WO2016202356A1 - Antriebssystem und verfahren zum betreiben eines fluidbetätigen drehantriebs - Google Patents

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Uwe Mödinger
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    • F15B2211/8855—Compressible fluids, e.g. specific to pneumatics

Definitions

  • the invention relates to a drive system having a fluid-actuated rotary drive, which has a housing with a piston chamber in which a drive piston assembly for driving a rotatably mounted output shaft is arranged, wherein the drive piston assembly divides the piston chamber into at least two working chambers, which via a control valve device with under a system pressure pressurized fluid
  • the drive piston assembly is movable depending on Fluid Kunststoffbeetzung one or the other working chamber in a first or a second end position, and with a position detection device for detecting the end positions and providing the end positions associated position signals to an associated electronic control device for controlling the Control valve device can be transmitted.
  • the object of the invention is therefore to provide a drive system and a method for operating a fluid-actuated rotary drive, with which the consumption of pressure fluid can be reduced, for example when actuating a valve member of a process valve over conventional drive systems.
  • the drive system according to the invention is characterized in that the electronic control device has electronic control means which are designed such that the control valve device is switchable so that the pressurized fluid chamber working chamber is vented before the system pressure builds up in the working chamber, if Position detection device detects one of the end positions.
  • both end positions which of course can not be taken at the same time, are monitored and there is a venting of both the one and the other work chambers.
  • the electronic control device and the fluid-operated rotary drive are combined to form a module. It is for example possible that the electronic control device is on board the fluid-operated rotary drive. Alternatively, it is possible to use an external electronic control device.
  • the signal transmission between the position detection device and the electronic control device can be cable-based or wireless, in particular with an external electronic control device, the wireless variant for signal transmission is preferable.
  • the position detection device has a magnet arrangement generating a magnetic field and a position feedback sensor detecting the magnetic field when one of the end positions is reached in order to generate the position signal assigned to one of the end positions.
  • the position feedback sensor may include, for example, a Hall sensor, for example a 3D Hall sensor.
  • the magnet arrangement is arranged on the drive piston arrangement and the position feedback on the housing of the rotary drive. In this case, it is thus possible that the magnet assembly is moved in the movement of the drive piston assembly in the end position and the position feedback is arranged on the housing, for example on an end wall of the associated working chamber or preferably on an end stop for the drive piston assembly. In a preferred variant, the magnet arrangement is at an axial led out of the housing end of
  • the position feedback may be used for example in a wall portion of the housing of the rotary drive or alternatively be attached to the top of the housing.
  • control valve devices and the fluid-actuated valve drive are combined to form a module.
  • the control valve device may, for example, comprise at least one monostable or bistable control valve.
  • the control valve may be formed, for example, as a 5/2 or 5/3 way valve.
  • the housing of the rotary drive has a mounting portion on which a functional module arrangement is mounted, in which the electronic control device and / or the control valve device are accommodated.
  • the attachment portion is located on a front side of the housing.
  • a valve fitting through which liquid or gaseous process medium flows is provided, with a valve member arranged in the process medium, which can be positioned in different valve positions via the rotary drive coupled to the valve fitting.
  • the coupling of the valve member to the rotary drive preferably takes place with a spindle.
  • the spindle in turn is rotatably coupled to the output shaft, whereby the tappable on the output shaft rotary output movement to the spindle and ultimately to the valve member is transferable. If one of the end positions of the drive piston is Order reached, the valve member is in a defined valve position, such as open or
  • valve member as a stopcock, in particular ball valve, plug cock o. is trained.
  • the invention further comprises a method of operating a fluid operated rotary actuator having a housing with a piston chamber by a drive arrangement is arranged for driving a rotatably mounted output shaft, wherein the drive piston assembly divides the piston chamber into two working chambers, which via a control valve means under a system pressure pressurized fluid, the method comprising the following steps: pressurizing one of the two working chambers with fluid pressure, whereby the drive piston assembly is moved in the direction of one of two end positions,
  • Detecting the relevant end position by means of a position detection device and providing a position signal assigned to the end position and transmitting the position signal to an electronic control device,
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the drive system according to the invention
  • Figure 3 shows a second exemplary embodiment of the drive system according to the invention, in which case only the fluid-operated rotary drive of the drive system with position detection device is shown.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the drive system 80 according to the invention, which is shown in the example shown as a process valve assembly.
  • the drive system 80 has a valve fitting, which has a valve housing 81 which is penetrated by a medium channel 82 through which liquid or gaseous process medium can flow.
  • the fitting housing 81 has at one end a first guide connection 31a and at the other end a second guide connection, via which the valve fitting 24 can be connected to a pipeline through which process medium flows.
  • valve fitting 24 An essential element of the valve fitting 24 is a valve member, which in the example as a ball valve (not shown) is trained.
  • the ball valve has a passage opening, which is aligned in an open position with the medium channel 82, so that process medium can pass through the valve fitting 24.
  • the closed position of the ball valve which is rotated in particular by 90 ° relative to the open position, the passage through the medium channel 82 is shut off. It is of course possible to use other valve members other than a ball valve, for example one
  • valve member can move between at least one open and one closed position.
  • the valve member is connected to a spindle (not shown), which is led out of the fitting housing 81 perpendicular or obliquely to the flow direction.
  • the top of the fitting housing 81 has an example plate-like mounting flange 83, to which a fluid-operated rotary actuator 10 is attached for actuating the valve member.
  • the rotary drive 10 has a particular designed as a tubular body 44 housing 1, which is penetrated in the axial direction of a piston chamber 11.
