DE3342060A1 - Hydropneumatische antriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft hydropneumatische Antriebsvorrichtungen mit einer aktiven pneumatischen Einrichtung und einer passiven hydraulischen Einrichtung, die derart miteinander mit einem Antriebsglied verbunden sind, daß das Antriebsglied durch die aktive pneumatische Einrichtung in Bewegung und durch Beschränkung des Flüssigkeitsflusses (fluid flow) innerhalb der hyraulischen Einrichtung gesteuert wird. Die hydropneumatische Antriebsvorrichtung der vorliegenden Erfindung dient insbesondere dem Gebrauch in Verbindung mit industriellen Manipulatoren oder Robotern, deren optimale Nutzanwendung extrem genaue, schnelle und vielseitige Steuerung der Bewegungen ihrer Antriebsglieder erfordert.

Industrielle Antriebseinrichtungen, die durch Druckluft angetrieben werden, besitzen die Vorteile der schnellen Bewegungsfähigkeit, sind sauber und relativ preiswert einzubauen, in Betrieb zu nehmen und zu betreiben. Die meisten industriellen Anlagen besitzen vorhandene Druckluftquellen mit denen die Einrichtungen leicht verbunden werden können. Geringe undichte Stellen (leakages) der Druckluft und deren Entleerung in die Atmosphäre sind gewöhnlich zulässig. Die Hauptnachteile der reinen pneumatischen Antriebseinrichtung ist die Tatsache, daß ihre Ausgangsbewegungen bezüglich der natürlichen (von der Natur aus gegebenen) "Elastizität" der Luft, wie beispielsweise ihre Fähigkeit umfangreichen Zusammendrückens und nachfolgender Ausdehnung nicht genau gesteuert werden können.

Die Ausgangsbewegung der aktiven pneumatischen Antriebseinrichtungen können hinsichtlich der relativen Inkompressibilität einer hydraulischen Flüssigkeit im Vergleich zu Luft genauer gesteuert werden. Die Pumpen und Pumpmotoren der aktiven hydraulischen Antriebseinrichtung sind jedoch laut , hinsichtlich der Beschaffung und Aufrechterhaltung teuer und der Kreislauf zum Zuleiten und Abpumpen

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der hydraulischen Flüssigkeit und seiner zugehörigen Bestandteile umfaßt notwendigerweise verschiedene Anschlußstücke, die möglicherweise zum hydraulischen Flüssigkeitsverlust beitragen.
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Unter Beachtung der oben genannten relativen Vorteile und Nachteile der reinen pneumatischen und reinen hydraulischen Antriebseinrichtung, wurde der Gebrauch der hybriden hydropneumatisehen Antriebsvorrichtung bereits vorgeschlagen.

Derartige Vorrichtungen verwenden eine aktive pneumatische Einrichtung und eine passive (wie zum Beispiel "pumplose") hydraulische Einrichtung, die miteinander und mit einem Antriebsglied in derartiger Weise verbunden sind, daß die Bewegung, die dem Antriebsglied durch den pneumatischen Antriebsmechanismus verliehen wird, innerhalb der hydraulischen Einrichtung einen Flüssigkeitsfluß erzeugt und durch Beschränkung dessen zu steuern ist. Bei allen bekannten früheren hydropneumatisehen Antriebsvorrichtungen, die anders sind, als solche, die Ventile verwenden, die nur manuell gestellt werden können, bestehen die Einrichtungen, die zur Begrenzung des Flüssigkeitsflusses innerhalb der hydraulischen Einrichtungen gebraucht werden, aus einem oder mehreren Ventilen, die durch ein Solenoid oder dergleichen betrieben werden und nur zwei Betriebszustände besitzen, wobei bei dem einen der Flüssigkeitsfluß entweder hauptsächlich unbegrenzt oder im wesentlichen.völlig begrenzt und bei dem anderen der Flüssigkeitsfluß bei einer konstanten Ausdehnung teilweise beschränkt ist. Wenn ein einziges derartiges Ventil verwendet wird, ist die einzige Steuerung, die dadurch über die Bewegung des Antriebsgliedes ausführbar ist, eine derartige Bewegung entweder plötzlich anzuhalten und/oder die Geschindigkeit des Antriebsgliedes zwischen einer maximalen erreichbaren Schnelligkeit und einer anderen Geschwindigkeit von geringerem konstanten Betrag abrupt zu verändern. Bei einigen bekannten hydropneumatischen Antriebvorrichtungen, wie bei denen, die in den

U.S. Patenten Nr. 2,878,873 und 3,802,318 offenbart sind, werden eine Vielzahl ovn hydraulischen Flüssigkeits-Steuerventilen der oben genannten zwei Zustandstypen in Verbindung miteinander verwendet. Die getrennte Betätigung der Ventile ermöglicht die Geschwindigkeit des Antriebsgliedes entweder direkt oder in definierten Stufen zwischen der maximalen erreichbaren Geschwindigkeit und zwei oder drei, anstelle von nur einer, herabgesetzten Geschwindigkeiten mit vorher bestimmten konstanten Beträgen, zu verändern.

