DD253654A1 - Schaltung zur energierueckgewinnung beim bremsen pneumatisch angetriebener elemente/massen - Google Patents

Abstract

Sie ist anzuwenden bei Bewegungsantrieben von Roboterachsen, Vorschub- und Transportmodule von Verarbeitungsmaschinen und verkettete Einheiten, Türen von öffentlichen Verkehrsmitteln usw. Die Schaltung dient dem Zwecke. die kinetische Energie der beschleunigten Massen auszunutzen und den Pneumatikantrieb dadurch abzubremsen, dass man ihn im letzten Hubabschnitt als Kompressor arbeiten lässt um einen Teil der Luft wieder ins Netz zurückzufördern. Die Schaltung ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Energierückgewinnung beim Bremsen pneumatisch angetriebener Elemente/Massen, z. B. Öffnen und Schließen von Spritzwänden an Werkzeugmaschinen, von Türen in S-Bahn und Bus, Bewegungsantrieben von Roboterachsen, Vorschub- und Transportmodulen in verketteten Bearbeitungseinheiten, Schwingtischen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist der unmittelbare Anschluß eines Pneumatikzylinders über ein Wegeventil an das Druckluftnetz derart, daß durch einen Wert eines binären Signals an das Wegeventil der Kolben des Pneumatikzylinders in die eine Richtung fährt und durch den anderen Binärwert die umgekehrte Richtung erzielt wird. Der Mangel dieser Schaltung besteht darin, daß die beschleunigten Massen des Kolbens und der durch ihn bewegten Maschinenteile gegen die mechanischen Anschläge prallen und diese einer enormen Belastung aussetzen.

Diesem Mangel wird nun bekannterweise erstens dadurch begegnet, daß man die Pneumatikzylinder selbst mit Endlagenbremsungen ausrüstet (z. B. DE-OS 2323271). Deren Wirkung ist aber begrenzt sowohl in der bescheidenen Kraftwirkung als auch dadurch, daß sie nur in den Endlagen des Zylinders wirken. Diese sind aber meistens nicht identisch mit den Endlagen der technologisch bedingten Bewegung.

Zweitens begegnet man diesem Mangel durch Endiagendämpfer oder auch Stoßdämpfer genannt (z.B. DD 238838A1). Der Mangel der Stoßdämpfer besteht einmal in ihrem hohen Aufwand und zum anderen darin, daß sie ihrere Aufgabe gemäß die . kostbare Energie in Reibungswärme umwandeln.

Drittens begegnet man dem genannten Mangel dadurch, daß man in die zwischen Wegeventil und Pneumatikzylinder verlaufenden zwei Leitungen je eine parallel Kombination von Stelldrossel und Rückschlagventil einbaut (Empfehlung Orsta-Pneumatik). An der Drossel für die jeweilige Ausschubrichtung läßt sich nun die Fahrgeschwindigkeit und damit die kinetische Energie der beschleunigten Massen dadurch begrenzen, daß sich auf der Ausschubseite ein Gegendruck aufbaut, dessen Energie beim Durchströmen der Drossel in Wärme umgesetzt wird. Es wurde bereits vorgeschlagen (Fr.: Nr. d. Publ. 2.450.965) anstelle der zwei Stelldrosseln und zwei Rückschlagventile nur eine Stelldrossel und ein gesteuertes Wegeventil zu verwenden. Aber sowohl damitals auch durch die Patentschriften bezüglich Energiespeicherung (F15B1/02) wird der grundsätzlich aufgezeigte Mangel des Standes der Technik nicht beseitigt, nämlich die Umsetzung der kostbaren pneumatischen Energie in minderwertige Reibungswärme.

Ziel der Erfindung

Es soll durch die Rückgewinnung der übertragenen/zugeführten Energie eine Energieeinsparung erzielt werden. Darauf folgt, daß die Energieeinsparung nur eine ökonomische Zielstellung sein kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Pneumatikmotoren einen Teil derjenigen Energie zurückzugewinnen, der zur Beschleunigung der Massen vom Antrieb aufgebracht wurde und der als Druckluft mit dem Druck des Versorgungsnetzes in dieses zurückgeführt wird.

