(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの流体の流れに影響を与えるためのバルブアセンブリであって、制御ユニットと、少なくとも１つのバルブ装置とを備え、前記制御ユニットは、動作指示を受信するためのバス通信システムに接続するためのバスインターフェースと、前記動作指示をバルブ装置に対する制御コマンドへと処理するための処理装置と、少なくとも１つのバルブ装置を電気結合するための少なくとも１つの接続装置とを備え、前記少なくとも１つのバルブ装置は、前記制御ユニットの前記少なくとも１つの接続装置に電気的に接続され、前記制御コマンドを処理するように設計された処理手段を備え、前記処理手段は、バルブと少なくとも１つのセンサ手段とを電気結合するための、接続用コンタクトとしての少なくとも１つの第１接続手段に割り当てられており、前記処理手段は、前記少なくとも１つのセンサ手段のセンサ信号を前記制御コマンドに関連付け、且つ、前記センサ手段によって提供されるセンサ信号を処理するように設計され、前記処理手段は、流体圧を検出するための圧力センサの信号に基づいて前記バルブの圧力を制御するように、且つ／または、前記バルブのバルブ位置を検出するための位置センサの信号に基づいて前記バルブの位置を制御するようにも設計されることにより、前記第１接続手段に接続された前記バルブの対応する制御が行われる、バルブアセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記制御ユニットは、第１のハウジングに収容され、前記少なくとも１つのバルブ装置は、第２の別のハウジングに収容され、導体連結接続が、前記制御ユニットと前記バルブ装置との間に設けられている、バルブアセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記圧力センサ、および／または、前記位置センサが、前記バルブ装置の第２接続手段に接続されている、バルブアセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
少なくとも１つの流体アクチュエータが、前記バルブのうちの少なくとも１つに連結され、前記処理装置は、前記少なくとも１つの流体アクチュエータのための動作プロファイルを、動作指示を用いて決定するように設計され、前記処理装置および／または前記処理手段は、前記動作プロファイルを前記バルブに対する動作信号へと変換するように設計されている、バルブアセンブリ。
【請求項５】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
少なくとも１つの外部センサ装置が、前記処理装置に割り当てられ、前記処理装置は、前記少なくとも１つの外部センサ装置の前記センサ信号を下位バス通信システムを介して受信するように、かつ、前記少なくとも１つの外部センサ装置の前記センサ信号を処理するように設計され、前記処理装置は、少なくとも１つの制御アルゴリズムが記憶されている記憶装置を備えている、バルブアセンブリ。
【請求項６】
請求項５に記載のバルブアセンブリであって、
記憶されている前記制御アルゴリズムは、位置コントローラおよび／または圧力コントローラである、バルブアセンブリ。
【請求項７】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
少なくとも１つの流体アクチュエータが、前記バルブのうちの少なくとも１つに連結され、前記少なくとも１つの外部センサ装置は、前記流体アクチュエータに割り当てられ、前記処理装置および／または前記処理手段は、前記センサ手段および／または前記センサ装置と共に、前記流体アクチュエータの位置に影響を与えるために圧力を制御するための制御ループを形成する、バルブアセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記処理手段は、前記センサ手段の処理されたセンサ信号を前記制御ユニットに転送するように設計されている、バルブアセンブリ。
【請求項９】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記処理手段は、バルブのための少なくとも１つの制御手段を備え、前記少なくとも１つの制御手段は、電気供給エネルギーを少なくとも１つのバルブに供給するように設計されている、バルブアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
空圧パイロットバルブとして機能する複数の独立して選択可能なバルブが、前記第１接続手段に接続され、前記バルブは、複数の作業用ポートにおいて流体を供給するように設計されている、複数の選択可能な空圧メインバルブに連結されている、バルブアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のバルブアセンブリであって、
少なくとも１つの作業用ポートが、前記バルブ装置の第２接続手段に接続された圧力センサに割り当てられ、かつ／または、少なくとも１つのメインバルブが、前記メインバルブの前記バルブ位置を検出するための位置センサに割り当てられている、バルブアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１に記載のバルブアセンブリであって、
前記制御ユニットおよび／または前記バルブ装置は、周囲圧力センサおよび／または供給圧力センサを備え、前記処理装置は、前記周囲圧力センサのセンサ信号、および／または前記供給圧力センサのセンサ信号を受信するように設計されている、バルブアセンブリ。
【請求項１３】
動作指示が上位バス通信システムに対して利用可能となるように設計された制御装置を備える流体システムであって、前記制御装置と請求項１に記載のバルブアセンブリとの間でデータ通信を行うように設計された上位バス通信システムを備え、前記バルブアセンブリは、前記上位バス通信システムに接続されている、流体システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の流体システムであって、
前記上位バス通信システムと下位バス通信システムとの間のバスコマンドを双方向変換するように設計されたバス連結器が、前記上位バス通信システムと前記制御装置との間に設けられ、前記下位バス通信システムは、前記バス連結器と前記制御装置との間に形成されている、流体システム。
【請求項１５】
請求項１３に記載の流体システムであって、