  • a drive piston assembly 19 is received and guided in a movable manner.
  • the drive piston arrangement 19 serves to drive an output shaft 6, which is rotatably mounted about an axis of rotation and runs perpendicular to the axial direction 26 through the tubular body 44 of the housing 1 and whose axial end 33 is led out of the tubular body 44 at an upper wall section 35.
  • the drive piston assembly 19 has a first drive piston 19a and a second drive piston 19b, which divide the piston chamber into a first and second working chamber IIa, IIb.
  • the two drive pistons 19a, 19b are arranged coaxially with one another and each comprise axially oriented racks, not shown here, which are in meshing engagement with an output gear 6 disposed on the output shaft 6 for linear movement of the drive pistons 19a and 19b into rotary motion of the output shaft 6 implement.
  • the racks are on opposite sides of the
  • Output shaft 6 is arranged so that opposing linear movements of the drive piston 19 a and 19 b are converted into respective rotational movements of the output shaft 6.
  • the output shaft 6 rotates in a first rotational direction when the drive pistons 19a, 19b converge toward each other and in a second rotational direction when the drive pistons 19a and 19b move away from each other.
  • a lever rocker Scotch yoke
  • the drive pistons 19a and 19b divide the piston chamber 11 into two working chambers IIa and IIb.
  • the first chamber IIa is divided into two and is located between the first drive piston 19a and a partition wall 13 as a front end and between the second drive piston 19b and the rear end of the piston chamber 11.
  • the second working chamber IIb is located between the first drive piston 19a and the second drive piston 19b.
  • the housing 1 further comprises an axial end 2 - ie at one end of the housing 1 in the axial direction 26 - an open towards the piston chamber 11 end face 3 with at least one for attachment of a
  • Housing cover 4 suitable attachment portion 5.
  • the drive system 80 further comprises a control valve device 86, via which the working chambers IIa, IIb pressurized fluid under a system pressure, in particular compressed air can be acted upon, so that the drive piston assembly 19 depending on Fluiddruckbeaufschlagung one or the other working chamber IIa, IIb in a first or a second End position 87a, 87b are movable.
  • a control valve device 86 via which the working chambers IIa, IIb pressurized fluid under a system pressure, in particular compressed air can be acted upon, so that the drive piston assembly 19 depending on Fluiddruckbeaufschung one or the other working chamber IIa, IIb in a first or a second End position 87a, 87b are movable.
  • both drive pistons are movable toward one another when fluid pressure is applied to the first working chamber IIa and travel together in each case into their first end position 87a.
  • the drive pistons 19a, 19b move in opposite directions and travel together into their second end position 87b.
  • control valve device 86 comprises a bistable control valve 88, which is accommodated in a functional module arrangement 7 attached to the attachment section 5 of the housing.
  • the control valve 88 is mounted on a base 89, which in turn sits on the partition wall 13, which divides the functional module 17 of the functional module arrangement 7 shown into a piston chamber portion 12 and a module space 21.
  • the control valve 88 is connected via corresponding module-side and housing-side working channels with the two working chambers IIa, IIb.
  • the drive system 80 further comprises a position detection device 90 for detecting the end positions 87a, 87b of the drive piston assembly 19, in particular the simultaneously occupied first or second end positions 87a, 87b of two drive pistons 19a, 19b.
  • the position detection device 90 has a magnet arrangement 34 and a position indicator 36.
  • the magnet arrangement 34 generates a magnetic field which, when one of the end positions 87a, 87b is reached, can be detected by the position feedback detector 36, which generates an actuating signal assigned to the respective end position 87a, 87b.
  • the magnet assembly 34 in particular magnetic rods of the magnet assembly 34 in the first and second drive piston 19a, 19b, while the position feedback sensor 36, which is formed for example as a Hall sensor, at end stops , which are adjustable, for example, from the outside, to adjust the end positions 87a, 87b sitting.
  • the drive system 80 further comprises an electronic control device 91 for controlling the control valve device 86.
  • Position signals generated by the position detection device 90 can be transmitted in particular wirelessly to the electronic control device 91, which in turn drives the control valve device 86.
  • the electronic control device 91 has electronic control means 92 which are designed such that the control valve device 86 is switchable so that the pressurized working chamber 19a, 19b is vented before the system pressure builds up in the working chamber 19a, 19b when the position detecting device 90 detects one of the end positions 87a, 87b.
  • the electronic control device 91 with its control means is located in the same position. if arranged in the functional module 17, for example in the module space 21 next to the control valve 88.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the drive system 80 according to the invention. This embodiment differs from the first exemplary embodiment described above in that the position detection device 90 with the magnet arrangement 34 and the position indicator 36 are positioned elsewhere than in the first exemplary embodiment.
  • the position indicator 36 is inserted into the upper wall portion 35 of the tubular body 44 of the housing 1, while the magnet assembly 34 is disposed at the axial end of the output shaft 6 and receives a rotational movement of the output shaft 6.
  • the position indicator 36 is inserted into a Aufnähmeklammer 38 formed in the upper wall portion 35 of the tubular body 44, which is open to an end face 3 and / or a longitudinal side 46 of the tubular body 44.
  • a position indicator 23 is attached, which has a mark in the form of a bow-shaped indicator member 39 which in the position shown in Figures 1 and 3, the closed position of the valve member and in a rotated by 90 ° thereof position indicates the open position of the valve member.
