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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation und ein pneumatisches System für die Industrieautomation.
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Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems zur Industrieautomation sowie pneumatische Systeme für die Industrieautomation finden mittlerweile in vielen Bereichen Anwendung. Insbesondere kommen pneumatische Systeme in Wafer-Anlagen zum Einsatz, deren mittels pneumatischer Aktoren betätigbare Schieberventile insbesondere dazu dienen, eine Bearbeitungsraumöffnung eines Bearbeitungsraums für Wafer zu verschließen oder zu öffnen, durch die ein Wafer in den Bearbeitungsraum eingebracht werden kann. Die pneumatischen Aktoren des Systems können auch zum Antrieb einer Positionierungsstruktur für die Wafer innerhalb des Bearbeitungsraums zum Einsatz kommen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems bereitzustellen.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation, das wenigstens einen pneumatischen Aktor und eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Bewegung eines Aktorglieds des wenigstens einen pneumatischen Aktors von einer ersten Lage in eine zweite Lage und/oder von der zweiten Lage in die erste Lage aufweist, gelöst, umfassend die Schritte: Messen eines dem pneumatischen Aktor zu- und/oder abgeführten Ist-Massenstroms an Druckfluid, Bereitstellen eines Massenstromsignals an die Regeleinrichtung, Messen eines Ist-Drucks in einer Druckkammer des pneumatischen Aktors, Bereitstellen des Ist-Drucks als Ist-Drucksignal an die Regeleinrichtung, Bestimmung eines Druckschätzwertes in einer Druckkammer des pneumatischen Aktors, Vergleichen des Ist-Drucksignals mit dem Druckschätzwert, Bereitstellen einer Abweichungskenngröße auf Basis des Vergleichs zwischen dem Ist-Drucksignal und Druckschätzwert und Bestimmung einer Positionsinformation eines Aktorglieds des pneumatischen Aktors auf Basis des Massenstromsignals und des Ist-Drucksignals und/oder des Druckschätzwerts.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter Lage eine beliebige Position des pneumatischen Aktors verstanden, sodass es sich bei einer Verschiebung von der ersten Lage in die zweite Lage und/oder von der ersten Lage in die zweite Lage um eine vollständige Bewegung in eine erste Endlage und/oder zweite Endlage oder aber um eine teilweise Bewegung handeln kann, bei der der pneumatische Aktor in eine beliebige Position zwischen den Endlagen bewegt wird.
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Bei dem auf der Regeleinrichtung implementierten Verfahren wird zunächst ein Massenstrom an Druckfluid, bevorzugt Druckluft, dem pneumatischen Aktor zu- und/oder abgeführt, um das Aktorglied des pneumatischen Aktors von einer ersten Lage in eine zweite Lage und/oder von der zweiten Lage in die erste Lage zu bewegen. Der zu- und/oder abgeführte Massenstrom wird gemessen, sodass der Ist-Massenstrom, der dem pneumatischen Aktor zu- und/oder abgeführt wird, bekannt ist. Dieser Ist-Massenstrom wird als Massenstromsignal der Regeleinrichtung bereitgestellt.
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Der Verlauf des Drucks im pneumatischen Aktor infolge des zu- und/oder abgeführten Ist-Massenstroms kann mittels einer Differentialgleichung auf Basis der allgemeinen Gasgleichung beschrieben werden. Entsprechend kann aus dem bereitgestellten Massenstromsignal über diesen Zusammenhang der Verlauf des Drucks berechnet werden, wobei auch die Position des Aktorglieds sowie die Geschwindigkeit des Aktorglieds Einfluss auf den Druckverlauf haben und entsprechend als Eingangsgrößen für die Berechnung erforderlich sind. Zur Vereinfachung der Berechnung kann eine konstante Temperatur des Druckfluids während der Bewegung angenommen werden.
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Weist das Aktorglied beispielhaft einen Arbeitskolben auf, der in einem Arbeitsraum des pneumatischen Aktors, der in einem Zylindergehäuse des pneumatischen Aktors ausgebildet ist, derart angeordnet ist, dass er mindestens einen Druckraum begrenzt, und wird in diesem Druckraum ein Massenstrom an Druckfluid zu- oder abgeführt, so ist der Verlauf des Drucks innerhalb dieses Druckraums ein Maß für die Position des Aktorglieds. Entsprechend kann auf Basis des Ist-Massenstroms, der als Massenstromsignal der Regeleinrichtung bereitgestellt wird, eine Positionsinformation des Aktorglieds, insbesondere in Echtzeit, bestimmt werden. Hierfür ist es bei der Berechnung erforderlich, zunächst eine geschätzte Position des Aktorglieds und eine geschätzte Geschwindigkeit des Aktorglieds als weitere Eingangsgrößen der Differentialgleichung bereitzustellen. Diese Größen werden zunächst über eine geeignete Annahme geschätzt, wobei als Startwert beispielsweise jeweils Null oder ein von Null verschiedener geeigneter Startwert angenommen werden kann. Anschließend wird auf Basis des gemessenen Massenstroms und der Annahmen für die Position und die Geschwindigkeit ein Druckschätzwert, insbesondere in Echtzeit, berechnet. Mittels des zuvor beschriebenen Zusammenhangs kann auf Basis des Ist-Massenstroms in der Druckkammer des pneumatischen Aktors der im Druckraum herrschende Druck berechnet werden, wobei für die Berechnung auf die geschätzte Position und die geschätzte Geschwindigkeit zurückgegriffen wird. Folglich handelt es sich bei dem berechneten Druck um einen Druckschätzwert, dessen Güte, d.h. die Abweichung zum tatsächlich herrschenden Druck, von einer Genauigkeit der geschätzten Position und der geschätzten Geschwindigkeit abhängt.