Obwohl eine Verbesserung von Vorrichtungen, die ein einziges Zwei-Zustandsventil zur hydraulischen Flüssigkeitssteuerung benutzen, erreicht wurde, sind die Mehrfachventilvorrichtungen gleichermaßen imstande, nur begrenzte Veränderungen hinsichtlich der Geschwindigkeit des Antriebsgliedes zu bewirken und sind völlig unfähig die Rate der Veränderungen der Antriebsgliedgeschwindigkeit von einem definierten Pegel zum nächsten definierten Pegel zu steuern. Die vollen Leistungsmöglichkeiten hochentwickelter Arten von Industrierobotern und dergleichen können durch eine hydropneumatische Antriebsvorrichtung nicht erreicht werden, die die Geschwindgkeit des Antriebsrobotergliedes zwischen einer nur kleinen Anzahl von definierten Größen oder Niveaus verändern und die die positiven/oder negativen Beschleunigungskräfte, die dem Antriebsglied während seines Geschwindigkeitswechsels von einem derartigen Niveau zum anderen auferlegt werden, nicht steuern kann.

Ein anderer bedeutender Mangel von hydropneumatischen Antriebsvorrichtungen, die solenoidbetriebene Ventile zur Begrenzung des Flusses hydraulischer Flüssigkeit benutzen, besteht in der langsamen Betriebsweise derartiger Ventile. Jeder Übergang von einem zum anderen Betriebszustand der Ventile muß die Errichtung oder der Abbau eines Magnetfeldes mit bedeutender Intensität vorangehen. Die für ein derartiges Feld zum Aufbau und Abbau erforderliche Zeitverzögerung ist dann von Bedeutung, wenn, verglichen mit den hohen Geschwindigkeiten des Arbeitsablaufes und der

Steuerung/ die bei einigen Verwendungen von industriellen Manipulatoren oder Robotern gewünscht sind, die Leistung bei derartigen Anwendungen nachteilig beeinflußt würde.

Die Aufgaben, zu denen ein Industrieroboter oder dergleichen herangezogen werden kann, sind sehr verschieden und wenigstens einige können ihre Antriebsglieder innerhalb von Toleranzen von einigen hundertstel Millimeter (thousanth inch) einstellen. Um eine derartige genaue Einstellung des Antriebsgliedes mit einer hydropneumatischen Antriebsvorrichtung durchzuführen, muß der letztere erstens Einrichtungen aufweisen, die zur genauen Feststellung der von dem Antriebsglied bei im wesentlichen jedes möglichen Platzes entlang seines Weges eingenommenen Position imstande sind, im Gegensatz zu derartigen Stellungen, die zufällig genau mit einem von vielen räumlichen Markierungen (spaced indicia) eines angeschlossenen Meßgerätes übereinstimmen. Zweitens müssen die Ventileinrichtungen die den hydraulischen Flüssigkeitsfluß innerhalb der hydraulischen Einrichtung der Vorrichtung einschränken zur Ausführung sehr kleiner Veränderungen in den Flüssigkeitsfluß-Zuständen, wenn nötig, fähig sein.

Die vorliegende Erfindung sieht eine verbesserte hydropneumatische Antriebsvorrichtung vor, die alle vergangenen wesentlichen Eigenschaften und Fähigkeiten die zur Erzeugung gesteuerter Bewegungen des Antriebsgliedes eines industriellen Manipulators, Roboters oder dergleichen gewünscht werden, aufweist. Die Antriebsvorrichtung kann eine gesteuerte Bewegung des Antriebsgliedes in jeder gewünschten unbegrenzten Anzahl verschiedener Geschwindigkeiten bewirken. Sie kann ebenfalls alle Beschleunigungen des Antriebsgliedes steuern, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Schnelligkeit und Sicherheit des Arbeitsablaufes herzustellen. Die Vorrichtung besitzt

ferner die Fähigkeit, das Antriebsglied zu jedem gewünschten Ort entlang seines Weges exakt einzustellen.

Die Antriebsvorrichtung weist Steuereinrichtungen, vorzugsweise in Form eines programmierbaren Computers, die Steuersignale zu einer befehlsbeantwortenden Ventileinrichtung leiten, die den Flüssigkeitsfluß innerhalb der hydraulischen Einrichtung der Antriebsvorrichtung beschränken kann, auf. Entsprechend der Steuersignale wird die Ventilvorrichtung entweder einen Zustand des hauptsächlich unbeschränkten Flüssigkeitsflusses, einen Zustand des im wesentlichen völlig begrenzten Flüssigkeitsflusses oder irgendeinen befohlenen einer im wesentlichen unbegrenzten Anzahl von teilweise beschränkten Flüssigkeitsfluß-Zuständen einnehmen. Wenn die Bewegung des Antriebsgliedes durch die Vorrichtung direkt auf den Flüssigkeitsfluß-Zustand innerhalb der passiven hydraulischen Einrichtung bezogen ist, sind im wesentlichen unbegrenzte Veränderungen der Geschwindigkeitsstufe und Beschleunigung des Antriebsgliedes möglich. Um sicherzustellen, daß alle befohlenen Veränderungen des Flüssigkeitsfluß-Zustandes sofort durch die Ventileinrichtung ausgeführt werden, besteht diese aus eiern schnell wirksamen Typ, der ein Stellglied besitzt, das ein konstant aufrechterhaltendes Magnetfeld verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Antriebsvorrichtung ferner eine Betriebsüberwachungseinrichtung zum fortwährenden Ermitteln und zum elektronischen Melden der Positionen, die durch das Antriebsglied entlang seines Weges belegt werden. Die überwachten Positionsdaten werden, wenn sie in Wechselbeziehungen mit der Zeit ebenfalls die Geschwindigkeit und Beschleunigung des Antriebsgliedes zeigen, fortlaufend zum Steuercomputer übertragen und benutzt, um die Steuersignale, die zu den Ventileinrichtungen übertragen werden, anzupassen, wobei die Anpassung

