DE102023109007A1

DE102023109007A1 - Pneumatisches System

Info

Publication number: DE102023109007A1
Application number: DE102023109007.0A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Neumann; David Rager
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2023-04-11
Filing date: 2023-04-11
Publication date: 2024-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches System (1) mit einer Steuereinrichtung (2), die ein Ventilsystem (60), ein Sensorsystem (71) und ein Prozessorsystem (19) aufweist, wobei das elektrisch mit dem Prozessorsystem (19) verbundene Ventilsystem (60) für eine geregelte Druckluftzufuhr an einen ersten Arbeitsanschluss (29) sowie für eine geregelte Abluftabfuhr von einem ersten Arbeitsanschluss (29) ausgebildet ist und wobei das elektrisch mit dem Prozessorsystem (19) verbundene Sensorsystem (71) einen Versorgungsdrucksensor (42) und einen ersten Arbeitsdrucksensor (44) aufweist und für eine Verarbeitung von Sensorsignalen des Sensorsystems (71) und für eine Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem (60) ausgebildet ist, sowie mit einem Aktor (3), der einen ersten, größenveränderlich ausgebildeten Arbeitsraum (53) aufweist, der mit einem ersten Aktoranschluss (39) versehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein erster Fluidkanal (81), der zwischen dem ersten Aktoranschluss (39) und dem ersten Arbeitsraum (53) ausgebildet ist, einen vorgegebenen ersten Fluidkanalquerschnittsverlauf aufweist und dass eine erste Fluidleitung (38), die zwischen dem ersten Arbeitsanschluss (29) und dem ersten Aktoranschluss (39) ausgebildet ist, einen vorgegebenen ersten Fluidleitungsquerschnittsverlauf aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches System, mit einer Steuereinrichtung, die für eine pneumatische Ansteuerung eines Aktors ausgebildet ist und die ein Ventilsystem, ein Sensorsystem und ein Prozessorsystem aufweist, wobei das elektrisch mit dem Prozessorsystem verbundene Ventilsystem mit einem Versorgungsanschluss zur Verbindung mit einer Druckluftquelle, mit einem ersten Arbeitsanschluss zur Verbindung mit einem ersten Aktoranschluss und mit einem Abluftanschluss verbunden ist und für eine geregelte Druckluftzufuhr an den ersten Arbeitsanschluss sowie für eine geregelte Abluftabfuhr vom ersten Arbeitsanschluss ausgebildet ist und wobei das elektrisch mit dem Prozessorsystem verbundene Sensorsystem einen am Versorgungsanschluss angebrachten Versorgungsdrucksensor und einen am ersten Arbeitsanschluss angebrachten ersten Arbeitsdrucksensor aufweist, wobei das Prozessorsystem für eine Verarbeitung von Sensorsignalen des Sensorsystems und für eine Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem ausgebildet ist, sowie mit einem Aktor, der zur Umsetzung von pneumatischer Energie in Bewegungsenergie ausgebildet ist und der einen ersten, größenveränderlich ausgebildeten Arbeitsraum aufweist, der mit einem ersten Aktoranschluss versehen ist, über den die Druckluftzufuhr in den Arbeitsraum und die Abluftabfuhr aus dem Arbeitsraum erfolgt.
Die DE 10 2016 206 822 A1 offenbart ein Verfahren zur Druckluftversorgung eines Druckluftverbrauchers, der zwei fluidisch getrennte, kinematisch gekoppelte Arbeitsräume aufweist, wobei jedem der Arbeitsräume eine unabhängig ansteuerbare Ventilanordnung zugeordnet ist, die zwischen einer Sperrstellung, einer ersten Funktionsstellung für eine fluidisch kommunizierende Verbindung mit einer Fluidquelle und einer zweiten Funktionsstellung für eine fluidisch kommunizierende Verbindung mit einer Fluidsenke eingestellt werden kann und wobei jede der beiden Ventilanordnungen individuell in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Bewegungsaufgabe für den Druckluftverbraucher und in, vorzugsweise ausschließlicher, Abhängigkeit von wenigstens zwei Druckwerten aus der Gruppe: Versorgungsdruck, erster Arbeitsraumdruck, zweiter Arbeitsraumdruck, Auslassdruck, für eine Bereitstellung eines vorgebbaren Verlaufs für einen Fluidmassenstrom oder für eine Bereitstellung eines vorgebbaren Verlaufs für einen Fluiddruck im jeweiligen Arbeitsraum oder für eine Bereitstellung eine vorgebbaren Verlaufs eines Ventilquerschnitts eingestellt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein pneumatisches System zur Verfügung zu stellen, mit dem eine aktorferne Einstellung aller Aktorfunktionen verwirklicht werden kann.