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Simultan wird der Ist-Druck gemessen und als Ist-Drucksignal an die Regeleinrichtung bereitgestellt, woraufhin, insbesondere in Echtzeit, das Ist-Drucksignal mit dem Druckschätzwert verglichen wird. Auf Basis des vorgenannten Vergleichs wird, insbesondere in Echtzeit, eine Abweichungskenngrößer bereitgestellt, die ein Maß für die Güte des Druckschätzwerts ist, und sich aus der Differenz zwischen Druckschätzwert und Ist-Drucksignal ergibt, wobei eine große Abweichung, also eine große Abweichungskenngröße, auch ein Indikator für eine große Abweichung zwischen realer Geschwindigkeit und realer Position des Kolbens ist. Daraufhin, insbesondere in Echtzeit, wird die Beschleunigung des Kolbens in einem Modell, und durch zeitliche Integration die geschätzte Geschwindigkeit und durch zweifache zeitliche Integration oder zeitlicher Integration aus der geschätzten Geschwindigkeit die geschätzte Position, solange variiert und als neue Annahmen für die Position und die Geschwindigkeit verwendet, bis der Druckschätzwert dem Ist-Drucksignal entspricht bzw. sich diesem ausreichend genau angenähert hat und somit die geschätzte Geschwindigkeit der realen Geschwindigkeit und die geschätzte Position der realen Position entspricht.
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Weitere Eingangsgrößen sind nicht erforderlich, sodass die Position des Aktorglieds entsprechend auf Basis des Massenstromsignals und des Ist-Drucksignals und/oder des Druckschätzwerts bestimmt werden kann. So kann vorteilhafterweise auf die Positionserfassung über die gesamte Bewegung des Aktorglieds verzichtet werden.
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Die Regeleinrichtung weist bevorzugt eine, insbesondere echtzeitfähige, Steuerung und mindestens ein Ventil, bevorzugt ein Proportionalventil und weiter bevorzugt ein Piezoproportionalventil auf, wobei ein Piezoproportionalventil insbesondere bei Anwendungen zum Einsatz kommt, die eine hohe Regelgüte erfordern. Steuerung und das mindestens eine Ventil können in einem gemeinsamen Gehäuse oder in getrennten Gehäusen angeordnet sein, wobei bei getrennten Gehäusen eine geeignete signaltechnische Verbindung zwischen Steuerung und dem mindestens einem Ventil, insbesondere eine echtzeitfähige signaltechnische Verbindung, besteht.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens umfasst dieses ferner den Schritt: Variieren des zu- und/oder abgeführten Ist-Massenstroms an den pneumatischen Aktor zur Minimierung der Abweichungskenngröße, bevorzugt zur Minimierung einer Abweichung zwischen einer Sollposition, d.h. einer geforderten Lage des pneumatischen Aktors, und der geschätzten Position und/oder zwischen einer Sollgeschwindigkeit, d.h. einer geforderten Geschwindigkeit des Aktors, und der geschätzten Geschwindigkeit.
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Im Wege einer Regelung wird der zu- und/oder abgeführte Ist-Massenstrom variiert, um die Abweichungskenngröße zu minimieren, d.h. bis der berechnete Druckschätzwert dem Ist-Drucksignalsignal und/oder bis die geschätzte Position einer Sollposition und/oder die geschätzte Geschwindigkeit einer Sollgeschwindigkeit entspricht.
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Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt: Variieren des zu- und/oder abgeführten Ist-Massenstroms an den pneumatischen Aktor zur Anpassung der Beschleunigung des Aktorglieds auf Basis einer geschätzten Position und/oder einer geschätzten Geschwindigkeit und/oder des Ist-Drucks und/oder des Druckschätzwerts. Durch das Variieren des Massenstrom kann die Beschleunigung des Aktors angepasst werden, wobei auf die geschätzte Position und/oder die geschätzte Geschwindigkeit und/oder des Ist-Drucks und/oder des Druckschätzwerts vorgenommen wird, die jeweils als Eingangsgrößen in die oben definierte Differentialgleichung eingehen und so insbesondere die Abweichungskenngröße oder jeweils eine Abweichung zwischen einer geschätzten Größe und einer Sollgrößer und/oder einer realen Größe minimieren.
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Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren ferner die Schritte: kontinuierliches Messen einer Position des Aktorglieds des pneumatischen Aktors beim Einfahren in die erste Endlage und/oder in die zweite Endlage, Bereitstellen der gemessenen Position als Ist-Positionssignal an die Regeleinrichtung und Variieren des zu- und/oder abgeführten Massenstroms an den pneumatischen Aktor zur Anpassung der Beschleunigung des Aktorglieds auf Basis der gemessenen Position und/oder der Geschwindigkeit und/oder des Ist-Drucks und/oder des Druckschätzwerts. Beim Erreichen der ersten Endlage und/oder beim Erreichen der zweiten Endlage soll eine Erschütterung infolge eines abrupten Stoppens der Bewegung, beispielsweise beim Kontakt des Aktorglieds mit einem mechanischen Anschlag, verhindert werden. Entsprechend ist kurz vor dem Erreichen die Bewegung des Aktorglieds zu verlangsamen. Durch die zusätzliche Bereitstellung einer gemessenen Position im Bereich der Endlagen wird ermöglicht, dass die Regelung zusätzlich das Ist-Positionssignal berücksichtigt, um eine Genauigkeit der Bestimmung der Positionsinformationen weiter zu verbessern.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter kontinuierlichem Messen eine wert- und/oder zeitkontinuierliche sowie eine wert- und/oder zeitdiskrete Messung verstanden.
