DE10100600B4

DE10100600B4 - Zylinder mit frei ansteuerbarer Arretierung des Kolbens

Info

Publication number: DE10100600B4
Application number: DE2001100600
Authority: DE
Inventors: Hans Dieter Vogel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2021-01-10
Also published as: DE10100600A1

Abstract

Der Arbeitskolben ist geteilt und enthält zwischen Kolbenseite und Stangenseite einen Sekundärkolben mit eigener Druckluftzufuhr sowie kegelige federnde Spenscheiben.

Description

Der Antrag zur Erteilung eines Patentes betrifft einen linearen dreifach wirkenden Pneumatikzylinder. Die dritte Wirkung besteht in einer frei ansteuerbaren Arretierung des Kolbens.
Stand der Technik
In der Technik sind derzeit zwei grundsätzliche Arien von Pneumatikzylindern bekannt:

– Einfach wirkende Zylinder sind in der Lage, eine Kolbenstange in einer Richtung durch Druckluft zu bewegen. Sie ermöglichen in der Regel das Ausfahren der Kolbenstange. Die Einfahrkräfte werden durch eine interne Feder oder eine äußere Kraft erzeugt.
– Doppelt wirkende Zylinder erzeugen die Kräfte zum Einfahren und Ausfahren der Kolbenstange durch Druckluft.

Ein wesentliches Handicap pneumatischer Linearzylinder als Aktoren für Linearbewegungen ist die Tatsache, dass eine Positionierung der Kolbenstange zwischen ihrer vorderen Endlage und ihrer hinteren Endlage praktisch nicht möglich ist: Die Kompressibilität des Mediums Luft verhindert dies.
Der vorzustellende dreifach wirkende Zylinder versucht, dieses Handicap aufzuheben. Ein Pneumatikzylinder soll die Kolbenbewegung an beliebigem Ort zwischen vorderer und hinterer Endlage stoppen können; er soll in der Lage sein, gestoppt axiale Kräfte in der Größenordnung der Bewegungskräfte zu halten und soll aus dieser Lage wieder beliebig weiter beweglich sein.

– Dreifach wirkende Pneumatikzylinder verfügen über eine von außen ansteuerbare Stopp-Funktion. Diese ist unabhängig von der Kolbenposition ansteuerbar.

Diese Fähigkeit ist insbesondere in der Handhabungstechnik von Nutzen. Beliebig positionierbare Kolben kombiniert mit den positiven Eigenschaften pneumatisch erzeugter Bewegungen öffnen ein vielfältiges Einsatzspektrum:

– frei programmierbare pick-and-place-Units
– Verteilsysteme
– Palettiersysteme
– schrittweise Linearbewegungen von Kolben usw.

Mechanische Anschläge und Justierungen entfallen: Eine Bewegungsunterbrechung wird durch Steuersignale ausgelöst und freigegeben.
Grundlagen und Zielsetzung
1. Physikalisch-mechanische Grundlagen
Der Kolben eines pneumatisch betätigten Zylinders soll ohne mechanischen Anschlag gestoppt werden.
Der Lösungsvorschlag fußt auf folgenden anwendungstechnischen Gedanken:

– Die Stop-Funktion sollte pneumatisch erfolgen, um gleiche Arbeitsmedien zu verwenden.
– Der Ort des Bewegungsstopps muss frei wählbar sein.
– Eine wesentliche Änderung der äußeren Form des Antriebsgliedes darf nicht eintreten.
– Im Gebrauch soll kein wesentlicher Verschleiß auftreten.
– Die Stopp-Funktion muss durch Software (z. B. Wegmesssysteme und SPS) ansteuerbar sein.

2. Die physikalische Umsetzung
des Problems reduziert die technischen Umsetzungsmöglichkeiten:

– Geradlinige Bewegungen bremst man durch Reibung oder durch feste Anschläge.
– Stoppwirkung durch feste Anschläge erfordert Hardware-Eingriffe und ist daher ungünstig
– Reibung als Bremskraft kann an jedem beliebigen Ort der Bewegung erzeugt werden.
– Reibung erzeugt man durch Anpresskräfte F_R = μ × F_n
– Die Anpresskräfte F_n müssen um den Faktor 1/μ größer sein als die Bewegungskräfte oder äußeren Kräfte des Kolbens. Daraus folgt:
– Es ist – bei pneumatischer Betätigung – eine Kraftübersetzung innerhalb des Systems zur Erzeugung der Reibungskraft erforderlich. Die Bremskraft muss möglichst groß sein.