少なくとも１つのアクチュエータが、前記バルブアセンブリに流体的に接続され、少なくとも１つの入力／出力装置が、前記バス通信システムに接続され、前記アクチュエータが、前記処理装置への位置信号の提供を促進するために、前記入力／出力装置に電気的に接続された少なくとも１つの位置センサに割り当てられている、流体システム。
【請求項１６】
請求項１３に記載の流体システムであって、
前記バルブアセンブリは、バルブハウジングを備え、前記バルブハウジングには、バルブカートリッジをペアで収容するためのバルブ軸が形成され、前記バルブアセンブリは、更に、前記バルブ軸に配置されたバルブカートリッジを備え、前記バルブ軸の各々は、中に配置されたバルブカートリッジと共に、圧力チャンバを結合して、関連する入力ポートと流体連通するように接続し、前記バルブカートリッジの各々は、２つの選択可能な電気バルブを備え、前記２つの選択可能な電気バルブの各々は、前記圧力チャンバと前記バルブにそれぞれ割り当てられた出力ポートとの間の自由流れ断面に影響を与えるように設計されている、流体システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、例えば少なくとも１つの流体の流れに影響を与え、空気圧シリンダあるいは空気圧式ロータリアクチュエータ等の、流体で作動されるアクチュエータを適切な方法で制御するための、自動化技術において用いられるバルブアセンブリに関する。本発明は更に流体システムに関する。
【０００２】
本発明は、高クロック速度を用いて、すなわち単位時間当たりに複数の切換周期を用いて、少なくとも１つの流体の流れに影響を与えることを促進する、バルブアセンブリを提供する問題に基づく。
【０００３】
第１の局面によると、この問題は、少なくとも１つの流体の流れに影響を与えるためのバルブアセンブリによって解決される。該バルブアセンブリは、制御ユニットと、少なくとも１つのバルブ装置とを備え、制御ユニットは、動作指示を受信するためのバス通信システムに接続するためのバスインターフェースと、該動作指示をバルブ装置に対する制御コマンドへと処理する処理装置と、バルブ装置を電気結合するための少なくとも１つの接続装置とを備え、少なくとも１つのバルブ装置は、制御ユニットの少なくとも１つの接続装置に電気的に接続され、制御コマンドを処理するように設計された処理手段を備え、処理手段には、バルブと少なくとも１つのセンサ手段とを電気結合するための少なくとも１つの第１接続手段が割り当てられており、処理手段は、少なくとも１つのセンサ手段のセンサ信号を制御コマンドに関連付けるように設計されている。
【０００４】
このため、本発明によると、バルブアセンブリは、２つの基本的な主要コンポーネントに分けられる。第１の主要コンポーネントは制御ユニットであり、該制御ユニットは、バス通信システムとの通信のため、ならびに動作指示を制御コマンドへと変換するために設計されている。第２の主要コンポーネントはバルブ装置であり、該バルブ装置は、制御コマンドを実際の流体の流れに事実上変換するように設計され、そのためバルブおよびセンサ手段に接続され得る。このようなバルブアセンブリは、例えば下位バス通信システムを介してバスノードに接続されていてもよく、上位バス通信システムを介して、プログラマブルロジックコントローラ等の上位制御システムと通信可能となる。あるいは、バルブアセンブリは、バスノードが介在することなく、上位バス通信システムに直接接続されるようになっていてもよい。制御ユニットおよびバルブアセンブリのバルブ装置の双方が、それぞれ処理装置あるいは処理手段の形態でコンピュータに設けられて、一定の量の処理力を有するため、上位制御システムは、抽象的な動作指示を、具体的にはバスノードを介して、バルブアセンブリへと伝送し、これらの動作指示は、それぞれの動作の実行に関して、たとえあったとしても、非常にわずかな詳細のみを含んでいることが好ましくなり得る。これらの詳細は、処理装置あるいは処理手段においてそれぞれ動作指示を処理し、適切なアルゴリズムを用いて、接続されたバルブおよびセンサ手段の特定のパラメータおよび測定値を含むことによってのみ決定される。これは、一方で上位制御システムとバルブアセンブリとの間の通信には、抽象的な動作指示の伝送を行うのに、小さな帯域幅のみが必要とされ、他方では、動作指示の変換に要する計算は、制御されるバルブの直近においてその場で行うことが可能である、ということである。更に、電動バルブを電気結合するために設計された第１接続手段に加えて、処理装置がセンサ手段の電気結合のための第２接続手段にも割り当てられていることは、有利である。その結果、接続されたセンサ手段のセンサ信号を、処理手段において直接処理することが可能である。これによって、第１接続手段に接続されたバルブの状態および／またはバルブに流体的に接続され、処理手段に適切なセンサ手段を備えた流体負荷の状態を、特に高速で効果的に含むことが容易になる。処理装置は、動作指示を、接続されたバルブによって利用可能となる対応する流体の流れと、その結果生じる接続されたアクチュエータの動作とに、所望の通りに変換するための、複数のバルブ装置の動作を調整するタスクが与えられることが好ましい。このため、制御ユニットとバルブ装置との間の双方向の通信は有利である。その理由は、このように、バルブ装置に到達するセンサ信号と、個々のバルブのためのバルブ装置からの動作信号との双方を、処理装置に伝送することが可能であり、処理装置が個々のバルブ装置のための制御機関としてのタスクを実行できるからである。
【０００５】
本発明の更なる有利な展開は、従属請求項で特定されている。
制御ユニットが第１のハウジングに収容され、少なくとも１つのバルブ装置が第２の別のハウジングに収容され、導体連結接続が、制御ユニットとバルブ装置との間に設けられていれば、好都合である。このように、バルブ装置は、割り当てられたバルブによって利用可能となり得る流体の流れによって制御されるように意図されたアクチュエータ上に、直接取り付けることが可能である。制御ユニットは、他方では、制御ユニットを遠隔配置することが有利となるように、複数のバルブ装置に適切な制御コマンドを提供し、バルブ装置を調整するタスクを有する。図示された実施形態では、具体的には、シリアルペリフェラルインターフェース規格（ＳＰＩ規格）に準じた同期シリアルデータバスを介した、シリアルデータの伝送が、制御ユニットとバルブ装置との間の導体連結接続に対して行われる。このようにして、制御コマンドの効率的なデータ伝送、および制御ユニットへの個々のバルブ装置のフィードバックの効率的なデータ伝送が確保され得る。