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bewirken soll, daß die Bewegung des Antriebsgliedes und/oder die Position in eine genauere Übereinstimmung mit dem durch das Computerprogramm Vorgeschriebene gebracht wird. Ungeachtet des optischen Rasters und ähnlichen Positionsanzeigen, deren Genauigkeit von der Entfernung zwischen räumlichen Markierungen (spaced indicia) abhängig ist und begrenzt wird, stellt die bevorzugte Betriebsüberwachungseinrichtung der vorliegenden hydropneumatischen Vorrichtung einen Typ dar, der imstande ist, ohne fehlererzeugende Hochrechnung oder dergleichen im Grunde genommen jede Position genau zu ermitteln und zu melden.

Andere Hauptmerkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung eines Ausführungbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht. Es stellen dar:

Fig. 1 eine teilweise schematische Darstellung, in der einige Bestandteile einer hydropneumatischen Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung im Aufriß und andere im Querschnitt gezeigt werden,

Fig. 2 eine Ansicht, im wesentlichen entlang der Linie 2-2 von Fig. 1, die Bestandteile der überwachungseinrichtung des hydropneumatischen Antriebs teilweise im Querschnitt und teilweise im Aufriß zeigt,

Fig. 3 einen vergrößerten und teilweise schematischen Querschnitt des befehlsbeantwortenden Ventils zur Begrenzung des Flüssigkeitsstromes innerhalb der hydraulischen Einrichtung der Vorrichtung,

Fig. 4 und 5 Diagramme, die einige der relativen Steuermöglichkeiten der Vorrichtung und anderer hydropneumatischer Antriebe zeigen.

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Die hydropneumatische Antriebsvorrichtung, die in ihrer Gesamtheit in Fig. 1 der Zeichnungen durch die Nr. 10 dargestellt ist, umfaßt eine aktive pneumatische Antriebseinrichtung in Form eines Kolben- und Zylinderaufbaus 12 und eines zugehörigen pneumatischen Schaltkreises und eine passive hydraulische Steuereinrichtung in Form eines Kolben- und Zylinderaufbaus 14 und eines zugehörigen hydraulischen Schaltkreises. Die Vorrichtung 10 umfaßt ferner eine Überwachungseinrichtung 16 zur fortlaufenden überwachung der Position eines Antriebsgliedes 18, das einen Teil eines Industrieroboters (nicht gezeigt) oder dergleichen darstellt, an das die Vorrichtung 10 bei Gebrauch angeschlossen ist, und eine Steuereinrichtung, vorzugsweise und zur Veranschaulichung in Form eines programmierbaren Computers 20, der fortlaufend Eingangsdaten von der überwachungseinrichtung 16 und von einem internen oder externen Computerprogramm 21 empfängt, das die Bewegungen vorschreibt, die das Teil 18 zur optimalen Ausführung seiner beabsichtigten Wirkungsweise durchlaufen soll. Der Computer 20 steht in fortlaufender Wechselbeziehung mit den oben genannten Eingangsdaten und leitet die Steuersignale zu den nachstehend beschriebenen Ventilbauteilen der Vorrichtung 10, um die tatsächlichen Bewegungen des Antriebsgliedes 18 genau oder so nah wie möglich an die gewünschten optimalen Bewegungen anzupassen.

Der Aufbau 12 des aktiven pneumatischen Mechanismus der Vorrichtung 10 besteht zur Veranscha.ulichung aus einem herkömmlichen Typ aus Zylinder-, Kolben- und Stangenbauteilen 22, 24 bzw. 26. Das freie Ende der Stange 26 ist fest mit einem starren Teil 28 verbunden, das in Reihe mit dem Antriebsteil 18 starr verbunden ist, so daß die Bewegung des Kolbens 24 nach links oder rechts innerhalb des an einem Rahmen befestigten Zylinders 22 entsprechende links- oder rechtsgerichtete Bewegungen des Teiles 18 erzeugt. Die an die gegenüberliegenden Enden des Zylinders 22 angrenzenden

Öffnungen 30, 32 sind mit elektrisch betriebenen Steuerventilen 34 bzw. 36 verbunden. Jedes Ventil kann seine zugehörige Öffnung entweder mit einem Entleerrohr (exhaust conduit) 38 oder mit einem Rohr (conduit) 40, das zu einer Druckluftquelle führt (nicht gezeigt), verbinden. Der Druck der aus der Quelle stammenden Luft ist nicht kritisch, aber liegt normalerweise bei ungefähr 689,5 kPa (100 psi). Es sei denn, wie nachfolgend beschrieben, die Bewegung des Kolbens 24 und des Teiles 18 nach rechts erfolgt gedämpft, wenn die dazu ausgerichteten Steuersignale bewirken, daß das Ventil 34 die Öffnung 30 mit der Druckluftzufuhr 40 und das Ventil 36 die Öffnung 32 mit dem Entleerrohr 38 verbindet, bzw. die Bewegung erfolgt in Gegenrichtung, wenn die vorher genannten Betriebszustände der Ventile umgekehrt sind.