3. Technische Umsetzung

1. Die erforderliche Reibungskraft kann nur zwischen dem Kolben und der Zylinderwand und dem Kolben und der Kolbenstange auftreten. In der Stopp-Funktion müssen Zylinderwand und Kolben gegeneinander durch Reibungskräfte verriegelt sein.
2. Die stoppende Reibungskraft kann nur erzeugt werden, wenn verbundene radiale Kräfte vom Kolben auf die Zylinderwand, bzw. die Kolbenstange erzeugt werden.
3. Zur Erzeugung der Reibungskräfte könnten radiale Kräfte wie zum Aufblähen eines Schlauches mit ⌀d eingesetzt werden. (F_R = 2 π d p μ L η mit L = Druckflächenlänge). Diese Lösung ist wegen der damit verbundenen großen Baulänge unpraktisch.
4. Zur Erzeugung der Reibungskräfte können axiale Kräfte eines Sekundärkolbens verwendet werden, der durch Kraftumlenkung radiale Kräfte auf Kolbenstange und Zylinderwand erzeugt.

4. Funktionsbeschreibung
4.1. allgemeine Beschreibung
Die Arretierung wird durch eine radiale Aufweitung von federnden Sperrelementen durch axiale Druckkräfte erreicht.
Durch einen Sekundärkolben als Sperrkolben werden axiale Kräfte erzeugt, die durch ein federndes geschlitztes Kegelscheibenpaar in Radialkräfte umgewandelt werden. Durch Kraftübersetzung in der Kegelscheibe werden ausreichend große Radialkräfte erzeugt, die den Kolben zum Blockieren bringen. Die Maße und Werkstoffe der Kegelscheiben sind den Last- und Druckverhältnissen anzupassen.
4.2. spezielle Funktionsbeschreibung (bezieht sich auf die Zeichnung 1)
Die Kolbenstange (5) ist axial durchbohrt und trägt am freien Ende ein Anschlussstück zur Aufnahme einer Druckluft-Verschraubung. Die Steuerventile sind unmittelbar am Kolbenstangenende platziert. Der Druckabbau der Blockiereinheit sollte grundsätzlich über ein Schnellentlüftungsventil am Kolbenstangenende erfolgen.
Der Primärkolben besteht aus der stangenseitigen Hälfte (4) und der kolbenseitigen Hälfte (3). Zwischen diesen Teilen des Primär-Kolbens befindet sich ein Sekundär-Kolben (Sperr-Kolben) (1). Dieser Kolben ist auf der Kolbenstange zwischen Kolbenseite (3) und Stangenseite (4) des Primärkolbens axial frei beweglich.
Der Raum zwischen dem Sekundärkolben und der Stangenseite des Primärkolbens ist durch Druckluft aus der Kolbenstange beaufschlagbar. (Es ist auch möglich, den der Kolbenseite zugewandten Zwischenraum zu belüften. Dies erleichtert das Lösen der Blockierung, erfordert jedoch geringfügige Umbauten.) Die Druckluft gelangt aus der Kolbenstange über Querbohrungen in den Zwischenraum.
Wird Druckluft durch die Kolbenstangenbohrung auf diesen Raum gegeben, so bewegt sich der Sekundärkolben (1) axial in Richtung der Kolbenseite des Primärkolbens. Der auf der Gegenseite durch Volumenverringerung entstehende Gegendruck ist bei richtiger Gestaltung und Dimensionierung der Bauteile vernachlässigbar klein.
Der Sekundärkolben wirkt auf zwei kegelige Federscheiben (2) auf der Kolbenseite (3) des Primärkolbens. Die Federscheiben geben in axialer Richtung nach und stützen sich auf kolbenseitigen Hälfte des Primärkolbens ab.
Die axial wirkende Kolbenkraft des Sekundärkolbens spreizt die kegeligen Federscheiben. Sie vergrößern ihren Durchmesser und verkeilen sich zwischen Kolbenstange (5) und Zylinderwand (8), so lange der Zwischenraum mit Druckluft beaufschlagt ist.
Zur Verhinderung von Beschädigungen der Kolbenwand müssen die Federscheiben abgerundet sein (siehe Detailzeichnung Federscheibe, 2) oder es muss ein radial dehnbares (z. B. geschlitztes) Gleitschuhpaar den unmittelbaren Kontakt zwischen Federscheiben (2) und Zylinderwand (8) verhindern.
Wird der Zwischenraum entlüftet, so kehren die kegeligen Federscheiben wieder in ihre Ursprungslage zurück, der Primärkolben (3 + 4) ist frei beweglich.
Zur Vermeidung unerwünschter Klemmwirkungen ist die Reihenfolge der Druckbeaufschlagung zu beachten. (siehe Anhang 1: Die Richtung der von außen wirkenden Kraft und die Richtung der zu erzeugenden Bewegung sollten oberhalb einer Belastungsgrenze zeitlich abgestimmte Abläufe erzeugen. Datei ist zu beachten, dass

