DE102005003104A1

DE102005003104A1 - Balancer zur Lastenbewegung und Verfahren zu seiner Steuerung

Info

Publication number: DE102005003104A1
Application number: DE200510003104
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl.-Ing. Brähmig
Original assignee: BRAEHMIG FLUIDAUTOMATION GmbH; Brahmig Fluidautomation GmbH
Current assignee: BRAEHMIG FLUIDAUTOMATION GmbH; Brahmig Fluidautomation GmbH
Priority date: 2005-01-22
Filing date: 2005-01-22
Publication date: 2006-07-27
Also published as: DE202005021696U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Balancer zur Lastenbewegung von Bauteilen oder Arbeitsgeräten für die Montage von Bauteilen. DOLLAR A Aufgabe ist es, einen neuartigen Balancer zu schaffen, der zum einen sehr schnell und genau das Anfahren von festen Positionen ermöglicht, konstruktiv einfach und aus wenigen Bauteilen aufgebaut ist und zum anderen auch variable Nutzlasten zuverlässig in Balance hält. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist dabei an einem Grundgestell eine Linearführung mit geeigneten Befestigungsmitteln angeordnet. Auf dieser Linearführung ist ein Balancearm verschiebbar angeordnet und geführt. Am Balancearm kann eine variable Nutzlast angreifen. Weiterhin ist der Balancearm mit einem Balancearmeingriffsteil versehen. An diesem Balancearmeingriffsteil greift formschlüssig ein am Gestell oder der Linearführung angeordnetes Zugmittel ein. Das Zugmittel ist für Balancer neuartig mit einem Servomotor spezieller Bauweise und Steuerung verbunden. Im Servomotor ist ein Drehwinkelgeber angeordnet. Dessen Ausgang ist zwecks Signalauswertung mit einer speziellen Mikroprozessorsteuerung und -regelung verbunden. Erfindungsgemäß erfolgt zur Steuerung des Balancers in völlig neuartiger Bauweise ein ständiger getakteter Vergleich zwischen der Bewegung der variablen Nutzlast und dem aktuell zugehörigen Drehmoment des Servomotors. Im Mikrorechner erfolgt ein Vergleich von ermittelten Messgrößen nach einem vorgegebenen Algorithmus, in dessen Ergebnis über die Ansteuerung des Servomotors das ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Balancer zur Lastenbewegung von Bauteilen oder Arbeitsgeräten für die Montage von Bauteilen mit einer Balanciereinrichtung, mittels derer das Gewicht der zu bewegenden Bauteile oder Arbeitsgeräte kompensierbar ist und ein im wesentlichen ein lastfreies manuelles oder sensorgesteuertes Bewegen der Bauteile oder Arbeitsgeräte in vertikaler Richtung ermöglicht.

Balancer zur Lastenbewegung sind in einer Vielzahl von Ausführungen in bekannt. Sie werden vorrangig in der Fertigung nämlich zum Tragen und Bewegen von Handwerkzeugen oder zum Bewegen von kleinen bis großen Bauteilen für unterschiedliche Montagearbeiten wie z. B. im Automobilbau benutzt. Für eine Reihe von Anwendungen vor allem für die Bewegung von Arbeitsgeräten sind Balancer bekannt, bei denen als Zugmittel ein Seil verwendet wird. Bei Seilbalancern allgemein wird ein Seil von einer Seiltrommel aufgerollt und abgerollt. Das Seil wird am Umfang nach der Art einer eingängigen Schraube in einer Rille geführt. Die Seiltrommel wird dabei in der Regel mit einem Pneumatikzylinder über eine Mutter wie z. B. einer Kugelrollspindel angetrieben. Ein Seilende ist in der Trommel befestigt und das andere freie Seilende trägt das Lastaufnahmemittel. Der mit Fluiddruck beaufschlage Kolben des Pneumatikzylinders begegnet der Tendenz der Last, das Seil abzuwickeln und kompensiert so Lastdifferenzen des belasteten oder unbelasteten Lastseiles. In der DE 20 2004 006 138 U1 ist eine technische Lösung mit einem Doppelseilbalancer beschrieben, bei dem innerhalb eines aufgehängten Gehäuses eine Gewindespindel mit einer Spindelmutter angeordnet ist, die mit einem Pneumatikzylinder beaufschlagt ist. Die Seiltrommel ist auf Ihren Umfang mit zwei Seilrillen für zwei parallelgeführte Lastseile versehen und die beiden Seile werden an zwei zueinander beabstandeten Ablaufpunkten aus dem Gehäuse herausgeführt. An den Seilenden ist hier ein Druckluftwerkzeug angehangen.

