Development of linear servo hydraulic actuators with high dynamic load stiffness by innovative means in the signal as well as power circuit
Final Report Abstract
Die Vision des Vorhabens bestand darin, die dynamische Laststeifigkeit hydraulischer Zylinderantriebe unabhängig vom Belastungsbereich und von geometrischen Abmaßen des Antriebs zu erhöhen. Als dynamische Laststeifigkeit wird das Verhältnis von Störkraft zur dynamischen Abweichung zwischen Ist- und Soll-Positionswert im Fall eines lagegeregelten Antriebs bezeichnet. Höhere dynamische Laststeifigkeit soll hydraulische Zylinderantriebe wettbewerbsfähiger gegenüber elektro-mechanischen Linearantrieben machen. Das Ziel sollte durch den Einsatz von hochdynamischen Piezoaktoren im Antriebssystem erreicht werden. Im Gegensatz zum Vorhaben aus dem ersten Antragszeitraum, in dem Piezoaktoren im Leistungskreis des Antriebs eingesetzt wurden, sollten sie hier im Ventil als Schnittstelle zwischen Signal- und Leistungskreis, Verwendung finden. Hierzu wurde ein neuartiges Hybridventil entwickelt, in dem nicht nur der in einer Hülse gelagerte Schieber, sondern auch die Hülse selbst aktiv verstellt werden kann. Die Verstellung der Hülse wurde durch einen Piezoaktor realisiert. Die Hülsenverstellung des Hybridventils erfolgte im Bereich von 8% des Schieberhubs und mit einer ca. 4-fachen Grenzfrequenz der Schieberdynamik. Dadurch ließ sich die dynamische Laststeifigkeit des hier betrachteten Zylinderantriebs durchschnittlich um ca. 30% im Vergleich zur konventionellen Lösung steigern. Diese Verbesserung konnte bei unterschiedlichen Störkraftamplituden und Zylinderpositionen beobachtet werden. Darüber hinaus ließ sich das Folgeverhalten des Antriebs im Kleinsignalbereich um bis zu ca. 40% verbessern. Die erzielte Leistungssteigerung des hydraulischen Antriebs ist ausschließlich auf die Verwendung des Hybridventils zurückzuführen, so dass am Zylinder selbst keine konstruktiven Änderungen erforderlich sind. Das Hybridventil weist ein einfaches und robustes Wirkprinzip auf, das die Konstruktion eines konventionellen direktgesteuerten Proportional-, Regel- oder Servoventils mit einem Hülse-Schieber-Steuersatz unwesentlich beeinflusst. Die zusätzlichen Kosten entstehen lediglich durch einen Piezoaktor und seine Ansteuerelektronik. Künftige Arbeiten lassen sich in drei Bereiche zusammenfassen. Der erste Bereich beinhaltet die Untersuchungen des Antriebs in einem Geschwindigkeits- und Druckregelkreis, um das Verbesserungspotenzial für über Positionsregelung hinaus gehende Anwendungen aufzuzeigen. Der zweite Bereich umfasst die Integration von Leistungselektronik und Regelungsalgorithmus zur Ansteuerung des Piezoaktors in das Ventil. Im bestehenden Prototyp sind diese Funktionen in externen Geräten Implementiert. Schließlich können konstruktive Arbeiten zur höheren Funktionsintegration der Ventilbauteile im dritten Bereich zusammengefasst werden. Die in diesem Vorhaben vorgestellte und erfolgreich erprobte hybride Ventiltechnik kann in vielen Applikationen der Stationär- und Mobilhydraulik angewendet werden. Generell verbessert das Hybridventil das Störverhalten des Antriebs, was für präzises Positionieren unter Einwirkung dynamischer Lastkräfte von großer Bedeutung ist. Beispielhaft können Hauptantriebe von Werkzeugmaschinen, Kunststoffspritzgieß- und Druckgießmaschinen, Walzen und Pressen, Werkstoffprüfmaschinen sowie Stellantriebe für Manipulatoren und Greifer, Flugzeug- und Raketenruder genannt werden.
Publications
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Deutsches Patent 10241977.9-14, Hochdynamische Servo-Ventilsteuervorrichtung
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Patent US2007079879, Highly Dynamic Valve Servocontrol Device
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Increasing the Dynamic Load Stiffness of Electrohydraulic Linear Drives, 6th International Fluid Power Conference, Vol. 2, S. 145 - 157, Dresden, 2008
Reichert, M.; Murrenhoff, H.