Die Merkmale der Erfindung sollen zuerst physikalisch und anschließend aus technischer Sicht dargelegt werden:

Vor dem Umschaltzeitpunkt liegt der Kolben in einer Endlage und wird von einem anliegenden Druck auf die eine Kolbenseite in der Endlage gehalten, während die gegenüberliegende Kolbenseite über Schaltorgane mit der Umgebung verbunden, im sogenannten drucklosen Zustand ist.'

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Die Umschaltung kehrt die Druckverhältnisse auf den Kolbenseiten um.

Erfindungsgemäß wird nun dafür gesorgt, daß die Druckluft auf der Kolbenseite in Vorwärtsrichtung schnell und ungedrosselt durch eigene Expansion und Bewegung des Kolbens in einem einstellbaren Maße nach außen strömt, so daß schnell eine hohe Druckdifferenz zwischen beiden Kolbenseiten sich aufbaut aufgrund deren die Kolbenkraft bereits in der Anfangsphase der Bewegung möglichst groß wird.

Erfindungsgemäß wird den zu bewegenden Massen eine große Anfangsbeschleunigung erteilt, die auf einem kleinen Hubabschnitt zu einer hohen Kolbengeschwindigkeit führt.

Diese hohe Kolbengeschwindigkeit wird normalerweise auch technologisch angestrebt, erfindungsgemäß ist an ihr insbesonders die damit verbundene kinetische Energie interessant.

Die kinetische Energie zählt im Sinne des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik zur mechanischen Energie, ist also eine hochwertige Energie, die sich weitgehend beliebig umsetzen läßt. Erfindungsgemäß wird die immanente kinetische Energie zur Kompression der Restluft auf der Kolbenseite in Vorwärtsrichtung auf einen Druck etwas höher als der in der Druckleitung gebracht und anschließend in die Druckleitung ausgeschoben. Durch diese Verwendung der kinetischen Energie wird diese auch abgebaut und hat dann am mechanischen Anschlag in der zweiten Endlage nur noch einen geringen Restbetrag.

Aus technischer Sicht stellt sich der geschilderte Vorgang folgendermaßen dar:

Die Umschaltung des Wegeventils bewirkt die Auslösung des Bewegungsvorganges des Pneumatikkolbens dadurch, daß die Kolben-Vorwärts-Seite mit der drucklosen Umgebung verbunden wird und die Kolben-Rückwärts-Seite mit dem Druckluftnetz.

Die technologisch gewünschten Endlagen sind durch mechanische Anschläge fixiert. Darüberhinaus wird das Einfahren.in eine Endlage durch je eine Wegmeßstelle (Endschalter) signalisiert, wobei dieses binäre Signal mit dem statischen Binärsignal zum Umsteuern des Wegeventils kombiniert wird, um einen RS-FF zurückzustellen.

Das Zurückstellen des RS-FF bewirkt die Ruhestellung eines zusätzlichen erfindungsgemäßen Wegeventils mit Rückschlagsicherung derart, daß wie üblich an der dem mechanischen Anschlag zugewandten Kolbenseite Drucklosigkeit herrscht und auf der abgewandten Seite Netzdruck anliegt.

Zwischen den Entschaltern für die beiden Endlagen sind zwei weitere binäre Wegmeßstellen verschiebbar angeordnet.

Verschiebbar deshalb, damit der Einrichter nach Beobachtung an Ort und Stelle sie einstellen kann. Neben dem im physikalischen Aspekt geschilderten Vorgang treten noch weitere Energieformen auf, die rechnerisch nicht erfaßt, in ihren Wirkungen aber beobachtet werden können.

Die Binärsignale dieser verschiebbaren Wegmeßstelle.n werden kombiniert mit dem Binärsignal für das Umsteuern des Wegeventils, welches die Bewegungsrichtung des Kolbens widerspiegelt und stellen den RS-FF.