So ist aus der DE 201 21 219 U1 eine Balanciereinrichtung bekannt, die auf einem bodengeführten Hebezeug angeordnet ist. Die eigentliche Balanciereinrichtung besteht aus einem Balancearm, der an einer vertikalen Leitschiene geführt ist und mittels eines Pneumatikzylinders auf dieser Leitschiene höhenverstellbar ist. Allerdings ist auf Grund der Baulänge des Pneumatikzylinders die mögliche Bewegungslänge in der die Balance gehalten werden kann relativ gering.

In einer anderen Technischen Lösung wie in der DE 44 47 019 A1 ist ein Balancer für das manuelle Bewegen von Lasten, insbesondere von Arbeitsgeräten in hängender Ausführung beschrieben, wo mindestens ein Zugmittel an einem Ende ortsfest mit dem Balancer und das andere Ende mit dem Lastaufnahmemittel verbunden ist. Das Zugmittel ist dabei über vier Rollen geführt. Zur Lastaufnahme ist des weiteren ein Tragbügel angeordnet, der mit einem freien Ende einer Kolbenstange eines Pneumatikzylinders verbunden ist. Der Pneumatikzylinder ist zur Steuerung mit Drucksensoren versehen, die mittels einem druckgesteuerten Medium dem Gewichtsausgleich bewirken. Auch dieser Balancer ist konstruktiv aufwendig.

Alle bekannten Balancer, wo der Gewichtsausgleich mittels gesteuerter Pneumatikzylinder erfolgt, haben den Nachteil, dass nur eine langsame und schwerfällige Bewegung möglich ist. Zudem sind Balancer, die mit ölartigen Fluiden arbeiten in bestimmten Anwendungsfällen ( z. B. in Lackierereien) problembehaftet. Bei großen zu bewegenden Massen sind pneumatische nur bedingt einsetzbar, da die große erforderliche Kolbenfläche selbst kleinste Regelanweichungen, die z. B. durch die Hysterese unweigerlich hervorgerufen werden, negativ beinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Balancer zur Lastenbewegung von Bauteilen oder Arbeitsgeräten insbesondere für die Montage von Bauteilen mit einer Balanciereinrichtung von mittleren bis schweren Lasten zu schaffen, der zum einen sehr schnell und genau das Anfahren von festen Positionen ermöglicht, konstruktiv einfach und aus wenigen Bauteilen aufgebaut ist und zum anderen auch variable Nutzlasten zuverlässig in Balance hält.

Die Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der in den selbständigen Ansprüchen offenbarten Erfindung. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Erfindungsgemäß ist dabei an einem Grundgestell eine Linearführung mit geeigneten Befestigungsmitteln angeordnet. Auf dieser Linearführung ist mindestens ein gerader, gekrümmter, abgewinkelter oder abknickbarer Balancerarm verschiebbar angeordnet und geführt. Dieser Balancerarm ist mittels in seinem Inneren angeordneter geeigneter Führungsteile wie z. B. Kugeln und/oder Walzen spielfrei auf der Linearführung gelagert. Dabei ist die Gleitreibung weitgehend minimiert. Am Balancerarm kann eine variable Nutzlast angreifen. Weiterhin ist der Balancerarm mit einem Balancerarmeingriffsteil versehen. An diesem Balancerarmeingriffsteil greift formschlüssig ein am Gestell oder der Linearführung angeordnetes Zugmittel ein. Das Zugmittel ist für Balancer neuartig mit einem Servomotor spezieller Bauweise und Steuerung verbunden. Im Servomotor ist, wie an sich bekannt, ein Drehwinkelgeber angeordnet ist. Dessen Ausgang ist zwecks Signalauswertung mit einer speziellen Mikroprozessorsteuerung und -regelung verbunden. Erfindungsgemäß erfolgt zur Steuerung des Balancers in völlig neuartiger Bauweise ein ständiger getakteter Vergleich zwischen der Bewegung der variablen Nutzlast und dem aktuell zugehörigen Drehmoment des Servomotors. Dabei wird über den Drehwinklegeber das abgegebne Wegesignal ermittelt und als Messgröße zur digitalen Auswertung einer verbundenen Mikrorechnersteuerung und -regelung aufgeschaltet. Das aktuell im Servomotor anliegende Drehmoment wird als eine weitere Messgröße dem Mikrorechner aufgeschaltet. Im Mikrorechner erfolgt ein Vergleich der beiden Messgrößen nach einem vorgegebenen Algorithmus in dessen Ergebnis über die Ansteuerung des Servomotors, das Drehmoment nachgeregelt wird. Ist die tatsächlich gewünschte Position erreicht, d. h. es erfolgt keine Veränderung des Wegesignals mehr, entspricht das aktuelle Drehmoment der Haltekraft, die erforderlich ist, um die in diesem Moment aufliegende Nutzlast in der gewählten Position zu halten. Das Drehmoment wird dann auf diesem konstantem Wert gehalten.