Diese Aufgabe wird von einem pneumatischen System der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein erster Fluidkanal, der zwischen ersten Aktoranschluss und dem ersten Arbeitsraum ausgebildet ist, einen vorgegebenen ersten Fluidkanalquerschnittsverlauf aufweist und dass eine erste Fluidleitung, die zwischen dem ersten Arbeitsanschluss und dem ersten Aktoranschluss ausgebildet ist, eine vorgegebenen ersten Fluidleitungsquerschnittsverlauf aufweist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der erste Aktoranschluss als Fluidkupplung ausgebildet ist, an der eine rohrförmige, insbesondere eine schlauchartige, erste Fluidleitung angeschlossen werden kann, um eine fluidisch kommunizierende Verbindung mit dem ersten Arbeitsanschluss zu gewährleisten. Diese erste Fluidleitung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen vorgegebenen ersten Fluidleitungsquerschnittsverlauf aufweist. Dieser Fluidleitungsquerschnittsverlauf kann über die gesamte Länge der ersten Fluidleitung konstant sein oder kann wenigstens eine Querschnittsveränderungen aufweisen. Entscheidend ist, dass die erste Fluidleitung keine Vorrichtungen aufweist, die für eine Manipulation des Fluidleitungsquerschnittsverlaufs durch einen Benutzer eingerichtet sind, wie dies beispielsweise bei einer einstellbaren Drossel der Fall wäre, und dass der Fluidleitungsquerschnittsverlauf bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des pneumatischen Systems konstant ist. Hingegen spielt es keine Rolle, in welcher räumlichen Konfiguration die erste Fluidleitung verlegt ist, wobei für eine ordnungsgemäße Funktion des pneumatischen Systems sicherzustellen ist, dass während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs des pneumatischen Systems keine Veränderung des Fluidleitungsquerschnittverlaufs eintritt. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Fluidleitung über ihre gesamte Länge einen konstanten Querschnitt aufweist. Auch der erste Fluidkanal, der sich zwischen dem ersten Aktoranschluss und dem ersten Arbeitsraum erstreckt, weist einen vorgegebenen ersten Fluidkanalquerschnittsverlauf auf, der unveränderlich ist. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung für die Bereitstellung von Druckluft zum Aktor sowie die Abfuhr von Druckluft vom Aktor stets von konstanten Rahmenbedingungen ausgehen, sofern längerfristige Einflüsse wie beispielsweise Verschleißerscheinungen unberücksichtigt bleiben. Hierdurch ist es möglich, das gesamte Bewegungsverhalten des Aktors ausschließlich durch eine geeignete Einstellung oder Parametrisierung der
Steuereinrichtung vorzugeben, während auf Einstellungen wie beispielsweise Drosseleinstellungen, am Aktor und/oder an der ersten Fluidleitung verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Aktor für einen Bediener schlecht zugänglich im Inneren einer Bearbeitungsmaschine oder einer anderen Vorrichtung angebracht ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßig ist es, wenn der Aktor als einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet ist und ein Zylindergehäuse aufweist, in dem eine Zylinderbohrung ausgebildet ist, die längs einer Bohrungsachse erstreckt ist, die längs der Bohrungsachse einen konstanten Querschnitt aufweist und in der ein Arbeitskolben linearbeweglich längs der Bohrungsachse aufgenommen ist, der mit der Zylinderbohrung einen größenvariablen ersten Arbeitsraum begrenzt, dem der erste Aktoranschluss zugeordnet ist. Ein solcher Aktor ist auf die absolute Grundfunktion reduziert, er ermöglicht lediglich eine Umsetzung von pneumatischer Energie in Bewegungsenergie und weist keine Einrichtungen auf, mit denen abseits der Druckbeaufschlagung des ersten Arbeitsraums eine Einflussnahme auf das Bewegungsverhalten des Aktors genommen werden kann. Insbesondere sind weder im ersten Arbeitsraum noch am Arbeitskolben pneumatisch wirksame Einrichtungen zugeordnet, mit denen während einer Bewegung des Arbeitskolbens längs der Bewegungsachse ein Einfluss auf das Bewegungsverhalten des Arbeitskolbens genommen wird, wie dies beispielsweise bei einer mechanisch verwirklichten Endlagendämpfung der Fall wäre, die typischerweise ein zusätzliches Kolben-Zylindersystem erfordert, das in der Zylinderbohrung angeordnet ist.
