Die Erfindung betrifft eine Positioniereinheit mit einem druckmittelbetätigten Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a positioning unit with a pressure-medium-actuated actuator according to the preamble of patent claim 1.
In der produzierenden Industrie werden häufig druckmittelbetätigte Aktuatoren in Form von pneumatischen der hydraulischen Linearaktuatoren eingesetzt, die häufig in einer genau zu positionierenden Stellung stillgesetzt oder umgesteuert werden müssen. Zur Steuerung der Lineargeschwindigkeit und der anzufahrenden Position des Kolbens oder der Kolbenstange werden dabei vielfach Wegeventile eingesetzt, die bei der erreichten Position geschlossen werden, wodurch der Aktuator mit mäßiger Positioniergenauigkeit stillgesetzt wird. Zur Erreichung einer höheren Positioniergenauigkeit sind dabei aufwändige Steuerventile und ein hoher mechanischer Justieraufwand notwendig, um den Aktuator an einer vorgegebenen Position genau stillzusetzen oder umzusteuern.In the manufacturing industry pressure-actuated actuators in the form of pneumatic hydraulic linear actuators are often used, which often have to be stopped or reversed in a position exactly to be positioned. To control the linear velocity and the position to be approached of the piston or the piston rod while multi-way valves are used, which are closed at the position reached, whereby the actuator is stopped with moderate positioning accuracy. In order to achieve a higher positioning precision costly control valves and a high mechanical adjustment effort are necessary to shut down or reverse the actuator at a predetermined position exactly.
Aus der DE 1 922 304 U ist ein pneumatisch betätigtes Vorschubgerät als linearer Aktuator mit einer Ölbremse bekannt, der bei einer einstellbaren Position in die entgegengesetzte Vorschubrichtung umgesteuert wird. Das Vorschubgerät besteht dabei aus einem inneren Zylinder, in dem ein mit einer Kolbenstange verbundener Kolben axial beweglich angeordnet ist, wobei die Kolbenstange an einer Seite aus einem der beiden Abschlussdeckel des Zylinders abgedichtet nach außen ragt. Koaxial zu diesem inneren Zylinder ist noch ein äußerer Zylinder angeordnet, in den ein äußerer ringförmiger Trennkolben axial verschieblich angeordnet ist, durch den die eingesteuerte Druckluft von einem zwischen den beiden Kolben angeordneten Öl getrennt wird. Zum Einbringen der zum Verschieben vorgesehenen Druckluft sind in einer der beiden Abschlussdeckel der Zylinder zwei Anschlussstutzen vorgesehen, die jeweils mit einem der beiden Zylinder verbunden sind. In dem gegenüberliegenden Abschlussdeckel sind zwei Verbindungsleitungen integriert, die jeweils die beiden Zylinder miteinander verbinden und bei denen in der einen Leitung ein Rückschlagventil und in der anderen Leitung ein einstellbares Drosselventil angeordnet ist. Zur Einstellung des Drosselventils enthält dieses einen Ventilkolben mit einer äußeren Querbohrung, in der eine Steuerstange längs verschieblich eingesteckt ist. Die Steuerstange ist außerhalb des Abschlussdeckels durch eine Verbindungsstange fest mit der Kolbenstange verbunden, so dass die Steuerstange synchron mit der Kolbenstange parallel zu dieser verschoben wird und jeweils die Ist-Position des inneren Kolbens wiedergibt. Zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit enthält die Steuerstange auf ihrer Länge drei Durchmesserverringerungen, durch die sich der Ventilkolben im Drosselventil so verschiebt, dass die Kolbengeschwindigkeit mit dem Auszugweg der Kolbenstange verringert wird, indem das Drosselventil der Ölbremse die Durchflussmenge des Öls stufenweise verringert. Zusätzlich ist an der Steuerstange noch ein axial verstellbarer Stellring befestigt, der auf seinem Verfahrweg ein Druckluft-Wegeventil betätigt, durch das der innere Kolben bei einer eingestellten Position stillgesetzt und dann in Gegenrichtung umgesteuert wird. Zur Einstellung der genauen Umsteuerposition muss der Stellring mechanisch an einer versuchsweise feststellbaren Position fixiert werden, was bei einer Neueinstellung sehr aufwändig ist. Da bei diesem Vorschubgerät die Kolbenposition nur durch Abschalten und Umschalten der Druckluftzufuhr gesteuert wird, hängt die Genauigkeit der Umsteuerposition auch von der Belastung der Kolbenstange ab, so dass eine Änderung der Kolbenstangenlast zu einer Veränderung der eingestellten Umsteuerposition führen kann.From the DE 1 922 304 U is a pneumatically actuated feed device known as a linear actuator with an oil brake, which is reversed at an adjustable position in the opposite feed direction. The feed device consists of an inner cylinder in which a piston connected to a piston rod is arranged to be axially movable, wherein the piston rod protrudes on one side of one of the two end cap of the cylinder sealed to the outside. Coaxially to this inner cylinder, an outer cylinder is still arranged, in which an outer annular separating piston is arranged axially displaceable, by which the compressed air is separated by an arranged between the two pistons of oil. To introduce the compressed air intended for displacement, two connecting pieces are provided in one of the two end covers of the cylinder, which are each connected to one of the two cylinders. In the opposite end cover two connecting lines are integrated, each connecting the two cylinders together and in which a check valve in one line and in the other line an adjustable throttle valve is arranged. To adjust the throttle valve, this contains a valve piston with an outer transverse bore in which a control rod is inserted longitudinally displaceable. The control rod is connected outside of the end cover by a connecting rod fixed to the piston rod, so that the control rod is moved in synchronism with the piston rod parallel to this and each represents the actual position of the inner piston. To control the feed rate, the control rod includes three diameter reductions along its length, which displace the valve piston in the throttle valve so as to reduce the piston speed with the piston rod extension, as the oil brake throttle valve gradually reduces the flow rate of the oil. In addition, an axially adjustable adjusting ring is attached to the control rod, which actuates a pneumatic directional control valve on its travel, by which the inner piston is stopped at a set position and then reversed in the opposite direction. To set the exact reversing position of the collar must be mechanically fixed to a tentatively detectable position, which is very complex in a readjustment. Since in this feed device, the piston position is controlled only by switching off and switching the compressed air supply, the accuracy of the Umsteuerposition also depends on the load on the piston rod, so that a change in the piston rod load can lead to a change in the set Umsteuerposition.
Aus der DE 10 2004 039 092 B4 ist eine Verriegelungsvorrichtung für einen Linearaktuator bekannt, die reversibel ist. Dazu ist als Linearaktuator eine hydraulische Verstellvorrichtung vorgesehen, die aus einem Hydraulikzylinder mit darin verschiebbarem Kolben und daran befestigter Kolbenstange besteht, wobei die Kolbenstange abgedichtet aus einer der beiden Abschlussdeckel des Hydraulikzylinders herausgeführt ist. An dem gegenüberliegenden Abschlussdeckel ist eine Haltevorrichtung befestigt, die rohrförmig ausgebildet ist und längs verschieblich durch den Kolben in die hohle Kolbenstange hineinragt. An dem kolbenstangenseitigen Ende der Haltevorrichtung sind formschlüssige Verriegelungselemente angebracht, durch die die Kolbenstange im Verhältnis zum Hydraulikzylinder in nahezu jeder axialen Stellung verriegelt und wieder gelöst werden kann. Dazu sind in der hohlen Kolbenstange axial hintereinander geschichtete Nutringe angeordnet, die hintereinander Nuten bilden, an denen die ortsfeste Haltevorrichtung entlang gleitet. Die Haltevorrichtung enthält dabei an ihrem einen Ende eine Spreizhülse, die formschlüssig zu den Nuten Formschlusselemente aufweist, die mithilfe eines Zugankern mit Spannkonus radial in die Nuten eingebracht werden können, so dass die Kolbenstange in dieser axialen Stellung verriegelt wird. Zum Lösen der Verriegelung ist an dem vorderen Ende des Zugankers ein Gegenkonus vorgesehen, durch den bei Aufbringen einer Axialkraft die Spreizhülse radial nach innen verlagert wird, so dass die Kolbenstange wieder axial frei beweglich ist. Diese hydraulische Verstellvorrichtung ist offensichtlich nur für sicherheitskritische Anwendungen vorgesehen, bei denen es situationsbedingt es nur auf eine sichere Verriegelung der Kolbenstange innerhalb des Zylinders ankommt, so dass damit eine Verriegelung an einer vorgesehenen Position offensichtlich nicht vorgsehen ist.From the DE 10 2004 039 092 B4 a locking device for a linear actuator is known, which is reversible. For this purpose, a hydraulic adjusting device is provided as a linear actuator, which consists of a hydraulic cylinder with piston displaceable therein and piston rod attached thereto, wherein the piston rod is sealed out of one of the two end covers of the hydraulic cylinder. On the opposite end cover a holding device is attached, which is tubular and longitudinally slidably protrudes through the piston into the hollow piston rod. On the piston rod side end of the holding device positive locking elements are mounted, by which the piston rod can be locked in relation to the hydraulic cylinder in almost every axial position and released again. For this purpose, axially stacked groove rings are arranged in the hollow piston rod, which successively form grooves on which the stationary holding device slides along. The holding device in this case contains at its one end an expansion sleeve, which has form-fitting to the grooves form-locking elements, which can be introduced by means of a tie rods with clamping cone radially into the grooves, so that the piston rod is locked in this axial position. To release the lock, a counter-cone is provided at the front end of the tie rod by which the expansion sleeve is displaced radially inwardly upon application of an axial force, so that the piston rod is again axially freely movable. This hydraulic adjusting device is obviously only intended for safety-critical applications in which, depending on the situation, it only depends on a secure locking of the piston rod inside the cylinder, so that obviously a locking at a planned position is not anticipated.
