DE4201464A1 - Vorrichtung zur daempfung eines in einem zylinder verschiebbaren kolbens in wenigstens einem seiner endlagenbereiche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung eines in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens in wenigstens einem seiner Endlagenbereiche, mit an einer elektronischen Steuereinrichtung angeschlossenen Sensormitteln zur Erfas­ sung wenigstens einer Position des Kolbens in mindestens einem Endlagenbereich und mit durch die elektronische Steuer­ einrichtung steuerbaren Mitteln zur Verringerung des Auslaß­ querschnitts der auslaßseitigen Zylinderkammer bei Erreichen des Endlagenbereichs.

Eine derartige Endlagen-Dämpfungsvorrichtung ist beispiels­ weise aus der DE-A-37 08 989 bekannt. Dort ist beabstandet von der Endlage des Kolbens ein Zylinderschalter am Zylinder angeordnet. Erreicht der sich zur Endlage hin bewegende Kolben die Position dieses Zylinderschalters, so wird der Auslaßquerschnitt der sich durch die Kolbenbewegung ver­ kleinernden Zylinderkammer sprunghaft verringert, so daß sich die Kolbengeschwindigkeit zur Erzielung eines sanften Endanschlags ebenfalls verringert. Die bekannte Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß bei der Verringerung des Auslaß­ querschnitts ein Kompromiß gefunden werden muß. Ist die Querschnittsverringerung zu stark, so wird zwar ein sanfter Anschlag erreicht, jedoch entsteht bei der Querschnitts­ umschaltung ein starker Ruck, der bei vielen Anwendungen unerwünscht ist, da er neben einer Geräuschentwicklung auch noch Erschütterungen der Vorrichtung mit sich bringt. Ist die Querschnittsverringerung dagegen gering, so entsteht zwar nur ein geringer Ruck, andererseits fährt der Kolben dann mit immer noch zu großer Geschwindigkeit in seine Endlage.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, durch die der Bedienungskomfort gesteigert und die Einstell­ zeit bei höherer möglicher Kolbengeschwindigkeit verkürzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektronische Steuereinrichtung Steuermittel zur suk­ zessiven Verringerung des Drosselquerschnitts nach einer vorgebbaren Funktion in Abhängigkeit des Ansprechens der Sensormittel aufweist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen insbesondere darin, daß durch die sukzessive Verringerung des Drosselquerschnitts nach einer vorgebbaren Funktion ein Ruck beim Einsetzen der Dämpfung weitgehend abgemildert werden kann. Durch das anschließende Ansteigen der Drossel­ wirkung wird dann auf sanfte Weise eine weitere Abbremsung des Kolbens bis auf einen so kleinen Wert erreicht, daß der Endanschlag sanft erreicht werden kann. Hierdurch werden höhere Kolbengeschwindigkeiten zulässig und damit kürzere Taktzeiten bei Zylinderantrieben. Der Geschwindigkeitsverlauf des Kolbens kann an den jeweiligen Prozeß individuell ange­ paßt werden. Für die Realisierung ist ein nur geringer Hardware-Aufwand erforderlich, und der eigentliche Dämpfungs­ verlauf bzw. die entsprechende Drosselung des Auslasses erfolgt auf rein elektronischem Wege, insbesondere über die Software.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.

Die vorgebbare Funktion zur Verringerung des Drosselquer­ schnitts bzw. zur Ansteuerung der Mittel zur Verringerung des Auslaßquerschnitts ist vorzugsweise eine stetige Funk­ tion, sie kann selbstverständlich in Einzelfällen auch eine Treppenfunktion od. dgl. sein. Hierbei können lineare und nichtlineare Funktionen je nach Erfordernis verwendet werden.

Um dem Kolben in jedem Falle eine Beweglichkeit bis zum Endanschlag zu belassen, erfolgt die sukzessive Verringerung des Drosselquerschnitts bis zu einem vorgebbaren minimalen Grenzwert.