In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung eines Balancers kann die Mikroprozessorsteuerung und -regelung wahlweise entweder als direkte Prozesssteuerung der Balancerfunktion oder als Prozesssteuerung einer reinen Positionierfunktion schaltbar ausgebildet sein. Indem die Steuerung auf Positionierbetrieb umgeschaltet werden kann, kann z. B. durch einfache Anordnung eines Drucktasters der Balancer als Positionierer in eine gewünschte Position verfahren werden. In einer aufwändigeren Ausführung ist eine Positionsanzeige angeschlossen, wo z. B. durch Eingabe der gewünschten Position eine Programmierung von einstellbaren Positionen möglich ist, die auf Befehl, z. B. mittels binärer Signale, angefahren werden sollen. Durch Umschalten der Steuerungsprogramme kann dann wieder einfach in die Balancerfunktion gewechselt werden.

Besonders vorteilhaft kann der Balancer zur Lastenbewegung ausgebildet werden, wenn die Linearführung am Grundgestell vertikal angeordnet ist. Dies ist für die meisten Einsatzfälle sinnvoll. Für spezielle Anwendungsfälle ist aber auch eine schräg verlaufende Anordnung der Linearführung denkbar.

In einer möglichen Ausführung des erfindungsgemäßen Balancers zur Lastenbewegung ist das Zugmittel als ein geschlossener oder offener, in der Regel entsprechend den zu bewegenden Nutzlasten verstärkter, Zahnriemen ausgebildet. Er kann wahlweise an dem Grundgestell oder auch direkt an der Linearführung befestigt geführt und umgelenkt sein. Erfolgt der Krafteintrag von einer festarretierten Anordnung des Servomotors aus, ist in diesem Fall das Balancerarmeingriffsteil bevorzugt als eine Zahnstange ausgebildet und angeordnet.

In einer besonders vorteilhaften, einfachen konstruktiven Ausführung ist als Zugmittel zur Bewegung des Balancerarms ein offener, vertikal eingespannter Zahnriemen direkt an der vertikalen Linearführung angeordnet. Er ist jeweils am oberen und unteren Ende der Linearführung befestigt. Der Servomotor ist direkt am verfahrbaren Balancerarm befestigt, wobei der Balancerarm über geeignete Führungen auf der Linearführung verschiebbar angeordnet ist. Der Servomotor wird bei der Bewegung des Balancearms mit bewegt. Er befindet sich also in einer fest definierten Position auf dem Balancerarm und seine Antriebsseite ist mit dem Balancerarmeingriffsteil fest verbunden. Auf der Servomotorwelle ist ein Zahnrad so angeordnet, dass der Zahnriemen das Zahnrad über einen Winkel von mehr als 45° umschlingen kann. Der Umschlingungswinkel wird erreicht indem zwei Zahnriemenumlenkrollen am Balancerarmeingriffsteil angeordnet sind. Diese Bauweise des erfindungsgemäßen Balancers ist konstruktiv besonders einfach und beliebig für eine Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzbar.

In einer Ausführung mit stationärer Anordnung des Servomotors am Grundgestell des Balancer zur Lastenbewegung ist auf der Welle eines Servomotors mindestens ein Antriebsritzel angeordnet. Am Grundgestell ist des weiteren mindestens ein Umlenkritzel befestigt. Über diese beiden Ritzel läuft ein geschlossener armierter Zahnriemen. In die Zähne des Zahnriemens greift eine Zahnstange, die mittels Balancerarmeingriffsteil am Balancerarm befestigt ist, ein. Dadurch kann die Lastbewegung ebenfalls auf einfache an und Weise realisiert werden.