Aus der DE 10 2007 026 378 A ist ein Schwingungsdämpfer zur Dämpfung von Ein- oder Ausfederkräften an Kraftfahrzeugen bekannt, der einen Druckmittelzylinder enthält, in dem ein Kolben mit einer Kolbenstange axial verschieblich angeordnet ist. Dabei ist der Druckmittelzylinder in eine Ein- und eine Ausfahrkammer unterteilt, in denen als Druckmittel eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit enthalten ist. Zur Steuerung der Dämpfung ist zwischen der Ein- und der Ausfahrkammer als steuerbares Durchflussventil ein Drosselspalt vorgesehen, der die beiden Kammern miteinander verbindet und in dessen Bereich zur Steuerung mindestens ein Feldkrafterzeugungselement angeordnet ist. Dabei ist als Drosselventil ein Ringspalt im Druckmittelzylinder oder ein Ringspalt zwischen dem Kolben und der inneren Mantelfläche des Druckmittelzylinders vorgesehen. Mit einem derartigen elektrorheologischen oder magnetorheologischen Dämpfer kann zwar die Dämpfung einer äußeren Belastung gesteuert, aber diese nicht bei einer vorgegebenen Position stillgesetzt oder umgesteuert werden.From the DE 10 2007 026 378 A is a vibration damper for damping of on or Ausfederkräften known on motor vehicles, which contains a pressure medium cylinder in which a piston is arranged axially displaceably with a piston rod. In this case, the pressure medium cylinder is divided into an input and an extension chamber, in which an electro-rheological or magnetorheological fluid is contained as a pressure medium. To control the damping, a throttle gap is provided between the entry and the extension chamber as a controllable flow valve, which connects the two chambers together and in the area for controlling at least one field force generating element is arranged. In this case, an annular gap in the pressure medium cylinder or an annular gap between the piston and the inner circumferential surface of the pressure medium cylinder is provided as a throttle valve. Although such an electrorheological or magnetorheological damper can control the damping of an external load, it can not be stopped or reversed at a predetermined position.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen druckmittelbetätigten Aktuator der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass dieser unter Einhaltung einer hohen Positioniergenauigkeit an einer vorgegebenen Stelle auf einfach Weise stillgesetzt oder umgesteuert werden kann.The invention is therefore based on the object to improve a fluid-operated actuator of the type mentioned so that it can be stopped or reversed in a simple manner while maintaining a high positioning accuracy at a given location.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention defined in claim 1. Further developments and advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die kraftschlüssige Verbindung eines druckmittelbetätigten Aktuators mit einem gesteuerten elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder der Aktuator an jeder durchfahrbaren Position hochgenau stillgesetzt oder umgesteuert werden kann. Dazu ist vorzugsweise der elektrorheologische oder magnetorheologische Druckmittelylinder mit einem einfachen Positionssensor und einer elektronischen Steuervorrichtung zu einer Positioniervorrichtung zu kombinieren, die den Durchfluss der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit durch das elektrorheologische oder magnetorheologische Ventil solange zulässt, bis die vorgegebene Soll-Position durch den Positionssensor erfasst ist. Dies hat zusätzlich den Vorteil, dass eine derartige elektronische Steuerung sehr einfach ausführbar ist, die gewünschten Positionierstellungen leicht eingebbar sind und die Anfahrgeschwindigkeit zusätzlich gesteuert werden kann, so dass die Stillsetzungs- oder Umsteuerungspositionen sehr genau ausgeführt und eingehalten werden können.The invention has the advantage that the actuator can be shut down or reversed with high precision by the non-positive connection of a pressure-medium-actuated actuator with a controlled electrorheological or magnetorheological pressure cylinder. For this purpose, the electrorheological or magnetorheological Druckmittelylinder is preferably combined with a simple position sensor and an electronic control device to a positioning that allows the flow of electrorheological or magnetorheological fluid through the electrorheological or magnetorheological valve until the predetermined target position is detected by the position sensor , This has the additional advantage that such an electronic control is very easy to execute, the desired positioning positions are easily entered and the approach speed can be controlled in addition, so that the shutdown or reversal positions can be performed very accurately and met.
Darüber hinaus hat die Steuerung mit einem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder und einem steuerbaren Ventil den Vorteil, dass bei geschlossenem elektrorheologischen oder magnetorheologischem Ventil der Aktuator verriegelt ist, so dass auch bei einer weiteren Belastung der Aktuator-Kolbenstange die Stellung des Aktuators im Grunde nicht verändert werden kann. Desweiteren hat eine derartige elektronische Steuerung mittels eines elektrorheologischen oder magnetorheologischen Ventils den Vorteil, dass keine mechanischen Steuerelemente notwendig sind, die einem mechanischen Verschleiß unterliegen, so dass die erfindungsgemäße Positioniereinheit langlebig und störungsfrei verwendbar ist.In addition, the control with an electrorheological or magnetorheological pressure medium cylinder and a controllable valve has the advantage that when the electrorheological or magnetorheological valve is closed, the actuator is locked, so that the position of the actuator is basically not changed even with a further load on the actuator piston rod can. Furthermore, such an electronic control means of an electrorheological or magnetorheological valve has the advantage that no mechanical controls are necessary, which are subject to mechanical wear, so that the positioning unit according to the invention is durable and trouble-free usable.
Die Erfindung der Positioniereinheit mit einem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder hat weiterhin den Vorteil, dass die Steuerung sehr schnell, nahezu im echtzeitbetrieb, ausführbar ist, so dass der betätigte Aktuator nahezu bei jeder erfassten Ist-Stellung zeitgleich stillgesetzt oder umgesteuert werden kann, so dass eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erreichbar ist.The invention of the positioning with an electrorheological or magnetorheological pressure cylinder has the further advantage that the controller is very fast, almost real-time, executable, so that the actuated actuator can be stopped or reversed at almost every detected actual position at the same time, so that a very high positioning accuracy can be achieved.
Bei einer besonderen Ausbildung der Erfindung mit einer axialen oder linearen Kopplung des Aktuatorzylinders mit dem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder hat den Vorteil, dass die Ausführung durch die Aneinanderreihung zweier Zylindereinheiten mechanisch einfach ausfürhbar ist und nur eine kleine Zylinderquerschnittsfläche als Einbauraum benötigt. Eine derartige axiale oder lineare Kopplung durch die Anordnung einer durchgehenden Kolbenstange hat auch den Vorteil, dass zwischen den verbundenen Kolbenstangen bei einer gesteuerten Dämpfung oder Positionierung kein Moment zwischen dem Aktuator und dem elektrorheologischen oder magnetorheologischen Druckmittelzylinder als Positioniervorrichtung auftreten kann.In a particular embodiment of the invention with an axial or linear coupling of the actuator with the electrorheological or magnetorheological pressure cylinder has the advantage that the execution of the juxtaposition of two cylinder units is mechanically simple ausfürhbar and only a small cylinder cross-sectional area required as installation space. Such an axial or linear coupling through the arrangement of a continuous piston rod also has the advantage that between the connected piston rods at a controlled damping or positioning no moment between the actuator and the electrorheological or magnetorheological pressure medium cylinder can occur as a positioning device.
