslaßventilen in die Entlüftung geschaltet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Druckmittelschaltung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß sich eine kompakte Druckmittelschaltung ergibt und daß mit einer gegebenen Anzahl von Auslaßventilen eine maximale Anzahl jeweils um den gleichen Betrag voneinander verschiedener Drosselsummenquerschnitte wählbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Druckmittelschaltung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Aus der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckmittelschaltung ergibt sich durch die Verwendung von 2/2-Wege-Drosselventilen - als Auslaßventile, daß die Drossel innerhalb des Ventiles mitintegriert ist. Das heißt, daß bei einer Integration der gesamten Druckmittelschaltung in ein gemeinsames Gehäuse eine sehr kompakte Bauform entsteht. Die Drosselquerschnitte sind dabei im Konkreten derart verschieden, daß jeder Drosselquerschnitt nur einmal vertreten ist und ausgehend vom kleinsten Drosselquerschnitt jedes weitere 2/2-Wege-Drosselventil jeweils zu einem der anderen 2/2-Wege-Drosselventile eine Verdoppelung des Drosselquerschnittes aufweist. In einem konkreten Fall würde dies heißen, daß bei Verwendung von drei Drosselventilen ein erstes Ventil mit einem Drosselquerschnitt 1, ein zweites mit dem Drosselquerschnitt und ein drittes mit dem Drosselquerschnitt 4 vorgesehen ist. Dabei ergibt sich in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, daß durch entsprechend kombiniertes Zusammenschalten eine maximale Anzahl verschiedener Drosselsummenquerschnitte erzielbar ist, wobei die Drosselquerschnitte auch noch um einen vom kleinsten Drosselquerschnitt 1 vorgegebenen Betrag jeweils voneinander verschieden sind. Beim obigen Beispiel, daß die einzelnen Drosselquerschnitte 1, 2 und 4 betragen, ergibt sich nun in Kombination die Möglichkeit, die Drossel Summenquerschnitte von 1, 2, 3 ..., 7 zu erhalten. Auf diese Weise ist es nun möglich, entsprechend feinfühlig geändert Drossel Summenquerschnitte schalten zu können, wobei nun durch eine entsprechende Ansteuerung der Drosselventile eine geregelte Entlüftung und damit eine feinfühlige Ansteuerung des Arbeitszylinders ermöglicht ist. Da die Ventile, sofern es sich um Schaltventile handelt,

nur zwei Schaltzustände aufweisen, nämlich "betätigt" oder "nicht-betätigt" läßt sich die kombinierte Ansteuerung binär darstellen. Somit ergibt sich die Möglichkeit, daß in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung die Drosselventile über einen binär kodierten Stufenschalter derart ansteuerbar sind, daß jede Schaltstellung des Stufenschalters eine Permutation des kombinierten Zusammenschaltens der Drosselventile ergibt. Somit läßt sich die Ventilansteuerung recht einfach durchführen. Der Stufenschalter weist dabei derart viele Schaltstufen auf, daß abhängig von der Anzahl der anzusteuernden gedrosselten Auslaßventile binär sämtliche Permutationen ermöglicht sind.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist dann auch ein v/eiteres als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Auslaßventil zur ungedrosselten Entlüftung des Arbeitszylinders vorgesehen und ansteuerbar, wobei die Umsteuerung von gedrosselter und ungedrosselter Entlüftung in letzter vorteilhafter Ausgestaltung über einen am Arbeitszylinder angeordneten Näherungsschalter erfolgt, der in Abhängigkeit der Kolbenstellung schaltet. Dabei ergeben sich nun verschiedenste Betriebsmöglichkeiten des Arbeitszylinders. Der Näherungsschalter ist dabei am Arbeitszylinder in Hubrichtung verschieb!ich angeordnet, so daß der Umschaltpunkt, an dem vom ungedrosselten zum gedrosselten Entlüften des Arbeitszylinders umgeschaltet wird, vorwählbar ist. Es ergibt sich somit bis zum Erreichen des Umschaltpunktes ein ungedrosseltes Entlüften der entsprechenden Zylinderraumseite, so daß bis zu diesem Punkt ein schnelles Ausfahren des Kolbens bzw. des Arbeitszylinders bewirkt wird. Bei Erreichen des Umschaltpunktes wird nun ein vorwählbarer Drosselsummenquerschnitt in die Entlüftung geschaltet, so daß kurz vor Erreichen der Endlage der Kolben abgebremst und in einem fein abstimmbaren Schleichgang in die Endlage fährt. Über die Vorwählbarkeit

des kombinierten Zusammenschaltens der einzelnen Drosselquerschnitte zu einem Drosselsummenquerschnitt durch den Stufenschalter, läßt sich nun die "Schleichgangphase" sowohl in Zeitdauer bzw. Strecke als auch in Dämpfungsgrad variieren. Damit ist eine entsprechend feinfühlig variierbare Ansteuerung eines Arbeitszylinders möglich, wofür sich ein weites Anwendungsfeld bietet.