Der Kolben- und Gehäuseaufbau 14 der hydraulischen Einrichtung der Vorrichtung 10 erstreckt sich parallel zu dem oben beschriebenen Kolbenzylinderaufbau 12 und entspricht diesem. Die Stange 44 des Aufbaus 14 erstreckt sich jedoch vorzugsweise und anschaulicherweise von beiden Seiten des Kolbens 48 innerhalb des am Rahmen angebrachten Zylinders 46 des Aufbaus und ragt an beiden Enden des Zylinders vor. Eine derartige Konstruktion gleicht die Flächen der gegenüberliegenden "Arbeits"-Seiten des Kolbens 48 aus, und bewirkt auf diese Weise, daß eine gleich große Kraft durch einen gegebenen Flüssigkeitsdruck innerhalb jedes Abschnitts des Zylinders 46 darauf aufgebracht wird.

Ein Ende der Stange 44 ist am starren Teil 28, das das Antriebsglied 18 und die Stange 26 des pneumatischen Kolben- und Zylinderaufbaus 12 miteinander verbindet. Eine andere Stange 50, die sich parallel zu den oben genannten erstreckt und gleichermaßen an einem Ende des Teiles 28 befestigt ist, ist an ihrem gegenüberliegenden Ende mit einem

Magnetkopf 52, der einen Teil der Vorrichtung 16 zum Überwachen der Stellung des Antriebsgliedes 18 bildet, verbunden. Aufgrund ihrer gemeinsamen Verbindung mit dem starren Teil 28 werden alle dem Antriebsglied 18 durch den Kolben 24 des pneumatischen Aufbaus 12 verliehenen Bewegungen von gleichzeitigen und entsprechenden Bewegungen des Kolbens 48 des Aufbaus 14 und auch von gleichzeitigen und entsprechenden Bewegungen des Magnetkopfes 52 der Betriebsüberwachungseinrichtung 16 begleitet.

Die Betriebsüberwachungseinrichtung 16 stellt einen bekannten und handelsüblichen Typ, der von Temposonics, Inc. of Plainview, New York, verkauft wird, dar. Zusätzlich zum Magnetkopf 52 umfaßt sie. einen elektronischen Abschnitt 54, von dem sich eine verlängerte röhrenförmige Umhüllung 5 6 erstreckt. Der Magnetkopf 52 überlagert die Umhüllung 56 geschlossen, die aus nicht-eisenhaltigem Material besteht, und wird durch Bewegung des Antriebsgliedes 18 aufgrund seiner oben beschriebenen Verbindung über den Stab 50 mit dem starren Teil 28 in Längsrichtung verlagert. Ein Wellenleiterdraht (waveguide wire) 58 (Fig. 2), der aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit einem niedrigen thermoelastischen Koeffizient besteht, erstreckt sich mitten durch die Umhüllung. 56 und durch das Magnetfeld des Kopfes 52, der in Längsrichtung der Umhüllung bewegbar ist. Stromimpulse, die durch den Draht 58 geschickt werden und auf das oben genannte Magnetfeld einwirken, erzeugen Drehbeanspruchungsimpulse, die zu einer festgelegten Empfangsstation (nicht aufgezeigt) laufen. Die gemessene Zeit zwischen der übertragung jedes elektronischen Impulses bis zum Empfang jedes induzierten Drehtorionsimpulses hängt von der Stellung des Kopfes 52 entlang der Umhüllung 56 oder genauer von der Stellung des Magnetfeldes des Kopfes entlang des Drahtes 58 ab. Bei angemessener Bearbeitung durch die elektronischen Bauteile der Betriebsüberwachungseinrichtung 16 und/oder des Steuercomputers 20 zeigen die Impuls-Zeit-Daten genau

die durch den Kopf 52 besetzten Stellungen und auf diese Weise des Antriebsgliedes 18 während des Betriebs der Vorrichtung 10 und ferner, im Zeitverhältnis miteinander, die Rate und die Veränderungsrate der gleichzeitigen Bewegungen des Kopfes 52 und des Antriebsgliedes 18 an.

Bei dem oben beschriebenen Kolben-Zylinderaufbau 14 sind die gegenüberliegenden angrenzenden Enden der Öffnungen 60 61 über die Rohre 62 bzw. 63 mit den Öffnungen 64 bzw. 66 (siehe ebenfalls Fig. 3) eines befehlsbeantwortenden Steuerventils 68, das ein Drehmotor-Stellglied 70 innerhalb eines Gehäuses 72, das mit dem Hauptkörper 74 des Ventils verbunden oder in diesem integriert ist, aufweist, verbunden. Wie in Fig. 3 der Zeichnungen gezeigt, umfaßt das Ventil 68 ein Schieberteil 76, das drei im Durchmesser vergrößerte Abschnitte, die durch im Durchmesser kleinerer Stangenabschnitte miteinander und mit dem Stellglied 70 verbunden sind, besitzt. Das Teil 76 ist eng sitzend und axial gleitbar innerhalb einer zylinderförmigen Kammer 78 angeordnet, die innerhalb des Ventilkörpers 74 vorgesehen ist und mit Doppelverzweigungen mit jeder Ventilöffnung 64, 66 in Verbindung steht. Die Federn 79, die an die gegenüberliegenden Enden der Kammer 78 angrenzen, spannen den Schieber 76 gegen seine dargestellten Vollinien-Stellung vor, in der der Flüssigkeitsfluß zwischen den Ventilöffnungen 64, 66 und daher zwischen den Öffnungen 60, 61 (Fig. 1) des Zylinders 46 völlig begrenzt oder blockiert wird. Die Achsenbewegung des Schiebers 76 zu seiner dargestellten Phantomlinien-Stellung ermöglicht einen in der Hauptsache unbeschränkten oder vollen Flüssigkeitsfluß zwischen den Ventilöffnungen 64, 66 und somit zwischen den Zylinderöffnungen 60, 61. Wenn der Schieber 76 eine der unzähligen Stellungen, zu denen er zwischen seiner dargestellten Vollinie und Phantomlinie bewegt werden kann, besetzt, wird der Flüssigkeitsfluß zwischen den Ventilöffnungen 64, 66 und den Zylinderöffnungen 60, 61 teilweise begrenzt auf