  • a method of operating the fluid operated rotary actuator 10, which is part of the previously described drive system 80, is as follows: First, there is the valve member, in particular the ball valve in the closed position, which is indicated by the position indicator 23 with the bow-shaped display element 39. In order to move the valve member, for example the ball valve in the open position and thus to release the fluid passage through the medium channel 82, the second working chamber IIb is vented between the two drive pistons 19a, 19b via a corresponding switching operation of the control valve. Pressure fluid thus reaches the second working chamber IIb and causes the two drive pistons 19a, 19b to execute an opposite movement in the direction of their respective second end position 87b.
  • the opposing linear movements of the drive piston 19a, 19b are transmitted via the racks of the drive piston 19a, 19b to the output gear 29, which is set in rotational motion.
  • the coupled spindle is also set in rotary motion and transmits this rotational movement to the coupled valve member, such as the ball valve.
  • An essential aspect of the invention is that the two drive pistons 19a, 19b moving in opposite directions retract into the end positions 87b even at an actuating pressure that is considerably lower than the system pressure of 5.5 to 6 bar, for example in the range from 2 to 3 bar, which causes the Valve member has also moved into the open position.
  • the through-channel at the ball valve is aligned with the medium channel, whereby the medium channel for the process medium is released. No reaction force is exerted on the ball valve by the process medium.

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Abstract

Bei einem Antriebssystem, mit einem fluidbetätigten Drehantrieb (10), der ein Gehäuse (1), mit einem Kolbenraum (11) aufweist, in dem eine Antriebskolbenanordnung (19) zum Antrieb einer drehbar gelagerten Abtriebswelle (6) angeordnet ist, wobei die Antriebskolbenanordnung (19) den Kolbenraum (11) in wenigstens zwei Arbeitskammern (11a, 11b) unterteilt, die über eine Steuerventileinrichtung (86) mit unter einem Systemdruck stehenden Druckfluid beaufschlagbar sind, sodass die Antriebskolbenanordnung (19) je nach Fluiddruckbeaufschlagung der einen oder der anderen Arbeitskammer (11a, 11b) in eine erste oder eine zweite Endstellung (87a, 87b) bewegbar ist, und mit einer Stellungserfassungseinrichtung (90) zur Erfassung der Endstellungen (87a, 87b) und Bereitstellung von den Endstellungen (87a, 87b) zugeordneten Stellungssignalen, die an eine zugeordnete elektronische Steuereinrichtung (91) zur Ansteuerung der Steuerventileinrichtung (86) übermittelbar sind, verfügt die elektronische Steuereinrichtung über elektronische Steuermittel, die derart ausgebildet sind, dass die Steuerventileinrichtung (86) so schaltbar ist, dass die mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer (11a, 11b) entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck in der Arbeitskammer (11a, 11b) aufbaut, wenn die Stellungserfassungseinrichtung (86) eine der Endstellungen (87a, 87b) erfasst.

Description

FESTO AG & Co. KG, 73734 Esslingen
Antriebssystem und Verfahren zum Betreiben eines
fluidbetätigen Drehantriebs
Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, mit einem fluidbe- tätigten Drehantrieb, der ein Gehäuse mit einem Kolbenraum aufweist, in dem eine Antriebskolbenanordnung zum Antrieb einer drehbar gelagerten Abtriebswelle angeordnet ist, wobei die Antriebskolbenanordnung den Kolbenraum in wenigstens zwei Arbeitskammern unterteilt, die über eine Steuerventileinrichtung mit unter einem Systemdruck stehenden Druckfluid
beaufschlagbar sind, sodass die Antriebskolbenanordnung je nach Fluiddruckbeaufschlagung der einen oder der anderen Arbeitskammer in eine erste oder eine zweite Endstellung bewegbar ist, und mit einer Stellungserfassungseinrichtung zur Erfassung der Endstellungen und Bereitstellung von den Endstellungen zugeordneten Stellungssignalen, die an eine zugeordnete elektronische Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Steuerventileinrichtung übermittelbar sind.
Es ist bekannt, derartige Antriebssysteme zur Betätigung von Prozessventilen, wie Kugelhähnen, oder dergleichen einzusetzen. Bei der Auswahl des fluidbetätigten Drehantriebs spielt das erforderlich Losbrechmoment des dem Prozessventil zugeordneten Ventilglieds eine wichtige Rolle. Dieses Losbrechmoment setzt sich aus dem erforderlichen Drehmoment des Prozessventils und einem mediumspezifischen Sicherheitsfaktor, der in der Regel 1,2 bei flüssigen Medien und 1,5 bei gasför- migen Medien beträgt, zusammen. Auf Basis dieses erforderlichen Drehmoments wird nun in Abhängigkeit des zur Verfügung stehenden Systemdrucks, der häufig im Bereich von 5,5 bar bis 6 bar liegt, der erforderliche fluidbetätigte Drehantrieb ge- wählt, der dieses erforderliche Drehmoment mindestens erbringt. In der Regel ist der ausgewählte fluidbetätigte Drehantrieb überdimensioniert, da verfügbare Baugrößen gestuft sind .
Man kann daher davon ausgehen, dass diese Art von fluidbetä- tigten Drehantrieben deutlich überdimensioniert ist und mit wesentlich geringerem Betätigungsdruck als dem vorhandenen Systemdruck betätigt werden könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Antriebssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines fluidbetätigten Drehan- triebs bereitzustellen, mit dem sich der Verbrauch von Druck- fluid beispielsweise bei der Betätigung eines Ventilglieds eines Prozessventils gegenüber herkömmlichen Antriebssystemen reduzieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines fluidbetätigten Drehantriebs mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Antriebssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die elektronische Steuereinrichtung über elektroni sehe Steuermittel verfügt, die derart ausgebildet sind, dass die Steuerventileinrichtung so schaltbar ist, dass die mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck in der Arbeitskammer aufbaut, wenn die Stellungserfassungseinrichtung eine der Endstellungen er- fasst .