Die steuerbaren Mittel zur Verringerung des Auslaßquer­ schnitts sind in vorteilhafter Weise als elektrisch steuer­ bares Proportionalventil ausgebildet, so daß ein serien­ mäßiges, im Handel erhältliches Bauteil verwendet werden kann. Dieses Proportionalventil ist zweckmäßigerweise mit einem Tauchankerantrieb als elektromechanischer Umformer versehen, so daß das den Drosselquerschnitt vorgebende Steuersignal direkt dem Proportionalventil über dessen Tauchankerantrieb zugeführt werden kann und einen entspre­ chenden Drosselquerschnitt erzeugt.

Das Proportionalventil ist zweckmäßigerweise als Schieber­ ventil ausgebildet, insbesondere als 5/3-Proportional-Wege­ ventil, das über Verbindungsleitungen mit den beiden End­ bereichen des doppeltwirkenden Zylinders einerseits sowie mit einer Druckquelle andererseits verbunden ist, die alter­ nativ mit einem der beiden Endbereiche verbindbar ist, während der andere Endbereich mit dem gedrosselten Auslaß verbunden ist.

In einer besonders einfache Ausführung ist ein von einer Endlage des Kolbens oder sind zwei von den beiden Endlagen des Kolbens beabstandet angeordnete Positionssensoren vorge­ sehen, wobei ein durch den Kolben auslösbares Positions­ signal jeweils die vorgebbare Funktion zur Verringerung des Drosselquerschnitts aktiviert. Hierdurch können zur Auslösung der Verringerung des Drosselquerschnitts einfache und kostengünstige Zylinderschalter eingesetzt werden. Zusätzlich von Vorteil ist es, wenn wenigstens ein weiterer Positionssensor in wenigstens einer der Endlagen als End­ schalter oder Startpositionsschalter vorgesehen ist, um von einer definiert zu erfassenden Endlage aus den Bewegungs­ ablauf beginnen zu können.

Die als Positionssensoren eingesetzten Schalter am Zylinder sind vorzugsweise als magnetisch von einem Magneten des Kolbens auslösbare Schalter ausgebildet.

In einer noch komfortableren und exakter arbeitenden Aus­ führung der Erfindung ist wenigstens ein Endbereich des Zylinders mit einer Positions-Sensorstrecke zur Erfassung der jeweiligen Kolbenposition versehen, und das jeweilige Positionssignal ist als Istwert-Signal der als Regelanord­ nung ausgebildeten Steuereinrichtung zugeführt, wobei die vorgebbare Funktion eine Regelfunktion ist. Durch die Aus­ bildung als Positions-Sensorstrecke kann die jeweilige Position des Kolbens in einem Endbereich ständig erfaßt werden, und jeder Position kann durch einen Regelvorgang eine dieser Position entsprechende Sollgeschwindigkeit zugeordnet werden. Hierzu weist die Steuereinrichtung einen vorgebbaren Sollwertverlauf für die Geschwindigkeit als Funktion der jeweiligen Kolbenposition auf. Hier tritt der Vorteil auf, daß Schwankungen in den Betriebsparametern des Pneumatikantriebes, z. B. variable Lasten, durch den ständigen Soll-Ist-Vergleich ausgeglichen werden können.

Die Steuereinrichtung weist zweckmäßigerweise eine externe oder interne Programmiereinheit auf, um den Sollwertverlauf und die Regeleigenschaften an die Bedürfnisse anpassen zu können. Hierdurch kann beispielsweise auch eine Steuer­ kennlinie vorgegeben werden.