【０００６】
本発明の更なる展開では、流体圧を検出するための少なくとも１つの圧力センサおよび／または、バルブのバルブ位置を検出するための少なくとも１つの位置センサがバルブ装置の第２接続手段に接続されている。バルブ装置に接続されたバルブの機能状態は、圧力センサおよび位置センサの双方によって検出可能であり、バルブ装置が連続的に、あるいは所定の時点で、バルブが所定のバルブ位置をとっているか、および／または圧力センサが位置する測定点において、対応する流体圧が存在するかについての情報を要求することが可能なように、位置センサは、具体的には、バルブのストロークを検出するためのストロークセンサとして設計されている。このようにして、バルブ装置に接続されたバルブのバルブ機能の監視を有利に実行することが可能である。
【０００７】
少なくとも１つの流体アクチュエータがバルブのうちの少なくとも１つに連結され、処理装置が、少なくとも１つの流体アクチュエータのための動作プロファイルを、動作指示を用いて決定するように設計されており、処理装置および／または処理手段が、動作プロファイルをバルブに対する動作信号へと変換するように設計されていることが好ましい。よって、処理手段がそれぞれのバルブ装置に接続されたバルブを適切な方法で制御できるように、制御ユニット内の処理装置は、入力されてくる上位制御システムの動作指示を、アクチュエータに対する動作プロファイルへと変換する役割を担っている。これらの動作プロファイルは、負荷、具体的にはバルブに接続されたアクチュエータ、の有利な制御を促進するために、具体的には比例バルブとして設計されたバルブの単純な切換だけではなく、例えば制御されるバルブを通る流体の流れを変化させるための、予め設定可能な値も含んでいるであろう。例えば、制御コマンドとして制御ユニットからバルブ装置へと伝送され得る動作プロファイルは、バルブ装置の処理手段において、バルブのための動作信号に変換される。加えて、あるいは代替的に、動作プロファイルは、処理装置において部分的にあるいは全体的に動作信号に変換され、これらはその後、バルブを制御するための所望の動作信号を生成するために、処理手段に利用可能となってもよい。
【０００８】
図示された実施形態において、傾斜型の動作プロファイルを処理装置から処理手段へと提供することによって、制御されるバルブに対して同様な傾斜型の動作信号が発生する。処理装置が、接続されたバルブの特定の電気駆動の特別な特徴を認識する場合は、各バルブの駆動に個別に合わせた動作信号であっても、傾斜型の動作プロファイルから得ることが可能である。この個々の動作信号は、傾斜型の動作プロファイルとは著しく異なっていてもよく、接続されたバルブを通る流体の流れに、変化を生じさせることを目的としている。そのため傾斜型の動作プロファイルは、対応する動作、具体的には接続された流体負荷の動作、という形態で表される。このような状況において、処理手段は、接続されたバルブに電気レベルで、および／または、適切なプログラミングによってのいずれかで、的確に対応することが可能であり、それによって、特に効率的で高速のバルブの制御が促進されるということは、有利である。更に、複数の動作指示、動作プロファイル、および動作信号に分割するということは、処理装置と処理手段との間では少量のデータが伝送されなければならないということを確実にしている。その理由は、処理手段における局所的な知能によって、予め設定された動作プロファイルに従ってバルブを補正制御するのに必要な計算が、処理手段において局所的に行うことが可能であるからである。
【０００９】
本発明の更なる展開では、少なくとも１つの外部センサ装置が処理装置に割り当てられ、処理装置は、少なくとも１つの外部センサ装置のセンサ信号を下位バス通信システムを介して受信するように、かつ少なくとも１つの外部センサ装置のセンサ信号を処理するように設計され、処理装置は、少なくとも１つの制御アルゴリズム、具体的には位置コントローラおよび／または圧力コントローラ、が記憶されている記憶装置を備えている。これによって、接続されたバルブ装置の必要な調整を行うために、処理装置は、バルブ装置に割り当てられたセンサ手段のセンサ信号だけでなく、外部センサ装置のセンサ信号にもアクセスすることが可能になる。例えば、流体負荷、具体的にはバルブ装置に接続される流体アクチュエータ、の機能に間接的にのみ関連する外部センサ装置のセンサ信号が、下位バス通信システムを介して利用可能となってもよい。外部センサ装置は、例えば、バルブ装置に接続された少なくとも１つのアクチュエータによって行われる加工工程の加工結果をチェックし可否信号を提供する、下流に画像処理を有するカメラシステムであってもよい。外部センサ装置の信号を含むことによって、本発明に係るバルブアセンブリを備える自動化システムの動作信頼性を、向上させることが可能である。加えて、入力されてくるセンサ信号を用いることによって、処理装置は、被制御変数、具体的にはバルブアセンブリによって、あるいはアクチュエータの位置によって提供される少なくとも１つの流体圧、を決定することが可能である。このため、処理装置は、少なくとも１つの制御アルゴリズムを記憶するための記憶装置に加えて、センサ信号を含むとともに、それぞれのアルゴリズムが、実行可能となり、かつ所用の制御変数を決定し、該制御変数を関連するバルブ装置に利用可能にすることが可能であるランダムアクセスメモリ領域を備えている。図示された実施形態の制御アルゴリズムは、アクチュエータに供給される流体の圧力を制御するための、圧力コントローラとして設計され得る。あるいは、制御アルゴリズムは、具体的にはバルブ位置あるいはアクチュエータの位置を制御可能である、位置コントローラとして設計され得る。
【００１０】
適切な選択工程において任意に選択可能で、かつ、適用可能な場合には、ユーザ入力によって、あるいは接続されたバルブ装置と接続されたバルブとによる自動認識によってパラメータ化することが可能な、複数の制御アルゴリズムが記憶装置に記憶されていれば特に有利である。
【００１１】
処理装置の有利な変形例では、例えば制御アルゴリズムの選択および／またはパラメータ化のためのユーザ入力は、下位バス通信システムを介して処理装置に利用可能にされ得る。具体的には、所望のコントローラの選択および／またはパラメータ化が実行される、例えばラップトップあるいはパーソナルコンピュータ等の入力装置は、下位バス通信システムを上位バス通信システムに接続しているバスノードに接続されていてもよい。接続された入力装置に所望のユーザ調整を行うための、標準的なユーザインターフェースを提供するために設計されたウェブサーバが、バスノード、あるいは代替的に処理装置に一体化されていれば特に有利である。
