[0001] Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Schieberventil nach dem Oberbegriff des
unabhängigen Patentanspruchs 1.
[0002] Im Stand der Technik ist ein Steuerventil dieser Gattung durch die DE-A-32 21 928
und die DE-A-32 16 692 bekannt geworden.
[0003] Ferner ist durch die EP-A-0 288 719 eine Steuereinrichtung für einen pneumohydraulischen
Kraftantrieb bekannt geworden, dessen Ausgangsgrösse eine mit bestimmter Kraft und
Geschwindigkeit ausgeführte Vorschubbewegung einer Kolbenstange ist.
[0004] Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen pneumohydraulischen Zylinder durch den gezielten
Einsatz entsprechender Ventile, Sensoren, Druckluft und elektrischer Energie so anzusteuern,
dass dem Zylinder die beiden folgenden unterschiedlichen Bewegungsarten eingeprägt
werden können:
a) Eilgang / Schnellgang
Es werden grosse Hübe mit grosser Geschwindigkeit und kleiner Betätigungskraft
ausgeführt.
b) Schleichgang / Krafthub
Es werden kleine Hübe mit kleiner Geschwindigkeit und grosser Betätigungskraft
ausgeführt.
[0005] Dank dem Einsatz von Servoventilen, Druck- und Wegsensoren ist diese Einrichtung
frei programmierbar geworden. Das bedeutet, dass Umschaltpunkte, Vorschubkräfte etc.
numerisch genau vorgegeben werden können und den Antrieb somit qualitativ verbessern.
Die Funkion der Einrichtung bleibt aber unverändert; egal in welchem Funktionsmodus
es betrieben wird. Es ist und bleibt ein pneumohydraulischer Vorschubantrieb.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bezüglich der Dynamik und der Schieberstabilität
verbessertes Steuerventil zu schaffen. Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäss
Anspruch 1 gelöst.
[0007] Das erfindungsgemässe Schieberventil ist in jeder Arbeitslage von einem Betriebsmodus
in den anderen umschaltbar und zeigt eine deutlich höhere Dynamik und eine höhere
Schieberstabilität.
[0008] Die beiden Funktionsmodi sind:
a) Proportional-Wegeventil
Ein elektrischer Schieberpositionssollwert teilt dem Ventil mit, in welche Position
der Ventilschieber bewegt werden soll. Am Ventilausgang wird sich dann ein Volumenstrom
und ein Ausgangsdruck einstellen. Der Ausgangsdruck wird aber in diesem Betriebsmodus
nicht geregelt.
b) Proportional-Druckregelventil
Ein elektrischer Drucksollwert teilt dem Ventil mit, welcher pneumatische Druck
am Ausgang des Ventils eingeregelt werden soll.
[0009] Die Funktion des erfindungsgemässen Schieberventils wird also durch das Umschalten
der Funktionsmodi eindeutig verändert. Zudem kann die Druckregelverstärkung zur Erzielung
einer optimalen Gesamtsystem-Dynamik stufenweise angepasst werden. Bei sehr guter
Linearität und minimaler Hysterese kann sehr schnell entlüftet werden. Auch bei hohem
Durchfluss wird eine gute Ansprechempfindlichkeit erzielt. In konstruktiver Hinsicht
zeichnet sich das erfindungsgemässe Schieberventil weiter durch eine besonders kompakte
Bauweise aus. Schliesslich werden bei diesem Ventil beim Umschalten von einem Betriebsmodus
in den anderen undefinierte Zwischenzustände vermieden. Weitere vorteilhafte Merkmale
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
[0010] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein erfindungsgemässes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil im Längsschnitt,
- Fig. 2
- eine schematisierte Darstellung des Regelventils, und
- Fig. 3
- ein Schaltbild.
[0011] Das in Fig. 1 gezeigte 3-Wege-Proportional-Druckregelventil besteht im wesentlichen
aus einem Ventilblock 8 mit zwei Verschlussteilen 9 und 10, einer Schieberbüchse 6,
einem hier in Mittelstellung gezeigten Längsschieber 7, einem Antrieb 13 und zwei
Sensoren 11 und 16. Als Druckregelventil wird ein Ventil verstanden, dass den Druck
auf der Verbraucherseite unabhängig von Druckschwankungen im Leitungsnetz und der
Grösse des Luftverbrauches regelt.
[0012] Der Antrieb 13 ist ein Tauchspulenantrieb und dient dazu, den Schieber 7 zur Regelung
des Druckes oder der Menge in seiner Längsrichtung zu verschieben. Der Antrieb hat
die Funktion eines Wandlers. Die elektrische Stellgrösse wird durch den Wandler elektromagnetisch
in eine proportionale Kraft umgesetzt, welche dann den Schieber bewegt. Der Antrieb
besitzt eine Spule 12, die mit dem Schieber verbunden ist und sich in einem Luftspalt
des Eisenkerns 14 eines Dauermagneten bewegt. Fliesst ein elektrischer Strom durch
die Spule 12, so entsteht eine zum Strom proportionale Kraft. Eine Spulenstromrichtung
zieht die Spule 12 in den Magneten und die andere Spulenstromrichtung stösst die Spule
aus dem Magneten. Der Magnet besteht aus dem Verschlussteil 10, einem Eisenkern 14
und einem Dauermagneten 15. Ein am Magnet befestigter Stift 20 greift durch einen
zylindrischen Spulenträger 21 hindurch und verhindert eine Rotation.