Wie bereits vorstehend erwähnt, ist zur Bewegung der Antriebskolbenanordnung in eine der Endstellungen nicht der ge- samte Systemdruck, der in der Regel bei 5,5 bar bis 6 bar liegt, notwendig. Es reicht in der Regel bereits ein deutlich geringerer Druck aus, um die Antriebskolbenanordnung in ihre Endstellung zu fahren. Wenn sich die Antriebskolbenanordnung in der zugeordneten Endstellung befindet, ist es nicht mehr notwendig, den gesamten Systemdruck aufzubauen. Im Gegenteil, die zuvor mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer kann dann infolge der Ansteuerung der Steuerventileinrichtung über die elektronische Steuereinrichtung entlüftet werden. Die Antriebskolbenanordnung verbleibt im Wesentlichen in der zuvor eingenommenen Endstellung auch ohne Fluiddruckbeaufschlagung . Da die betreffende Arbeitskammer vor dem Aufbau des Systemdrucks entlüftet wird, lässt sich hierüber eine erhebliche Menge an Druckfluid einsparen, sodass das erfindungsgemäße Antriebssystem insgesamt kostengünstiger als herkömmliche An- triebssysteme betrieben werden kann.
In besonders bevorzugter Weise findet sowohl in der einen als auch in der anderen Endstellung der Antriebskolbenanordnung eine Entlüftung der zugeordneten mit Fluiddruck
beaufschlagten Arbeitskammer statt. In diesem Fall werden al- so beide Endstellungen, die natürlich nicht gleichzeitig eingenommen werden können, überwacht und es findet ein Entlüften sowohl der einen als auch der anderen Arbeitskämmer, statt. Alternativ wäre es jedoch auch möglich, lediglich eine Endstellung zu überwachen und bei deren Erreichung die zugeord- nete Arbeitskammer zu entlüften, wohingegen die andere Endstellung unüberwacht bleibt, so dass sich in dieser Arbeitskammer der volle Systemdruck einstellen könnte, der bei- spielsweise benötigt wird, um die Antriebskolbenanordnung in der Endstellung zu halten.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die elektronische Steuereinrichtung und der fluidbetätigte Drehantrieb zu einer Baugruppe zusammengefasst . Es ist beispielsweise möglich, dass sich die elektronische Steuereinrichtung an Bord des fluidbetätigten Drehantriebs befindet. Alternativ ist es möglich, eine externe elektronische Steuereinrichtung einzusetzen. Die Signalübertragung zwischen der Stellungserfassungs- einrichtung und der elektronischen Steuereinrichtung kann kabelgestützt oder drahtlos erfolgen, wobei insbesondere bei einer externen elektronischen Steuereinrichtung die drahtlose Variante zur Signalübertragung zu bevorzugen ist.
In besonders bevorzugter Weise weist die Stellungserfassungs- einrichtung eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetanordnung und einen beim Erreichen einer der Endstellungen das Magnetfeld erfassenden Stellungsrückmelder zur Erzeugung des eine der Endstellungen zugeordneten Stellungssignals auf.
Es ist beispielsweise möglich, dass die Magnetanordnung und der Stellungsrückmelder gemeinsam einen Endstellungsschalter bilden. Der Stellungsrückmelder kann beispielsweise einen Hall-Sensor, beispielsweise einen 3D-Hall-Sensor , umfassen.
Es ist möglich, dass die Magnetanordnung an der Antriebskolbenanordnung und der Stellungsrückmelder am Gehäuse des Drehantriebs angeordnet sind. In diesem Fall ist es also möglich, dass die Magnetanordnung bei der Bewegung der Antriebskolbenanordnung in die Endstellung mitbewegt wird und der Stellungrückmelder am Gehäuse, beispielsweise an einer Stirnwand der zugeordneten Arbeitskammer oder bevorzugt an einem Endanschlag für die Antriebskolbenanordnung angeordnet ist. Bei einer bevorzugten Variante ist die Magnetanordnung an einem axialen aus dem Gehäuse herausgeführten Ende der
Abtriebswelle angeordnet und nimmt somit die Drehbewegung der Abtriebswelle auf, wobei sich der Stellungsrückmelder an einer Oberseite des Gehäuses befindet. Der Stellungsrückmelder kann beispielsweise in einen Wandungsabschnitt des Gehäuses des Drehantriebs eingesetzt sein oder alternativ an die Oberseite des Gehäuses angebaut sein.
In besonders bevorzugter Weise sind die Steuerventileinrichtungen und der fluidbetätigte Ventilantrieb zu einer Baugruppe zusammengefasst . Die Steuerventileinrichtung kann beispielsweise wenigstens ein mono- oder bistabiles Steuerventil aufweisen. Das Steuerventil kann beispielsweise als 5/2- oder 5/3-Wege-Ventil ausgebildet sein.