【００１２】
本発明の更なる有利な展開では、少なくとも１つの流体アクチュエータがバルブのうちの少なくとも１つに連結され、少なくとも１つのセンサ装置がアクチュエータに割り当てられ、処理装置および／または処理手段が、センサ手段および／またはセンサ装置と共に、アクチュエータの位置に影響を与えるために圧力を制御するための制御ループを形成する。任意あるいは連帯的にセンサ手段および／またはセンサ装置のセンサ信号を含むことによって、バルブアセンブリによって制御される流体アクチュエータの機能は、アクチュエータに利用可能となる流体の流れを監視することによって間接的に、あるいはアクチュエータの実際の動作を監視することによって直接的に、あるいはアクチュエータを用いて得られる加工結果を監視することによって間接的に、のいずれかでチェックされ得る。この監視処理において、例えばアクチュエータの流体圧を判定するための圧力センサ、アクチュエータ位置を判定するための位置センサ、あるいは作業結果を判定するための画像処理装置等の、適切なセンサ手段を用いて得られた知能は、アクチュエータにおける流体圧に対する圧力コントローラとして設計された制御ループのための、実際の値として用いられることが好ましい。これによって、バルブアセンブリを備えた自動化システムにおける様々な要求に対する、特に柔軟な反応を促進する。アクチュエータの動作の全体的な影響を生むために、様々なセンサ手段およびセンサ装置のデータが組み合わせられると特に有利である。このセンサ信号の処理は、多数のセンサ信号を処理するために必要な計算能力を有し、更に外部センサ装置のセンサ信号の受信および処理を行うために構成された、制御ユニットの処理装置において発生することが好ましい。センサ手段のセンサ信号は、処理手段において直接処理され、組み合わされた状態で処理装置に伝送されるか、あるいは任意で、処理手段によって、処理装置を更に調整することなくその形態あるいは生データで直接利用可能にされてもよい。どちらの場合においても、制御、具体的にはバルブアセンブリのバルブのうちの少なくとも１つに接続された流体アクチュエータの位置あるいは動作の速度制御が、利用可能なセンサ信号を用いて行われるようになっている。複数の入れ子化された制御ループが、センサ手段およびセンサ装置のセンサ信号を考慮し、処理手段および処理装置を使用して、流体アクチュエータの動作を制御するために用いられると特に有利である。これは、例えば、バルブによって流体アクチュエータに提供された流体の流れの圧力制御を、流体アクチュエータに対する上位位置の制御と組み合せることによって得ることが可能である。処理装置において、センサ手段および／または外部センサ装置、具体的には位置センサ、のセンサ信号が評価される。例えば、処理装置の位置制御の要求の関数として、処理手段の圧力制御に影響を与えるために、対応するデータ交換が処理装置と処理手段との間で行われる。
【００１３】
処理手段が、センサ手段の処理されたセンサ信号を制御ユニットに転送するように設計されていると有利である。このように処理装置は、バルブの機能状態と、それぞれのバルブ装置に接続された関連する流体アクチュエータの機能状態とに関するデータを取得し、制御される流体アクチュエータの所望の動作を得るために、個々のバルブ装置への動作プロファイルの提供を調整可能にしている。
【００１４】
本発明の更なる展開では、処理手段は、バルブのための少なくとも１つの制御手段を備え、少なくとも１つの制御手段は電気供給エネルギー、具体的には供給電圧、を少なくとも１つのバルブに供給するように設計されている。この制御手段は、要求に応じて各バルブに必要とされる電力を供給するために、例えば、動作信号によって制御される電気出力段、具体的には電気制御電圧、であってもよい。動作信号は、具体的にはマイクロコントローラとして設計された処理手段によって供給される、アナログ出力信号であることが好ましい。バルブは、電気供給電圧によって閉位置と開位置との間で調節可能であり、かつそのために供給電圧によってその幾何学的形状を変化可能な片持ち梁を備え、少なくとも部分的に圧電材料で作製された、圧電バルブであることが好ましい。
【００１５】
本発明の更なる展開では、空圧パイロットバルブとして機能する複数の、具体的には８つの、独立して選択可能なバルブが第１接続手段に接続され、このバルブは、具体的には２つの作業用ポートにおいて流体を供給するように設計されている、具体的には４つの選択可能な空圧メインバルブに連結されている。この様になっているのは、接続された圧電バルブとメインバルブとを有するバルブアセンブリは、流体フルブリッジ回路を形成することが好ましく、この回路によって、バルブの制御とその結果生じる作業用ポートにおけるメインバルブの流体制御とに応じて、例えば２／２方バルブ、３／２方バルブあるいは５／２バルブ等の、様々なバルブの構成を模倣することが可能である。パイロットバルブおよび／またはメインバルブは、比例バルブ、あるいは適切な手段によって比例バルブの様態で作動される切換バルブとして設計されていてもよい。このことは、具体的には、８つの独立して選択可能な圧電バルブが第１接続手段に接続され、これらの圧電バルブのペアが４つの選択可能な空圧メインバルブ全体の流体制御を提供する状況において適用される。
【００１６】
少なくとも１つの作業用ポートが、バルブ装置の第２接続手段に接続された圧力センサに割り当てられ、かつ／または少なくとも１つのメインバルブが、メインバルブのバルブ位置を検出するための位置センサに割り当てられていると好都合である。圧力センサおよび／または位置センサとして設計され得るこれらのセンサ手段を用いることによって、処理手段は、メインバルブの流体制御および／またはメインバルブの位置制御を行うための圧力制御を実行することが可能である。このような状況においては、センサ手段が、直接、すなわち複雑なバスシステムを介することなく、処理手段に連結されていること、および、処理手段が、電気信号レベルとして通常存在するセンサ信号を処理するように、具体的にはセンサ信号をデジタル化し、好ましくはマイクロコントローラに記憶されたプログラムを用いて、適切な方法で処理するように構成されていることが好ましくなり得る。
【００１７】