Das neuartige Balancerkonzept ist auch realisierbar für Knickarmbalancer oder Balancer mit Schwenkausleger indem jeweils ein Servomotor über ein Zugmittel mit einem Knickarm oder einem Schwenkausleger verbunden ist.

In einer Erweiterung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung eines Balancers ist es vorteilhaft, wenn bei Energieausfall durch die Mikroprozessorsteuerung und -regelung automatisch eine mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkende Blockiereinrichtung zur Arretierung des Balancers in der entsprechenden Position auslöst wird. Solcherart Blockiereinrichtungen sind in verschiedenen Ausführungen wie, z. B. Halteklauen, Haltekeile, Bremsbacken oder mitlaufende Blockierritzel, die entweder auf die Linearführung, das Zugmittel oder direkt auf die Welle des Servomotors wirken, denkbar.

In einer weiteren einfachen Ausführung kann am Balancer zur Lastenbewegung direkt an der Linearführung eine mechanische Feststelleinrichtung angeordnet sein die sich manuell betätigen lässt um die Sicherheit des Bedieners zuverlässig zu gewährleisten.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Balancers und des Verfahrens zu seiner Steuerung liegt in der konstruktiv sehr einfachen und mit wenig Einzelteilen auskommenden Ausführung des neuartigen Balancers sowie seiner einfachen ohne Griffe und Geber auskommenden Bedienungsmöglichkeit. Aufgrund der sehr schnellen Steuerung und Regelung des Drehmomentes ist eine problemlose Bewegung von Hand durch den oder die Bediener möglich, da die Massenträgheitsmomente durch die sehr schnelle Drehmomentregelung ausgeblichen werden. Damit sind mit dem gleichen erfindungsgemäßen Balancer, sowohl relativ leichte Nutzlasten von 20 kg als auch relativ schwere Nutzlasten bis zu 350 kg manuell bewegbar. Als weitere Vorteil ist durch die Umschaltung der Steuerung neben den Balancerbetrieb auch ein Positionierbetrieb mit gesteuerter Anfahrt von definierten wählbaren Positionen ausführbar.

Die Erfindung soll nachstehend in einem möglichen einfachen Ausführungsbeispiel an Hand der 1 bis 3 näher beschrieben werden.
1 zeigt eine perspektivische Abbildung eines erfindungsgemäßen Balancers 4
2 zeigt eine Vorder- und Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Balancers 4
3 zeigt die Vergrößerung des Banlancerarms 5 in Seitenansicht
Auf einen Grundgestell 1, an dem höheneinstellbare Füße zur vertikalen Ausrichtung befestigt sind, ist eine Linearführung 2 drehbar vertikal angeordnet. An der Linearführung 2 ist oben und unten ein offener verstärkter Zahnriemen 7 mit geeigneten technischen Mitteln, wie z. B jeweils einer Spannplatte befestigt. Auf der Linearführung 2 ist der Balancerarm 5 mittels geeigneter Führungsteile verschiebbar geführt. In vorliegender Ausbildung besteht der Balancerarm 5 aus einer tischartigen Balancerplatte mit einem Führungsaufsatz, der in seinem Inneren mit geeigneten Führungsteilen wie z. B. Kugeln und/oder Walzen spielfrei auf der Linearführung gelagert ist. Am Balancerarm 5 ist das Balancerarmeingriffsteil 6 befestigt. Gleichfalls ist am Balancerarmeingriffsteil 6 mit seiner Antriebsseite, der mit einer speziellen Mikroprossorsteuerung und -regelung versehene Servomotor 3 direkt angeschraubt. Der Servomotor 3 wird bei der Bewegung des Balancerarms 5 jeweils mit bewegt. Er befindet sich also in einer fest definierten Position auf dem Balancerarm 5 und damit auch in einer definierten Position zum Zugmittel, dem verstärkten Zahnriemen 7. Auf der Servomotorwelle 8 ist ein Zahnrad 9 mit einer Teilung, der der Teilung des verstärkten Zahnriemens 7 entspricht, so angeordnet, dass der Zahnriemen 7 das Zahnrad 9 über einen Winkel von ca. 180° umschlingt. Durch diesen großen Umschlingungswinkel ist eine spielfreie Kraftübertragung von der Antriebswelle des Servomotors 3 über das fest verbundene Zahnrad 9 auf den verstärkten Zahnriemen 7 möglich. Damit die Umschlingung erreicht werden kann, sind unterhalb und oberhalb seitlich versetzt zwei Umlenkrollen 10 gelagert. Diese Umlenkrollen 10 dienen gleichzeitig zur Seitenführung des verstärkten Zahnriemens 7. Oben am Ende der Linearführung 2 ist ein Kabelhalter 12 befestigt, der die Kabelführung 11 trägt, in dem die Kabelzuführung zum Servomotor erfolgt. Der Servomotor 3 ist mit einer Mikroprozessorsteuerung und -regelung angesteuert (nicht gezeichnet). Diese Bauweise des erfindungsgemäßen Balancers ist konstruktiv besonders einfach und beliebig für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungsfällen einsetzbar.
Die Erfindung ist anwendbar für alle Baugrößen von Balancern sowohl für hängende Ausführungen an Flurfördereinrichtungen als auch bei bodengeführten Hebezeugen.