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eine Ausdehnung, die von der spezifischen dazwischenliegenden Stellung, die dann durch den Schieber besetzt wird, abhängig ist. Die extrem genaue und schnelle Bewegung des Schiebers 76 zu und zwischen seinen gewünschten oben genannten Stellungen wird durch das Drehmomentmotor-Stellglied in Erwiderung der Befehlssignale, die vom Steuercomputer (Fig. 1) abgegeben werden, bewirkt. Das Stellglied 70 besteht aus einer bekannten Ausführung, die einen Magnet 80 mit gegenüberliegenden Polschuhen, zwischen denen ein Magnetfeld (nicht gezeigt) fortwährend aufrechterhalten wird. Ein drehbar angebrachter Magnetanker 82 ist an seinem oberen Abschnitt von einer Wicklung 84 umgeben und innerhalb des oben genannten konstanten Magnetfeldes angeordnet. Der untere Abschnitt des Magnetankers ist derart mit dem Steuerschieber 76 (valve spool) verbunden, daß eine achsenproportionale Bewegung des Schiebers (spool) in Erwiderung zur Drehbewegung des Magnetankers ausgelöst wird. Die Drehbewegung des Magnetankers 82 wird proportional zur Höhe der Steuersignalspannung, die durch den Steuercomputer 20 an die Magnetankerwicklung 84 angelegt wird, erzeugt. Da das Anlegen einer Steuersignalspannung an ein Ende der Wicklung 84 eine proportionale Drehbewegung des Magnetankers in eine Richtung erzeugen wird, während das Anlegen der Steuersignalspannung an das andere Wicklungsende eine proportionale Drehbewegung des Magnetankers in Gegenrichtung erzeugen wird, sind beide, das Ausmaß und.die Richtung der axialen Bewegung des Steuerschiebers 76 möglich und werden schnell und genau durch den Computer 20 gesteuert. Die Schnelligkeit des Arbeitsablaufs des Ventils 68 ist im wesentlichen seinem Stellglied, das aus einem Typ besteht, indem ein Magnetfeld fortlaufend aufrechterhalten wird, zuzuschreiben. Ein derartiges Stellglied erwidert eine aufgebrachte Spannung wesentlich schneller als ein Solenoid oder ähnliches Gerät, dessen Antwort entweder von der Erzeugung oder vom Abklingen eines großen Magnetfeldes abhängig ist.

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Zusätzlich zu den oben besprochenen Grundbestandteilen des hydraulischen Mechanismus der Vorrichtung 10 umfaßt eine derartige Einrichtung vorzugsweise und anschaulicherweise ferner die in Fig. 1 aufgezeigten Behelfsbestandteile, die im folgenden beschrieben werden. Nummer 86 stellt einen Druckspeicher (accumulator) mit einer oberen Kammer, die dazu dient, Luft oder anderes Gas bei überatmosphärischem Druck aufzunehmen und die von einer unteren Kammer des Druckspeichers durch eine flexible undurchdringliche Sperre oder Diaphragma 88 abgetrennt ist, dar. Passende Anschlußstücke 90, die mit der oberen Kammer des Druckspeichers in Verbindung stehen, ermöglichen den Einlaß der zusammengedrückten Luft sowie den Ablaß von Luft aus der Kammer, wenn sich aus irgendeinem Grund der Druck während des Betriebs der Vorrichtung 10 wesentlich erhöht. Ein Mehrfachrohrverteiler 92 steht in Verbindung mit den Verlängerungen des unteren Abschnitts des Druckspeichers 86. Ein erster Rohrverteilerarm, der ein Absperrventil 93 enthält, steht in Verbindung mit dem oben beschriebenen Rohr 62 und ermöglicht den einseitig gerichteten Flüssigkeitsfluß vom Druckspeicher 86 in dieses Rohr. Die gleiche Wirkungsweise wird in Verbindung mit dem oben beschriebenen Rohr 63 durch einen zweiten Arm des Rohrverteilers 92, der ein Absperrventil 94 enthält, erreicht. Der Arm des Rohrverteilers 92 erstreckt sich bis zu einer Öffnung 96 (siehe auch Fig. 3) des Ventilstellgliedgehäuses 72 und ermöglicht den Flüssigkeitsfluß zwischen dem Gehäuse und dem Druckspeicher. Ein innerhalb des Ventilkörpers 74 miteinander verbindender Flüssigkeitsdurchgang 98 (Fig. 3) ermöglicht einen Flüssigkeitsfluß zwischen dem Schaltergehäuse 72 und den federenthaltenden gegenüberliegenden Endabschnitten der Ventilkammer 78.