制御ユニットおよび／またはバルブ装置は、周囲圧力センサおよび／または供給圧力センサを備え、処理装置が周囲圧力センサのセンサ信号、および／または供給圧力センサのセンサ信号を受信するように設計されていることが好ましい。周囲圧とバルブ装置のバルブに対して供給される供給圧とを認識することによって、制御ユニットは、正確にかつ効率的に、バルブ装置に割り当てられた圧力センサのセンサ信号を評価することができる。圧力センサは、絶対圧センサとして設計されることが好ましい。それによって、これらの圧力センサには特に小型の設計を選択することが可能となり、したがって特に有利な方法で各バルブに割り当てられることが可能である。任意で、周囲圧力センサおよび／または供給圧力センサのセンサ信号は、制御ユニットにおいて処理されてバルブ装置に利用可能にされてもよく、あるいは制御ユニットにおいて処理される周囲圧力センサおよび／または供給圧力センサのセンサ信号が、制御ユニットにおいてバルブ装置に割り当てられたセンサのセンサ信号を用いて処理されてもよい。
【００１８】
第２の局面によると、本発明が基づいている問題は、流体システムによって解決され、この流体システムは、動作指示が上位バス通信システムに利用可能となるように設計された制御装置を備え、制御装置と少なくとも１つの上述のバルブアセンブリとの間でデータ通信を行うために設計された上位バス通信システムを備え、上述のバルブアセンブリは、バス通信システムに接続されている。このシステムにおいて、バルブアセンブリは、上位バス通信システムを介して利用可能にされたバスコマンドを制御コマンドへ、かつバルブアセンブリの一部を形成するバルブ装置の状態情報、具体的にはセンサ信号、を制御装置へと伝送するためにバスコマンドへと、双方向変換する機能を備えている。
【００１９】
流体システムの更なる展開では、上位バス通信システムと下位バス通信システムとの間のバスコマンドを双方向変換するように設計されたバス連結器が、上位バス通信システムと制御装置との間に設けられ、下位バス通信システムが、バス連結器と制御装置との間に形成されている。適切に構成されたバス連結器を制御装置に連結することによって、バルブアセンブリが異なる設計の上位バス通信システムに適応可能となるように、バス連結器は、交換可能に設計されていることが好ましい。
【００２０】
流体システムの更なる展開では、少なくとも１つのアクチュエータがバルブアセンブリに流体的に接続され、少なくとも１つの入力／出力装置がバス通信システムに接続され、処理装置への位置信号の提供を促進するために、アクチュエータが入力／出力装置に直接接続された少なくとも１つの位置センサに割り当てられている。
【００２１】
流体システムの更なる展開では、バルブアセンブリは、バルブハウジングを備え、このバルブハウジングには、バルブカートリッジをペアで収容するためのバルブ軸が形成され、バルブアセンブリは更に、バルブ軸に配置されたバルブカートリッジを備え、バルブ軸の各々は、中に配置されたバルブカートリッジと共に、圧力チャンバを結合して、関連する入力ポートと流体連通するように接続し、バルブカートリッジの各々は、２つの選択可能な電気バルブを備え、２つの選択可能な電気バルブの各々は、圧力チャンバとバルブにそれぞれ割り当てられた出力ポートとの間の自由流れ断面に影響を与えるように設計されている。
【００２２】
本発明の有利な実施の形態が、図面に図示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】上位制御装置と、上位および下位バス通信システムと、制御ユニットおよびバルブ装置ならびに複数のアクチュエータおよび関連するセンサを備えるバルブアセンブリと、を備える流体システムの図表示である。
【図２】バルブアセンブリと上位バス通信システムとの間に代替的な連結を有する、図１の一部を示している。
【図３】８つの独立して選択可能な圧電バルブと、これら圧電バルブによって選択可能な空圧式の４つのメインバルブとを備えるバルブアセンブリの図表示である。
【図４】図１に示されたバルブアセンブリの実際の実施形態の斜視図である。
【図５】図４のセンサ手段の平面かつ図式的な詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に図表示された流体システム１は、上位制御装置２と、上位バス通信システム３と、バス連結器４と、下位バス通信システム５と、バルブアセンブリ６と、複数のアクチュエータ７、８と、アクチュエータ７、８に割り当てられた外部センサ装置９〜１２と、入力／出力モジュール１５、１６とを備える。
【００２５】
このような流体システム１は、例えば、詳細には示されていない複合機械加工ステーションにおいて、自動化を目的として、例えばアクチュエータ７，８を用いて、詳細には示されていない被加工物を一時的に締め付けたり、あるいは運搬したりするために用いられ得る。このような機械加工ステーションにおいて個々のシーケンスを調整するために、複数のバスサブスクライバと通信するために上位バス通信システム３に接続された、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等のような、上位制御装置２が設けられている。これらバスサブスクライバは、例えば、図面に示されていない電気モータを制御するための図面に示されていないモータコントローラ、あるいは例えばバルブアセンブリ６等のような複合設計のサブコンポーネントを流体システム１に組み込むために設計されたバス連結器４であってもよい。このような複合サブコンポーネントは、下位バス通信システム５内の複数のバスサブスクライバをアドレス指定することができるように、上位バス通信システム３のバス通信プロトコルから独立した、内部バス通信プロトコルで動作することが可能である。上位バス通信システム３が、概して一般的なフィールドバス規格の中の１つに準じたフィールドバスシステムであるのに対して、下位バス通信システム５は、概して下位バス通信システム５に対するサブスクライバの要件に個々に合わせた独自のバス通信プロトコルである。
【００２６】
図面を簡単化するために、バルブアセンブリ６として設計された単一のバスサブスクライバのみが、下位バス通信システム５に接続されている。このバルブアセンブリ６の構造および機能は、後により詳細に説明されている。バルブアセンブリ６は、制御ユニット１７とバルブ装置１８とを備えている。図示された実施形態では、制御ユニット１７およびバルブ装置１８は、構造的に互いから離れており、詳細には示されていないハウジングに収容されている。制御ユニット１７は、複数のバルブ装置１８を制御するために用いられるが、より明確にするため、そのうちの１つのみが示されている。制御ユニット１７とバルブ装置１８との間には、通信接続が設けられており、図示された実施形態では、接続ケーブル１９によって示されている。この通信接続は、例えばデジタルシリアルデータ通信として、具体的には制御ユニット１７とバルブ装置１８との間の双方向通信のためのＳＰＩ（シリアル周辺機器インタフェース）規格に準じたデジタルシリアルデータ通信として設計され得る。
