DE102024111816A1

DE102024111816A1 - Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems und pneumatisches System für die Industrieautomation

Info

Publication number: DE102024111816A1
Application number: DE102024111816.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Klassen; Marco Schmidt; Michael Bidmon; Werner Alber
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2024-04-26
Filing date: 2024-04-26
Publication date: 2025-10-30
Also published as: WO2025224145A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems 11 für die Industrieautomation, das wenigstens einen pneumatischen Aktor (14) und eine Regelungseinrichtung (13) zur Regelung einer Bewegung eines Aktorglieds (27) des wenigstens einen pneumatischen Aktors 14 über einen Verfahrhub von einer Endlage (30) in eine zweite Endlage (31) und/oder von der zweiten Endlage (31) in die erste Endlage (30) aufweist, umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- kontinuierliches Messen einer Position des Aktorglieds (27) mittels einer Positionsmesseinrichtung (37), die eine einem ersten Teilhub (h₁) des Verfahrhubs (H) des Aktorglieds (27) zugeordnete erste Positionsmesseinheit (38a) und eine einem zweiten Teilhub (h₂) des Verfahrhubs (H) zugeordnete zweite Positionsmesseinheit (38b) umfasst, wobei je nach Position des Aktorglieds (27) entweder mit der ersten oder der zweiten Positionsmesseinheit (38a, 38b) gemessen und zwischen den Teilhüben (h₁, h₂) nicht gemessen wird,
- Bereitstellen der gemessenen Position als Ist-Positionssignal an die Regelungseinrichtung (13),
- Durchführung einer Positionsregelung auf Basis des mit der Positionsmesseinrichtung (37) erfassten Ist-Positionssignals.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation und ein pneumatisches System für die Industrieautomation.
Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems zur Industrieautomation sowie pneumatische Systeme für die Industrieautomation finden in vielen Bereichen Anwendung.
So ist beispielsweise der Anwendungsbereich Wafer-Herstellung zu nennen, wo in der Regel eine Vielzahl pneumatischer Aktoren zum Einsatz kommt, um damit unterschiedliche Arten von Stellgliedern zu bewegen, beispielsweise sogenannte Schieberventile, die zum Öffnen oder Schließen eines Durchgangs (Gate) zu eine Bearbeitungskammer für die Wafer-Bearbeitung dienen. Insgesamt werden bei der Wafer-Herstellung hohe Anforderungen an den Betrieb der pneumatischen Systeme gestellt, wobei hier beispielsweise die Minimierung von Erschütterungen beim Betrieb der Schieberventile zu nennen ist. Darüber hinaus soll die Sensorik zum Betrieb des pneumatischen Systems einfach und zuverlässig aufgebaut sein.
Jedoch sind derartige pneumatische Systeme nicht nur für die Wafer-Produktion geeignet sondern allgemein für das Gebiet der Industrieautomation. Je nach Anwendungsbereich ergeben sich für das pneumatische System unterschiedliche Anforderungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems und ein pneumatisches System bereit zu stellen, das gegenüber herkömmlichen Verfahren beziehungsweise Systemen verbessert ist, um damit insbesondere den Anforderungen bei der Halbleiter-, insbesondere Wafer-Produktion gerecht zu werden.
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch ein pneumatisches System für die Industrieautomation mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Bei dem Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation sind wenigstens ein pneumatischer Aktor und eine Regelungseinrichtung zur Regelung einer Bewegung eines Aktorglieds des wenigstens einen pneumatischen Aktors über einen Verfahrhub von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage und/oder von der zweiten Endlage in die erste Endlage vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Messen einer Position des Aktorglieds mittels einer Positionsmesseinrichtung, die eine einem ersten Teilhub des Verfahrhubs des Aktorglieds zugeordnete ersten Positionsmesseinheit und eine einem zweiten Teilhub des Verfahrhubs zugeordnete zweite Positionsmesseinheit umfasst, wobei je nach Position des Aktorglieds entweder mit der ersten oder der zweiten Positionsmesseinheit gemessen und zwischen den Teilhüben keine Positionsmessung stattfindet,
- Bereitstellen der gemessenen Position als Ist-Positionssignale an die Regelungseinrichtung,
- Durchführung einer Positionsregelung auf Basis des mit der Positionsmesseinrichtung erfassen Ist-Positionssignals.