Vor der anfänglichen Betriebnahme der Vorrichtung 10 wird

BAD ORIGINAL

die hydraulische Flüssigkeit, so frei wie möglich von mitgerissener Luft und dergl. befreit, eingeführt und füllt den gesamten freien Raum innerhalb des Zylinders 46 der Rohre 62 und 63, des Ventilkörpers 74 und des angrenzenden Stellgliedgehäuses 72, des Rohrverteilers 92 und der unteren Kammer des Druckspeichers 86 vollständig. Der überatmosphärische Druck, der innerhalb des oberen Teils des Druckspeichers 86 aufrechterhalten wird, stellt sicher, daß die Anwesenheit einer durchlässigen Verbindung oder eines Anschlußstückes nicht bewirkt, daß Luft in die Systemflüssigkeit gezogen sowie die Flüssigkeitshohlraumbildung während des Betriebs der Vorrichtung verhindert wird. Der Druckspeicher 86 füllt automatisch und sofort jede hydraulische Flüssigkeit, die durch Leckung (leakage) von irgendeinem Teil der hydraulischen Einrichtung verlorengehen kann, nach. Zusätzlich stellt der Arm des Rohrverteilers 92, der den Druckspeicher 86 und das Ventilgehäuse 72 verbindet, sicher, daß der hydraulische Flüssigkeitsflußdruck innerhalb des Gehäuses 72 und innerhalb der damit verbundenen gegenüberliegenden Endabschnitte der Ventilkammer zu jeder Zeit in niedriger Höhe bleibt, um die schnelle Arbeitsweise des Ventiles 68 nicht zu hemmen.

Wenn das Antriebsglied 18 nur in Zusammenhang mit Kolben des Aufbaus 14 bewegbar und dessen Zylinder 46 jederzeit mit hydraulischem Fluß gefüllt ist, kann die Bewegung des Antriebsgliedes 18 nur und im Verhältnis zu dem Grad erfolgen, indem Ventil 68 der Hydraulik ermöglicht, zu den Rohren 62, 63 von einem zum anderen der gegenüberliegenden Abschnitte des Zylinders 46 zu strömen. Wenn der Schieber 76 des Ventils 68 seine Vollinien-Position aus Fig. 3, bei der der Fluß der hydraulischen Flüssigkeit vollständig blockiert wird, einnimmt, wird keinerlei Bewegung des Antriebsgliedes erfolgen, auch wenn eine pneumatische Antriebskraft auf den Aufbau 12 aufgebracht wird. Die Bewegung des Antriebsgliedes 18 wird jedoch unter dem Antrieb

derartiger Kraft unverzüglich erfolgen, wenn ein Steuersignal des Computers 20 das Ventilstellglied 70 dazu veranlaßt, eine axiale Verschiebung des Steuerschiebers 76 in Richtung oder hin zu ihrer Phantomlinienstellung von Fig. 3 durchzuführen. Die Geschwindigkeit der resultierenden Bewegung des Antriebsgliedes 18 wird durch das zum Ausmaß der befohlenen Achsenverlagerung des Schiebers 76 und proportioal geregelt. Wenn das Stellglied 70 eine gesteuerte Bewegung des Schiebers 76 zu jeder der im wesentlichen unbegrenzten Anzahl verschiedener Stellungen zwischen seinen Voll- und Phantomlinien hervorrufen kann, ist die Anzahl möglicher dazwischenliegender Geschwindigkeiten des Antriebsgliedes 18 entsprechend groß. Die Genauigkeit und Schnelligkeit, mit der das Stellglied 70 Veränderungen in der Stellung des Steuerschiebers 78 hervorrufen kann, ermöglicht ferner eine Beschleunigung des Gliedes 18, um, falls erforderlich, behutsam und in einer kontinuierlichen Art und Weise vollendet zu werden.

Einige der betreffenden Fähigkeiten der Vorrichtung 10 und der bekannten hydropneumatischen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind in den graphischen Darstellungen der Abbildungen 4 und 5J₇ die das Geschwindigkeit-Zeit-Verhältnis der veranschaulichten Bewegungen ihrer Antriebsglieder zeigen, aufgezeigt. W/ie Fig. 4 zeigt, können derartige bekannte Vorrichtungen, die eine Vielzahl von Zwei-Zustands-Ventilen verwenden, die Geschwindigkeit eines Antriebsgliedes zwischen dem erreichbaren Maximum und einigen wenigen Geschwindigkeiten mit einer vorherbestimmten und festgesetzten Höhe verändern. Das Antriebsglied kann auf seine Maximalgeschwindigkeit oder eine andere erwünschte Geschwindigkeit entweder direkt (wie durch die gestrichelten Linien dargestellt) oder stufenweise gebracht werden, wobei es jedoch in jedem Fall übereilter und ungesteuerter Beschleunigung unterliegt. Die Steuerfähigkeiten der vorliegenden Vor-

richtung 10 schließen die der bekannten hydropneumatischen Vorrichtungen ein und ermöglichen, wenn es gewünscht werden sollte, eine bequeme Verdoppelung der in Fig. 4 gemachten Ausführung und eine weite Erstreckung darüber hinaus. Die verschiedenen Geschwindigkeiten, bei denen das Glied 18 durch die Vorrichtung 10 steuerbar angetrieben wer- \ den kann, sind nicht auf einige wenige vorher festgesetzte Größen begrenzt, sondern zahllos. Sie umfassen alle durch gestrichelte Linien in Fig. 5 dargestellte und noch weitere, die nicht aufgezeigt sind. Die Vollinien von Fig. 5 zeigen die Möglichkeit der Vorrichtung 10 an, das Teil 18 entsprechend der gewünschten Höhe der Geschwindigkeit von Null bis zu seiner maximal erreichbaren Geschwindigkeit zu bewegen. Diese besondere Darstellung ist natürlich nur anschaulich, weil die Vorrichtung 10 mit gleicher Vielseitigkeit und Leichtigkeit im wesentlichen alle Beschleunigung vom Glied 18, ohne Berücksichtigung, ob sie positiv oder negativ sind, zwischen verschiedenen Geschwindigkeiten steuern kann.