Es ist möglich, dass das Gehäuse des Drehantriebs einen Befestigungsabschnitt aufweist, an dem eine Funktionsmodulanordnung befestigt ist, in der die elektronische Steuereinrichtung und/oder die Steuerventileinrichtung aufgenommen sind. Zweckmäßigerweise befindet sich der Befestigungsabschnitt an einer Stirnseite des Gehäuses.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist eine von flüssigem oder gasförmigem Prozessmedium durchströmbare Ventilarmatur vorgesehen, mit einem im Prozessmedium angeordneten Ventilglied, das über den an die Ventilarmatur angekoppelten Drehantrieb in verschiedene Ventilstellungen positionierbar ist. Die Ankopplung des Ventilglieds an den Drehantrieb findet vorzugsweise mit einer Spindel statt. Die Spindel wiederum ist mit der Abtriebswelle drehfest gekoppelt, wodurch die an der Abtriebswelle abgreifbare rotatorische Abtriebsbewegung auf die Spindel und letztendlich auf das Ventilglied übertragbar ist. Ist eine der Endstellungen der Antriebskolbenan- Ordnung erreicht, so befindet sich das Ventilglied in einer definierten Ventilstellung, beispielsweise Offen- oder
Schließstellung. Wird in der bestimmten Ventilstellung keine insbesondere durch das Prozessmedium verursachte Gegenkraft auf das Ventilglied und letztendlich auf die Spindel und die Abtriebswelle ausgeübt, so ist eine stabile Ventilstellung erreicht. Insbesondere dann ist es möglich, wie vorstehend erwähnt, die zuvor mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer zu entlüften. Es ist möglich, dass das Ventilglied als Absperrhahn, insbesondere Kugelhahn, Kükenhahn o. dgl . ausgebildet ist.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Betreiben eines fluidbetätigten Drehantriebs, der ein Gehäuse mit einem Kolbenraum aufweist, indem eine Antriebsanordnung zum Antrieb einer drehbar gelagerten Abtriebswelle angeordnet ist, wobei die Antriebskolbenanordnung den Kolbenraum in zwei Arbeitskammern unterteilt, die über eine Steuerventileinrichtung mit unter einem Systemdruck stehenden Druckfluid beaufschlagbar sind, das Verfahren mit folgenden Schritten: · Beaufschlagen einer der beiden Arbeitskammer mit Fluiddruck, wodurch die Antriebskolbenanordnung in Richtung einer von zwei Endstellungen bewegt wird,
Erfassen der betreffenden Endstellung mittels einer Stel- lungserfassungseinrichtung und Bereitstellung eines der Endstellung zugeordneten Stellungssignals sowie Übermittlung des Stellungsignals an eine elektronische Steuereinrichtung,
Ansteuern der Steuerventileinrichtung durch die elektro- nische Steuereinrichtung, sodass die Steuerventileinrich- tung so schaltet, dass die mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck aufbaut .
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 ein erstes Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems,
Figur 2 einen Längsschnitt durch den fluidbetätigten Drehantrieb des Antriebssystems von Figur 1 und
Figur 3 ein zweites Aus führungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems, wobei hier lediglich der fluidbetätigte Drehantrieb des Antriebssystems mit Stellungserfassungseinrichtung gezeigt ist.
Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems 80, das im gezeigten Beispielsfall als Prozessventilbaueinheit dargestellt ist.
Das Antriebssystem 80 besitzt eine Ventilarmatur, das ein Armaturengehäuse 81 aufweist, das von einem Mediumkanal 82 durchsetzt ist, der von flüssigem oder gasförmigem Prozessmedium durchströmbar ist. Das Armaturengehäuse 81 besitzt einenends einen ersten Führungsanschluss 31a und andernends einen zweiten Führungsanschluss, über die die Ventilarmatur 24 mit einer von Prozessmedium durchströmten Rohrleitung verbunden werden kann.
Ein wesentliches Element der Ventilarmatur 24 ist ein Ventilglied, das im Beispielsfall als Kugelhahn (nicht dargestellt) ausgebildet ist. Der Kugelhahn besitzt eine Durchgangsöffnung, die in einer Öffnungsstellung mit dem Mediumkanal 82 fluchtet, sodass Prozessmedium die Ventilarmatur 24 passieren kann. In der insbesondere um 90° gegenüber der Öffnungsstellung verdrehten Schließstellung des Kugelhahns ist der Durchgang durch den Mediumkanal 82 abgesperrt. Es ist selbstverständlich möglich, auch andere, von einem Kugelhahn verschiedene Ventilglieder zu verwenden, beispielsweise einen
Kükenhahn oder dergleichen. Jedenfalls lässt sich das Ventilglied zwischen wenigsten einer Öffnungs- und einer Schließstellung bewegen.
Das Ventilglied ist mit einer Spindel (nicht dargestellt) verbunden, die aus dem Armaturengehäuse 81 senkrecht oder schräg zur Strömungsrichtung herausgeführt ist. Die Oberseite des Armaturengehäuses 81 besitzt einen beispielsweise plattenartigen Befestigungsflansch 83, an dem ein fluidbetätigter Drehantrieb 10 zur Betätigung des Ventilglieds befestigt ist.