Das Erfindungsgemäße pneumatische System, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1, umfasst wenigstens einen pneumatischen Aktor, mit einem Aktorglied, eine Regelungseinrichtung zur Regelung einer Bewegung des Aktorglieds über einen Verfahrhub von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage und/oder von der zweiten Endlage in die erste Endlage und mit einer Positionsmesseinrichtung, die eine einem ersten Teilhub des Verfahrhub des Aktorglied zugeordnete erste Positionsmesseinheit und eine einem zweiten Teilhub des Verfahrhubs zugeordnete zweite Positionsmesseinheit umfasst, wobei je nach Position des Aktorglieds eine Positionsmessung entweder mit der ersten oder der zweiten Positionsmesseinheit durchführbar ist und zwischen den Teilhüben eine bezüglich einer Positionsmessung messfreie Hubstrecke liegt.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass die Positionsmessung mittels der Positionsmesseinheiten der Positionsmesseinrichtung nicht kontinuierlich über den kompletten Verfahrhub des Aktorglieds erfolgt, sondern diskontinuierlich an ausgewählten Stellen entlang des Verfahrhubs, und zwar innerhalb bestimmter Teilhübe. Zwischen den Teilhüben liegt demnach eine bezüglich einer Positionsmessung messfreie Hubstrecke. Im Vergleich zu herkömmlichen pneumatischen Systemen, bei denen insbesondere kontinuierlich über den gesamten Verfahrhub gemessen wird und es damit einer Messanordnung bedarf, die den gesamten Verfahrhub abdeckt, beispielsweise ein sich über den gesamten Verfahrhub erstreckender beispielsweise optisch abzutastender Maßstab, sind die erfindungsgemäßen Positionsmesseinheiten einfacher, beispielsweise kürzer ausgestaltet und sind damit kostengünstiger.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Positionsmesseinheiten jeweils als kontinuierliche Positionsmesseinheiten ausgebildet zur kontinuierlichen Positionsmessung über die jeweils zugeordneten Teilhübe. Die Positionsmesseinheiten sind also nicht als Positionsschalter ausgestaltet, die jeweils nur eine diskrete Position, beispielsweise Endposition, detektieren können, sondern es kann eine Positionsmessung kontinuierlich über die Teilhübe erfolgen.
Besonders bevorzugt wird bei der Bewegung des Aktorglieds von der ersten Endlage in die zweite Endlage zunächst über den ersten Teilhub mit der ersten Positionsmesseinheit kontinuierlich die Position des Aktorglieds gemessen, anschließend erfolgt über eine bestimmte Hubstrecke keine Positionsmessung und dann wird über den zweiten Teilhub mit der zweiten Positionsmesseinheit kontinuierlich die Position des Aktorglieds gemessen. Bei der Rückbewegung des Aktorglieds von der zweiten Endlage in die erste Endlage können die Positionsmessungen in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.
Die Positionsmesseinheiten können beispielsweise als kontinuierliche Positionsmesssensoren ausgebildet sein.
In besonders bevorzugter Weise weist die erste Positionsmesseinheit ein erstes Außengehäuse auf, während die zweite Positionsmesseinheit ein separat von dem ersten Außengehäuse ausgebildetes zweites Außengehäuse aufweist. Zweckmäßigerweise sind die Positionsmesseinheiten also separat voneinander ausgebildete Bauteile der Positionsmesseinrichtung.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Druckmesseinheit, insbesondere in Form eines Drucksensors vorgesehen, über die der Ist-Druck in wenigstens einer Druckkammer des pneumatischen Aktors gemessen und an die Regelungseinrichtung in Form eines Ist-Drucksignals übermittelt werden kann.
Es ist möglich, dass der Regelungseinrichtung Soll-Positionswerte des Aktorglieds innerhalb der Teilhübe vorgegeben werden oder die Regelungseinrichtung Soll-Positionswerte aus Referenzwerten berechnet. Die Soll-Positionswerte können beispielsweise in Form einer Trajektorie oder Bahnkurve vorliegen. Die Soll-Positionen des Aktorglieds können dann mit tatsächlich über die Positionsmesseinheiten gemessenen Ist-Positionen innerhalb der Teilhübe verglichen werden. Es ist möglich der Positionsregelung innerhalb der Teilhübe eine Druckregelung unterzuordnen, die zweckmäßigerweise über den gesamten Verfahrhub aktiv ist. Alternativ wäre jedoch auch eine Positionsregelung ohne untergeordnete Druckregelung möglich, beispielsweise könnten Druckwerte abgeschätzt werden.