Während bereits festgestellt wurde, daß die bekannten Vorrichtungen eine konstante Geschwindigkeitsbewegung des Antriebsgliedes mit einer oder wenigen Geschwindigkeitsstufen (speed), die unter dem maximal erreichbaren liegen, hervorbringen können, ist sogar diese beschränkte Fähigkeit wenigstens zeitlich von den anderen Kräften des im wesentlichen konstanten Antriebsgliedes abhängig. Wenn beispielsweise eine umfangreiche Veränderung bezüglich der Last auf das Antriebsglied eintritt, während dasselbe bei konstanter Geschwindigkeitsstufe (speed) bewegt wurde, könnte sich eine unerwünschte Drehzahlveränderung ergeben, weil die Vorrichtung der bekannten Art keine Ausgleichsveränderung (offsetting variation) bezüglich des Grades der Drosselung (restriction) des hydraulischen Flüssigkeitsflusses hervorrufen würde. Andererseits ermittelt die Vorrichtung 10 sofort den Beginn jeglicher unerwünschter Veränderungen in

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der Antriebsgeschwindigkeitsstufe und/oder in der Beschleunigung des angetriebenen Teiles und bewirkt unverzüglich und fortwährend die Ausgleichsveränderungen bezüglich der Drosselung des Flüssigkeitsflusses durch das Ventil 68. 5

Zusätzlich zur Steuerung der Hin- und Herbewegung des Teiles 18 zwischen verschiedenen Positionen entlang des Bewegungsweges kann und wird die Vorrichtung 10 normalerweise auch zeitweise angewendet, um das Glied 18 bei oder inner^- halb besonderer Maßgenauigkeit in einer oder mehrerer derartiger Positionen aufrechtzuerhalten. Die Vorrichtung 10 eignet sich sehr gut, um diese "Stellungsaufrechterhaltung s"-Funkt ion zu bewerkstelligen. Anders als die bekannten Vorrichtungen kann sie schnell und genau sehr kleine Positionskorrekturbewegungen des Gliedes 18 ausführen. Die oben beschriebene Betriebsüberwachungseinrichtung 16 der Vorrichtung ist nicht nur auf die Erkennung derartiger starker Bewegungen des Teiles 18 beschränkt, um im wesentlichen die Entfernung zwischen den mit Zwischenraum angeordneten Markierungen (spaced indicia) eines Vergleichsgerätes zu überbrücken.

Eine allgemein akzeptierte Voraussetzung der Betriebsführung des dynamischen Systems ist die, daß die Quali- tat der ausgeführten Steuerung in gewissem Grade proportional zur Anzahl der in Betracht gezogenen Systemveränderlichen ist. Zusätzlich zu den Systemübertragungsdaten, die direkt oder indirekt durch den Computer 20 von der überwachungseinrichtung 16 abgeleitet werden, kann der Computer deshalb auch vorteilhafterweise Daten von überwachten anderen übertragungsveränderlichen der Vorrichtung 10 und/oder der Roboter oder dergl., von denen das Antriebsglied 18 einen Teil bildet, verwenden. Neben den vielen zusätzlichen dynamischen Veränderlichen der Vorrichtung 10, die ebenfalls überwacht werden können, sind beispielsweise:

der Druck und/oder die Temperatur und/oder die Strömungsraten der Flüssigkeit oder Luft innerhalb jedes oder ausgewählter Bestandteile der Vorrichtung.

5 Obwohl ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung speziell aufgezeigt und beschrieben worden ist, was nur zum Zweck der Illustration und nicht aus Gründen der Beschränkung vorgenommen wurde, ist der Umfang der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit den Patentansprüchen zu sehen.

Eine aktive pneumatische Einrichtung und eine passive hydraulische Einrichtung der Vorrichtung sind derart miteinander und mit einem Antriebsglied verbunden, daß die Bewegung, die dem Antriebsglied durch die pneumatische Einrichtung verliehen wird, durch den hydraulischen Flüssigkeitsfluß innerhalb der hydraulischen Einrichtung erzeugt und durch Beschränkung dessen steuerbar ist. Eine Begrenzung des Flüssigkeitsflusses wird, je nach gewünschtem Ausmaß, durch Befehlssignale begleitet, die durch einen Steuercomputer zu einem Ventil, das vorzugsweise einen Typ eines Drehmomentmotors aufweist, geleitet. Die Befehlssignale, die durch den Computer erzeugt werden, basieren auf einer Wechselbeziehung von Daten, die durch ein Computerprogramm geliefert werden, mit Daten, die durch die Überwachung von Positionen des Antriebsgliedes entlang des Weges geliefert werden. Somit wird die genaue Steuerung der Geschwindigkeitsstufen, der Beschleunigung und der Position des Antriebsgliedes ermöglicht.

Claims (10)

1. ^{L 212}

   21.November 1983 FuKk/Ra.

   Lord Corporation, Erie PA./ U.S.A.