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Bevorzugt kann das Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems eingesetzt werden, das ein Schieberventil aufweist, wobei das 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.
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Weiter bevorzugt handelt es sich bei dem pneumatischen Aktor um einen einfach-/oder doppeltwirkenden Pneumatikzylinder und das Aktorglied weist einen Antriebskolben und eine Kolbenstange auf. Der einfach-/oder doppeltwirkender Pneumatikzylinder weist ein Zylindergehäuse mit einem darin ausgebildeten Arbeitsraum auf, in dem der Antriebskolben des Aktorglieds beweglich angeordnet ist. Die Kolbenstange ist mit dem Antriebskolben bewegungsgekoppelt, durchdringt abschnittsweise das Zylindergehäuse und ist in diesem beweglich gelagert. Der Antriebskolben definiert zusammen mit dem Zylindergehäuse im Falle eines einfachwirkenden Pneumatikzylinders eine Druckkammer, in die Druckfluid für eine Bewegung des Antriebskolbens zu- oder abgeführt werden kann, wobei für eine Umkehr der Bewegung ein Rückstellelement, insbesondere eine Feder, zwischen einer Gehäusewand des Zylindergehäuses und dem Antriebskolben vorgesehen sein kann. Im Falle eines doppeltwirkenden Zylinders definiert der Antriebskolben eine erste Druckkammer und eine zweite Druckkammer, der jeweils, in Abhängigkeit der gewünschten Richtung der Bewegung des Antriebskolbens, Druckfluid zu- oder abgeführt werden kann.
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Weiter bevorzugt kann das Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems eingesetzt werden, das eine Mehrzahl von pneumatischen Aktoren aufweist, bei denen jeweils die Bewegung aus einer ersten Lage in eine zweite Lage und/oder eine Bewegung aus der zweiten Lage in die erste Lage von der Regeleinrichtung geregelt wird. Hierbei ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine individuelle Regelung jedes einzelnen der Mehrzahl an pneumatischen Aktoren. Unter einer individuellen Regelung wird dabei verstanden, dass die Regeleinrichtung das zuvor beschriebene Verfahren für jeden der pneumatischen Aktoren unabhängig voneinander ausführt, wobei auch eine Synchronisierung zwischen den Bewegungen der jeweiligen Aktorglieder erfolgen kann. Auch eine zeitliche Abstimmung der Bewegungen der einzelnen Aktorglieder der Mehrzahl an pneumatischen Aktoren ist möglich.
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Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird auch durch ein pneumatisches System für die Industrieautomation gelöst, umfassend: wenigstens einen pneumatischen Aktor mit einem Aktorglied, eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Bewegung des Aktorglieds von einer ersten Lage in eine zweite Lage und/oder von der zweiten Lage in die erste Lage und eine Massenstrommesseinheit zur Messung eines dem pneumatischen Aktor zu- und/oder abgeführten Ist-Massenstroms an Druckfluid und zur Übermittlung des gemessenen Ist-Massenstroms als Massenstromsignal an die Regeleinrichtung.
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Bevorzugt umfasst das pneumatische System ferner wenigstens eine Druckmesseinheit zum Messen eines Ist-Drucks in wenigstens einer Druckkammer des pneumatischen Aktors und Übermittlung des Ist-Drucks an die Regeleinrichtung.
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Vorteilhafterweise umfasst das pneumatische System wenigstens eine Positionsmesseinheit zur kontinuierlichen Messung einer Ist-Position des Aktorglieds des pneumatischen Aktors beim Einfahren in eine erste Endlage und/oder in eine zweite Endlage und zur Übermittlung der Ist-Position an die Regeleinrichtung.
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Bevorzugt umfasst das pneumatische System ein Schieberventil, wobei das Schieberventil ein Ventilglied aufweist, das mit einem Aktorglied und eine durch das Ventilglied verschließbare Öffnung zum Durchlass eines Wafers aufweist, und wobei der pneumatische Aktor zur Betätigung des Schieberventils dient.
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Das Schieberventil kann ein Ventilgehäuse aufweisen, in dem eine Öffnung in einer ersten Ventilgehäusewand und eine weitere Öffnung in einer zweiten Ventilgehäusewand zum Durchlass eines Wafers ausgebildet sind. Die Öffnung in der ersten Ventilgehäusewand ist durch ein relativ zu dem Ventilgehäuse bewegbares Ventilglied verschließbar. Die Öffnung und die weitere Öffnung sind bevorzugt korrespondierend ausgestaltet, sodass die Erstreckung der weiteren Öffnung jeweils in der Höhenrichtung, in der Querrichtung und in der Breitenrichtung der Erstreckung der Öffnung in Höhenrichtung, in Querrichtung und in Breitenrichtung entspricht. Die jeweilige Erstreckung ist dabei derart gewählt, dass der Wafer durch die Öffnung und die weitere Öffnung durchgelassen werden kann. Zusätzlich ist die weitere Öffnung fluchtend zu der Öffnung angeordnet, sodass ein Wafer aus dem Bearbeitungsraum und/oder in den Bearbeitungsraum transportiert werden kann. In einer deaktivierten Stellung ist die Öffnung in der ersten Ventilgehäusewand des Schieberventils nicht durch das Ventilglied verschlossen, während in einer aktivierten Stellung die Öffnung in der ersten Ventilgehäusewand des Schieberventils durch das Ventilglied verschlossen ist. Entsprechend kann in diesem Zusammenhang die deaktivierte Stellung auch als Schließstellung des Ventilglieds und die aktivierte Stellung auch als Offenstellung des Ventilglieds bezeichnet werden.