Wie insbesondere in Figur 2 dargestellt, besitzt der Drehantrieb 10 ein insbesondere als Rohrkörper 44 ausgebildetes Gehäuse 1, das in Axialrichtung von einem Kolbenraum 11 durchsetzt ist. In dem im Beispiels fall zylindrischen Kolbenraum 11 ist eine Antriebskolbenanordnung 19 aufgenommen und beweglich geführt. Die Antriebskolbenanordnung 19 dient zum Antrieb einer um eine Drehachse drehbar gelagerte Abtriebswelle 6, die senkrecht zur Axialrichtung 26 durch den Rohrkörper 44 des Gehäuses 1 verläuft und deren axiales Ende 33 an einem oberen Wandungsabschnitt 35 aus dem Rohrkörper 44 herausgeführt ist. An dem zu dem aus dem Rohrkörper 44 herausgeführten axialen Ende 33 entgegengesetzten anderen axialen Ende 84 der Abtriebswelle 6 befindet sich eine insbesondere hülsen- förmige Kopplungsabschnitt 85 zur Kopplung der Abtriebswelle 6 mit der Spindel . Wie Figur 2 weiter zeigt, besitzt die Antriebskolbenanordnung 19 einen ersten Antriebskolben 19a und einen zweiten Antriebskolben 19b, die den Kolbenraum in eine erste und zweite Arbeitskammer IIa, IIb unterteilen. Die beiden Antriebskolben 19a, 19b sind koaxial zueinander angeordnet und umfassen jeweils hier nicht gezeigte, in Axialrichtung ausgerichtete Zahnstangen, die mit einem an der Abtriebswelle 6 angeordneten Abtriebsritzel 29 in kämmendem Eingriff stehen, um eine Linearbewegung der Antriebskolben 19a und 19b in eine Drehbewegung der Abtriebswelle 6 umzusetzen. Insbesondere sind dabei die Zahnstangen an entgegengesetzten Seiten der
Abtriebswelle 6 angeordnet, sodass gegenläufige Linearbewegungen der Antriebskolben 19a und 19b in jeweilige Drehbewegungen der Abtriebswelle 6 umgesetzt werden. So dreht sich die Abtriebswelle 6 in einer ersten Drehrichtung, wenn die Antriebskolben 19a, 19b aufeinander zulaufen, und in einer zweiten Drehrichtung, wenn sich die Antriebskolben 19a und 19b voneinander wegbewegen. Alternativ zu der Anordnung aus Zahnstangen und Abtriebsritzel 29 kann auch eine Hebel- Schwinge ( Scotch-Yoke ) verwendet werden, um die Linearbewegung der Antriebskolbenanordnung 19 in eine Drehbewegung der Abtriebswelle 6 umzusetzen.
Wie bereits erwähnt, unterteilen die Antriebskolben 19a und 19b den Kolbenraum 11 in zwei Arbeitskammer IIa und IIb. Die erste Kammer IIa ist zweigeteilt und befindet sich zwischen dem ersten Antriebskolben 19a und einer Trennwand 13 als stirnseitigen Abschluss sowie zwischen dem zweiten Antriebskolben 19b und dem rückseitigen Abschluss des Kolbenraums 11. Die zweite Arbeitskammer IIb befindet sich zwischen dem ersten Antriebskolben 19a und den zweiten Antriebskolben 19b.
Wie insbesondere in Figur 2 gezeigt, weist das Gehäuse 1 ferner an einem axialen Ende 2 - d.h. an einem Ende des Gehäuses 1 in Axialrichtung 26 - eine zum Kolbenraum 11 hin offene Stirnseite 3 mit wenigstens einem zur Anbringung eines
Gehäusedeckels 4 geeigneten Befestigungsabschnitt 5 auf.
Das Antriebssystem 80 umfasst ferner eine Steuerventileinrichtung 86, über die die Arbeitskammern IIa, IIb mit unter einem Systemdruck stehenden Druckfluid, insbesondere Druckluft beaufschlagbar sind, sodass die Antriebskolbenanordnung 19 je nach Fluiddruckbeaufschlagung der einen oder der anderen Arbeitskammer IIa, IIb in eine erste oder eine zweite Endstellung 87a, 87b bewegbar sind. Im gezeigten Beispielsfall mit den beiden Antriebskolben 19a, 19b sind beide Antriebskolben bei Fluiddruckbeaufschlagung der ersten Arbeitskammer IIa aufeinander zu bewegbar und fahren gemeinsam in jeweils ihre erste Endstellung 87a ein. Bei Fluiddruckbeauf- schlagung der zweiten Arbeitskammer IIb bewegen sich die Antriebskolben 19a, 19b gegensinnig und fahren gemeinsam in ihre zweite Endstellung 87b.
Die Steuerventileinrichtung 86 umfasst im Beispiels fall ein bistabiles Steuerventil 88, das in einer an dem Befestigungsabschnitt 5 des Gehäuses angesetzten Funktionsmodulanordnung 7 untergebracht ist. Dabei ist das Steuerventil 88 auf einem Sockel 89 befestigt, der seinerseits an der Trennwand 13 sitzt, die das gezeigte Funktionsmodul 17 der Funktionsmodulanordnung 7 in einen Kolbenraumabschnitt 12 und einen Modulraum 21 unterteilt. Das Steuerventil 88 ist über entsprechende modulseitige und gehäuseseitige Arbeitskanäle mit den beiden Arbeitskammern IIa, IIb verbunden.
Das Antriebssystem 80 umfasst ferner eine Stellungserfas- sungseinrichtung 90 zur Erfassung der Endstellungen 87a, 87b der Antriebskolbenanordnung 19, insbesondere der gleichzeitig eingenommenen ersten oder zweiten Endstellungen 87a, 87b der beiden Antriebskolben 19a, 19b. Die Stellungserfassungsein- richtung 90 weist eine Magnetanordnung 34 und einen Stellungsrückmelder 36 auf. Die Magnetanordnung 34 erzeugt ein Magnetfeld, das beim Erreichen einer der Endstellungen 87a, 87b vom Stellungsrückmelder 36 erfasst werden kann, der ein der betreffenden Endstellung 87a, 87b zugeordnete Stellsignal erzeugt .
Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel des Antriebssystems 80 befindet sich die Magnetanordnung 34, insbesondere Magnetstäbe der Magnetanordnung 34 im ersten und zweiten Antriebskolben 19a, 19b, während der Stellungsrückmelder 36, der beispielsweise als Hall-Sensor ausgebildet ist, an Endanschlägen, die beispielsweise von außen verstellbar sind, zur Einstellung der Endstellungen 87a, 87b sitzt.