Vorteilhaft ist es, wenn das Prozessorsystem derart für die Verarbeitung der Sensorsignale des Sensorsystems und für die Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem ausgebildet ist, dass mit der pneumatischen Ansteuerung für den Aktor wenigstens eine Funktion aus der Gruppe: Geschwindigkeitsregelung, Aktorpositionsbestimmung durchführbar ist. Hierbei ermittelt die Steuereinrichtung auf Basis von Sensorsignalen des Versorgungsdrucksensors und des ersten Arbeitsdrucksensors und unter Einbeziehung von vorausgegangenen Signalen, die an das Ventilsystem bereitgestellt wurden, eine Aktorposition. Aus der zeitlichen Ableitung der Aktorposition wird eine Aktorgeschwindigkeit ermittelt, die als Istwert einem Geschwindigkeitsregler zugeführt wird, der durch Abgleich mit einem Sollwert ein Steuersignal an das Ventilsystem bereitstellt, das darauf ausgerichtet ist, eine Differenz zwischen dem Istwert und dem Sollwert zu minimieren.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ventilsystem eine erste Ventilanordnung aufweist, die mit dem Versorgungsanschluss, mit dem ersten Arbeitsanschluss und mit dem Abluftanschluss verbunden ist und die eine 3/3-Wegeventilfunktion aufweist, wobei die erste Ventilanordnung aus der Gruppe: 3/3-Wege-Servoventil, 3/3-Wege-Schaltventil mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung, Vollbrückenschaltung aus vier 2/2-Servoventilen, Vollbrückenschaltung aus vier 2/2-Schaltventilen mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung, gebildet ist. Dabei können die jeweiligen Ventile wahlweise als Magnetventile, als pneumatisch vorgesteuerte Ventile oder als Piezoventile ausgebildet sein. Servoventile ermöglichen eine stufenlose Einstellung eines Ventilquerschnitts, durch den die Druckluft zum Aktor bzw. vom Aktor strömen kann. Schaltventile können bei einer Ansteuerung durch ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal in der Art eines Servoventils betrieben werden. Bei einer Vollbrückenschaltung sind vier 2/2-Wegeventile in der Art einer Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander verbunden und bilden damit zwei 3/3-Wegeventile nach.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der ersten Ventilanordnung ein elektrisch mit dem Prozessorsystem verbundener erster Ventilhubsensor zugeordnet ist und dass das Prozessorsystem dazu ausgebildet ist, aus einer Öffnungscharakteristik für die erste Ventilanordnung und einem Sensorsignal des Ventilhubsensors sowie dem Sensorsignal des ersten Arbeitsdrucksensors einen Durchfluss/Massenstrom für die erste Ventilanordnung zu ermitteln oder dass der ersten Ventilanordnung ein elektrisch mit dem Prozessorsystem verbundener erster Durchflussmesser zugeordnet ist, der für eine Ermittlung eines Durchflusses durch die erste Ventilanordnung ausgebildet ist. Ein Ventilhubsensor ist insbesondere dann für eine präzise Bereitstellung von Druckluft an den Aktor bzw. für eine präzise Abfuhr von Druckluft vom Aktor einzusetzen, wenn das Ventil oder die Ventile beispielsweise eine erhebliche Hysterese bezüglich der vom Prozessorsystem der Steuereinrichtung bereitgestellten Steuersignale aufweisen, wie dies beispielsweise bei Piezoventilen oder bei pneumatisch vorgesteuerten Ventilen der Fall sein kann. Anhand des Sensorsignals des Ventilhubsensors lässt sich ein tatsächlicher Ventilöffnungsgrad für das jeweilige Ventil ermitteln, der seinerseits unter Einbeziehung einer, beispielsweise empirisch ermittelten, Öffnungscharakteristik in einen Durchfluss oder einen Massenstrom der an den Aktor bereitgestellten oder vom Aktor abströmenden Druckluft umgerechnet werden kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass dem ersten Ventilsystem, insbesondere am ersten Arbeitsanschluss, ein erster Durchflussmesser angeordnet ist, der ein Sensorsignal an das Prozessorsystem bereitstellen kann.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Ventilsystem einen zweiten Arbeitsanschluss zur Verbindung mit einem zweiten Aktoranschluss aufweist und für eine geregelte Druckluftzufuhr an den zweiten Arbeitsanschluss sowie für eine geregelte Abluftabfuhr vom zweiten Arbeitsanschluss ausgebildet ist und dass das elektrisch mit dem Prozessorsystem verbundene Sensorsystem einen am zweiten Arbeitsanschluss angebrachten zweiten Arbeitsdrucksensor aufweist. Hierdurch wird das Ventilsystem in die Lage versetzt, einen doppeltwirkenden Aktor pneumatisch anzusteuern. Hierfür umfasst das Ventilsystem eine zweite Ventilanordnung, die mit dem Versorgungsanschluss, mit dem zweiten Arbeitsanschluss und mit dem Abluftanschluss verbunden ist und weist eine 3/3-Wegeventilfunktion auf, wobei die zweite Ventilanordnung aus der Gruppe: 3/3-Wege-Servoventil, 3/3-Wege-Schaltventil mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung, Vollbrückenschaltung aus vier 2/2-Servoventilen, Vollbrückenschaltung aus vier 2/2-Schaltventilen mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung, gebildet ist.