【００２７】
制御ユニット１７は、電子回路として設計され、プリント回路基板上に配置された複数の電子部品を備える。以下でより詳細に説明されるが、これら電子部品は、制御ユニット１７の機能性に不可欠であるが、その一方で、詳細には説明されていない更なる電子および電気部品は、周辺機器として機能し、例えば電力供給、および以下で説明される電子部品間の内部および外部の電子通信を提供する。図示された実施形態では、制御ユニット１７は、バスインターフェースとして機能する電子通信モジュール２０を備え、この電子通信モジュール２０は、下位バス通信システム５を介して利用可能にされたデータの受信、処理および転送を行うために設けられている。このため、図示された実施形態の通信モジュール２０は、バス連結器４と、下位バス通信システム５へ接続されるように設計された入力／出力モジュール１６との双方に接続されている。電子通信モジュール２０は、下位バス通信システム５を介して届くデータをチェックして、制御ユニット１７向けのデータであり得るかを定める。電子通信モジュール２０は更に、例えば制御ユニット１７および制御装置２に接続された部品の機能に関するメッセージを伝送するために、下位バス通信システム５へとデータを出力することができる。更に電子通信モジュール２０は、その先のバス通信サブスクライバに影響を与えるために、具体的には制御あるいはパラメータ化を行うために提供されたデータを、下位バス通信システム５に対する他のサブスクライバに転送することができるようになっていてもよい。通信モジュール２０が、制御ユニット１７向けの情報を下位バス通信システム５を介して届くデータから得られる限り、通信モジュール２０はこの情報を処理装置２１へ転送することができる。
【００２８】
図示された実施形態の処理装置２１は、演算ユニットとして、具体的にはマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサの形態で設計されており、詳細には示されていない記憶装置を備えている。処理装置２１は、一方では電子通信モジュール２０から提供され、他方では接続装置２２〜２５および接続装置２２〜２５に接続されたバルブ装置１８によって利用可能にされたデータの処理を担う。処理装置２１の基本的な機能は、下位バス通信システム５によって伝送されたデータ、および通信モジュール２０によって利用可能にされたデータから、バルブ装置１８によって制御されるアクチュエータ８の実際の動作を示す動作指示を区別することである。このような動作指示が届くと、処理装置２１はまず、アクチュエータ８の現在の状態を決定するようになっている。このため、例えば、外部センサ装置からのセンサ信号、およびバルブ装置１８に割り当てられたセンサ手段からのセンサ信号は、処理装置２１において処理される。
【００２９】
接続されたアクチュエータ８の現在の状態に関するこの決定に基づいて、処理装置２１は、続く動作ステップにおいて、接続されたアクチュエータ８に対して動作プロファイルを提供することができ、このプロファイルは、その後、少なくとも１つのバルブ装置１８に対して利用可能にされる。この動作プロファイルは、例えば接続されたアクチュエータ８の時系列の動作シーケンスの仕様であってもよい。このプロファイルは、バルブ装置１８において、関連する流体の流れがバルブ装置１８に接続された個々のバルブによって解放されるようになるための動作信号に変換され、アクチュエータ８に対して利用可能にされる。図面に示されていない処理装置２１の記憶装置には、アクチュエータ８によって特にその位置を制御することが可能な少なくとも１つの制御アルゴリズムが記憶されていることが好ましい。この少なくとも１つの記憶された制御アルゴリズムは、接続されたアクチュエータ８の特徴に適合するようにパラメータ化されることが好ましくなり得る。このため、処理装置２１は、下位バス通信システム５を介して、電子通信モジュール２０およびバス連結器４を用いて、バス連結器４に接続された適切な入力装置によってアクセス可能である。この入力装置は、例えばパーソナルコンピュータ、具体的にはラップトップであってもよい。バス連結器４および／または処理装置２１が、所定のプロトコルに準じて、接続された入力装置のための、具体的には問題になっているパラメータに対して入力マスクの形態の、ユーザインターフェースを提供するウェブブラウザを備えていると特に有利である。
【００３０】
制御ユニット１７は更に、少なくとも１つの圧力センサ、具体的には供給圧力センサ２６および周囲圧力センサ２７を備えている。詳細には示されていない手段によって、供給圧力センサ２６は、図面に示されていないがバルブ装置１８に接続されたバルブへと流体の流れを供給するために設計された、流体供給ラインに接続されている。周囲圧力センサ２７は、制御ユニット１７の周囲における周囲圧を検出するために備えられている。図示された実施形態では、供給圧力センサ２６および周囲圧力センサ２７は、圧力が各圧力センサ内の内部真空に対して測定されるように、絶対圧センサとして設計されている。これは、バルブ装置１８が後に説明される絶対圧センサも備えている場合に、特に有利である。
【００３１】
同様に、図１に図式的に示されたバルブ装置１８は、中心部の構成要素として、演算ユニット、具体的にはマイクロコントローラあるいはマイクロプロセッサとして設計され、プリント回路基板２９上に配置された、処理手段２８を備えている。図示された実施形態では、プリント回路基板２９は、例えば、以下で詳細に説明されるバルブモジュールに有利に一体化されるために、折り端３０および３１でそれぞれ９０度に折られることが可能となるように、詳細には示されていない導電体で作製されており、この導電体は柔軟な材料の合成物で構成されている。折り端３０および３１は、プリント回路基板２９を３つの領域３２，３４，３５に分割するが、別の配列を選択することは可能であり、あるいはプリント回路基板２９が全く折られなくてもよい。図示された実施形態では、図面に示されていないバルブへの電気接続のために備えられた複数の導電性の接続用コンタクトを備えている接続領域が、プリント回路基板の第１領域３２に形成されている。第２領域には、詳細には示されていない電気周辺機器および、該当する場合は、電子周辺機器を有する処理手段２８が配置されており、これらの周辺機器は具体的には、例えば抵抗器、コンデンサ、あるいは集積回路等の電子部品を含んでいる。図示された実施形態では、第２領域３４は、電気出力段配列３８も備えており、この電気出力段配列３８は、処理手段２８に電気的に結合されており、処理手段２８から電子信号を受信する場合は、図面に示されていない接続されたバルブを電気制御するために、対応する電力をそれぞれの接続用コンタクト３３に対して利用可能にすることが可能である。