[0013] Die Schieberkombination mit dem Längsschieber 7 und der Schieberbüchse 6 wird von
der Luft radial und axial durchflossen. In an sich bekannter Weise sind ein Versorgungsanschluss
1, ein Arbeitsanschluss 2 und ein Entlüftungsanschluss 3 über Ringkanäle 1c und 3b
sowie einer Längsbohrung 1b im Schieber 7 sowie über Durchlässe 1a, 2a und 3a in der
Schieberbüchse 6 verbindbar. Steuerkanten am Mittelweg 22 des Schiebers 7 und die
gegenüberliegenden Kanten der Schieberbüchse 6 übernehmen die Luftdurchlass-Regulierung.
[0014] Zur Erfassung der Position des Schiebers 7 ist auf dem Schieber ein kleiner Dauermagnet
16' befestigt. Dieser Dauermagnet 16' ragt in eine Bohrung 9' des Verschlussteils
9. In der Bohrung 9' misst ein Hallsensor 16'' das ihn umgebende Magnetfeld, welches
sich proportional zur Schieberstellung verändert. Der Hallsensor 16'' ist ein analoger
Sensor. Er ist auf einem kleinen Keramiksubstrat-Plättchen aufgebaut. Dadurch erhält
man, im Vergleich zu einem ähnlich wirkenden Linear-Potentiometer, sehr kleine Abmessungen
für den Positionssensor 16.
[0015] Der Drucksensor 11 ist ein an sich bekannter analoger, piezoresistiver Drucksensor.
Unter Druckeinwirkung ergibt sich an diesem Sensor eine Widerstandsänderung, die wiederum
eine der Druckänderung proportionale elektrische Spannung ergibt. Der Drucksensor
11 ist mit Stiften 11' am Ventilblock 8 angeschraubt. Die der Druckänderung proportionale
elektrische Spannung wird gemäss den Fig. 2 und 3 über die Leitung 19 der Elektronik
17 zur Aufbereitung zur Verfügung gestellt.
[0016] Die Ventilmechanik arbeitet wie folgt: Um den Druck zu vergrössern, wird am Sollwerteingang
B (Fig. 3) ein Spannungssprung von beispielsweise 2 auf 8 V angelegt. Die Elektronik
erkennt, dass der Druckistwert zu klein ist und schickt einen elektrischen Stromstoss
in die Spule 12, welche dann den Schieber 7 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung 4
nach links in die Belüftungs-Stellung bewegt. Kurz bevor der gewünschte Druck erreicht
ist, bestromt die Elektronik die Spule 12, welche den Schieber wieder in die in Fig.
2 gezeigte Mittelstellung schiebt.
[0017] Um den Druck zu verkleinern, wird der Sollwert zurück, beispielsweise auf 2 V gesetzt.
Der Ablauf ist dann analog wie oben, ausser dass nun der Schieber 7 in Fig. 1 nach
rechts in die Entlüftungs-Stellung geschoben wird.
[0018] Zur Ausführung dieser Bewegungen ist der Längsschieber 7 in der metallisch dichtenden
Büchse 6 luftgelagert. Verwendet wird hierzu der Speisedruck, der vom Längskanal 1b
über radiale Bohrungen 4 in Ringnuten 5 und von dort zwischen die Dichtungsflächen
des Schiebers 7 und der Büchse 6 gelangt. Bei unbedeutendem Luftverlust wird damit
eine einfache und besonders verschleissarme Lagerung erreicht.
[0019] Wesentlich ist, dass der Antrieb 13, die Schieberkombination 6 und 7, die Sensoren
11 und 16 und die Regelelektronik 17 eine zusammengehörende Funktionseinheit bilden
und auch während des Betriebes ein Umschalten zwischen Druckregelventil und Proportionalwegeventil
möglich ist. Beeinflusst und kontrolliert wird die Dynamik des Ventils durch mehrere
elektronische Reglerschleifen, beispielsweise wie in Fig. 3 gezeigt. Im Schaltbild
nach Fig. 3 sind mit 11 ein Druck-Spannungswandler und mit 16 ein Positions-Spannungswandler
bezeichnet. Im Druckregelbetrieb vergleicht der Komparator A das Signal des Wandlers
11 mit dem elektrischen Drucksollwert des Eingangs B. Ein Komparator D vergleicht
den Ausgang des Komparator A mit dem Signal des Wandlers 16 und bewirkt über dem Antrieb
13 des Ventils E eine Verschiebung des Schiebers 7 in der einen oder anderen Richtung.