Bei einer weiteren besonderen Ausführung mit einer parallel angeordneten Kopplung des Aktuators mit der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Positioniervorrichtung hat den Vorteil, dass diese Positioniereinheit sehr kurzbauend ausführbar ist und somit auch bei kurzem Einbauraum eingesetzt werden kann.In another particular embodiment with a parallel coupling of the actuator with the electrorheological or magnetorheological positioning device has the advantage that this positioning is executable very short construction and thus can be used even with short installation space.
Bei einer zusätzlichen besonderen Ausführung der Positioniereinheit mit einer koaxialen integrierten Kopplung des Aktuators mit der elektrorheologischen oder magnetorheologischen Positioniervorrichtung hat den Vorteil, dass diese sowohl kurzbauend ausführbar ist, als auch momentenfrei arbeitet und nur einen relativ geringen Querschnittsraum zum Einbau benötigt.In an additional particular embodiment of the positioning unit with a coaxial integrated coupling of the actuator with the electrorheological or magnetorheological positioning device has the advantage that it is both kurzbauend executable, as well as torque-free and requires only a relatively small cross-sectional space for installation.
Eine weitere besondere Ausbildung der Erfindung mit einer programmgesteuerten elektronischen Steuervorrichtung in Zusammenwirken mit einem elektrischen Positionssensor hat den Vorteil, dass eine vorgesehen Positionierung ohne jede mechanische Einstellung und Justierung möglich ist und diese auch jederzeit einfach verändert werden kann. Dies hat gleichzeitig den Vorteil, dass auf dem gesamten Verfahrweg des Aktuators ein oder mehrere Positionierstellungen vorgesehen werden können, die in beliebiger Reihenfolge und mit beliebiger Stillstandszeit aufgesucht werden können.Another particular embodiment of the invention with a program-controlled electronic control device in cooperation with an electrical position sensor has the advantage that a provided positioning without any mechanical adjustment and adjustment is possible and this can also be easily changed at any time. This has the advantage that one or more positioning positions can be provided on the entire travel path of the actuator, which can be visited in any order and with any downtime.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment which is illustrated in the drawing. Show it:
1: eine schematisch dargestellte Positioniereinheit aus einem druckmittelbetätigten Aktuator und einer mit diesem linear gekoppelten elektrorheologischen Positioniervorrichtung, und 1 a schematically illustrated positioning unit of a pressure-medium-actuated actuator and a linear-coupled with this electrorheological positioning, and
2: eine schematisch dargestellte Positioniereinheit aus einem druckmittelbetätigten Aktuator und mit diesem koaxial gekoppelter elektrorheologischer Positioniervorrichtung. 2 : A schematically illustrated positioning of a fluid-actuated actuator and with this coaxially coupled electrorheological positioning.
In 1 der Zeichnung ist eine Positioniereinheit schematisch dargestellt, die einen linear verfahrbaren druckmittelbetätigten Aktuator 1 enthält, der linear und axial mit einer elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 kraftschlüssig über dessen Kolbenstangen 8, 18 gekoppelt ist, wobei die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 ein elektrorheologisches Ventil 3 und einen Positionssensor 4 enthält, die mit einer elektronischen Steuervorrichtung 5 verbunden sind, durch die die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 bei einer vorgegebenen Kolbenstangen- oder Kolbenstellung stillsetzbar, weiterverfahrbar oder umsteuerbar ist.In 1 The drawing is a positioning shown schematically, the linearly movable pressure-medium-actuated actuator 1 containing linear and axial with an electrorheological positioning device 2 non-positively via its piston rods 8th . 18 coupled, wherein the electrorheological positioning device 2 an electrorheological valve 3 and a position sensor 4 Contains that with an electronic control device 5 through which the electrorheological positioning device 2 can be stopped, moved or reversed at a given piston rod or piston position.
Der druckmittelbetätigte Aktuator 1 ist als Linearaktuator ausgebildet, dessen Kolbenstange 8 eine Linearbewegung ausführt. Dieser Aktuator 1 besteht vorzugsweise aus einem herkömmlichen Druckmittelzylinder 6 als Aktuatorzylinder, in den ein längsverschieblicher Aktuatorkolben 7 mit daran befestigter Aktuatorkolbenstange 8 angeordnet ist. Dabei ist die Aktuatorkolbenstange 8 mindestens an einer Seite des Aktuatorzylinders 6 aus einem ersten Abschlussdeckel 9 abgedichtet herausgeführt, um die Linearbewegung auf ein nicht dargestelltes Geräteteil zu übertragen. Zum Antrieb des Linearaktuators 1 unterteilt der Aktuatorkolben 7 den Aktuatorzylinder 6 in eine erste Aktuator-Druckmittelkammer 10 und eine zweite Aktuator-Druckmittelkammer 11, die über ein schaltbares 5/3-Wegeventil 12 mit einem Druckmittelspeicher 24 oder einer Druckmittelpumpe verbunden sind. Dabei kann der Aktuatorzylinder 6 sowohl als Hydraulik- oder auch als Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Zur Steuerung des Druckmittelein- oder -auslasses ist das elektrisch steuerbare Wegeventil 12 mit der elektronischen Steuervorrichtung 5 verbunden.The fluid-actuated actuator 1 is designed as a linear actuator whose piston rod 8th performs a linear movement. This actuator 1 preferably consists of a conventional pressure cylinder 6 as Aktuatorzylinder, in which a longitudinally displaceable Aktuatorkolben 7 with attached Aktuatorkolbenstange 8th is arranged. Here is the Aktuatorkolbenstange 8th at least on one side of the actuator cylinder 6 from a first end cap 9 sealed led out to transfer the linear motion to a not shown device part. For driving the linear actuator 1 divided the actuator piston 7 the actuator cylinder 6 in a first actuator pressure medium chamber 10 and a second actuator pressure medium chamber 11 , which has a switchable 5/3-way valve 12 with a pressure fluid store 24 or a pressure medium pump are connected. In this case, the actuator cylinder 6 be designed both as a hydraulic or as a pneumatic cylinder. To control the Druckmittelein- or -auslasses is the electrically controllable directional control valve 12 with the electronic control device 5 connected.