【００３２】
プリント回路基板２９の第３領域３５には、２つの圧力センサ３６，３７が配置されており、これらの圧力センサ３６，３７は、具体的にはバルブモジュールの作業用ポートにおいて流体圧を決定するための、絶対圧センサとして設計されていることが好ましい。第３領域３５には更に、詳細には示されていない位置センサのための電気接続４０が設けられており、この位置センサによって、例えば空気圧で操作されるメインバルブの位置が検出可能である。
【００３３】
処理手段２８は、図示された実施形態においては、ケーブルを取り付けられた導体連結通信リンク３９を介して、処理装置２１と通信するために設計されている。通信リンク３９は、接続ケーブル１９を介して制御ユニット１７の接続装置２２〜２５の１つに案内されている。通信リンク３９は、処理手段２８と処理装置２１との間をＳＰＩプロトコルに従って双方向であることが好ましい。処理手段２８は、具体的には処理装置２１の制御コマンドを受信し、これらのコマンドを接続用コンタクト３３および図面に示されていない接続用コンタクトに接続されたバルブに対する動作信号へと、適切な処理方法によって、具体的には記憶されたあるいは恒久的にプログラムされたアルゴリズムを用いて、局所的に変換することが可能である。処理手段２８は更に、電気接続４０に接続された圧力センサ３６および３７と、図面に示されていない位置センサとによって提供されるセンサ信号を処理するために設計されている。この配列において、バルブに対する圧力は、例えば圧力センサ３６および３７の信号に基づいて処理手段２８によって制御されてもよく、かつ／またはバルブの位置は電気接続４０に接続された位置センサの信号に基づいて制御されてもよく、その結果、接続用コンタクト３３および図面に示されていない接続用コンタクトに接続されたバルブの対応する制御が行われる。
【００３４】
接続４０にて、接続されたセンサによって、具体的には圧力センサ３６および３７、および位置センサによって利用可能にされたセンサ信号は、処理手段２８における直接的な処理に加えて、生データあるいは生信号として処理装置２１に利用可能にされ得る。処理装置２１は、例えば接続されたアクチュエータ７あるいは８の一方の位置を制御するため、適用可能な場合は、下位バス通信システム５を介して利用可能にされた外部センサ装置９、１０のセンサ信号にリンクされた、このような生データあるいは生信号に基づいて制御アルゴリズムを使用することもできるように設計されている。図示された実施形態では、空気圧シリンダとして設計されたアクチュエータ７、８のピストン４５あるいは４６の位置を決定するために設けられた位置センサ９〜１２が、アクチュエータ７およびアクチュエータ８の双方に配置されている。位置センサ９および１０は、外部入力／出力モジュール１５を介して上位バス通信システム３に連結されている。これに従って、位置センサ９および１０の位置信号は、上位バス通信システム３、バス連結器４および下位バス通信システム５、同様に通信モジュール２０を介して処理装置２１へと伝送される。位置センサ１１および１２は、他方では下位バス通信システム５を介して通信モジュール２０と直接通信する内部入力／出力モジュール１６に接続されており、その結果、センサ群と処理装置２１との間の信号の伝搬時間が特に短くなる。
【００３５】
バルブアセンブリ６の代替的な接続配列が図２に示されており、この接続配列では、直接的な通信が、制御装置２、バルブアセンブリ６および入力／出力モジュール１５の間にもたらされている。このため、図１の電子通信モジュール２０は、制御装置２とバルブアセンブリ６との間で直接的な通信を行うために変更されている。この構造は、流体システムが通信プロトコルの制御に関して変化を必要とせず、バルブアセンブリ６が常に同一の上位バス通信システム３に接続されている場合に好ましい。
【００３６】
図３は、図１に示されたバルブアセンブリ６の例示的な応用例を図示している。バルブアセンブリ６は、バルブディスク５０に電気的に接続されており、図示された実施形態では、８つの圧電バルブ５１ａ〜５１ｈの電気制御を行うために備えられている。圧電バルブ５１ａ〜５１ｈの各々は、詳細には示されていない方法で、図１に示されたバルブアセンブリ６の接続用コンタクト３３の１つに電気的に接続されているため、処理手段２８を介して、個々に電気エネルギーが供給され得る。図３に係る実施形態において、圧電バルブ５１ａ〜５１ｈのペアは、共通の受け軸５２ａ〜５２ｄにそれぞれ収容され、各受け軸５２ａ〜５２ｄは、それぞれの受け軸５２ａ〜５２ｄに収容された圧電バルブ５１ａ〜５１ｈによって解放可能で、かつ接続点５３ａ〜５３ｈにて利用可能にされ得る、予め設定可能な空気圧レベルにさらされるようになっている。受け軸５２ｂおよび５２ｃは、空圧源５４によって利用可能にされた供給圧力を印加するために設けられている。しかしながら、２つの受け軸５２ａおよび５２ｄは、連通させるために周囲圧に接続されており、加圧された流体を取り除くために用いられる。第１の接続点５３ａが第３の接続点５３ｃに空圧接続される一方で、第２の接続点５３ｂが第４の接続点５３ｄに空圧接続され、それぞれ作業用ポート５５ａおよび５５ｂを形成していることが好ましい。加えて、第５の接続点５３ｅが第７の接続点５３ｇに空圧接続され、第６の接続点５３ｆが第８の接続点５３ｈに空圧接続されて、それぞれ作業用ポート５５ｃおよび５５ｄを形成している。その結果、供給圧あるいは周囲圧を任意で作業用ポート５５ａ〜５５ｄに印加することが可能である。
【００３７】
図示された実施形態の作業用ポート５５ａ〜５５ｄの各々は、図示された実施形態において２／２方バルブとして設計されている、空圧的に操作されるメインバルブ５６ａ〜５６ｄに接続されて、メインバルブ５６ａ〜５６ｄを、第１および第２の切換位置間で任意に切換えることによって、加圧された流体を出力ポート７４ａ，７４ｂに接続可能な図面に示されていない流動性の負荷へと供給する、あるいは流動性の負荷から取り除くことを任意で促進している。