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Auch kann das Ventilgehäuse des Schieberventils nur die erste Ventilgehäusewand mit darin ausgebildeter Öffnung aufweisen, die durch das relativ zum Ventilgehäuse bewegbare Ventilglied verschließbar ist. Das Ventilglied kann bevorzugt mittels einer an dem Ventilgehäuse ausgebildeten Führungseinheit beweglich geführt sein.
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Für ein möglichst dichtes Verschließen der Öffnung kann das Ventilglied an seiner der Öffnung zugewandten Seite über ein umlaufendes, insbesondere gummielastisches, Dichtelement verfügen.
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Bevorzugt umfasst das pneumatische System eine Mehrzahl an pneumatischen Aktoren. So ist es beispielsweise möglich, dass das pneumatische System als Wafer-Bearbeitungsanlage ausgeführt ist, die beispielhaft aus einem Verteilerraum und mehreren Bearbeitungsräumen besteht, wobei die Bearbeitungsräume an den Verteilerraum angrenzen. Die Bearbeitungsräume können jeweils durch ein Schieberventil, für dessen Betätigung je mindestens ein pneumatischer Aktor vorgesehen ist, gegenüber dem Verteilerraum abgesperrt sein. Der Verteilerraum selbst kann ebenfalls über ein Schieberventil, für dessen Betätigung ein pneumatischer Aktor vorgesehen ist, gegenüber der Umgebung absperrbar sein.
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Vorzugsweise dienen zur Betätigung des Schieberventils ein erster pneumatischer Aktor der Mehrzahl an pneumatischen Aktoren und ein zweiter pneumatischer Aktor der Mehrzahl an pneumatischen Aktoren, wobei der erste pneumatische Aktor drehbar gelagert ist und für eine Verschiebung des Ventilglieds entlang einer Bewegungsrichtung hergerichtet ist und der zweite pneumatische Aktor zum Versetzen des ersten pneumatischen Aktors in eine Kippbewegung mit dem ersten pneumatischen Aktor bewegungsgekoppelt ist. So kann beispielhaft ermöglicht werden, dass zum Verschließen der Öffnung des Schieberventils das Ventilglied des Schieberventils zunächst von einer deaktivierten Stellung in eine teilaktivierte Stellung gebracht wird, indem das Aktorglied des ersten pneumatischen Aktors von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage bewegt wird und im Anschluss das Ventilglied von der teilaktivierten Stellung in die aktivierte Stellung durch eine Kippbewegung des ersten pneumatischen Aktors bewegt wird, wobei die Kippbewegung durch die Bewegung des Aktorglieds des zweiten pneumatischen Aktors aus der ersten Endlage in die zweite Endlage erfolgt.
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Auch kann vorgesehen sein, dass der zweite pneumatische Aktor an dem Aktorglied, genauer an der Kolbenstange, des ersten pneumatischen Zylinders befestigt ist und die Kolbenstange des zweiten pneumatischen Aktors mit dem Ventilglied bewegungsgekoppelt ist. Entsprechend kann das Ventilglied aus der teilaktivierten Stellung durch Bewegen des Aktorglieds des zweiten pneumatischen Aktors in die aktivierte Stellung gebracht werden. Eine drehbare Lagerung des ersten pneumatischen Aktors ist bei dieser Ausgestaltung nicht erforderlich.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert und in dieser zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines exemplarisch als Wafer-Bearbeitungszelle ausgeführten pneumatischen Systems,
- 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines pneumatischen Systems für die Industrieautomation,
- 3 eine schematische Darstellung eines als Wafer-Bearbeitungsanlage ausgeführten pneumatischen Systems,
- 4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Schieberventils in einer deaktivierten Stellung und in einer aktivierten Stellung und
- 5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Schieberventils in einer deaktivierten Stellung, in einer teilaktivierten Stellung und in einer aktivierten Stellung.
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1 zeigt ein exemplarisch als Wafer-Bearbeitungszelle ausgeführtes Ausführungsbeispiel eines pneumatischen Systems 1 für die Industrieautomation, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Das pneumatische System weist eine Regeleinrichtung 2, einen pneumatischen Aktor 3, ein Schieberventil 4 und einen Bearbeitungsraum 5 auf. Rein exemplarisch ist nur ein pneumatischer Aktor 3 vorhanden. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Mehrzahl an pneumatischen Aktoren 3 vorhanden ist.
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Es ist auch möglich, dass das erfindungsgemäße pneumatische System 1 für andere Anwendungsfälle der Industrieautomation eingesetzt wird.