Dementsprechend ist es zweckmäßig, wenn der Aktor als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet ist und ein Zylindergehäuse aufweist, in dem eine Zylinderbohrung ausgebildet ist, die längs einer Bohrungsachse erstreckt ist, die längs der Bohrungsachse einen konstanten Querschnitt aufweist und in der ein Arbeitskolben linearbeweglich längs der Bohrungsachse aufgenommen ist, der die Zylinderbohrung in den größenvariablen ersten Arbeitsraum, dem der erste Aktoranschluss zugeordnet ist, und in einen größenvariablen zweiten Arbeitsraum, dem ein zweiter Aktoranschluss zugeordnet ist, unterteilt, wobei ein zweiter Fluidkanal, der zwischen dem zweiten Aktoranschluss und dem zweiten Arbeitsraum ausgebildet ist, einen vorgegebenen zweiten Fluidkanalquerschnittsverlauf aufweist und wobei eine zweite Fluidleitung, die zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss und dem zweiten Aktoranschluss ausgebildet ist, einen vorgegebenen zweiten Fluidleitungsquerschnittsverlauf aufweist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Prozessorsystem derart für die Verarbeitung der Sensorsignale des Sensorsystems und für die Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem ausgebildet ist, dass mit der pneumatischen Ansteuerung für den Aktor wenigstens eine Funktion aus der Gruppe: Endlagendämpfung, Einstellung einer Aktorsteifigkeit, durchführbar ist. Bei der Endlagendämpfung besteht die Zielsetzung darin, den Arbeitskolben am Ende eines durch das Zylindergehäuse bestimmten Bewegungswegs nicht ungebremst auf die Stirnfläche der Zylinderbohrung auflaufen zu lassen, wodurch einerseits unerwünschte Geräusche und andererseits ein erheblicher Verschleiß auftreten können. Bei konventionellen pneumatischen Systemen werden üblicherweise mechanische Vorkehrungen getroffen, um bei der Annäherung des Arbeitskolbens an die jeweilige Stirnfläche der Zylinderbohrung eine Abbremsung des Arbeitskolbens zu bewirken, ohne dass hierfür eine Einflussnahme bei der Belüftung und/oder Entlüftung des Aktors erfolgt. Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen pneumatischen System vorgesehen, durch eine versorgungseitige Reduzierung der Druckluftzufuhr zum Aktor, gegebenenfalls in Kombination mit einer Reduzierung einer Druckluftabfuhr vom Aktor, die gewünschte Abbremsung des Arbeitskolbens zu bewirken. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Endlagendämpfung in Abhängigkeit von der mechanischen Komponente, die von dem Aktor angetrieben oder bewegt werden soll, in einem breiten Spektrum angepasst werden kann, wodurch unterschiedlichste Bewegungsanforderungen für den Aktor erfüllt werden können. Darüber hinaus kann durch den Verzicht auf dem mechanische Endlagendämpfung eine kompaktere Konstruktion für den Aktor erzielt werden. Die Einstellung der Aktorsteifigkeit erfolgt durch eine Auswahl eines Druckniveaus für den ersten und den zweiten Arbeitsraum des Aktors, wobei die Bewegung des Arbeitskolbens unabhängig von dem gewählten Druckniveau und ausschließlich von der Druckdifferenz zwischen dem ersten Arbeitsraum und dem zweiten Arbeitsraum abhängig ist. Mit dem erfindungsgemäßen pneumatischen System kann die Aktorsteifigkeit innerhalb eines breiten Spektrums vorgegeben werden und für unterschiedliche Betriebszustände des Aktors in geeigneter Weise angepasst werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensorsystem einen am Abluftanschluss angebrachten Abluftdrucksensor aufweist und dass das Prozessorsystem zur Verarbeitung eines Sensorsignals des Abluftdrucksensors ausgebildet ist. Mit Hilfe des Abluftdrucksensors kann die Positionsbestimmung für den Arbeitskolben noch präziser durchgeführt werden und damit die gezielte Bereitstellung von Druckluft an den Aktor und die gezielte Entlüftung des Aktors verbessert werden, um dadurch zu einer verbesserten Regelung des Bewegungsverhalten des Aktors zu gelangen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinrichtung und der Aktor für eine ausschließliche Ferneinstellung von wenigstens einer Aktoreigenschaft aus der Gruppe: Geschwindigkeitsregelung, Aktorpositionsbestimmung, Endlagendämpfung, Einstellung einer Aktorsteifigkeit, ausgebildet sind. Der Aktor und die Fluidleitungen, die zwischen dem Aktor und der Steuereinrichtung verlaufen, weisen keine Einstellmöglichkeiten wie beispielsweise verstellbare Drosseln auf, sodass hier auch keine Einflussmöglichkeit auf das Verhalten des Aktors besteht. Vielmehr ist vorgesehen, dass das Aktorverhalten ausschließlich durch die Steuereinrichtung bestimmt wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Hierbei zeigt:

1 eine rein schematische Darstellung eines pneumatischen Systems und eines zugehörigen Aktors, und
2 eine rein schematische Darstellung einer Fluidverbindung zwischen einem Ventilsystem des pneumatischen Systems und einem Arbeitsraum des Aktors.

Ein in der 1 gezeigtes pneumatisches System 1 ist rein exemplarisch zur Bereitstellung einer Linearbewegung ausgebildet und umfasst hierzu eine Steuereinrichtung 2 und einen Aktor 3.