【００３８】
図示された実施形態では、圧力センサ３６および３７はそれぞれ、出力ポート７４ａ，７４ｂにおける圧力レベルを示す電気圧力信号をバルブ装置１８の処理手段２８に提供するために、各出力ポート７４ａ，７４ｂに割り当てられるようになっている。更に、各メインバルブ５６ａ〜５６ｄの切換位置を検出するために設計された位置センサ４１〜４４は、各メインバルブ５６ａ〜５６ｄに割り当てられている。図面に示されていない別の実施形態では、空圧的に操作されるメインバルブは異なる切換構成を有することができ、例えば３／２方バルブ、５／２方バルブあるいは比例バルブとして設計され得る。
【００３９】
図４は、図３に示されたバルブディスク５０の実際上の実施形態を示しており、このバルブディスク５０の機械的および流体的設計は、ＥＰ  ２  ５４９  １２５  Ａ１から公知となっている。したがって、その全文が含まれており、公知のバルブディスクの基本的な要素の概要は、明確にするために後述されている。ＥＰ  ２  ５４９  １２５  Ａ１で使用された参照符号は、図の本説明の参照符号に適用されている。
【００４０】
バルブディスク５０は、バルブモジュール５７およびメインバルブモジュール５８を備えており、図示された実施形態では、双方は矩形状に設計されている。バルブディスク５０の短辺５９，６０には、タブコネクタ６１，６２として設計された接触手段が突出しており、タブコネクタ６１はバルブモジュール５７に電気的に割り当てられ、タブコネクタ６２はメインバルブモジュール５８に電気的に割り当てられている。メインバルブモジュール５８では、複数の凹部６３，６４，６５が設けられており、これらは図４に係る表示に交差する面に対して垂直に配向されており、複数のバルブディスク５０が並べられている場合、メインバルブ５６ａ〜５６ｄへの流体供給、およびメインバルブ５６ａ〜５６ｄからの流体排出のための貫通路を形成している。同様に、バルブモジュール５７において、圧電バルブ５１ａ〜５１ｈへの流体供給、および圧電バルブ５１ａ〜５１ｈからの流体除去のために、凹部が設けられているが、図４では見えない。
【００４１】
バルブモジュール５７は、バルブモジュール５７とメインバルブモジュール５８との間の接続部６７に接して形成された弾性の係止タブ６６によって、メインバルブモジュール５８に接続されている。係止タブ６６は、バルブモジュール５７およびメインバルブモジュール５８上の係止突起６９，７０に適合し、これらの係止突起６９，７０と正結合するために設計された凹部６８を有している。メインバルブモジュール５８とバルブモジュール５７との間の機械的な結合に加えて、接続部６７は、メインバルブモジュール５８に割り当てられ、図５に図式的に示された位置センサの電気結合を図３に係る処理手段２８に提供しているが、これは図４において詳細には示されていない。更に、位置センサの信号は、タブコネクタ６２において利用可能にされ得る。図１に示され、電気接続４０が設けられたプリント回路基板２９の第３領域３５は、処理手段２８に位置センサの単純な電気結合を提供するため、接続部６７に配置されていることが好ましい。
【００４２】
メインバルブモジュール５８から離れたバルブモジュール５７の短辺には、圧電バルブ５１ａ〜５１ｈに供給するための導電性の接続用コンタクト３３を有する、図１に示されたプリント回路基板２９の第１領域３２が配置されている。第１領域３２と第３領域３５の間には、プリント回路基板２９の第２領域３４が延在しており、プリント回路基板２９をバルブモジュール５７へとコンパクトに一体化することを促進している。図示された実施形態において、プリント回路基板の３つの領域３２，３４および３５は、可撓性基板セクション、いわゆる「フレキシブルプリント基板」によって、電気的かつ機械的に互いに接続されるようになっている。タブコネクタ６１を用いることによって、バルブアセンブリは、図面に示されていないバス連結器に接続可能となり、同様に図面に示されていない制御装置と通信可能となる。
【００４３】
図４に係る断面図は、バルブモジュール５７およびメインバルブモジュール５８の構造の、より明確な外観を提供している。バルブモジュール５７のバルブハウジング７１において、４つのバルブカートリッジ７２ａ〜７２ｄが、図示された実施形態では、受け軸５２ａ〜５２ｄに収容されており、４つのバルブカートリッジ７２ａ〜７２ｄの各々は、２つの圧電バルブ５１ａ〜５１ｈを備えている。
【００４４】
図示された実施形態のメインバルブハウジング７３には、供給圧力あるいは周囲圧を出力ポート７４ａ、７４ｂにおいて任意に供給するために設計された、４つのメインバルブ５６ａ〜５６ｄが収容されている。
【００４５】
図５の図表示において、プリント回路基板２９の第３領域３５のセクション８０が、平面図に示されている。このセクション８０は、孔８１を有し、この孔８１はバルブモジュール５７のバルブの１つとメインバルブモジュール５８のバルブの１つとの間を、流体的に接続するために設計されており、位置関係を示すため、図４にも示されている。図５に示されたセクション８０の主表面の１つには、スパイラル状の導体の配列８２が形成されている。これは詳細には示されていないプリント回路基板２９の電子部品に導電接続されており、孔８１と少なくとも実質的に同心に配置されている。スパイラル状の導体の配列８２は、関連するメインバルブ５６ａ，５６ｂ，５６ｃあるいは５６ｄの軸方向の位置を決定するための検出コイルとしての役割を果たす。検出コイルを用いるセンサ装置は、ＰＣＴ／ＥＰ２０１２／００３０５１に開示されており、この出願はこれにより、本開示の主題として明確に含まれる。プリント回路基板２９に一体化されたこのようなスパイラル状の導体の配列８２を用いることによって、関連するメインバルブ５６ａ，５６ｂ，５６ｃあるいは５６ｄのストローク位置は、費用対効果が高い製造方法に基づいて正確に検出され得る。
【００４６】
詳細には示されていないスパイラル状の導体の配列の変形例では、孔は、スパイラル状の導体の配列の周縁領域に配置され、従って、スパイラル状の導体の配列の数巻分、具体的には最終巻分、によってのみ囲まれている。これによって一定の測定目的にとって有利で、スパイラル状の導体の配列における孔の同心円状の位置とは異なった測定特性が得られ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−５】
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