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Der Bearbeitungsraum 5, in dem ein Druck unterhalb des Atmosphärendrucks vorherrscht, weist exemplarisch eine im Wesentlichen rechteckige Grundform auf und erstreckt sich in einer Höhenrichtung, die auch als y-Richtung bezeichnet werden kann, in einer zur Höhenrichtung senkrechten Querrichtung, die auch als x-Richtung bezeichnet werden kann, und in einer Breitenrichtung, die auch als z-Richtung bezeichnet werden kann und senkrecht zur Höhenrichtung sowie senkrecht zur Querrichtung orientiert ist. Der Bearbeitungsraum 5 verfügt über eine Bearbeitungsraumöffnung 6, die mittels des Schieberventils 4 verschlossen werden kann, um den Bearbeitungsraum 5 gegenüber der Umgebung zu verschließen. Das Schieberventil 4 weist rein exemplarisch ein Ventilgehäuse 7, in dem eine Öffnung 8 und eine weitere Öffnung 9 zum Durchlass eines Wafers (nicht gezeigt) ausgebildet sind, und ein relativ zum Ventilgehäuse 7 bewegbares Ventilglied 10 auf. Die Öffnung 8 ist in einer ersten Ventilgehäusewand 11 und die weitere Öffnung 9 ist in einer zweiten Ventilgehäusewand 12 ausgebildet, wobei die erste Ventilgehäusewand 11 und die zweite Ventilgehäusewand 12 voneinander in Querrichtung beabstandet sind. Die Öffnung 8 weist exemplarisch einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Erstreckung in Höhenrichtung und in Querrichtung derart gewählt ist, um einen Durchlass des Wafers zu ermöglichen. Die weitere Öffnung 9 ist derart mit der Öffnung 8 korrespondierend ausgestaltet, dass die Erstreckung der weiteren Öffnung 9 jeweils in Höhenrichtung, in Querrichtung und in Breitenrichtung der Erstreckung der Öffnung 8 in Höhenrichtung, in Querrichtung und in Breitenrichtung entspricht. Zusätzlich ist die weitere Öffnung 9 fluchtend zur Öffnung 8 angeordnet, sodass der Wafer die weitere Öffnung 9 und die Öffnung 8 passieren kann, auch wenn eine Erstreckung des Wafers größer als ein Abstand zwischen erster Ventilgehäusewand 11 und zweiter Ventilgehäusewand 12 in Querrichtung ist. Das Schieberventil 4 grenzt mit der ersten Ventilgehäusewand 11 an den Bearbeitungsraum 5 derart an, dass die Öffnung 8 zumindest abschnittsweise für den Durchlass des Wafers die Bearbeitungsraumöffnung 6 überlappt.
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Die Öffnung 8 und/oder die zweite Öffnung 9 können auch einen von einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt abweichenden Querschnitt aufweisen. Ferner ist es möglich, dass das Ventilgehäuse 7 nur die erste Ventilgehäusewand 11 aufweist, in der die Öffnung 8 ausgebildet ist und die durch das Ventilglied 10 verschließbar ist.
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Das Ventilglied 10 ist exemplarisch zwischen der ersten Ventilgehäusewand 11 und der zweiten Ventilgehäusewand 12 des Ventilgehäuses 7 angeordnet. Die Öffnung 8 ist durch das Ventilglied 10 verschließbar. Für ein möglichst dichtes Verschließen der Öffnung 8 verfügt das Ventilglied 10 an seiner der Öffnung 8 zugewandten Seite über ein umlaufendes, insbesondere gummielastisches, Dichtelement 13.
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In der dargestellten aktivierten Stellung des Schieberventils 4 ist die Öffnung 8 zum Durchlass des Wafers durch das Ventilglied 10 verschlossen. Unter einer deaktivierten Stellung wird in diesem Zusammenhang eine Stellung des Schieberventils 4 verstanden, in der die Öffnung 8 nicht durch das Ventilglied 10 verschlossen ist, um einen Durchlass des Wafers zu ermöglichen. Zur Betätigung des Schieberventils 4 dient in der dargestellten Ausführungsform der pneumatische Aktor 3, der auch als Ventilaktor 14 bezeichnet werden kann.
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Um eine erste Verschiebung des Ventilglieds 10 entlang der Höhenrichtung zu ermöglichen, ist das Ventilglied 10 mit einem Aktorglied 15, das vorliegend exemplarisch einen ersten Antriebskolben 16 und eine erste Kolbenstange 17 aufweist, des pneumatischen Aktors 3 verbunden. Entsprechend wird das Ventilglied 10 mit dem Aktorglied 15 mitbewegt, um die Öffnung 8 durch das Ventilglied 10 zu verschließen oder zu öffnen. Exemplarisch wird die Öffnung 8 durch das Ventilglied 10 verschlossen, wenn das Aktorglied 15 sich in einer zweiten Endlage befindet. Befindet sich das Aktorglied 15 in einer ersten Endlage, ist die Öffnung 8 freigegeben, also nicht von dem Ventilglied 10 verschlossen.
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Die für den Verschluss der Öffnung 8 erforderliche, auf das Dichtelement 13 wirkende Druckkraft wird durch die Druckdifferenz, also durch die Differenz zwischen dem in dem Bearbeitungsraum 5 herrschenden Druck und dem Umgebungsdruck, über das Schieberventil 4 bereitgestellt.
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Der pneumatische Aktor 3 der exemplarisch gezeigten Ausführungsform ist als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgeführt, der ein Zylindergehäuse 18, das einen Arbeitsraum 19 definiert, und den Ventilaktor 14 aufweist. Der Arbeitsraum 19 wird durch den ersten Antriebskolben 16 in eine erste Druckkammer 20 und eine zweite Druckkammer 21 geteilt. Für die Bewegung des Aktorglieds 15 kann der ersten Druckkammer 20 ein Massenstrom an Druckfluid zugeführt und aus der zweiten Druckkammer 21 simultan ein Massenstrom an Druckfluid abgeführt werden. Für eine Umkehr dieser Bewegung wird entsprechend der zweiten Druckkammer 21 ein Massenstrom an Druckfluid zugeführt und aus der ersten Druckkammer 20 ein Massenstrom an Druckfluid abgeführt.
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Denkbar ist allerdings auch eine Ausführungsform, in der für die Bewegung in die erste Endlage oder in die zweite Endlage ein Rückstellelement, insbesondere eine Rückstellfeder, innerhalb der ersten Druckkammer 20 oder innerhalb der zweiten Druckkammer 21 angeordnet ist und der pneumatische Aktor 3 entsprechend als einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgeführt ist. Befindet sich das Rückstellelement beispielhaft in der zweiten Druckkammer 21, so ist es in dieser derart angeordnet, dass es bei einer Zufuhr eines Massenstroms an Druckfluid in die ersten Druckkammer 20 durch den ersten Antriebskolben 16 gestaucht und für die Umkehr der Bewegung entspannt wird und den Antriebskolben 16 verschiebt.