In besonders bevorzugter Weise wird daher in den Teilhüben eine Positionsregelung durchgeführt, während zwischen den Teilhüben, wo keine Positionsmessung stattfindet von der Positionsregelung auf einen Positionssteuerung gewechselt wird.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind der erste und/oder der zweite Teilhub einer der Endlagen des Aktorglieds zugeordnet. Es ist also beispielsweise möglich, dass der erste Teilhub der ersten Endlage und der zweite Teilhub der zweiten Endlage des Aktorglieds zugeordnet sind. In diesem Fall können also die Positionsmesseinheiten die Position im Bereich der Endlagen messen. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass die Teilhübe, in denen gemessen wird, nicht den Endlagen entsprechen oder als naheliegende Alternative einer der Teilhübe einer der Endlagen zugeordnet ist, während der andere Teilhub keiner der beiden Endlagen zugeordnet ist, beispielsweise ungefähr in der Mitte des Verfahrhubs liegt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das pneumatische System ein Schieberventil auf, wobei der Schieberventil ein Ventilglied aufweist, das mit dem Aktorglied des pneumatischen Aktors verbunden ist und durch die Bewegung des Aktorglieds mitbewegt wird, und wobei das Schieberventil eine Öffnung zum Durchlass eines Wafers aufweist, die durch das Ventilglied geöffnet oder geschlossen werden kann.
In besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei dem pneumatischen Aktor um einen einfach- oder doppeltwirkenden Pneumatikzylinder.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen pneumatischen Systems mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist,
2 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation,
3 eine schematische Darstellung einer Wafer-Bearbeitungsanlage, die mehrere pneumatische Systeme gemäß 1 aufweist und
4 eine schematische Darstellung eines Teils des pneumatischen Systems von 1, wobei eine Ausführungsform eines Schieberventils gezeigt ist, das sich in einer deaktivierten Stellung (links) und in einer aktivierten Stellung (rechts) befindet.

Die 1 zeigt einen bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen pneumatischen Systems 11, das hier beispielhaft für die Anwendung in einer Wafer-Bearbeitungsanlage 12 gezeigt und geschrieben ist. Selbstverständlich ist es möglich, das pneumatische System 11 auch in anderen Bereichen der Industrieautomation einzusetzen. Der Einsatz in einer Wafer-Bearbeitungsanlage 12 ist also rein beispielhaft.
Wie insbesondere in 1 gezeigt, besitzt das pneumatische System eine Regelungseinrichtung 13, der wenigstens ein pneumatischer Aktor 14 zugeordnet ist.
Wie insbesondere in 3 gezeigt, kann das pneumatische System 11 in einer Wafer-Bearbeitungsanlage 12 eingesetzt werden. In diesem Fall sind der Regelungseinrichtung 13 mehrere pneumatische Aktoren 14 zugeordnet.
Der Aufbau einer derartigen Wafer-Bearbeitungsanlage 12 ist in der 3 rein schematisch und beispielhaft gezeigt.
Die Wafer-Bearbeitungsanlage 12 besitzt einen Verteilerraum 15 und mehrere um den Verteilerraum herum gruppierte Bearbeitungsräume 16, in denen jeweils verschiedene Bearbeitungsprozesse an den dort zu bearbeitenden Wafern stattfinden.
Im Verteilerraum 15, der in der 3 in Draufsicht gezeigt ist und eine Horizontalebene aufweist, die durch die x-Achsrichtung 17 und die y-Achsrichtung 18 eines durch drei Koordinaten x, y, z aufgespannten kartesischen Koordinatensystems gebildet ist, befindet sich in der Regel eine Handling-Einheit, beispielsweise in Form eines Roboters, der zu bearbeitende Wafer in die angrenzenden zugeordneten Bearbeitungsräume 16 einbringt und bearbeitete Wafer nach der Bearbeitung aus den Bearbeitungsräumen 16 ausbringt.
Zwischen dem Verteilerraum 15 und den angrenzenden Bearbeitungsräumen 16 befinden sich Durchgänge, denen jeweils Schieberventile 20, wie sie beispielsweise in den 1 und 4 gezeigt sind, zugeordnet sind.
Wie insbesondere in 1 gezeigt, besitzt der Bearbeitungsraum 16 exemplarisch eine rechteckige Grundform und erstreckt sich in einer Höhenrichtung, die auch als z-Achsrichtung 19 bezeichnet werden kann, in einer zur Höhenrichtung senkrechten Querrichtung, die auch als x-Achsrichtung 17 bezeichnet werden kann, und in einer Breitenrichtung, die auch als y-Achsrichtung 18 bezeichenbar ist. Der Bearbeitungsraum 16 beziehungsweise die Bearbeitungskammer besitzt eine Bearbeitungsraumöffnung 21, die mittels des Schieberventils 20 verschlossen werden kann, um den Bearbeitungsraum 16 gegenüber der Umgebung zu verschließen. In der Regel herrscht im Bearbeitungsraum 16 ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks.