Das Antriebssystem 80 umfasst ferner eine elektronische Steuereinrichtung 91 zur Ansteuerung der Steuerventileinrichtung 86. Von der Stellungserfassungseinrichtung 90 erzeugte Stellungssignale sind insbesondere drahtlos an die elektronische Steuereinrichtung 91 übermittelbar, die wiederum die Steuerventileinrichtung 86 ansteuert. Die elektronische Steuereinrichtung 91 verfügt über elektronische Steuermittel 92, die derart ausgebildet sind, dass die Steuerventileinrichtung 86 so schaltbar ist, dass die mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer 19a, 19b entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck in der Arbeitskammer 19a, 19b aufbaut, wenn die Stellungserfassungseinrichtung 90 eine der Endstellungen 87a, 87b erfasst .
Wie insbesondere in Figur 2 gezeigt, befindet sich die elektronische Steuereinrichtung 91 mit ihren Steuermitteln eben- falls im Funktionsmodul 17, beispielsweise im Modulraum 21 neben dem Steuerventil 88 angeordnet.
Die Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Antriebssystems 80. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Stellungserfassungseinrich- tung 90 mit der Magnetanordnung 34 und dem Stellungsrückmelder 36 an anderer Stelle als beim ersten Ausführungsbeispiel positioniert sind.
Gemäß zweitem Ausführungsbeispiel ist der Stellungsrückmelder 36 in den oberen Wandabschnitt 35 des Rohrkörpers 44 des Gehäuses 1 eingesetzt, während die Magnetanordnung 34 an dem axialen Ende der Abtriebswelle 6 angeordnet ist und eine Drehbewegung der Abtriebswelle 6 aufnimmt. Beispielsweise ist der Stellungsrückmelder 36 in einer in dem oberen Wandungsabschnitt 35 des Rohrkörpers 44 ausgebildeten Aufnähmekämmer 38 eingesetzt, die zu einer Stirnseite 3 und/oder einer Längsseite 46 des Rohrkörpers 44 offen ist.
Wie insbesondere in den Figuren 1 und 3 dargestellt, ist am oberen axialen Ende 33 der Abtriebswelle 6 ein Stellungsanzeiger 23 befestigt, der eine Markierung in Form eines bügelartigen Anzeigeelements 39 besitzt, der in der in Figur 1 und 3 gezeigten Stellung die Schließstellung des Ventilglieds und in einer um 90° hiervon gedrehten Stellung die Öffnungsstellung des Ventilglieds anzeigt.
Ein Verfahren zum Betreiben des fluidbetätigten Drehantriebs 10, der Bestandteil des zuvor beschriebenen Antriebssystems 80 ist, läuft folgendermaßen ab: Zunächst befindet sich das Ventilglied, insbesondere der Kugelhahn in der Schließstellung, die durch den Stellungsanzeiger 23 mit dem bügelartigen Anzeigeelement 39 angezeigt ist. Um das Ventilglied, beispielsweise den Kugelhahn in die Öffnungsstellung zu bewegen und somit den Fluiddurchgang durch den Mediumkanal 82 freizugeben, wird die zweite Arbeitskammer IIb zwischen den beiden Antriebskolben 19a, 19b über einen entsprechenden Schaltvorgang des Steuerventils belüftet. Damit gelangt Druckfluid in die zweite Arbeitskammer IIb und veranlasst die beiden Antriebskolben 19a, 19b eine gegensinnige Bewegung in Richtung ihrer jeweiligen zweiten Endstellung 87b auszuführen. Die gegensinnigen Linearbewegungen der Antriebskolben 19a, 19b werden über die Zahnstangen der Antriebskolben 19a, 19b auf das Abtriebsritzel 29 übertragen, das in Rotationsbewegung versetzt wird. Dadurch wird die angekoppelte Spindel ebenfalls in Rotationsbewegung versetzt und überträgt diese Rotationsbewegung auf das angekoppelte Ventilglied, beispielsweise den Kugelhahn.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die beiden gegensinnig fahrenden Antriebskolben 19a, 19b bereits bei einem insbesondere deutlich unter dem Systemdruck von 5,5 bis 6 bar liegenden Betätigungsdruck, beispielsweise im Bereich von 2 bis 3bar in die Endstellungen 87b einfahren, wodurch sich das Ventilglied auch in die Offenstellung bewegt hat. Im Falle eines Kugelhahns fluchtet der Durchgangskanal am Kugelhahn mit dem Mediumkanal, wodurch der Mediumkanal für das Prozessmedium freigegeben wird. Vom Prozessmedium wird dabei keine Gegenkraft auf den Kugelhahn ausgeübt.
Sobald die beiden gegensinnig fahrenden Antriebskolben 19a, 19b ihre jeweilige Endlage 87b erreichen, wird diese Endlage 87b über das in den Einflussbereich des Stellungsrückmelders 36 gelangenden Magnetfeld der Magnetanordnung 34 detektiert und es wird ein Stellungssignal an die elektronische Steuereinrichtung 91 übermittelt. Das Stellungssignal wird über die Steuermittel verarbeitet und anschließend wird die Steuerventileinrichtung 86 angesteuert, sodass die Steuerventileinrichtung 86 so schaltet, dass die mit Fluiddruck
beaufschlagte zweite Arbeitskammer IIb entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck von insbesondere 5,5 bar bis 6 bar aufbaut. Da der Systemdruck gar nicht notwendig ist, um das angekoppelte Ventilglied zwischen der Öffnungs- und Schließstellung zu bewegen, wird hier eine Art Sparschaltung geschaffen, mit der Druckfluid, insbesondere Druckluft eingespart werden kann. Somit ist das Antriebssystem kostengünstiger zu betreiben als herkömmliche Antriebssysteme.