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Die Regeleinrichtung 2 ist für eine Regelung der Bewegung des Aktorglieds 15 von der ersten Endlage und die zweite Endlage und/oder von der ersten Endlage in die zweite Endlage hergerichtet. Hierfür kann die Regeleinrichtung 2 den Massenstrom an Druckfluid, der der ersten Druckkammer 20 und/oder der zweiten Druckkammer 21 zugeführt und/oder abgeführt wird, anpassen, um einen gewünschten Ablauf der Bewegung zu ermöglichen. Insbesondere ist es bei pneumatischen Systemen 1 wünschenswert, eine möglichst schnelle Bewegung des Aktorglieds 15 zu ermöglichen, um eine Gesamtdauer des Prozesses zu verringern oder, insbesondere bei der exemplarisch dargestellten Wafer-Bearbeitungszelle, einen Verlust an Unterdruck im Bearbeitungsraum 5 und/oder eine Kontamination des Bearbeitungsraums 5 mit Umgebungsluft zu verhindern. Da allerdings bei einem Erreichen der ersten Endlage und/oder der zweiten Endlage keine Erschütterungen auftreten sollen, ist kurz vor und bei dem Erreichen der ersten Endlage und der zweiten Endlage die Bewegung des Aktorglieds 15 zu verlangsamen. Entsprechend kann die Regeleinrichtung 2 den Massenstrom an Druckfluid, der der ersten Druckkammer 20 und/oder der zweiten Druckkammer 21 des pneumatischen Aktors 3 zu- und/oder abgeführt wird, variieren. Hierfür ist die Regeleinrichtung 2 fluidisch mit der ersten Druckkammer 20 und der zweiten Druckkammer 21 jeweils über eine Fluidleitung 22 verbunden. Um den genauen Massenstrom an Druckfluid zu bestimmen, der der ersten Druckkammer 20 und/oder der zweiten Druckkammer 21 zu- und/oder abgeführt wird, ist jeweils eine Massenstrommesseinheit 23 im Bereich der ersten Druckkammer 20 und im Bereich der zweiten Druckkammer angeordnet, wobei bevorzugt zwischen dem pneumatischen Aktor 3 und der jeweiligen Massenstrommesseinheit 23 keine Fluidleitung 22 vorgesehen ist, sodass die jeweilige Massenstrommesseinheit 23 fluidisch unmittelbar mit dem pneumatischen Aktor 3 verbunden ist. Die Massenstrommesseinheiten 23 sind exemplarisch als bidirektionale Massenstrommesseinheiten 23 ausgebildet, sodass sie einen zu- und abgeführten Ist-Massenstrom messen können. Die Massenstrommesseinheiten 23 stellen ein dem Ist-Massenstrom entsprechendes Massenstromsignal m bereit, und übermitteln dieses an die Regelungseinheit 2. Für die Übermittlung des Massenstromsignals m an die Regelungseinheit 2 sind die Massenstrommesseinheiten 23 rein exemplarisch mittels Signalleitungen 24 mit der Regeleinrichtung 2 signaltechnisch verbunden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die signaltechnische Verbindung als eine drahtlose signaltechnische Verbindung ausgeführt ist.
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Neben den jeweiligen Massenstrommesseinheiten 23 ist in der ersten Druckkammer 20 sowie in der zweiten Druckkammer 21 exemplarisch jeweils ein Druckmesseinheit 25 angeordnet, die den statischen Druck, der auch als Ist-Druck bezeichnet werden kann, innerhalb der ersten Druckkammer 20 und der zweiten Druckkammer 21 misst und ein dem Ist-Druck in der ersten Druckkammer 20 entsprechendes Ist-Drucksignal und ein dem Ist-Druck in der zweiten Druckkammer 21 entsprechendes Ist-Drucksignal an die Regeleinrichtung 2 übermittelt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Ist-Drucksignal über Signalleitungen 24 von den Druckmesseinheiten 25 an die Regeleinrichtung 2 übermittelt. Es kann auch vorgesehen sein, eine signaltechnische Verbindung zwischen den Druckmesseinheiten 25 und der Regeleinrichtung 2 mittels einer drahtlosen signaltechnischen Verbindung zu realisieren.
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Der pneumatische Aktor 3 des in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des pneumatischen Systems 1 weist rein exemplarisch im Bereich der ersten Endlage und im Bereich der zweiten Endlage des Aktorglieds 15 jeweils eine Positionsmesseinheit 26 für eine kontinuierliche Messung einer Ist-Position x des Aktorglieds 15 beim Einfahren in die erste Endlage und/oder in die zweite Endlage auf. Grundsätzlich ist eine kontinuierliche Messung der Ist-Position für die Regelung der Bewegung des Aktorglieds 15 durch die Regeleinrichtung 2 nicht erforderlich. Die gemessene Ist-Position wird als Positionssignal x der Regeleinrichtung 2 bereitgestellt, wofür die Positionsmesseinheiten 26 über Signalleitungen 24 mit der Regeleinrichtung 2 signaltechnisch verbunden sind. Auch eine drahtlose signaltechnische Verbindung kann vorgesehen werden.
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Die Regelung der Bewegung des Aktorglieds 15 von der ersten Endlage in die zweite Endlage und/oder von der zweiten Endlage in die erste Endlage soll anhand des in 2 dargestellten Blockdiagramms erfolgen. Beispielhaft wird dabei davon ausgegangen, dass in der nachfolgenden Beschreibung das Aktorglied 15 von der ersten Endlage in die zweite Endlage bewegt werden soll. Die Ausführungen gelten analog für den Fall, dass das Aktorglied 15 aus der zweiten Endlage in die erste Endlage bewegt werden soll.