Um die Kolben- oder Kolbenstangenstellung des Aktuators 1 genau steuern zu können, ist der Aktuator 1 mit einer elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 gekoppelt, wobei diese axial hintereinander angeordnet und miteinander kraftschlüssig über deren Kolbenstangen 8, 18 verbunden sind. Dazu ist die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 im Grunde wie ein herkömmlicher elektrorheologischer Schwingungsdämpfer ausgebildet, der einen herkömmlichen Hydraulikzylinder als eletrorheologischen Zylinder 16 mit darin verschieblichen Hydraulikkolben als elektrorheologischen Kolben 17 enthält, an dem eine durchgehende Kolbenstange als elektrorheologische Kolbenstangen 18 befestigt ist. Dabei ist die durchgehende elektrorheologische Kolbenstange 18 axial mit der Aktuatorkolbenstange 8 kraftschlüssig verbunden und ragt abgedichtet aus den beiden Abschlussdeckeln des elektrorheologischen Zylinders 16 heraus. Die durch den Aktuatorkolben 17 gebildeten beiden Druckmittelkammern stellen eine erste elektrorheologische Kammer 13 und eine zweite elektrorheologische Kammer 14 dar und sind über ein steuerbares elektrorheologisches Ventil 3 miteinander verbunden. Dadurch kann die elektrorheologische Flüssigkeit 20 von der einen Druckmittelkammer 13, 14 in die andere Druckmittelkammer 13, 14 strömen, sofern der elektrorheologische Kolben 17 von dem gekoppelten Aktuator 1 axial bewegt wird. Das elektrorheologische Ventil 3 ist vorzugsweise als Ringspaltventil ausgebildet, wobei zwischen einem Innnen- und einem Außenrohr des elektrorheologischen Zylinders 16 ein Ringspalt zum Durchfluss der elektrorheologischen Flüssigkeit 20 belassen ist. Dabei sind die beiden koaxial angeordneten Zylinderrohre als Elektroden ausgebildet, die mit einer in der Steuervorrichtung 5 gebildeten Hochspannungsquelle verbindbar sind. Ein derartiges Ringspaltventil 3 ist vorzugsweise im Zylinderrohr des elektrorheologischen Zylinders 16 integriert, in dem dies aus zwei koaxial angeordneten Rohren besteht, die durch einen Ringspalt voneinander getrennt sind.To the piston or piston rod position of the actuator 1 Being able to control exactly is the actuator 1 with an electrorheological positioning device 2 coupled, wherein these axially arranged one behind the other and with each other frictionally on the piston rods 8th . 18 are connected. This is the electrorheological positioning 2 basically designed as a conventional electrorheological vibration damper, the conventional hydraulic cylinder as an eletrorheological cylinder 16 with hydraulic pistons displaceable therein as electrorheological pistons 17 contains, on which a continuous piston rod as electrorheological piston rods 18 is attached. Here is the continuous electrorheological piston rod 18 axially with the actuator piston rod 8th positively connected and protrudes sealed from the two end covers of the electrorheological cylinder 16 out. The through the actuator piston 17 formed two pressure medium chambers provide a first electrorheological chamber 13 and a second electrorheological chamber 14 and are via a controllable electrorheological valve 3 connected with each other. This may cause the electrorheological fluid 20 from the one pressure medium chamber 13 . 14 in the other pressure medium chamber 13 . 14 flow, provided the electrorheological piston 17 from the coupled actuator 1 is moved axially. The electrorheological valve 3 is preferably designed as an annular gap valve, wherein between an inner and an outer tube of the electrorheological cylinder 16 an annular gap to the flow of the electrorheological fluid 20 is left. In this case, the two coaxially arranged cylinder tubes are designed as electrodes which are connected to one in the control device 5 formed high voltage source can be connected. Such an annular gap valve 3 is preferably in the cylinder tube of the electrorheological cylinder 16 integrated, in which this consists of two coaxial tubes, which are separated by an annular gap.
Allerdings kann ein derartiges elektrorheologisches Ventil 3 auch durch einen Ringspalt zwischen dem Kolben 17 und der inneren Mantelfläche des elektrorheologischen Zylinders 16 gebildet werden, die dann als Elektroden ausgebildet sind. Durch das durch eine Hochspannung gebildete elektrische Feld kann die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit 20 mit zunehmender Gleichspannung kontinuierlich verändert werden, so dass diese ohne Spannung flüssig und bei einer Hochspannung von ca. 5.000 Volt fest ist und dann keinen Durchfluss zulässt. Das elektrorheologische Ventil 3 kann auch als Flchspaltventil ausgebildet sein, bei dem die beiden Elektroden als voneinander parallel beabstandete elektrische leitende Platten vorgesehen sind.However, such an electrorheological valve 3 also through an annular gap between the piston 17 and the inner surface of the electrorheological cylinder 16 are formed, which are then formed as electrodes. Due to the electric field formed by a high voltage, the viscosity of the electrorheological fluid 20 be continuously changed with increasing DC voltage, so that it is liquid without voltage and fixed at a high voltage of about 5,000 volts and then allows no flow. The electrorheological valve 3 can also be designed as a gap valve, in which the two electrodes are provided as spaced apart from each other electrically conductive plates.
Die Positioniervorrichtung als magnetorheologische Positioniervorrichtung könnte allerdings auch aus einem Druckmittelzylinder und einer magnetorheologischen Flüssigkeit gebildet sein, die über ein magnetorheologisches Ventil verfügt. Bei einem derartigen bekannten magnetorheologischen Vetil wird allerdings die Viskosität durch ein magnetisches Feld verändert, das durch einen steuerbaren Strom erzeugt wird. However, the positioning device as a magnetorheological positioning device could also be formed from a pressure medium cylinder and a magnetorheological fluid, which has a magnetorheological valve. In such a known magnetorheological valve, however, the viscosity is changed by a magnetic field generated by a controllable current.
Zur Erfassung der jeweiligen Position des elektrorheologischen Kolbens 17 oder der Kolbenstange des elektrorheologischen Zylinders 16 ist an diesem ein Positionssensor 4 vorgesehen. Dieser ist als Wegsensor ausgebildet, der vorzugsweise parallel zur Zylinderwand am elektrorheologischen Zylinder 16 befestigt ist und die Kolbenstellung berührungslos über ein am elektrorheologischen Kolben 17 angebrachten Dauermagneten 15 erfasst. Dieser Wegsensor 4 bildet ein elektrisches Signal, das der Kolbenstellung des elektrorheologischen Zylinders 16 als auch der Kolbenstellung des Aktuatorkolbens 7 entspricht und dieses über eine elektrische Verbindung der Steuervorrichtung 5 übermittelt.For detecting the respective position of the electrorheological piston 17 or the piston rod of the electrorheological cylinder 16 is at this a position sensor 4 intended. This is designed as a displacement sensor, which is preferably parallel to the cylinder wall at the electrorheological cylinder 16 is fixed and the piston position without contact via a on the electrorheological piston 17 attached permanent magnets 15 detected. This displacement sensor 4 forms an electrical signal, the piston position of the electrorheological cylinder 16 as well as the piston position of the Aktuatorkolbens 7 corresponds and this via an electrical connection of the control device 5 transmitted.
Diese Steuervorrichtung 5 enthält einen Leistungsverstärker, der zur Steuerung des elektrorheologischen Ventils 3 die dafür notwendige Gleichspannung von 0 bis 5.000 V bildet. Desweiteren enthält die Steuervorrichtung 5 noch eine elektrische Eingangsschaltung 26, die die elektrischen Signale des Wegsensors 4 empfängt und in ein digitales Signal umwandelt, das der Stellung des elektrorheologischen Kolbens 17 der Positioniervorrichtung 2 oder des Aktuatorkolbens 7 entspricht. Die Steuereinrichtung 5 enthält zusätzklich noch eine programmgesteuerte Rechenschaltung als Prozessor 27, die mit einer Eingabeschaltung 28 verbunden ist, durch die ein oder mehrere gewünschte Positionen in die Steuervorrichtung 2 eingebbar sind, an der der Aktuator 1 stillgesetzt oder umgesteuert werden soll. Dabei kann auch eine bestimmte Stillstandszeit oder eine Weitersteuerungsfolge vorgegeben werden. Dazu berechnet die programmgesteuerte Rechenschaltung 27 entsprechende Gleichspannungswerte, durch die der Durchfluss durch das elektrorheologische Ventil 3 gesteuert wird. Vorzugsweise wird durch die Rechenschaltung 27 eine kontinuierlich ansteigende Steuerspannung errechnet, bei der die Durchflussmenge mit zunehmender Annäherung an die Stillsetzungsstellung erhöht wird, um ein verlangsamtes Anfahren an diese Stillsetzungsstellung zur ermöglichen, durch das die Positionierungsgenauigkeit erhöht wird.This control device 5 contains a power amplifier, which is used to control the electrorheological valve 3 the necessary DC voltage from 0 to 5,000 V forms. Furthermore, the control device contains 5 another electrical input circuit 26 containing the electrical signals of the displacement sensor 4 receives and converts it into a digital signal corresponding to the position of the electrorheological piston 17 the positioning device 2 or the actuator piston 7 equivalent. The control device 5 additionally contains a program-controlled arithmetic circuit as a processor 27 that with an input circuit 28 is connected by the one or more desired positions in the control device 2 are entered, at which the actuator 1 shut down or should be reversed. In this case, a specific downtime or a continuation sequence can be specified. The program-controlled computing circuit calculates this 27 corresponding DC voltage values, through which the flow through the electrorheological valve 3 is controlled. Preferably, by the computing circuit 27 a continuously increasing control voltage is calculated, in which the flow rate is increased with increasing approach to the stop position to enable a slower approach to this stop position, by which the positioning accuracy is increased.