Dadurch wird das zusätzliche erfindungsgemäße Wegeventil so gestellt, daß die Kolben-Vorwärts-Seite über die Rückschlagsicherung mit dem Druckluftnetz verbunden wird.

Die Rückschlagsicherung verhindert ein Einströmen der Druckluft auf die Kolben-Vorwärts-Seite. Infolge der immanenten kinetischen Energie und dem Druck auf die Kolben-Rückwärts-Seite wird die Restluft erst komprimiert und dann in das Druckluftnetz ausgeschoben.

Nach Erreichen der gewollten neuen Endlage bewirkt der entsprechende Endschalter wieder die Rückstellung des RS-FF, wodurch die Endlage stabil durch den anstehenden Luftdruck einerseits und den mechanischen Anschlag andererseits gehalten

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Schaltung

Fig.2: den Druckverlauf und die Arbeitsflächen im P-V-Diagramm bzw. P-s-Diagramm Fig. 3: Die Verläufe der Beschleunigung, der Kolbengeschwindigkeit und des Weges über der Zeit.

Ein Pneumatikzylinder 1 enthält einen Kolben 2, der in Fig. 1 in seiner linken Endlage dargestellt ist, die.durch einen mechanischen Anschlag 3 fixiert wird, während ein mechanischer Anschlag 4 den Hub rechtsseitig begrenzt. Ein Wegeventil 5 ist so eingebaut, daß im unbetätigtem Schaltzustand (Steuersignal x5 = 0) die linke Endlage infolge Druckluft und dem mechanischen Anschlag 3 stabil gehalten wird.

Die linke Endlage wird durch eine Wegmeßstelle 6 mit einem Signal x6 = 1 signalisiert, während eine Wegmeßstelle 7 (zugeordnet der rechten Endlage) und Wegmeßstelle 8 und 9 nach Fig. 1 die Signale x7 = 0, x8 = 0 und x9 = 0 abgeben. Der Hub h wird durch die Wegmeßstellen 6,7,8,9 in die Hubabschnitte h·,, h₂, h₃ zerlegt.

Ein Wegeventil mit Rückschlagsicherung 10 stellt ein erfindungsgemäß zusätzliches Schaltelement dar, welches in der gezeichneten Ruhelage (x 10 = 0) die Außen luft mit der Kolbenseite 12 verbindet. Die Betätigung des Wegeventiis erfolgt von einem RS-FF13 aus, der in der gezeichneten Stellung das Signal χ 10 = 0 abgibt. Ein Steuersignal χ 5 = 1 bewirkt die Umsteuerung des Wegeventils.5 so, daß nun die Kolbenseite 11 zur Vorwärts-Seite und die Kolbenseite 12 zur Rückwärts-Seite wird. Der Zylinderraum auf der Vorwärts-Seite ist über die Wegeventile 5und10mit der Außen luft über einen Schalldämpfer verbunden. So entsteht, wie in Fig. 2 dargestellt, während des Hubabschnittes h·, ein rascher Druckabfall auf der Kolbenseite 11 im Sinne der Erfindung, während ein kleiner Druckabfall auf der Kolbenseite 12 auf Rohrreibungsverluste zu rückzuführen ist. Der Hubabschnitt hh wird durch Erreichen der verstellbaren Wegmeßstelle 8 mit x8 = 1 abgeschlossen, denn x8 = 1 stellt in Verbindung mit χ 5 = 1 den RS-FF auf χ 10 = !,wodurch das Wegeventil 10 umschaltet.

Die Vorwärtsseite 11 wird dadurch mit dem Druckluftnetz verbunden. Ein Einströmen von Druckluft in den Pneumatikzylinder 1 auf der Vorwärtsseite 11 wird aber durch die Rückschlagsicherung verhindert.

Die Hubabschnitte h₂ und h₃sind bei der Bewegung nach rechts nicht getrennt, denn die Wegmeßstelle 9 kann mit ihrem Signal x9 = T nicht wirksam werden, da dieses Signal das Sperr-Und nicht passiert.