Beispielhaft umfasst die Steuereinrichtung 2 ein Ventilsystem 60, das als pneumatische Vollbrückenschaltung mit insgesamt vier jeweils als 2/2-Wege-Proportionalventile ausgebildeten Ventilelementen 4, 5, 6 und 7 verwirklicht ist. Rein exemplarisch ist jedes der Ventilelemente 4, 5, 6 und 7 als Magnetventil mit einem Magnetantrieb 8, 9, 10 und 11 als Betätigungseinrichtung ausgebildet und kann in der Art eines Servoventils, also mit einem sich beispielsweise proportional zu einem elektrischen Ansteuersignal einstellenden Ventilöffnungsgrad, betrieben werden. Bei einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausführungsform kann die Betätigungseinrichtung auch als Piezoantrieb oder magnetostriktiver oder anderweitig geeigneter Antrieb ausgebildet sein oder die Ventilelemente können als Piezoventile oder als fluidisch vorgesteuerte Ventile ausgebildet sein.
Jedes der Ventilelemente 4, 5, 6 und 7 kann bei geeigneter Beaufschlagung der zugeordneten Magnetantriebe 8, 9, 10 und 11 mit elektrischer Energie zwischen zwei Funktionsstellungen, insbesondere einer Sperrstellung und einer Öffnungsstellung, umgeschaltet werden. Hierzu sind die Magnetantriebe 8, 9, 10 und 11 über Steuerleitungen 15, 16, 17 und 18 mit einem Prozessorsystem 19 elektrisch verbunden, das einen Bestandteil der Steuereinrichtung 2 bildet und beispielhaft einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller umfasst.
Jedes der Ventilelemente 4, 5, 6 und 7 ist über zugeordnete Fluidleitungen 20 bis 27 mit zugeordneten fluidischen Knotenpunkten 28 bis 31 verbunden. Dabei bilden die Ventilelemente 4 und 5 eine erste Ventilanordnung, während die Ventilelemente 6 und 7 eine zweite Ventilanordnung bilden. Ferner ist beispielhaft vorgesehen, dass jedem der Ventilelemente 4 bis 7 ein individueller Ventilhubsensor 91, 92, 93 bzw. 93 zugeordnet ist, der in nicht näher dargestellter Weise elektrisch mit dem Prozessorsystem 19 verbunden ist und der zur Ermittlung eines tatsächlichen Ventilhubs ausgebildet ist.
Rein exemplarisch ist der fluidische Knotenpunkt 28, der auch als Versorgungsanschluss bezeichnet werden kann, über eine Versorgungsleitung 36 mit einer Fluidquelle 32 verbunden. Der fluidische Knotenpunkt 30, der auch als Abluftanschluss bezeichnet werden kann, ist über eine Abluftleitung 37 mit einem Fluidauslass verbunden ist, dem ein Schalldämpfer 33 zugeordnet ist. Der fluidische Knotenpunkt 29 bildet einen ersten Arbeitsanschluss des Ventilsystems 60 und ist über eine erste Fluidleitung 38 mit einem ersten Aktoranschluss 39 des Aktors 3 verbunden. Dabei ist ein erster Fluidkanal 81 zwischen dem ersten Aktoranschluss 39 und einem ersten Arbeitsraum 53 des Aktors 3 ausgebildet. Der fluidische Knotenpunkt 31 bildet einen zweiten Arbeitsanschluss des Ventilsystems 60 und ist über eine zweite Fluidleitung 40 mit einem zweiten Aktoranschluss 41 des Aktors 3 verbunden ist. Dabei ist ein zweiter Fluidkanal 82 zwischen dem zweiten Aktoranschluss 41 und einem zweiten Arbeitsraum 54 des Aktors 3 ausgebildet.
Der Versorgungsleitung 36 ist ein Versorgungsdrucksensor 42 zugeordnet. Der Abluftleitung 37 ist ein Abluftdrucksensor 43 zugeordnet. Der ersten Fluidleitung 38 ist ein erster Arbeitsdrucksensor 44 zugeordnet. Der zweiten Fluidleitung 40 ist ein zweiter Arbeitsdrucksensor 45 zugeordnet ist. Jeder der Drucksensoren 42 bis 45 ist jeweils für eine Erfassung des jeweiligen Fluiddrucks in der zugeordneten Fluidleitung 36, 37, 38 und 40 sowie für eine Bereitstellung eines druckabhängigen Sensorsignals über eine jeweils zugeordnete Sensorleitung 46 bis 49 an das Prozessorsystem 19 ausgebildet. Die Drucksensoren 42 bis 45 bilden dabei ein Sensorsystem 71.
Der Aktor 3 ist als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet, bei dem ein auch als bewegliche Wand bezeichneter Arbeitskolben 50 linearbeweglich in einer Zylinderbohrung 51 eines Zylindergehäuses 52 aufgenommen ist und dadurch den ersten größenvariablen Arbeitsraum 53 von dem zweiten größenvariablen Arbeitsraum 54 trennt. Beispielhaft ist der Arbeitskolben 50 mit einer Kolbenstange 55 verbunden, die den ersten Arbeitsraum 53 und eine Stirnseite das Zylindergehäuses 52 durchsetzt und die zusammen mit dem Arbeitskolben 50 längs eines geradlinigen Bewegungswegs 56 relativ, der parallel zu einer Bohrungsachse 57 des Zylindergehäuses 52 ausgerichtet ist, verschoben werden kann.