Wie ferner in 1 gezeigt, besitzt das Schieberventil 20 ein Ventilgehäuse 22, in dem wenigstens eine Öffnung 23 zum Durchlass des Wafers ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann das Ventilgehäuse 22 auch mit dem Gehäuse des Bearbeitungsraumes 16 einstückig verbunden sein, sodass die Bearbeitungsraumöffnung 21 der Öffnung 23 entspricht. Im gezeigten Beispielsfall ist das Ventilgehäuse 22 jedoch ein Anbauteil und die Öffnung 23 des Ventilgehäuses 22 des Schieberventils 20 fluchtet mit der Bearbeitungsraumöffnung 21.
Gegebenenfalls kann das Ventilgehäuse 22 eine weitere, insbesondere dem Verteilerraum 15 zugeordnete Öffnung 24 aufweisen, die mit der ersten Öffnung 23 fluchtet.
Ein wesentliches Element des Schieberventils 20 ist ein pneumatischer Aktor 25, der demnach auch als Ventilantrieb bezeichnet werden könnte.
Der pneumatische Aktor 25 ist in den Figuren, insbesondere in den 1 und 4 beispielhaft in Form eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders dargestellt.
Im gezeigten Beispielsfall besitzt der pneumatische Aktor 25 also ein Zylindergehäuse 26, in dem ein Aktorglied 27 in Form eines Kolbens beweglich geführt ist.
Das Aktorglied 27 unterteilt den Innenraum 28 des Zylindergehäuses in zwei Druckkammern 29a, 29b, die alternativ auch als Arbeitskammern bezeichnet werden können. In die Druckkammern 29a, 29b ist wahlweise Druckfluid in Form von Druckluft zu- oder abführbar, um das Aktorglied 27 von einer ersten Endlage 30 in eine zweite Endlage 31 und umgekehrt von der zweiten Endlage 31 in die erste Endlage 30 zu bewegen. Das Aktorglied 27 in Form des Kolbens ist mit einer aus dem Zylindergehäuse 26 herausgeführten Kolbenstange 32 verbunden, an deren freien Ende ein Ventilglied 33 in Form eines Schieberelements befestigt ist.
Das Ventilglied 33, also im gezeigten Beispielsfall das Schieberelement, ist der ersten Öffnung 23 zugeordnet, die sich mit dem Ventilglied wahlweise öffnen oder schließen lässt, wobei die Öffnungs- und Schließbewegung durch die Bewegung des Aktorglied in Folge der Druckbeaufschlagung der einen oder anderen Druckkammer 29a, 29b erfolgt.
Für ein möglichst dichtes Verschließen der ersten Öffnung 23 verfügt das Ventilglied 33 an seiner der Öffnung 23 zugewandten Seite über ein umlaufendes, insbesondere gummielastisches, Dichtelement 34.
Wie insbesondere die Zusammenschau der 4 zeigt, ist das Schieberventil 20 zwischen einem deaktivierten Zustand, in der sich das Ventilglied 33 in einer Bereitschaftsposition 35 befindet, in der die Öffnung 23 geöffnet ist und einem aktivierten Zustand, in der das Ventilglied 33 in einer Schließposition 36 ist, in der die Öffnung 23 fluiddicht verschlossen ist, betreibbar.
Das pneumatische System 11 besitzt ferner eine Positionsmesseinrichtung 37 zur Messung der Position des Aktorglieds 27 bei seiner Bewegung, also beispielsweise der Position des Kolbens im Zylindergehäuse.
Wie bereits erwähnt ist das Aktorglied 27 zwischen der ersten und der zweiten Endlage 30, 31 bewegbar und legt somit einen Verfahrhub H zurück. Die Besonderheit hier ist, dass die Position des Aktorglieds 27 nicht über den gesamten Verfahrhub kontinuierlich gemessen wird, sondern lediglich über zwei Teilhübe h₁, h₂. Hierzu besitzt die Positionsmesseinrichtung 37 eine erste Positionsmesseinheit 38a, die die Position des Aktorglieds 27 innerhalb des ersten Teilhubs h₁ misst und eine zweite Positionsmesseinheit 38b, die die Position des Aktorglieds 27 innerhalb des zweiten Teilhubs h₂ misst. Die Positionsmesseinheiten 38a, 38b sind jeweils zweckmäßigerweise als Positionssensoren ausgestaltet und sind in der Lage Ist-Positionssignale an die Regelungseinrichtung 13 zu übermitteln.