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Dem auf der Regeleinrichtung 2 implementierten Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Systems wird der von der Massenstrommesseinheit 23 gemessene Ist-Massenstrom, der der ersten Druckkammer 20 für die Bewegung des Aktorglieds 15 zugeführt wird, als Massenstromsignal als Eingangsgröße bereitgestellt. Der zeitliche Verlauf des Drucks in der ersten Druckkammer 20 kann mittels einer Differentialgleichung auf Basis der allgemeinen Gasgleichung ausgehend von dem Massenstromsignal beschrieben werden, sodass der Druckverlauf in der ersten Druckkammer 20 als Funktion des Ist-Massenstroms m, der der ersten Druckkammer 20 zugeführt wird, der Position des Aktorglieds 15 und der Geschwindigkeit des Aktorglieds 15 beschrieben wird. Die Position des Aktorglieds 15 ist ein Maß für ein Volumen der ersten Druckkammer 20 und die Geschwindigkeit des Aktorglieds 15 ist ein Maß für die Volumenänderung. Ausgehend von dem Massenstromsignal wird eine Positionsinformation des Aktorglieds 15 bestimmt, indem für das erhaltene Massenstromsignal der zugehörige Druck innerhalb der ersten Druckkammer 20 berechnet wird. Für die Berechnung wird zunächst eine geschätzte Position xs und eine geschätzte Geschwindigkeit vs des Aktorglieds 15 angenommen, sodass der berechnete Druck auch als Druckschätzwert ps bezeichnet werden kann. Alternativ können auch Startwerte für die Position und die Geschwindigkeit des Aktorglieds 15 als Funktion des Massenstromsignals in einer Tabelle, die beispielhaft auf einer programmierbaren Speichereinheit (nicht dargestellt) der Regeleinrichtung 2 hinterlegt ist, verwendet werden.
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Anschließend wird der Druckschätzwert ps mit dem Ist-Druck verglichen, der durch die mit der ersten Druckkammer 20 fluidisch verbundenen Druckmesseinheit 25 gemessen wird, wofür das von der Druckmesseinheit 25 erzeugte Drucksignal als Ist-Drucksignal an die Regeleinrichtung 2 übermittelt wird. Auf Basis des Vergleichs zwischen dem Ist-Drucksignal und dem Druckschätzwert ps kann eine Abweichungskenngröße e definiert werden, die sich aus der Differenz aus Ist-Drucksignal und Druckschätzwert ps ergibt. Die Abweichungskenngröße ist folglich ein Maß für die Abweichung zwischen dem Ist-Druck in der ersten Druckkammer 20 und dem Druckschätzwert ps. Die Abweichungskenngröße e wird nun der Regeleinrichtung 2 als weitere Eingangsgröße übermittelt. Die Abweichungskenngröße wird als weiterer Parameter für die Berechnung des Druckschätzwerts ps verwendet und die Regeleinrichtung 2 variiert die Beschleunigung, und damit die geschätzte Geschwindigkeit vs und die geschätzte Position xs des Aktorglieds 15, um die Abweichungskenngröße e zu minimieren. Dies geschieht, bis der Druckschätzwert ps dem Ist-Drucksignal entspricht. An diesem Punkt entspricht die geschätzte Geschwindigkeit vs der realen Geschwindigkeit des Aktorglieds 15 und die geschätzte Position xs der realen Position des Aktorglieds 15.
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Beim Einfahren in die erste Endlage wird die Position des Aktorglieds 15 durch die entsprechende Positionsmesseinheit 26 gemessen und der Regeleinrichtung 2 als Ist-Positionssignal x bereitgestellt. Entsprechend kann die Regeleinrichtung 2 in diesem Bereich für das Variieren des der ersten Druckkammer 20 zugeführten Massenstroms die Position des Aktorglieds 15 berücksichtigen, um die Beschleunigung des Aktorglieds 15 anzupassen. Hierdurch wird verhindert, dass das Aktorglied 15 mit einer zu hohen Geschwindigkeit in die Endlage bewegt wird.
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3 zeigt ein als Wafer-Bearbeitungsanlage ausgeführtes pneumatisches System 1 mit mehreren Bearbeitungsräumen 5 und mehreren pneumatischen Aktoren (nicht dargestellt). Die Bearbeitungsräume 5 sind exemplarisch um einen Verteilerraum 27 angeordnet, wobei jeder der mehreren Bearbeitungsräume 5 über jeweils ein Schieberventil 4 gegenüber dem Verteilerraum 27 abgesperrt werden kann. Der Verteilerraum 27 ist gegen die Umgebung ebenfalls mittels eines Schieberventils 4 absperrbar. Ferner umfasst das pneumatische System 1 eine Regeleinrichtung 2. Jedes der Schieberventile 4 ist über eine Fluidleitung 22 mit der Regeleinrichtung 2 fluidisch verbunden. Der der ersten Druckkammer oder der zweiten Druckkammer des jeweiligen nicht dargestellten pneumatischen Aktors zu- und/oder abgeführte Ist-Massenstrom wird mittels nicht dargestellten Massenstrommesseinheiten gemessen und jeweils als Massenstromsignal der Regeleinrichtung 2 bereitgestellt. Ferner wird mittels entsprechender Druckmesseinheiten (nicht dargestellt) der Ist-Druck in der ersten Druckkammer und/oder der zweiten Druckkammer des jeweiligen pneumatischen Aktors gemessen und der Regeleinrichtung 2 jeweils als Ist-Drucksignal bereitgestellt.