   Hydropneumatische Antriebsvorrichtung

   Patentansprüche

   Hydropneumatische Antriebsvorrichtung, um ein Antriebsglied, das zwischen räumlichen Positionen längs eines Weges bewegbar ist, in eine gesteuerte Bewegung zu versetzen, wobei diese Vorrichtung eine aktive pneumatische Einrichtung und eine passive hydraulische Einrichtung aufweist, die miteinander und mit den Gliedern derart verbunden sind, daß die dem Antriebsglied verliehenen Bewegungen durch diese pneumatische Einrichtung erzeugt und durch Beschränkung des hydraulischen Flüssigkeitsflusses innerhalb der hydraulischen Einrichtung verzögert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die passive hydraulische Einrichtung (14) eine für die zugeführten Befehlssignale verantwortliche Ventilvorrichtung (68) zur Veränderung des Flüssigkeitsflusses innerhalb dieser hydraulischen Einrichtung zwischen einem Zustand der im wesentlichen unbegrenzten

   3342Ü6Ö

   Flüssigkeitströmung, einem Zustand eines in der Hauptsache völlig beschränkten Flüssigkeitsflusses und einer hauptsächlich unbegrenzten Anzahl von teilweise beschränkten Flüssigkeitsfluß-Zuständen, und eine signalerzeugende Steuereinrichtung (20) zum Leiten der Befehlssignale zur Ventilvorrichtung (68), um die Flüssigkeitsfluß-Zustände zu verändern, um die Geschwindigkeitsstufen und Beschleunigungen der dem Antriebsglied durch die aktive pneumatische Einrichtung (12) verliehenen Bewegung zu steuern, aufweist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Steuereinrichtung (20) mit einem programmierbaren Computer aufweist, wobei die Befehlssignale dieser Steuereinrichtung (20) wenigstens teilweise von einem vorher ausgewählten Programm mit der gewünschten Bewegung des Antriebsgliedes festgelegt sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Antriebsgliedüberwachungseinrichtung (16), die operativ mit der Steuereinrichtung (20) zum Ermitteln der Position des Antriebsgliedes (18) an jedem Punkt entlang des Weges ver- bunden ist, aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) einen programmierbaren Computer aufweist, wobei die Befehlssignale auf einer Wechselbeziehung zwischen tatsächlichen Bewegungen des Antriebsgliedes (18), die durch die Überwachungseinrichtung ermittelt werden, und programmgesteuerten gewünschten Bewegungen des Antriebsgliedes basieren.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   BAD

   daß die Ventilvorrichtung (68) einen Vehtilteil (76) umfaßt, der zwischen einer in der Hauptsache unendlichen Zahl von Stellungen zur Veränderung der Flüssigkeitsfluß-Zustände bewegbar ist und einen Drehmomentmotor (70) zum Bewegen des Ventilkörpers (76) zv/ischen diesen Positionen in Erwiderung der Steuersignale aufweist, wobei der Drehmomentmotor Einrichtungen, die während des Betriebes der Vorrichtung fortlaufend ein Magnetfeld aufbauen, und einen Magnetanker, der innerhalb dieses Feldes zur Erzeugung gesteuerter Bewegung des Ventilteiles in Erwiderung zu den Veränderungen in der Spannung der Steuersignale angebracht ist, aufweist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Einrichtung ferner einen Druckspeicher (86) zum Aufrechterhalten der hydraulischen Flüssigkeit bei überatmosphärischem Druck aufweist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung (68) einen Ventilkörper (74) mit einer zylindrischen Kammer (78), wobei der Durchgangder hydraulischen Flüssigkeit sich gegenüber eines Mittelteiles der Kammer (78) befindet, mit einem Steuerschieber (76), der entlang dieser Kammer gleitbar angeordnet und in unterschiedlichen Längspositionen, die die Zustände des im wesentlichen völlig beschränkten und teilweise beschränkten und hauptsächlich unbegrenzten Flüssigkeitsflusses festsetzen, mit einem Drehmomentmotor (70) zum Längsbewegen des Schiebers

   (76) in einem Umfang proportional zu den Spannungen der Befehlssignale, mit einem Gehäuse (72), das mit dem Ventilkörper verbunden ist und den Drehmomentmotor (70) umschließt, und mit einer Einrichtung (98) zur Ermöglichung eines druckinduzierten Durchlaufes der hydraulischen Flüssigkeit zwischen gegenüberliegenden Endabschnitten der Kammer und des Gehäuses aufweist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die pneumatische Vorrichtung (12) und die Hydraulische Einrichtung (14) beide einen Kolben- (24, 48) und Zylinderaufbau (22, 46) mit einer Kolbenstange (26, 44) aufweisen, und Mittel (28), die diesen Stangenaufbau und das Antriebsglied (18) zwecks gleichzeitiger Bewegung im Einklang miteinander, miteinander verbinden.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignale und die Ventileinrichtung (68) im wesentlichen die Flüssigkeitsfluß-Zustände während wenigstens einiger Besehleunigungsperioden des Antriebsgliedes (18) fortlaufend verändern.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bewegung des Antriebsgliedes (18) bei hauptsächlich konstanter Geschwindigkeit die Steuersignale und die Ventileinrichtung (68) die Flüssigkeitsfluß-Zustände verändern, um aufkommende Veränderungen der gewünschten Geschwindigkeit des Antriebsgliedes, sofern erforderlich, auszugleichen.