Im gezeigten Beispielsfall befinden sich die Teilhübe h₁, h₂, innerhalb der eine Positionsmessung stattfindet, im Bereich der Endlagen 30, 31 des Aktorglieds 27. Demnach sind die beiden Positionsmesseinheiten 38a, 38b im Bereich der Endlagen 30, 31 des Aktorglieds 27 angeordnet, beispielsweise dort an der Außenwand des Zylindergehäuses 26 befestigt. Es ist noch einmal darauf hinzuweisen, dass die Teilhübe h₁, h₂, innerhalb der eine Positionsmessung stattfindet, nicht zwangsläufig im Bereich der Endlagen 30, 31 liegen sondern es ist durchaus auch möglich, dass einer der Teilhübe im Bereich der Endlagen 30, 31 und ein anderer Teilhub beispielsweise im mittleren Bereich des Verfahrhubs liegt.
Die Festlegung der Teilhübe h₁, h₂, innerhalb der gemessen wird, hängt maßgeblich von der Art und Ausgestaltung des Schieberventils 20 ab. Die hier beispielhaft dargestellte Funktionsweise des Schieberventils 20 basiert auf einer rein linearen Bewegung des Ventilglieds 33 zwischen der Bereitschaftsposition 35 und der Schließposition 36, womit das Schieberventil 20 in diesem Fall auch als „I-Motion-Schieberventil“ bezeichnet werden kann.
Alternativ kann das Schieberventil in nicht dargestellten Ausführungsformen auch derart ausgestaltet sein, dass das Ventilglied 33 sowohl eine Vertikal- als auch eine Horizontalbewegung zwischen der Bereitschaftsposition und der Schließposition durchführt. Bei diesen Arten von Schieberventilen können die Teilhübe auch anders als den Endlagen 30, 31 zugehörig angeordnet sein.
Das pneumatische System 11 umfasst ferner eine Druckmesseinrichtung 39 zum Messen eine Ist-Drucks in wenigstens einer Druckkammer 29a, 29b des pneumatischen Aktors und Übermittlung des Ist-Drucks in Form eines Ist-Drucksignals an die Regelsungseinrichtung 13. Im gezeigten Beispielsfall umfasst die Druckmesseinrichtung 39 zwei Druckmesseinheiten 40a, 40b, die vorzugsweise als Drucksensoren ausgebildet sind.
Es ist möglich, dass die Drucksensoren jeweils den Druckkammern 29a, 29b zugeordnet sind, beispielsweise in den jeweiligen Druckkammern 29a, 29b verbaut sind. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Druckmesseinrichtung 37 an Bord einer Steuerventileinrichtung (nicht dargestellt) ist, die ihrerseits mehrere Steuerventile zur fluidischen Ansteuerung der zugeordneten pneumatischen Aktoren 25 umfassen.
Zweckmäßigerweise sind die Steuerventile jeweils als Proportionalventile ausgebildet, die die erforderliche Regelgüte aufweisen. Insbesondere Piezoventile eignen sich besonders als Proportionalventile. Dabei wird in der Regel wenigstens ein Piezobieger als Ventilglied verwendet.
Besonders bevorzugt ist die Steuerventileinrichtung als Ventilinsel oder Ventilbatterie ausgebildet, mit einer einstückigen oder mehrteiligen Grundplatte, die als Fluidverteiler fungiert und an ihrer Oberseite eine Mehrzahl an Bestückungsplätzen für insbesondere scheibenartig ausgebildete Steuerventile oder andere Funktionseinheiten, beispielsweise Sicherheitsmodule, Schalldämpfer o.dgl. aufweist.
Die Steuerventileinrichtung, insbesondere in Form der Ventilinsel oder Ventilbatterie, kann einen Teil der Regelungseinrichtung 13 in Form eines Druckregelgeräts 13b umfassen. Das Druckregelgerät 13b kann beispielsweise mehrere in zugeordneten Kanälen beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnete Drucksensoren aufweisen.
Eine der Hauptaufgaben der Regelungseinrichtung 13, dessen Regelschema in 2 beispielhaft gezeigt ist, besteht darin, einen harten Anschlag beim Einfahren des Ventilglieds in die Schließposition 36 zu verhindern. Dadurch wird verhindert, dass es beim Einfahren in die Schließposition zu Erschütterungen kommt, die sich nachteilig auf die Wafer-Produktion auswirken können, beispielsweise in dem Partikel aufgewirbelt werden und auf die Wafer-Oberfläche gelangen können.Die Regelungseinrichtung 13 kann eine Positions-Regelgerät 13a und ein Druckregel-Gerät 13b umfassen.