1: Grundgestell
2: Linearführung
3: Servomotor
4: Balancer
5: Balancerarm
6: Balancerarmeingriffsteil
7: Zugmittel gleich Zahnriemen
8: Servomotorwelle
9: Zahnrad
10: Umlenkrollen
11: Kabelführung
12: Kabelhalter

Claims

Balancer zur Lastenbewegung insbesondere für manuelles oder getastetes Bewegen von Lasten in hängender oder bodengeführter Ausführung, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Grundgestell eine Linearführung angeordnet ist, auf der mindestens ein gerader, gekrümmter, abgewinkelter oder abknickbarer Balancerarm verschiebbar angeordnet und geführt ist, am Balancerarm eine variable Nutzlast angreift, am Balancerarm ein Balancerarmeingriffsteil angeordnet ist, das Balancerarmeingriffsteil formschlüssig in ein angeordnetes Zugmittel eingreift, das Zugmittel mit einem Servomotor, in dem einen Drehwinkelgeber angeordnet ist, verbunden ist, der mit einer speziellen Mikroprozessorsteuerung und -regelung verbunden ist.
Verfahren zur Steuerung eines Balancers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein ständiger getakteter Vergleich zwischen der Bewegung der variablen Nutzlast und dem aktuell zugehörigen Drehmoment des Servomotors mittels einer verbundenen Mikrorechnersteuerung und -regelung erfolgt und über die Ansteuerung des Servomotors das Drehmoment nachgeregelt wird, wobei das Drehmoment des Servomotors bei Erreichen der gewählten Position auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Verfahren zur Steuerung eines Balancers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprozessorsteuerung und -regelung wahlweise entweder als direkte Prozesssteuerung der Balancerfunktion oder als Prozesssteuerung einer reinen Positionierfunktion schaltbar ist.
Balancer zur Lastenbewegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linearführung am Grundgestell vertikal angeordnet ist.
Balancer zur Lastenbewegung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugmittel als ein geschlossener oder offener Zahnriemen ausgebildet ist und das Balancerarmeingriffsteil als eine Zahnstange ausgebildet ist und beides am Balancer vertikal angeordnet ist.
Balancer zur Lastenbewegung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Zugmittel ein vertikal eingespannter Zahnriemen an der Linearführung angeordnet ist, der Servomotor direkt am verfahrbaren Balancearm angeordnet ist, auf der Servomotorwelle ein Zahnrad angeordnet ist, wobei der Zahnriemen das Zahnritzel über einen Winkel von mehr als 45° umschlingt und zwei Zahnriemenumlenkrollen angeordnet sind.
Balancer zur Lastenbewegung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle eines Servomotors mindestens ein Antriebsritzel angeordnet ist, am Grundgestell mindestens ein Umlenkritzel angeordnet ist, über die beiden Ritzel ein geschlossener armierter Zahnriemen läuft, der mit seinen Zähnen in eine Zahnstange die am Balancerarmeingriffsteil angeordnet ist, am Balancerarm eingreift.
Balancer zur Lastenbewegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Servomotor über ein Zugmittel mit einem Knickarm oder einem Schwenkausleger verbunden ist.
Verfahren zur Steuerung eines Balancers nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieausfall eine mechanisch, pneumatisch oder elektrisch wirkende Blockiereinrichtung zur Arretierung des Balancers in der entsprechenden Position auslöst.
Balancer zur Lastenbewegung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Linearführung eine mechanische Feststelleinrichtung angeordnet ist.