Die Sensormittel und die Steuereinrichtung können in vorteil­ hafter Weise als integrierte Anordnung am Zylinder angeord­ net sein. Hierdurch wird eine kompakte Einheit erzielt, die durch interne Verdrahtung sehr robust und störungs­ unanfällig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem doppelt­ wirkenden Zylinder und vier Zylinderschaltern,

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem doppelt­ wirkenden Zylinder und zwei Positions-Sensor­ strecken entlang den beiden Endbereichen und

Fig. 4 als drittes Ausführungsbeispiel eine integrierte Ausführung, bei der Zylinder, Sensorstrecken und Steuereinrichtung in einer kompakten Einheit zusammengefaßt sind.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten ersten Aus­ führungsbeispiel ist ein Kolben 10 in einem doppeltwirkenden Zylinder 11 verschiebbar angeordnet. Eine mit dem Kolben 10 verbundene Kolbenstange 12 ist daher dichtend durch eine Stirnseite des Zylinders 11 durchgeführt. Von beiden Enden des Zylinders 11 aus verlaufen Druckleitungen 13, 14 zu einem 5/3-Proportional-Wegeventil 15, das zur Einstellung eines einem analogen elektrischen Eingangssignal entsprechen­ den Öffnungsquerschnitt am Ventilausgang einen Tauchanker­ antrieb 16 als elektromechanischen Umformer aufweist. In der dargestellten Neutralstellung sind die beiden Druck­ leitungen 13, 14 mit Entlüftungsleitungen 17 verbunden. Eine pneumatische oder hydraulische Druckquelle 18 ist vom Zylinder 11 getrennt.

Der Schieberweg des Ventils wird mit Hilfe einer elektroni­ schen Steuereinrichtung 19 eingestellt bzw. geregelt. In der einen Stellrichtung erfolgt eine Verschiebung des Kol­ bens durch Druckbeaufschlagung der einen Kolbenseite in der einen Richtung und in der anderen Stellrichtung durch Druckbeaufschlagung der anderen Kolbenseite in die andere Richtung. Ein derartiges Proportional-Wegeventil wird bei­ spielsweise von der Anmelderin unter der Bezeichnung MPYE- 5-1/8 vertrieben.

Am Zylinder 11 sind vier Zylinderschalter 20-23 zur Posi­ tionserkennung des Kolbens angebracht. Hierbei kann es sich beispielsweise um magnetfeldempfindliche Schalter handeln, die auf einen Dauermagneten am Kolben 10 ansprechen. Die beiden äußeren Zylinderschalter 20, 23 sind als End­ schalter zur Erfassung der gegenüberliegenden Endlagen des Kolbens 10 im Bereich dieser Endpositionen angeordnet. Die beiden anderen Zylinderschalter 21, 22 sind jeweils zur Zylindermitte hin beabstandet von den äußeren Zylinder­ schaltern 20, 23 angeordnet und definieren den Beginn jeweils von Endbereichen des Zylinders 11, in denen zur Endlagen­ dämpfung der Kolben 10 in seiner Bewegung zur Endlage hin abgebremst werden soll.

Die elektronische Steuereinrichtung 19 ist beispielsweise als Microcontroller ausgebildet und enthält die Steuer­ funktionen für das Proportional-Wegeventil 15 in Abhängig­ keit der Signale der Zylinderschalter 20-23 und in Abhängig­ keit von externen Steuersignalen S. Die Einstellung der Parameter kann beispielsweise über Potentiometer über äußere Einstellvorrichtungen 24 erfolgen. Selbstverständlich ist die elektronische Steuereinrichtung 19 auch über ver­ schiedene Programme und Programmänderungen in ihrem Betriebs­ verhalten einstellbar. Verschiedene Betriebsverhalten können beispielsweise auch über verschiedene Magnetkarten od. dgl. eingestellt werden.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des in Fig. 1 darge­ stellten ersten Ausführungsbeispiels anhand der in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramme erläutert werden. Für eine überlagerte Steuerung über eine speicherprogrammierte Steue­ rung oder eine Steuerzentrale stellt sich die Steuereinrich­ tung 19 wie ein 5/3-Wegeventil dar. Sie wird mit drei ver­ schiedenen Eingangssignalen S angesteuert, die die folgenden Steuerbefehle zur Ausführung bringen sollen: Zylinder vor, Zylinder zurück, Mittelstellung. Zunächst wird der Kolben 10 im Normalbetreib in eine definierte Anfangsposition gebracht. Dies erfolgt durch eine Referenzbewegung in eine der beiden Endlagen, die durch Ansprechen der Zylinder­ schalter 20 bzw. 23 erkannt wird. Bei Erreichen dieser Endlage wird der Betrieb auf Automatik umgestellt. Bei einer Bewegung des Kolbens 10 nach links (linker Bereich von Fig. 2) wird der Kolben sehr schnell auf die gewünschte Verstellgeschwindigkeit v2 gebracht und erreicht nach der Zeit t2 den Zylinderschalter 21. Dessen Schaltsignal löst in der Steuereinrichtung 19 eine vorgebbare Funktion für die Ansteuerspannung des Proportional-Wegeventils 15 aus (beim Ausführungsbeispiel eine Parabelfunktion), durch die dieses sukzessive gedrosselt wird und entsprechend die Kolbengeschwindigkeit v2 zeitabhängig heruntergefahren wird bis zu einem Restöffnungsquerschnitt, der der Spannung v2 min entspricht. Die Kolbengeschwindigkeit wird dadurch stetig und sanft bis zum Anschlag reduziert.