Claims

Ansprüche
1. Antriebssystem, mit einem fluidbetätigten Drehantrieb
(10), der ein Gehäuse (1), mit einem Kolbenraum (11) aufweist, in dem eine Antriebskolbenanordnung (19) zum Antrieb einer drehbar gelagerten Abtriebswelle (6) angeordnet ist, wobei die Antriebskolbenanordnung (19) den Kolbenraum (11) in wenigstens zwei Arbeitskammern (IIa, IIb) unterteilt, die über eine Steuerventileinrichtung (86) mit unter einem Systemdruck stehenden Druckfluid
beaufschlagbar sind, sodass die Antriebskolbenanordnung (19) je nach Fluiddruckbeaufschlagung der einen oder der anderen Arbeitskammer (IIa, IIb) in eine erste oder eine zweite Endstellung (87a, 87b) bewegbar ist, und mit einer Stellungserfassungseinrichtung (90) zur Erfassung der Endstellungen (87a, 87b) und Bereitstellung von den Endstellungen (87a, 87b) zugeordneten Stellungssignalen, die an eine zugeordnete elektronische Steuereinrichtung (91) zur Ansteuerung der Steuerventileinrichtung (86)
übermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (91) über elektronische Steuermittel (92) verfügt, die derart ausgebildet sind, dass die Steuerventileinrichtung (86) so schaltbar ist, dass die mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer (IIa, IIb) entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck in der Arbeitskammer (IIa, IIb) aufbaut, wenn die Stellungser- fassungseinrichtung (90) eine der Endstellungen (87a, 87b) erfasst.
2. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl in der einen als auch in der anderen Endstellung (87a, 87b) der Antriebskolbenanordnung (19) eine Endlüftung der zugeordneten mit Fluiddruck beaufschlagten Arbeitskammer (IIa, IIb) stattfindet.
3. Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (91) und der fluidbetätigte Drehantrieb (10) zu einer Baugrup pe zusammengefasst sind.
4. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektronische Steu ereinrichtung (91) an Bord des fluidbetätigten Drehantriebs (10) befindet.
5. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellungserfassungsein- richtung (90) eine ein Magnetfeld erzeugende Magnetanord nung (34) und einen beim Erreichen einer der Endstellungen (87a, 87b) das Magnetfeld erfassenden Stellungsrückmelder (36) zur Erzeugung des eine der Endstellungen (87a, 87b) zugeordneten Stellungssignals aufweist.
6. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetanordnung (34) und Stellungsrückmelder (36) gemeinsam einen Endstellungsschalter bilden.
7. Antriebssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (34) an der Antriebskolbenanordnung (19) und der Stellungsrückmelder (36) am Gehäuse (1) des Drehantriebs (10) angeordnet sind.
8. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (34) an einem axialen aus dem Gehäuse herausgeführten Ende (33) der Abtriebswelle (6) angeordnet ist und somit die Drehbewegung der Abtriebswelle (6) aufnimmt und sich der Stellungsrückmelder (36) an einer Oberseite des Gehäuses (1) befindet .
9. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerventileinrichtung (86) und fluidbetätigter Drehantrieb (10) zu einer Baugruppe zusammengefasst sind.
10. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) des Drehantriebs (10) einen Befestigungsabschnitt (5) aufweist, an dem eine Funktionsmodulanordnung (7) befestigt ist, in der die elektronische Steuereinrichtung (91) und/oder die Steuerventileinrichtung (86) aufgenommen sind.
11. Antriebssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt (5) an einer Stirnseite (3) des Gehäuses (1) ausgebildet ist.
12. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von Prozessmedium
durchströmbare Ventilarmatur (24), mit einem im Prozessmedium angeordneten Ventilglied, das über den an die Ventilarmatur (24) angekoppelten Drehantrieb (10) in verschiedene Ventilstellungen positionierbar ist.
13. Verfahren zum Betreiben eines fluidbetätigten Drehantriebs (10), der ein Gehäuse (1) mit einem Kolbenraum
(11) aufweist, in dem eine Antriebskolbenanordnung (19) zum Antrieb einer drehbar gelagerten Abtriebswelle (6) angeordnet ist, wobei die Antriebskolbenanordnung (19) den Kolbenraum (11) in wenigstens zwei Arbeitskammern
(IIa, IIb) unterteilt, die über eine Steuerventileinrichtung (86) mit unter einem Systemdruck stehenden Druck- fluid beaufschlagbar sind, das Verfahren mit folgenden Schritten : Beaufschlagen einer der beiden Arbeitskämmern (IIa, IIb) mit Fluiddruck, wodurch die Arbeitskolbenanordnung (19) in Richtung einer von zwei Endstellungen (87a, 87b) bewirkt wird,
Erfassen der betreffenden Endstellungen (87a, 87b) mittels einer Stellungserfassungseinrichtung (90) und Bereitstellung eines der Endstellungen zugeordneten Stellungssignals sowie Übermittlung des Stellungssignals an eine elektronische Steuereinrichtung (91),
Ansteuerung der Steuerventileinrichtung (86) durch die elektronische Steuereinrichtung (91), sodass die Steuerventileinrichtung (86) so schaltet, dass die mit Fluiddruck beaufschlagte Arbeitskammer (IIa, IIb) entlüftet wird, bevor sich der Systemdruck aufbaut.
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