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Die Regeleinrichtung 2 ist ausgebildet, eine Regelung einer Bewegung der einzelnen Aktorglieder der nicht dargestellten pneumatischen Aktoren wie vorangehend beschrieben zu regeln.
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4 zeigt eine erste Ausführungsform des Schieberventils 5, wie es in 1 dargestellt ist, in einer deaktivierten Stellung (links) und einer aktivierten Stellung (rechts), wobei in der deaktivierten Stellung die Öffnung 8 in der ersten Ventilgehäusewand 11 des Schieberventils 5 nicht durch das Ventilglied 10 verschlossen ist und in der aktivierten Stellung die Öffnung 8 in der ersten Ventilgehäusewand 11 des Schieberventils 5 durch das Ventilglied 10 verschlossen ist.
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Das Ventilglied 10 liegt in der dargestellten Ausführungsform mit dem an seiner der Öffnung 8 zugewandten Seite angeordneten umlaufenden, insbesondere gummielastischen, Dichtelement 13 an der ersten Ventilgehäusewand 11 an, sodass in der aktivierten Stellung die zur Abdichtung verwendete, auf das Dichtelement 13 wirkende Dichtkraft durch eine Druckdifferenz zwischen dem abzusperrenden Raum, insbesondere dem Bearbeitungsraum 5 oder dem Verteilerraum 27, herrschenden Druck und dem Umgebungsdruck aufgebracht wird, wobei der Druck in dem abzusperrenden Raum unter dem Umgebungsdruck liegt.
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Zur Betätigung des Schieberventils 5 dient in der dargestellten Ausführungsform ein als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgeführter pneumatischer Aktor 3, dessen erste Kolbenstange 17 mit dem Ventilglied 10 bewegungsgekoppelt ist und die Verschiebung des Ventilglieds 10 entlang der Höhenrichtung ermöglicht.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Schieberventils 5, in einer deaktivierten Stellung (links), in einer teilaktivierten Stellung (Mitte) und in einer aktivierten Stellung (rechts), wobei in der deaktivierten Stellung die Öffnung 8 in der ersten Ventilgehäusewand 11 des Schieberventils 4 nicht durch das Ventilglied 10 verschlossen ist und in der aktivierten Stellung die Öffnung 8 in der ersten Ventilgehäusewand 11 des Schieberventils 4 durch das Ventilglied 10 verschlossen ist. In der teilaktivierten Stellung ist die Bewegung des Ventilglieds 10 entlang der Höhenrichtung abgeschlossen und eine Verschiebung des Ventilglieds 10 entlang der Querrichtung noch nicht erfolgt.
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Zur Betätigung des Schieberventils 5 dienen in der dargestellten Ausführungsform eine Mehrzahl an pneumatischen Aktoren 3, genauer ein erster pneumatischer Aktor 3, der auch als Ventilaktor 14 bezeichnet werden kann, und ein zweiter pneumatischer Aktor 3, der auch als zweiter Ventilaktor 28 bezeichnet werden kann. Die erste Verschiebung des Ventilglieds 10 entlang der Höhenrichtung, also aus der deaktivierten Stellung in die teilaktivierte Stellung, erfolgt durch die Bewegung des Aktorglieds 15 des Ventilaktors 14, dessen erste Kolbenstange 17 mit dem Ventilglied 10 bewegungsgekoppelt ist. Die zweite Verschiebung des Ventilglieds 10 entlang der Querrichtung, also aus der teilaktivierten Stellung in die aktivierte Stellung, erfolgt mittels des zweiten Ventilaktors 28. Der zweite Ventilaktor 28 ist über sein Aktorglied 15, das einen zweiten Arbeitskolben 29 und eine zweite Kolbenstange 30 aufweist, mit dem ersten Ventilaktor 14 bewegungsgekoppelt, sodass eine Bewegung entlang der Querrichtung des Aktorglieds 15 des zweiten Ventilaktors 28 zu einer Krafteinleitung auf den ersten Ventilaktor 14 führt. Der zweite pneumatische Aktor 3 verfügt ebenfalls im Bereich der ersten Endlage und der zweiten Endlage über Positionsmesseinheiten 26. Der erste Ventilaktor 14 ist drehbar um ein Lager 31 gelagert und wird durch die Krafteinwirkung in eine Kippbewegung versetzt.
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Rein exemplarisch ist der zweite pneumatische Aktor 3 ebenfalls als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet und weist ein weiteres Zylindergehäuse 32 auf, das einen weiteren Arbeitsraum 33 definiert, in dem das Aktorglied 15 verschiebbar aufgenommen ist, wobei der zweite Arbeitskolben 29 den weiteren Arbeitsraum 33 in eine dritte Druckkammer 34 und vierte Druckkammer 35 teilt. Für die Regelung der Bewegung des Aktorglieds 15 des zweiten pneumatischen Aktors 3 ist dieser über nicht dargestellte Fluidleitungen mit der Regeleinrichtung 2 verbunden. Der dritten Druckkammer 34 und der vierten Druckkammer 35 sind jeweils eine Massenstrommesseinheit 23 und jeweils eine Druckmesseinheit 25 zugeordnet und im Bereich der ersten Endlage und im Bereich der zweiten Endlage jeweils eine Positionsmesseinheit 26.
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Für ein möglichst dichtes Verschließen der Öffnung 8 verfügt das Ventilglied 10 an seiner der Öffnung 8 zugewandten Seite über ein umlaufendes, insbesondere gummielastisches, Dichtelement 13, wobei die für den Verschluss der Öffnung 8 erforderliche, auf das Dichtelement 13 wirkende Druckkraft durch den zweiten pneumatischen Aktor 3 bereitgestellt wird.