– zunächst die Bewegungskraft gegen die äußere Last erzeugt wird und geringfügig zeitlich verzögert
– dann die Blockierkraft gelöst wird.)

5. Gegenstand des Patentantrages
Gegenstand des Antrages ist die neue Technik, durch pneumatisch erzeugte axiale Kräfte in einem Kolben so große radial wirkende Kräfte zu erzeugen, dass deren Reibungswirkung ein Verschieben des Kolbens, bzw. der Kolbenstange behindert, bzw. bis zu einem Maximalwert verhindert.
5.1. Wesentliche Merkmale der Konstruktion sind:

– ein Sekundärkolben, der druckbeaufschlagt Axialkräfte erzeugt
– eine wählbare Anzahl von kegeligen federnden Elementen zur Kraftumlenkung axial ⇒ radial
– die Kraftübertragung vom Sekundärkolben über kraftumlenkende federnde Elemente und ggf, verschleißmindernde Zwischenlagen auf den Zylindermantel und die Kolbenstange.
– das so erzeugte Abbremsen und Blockieren der Kolbenstangenbewegung durch Reibung.

6. Bauliche Umsetzung
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf:
1: Funktionszeiuchnung
Die Kolbenstange wird axial durchbohrt, bzw. hat die Form eines Rohres.
Das kolbenseitige Ende ist dicht verschlossen (bei Zylindern mit einseitiger Kolbenstange). Am stangenseitigen Ende befindet sich auf der Kolbenstange ein Druckluftanschluss mit räumlich nahe angebrachten Steuerventilen für den Sperrkolben.
Der Zwischenraum zwischen der Stangenseite des Primärkolbens und dem Sekundärkolben (Sperkolben) ist durch radiale Bohrungen mit der Druckleitung in der Kolbenstange verbunden.
Belüftung und Entlüftung dieser Leitung wirken sich unmittelbar auf den Sperrkolben aus. Die Querschnitte der Steuerleitungen müssen ausreichend groß sein, Beschädigungen der Zylinderwand und der Kolbenstange müssen durch konstruktive Maßnahmenausgeschlossen werden:
Legende zu Fig. 1
Das dargestellte Prinzip:

– Krafterzeugung durch einen axialen Sekundärkolben
– Umlenkung der Axialkraft in radiale Klemmkräfte, die zum
– Bremsen und Blockieren der Kolbenbewegung durch Reibung führen ist auf alle anderen Formen der Linearzylinder anwendbar.