Während des Durchlaufes durch den Hubabschnitt h₂ + h₃ findet zuerst eine polytrope Kompression mit einem Exponenten zwischen 1 und statt bis etwas über den Netzdruck. Dann wird die Luft über das Wegeventil mit Rückschlagsicherung 10 an das Netz abgegeben.

Nach Erreichen der Endlage am mechanischen Anschlag 4 signalisiert die Weg meßstelle 7 den Wert χ 7 = 1, wodurch die Rückstellung des RS-FF13 erfolgt. DamitwirdxiO = 0 und die Kolbenseite 11 ist wieder mit der Umgebung verbunden. Damit ist der neue stabile Zustand erreicht.

Die Bewegung nach links erfolgt aufgrund des Befehls x5 = 0, wobei diesmal der Hubabschnitt h₃ durch das Signal x9 = 1 abgegrenzt wird und die Hubabschnitte hi + h₂ eine Einheit bilden.

In Fig. 2 stellt die ausgezogene Kurve 14 den Druckverlauf auf der Rückwärtsseite 12 dar und die unterbrochene Linie 15 gibt den Druckverlauf auf der Vorwärtsseite 11 wider.

Die Fläche unter der Kurve 14 entspricht der aus dem Netz entnommenen Energie, die mechanisch umgesetzt wird. Die Ausbuchtung der Kurve 14 nach unten rührt von Strömungsverlusten her.

Die Fläche unter der Kurve 15 im Hubabschnitt 1 entspricht der Arbeit C1 beim Ausschieben des nicht gewinnbaren Luftanteils.

Im Hubabschnitt h₂ + h₃ ist die Kompressionsarbeit mit C2 und die Ausschubarbeit der Restluft ins Netz mit C3 bezeichnet.

Zwischen den Kurven 14 und 15 ist einmal die Fläche B1, die die Arbeit widerspiegelt, die vom mechanischen System aufgenommen wurde und vorwiegend als kinetische Energie in den beschleunigten Massen gespeichert ist und zu einem kleineren Teil als Lagerreibung oder andere technologisch bedingt aus dem System abgeführt wird. Zum anderen tritt dort die Fläche B 2 in Erscheinung, die den Überschuß an kinetischer Energie darstellt, der dem System wieder zugeführt wird.

Aus Fig.3 kann man erkennen, daß aufgrund der Arbeitsfläche B1 eine große Anfangsbeschleunigung auftritt und dann später aufgrund der Arbeitsfläche B 2 eine Verzögerung erfolgt. Durch qualitative Integration ergeben sich daraus die Verläufe der Kolbengeschwindigkeit und des Weges.

Claims (1)

1. oat Erfindungsanspruch:

   Schaltung zur Energierückgewinnung beim Bremsen pneumatisch angetriebener Elemente/Masse, bestehend aus einem Pneumatikmotor und einem diesen umsteuernden Wegeventil, beides in üblicher Bauart und üblicher Verschaltung untereinander und an ein Druckluftnetz, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich vier Wegmeßstellen den Hub des Pneumatikmotors in drei Abschnitte aufteilen, wobei die beiden außenliegenden Wegmeßstellen Endlagen signalisieren und die beiden innenliegenden Wegmeßstellen in Hubrichtung verstellbar angeordnet sind, um vor Inbetriebnahme empirisch für Vorwärts- und Rückwärtsgang einen technologisch und energetisch gewünschten Geschwindigkeitsverlauf der Hubbewegungen einstellen zu können, daß weiterhin eine Logikschaltung aus vier Konjuktionen und einem RS-FF Bestandteil der Schaltung ist, die ihre Eingangssignale von den vier Wegmeßstellen und dem umsteuernden Wegeventil bekommt und deren Ausgangssignal in ein zusätzliches Wegeventil üblicher Bauart führt, welches einerseits strömungsmäßig mit dem Druckluftaustritt des umsteuernden Wegeventils und andererseits einmal mit der Außen luft über einen Schal !dämpfer und zum anderen mit dem Druckluftnetz über eine übliche Rückschlagsicherung so verbunden ist, daß letztere nur Luft in Richtung des Druckluftnetzes passieren