Zusätzlich erhält die Steuervorrichtung 5 eine Ausgangsschaltung 29, die mit dem 5/3-Wegeventil des Aktuators 1 verbunden ist, durch das das Druckmittel in die Aktuatorkammern 10, 11 ein- oder auslassbar ist oder das Wegeventil 12 einfach gesperrt geschaltet wird, so dass der Aktuator 1 in seiner Stellung für einen vorgegebenen Zeitraum fixiert oder verriegelt wird.In addition, the control device gets 5 an output circuit 29 connected to the 5/3-way valve of the actuator 1 is connected, through which the pressure medium in the Aktuatorkammern 10 . 11 is on or auslassbar or the directional control valve 12 simply locked, so that the actuator 1 is fixed or locked in its position for a given period of time.
Die vorbeschriebene Positioniereinheit mit dem druckmittelbetriebenen Aktuator 1 und die mit diesem gekoppelte elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 arbeiten im Betriebsablauf wie folgt:
Es sei angenommen, der Aktuator 1 solle z. B. während seines Betriebs so gesteuert werden, dass er zwischen den vorgegebenen Stellungen A und C permanent periodischen hin und her verfährt und bei der Stellung B für einen vorgesehenen Zeitraum stillgesetzt wird. Dabei zeigt die 1 der Zeichnung den Betriebszustand, bei der sich der Aktuator 1 gerade in der mittleren Verfahrensstellung B befindet und sich in Richtung auf die Verfahrensstellung A bewegen soll. Diese Verfahrensstellung B erfasst der Wegsensor 4 durch den gegenüberliegenden Dauermagneten 15 im elektrorheologischen Kolben 17. Dadurch wird z. B. im Wegsensor 4 ein elektrisches Signal erzeugt, das der mittleren Stellung B entspricht. In der Eingangsschaltung 26 der Steuervorrichtung 5 wird daraus ein Digitalwert gebildet, der der vorgegebenen Stillsetzungsstellung B entspricht. In der programmgesteuerten Rechenschaltung 27 wird der Ist-Wert mit den eingegebenen Soll-Wert der Stillsetungsstellung B verglichen und das elektrorheologische Ventil 3 mit einer in einer Steuerspannungsschaltung 30 erzeugten Hochspannung beaufschlagt, durch die die elektrorheologische Flüssigkeit 20 sich so versteift, dass der Durchfluss durch das elektrorheologische Ventil 3 gestoppt wird. Dadurch kann die elektrorheologische Flüssigkeit 20 nicht mehr von der ersten elektrorheologischen Kammer 13 in die zweite elektrorheologische Kammer 14 gelangen, so dass der elektrorheologische Kolben 17 eine Dämpfung erfährt, und dadurch in dieser Stellung B zum Stillstand kommt. Durch die kraftschlüssige Verbindung der beiden durchgehenden Kolbenstangen 8, 18 wird auch der Aktuatorkolben 7 mit dessen Kolbenstange 8 in dieser vorgegebenen Stellung B stillgesetzt. Dabei muss die Dämpfungskraft der elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 mindestens so groß sein, wie die Veschiebekraft des Aktuators 1.The above-described positioning with the fluid-operated actuator 1 and the electrorheological positioning device coupled thereto 2 work in the operational sequence as follows:
It is assumed the actuator 1 should z. B. be controlled during its operation so that it moves between the predetermined positions A and C permanently periodic back and forth and is stopped at the position B for a designated period. It shows the 1 the drawing shows the operating state in which the actuator 1 is just in the middle process position B and is to move towards the process position A. This process position B is detected by the displacement sensor 4 through the opposite permanent magnet 15 in the electrorheological piston 17 , This z. B. in the displacement sensor 4 generates an electrical signal corresponding to the middle position B. In the input circuit 26 the control device 5 From this, a digital value is formed which corresponds to the predetermined stop position B. In the program-controlled computing circuit 27 the actual value is compared with the entered setpoint value of the shutdown position B and the electrorheological valve 3 with one in a control voltage circuit 30 generated high voltage, through which the electrorheological fluid 20 gets so stiffened that the flow through the electrorheological valve 3 is stopped. This may cause the electrorheological fluid 20 no longer from the first electrorheological chamber 13 into the second electrorheological chamber 14 arrive, so that the electrorheological piston 17 undergoes a damping, and thereby comes to a standstill in this position B. Due to the non-positive connection of the two continuous piston rods 8th . 18 also becomes the actuator piston 7 with its piston rod 8th shut down in this predetermined position B. The damping force of the electrorheological positioning device must 2 be at least as great as the Veschiebekraft of the actuator 1 ,
Um in dieser Stellung B den Aktuator 1 nicht weiter mit einer Verschiebekraft zu beaufschlagen, steuert die Ausgangsschaltung 29 der Steuervorrichtung 5 gleichzeitig das Wegeventil 12 so an, dass die Druckmittelzufuhr in die zweite Druckmittelkammer 11 unterbrochen oder abgeschaltet wird. Ist dann die vorgegebene Stillsetzungszeit beendet, schaltet die Steuervorrichtung 5 die Druckmittelzufuhr in die zweite Druckmittelkammer 11 durch das Wegeventil 12 wieder ein und die Steuer- oder Dämpferspannung zum elektrorheologischen Ventil 3 auf vorzugsweise 0 Volt. Dadurch wird in der zweiten Druckmittelkammer 11 ein Verschiebedruck aufgebaut, der eine Verschiebekraft in Richtung der Verfahrensstellung A bewirkt.To in this position B the actuator 1 not further to apply a displacement force controls the output circuit 29 the control device 5 at the same time the directional valve 12 so that the pressure medium supply into the second pressure medium chamber 11 is interrupted or switched off. If then the predetermined shutdown time has ended, the control device switches 5 the pressure medium supply into the second pressure medium chamber 11 through the directional valve 12 again and the control or damper voltage to the electrorheological valve 3 preferably 0 volts. As a result, in the second pressure medium chamber 11 built a displacement pressure, the one Displacement force in the direction of process position A causes.
Gleichzeitig wird die elektrorheologische Flüssigkeit 20 im elektrorheologischen Ventil 3 in einen dünnflüssigen Zustand umgewandelt, so dass die elektrorheologische Flüssigkeit 20 nahezu ungehindert von der ersten elektrorheologischen Kammer 13 in die zweite elektrorheologische Kammer 14 strömen kann, so dass in der Positioniervorrichtung 2 keine Dämpfung aufgebaut wird und der Aktuator 1 in Richtung der Umsteuerstellung A vefährt. Dabei ist die Verfahrgeschwindigkeit des Aktuatorkolbens 7 nur von dem Druckunterschied in dessen Druckmittelkammern 10, 11 und der Größe der wirksamen Kolbenfläche abhängig. Um den Aktuatorkolben 7 genau in Umkehrpunkt A stillsetzen zu können, wird vorzugsweise die Verfahrgeschwingkeit mit zunehmender Annäherung zur Umkehrstellung A verringert. So wird aus den Signalen des Wegsensors 4 in der programmgesteuerten Rechenschaltung 27 laufend die verbleibende Verfahrstrecke ermittelt und aus einer dafür vorgegebenen Verfahrgeschwindigkeit eine Steuer- oder Dämpferspannung errechnet, durch die die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit so erhöht wird, dass der Durchfluss von der ersten elektrorheologischen Kammer 13 in die zweite elektrorheologische Kammer 14 entsprechend der vorgegebenen Anfahrgeschwindigkeit verringert wird, wodurch auch die Anfahrgeschwindigkeit zur Umkehrpunktstellung A gedämpft wird.At the same time the electrorheological fluid 20 in the electrorheological valve 3 converted into a low-viscosity state, so that the electrorheological fluid 20 almost unhindered by the first electrorheological chamber 13 into the second electrorheological chamber 14 can flow, so in the positioning device 2 no damping is built up and the actuator 1 in the direction of Umsteuerstellung A vefährt. The traversing speed of the actuator piston is thereby 7 only of the pressure difference in the pressure medium chambers 10 . 11 and the size of the effective piston area. To the actuator piston 7 to be able to shut down exactly at reversal point A, the Verfahrgeschwingkeit is preferably reduced with increasing approach to the reversal position A. This is how the signals from the displacement sensor become 4 in the program-controlled computing circuit 27 continuously determines the remaining travel distance and calculated from a given travel speed, a control or damper voltage by which the viscosity of the electrorheological fluid is increased so that the flow from the first electrorheological chamber 13 into the second electrorheological chamber 14 is reduced according to the predetermined approach speed, whereby the approach speed to the reversal point position A is attenuated.