Die Steuerventileinrichtung, insbesondere Ventilinsel oder Ventilbatterie, kann einen gemeinsamen Controller für das Positions-Regelgerät und das Druckregelgerät aufweisen. Jedoch kann der Controller auch separat von der Steuerventileinrichtung ausgeführt sein und über eine Schnittstelle signaltechnisch mit der Steuerventileinrichtung verbunden sein.
Bei dem der signaltechnischen Verbindung zugrundeliegenden Kommunikationssystem kann es sich bevorzugt um ein Kommunikationssystem aus der Gruppe OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture), OPC UA over TSN (Time-sensitive Networking), Buskommunikationssystem, IO Link handeln, wobei über die signaltechnische Verbindung auch eine Spannungsversorgung ermöglicht werden kann.
Das Verfahren zum Betrieb des pneumatischen Systems 11 könnte folgendermaßen ablaufen:

Zunächst befindet sich der pneumatische Aktor 14, also der doppelt wirkende Pneumatikzylinder in seinem deaktivierten Zustand. Das Ventilglied 33 befindet sich in der Bereitschaftsposition 35, das heißt die Öffnung 23 in die Bearbeitungskammer 16 ist offen. Das Aktorglied 27, also der Kolben befindet sich in seiner ersten Endlage 30, bei der es sich im gezeigten Beispielsfall um die untere Endlage 30 handelt.

Nach dem Beschicken der Bearbeitungskammer 16 besteht der Bedarf, die Öffnung 23 mit dem Ventilglied zu fluiddicht verschließen.
Zweckmäßigerweise wird der Regelungseinrichtung 13 eine Trajektorie oder Bahnkurve vorgegeben oder es wird in der Regelungseinrichtung 13 auf Basis von Positions-Referenzwerten (x_ref, 2) eine Trajektorie berechnet, die vorgibt wie sich das Aktorglied 27 zwischen der ersten Endlage 30 und der zweiten Endlage 31 bewegen soll.
Die vorgegebenen Soll-Positionen des Aktorglieds 27 werden in Drucksignale umgesetzt und entsprechend werden die beiden Druckkammern 29a, 29b mit Druckluft beaufschlagt, wobei natürlich für die Bewegung von der ersten Endlage 30 in die zweite Endlage in der ersten Druckkammer 29 ein größerer Druck als in der zweiten Kammer 29b vorherrschen muss.
Nach dem Losfahren des Aktorglieds 27 werden im Bereich des ersten Teilhubs h₁ mittels der ersten Positionsmesseinheit 38a kontinuierlich Ist-Positionswerte gemessen, die in Form von Ist-Positionssignalen an die Regelungseinrichtung 13 übermittelt werden. Gleichzeitig findet eine untergeordnete Druckregelung statt, das heißt es werden die Ist-Drücke in den Druckkammern 29a, 29b gemessen und in Form von Ist-Drucksignalen ebenfalls an die Regelungseinrichtung 13 übermittelt.
Bei Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position wird nachgeregelt, um die Abweichung in der Position zu minimieren. Das heißt, der Druck in den Druckkammern 29a, 29b wird geändert. Gleichzeitig wird auch mit der untergeordneten Druckregelung die Abweichung des Ist-Drucks vom Soll-Druck ermittelt und entsprechend ausgeregelt.
Im gezeigten Beispielsfall erfolgt der Vergleich der Ist-Position mit der Soll-Position zunächst lediglich innerhalb des ersten Teilhubs h₁, also im Bereich der ersten Endlage, wobei hier kontinuierlich gemessen wird und die Ist-Soll-Vergleiche innerhalb sehr kleiner Zeitabstände durchgeführt werden.
Die Positionsregelung innerhalb des ersten Teilhubs h₁ sorgt dafür, dass sich das Aktorglied 27 aus der ersten Endlage 30 herausbewegt und sich auf Basis der vorgegebenen Trajektorie in Richtung zweite Endlage 31 bewegt. Dabei ist es zweckmäßig, das Aktorglied 27 relativ schnell in Richtung zweite Endlage 31 zu bewegen, wobei rechtzeitig vor Erreichen der zweiten Endlage abgebremst werden muss, um ein hartes Anschlagen zu verhindern.
Charakteristisch ist bei der beschriebenen Regelung, dass zwischen den beiden Teilhüben h₁, h₂ keine Positionsregelung stattfindet, das heißt nach Verlassen des ersten Teilhubs h₁ findet zunächst einmal keine Positionsregelung statt, jedoch erfolgt eine Positionssteuerung mit der nach wie vor aktiven Druckregelung.