Wie der Darstellung der 2 entnommen werden kann, erstreckt sich die mehrteilig ausgebildete erste Fluidleitung 38 von dem auch als ersten Arbeitsanschluss bezeichneten fluidischen Knotenpunkt 29, der an einem gemeinsamen Ventilgehäuse 61 des ersten Ventilelements 4 und des zweiten Ventilelements 5 ausgebildet ist, bis zu dem ersten Aktoranschluss 39 des Zylindergehäuses 52. Beispielhaft umfasst die erste Fluidleitung 38 eine erste Steckkupplung 62, die am Ventilgehäuse 61 angebracht ist, einen ersten Fluidschlauchabschnitt 63, ein Kupplungsteil 64, einen zweiten Fluidschlauchabschnitt 68 und eine vierte Steckkupplung 67. Dabei ist die vierte Steckkupplung 67 in das Zylindergehäuse 52 eingeschraubt und gewährleistet damit eine fluiddichte Verbindung zwischen der ersten Fluidleitung 38 und dem ersten Arbeitsraum 53 des Aktors 3. Rein exemplarisch ist vorgesehen, dass der in das Zylindergehäuse 52 eingeschraubte Abschnitt der vierten Steckkupplung 67 damit auch einen ersten Fluidkanal 81 bildet.
Das Kupplungsteil 64 weist zur Verbindung des ersten Fluidschlauchabschnitts 63 mit dem zweiten Fluidschlauchabschnitt 68 eine zweite Steckkupplung 65 und eine dritte Steckkupplung 66 auf. Das Kupplungsteil 64 weist einen Stichkanal 69 auf, der für eine fluidische Ankopplung des ersten Arbeitsdrucksensors 44 ausgebildet ist. Rein exemplarisch sind die Steckkupplungen 62, 65, 66, 67 jeweils für eine werkzeuglose Festlegung von Endbereichen der jeweiligen Fluidschlauchabschnitte 63, 68 ausgebildet.
Wie der schematischen Darstellung der 2 entnommen werden kann, weisen alle Bestandteile der ersten Fluidleitung 38 einen vorgegebenen, nicht einstellbaren und damit unveränderlichen Querschnittsverlauf auf. Insbesondere weist die erste Fluidleitung 38 keine verstellbaren Drosseln auf. Eine eventuelle Krümmung der Fluidschlauchabschnitte 63, 68 während eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs des pneumatischen Systems 1 kann zumindest dann unbeachtlich bleiben, solange es durch die Krümmung nicht zu einer signifikanten Querschnittsveränderung kommt. Auch der Übergang zwischen der ersten Fluidleitung 38 und dem ersten Arbeitsraum 53 ist ohne Einstellmöglichkeiten zur Querschnittsveränderung ausgebildet,
Rein exemplarisch soll nachstehend beschrieben werden, welche Schritte in dem pneumatischen System 1 gemäß der 1 durchzuführen sind, um eine Bewegung des Arbeitskolbens 50 mit der gekoppelten Kolbenstange 55 zu bewirken. Beispielhaft soll der Arbeitskolben 50 ausgehend von der Position gemäß der Darstellung der 1 so bewegt werden, dass eine Stirnseite des Arbeitskolbens 50 in Anlage zu einer gegenüberliegend angeordneten Innenoberfläche 58 des Zylindergehäuses 52 kommt, also gemäß der Darstellung der 1 eine Bewegung des Arbeitskolbens 50 nach links erfolgt. Hierbei soll eine Abfolge einer gleichförmigen Beschleunigung des Arbeitskolbens 50 bis auf eine vorgebbare Zielgeschwindigkeit, anschließend eine gleichförmige Bewegung des Arbeitskolbens unter Beibehaltung der Zielgeschwindigkeit und zum Schluss eine Abbremsung des Arbeitskolbens 50 bis auf eine verschwindende Geschwindigkeit vorgesehen werden.
Für die geplante Bewegung des Arbeitskolbens 50 ist eine Zufuhr von druckbeaufschlagtem Fluid an den ersten Arbeitsraum 53 erforderlich, während eine Abfuhr von Fluid aus dem zweiten Arbeitsraum 54 vorgesehen werden muss. Um die gewünschte Bewegung für den Arbeitskolben 50 erzielen zu können, ist die Bereitstellung von vorgebbaren Fluidvolumenströmen zweckmäßig, da hierüber die Bewegungsgeschwindigkeit für den Arbeitskolben 50 präzise eingestellt werden kann. Dementsprechend ist beispielhaft eine Ansteuerung des Ventilelements 4 sowie des Ventilelements 6 vorzusehen, wobei über das Ventilelement 4 eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen der Fluidquelle 32, dem fluidischen Knotenpunkt 29 und dem ersten Aktoranschluss 39 hergestellt wird und wobei über das Ventilelement 6 eine fluidisch kommunizierende Verbindung zwischen dem zweiten Aktoranschluss 41, dem fluidischen Knotenpunkt 31 und dem Fluidauslass mit zugeordneten Schalldämpfer 33 hergestellt wird.