Bei Erreichen des Umkehrpunktes A wird dann das elektrorheologische Ventil 3 mit einer hohen Steuer- oder Dämpferspannung beaufschlagt, so dass die Anfahrgeschwindigkeit dort Null ist und dadurch der Aktuator stillgesetzt wird. Gleichzeitig erzeugt an dieser Umkehrstellung A die Ausgangsschaltung 29 der Steuervorrichtung 5 ein Umschaltsignal an das Wegeventil 12, wodurch die Druckmittelzufuhr von der zweiten Druckmittelkammer 11 zur ersten Druckmittelkammer 10 umgeschaltet wird. Gleichzeitig wird nach dem Stillstand am Umkehrpunkt A die Hochspannung am elektrorheologischen Ventil 3 auf 0 Volt gesetzt, so dass der Aktuator 1 ungedämpft in Richtung auf die Stillsetzungsstelle B verfährt. Dabei wird vorzugsweise auch wieder die Anfahrgeschwindigkeit mit Annäherung an die Stillsetzungsstelle B wie vorbeschrieben verringert, um eine zielgenaue Positionierung zu erreichen. Die daraufhin folgende Vorschubrichtung zur Umsteuerstellung C erfolgt wie vorbeschrieben, mur mit entgegengesetzter Richtungssteuerung.Upon reaching the turning point A then the electrorheological valve 3 subjected to a high control or damper voltage, so that the approach speed there is zero and thereby the actuator is stopped. At the same time, the output circuit generates at this reversing position A. 29 the control device 5 a switching signal to the directional control valve 12 , whereby the pressure medium supply from the second pressure medium chamber 11 to the first pressure medium chamber 10 is switched. At the same time after stopping at the reversal point A, the high voltage at the electrorheological valve 3 set to 0 volts, leaving the actuator 1 undamped in the direction of the shutdown point B moves. In this case, the approach speed is preferably again reduced as approaching to the stopping point B as described above, in order to achieve an accurate positioning. The following feed direction to Umsteuerstellung C is as described above, mur with opposite direction control.
In der Steuervorrichtung 5 könnte alternativ zur Verringerung der Anfahrgeschwindigkeit auch eine Maximalgeschwindigkeit vorgegeben werden, wodurch die Ist-Geschwindigkeiten aus den Wegstrecken pro Zeit ermittelbar sind und bei einer Überschreitung einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit das elektrorheologische Ventil 3 so lang mit einer entsprechenden Dämpferspannung beaufschlagt wird, bis die Sollgeschwindigkeit wieder erreicht ist. Aufgrund der vorgesehenen programmgesteuerten Rechenschaltung 27 sind in der Steuervorrichtung 5 im Grunde beliebige Positionier- oder Umkehrstellungen (A, B, C) vorgebbar, die auch in unterschiedlicher Reihenfolge und zeitlichem Abstand voneinander vorgebbar sind. So können die vorgegebenen Positionier- oder Umkehrstellungen (A, B, C) nachträglich jederzeit leicht verändert oder durch weitere Vorgaben ergänzt werden. So kann z. B. die Aktuatorkolbenstange 18 mit einem Kraftaufnehmer versehen werden, der die Vorschubkraft erfasst und den Aktuator 1 bei Über- oder Unterschreitung einer vorgegebenen Sollkraft durch Beaufschlagung einer entsprechenden Dämpferspannung still setzt und/oder in Umkehrrichtung umschaltet.In the control device 5 As an alternative to reducing the approach speed, a maximum speed could also be predetermined, as a result of which the actual speeds from the distances per time can be determined and, if the predetermined maximum speed is exceeded, the electrorheological valve 3 as long as a corresponding damper voltage is applied until the desired speed is reached again. Due to the provided program-controlled computing circuit 27 are in the control device 5 basically any positioning or reversing positions (A, B, C) can be specified, which can also be predetermined in different order and time interval from each other. Thus, the predetermined positioning or reversing positions (A, B, C) can subsequently be easily changed at any time or supplemented by further specifications. So z. B. the Aktuatorkolbenstange 18 be provided with a force transducer, which detects the feed force and the actuator 1 in case of exceeding or falling below a predetermined desired force by applying a corresponding damper voltage sets still and / or switches in the reverse direction.
Durch die axial hintereinander angeordneten und über die Kolbenstangen 8, 18 kraftschlüssig miteinander verbundenen Aktuator 1 und eltrorheologische Positioniervorrichtung 2 ergibt sich zwar eine Positioniereinheit mit relativ geringer Querschnittsfläche aber einer Länge, die mindestens dem Doppelten des Aktuatorzylinders 6 entspricht. Sollte hingegen aber nur die Einbaulänge des Aktuatorzylinders 6 zur Verfügung stehen, könnten der Aktuatorzylinder 6 und der elektrorheologische Zylinder 16 auch parallel nebeneinander angeordnet werden. Zur kraftschlüssigen Kopplung beider Zylinder 6, 16 werden dann die parallel ausfahrbaren Kolbenstangen 8, 18 mittels eines quer angeordneten Verbindungsbalkens miteinander kraftschlüssig gekoppelt. Im Einzelnen werden der Aktuator 1 und die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 genauso ausgeführt, wie bei der axial hintereinander angeordneten Vorrichtung nach 1 der Zeichnung.By axially arranged one behind the other and the piston rods 8th . 18 non-positively connected actuator 1 and orthorheological positioning device 2 Although there is a positioning with relatively small cross-sectional area but a length which is at least twice the Aktuatorzylinders 6 equivalent. If, however, only the installation length of the actuator cylinder 6 could be available, the actuator cylinder 6 and the electrorheological cylinder 16 also be arranged in parallel next to each other. For frictional coupling of both cylinders 6 . 16 then the parallel extendable piston rods 8th . 18 coupled by means of a transverse connecting bar with each other frictionally. In detail, the actuator 1 and the electrorheological positioning device 2 executed exactly as in the axially successively arranged device according to 1 the drawing.
In 2 der Zeichnung ist eine Positioniereinheit schematisch dargestellt, die einen druckmittelbetriebenen Aktuator 1 und eine koaxial in diesem integrierte elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 enthält, die kraftschlüssig miteinander gekoppelt sind. Dabei entsprechen die Bezugszeichen der 2 den gleichen Bezugszeichen der 1 soweit diese mit den dortigen Teilen funktionsgleich sind.In 2 The drawing shows a positioning unit is shown schematically, the a fluid-operated actuator 1 and a coaxial in this integrated electrorheological positioning device 2 contains, which are positively coupled with each other. The reference numerals correspond to the 2 the same reference numerals of 1 as far as these are functionally identical with the local parts.
Der Aktuator 1 besteht aus einem Aktuatorzylinder 6 Druckmittelzylinder, in dem ein Aktuatorkolben 7 axial längsverschieblich angeordnet ist, an dem eine durchgehende Aktuatorkolbenstange 8 befestigt ist. Dabei ist der Aktuatorkolben 7 ringförmig ausgebildet und koaxial um die Aktuatorkolbenstange 8 etwa auf dessen halber axialer Länge befestigt. Die Aktuatorkolbenstange 8 ist dabei innen hohl ausgebildet und ragt abgedichtet aus dem rechtsseitig angeordneten ersten Aktuatorabschlussdeckel 9 heraus. Durch den Aktuatorkolben 7 wird der Aktuatorzylinder 6 in einer erste Druckmittelkammer 10 und eine zweite Druckmittelkammer 11 aufgeteilt, die jeweils mit einer Druckmittelleitung mit einem 5/3-Wägeventil 12 verbunden sind. Linksseitig ist der Aktuatorzylinder 6 durch einen zweiten Aktuatorabschlussdeckel 21 abgedichtet, der mit einem ortsfesten Aktuatorgeräteteil 19 starr oder gelenkig verbunden ist.The actuator 1 consists of an actuator cylinder 6 Pressure medium cylinder, in which an actuator piston 7 axially longitudinally displaceable, on which a continuous Aktuatorkolbenstange 8th is attached. Here is the actuator piston 7 annular and coaxial with the Aktuatorkolbenstange 8th attached about halfway along its axial length. The actuator piston rod 8th is hollow inside and protrudes sealed from the right side arranged first Aktuatorabschlussdeckel 9 out. Through the actuator piston 7 becomes the actuator cylinder 6 in a first pressure medium chamber 10 and a second pressure medium chamber 11 divided, each with a pressure medium line with a 5/3 weighing valve 12 are connected. On the left side is the actuator cylinder 6 by a second Aktuatorabschlussdeckel 21 sealed with a stationary Aktuatorgeräteteil 19 rigid or articulated connected.