Die Prinzipzeichnung für die Anwendung in Stangenlosen Zylindern wird in 5 dargestellt:
Legende zu Fig. 2
Federscheibe
Konstruktive Ausgestaltung der Federscheibe.
Legende zu Fig. 3
Physikalisches Prinzip
Legende zu Fig. 4
Kräftesystem am Federring (vereinfacht)
Unter Vernachlässigung der Reibung ergibt sich vereinfacht das nebenstehende ebene Kräftesystem, das für eine halbe Federscheibe dargestellt wird:
Die aus Druck und Fläche des Sekundärkolbens erreichbare Axialkraft des Sekundärkolbens (F0) wird um die Rückstellkraft der Federscheiben (F6) vermindert.
Diese Kraft (F1) wird am Federring in eine rechtwinklig zur Aufstandsfläche wirkende Normalkraft (F2) und die in der Kegelebene liegende Übertragungskraft (F7) umgewandelt.
Die Normalkraft (F2) erzeugt die Reibung (F4) zwischen Federringen und Zylinderwand, bzw. Federringen und Kolbenstange.
Die Größe der Normalkraft lässt sich mit dem Strahlensatz überschlägig ermitteln.
Die Größe der Reibungskraft ist durch konstruktive Maßnahmen beeinflussbar.
Anwendung des Prinzips im stangenlosen Zylinder
Durch Einführen einer internen Kolbenstange (10) zwischen den beiden Primärkolbenhälften (3) und (4) lässt sich das geschilderte Prinzip auch bei stangenlosen Zylindern einsetzen. Die kegeligen Federscheiben stützen sich auf der internen Kolbenstange und der Zylinderwand ab.
Legende zur Fig. 5
Anhang Anwendungsmöglichkeiten
Schaltungsbeispiel Fig. 6 einfache Arretierung
Durch separate Ansteuerung der zuständigen Wegeventile kann der gedrosselt fahrende Zylinder an beliebiger Stelle gestoppt und verriegelt werden. Das wieder Anfahren unter äußerer Last sollte so erfolgen, dass ein Verkeilen der Federscheiben durch die Last vermieden wird:
Beispiel
Äußere Last schiebt Kolbenstange in den Zylinder, Kolben soll gegen Last weiter ausfahren.

– Ventile 1V1 und 1V3 sind drucklos, Ventil 1V2 ist betätigt (Kolben ist verriegelt)
– Ventil 1V1 wird betätigt, 1V2 bleibt betätigt (Kolben ist weiterhin verriegelt)
– Ventil 1V2 wird abgeschaltet (Kolben fährt gedrosselt aus)

Voraussetzung aller Bewegungen ist es, dass die äußeren Kräfte die zulässige Größe nicht übersteigen.

Claims

Der Arbeitskolben ist geteilt und enthält zwischen Kolbenseite und Stangenseite einen Sekundärkolben mit eigener Druckluftzufuhr sowie kegelige federnde Spenscheiben.
Der Sekundärkolben ist durch Druckluftzufuhr axial verschiebbar. Er kehrt durch die Federwirkung der Spenscheiben bei Entlüftung der Kolbenräume des Sekundärkolbens in den Ausgangszustand zurück.
Wird der Sekundärkolben mit Druckbeaufschlagt, so wird die axiale Kraft des Kolbens durch die kegeligen Spenscheiben in radiale Kräfte zwischen Sperrscheibe und Zylinderwand, bzw. Sperrscheibe und Kolbenstange umgewandelt.
Die Sperrscheiben sind konstruktiv so gestaltet, dass nur geringe Verschleißerscheinungen auftreten.
Das Abbremsen und Blockieren des Arbeitskolbens erfolgt durch die Reibungskräfte zwischen Sperrscheibe und Zylinderwand, bzw. Sperrscheibe und Kolbenstange.
Durch gezielte Belüftung und Entlüftung der Räume beiderseits des Sekundärkolbens kann die Brems- und Lösewirkung der Sperrscheibe gesteuert werden.
Zylinder mit frei ansteuerbarer Arretierung des Kolben dadurch gekennzeichnet: a Der Arbeitskolben ist geteilt und enthält zwischen Kolbenseite und Stangenseite einen axial verschiebbaren Sekundärkolben mit eigener Druckluftzufuhr sowie kegelige federnde Federscheiben (2), welche unmittelbar auf die Zylinderwand (8) wirken, b Die vom Sekundärkolben (1) erzeugte axiale Kraft bewirkt eine radiale Aufweitung der Federscheiben selbst und erzeugt eine Klemmkraft vorzugsweise quer zur Zylinderwandrichtung zwischen den Federscheiben und Zylinderwand c Die Ansteuerung der Sperrvorrichtung mit Druckluft erfolgt durch Bohrungen in der Kolbenstange.