Beim Betrieb als Proportionalwegeventil sind der Wandler 11 und der Komparator A ausgeschaltet.
Wie ersichtlich gibt es in diesem Ventil keine mechanischen, sondern nur elektronische
Rückführungen.
[0020] Der Eingangsdruck P1 bei 1 ist vorzugsweise kleiner gleich 12 bar und der Arbeitsdruck
P2 zwischen 0 und 10 bar. Die Versorgungsspannung beträgt bei C 24 V DC und der elektrische
Drucksollwert liegt zwischen 0 und 10 V DC, bzw. 4 und 20 mA.
[0021] Ein Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemässe Druckregelventil ist die Farbdosierung
einer Druckmaschine. Hierbei wirkt der Druck am Ausgang 2 des Ventils auf die Kolbenfläche
des Zylinders eines Dosierschiebers und erzeugt eine einen Druckfeder entgegenwirkende
Stellkraft und damit eine bestimmte Stellung des Dosierschiebers. Dadurch wird ein
gleichmässiger Farbauftrag von der Farbwalze mitgenommen. Die Farbschicht -Dicke kann
durch eine Aenderung des Drucksollwertes am Druckregelventil verstellt werden. Weitere
Bespiele sind das gleichmässige Abspulen einer Papierrolle mit einem geregelten Bremszylinder,
das Konstanthalten des Druckes einer Walze eines Walzwerkes sowie das Ausregeln von
Schlägen und Massenänderungen bei einer Luftfederung mit Gummiball.
1. Pneumatisches Schieberventil, mit einem Antrieb (13), mit dem über einen Regelkreis
der Schieber (7) zur Luftdruck-Regulierung axial verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das Ventil einen Drucksensor (11) zur Erfassung des Arbeitsdruckes und einen
Positionssensor (16) zur Erfassung und Regelung der Schieberposition aufweist, und
dass es während des Betriebes über den wenigstens zwei Reglerschleifen aufweisenden
Regelkreis so umschaltbar ist, dass es als Proportional-Wegeventil oder als Proportional-Druckregelventil
arbeitet und hierbei der Antrieb (13), der Schieber (7) und die Sensoren (11,16) sowie
die Regelelektronik (17) eine Funktionseinheit bilden.
2. Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (13) ein
positionsgeregelter Tauchspulenantrieb ist.
3. Schieberventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil eine
metallisch dichtende Schieberkombination mit einer Schieberbüchse (6) und einen darin
luftgelagerten Schieber (7) aufweist.
4. Schieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Dynamik des Ventils durch mehrere elektronische Reglerschleifen beeinflusst und kontrolliert
ist und lediglich elektronische Rückführungen vorgesehen sind.
1. A pneumatic spool valve having a drive (13) by means of which the spool (7) can be
axially displaced by way of a control loop for the purpose of controlling the air
pressure, characterised in that the valve comprises a pressure sensor (11) for detecting
the working pressure and a position sensor (16) for detecting and controlling the
spool position, and that it can be switched during the operation by way of the control
loop which comprises at least two regulating loops, in such a way that it functions
as a proportional position valve or as a proportional pressure regulating valve and
hereby the drive (13), the spool (7) and the sensors (11,16) as well as the control
electronics (17) form one functional element.
2. A spool valve according to claim 1, characterised in that the drive (13) is a position-controlled
moving-coil drive.
3. A spool valve according to claim 1 or 2, characterised in that the valve comprises
a spool combination which seals in a metallic manner having a valve bush (6) and a
spool (7) air-cushioned therein.
4. A spool valve according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the dynamics
of the valve are influenced and controlled by virture of a plurality of electronic
regulating loops and only electronic returns are provided.
1. Distributeur à tiroir pneumatique, avec un entraînement (13) par lequel le tiroir
(7) est déplaçable axialement, par l'intermédiaire d'un circuit de réglage, en vue
de la régulation de la pression d'air, caractérisé en ce que le distributeur présente
un détecteur de pression (11), destiné à relever la pression de service, et un détecteur
de position (16), destiné à relever et à régler la position du tiroir, et en ce qu'il
est commutable, pendant le fonctionnement, par l'intermédiaire du circuit de réglage
présentant au moins deux boucles de régulateur, de telle manière qu'il fonctionne
comme soupape de dosage proportionnel ou comme soupape de réglage de pression proportionnelle
et que l'entraînement (13), le tiroir (7) et les détecteurs (11, 16) ainsi que l'électronique
de réglage (17) constituent une unité de fonctionnement.
2. Distributeur à tiroir suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraînement
(13) est un entraînement à bobine submergée à position réglée.
3. Distributeur à tiroir suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le distributeur
présente une combinaison de tiroir à obturation métallique avec un fourreau de tiroir
(6) et un tiroir (7) y monté à air.
4. Distributeur à tiroir suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
la dynamique du distributeur est influencée et contrôlée par plusieurs boucles de
régulateur électronique et qu'il est prévu uniquement des retours électroniques.