Erreicht das Aktorglied 27 beziehungsweise der Kolben den zweiten Teilhub h₂ im Bereich der zweiten Endlage 31 wird wiederrum kontinuierlich die Ist-Position mit Hilfe der zweiten Positionsmesseinheit 38b gemessen. Innerhalb des zweiten Teilhubs h₂ findet dann wiederum eine Positionsregelung mit untergeordneter Druckregelung statt. Wie erwähnt, besteht beim Einfahren des Aktorglieds 27 in die zweite Endlage 31 der Bedarf, die Geschwindigkeit zu verringern, damit ein hartes Anschlagen des Ventilglieds 33 in die Schließposition 36 vermieden wird.
Bei der Rückbewegung des Aktorglieds 27 aus der zweiten Endlage 31 in die erste Endlage 30 können die Positions- und Druckregelung in umgekehrter Reihenfolge stattfinden, das heißt es wird erst der zweite Teilhub h₂ durchfahren, danach die Strecke, bei der keine Positionsregelung stattfindet und danach erfolgt das Einfahren in der ersten Teilhub h₁ im Bereich der ersten Endlage 30. Auch hier kann eine Regelung derart erfolgen, dass das Einfahren in die erste Endlage 30 mit geringerer Geschwindigkeit erfolgt, um dadurch einen harten Anschlag auch in der ersten Endlage 30, also beim Einfahren des Ventilglieds 33 in die Bereitschaftsposition 35 zu verhindern.
Alternative, hier nicht dargestellte Varianten von pneumatischen Systemen könnten folgendermaßen ausgestaltet sein.
Es ist möglich, dass das Ventilglied einen kombinierten vertikalen- und horizontalen Bewegungshub durchführt. Die kann beispielsweise durch eine al L-Motion bezeichnete Bewegungsführung erfolgen, bei der zunächst der vertikale Bewegungshub, beispielsweise mit dem in 1 dargestellten doppeltwirkenden Pneumatikzylinder durchgeführt wird und anschließend der horizontale Bewegungshub mit einem weitere pneumatischen Aktor, beispielsweise ebenfalls in Gestalt eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders. Zweckmäßigerweise sitzt der weitere pneumatische Aktor an der Kolbenstange des ersten pneumatischen Aktors, wird also durch die Bewegung der Kolbenstange mitbewegt. Das Ventilglied ist zweckmäßigerweise an der Kolbenstange des weiteren pneumatischen Aktors befestigt und wird durch das Ausfahren der Kolbenstange horizontal auf die Öffnung gedrückt.
Eine weitere Alternative ist eine als J-Motion bezeichnete Bewegungsführung. Bei diesem alternativen pneumatischen System sind wieder zwei pneumatische Aktoren vorgesehen, wobei hier der zweite pneumatische Aktor zweckmäßigerweise ortsfest neben dem ersten pneumatischen Aktor angeordnet ist, der seinerseits um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist. Die Schwenkbewegung des ersten pneumatischen Aktors wird durch das Ausfahren der Kolbenstange des zweiten pneumatischen Aktors bewirkt.
Schließlich ist als weitere Alternative eine als Cam-Motion bezeichnete Bewegungsführung umsetzbar. Bei dieser Variante ist nur ein einzelner pneumatischer Aktor vorgesehen, der über eine Kulissenführung zwangsgeführt ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, das zunächst der vertikale Bewegungshub durchgeführt wird und anschließend der horizontale Bewegungsbub über die Kulissenführung ausgelöst wird und der pneumatische Aktor mitsamt dem Ventilglied in Richtung Öffnung verschwenkt wird und die Öffnung verschließt.