Der Aufbau sowie insbesondere die Funktionsweise sind anhand der Abbildungen verdeutlicht und im nachfolgenden näher beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 Ventilanordnung mit Druckmittelverschaltung sowie elektrischer Ansteuerung

Figur 2 Darstellung der einzelnen Schaltstufen sowie der erzielten Querschnitte

Figur 3 Verfahrweg des Arbeitskolbens in Abhängigkeit der einzeln geschalteten Drosselquerschnittsstufen

Figur 1 zeigt im unteren Bildteil innerhalb der gestrichelten Linie die Anordnung von zwei, den Einlaßbereich des Arbeitszylinders 10 vorsteuernden 2/2-Wegeventile 1 und 2, die vier weitere mit jeweils einer druckmittelbetätigbaren Steuerfläche versehene 2/2-Wegeventile 6,7,8,9 zur letztendlichen Druckmittelbeaufschlagung bzw. ungedrosselten Entlüftung des Arbeitszylinders ansteuern. Wird das Ventil 1 elektrisch angesteuert, so wird der Druckmittelversorgungsanschluß zu den Ventilen 6,7,8 steuerseitig durchgeschaltet. Das heißt, die Ventile 6,7,8 werden betätigt, wobei das Ventil 6 nun öffnet und somit die Entlüftung R sperrt. Das Ventil 8

sperrt die Weitergabe des Druckmittels, und das Ventil 7 steuert den Druckmittelversorgungsanschluß 11 zur arbeitsseitigen Beaufschlagung des Arbeitszylinders 10 durch. Über die elektrische Ansteuerung des Ventiles 2 wird nun das Druckmittel auf die Steuerfläche des Ventiles 9 durchgeschaltet, wobei dieses Ventil durchsteuert und die Entlüftung des zu entlüftenden Zylinderraumbereiches des Arbeitszylinders mit ungedrosseltem Querschnitt in die Entlüftung S schaltet. Am Arbeitszylinder 10 ist ein positionsabhängiger Schalter 15 angeordnet, der bei Erreichen dieser Stellung durch den Kolben ein Relais 14 betätigt, welches die Ansteuerung des Ventiles 2 unterbricht, so daß auch das Ventil 9 abfällt und die ungedrosselte Entlüftung in die Entlüftungsleitung S unterbricht. Statt dessen erfolgt nun die Entlüftung des Arbeitszylinders über die Drosselventile 3,4,5 bzw. über das kombinierte Zusammenschalten dieser Ventile in die Entlüftungsleitung S¹. Die Ventile 3,4,5 sind als Drosselventile ausgebildet, die somit das Drosselelement schon integriert enthalten. Die Entlüftungsseite des Arbeitszylinders 10 mündet nun parallel in jede der Eingangsseiten der Ventile 3,4,5. Die Ausgangsseite der Ventile 3,4,5 münden dabei wieder parallel in die Entlüftungsleitung S'. Durch das über den binär kodierten Stufenschalter 12 bewirkte kombinierte Zusammenschalten der Ventile 3,4,5 ergibt sich nun ein entsprechend vorwählbarer Drossel Summenquerschnitt. Im bereits oben genannten Ausführungsbeispiel ist dabei das Ventil 5 mit einem einfachen Drosselquerschnitt, das Ventil 4 mit einem zweifachen und das Ventil 3 mit einem entsprechend vierfachen Drosselquerschnitt versehen. Wird nun ausschließlich das Ventil 5 angesteuert, so ist die Entlüftungsseite des Arbeitszylinders mit einem einfachen Drosselquerschnitt zur Entlüftung S¹ geschaltet. Ist über den Stufenschalter 12 ausschließlich Ventil 4 angesteuert, so ist an der Entlüftungsseite des Arbeitszylinders 10 entsprechend der zweifache Drosselquerschnitt in die Entlüftung S' geschaltet. Bei der Ansteuerung von Ventil 5 und 4 ergibt sich somit in

Summe nun der dreifache Drosselquerschnitt. Durch alleinige Ansteuerung des Ventiles 3 ergibt sich dann in der nächsten Schaltstufe der vierfache Drosselquerschnitt. Dies läßt sich nun auf eine Weise derart permutieren, daß man, wenn man die ungedrosselte Entlüftung über Ventil 9 mitrechnet, acht Schaltstufen der Entlüftung erhält.