In der umgekehrten Verstellrichtung des Kolbens 10 (rechter Bereich von Fig. 2) wird das Proportional-Wegeventil 15 entgegengesetzt gestellt, und es wird eine Rückstellge­ schwindigkeit v1 eingestellt. Nach T1 errreicht der Kolben 10 den Zylinderschalter 22, und die Kolbengeschwindigkeit wird wiederum nach einer ähnlichen Parabelfunktion bis zu einer Minimalgeschwindigkeit v1 min reduziert, so daß der Kolben sanft seinen Anschlag erreicht.

Die Verstellgeschwindigkeit des Kolbens 10 kann selbstver­ ständlich variiert werden und beispielsweise auch im Vor- und Rücklauf gleich sein. Entsprechend verändern sich die Zeiten T. Auch die Funktion zur Reduzierung der Kolbenge­ schwindigkeit kann eine andere sein, z. B. auch eine Stufen­ funktion, wobei allerdings stetige Funktionen vorzuziehen sind. Die Einstellung der Verstellgeschwindigkeit in den beiden Richtungen kann beispielsweise über die Einstell­ vorrichtungen 24 erfolgen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.

Anstelle der Zylinderschalter 20-23 treten hier zwei Sensor­ strecken 25, 26, die sich jeweils über die Endbereiche des Zylinders 11 erstrecken, in denen der Kolben 10 vor Er­ reichen der Endstellung abgebremst werden soll. Eine elektro­ nische Steuereinrichtung 27 ist hier als Regeleinrichtung ausgebildet und kann selbstverständlich wiederum als Micro­ controller realisiert sein. Der Istwert der Position des Kolbens 10 in den beiden Endbereichen ist jeweils der Steuer­ einrichtung 27 zugeführt, in der ein interner Sollwert­ verlauf der Geschwindigkeit v1 bzw. v2 in Abhängigkeit der Position des Kolbens 10 in den Endbereichen vorgegeben ist. Über einen laufenden Soll-Istwert-Vergleich wird dann die Geschwindigkeit des Zylinders an den gewünschten Verlauf durch einen Regelvorgang angepaßt. Obwohl auch hier die Einstellung der Parameter über Potentiometer od. dgl. möglich wäre, erfolgt hier die Anpassung eines gewünschten Geschwin­ digkeitsverlaufs bzw. Sollwertverlaufs über ein externes Eingabegerät 28, das an die Steuereinrichtung 27 angeschlos­ sen ist. Hierbei kann es sich um ein Programmiergerät, ei­ nen PC od. dgl. handeln, wobei aus den Daten des Pneumatik­ antriebs (z. B. Geometrie, Druck usw.) die zur Regelung notwendigen Parameter errechnet und über eine serielle Schnittstelle an das Steuergerät übertragen werden.

Bei den Sensorstrecken 25, 26 kann es sich jeweils um eine Reihe von magnetempfindlichen Sensoren handeln, die auf einen Dauermagneten am Kolben ansprechen. Dieser Dauer­ magnet kann beispielsweise als Ringmagnet ausgebildet sein. Andere bekannte Sensorstrecken zur Weg- oder Positions­ erfassung können ebenfalls verwendet werden.