Die elektrorheologische Positioniervorrichtung 2 ist bei dieser Ausführung im Grunde koaxial in der hohlen Aktuatorkolbenstange 8 integriert angeordnet, die gleichzeitig als elektrorheologischer Zylinder 16 ausgebildet ist. Dabei umfasst die elektrorheologische Positionoiervorrichtung 2 neben dem elektrorheologischen Zylinder 16 einen elektrorheologischen Kolben 17 mit daran befestigter elektrorheologischer Kolbenstange 18, einem elektrorheologischen Ventil 3, einem Positionssensor 4 und einer elektronischen Steuervorrichtung 5. Der elektrorheologische Zylinder 16 enthält einen abgedichteten Innenraum, in dem ein elektrorheologischer Kolben 17 ortsfest angeordnet ist, der den elektrorheologischen Zylinder 16 in eine erste elektrorheologische Druckmittelkammer 13 und eine zweite elektrorheologische Druckmittelkammer 14 unterteilt, in denen eine elektrorheologische Flüssigkeit 20 eingefüllt ist.The electrorheological positioning device 2 In this embodiment, it is basically coaxial in the hollow actuator piston rod 8th integrated, which simultaneously as an electrorheological cylinder 16 is trained. In this case, the electrorheological positioning device comprises 2 next to the electrorheological cylinder 16 an electrorheological piston 17 with attached electrorheological piston rod 18 , an electrorheological valve 3 , a position sensor 4 and an electronic control device 5 , The electrorheological cylinder 16 contains a sealed interior containing an electrorheological piston 17 is stationarily arranged, the electrorheological cylinder 16 in a first electrorheological pressure medium chamber 13 and a second electrorheological pressure medium chamber 14 divided, in which an electrorheological fluid 20 is filled.
Am elektrorheologischen Kolben 17 ist linksseitig eine elektrorheologische Kolbenstange 18 befestigt, die abgedichtet axial aus dem elektrorheologischen Zylinder 16 herausgeführt und an dem zweiten Abschlussdeckel 21 befestigt ist. Zum Volumenausgleich der einseitig herausgeführten elektrorheologischen Kolbenstange 18 ist im elektrorheologischen Zylinder 16 zusätzlich noch eine Gaskammer 22 mit einem vorgegebenen Überdruck vorgesehen, die durch einen axial verschieblichen Trennkolben 23 von der zweiten elektrorheologischen Kammer 14 getrennt wird.At the electrorheological piston 17 on the left side is an electrorheological piston rod 18 attached, which is sealed axially from the electrorheological cylinder 16 led out and on the second end cap 21 is attached. For volume compensation of the unilaterally led out electrorheological piston rod 18 is in the electrorheological cylinder 16 additionally a gas chamber 22 provided with a predetermined overpressure by an axially displaceable separating piston 23 from the second electrorheological chamber 14 is disconnected.
Zwischen dem elektrorheologischen Kolben 17 und der inneren Zylinderwand des elektrorheologischen Zylinders 16 ist ein ringförmiger Ventilspalt 31 belassen, durch den die elektrorheologische Flüssigkeit 20 von der einen elektrorheologischen Kammer 13, 14 in die andere elektrorheologische Kammer 13, 14 strömen kann. Dadurch wird das elektrorheologische Ventil 3 gebildet, wobei die innere Zylinderwand des elektrorheologischen Zylinders 16 als Anode (Minuspol) und die äußere Zylinderwand des elektrorheologischen Kolbens 17 als Kathode (Pluspol) ausgebildet sind, die mit der Steuerspannungsschaltung 30 der Steuervorrichtung 5 verbunden sind. Durch eine entsprechende Gleichspannungsbeaufschlagung der Elektroden kann die Durchströmmenge durch das elektrorheologische Ventil 3 kontinuierlich bis zur Durchflusssperrung verändert werden. Dabei kann das elektrorheologische Ventil 3 auch als Ringspalt- oder Flachspaltventil innerhalb des elektrorheologischen Zylinders 16 oder innerhalb des elektrorheologischen Kolbens 17 ausgebildet werden.Between the electrorheological piston 17 and the inner cylinder wall of the electrorheological cylinder 16 is an annular valve gap 31 through which the electrorheological fluid 20 from the one electrorheological chamber 13 . 14 into the other electrorheological chamber 13 . 14 can flow. This will be the electrorheological valve 3 formed, wherein the inner cylinder wall of the electrorheological cylinder 16 as an anode (negative pole) and the outer cylinder wall of the electrorheological piston 17 are formed as a cathode (positive pole) connected to the control voltage circuit 30 the control device 5 are connected. By a corresponding DC voltage applied to the electrodes, the flow rate through the electrorheological valve 3 be continuously changed until the flow restriction. In this case, the electrorheological valve 3 also as an annular gap or flat-gap valve within the electrorheological cylinder 16 or within the electrorheological piston 17 be formed.
Zur Steuerung der Positionierung des Aktuators 1 ist parallel zum Aktuatorzylinder 6 ein Wegsensor 3 als Positionssensor angeordnet, der z. B. einen Dauermagneten 15 im Aktuatorkolben 7 erfasst. Der Wegsensor 4 ist elektrisch mit der Steuervorrichtung 5 verbunden, die das elektrische Signal des Wegsensors 4 in der Eingangsschaltung 26 auswertet, das der Stellung des Aktuatorkolbens 7 und der Aktuatorkolbenstange 8 innerhalb des Aktuatorzylinders 6 entspricht. Durch die am zweiten Abschlussdeckel 21 des Aktuatorzylinders 6 befestigte elektrorheologische Kolbenstange 18 des elektrorheologischen Kolbens 17 ist der Aktuator 1 kraftschlüssig mit der elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 gekoppelt und bilden eine Positioniereinheit. Deshalb könnte der Wegsensor 4 auch parallel zum elektrorheologischen Zylinder 16 angeordnet sein, der die elektrorheologische Kolbenstellung im Verhältnis zum elektrorheologischen Zylinder 16 erfasst. Allerdings ist es bei dieser Ausführung zweckmäßiger den Wegsensor 4 parallel zum ortsfesten Aktuatorzylinder 6 anzuordnen, wodurch eine einfachere elektrische Verbindung zur Steuervorrichtung 5 ermöglicht wird.To control the positioning of the actuator 1 is parallel to the actuator cylinder 6 a displacement sensor 3 arranged as a position sensor, the z. B. a permanent magnet 15 in the actuator piston 7 detected. The displacement sensor 4 is electrically connected to the control device 5 connected to the electrical signal of the displacement sensor 4 in the input circuit 26 evaluates the position of the Aktuatorkolbens 7 and the actuator piston rod 8th inside the actuator cylinder 6 equivalent. By the second end cover 21 of the actuator cylinder 6 attached electrorheological piston rod 18 of the electrorheological piston 17 is the actuator 1 non-positively with the electrorheological positioning device 2 coupled and form a positioning unit. That's why the displacement sensor could 4 also parallel to the electrorheological cylinder 16 be arranged, the electrorheological piston position in relation to the electrorheological cylinder 16 detected. However, it is expedient in this embodiment, the displacement sensor 4 parallel to the stationary actuator cylinder 6 to arrange, creating a simpler electrical connection to the control device 5 is possible.