Figur 2 zeigt in tabellarischer Übersicht die Zuordnung der Ventile, der als Öffnungsquerschnitte bezeichneten Drosselquerschnitte, deren entsprechend relevanter Binärkode sowie die Summe der Öffnungs- bzw. Drosselquerschnitte. Aus dieser tabellarischen Übersicht geht hervor, daß die Anzahl der Ventile die Anzahl der Stellen der Binärzahl am Stufenschalter vorgeben und damit auch die maximale Anzahl der Schaltstufen. Durch die jeweilige Verdoppelung des einzelnen Öffnungsquerschnittes von einem Ventil zum anderen ergibt sich auf diese Weise die Wahl von derartigen Öffnungssummenquerschnitten, die untereinander mit jeweils um den gleichen Betrag voneinander verschieden sind. Damit ergibt sich in äquidistanter Schrittfolge eine stufenweise Erhöhung des Öffnungssummenquerschnittes. Der Binärkode 000 ergibt hier, daß in der Schaltstufe 0 des Stufenschalters keines der Ventile 3,4,5 angesteuert ist, sondern das Ventil 9, v/elches ungedrosselt den Arbeitszylinder auf der Entlüftungsseite entlüftet. Die nächste Schaltstufe ist durch den Binärkode 001 vorgegeben und besagt, daß allein das Ventil 5 zur Entlüftung angesteuert wird, wodurch sich ein einfacher Öffnungsquerschnitt bzw. Drosselquerschnitt ergibt. Die Binärzahl 010 gibt die ausschließliche Ansteuerung des Ventiles 4 zur Entlüftung vor, wodurch nun ein zweifacher Öffnungsquerschnitt vorgeben ist. Die Binärzahl 011 gibt nun die Kombination aus der Ansteuerung von Ventil 5 und 4 wieder, die in Summe jetzt den Öffnungsquerschnitt dreifachergeben. Die weiteren Permutationen lassen sich bis zur dreistelligen Binärzahl 111 weiterführen, die dann den siebenfachen Öffnungsquerschnitt in Summe darstellen. Es ergeben sich also, wenn man

die Schaltstufe O mitzählt, bei der Anordnung von drei Drosselventilen der genannten Art acht Schaltstufen. Bei der Anordnung von vier Drosselventilen, wobei dann dieses vierte Ventil den 8fachen Einzel-Öffnungsquerschnitt aufweist, würde sich als höchste Binä'rzahl 1111 ergeben. Der Binärzahl 1111 entspricht die Dezimalzahl 15. Das heißt, bei der Anordnung von vier Ventilen, wobei sich die einzelnen Öffnungsquerschnitten einfach, zweifach, vierfach-und achtfach, wurden - Schaltstufe 0 mitgezählt - sechszehn verschiedene Schaltstufen entstehen, die jeweils untereinander um einen minimalen Öffniingsquerschnitt von "einfach" voneinander verschieden wären. Das heißt, es wären die Summenöffnungsquerschnitte: unendlich, einfach, zweifach, ..., fünfzehnfach einstellbar.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm den Ort bzw. die Stellung des Kolbens eines mit der oben beschriebenen Druckmittel schaltung betriebenen Arbeitszylinders beginnend bei einer Startstellung a und endend bei einer vorgegebenen Endlage z. Bis zu dem vom Näherungsschalter 15 des Arbeitszylinders 10 ausgelösten Umschaltpunktes &khgr; erfolgt beim Vorwählen verschiedener Schaltstufen ein immer gleiches Weg-Zeit-Verhalten, welches quasi in allen Beispielen deckungsgleich ist. Das heißt, bis zum Erreichen des Umschaltpunktes &khgr; wird die Entlüftungsseite des Arbeitszylinders ungedrosselt entlüftet. Bei Erreichen des Umschaltpunktes &khgr; knickt dieser Kurvenverlauf ab und mündet je nach vorgewählter Schaltstufe, das heißt je nach vorgewähltem Drosselsummenquerschnitt in eine der dargestellten Linien. Als Beispiel sei die oberste Linie und die unterste Linie herausgegriffen; bei der obersten Linie ist der Drossel Summenquerschnitt minimal, das heißt es ist allein das Drosselventil mit dem kleinsten Drosselquerschnitt in die Entlüftungsleitung des Arbeitszylinders geschaltet. Aufgrund dieser hohen maximalen Drosselwirkung erstreckt sich der so erzeugte "Schleichgang" des Arbeitszylinders am weitesten. Die unterste der