Um die Bewegung des Arbeitskolbens 50 gemäß dem vorstehend erläuterten Bewegungsprofil durchführen zu können, ermittelt das Prozessorsystem 19 zunächst die Sensorsignale der Drucksensoren 42 bis 45, um Druckverhältnisse über den beiden Ventilelementen 4 und 6 berechnen zu können. Anhand dieser Druckverhältnisse kann in einem nachfolgenden Schritt in dem Prozessorsystem 19 für jedes der Ventilelemente 4 und 6 ein Durchflusswert für das jeweilige Ventilelement 4, 6 aus den beiden Fluiddrücken und einer für jedes der Ventilelemente 4 bis 67 im Prozessorsystem 19 gespeicherten Durchflussfunktion ermittelt werden. Anschließend erfolgt eine Verknüpfung des jeweils ermittelten Durchflusswerts mit einem vorgebbaren Fluidvolumenstrom oder Fluidmassenstrom, der dem jeweiligen Arbeitsraum 53, 54 zur Verfügung gestellt werden soll, um die gewünschte Bewegung des Arbeitskolbens 50 zu erzielen. Das Ergebnis dieser Verknüpfung wird als Leitwert bezeichnet und wird zur Ermittlung einer benötigten Betätigungsenergie für den jeweiligen Magnetantrieb 8, 10 benötigt. Die Betätigungsenergie wird für jeden der Magnetantriebe 8, 10 durch Verknüpfung des Leitwerts mit einer, insbesondere experimentell ermittelten, Ventilkennlinie ermittelt. Anschließend wird die Betätigungsenergie an die jeweiligen Magnetantriebe 8, 10 bereitgestellt und führt dort zu einer Bewegung der jeweiligen, nicht näher bezeichneten Ventilschieber der jeweiligen Ventilelemente 4, 6 und somit zu einer Freigabe einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zwischen den jeweiligen fluidischen Knotenpunkten 28 und 29 bzw. 31 und 30.
Durch die Ansteuerung der jeweiligen Ventilelemente 4, 6 stellt sich jeweils ein Fluidvolumenstrom oder Fluidmassenstrom zwischen der Fluidquelle 32 und dem zweiten Arbeitsraum 54 sowie zwischen dem ersten Arbeitsraum 53 und dem Schalldämpfer 33 ein, der mit einer Änderung der Drücke in den jeweiligen Fluidleitungen 20 bis 27 einhergeht. Durch zyklisch wiederkehrende Bestimmung der Sensorsignale der Drucksensoren 42 bis 45 sowie die nachfolgende Verarbeitung der Druckverhältnisse gemäß der vorstehenden Vorgehensweise kann das Prozessorsystem 19 die Fluidvolumenströme für die beiden Arbeitsräume 53, 54 des Aktors 3 so einstellen, dass das gewünschte Bewegungsprofil für den Arbeitskolben 50 eingehalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016206822 A1 [0002]

Claims

Pneumatisches System (1), mit einer Steuereinrichtung (2), die für eine pneumatische Ansteuerung eines Aktors (3) ausgebildet ist und die ein Ventilsystem (60), ein Sensorsystem (71) und ein Prozessorsystem (19) aufweist, wobei das elektrisch mit dem Prozessorsystem (19) verbundene Ventilsystem (60) mit einem Versorgungsanschluss (28) zur Verbindung mit einer Druckluftquelle (32), mit einem ersten Arbeitsanschluss (29) zur Verbindung mit einem ersten Aktoranschluss (39) und mit einem Abluftanschluss (30) verbunden ist und für eine geregelte Druckluftzufuhr an den ersten Arbeitsanschluss (29) sowie für eine geregelte Abluftabfuhr vom ersten Arbeitsanschluss (29) ausgebildet ist und wobei das elektrisch mit dem Prozessorsystem (19) verbundene Sensorsystem (71) einen am Versorgungsanschluss (28) angebrachten Versorgungsdrucksensor (42) und einen am ersten Arbeitsanschluss (29) angebrachten ersten Arbeitsdrucksensor (44) aufweist, wobei das Prozessorsystem (19) für eine Verarbeitung von Sensorsignalen des Sensorsystems (71) und für eine Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem (60) ausgebildet ist, sowie mit einem Aktor (3), der zur Umsetzung von pneumatischer Energie in Bewegungsenergie ausgebildet ist und der einen ersten, größenveränderlich ausgebildeten Arbeitsraum (53) aufweist, der mit einem ersten Aktoranschluss (39) versehen ist, über den die Druckluftzufuhr in den ersten Arbeitsraum (53) und die Abluftabfuhr aus dem ersten Arbeitsraum (53) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Fluidkanal (81), der zwischen dem ersten Aktoranschluss (39) und dem ersten Arbeitsraum (53) ausgebildet ist, einen vorgegebenen ersten Fluidkanalquerschnittsverlauf aufweist und dass eine erste Fluidleitung (38), die zwischen dem ersten Arbeitsanschluss (29) und dem ersten Aktoranschluss (39) ausgebildet ist, einen vorgegebenen ersten Fluidleitungsquerschnittsverlauf aufweist.