Die vorstehend beschriebene Ausführung der Positioniereinheit 2 arbeitet im Betriebszustand funktionsmäßig wie folgt:
Dabei sei zum Beispiel angenommen, dass der Aktuatorkolben 7 und damit gleichzeitig auch dessen Aktuatorkolbenstange 8 als Betätigungsorgan zwischen den Positionierungsstellungen A und C periodisch abwechselnd hin und her verfahren werden soll, wobei die gegenwärtige Bewegung in Pfeilrichtung 25 von der Aktuatorkolbenstellung B zur Kolbenstellung C verläuft. Dazu erfasst die Eingangsschaltung 26 der programmgesteuerten Steuervorrichtung 5 vom Wegsensor 4 ein elektrisches Signal, das der Ist-Aktuatorkolbenstellung B entspricht, woraus der Abstand zur Soll-Stellung C errechnet wird. Aus der Wegdifferenz ermittelt die programmgesteuerte Rechenschaltung 27 der Steuervorrichtung 5 eine vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit, die vorzugsweise mit zunehmender Annäherung an die Soll-Position C verringert wird. Zur Erzeugung dieser Vorschubgeschwindigkeit wird das Wegeventil 12 so geschaltet, dass das Druckmittel vom Druckmittelspeicher 24 in die erste Aktuatorkammer 10 ein- und aus der zweiten Aktuatorkammer 11 ausströmt, so dass der Aktuatorkolben 7 mit einer Kraft in Pfeilrichtung 25 beaufschlagt wird.The embodiment of the positioning unit described above 2 works in the operating state as follows:
For example, assume that the actuator piston 7 and at the same time also its actuator piston rod 8th is to be moved periodically alternately back and forth as an actuator between the positioning positions A and C, wherein the current movement in the direction of arrow 25 from the Aktuatorkolbenstellung B to the piston position C runs. The input circuit detects this 26 the program-controlled control device 5 from the path sensor 4 an electrical signal corresponding to the actual Aktuatorkolbenstellung B, from which the distance to the desired position C is calculated. The program-controlled computing circuit determines from the path difference 27 the control device 5 a predetermined feed rate, which is preferably reduced with increasing approach to the desired position C. To generate this feed rate, the directional control valve 12 switched so that the pressure fluid from the accumulator 24 into the first actuator chamber 10 on and off the second actuator chamber 11 flows out, leaving the actuator piston 7 with a force in the direction of the arrow 25 is charged.
Gleichzeitig schaltet die Steuerspannungsschaltung 30 der Steuervorrichtung 5 nur einen geringen Gleichspannungswert, der der vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit entspricht, auf die Elektroden des elektrorheologischen Ventils 4, so dass die elektrorheologische Flüssigkeit 20 nur wenig gedämpft von der ersten elektrorheologischen Kammer 14 in die zweite elektrorheologische Kammer 13 strömen kann, so dass sich der Aktuatorkolben 7 mit der Aktuatorkolbenstange 8 mit relativ hoher Vorschubgeschwindigkeit zur Kolbenstellen C bewegt. Dabei verbleibt der elektrorheologische Kolben 17 an seiner ortsfesten Position, während sich der elektrorheologische Zylinder 16 als Aktuatorkolbenstange 8 in Pfeilrichtung 25 bewegt. Mit zunehmender Annäherung an die vorgegebene Umsteuerungsposition C wird durch die Steuerspannungsschaltung 30 der Steuervorrichtung 5 die vorgesehene Steuerspannung zwischen den Elektroden des elektrorheologischen Ventils 5 erhöht, so dass die Dämpfung des elektrorheologischen Kolbens 17 innerhalb des elektrorheologischen Zylinders 16 kontinuierlich erhöht wird, wodurch sich die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend verringert. Dabei wird bei Erreichen der Soll- oder Umsteuer-Stellung C die Steuerspannung so erhöht, dass sich die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit 20 so erhöht, dass dadurch kein Durchfluss durch den Ringspalt 31 möglich ist und dadurch der elektrorheologische Zylinder 16 und der Aktuatorkolben 7 stillgesetzt werden.At the same time the control voltage circuit switches 30 the control device 5 only a small DC value, which corresponds to the predetermined feed rate, to the electrodes of the electrorheological valve 4 , so that the electrorheological fluid 20 only slightly subdued by the first electrorheological chamber 14 into the second electrorheological chamber 13 can flow, so that the actuator piston 7 with the actuator piston rod 8th with relatively high feed rate to the piston C moves. This leaves the electrorheological piston 17 at its fixed position while the electrorheological cylinder 16 as actuator piston rod 8th in the direction of the arrow 25 emotional. With increasing approach to the predetermined reversing position C is by the control voltage circuit 30 the control device 5 the intended control voltage between the electrodes of the electrorheological valve 5 increased, so the damping of the electrorheological piston 17 within the electrorheological cylinder 16 is continuously increased, whereby the feed rate is reduced accordingly. In this case, upon reaching the desired or reversal position C, the control voltage is increased so that the viscosity of the electrorheological fluid 20 so increased that thereby no flow through the annular gap 31 is possible and thereby the electrorheological cylinder 16 and the actuator piston 7 be shut down.
Durch die vorgegebene Umsteuerbewegung des Aktuators 1 schaltet die Steuervorrichtung 5 mit Erreichen der Soll- oder Umsteuerungsposition C das Wegeventil 12 um, so dass jetzt das Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher 24 in die zweite Druckmittelkammer 11 ein- und aus der ersten Druckmittelkammer 10 ausströmt. Dadurch wird der Aktuatorkolben 7 in entgegengesetzter Richtung mit einer Druckkraft beaufschlagt. Da gleichzeitig das elektrorheologische Ventil 3 spannungsfrei geschaltet wird, bewegt sich der Aktuatorkolben 7 mit der Aktuatorkolbenstange 8 und dem elektrorheologischen Zylinder 16 in Richtung der Umsteuerposition 8 und wird dort wie vorbeschrieben stillgesetzt und umgesteuert.Due to the predetermined reversing movement of the actuator 1 turns on the control device 5 upon reaching the desired or reversing position C, the directional control valve 12 um, so that now the pressure medium from the accumulator 24 in the second pressure medium chamber 11 on and off the first pressure medium chamber 10 flows. This will cause the actuator piston 7 acted upon in the opposite direction with a compressive force. Because at the same time the electrorheological valve 3 de-energized, moves the Aktuatorkolben 7 with the actuator piston rod 8th and the electrorheological cylinder 16 in the direction of the reversal position 8th and is shut down and redirected there as described above.
Auch bei dieser Ausführung können die Umsteuerstellungen A und C in beliebigem Abstand entlang des Verschiebeweges des Aktuatorzylinders 6 vorgegeben und der Steuervorrichtung 5 mit seinem Anfangs- und Endpunkt eingegeben werden. So sind auch einzelne Positionierungen an vorgegebenen Aktuatorstellungen möglich, die von externen Sensor- oder Schaltvorrichtungen gesteuert werden und die mit der Steuervorrichtung 5 verbunden sind. Eine derartige Positioniereinheit kann beim Aktuatorteil sowohl als Pneumatik- als auch als Hydraulikzylinder ausgebildet sein. Zur Stillsetzung muss dabei der Aktuatorzylinder 6 nur dann druckfrei geschaltet werden, wenn die Dämpfungskraft des elektrorheologischen Ventils 3 kleiner als die Vorschubkraft des Aktuatorzylinders 6 ist. Bei der Ausführung nach 2 der Zeichnung sind dabei die wirksamen Flächenteile des Aktuatorkolbens 7 so auf die Kolbenfläche des elektrorheologischen Kolbens 17 abzustimmen, dass die Vorschubkraft kleiner als die Dämpfungskraft der elektrorheologischen Positioniervorrichtung 2 ist.Also in this embodiment, the reversing positions A and C at any distance along the displacement path of the actuator 6 predetermined and the control device 5 be entered with its start and end points. Thus, individual positions at predetermined actuator positions are possible, which are controlled by external sensor or switching devices and with the control device 5 are connected. Such a positioning unit may be formed in the actuator part both as a pneumatic cylinder and as a hydraulic cylinder. To shut down while the actuator cylinder 6 only be depressurized when the damping force of the electrorheological valve 3 smaller than the feed force of the actuator cylinder 6 is. In the execution after 2 the drawing are the effective surface parts of Aktuatorkolbens 7 so on the piston surface of the electrorheological piston 17 to agree that the feed force is smaller than the damping force of the electrorheological positioning device 2 is.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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