Linien stellt die Schleichgangphase beim durch Zusammenschaltung der Drosselventile größtmöglichen Drosselsummenquerschnitt wieder. Das heißt, durch Zusammenschaltung der Ventile 3 bis 5 ergibt sich ein entsprechend siebenfacher Drosselsummenquerschnitt, der letztendlich nur eine schwache Dämpfung und damit eine entsprechend kurze Reichweite der Schleichgangphase bewirkt. Diese Kurvenverläufe können noch dadurch variiert werden, daß der Umschaltpunkt &khgr; noch weiter in Richtung der Endlage verschoben wird und somit die Schleichgangphase entsprechend verklirzt wird. Die Bezeichnung der einzelnen Öffnungs- bzw. Drosselquerschnitte der Ventile als einfach, zweifach, vierfach usw. sind nur relative Größen, die die Relation der Einzeldrosselquerschnitte der Ventile untereinander darstellt.. Wie groß nun der absolute Drosselquerschnitt ist, ergibt sich durch den jeweiligen Anwendungsfall und die dadurch bedingten Anforderungen. Wichtig ist einzig die Nomenklatur, d. h. die Relationen der Öffnungsquerschnitte untereinander stets in der durch die Erfindung vorgegebenen Weise zu erfüllen.

Claims

1. Druckmittel schaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders mittels einer Mehrwegeventil anordnung bestehend aus Einlaß- und Auslaßventilen, wobei druckmittelmäßig parallel geschaltete Auslaßventile mit jeweils einem Drosselelement zur gedrosselten Entlüftung des Arbeitszylinders vorgesehen sind und die Drosselelemente untereinander verschiedene Drosselquerschnitte aufweisen, die über die Ansteuerung der Auslaßventile einzeln oder kombiniert betätigbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei als 2/2-Wege-Drosselventile ausgebildete parallel geschaltete Auslassventile (3,4,...) vorgesehen sind, daß die Drosselquerschnitte der 2/2-Wege-Drosselventile derart verschieden sind, daß jeder Drosselquerschnitt nur einmal vertreten ist und ausgehend vom kleinsten Drosselquerschnitt jedes weitere 2/2-Wege-Drosselventil jeweils zu einem der anderen 2/2-Wege-Drosselventile eine Verdoppelung des Drosselquerschnittes aufweist.

2. Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Auslaßventil (9) zur imgedrosselten Entlüftung des Arbeitszylinders (10) vorgesehen ist.

3. Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die als 2/2-Wege-Drosselventile ausgebildete Auslassventile (3,4, —) parallel in eine gemeinsame Entlüftung (5¹) mündend verschaltet sind.

4. Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die als 2/2-Wege-Drosselventile ausgebildeten Auslassventile (3,4,...) elektrisch über einen binär kodierten Stufenschalter (12) derart ansteuerbar sind, daß jede Schaltstellung des Stufenschalters eine Permutation des kombinierten Zusammenschaltens der 2/2-Wege-Drosselventile ergibt.

5. Druckmittel schaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Stufenschalter (12) mit derart vielen Schaltstufen versehen ist, daß abhängig von der Anzahl der anzusteuernden gedrosselten Auslassventile binär sämtliche Permutationen ermöglicht sind.

6. Druckmittelschaltung zur Ansteuerung eines Arbeitszylinders nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Näherungsschalter (15) am Außenumfang des Arbeitszylinders (10) angeordnet und derart in die elektrische Ansteuerung der
Druckmittelschaltung geschaltet ist, daß sich aus der Betätigung des Näherungsschalters (15) eine Umsteuerung-vom ungedrosselten zum gedrosselten Entlüften der Entlüftungsseite des Arbeitszylinders (10) ergibt.