Pneumatisches System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als einfachwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet ist und ein Zylindergehäuse aufweist, in dem eine Zylinderbohrung ausgebildet ist, die längs einer Bohrungsachse erstreckt ist, die längs der Bohrungsachse einen konstanten Querschnitt aufweist und in der ein Arbeitskolben linearbeweglich längs der Bohrungsachse aufgenommen ist, der mit der Zylinderbohrung einen größenvariablen ersten Arbeitsraum begrenzt, dem der erste Aktoranschluss zugeordnet ist.
Pneumatisches System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessorsystem (19) derart für die Verarbeitung der Sensorsignale des Sensorsystems (71) und für die Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem (60) ausgebildet ist, dass mit der pneumatischen Ansteuerung für den Aktor (3) wenigstens eine Funktion aus der Gruppe: Geschwindigkeitsregelung, Aktorpositionsbestimmung durchführbar ist.
Pneumatisches System (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem (60) eine erste Ventilanordnung (4, 5) aufweist, die mit dem Versorgungsanschluss (28), mit dem ersten Arbeitsanschluss (29) und mit dem Abluftanschluss (30) verbunden ist und die eine 3/3-Wegeventilfunktion aufweist, wobei die erste Ventilanordnung (4, 5) aus der Gruppe: 3/3-Wege-Servoventil, 3/3-Wege-Schaltventil mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung, Vollbrückenschaltung aus vier 2/2-Servoventilen, Vollbrückenschaltung aus vier 2/2-Schaltventilen mit pulsweitenmodulierter Ansteuerung, gebildet ist.
Pneumatisches System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Ventilanordnung (4, 5) ein elektrisch mit dem Prozessorsystem (19) verbundener erster Ventilhubsensor (91, 92) zugeordnet ist und dass das Prozessorsystem (19) dazu ausgebildet ist, aus einer Öffnungscharakteristik für die erste Ventilanordnung (4, 5) und einem Sensorsignal des Ventilhubsensors (91, 92) sowie dem Sensorsignal des ersten Arbeitsdrucksensors (44) einen Durchfluss/Massenstrom für die erste Ventilanordnung (4, 5) zu ermitteln oder dass der ersten Ventilanordnung ein elektrisch mit dem Prozessorsystem verbundener erster Durchflussmesser zugeordnet ist, der für eine Ermittlung eines Durchflusses durch die erste Ventilanordnung ausgebildet ist.
Pneumatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem (60) einen zweiten Arbeitsanschluss (31) zur Verbindung mit einem zweiten Aktoranschluss (41) aufweist und für eine geregelte Druckluftzufuhr an den zweiten Arbeitsanschluss (41) sowie für eine geregelte Abluftabfuhr vom zweiten Arbeitsanschluss (41) ausgebildet ist, dass das elektrisch mit dem Prozessorsystem (19) verbundene Sensorsystem (71) einen am zweiten Arbeitsanschluss (31) angebrachten zweiten Arbeitsdrucksensor (45) aufweist.
Pneumatisches System (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (3) als doppeltwirkender Pneumatikzylinder ausgebildet ist und ein Zylindergehäuse (52) aufweist, in dem eine Zylinderbohrung (51) ausgebildet ist, die längs einer Bohrungsachse (57) erstreckt ist, die längs der Bohrungsachse (57) einen konstanten Querschnitt aufweist und in der ein Arbeitskolben (50) linearbeweglich längs der Bohrungsachse (57) aufgenommen ist, der die Zylinderbohrung (51) in den größenvariablen ersten Arbeitsraum (53), dem der erste Aktoranschluss (39) zugeordnet ist, und in einen größenvariablen zweiten Arbeitsraum (54), dem ein zweiter Aktoranschluss (41) zugeordnet ist, unterteilt, wobei ein zweiter Fluidkanal (82), der zwischen dem zweiten Aktoranschluss (41) und dem zweiten Arbeitsraum (54) ausgebildet ist, einen vorgegebenen zweiten Fluidkanalquerschnittsverlauf aufweist und wobei eine zweite Fluidleitung (40), die zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss (31) und dem zweiten Aktoranschluss (41) ausgebildet ist, einen vorgegebenen zweiten Fluidleitungsquerschnittsverlauf aufweist.
Pneumatisches System (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessorsystem (19) derart für die Verarbeitung der Sensorsignale des Sensorsystems (71) und für die Bereitstellung von Steuersignalen an das Ventilsystem (60) ausgebildet ist, dass mit der pneumatischen Ansteuerung für den Aktor (3) wenigstens eine Funktion aus der Gruppe: Endlagendämpfung, Einstellung einer Aktorsteifigkeit, durchführbar ist.
Pneumatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem (71) einen am Abluftanschluss (30) angebrachten Abluftdrucksensor (43) aufweist und dass das Prozessorsystem (19) zur Verarbeitung eines Sensorsignals des Abluftdrucksensors (43) ausgebildet ist.
Pneumatisches System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (2) und der Aktor (3) für eine ausschließliche Ferneinstellung von wenigstens einer Aktoreigenschaft aus der Gruppe: Geschwindigkeitsregelung, Aktorpositionsbestimmung, Endlagendämpfung, Einstellung einer Aktorsteifigkeit, ausgebildet sind.