Soll der Geschwindigkeitsverlauf des Kolbens 10 über den gesamten Verstellweg gesteuert oder geregelt werden, so können sich die Sensorstrecken 25, 26 auch über die gesamte Länge des Zylinders 11 erstrecken.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel sind wiederum gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals be­ schrieben.

Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel sind hier die beiden Sensorstrecken 25 und 26 sowie die elektronische Steuereinrichtung 27 in einer kompakten Baueinheit 29 zu­ sammengefaßt, die ein Gehäuse sein kann, und am Zylinder 11 angebracht. Hierdurch wird aus dem Zylinder 11 und der Baueinheit 29 ein einheitliches, kompaktes Bauelement ge­ bildet. An ein Anschlußelement 30 dieser Baueinheit 29 sind die externe Steuerleitung für die externen Steuer­ signale S, das externe Eingabegerät 28 sowie der Tauch­ ankerantrieb 16 für das Proportional-Wegeventil 15 ange­ schlossen. Ein Dauermagnet 31 am Kolben 10 ist schematisch dargestellt.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Dämpfung eines in einem Zylinder ver­ schiebbaren Kolbens in wenigstens einem seiner Endlagen­ bereiche, mit an einer elektronischen Steuereinrichtung angeschlossenen Sensormitteln zur Erfassung wenigstens einer Position des Kolbens in mindestens einem Endlagen­ bereich und mit durch die elektronische Steuereinrichtung steuerbaren Mitteln zur Verringerung des Auslaßquerschnitts der auslaßseitigen Zylinderkammer bei Erreichen des Endlagen­ bereichs, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinrichtung (19; 27) Steuermittel zur sukzessiven Verringerung des Drosselquerschnitts nach einer vorgeb­ baren Funktion in Abhängigkeit des Ansprechens der Sensor­ mittel (21, 22; 25, 26) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgebbare Funktion eine stetige Funktion ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die sukzessive Verringerung des Drosselquerschnitts bis zu einem vorgebbaren minimalen Grenzwert erfolgt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Mittel zur Verringerung des Auslaßquerschnitts als elektrisch steuer­ bares Proportionalventil (15) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalventil (15) mit einem Tauchankerantrieb (16) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Proportionalventil (15) als Schieberventil ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalventil als 5/3-Proportional-Wegeventil ausgebildet ist, das über Verbindungsleitungen (13, 14) mit den beiden Endbereichen des doppeltwirkenden Zylinders (11) sowie mit einer Druckquelle (18) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Endlage des Kolbens (10) oder zwei von den beiden Endlagen des Kolbens (10) beabstandet angeordnete Positionssensoren (21, 22) vorge­ sehen sind, wobei ein durch den Kolben (10) auslösbares Positionssignal jeweils die vorgebbare Funktion zur Ver­ ringerung des Drosselquerschnitts aktiviert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Positionssensor (20, 23) in wenigstens einer der Endlagen als Endschalter oder Start­ positionsschalter vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Positionssensoren (20-23) als Schalter ausgebildet sind, insbesondere als magnetisch von einem Magneten des Kolbens (10) auslösbare Schalter.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Endbereich des Zylinders (11) mit einer Positions-Sensorstecke (25, 26) zur Erfassung der jeweiligen Kolbenposition vorgesehen ist, und daß das jeweilige Positionssignal als Istwert-Signal der als Regel­ anordnung ausgebildeten Steuereinrichtung (27) zugeführt ist, wobei die vorgebbare Funktion eine Regelfunktion ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (27) einen vorgebbaren Sollwert­ verlauf für die Geschwindigkeit als Funktion der jeweiligen Kolbenposition aufweist und die Geschwindigkeit entsprechend regelt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinrichtung eine externe oder in­ terne Programmiereinheit (28) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel (25, 26) und die Steuereinrichtung (27) als integrierte Anordnung (29) am Zylinder (11) angeordnet sind.