Bei allen drei nicht dargestellten Varianten ist es möglich, mittels geeigneter Wegmesssensoren Teilhubmessungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, beim L- und J-Motion System sogar jeweils bei beiden pneumatischen Aktoren.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems (11) für die Industrieautomation, das wenigstens einen pneumatischen Aktor (14) und eine Regelungseinrichtung (13) zur Regelung einer Bewegung eines Aktorglieds (27) des wenigstens einen pneumatischen Aktors (14) über einen Verfahrhub von einer ersten Endlage (30) in eine zweite Endlage (31) und/oder von der zweiten Endlage (31) in die erste Endlage (30) aufweist, umfassend die Schritte: - Messen einer Position des Aktorglieds (27) mittels einer Positionsmesseinrichtung (37), die eine einem ersten Teilhub (h₁) des Verfahrhubs (H) des Aktorglieds (27) zugeordnete erste Positionsmesseinheit (38a) und eine einem zweiten Teilhub (h₂) des Verfahrhubs (H) zugeordnete zweite Positionsmesseinheit (38b) umfasst, wobei je nach Position des Aktorglieds (27) entweder mit der ersten oder der zweiten Positionsmesseinheit (38a, 38b) gemessen wird und zwischen den Teilhüben (h₁, h₂) keine Positionsmessung stattfindet, - Bereitstellen der gemessenen Position als Ist-Positionssignal an die Regelungseinrichtung (13), - Durchführung einer Positionsregelung auf Basis des mit der Positionsmesseinrichtung (37) erfassten Ist-Positionssignals.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bewegung des Aktorglieds (27) von der ersten Endlage (30) in die zweite Endlage (31) zunächst über den ersten Teilhub (h₁) mit der ersten Positionsmesseinheit (38a) kontinuierlich die Position des Aktorglieds (27) gemessen wird, anschließend über eine bestimmte Hubstrecke keine Messung erfolgt und dann über den zweiten Teilhub (h₂) mit der zweiten Positionsmesseinheit (38b) kontinuierlich die Position des Aktorglieds (27) gemessen wird, wobei bei der Rückbewegung des Aktorglieds (27) von der zweiten Endlage (31) in die erste Endlage (30) die Positionsmessungen in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Druck in einer Druckkammer (29a, 29b) des Aktorglieds (27) gemessen wird und der Ist-Druck als Ist-Drucksignal der Regelungseinrichtung (13) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Teilhub (h₁, h₂) einer der Endlagen (30, 31) des Aktorglieds (27) zugeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Teilhüben (h₁, h₂) eine Positionsregelung durchgeführt wird und zwischen den Teilhüben, wo keine Positionsmessung stattfindet, von der Positionsregelung auf einen Positionssteuerung gewechselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den Teilhüben (h₁, h₂) einer einer der Endlagen (30, 31) zugeordnet ist und sich der andere Teilhub (h₁, h₂) nicht an einer der Endlagen befindet, beispielsweise sich in der Mitte zwischen den Endlagen (30, 31) befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pneumatische System (11) ein Schieberventil (20) aufweist, wobei das Schieberventil (20) ein Ventilglied (33) aufweist, das mit dem Aktorglied (27) des pneumatischen Aktors (14) verbunden ist und durch die Bewegung des Aktorglieds (27) mitbewegt wird, und wobei das Schieberventil (20) eine Öffnung (23) zum Durchlass eines Wafers aufweist, die durch das Ventilglied (33) geöffnet oder geschlossen werden kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem pneumatischen Aktor (25) um einen einfach- oder doppeltwirkenden Pneumatikzylinder handelt.
Pneumatisches System für die Industrieautomation, umfassend: wenigstens einen pneumatischen Aktor (14) mit einem Aktorglied (27), eine Regelungseinrichtung (13) zur Regelung einer Bewegung des Aktorglieds (27) über einen Verfahrhub (H) von einer ersten Endlage (30) in eine zweite Endlage (31) und/oder von der zweiten Endlage (31) in die erste Endlage (30) und mit einer Positionsmesseinrichtung (37), die eine einem ersten Teilhub (h₁) des Verfahrhubs (H) des Aktorglieds (27) zugeordnete erste Positionsmesseinheit (38a) und eine einem zweiten Teilhub (h₂) des Verfahrhubs (H) zugeordnete zweite Positionsmesseinheit (38b) umfasst, wobei je nach Position des Aktorglieds (27) eine Positionsmessung entweder mit der ersten oder der zweiten Positionsmesseinheit (38a, 38b) durchführbar ist und zwischen den Teilhüben (h₁, h₂) eine bezüglich einer Positionsmessung messfreie Hubstrecke liegt.
Pneumatisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmesseinheiten (38a, 38b) jeweils als kontinuierliche Positionsmesseinheiten (38a, 38b) ausgebildet sind zur kontinuierlichen Positionsmessung über die jeweils zugeordneten Teilhübe (h₁, h₂).
Pneumatisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmesseinheiten (38a, 38b) jeweils als kontinuierliche Positionsmesssensoren ausgebildet sind.
Pneumatisches System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Positionsmesseinheit (38a) ein erstes Außengehäuse aufweist und die zweite Positionsmesseinheit (38b) ein separat von dem ersten Außengehäuse ausgebildetes zweites Außengehäuse aufweist.
Pneumatisches System, gekennzeichnet durch eine Druckmesseinrichtung (39), zum Messen eines Ist-Drucks in wenigstens einer Druckkammer (29a, 29b) des pneumatischen Aktors (25) und Übermittlung des Ist-Drucks in Form eines Ist-Drucksignals an die Regeleinrichtung (13).