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Die
Erfindung betrifft einen Aktor mit einem in einem Bewegungsraum
eines Gehäuses
linear beweglich geführten
Aktorglied, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
einem aus dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 85 07 512 U1 bekannten
Aktor dieser Art ist ein Spreizband mit einem Kolben kraftgekoppelt und
dient zur Anzeige einer Kolbenposition.
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Lineare
Aktoren sind beispielsweise elektrische oder fluidtechnische, insbesondere
pneumatische Antriebe, beispielsweise pneumatische Zylinder. Will
man eine Rotationsbewegung in eine Linearbewegung oder umgekehrt
umsetzen, benötigt
man ein Getriebe, einen Zahnriemenantrieb oder dergleichen. Beispielsweise
kann das Aktorglied durch einen Spindel-Mutter-Trieb angetrieben
werden oder über
einen solchen Spindel-Mutter-Trieb eine rotatorische Bewegung hervorrufen.
Ein Spindel-Mutter-Trieb ist für
präzise
Positionierungsaufgaben geeignet. Allerdings ist ein Spindel-Mutter-Trieb
teuer. Ferner sind mit Zahnriemenantrieben Linear-Rotations-Bewegungsumsetzungen
bzw. umgekehrt möglich.
Ein Zahnriemenantrieb lässt
sich jedoch beispielsweise in einen pneumatischen Zylinder nicht schwer
integrieren und ist aufgrund der Elastizität des Zahnriemens für präzise Positionierungsaufgaben
eher ungeeignet.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Funktionalität eines
Aktors der eingangs genannten Art zu erweitern.
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Zur
Lösung
der Aufgabe ist ein Aktor gemäß der technischen
Lehre des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Das
Spreizband und die Aufwickelspule bilden z. B. eine Art Spreizbandgetriebe
des Aktors. Das Spreizband kann Zugkräfte und Druckkräfte übertragen.
Die Übertragung
von Druckkräften
wird dadurch ermöglicht,
dass das Band im abgewickelten Zustand gewölbt ist und beispielsweise
sich selbst durch eine geeignete Vorspannung in den Wölbungszustand
bringt, beim Aufwickeln jedoch flach liegt. Dadurch kann das Spreizband
platzsparend auf die Aufwickelspule aufgewickelt werden. Die Funktionalität des Spreizbandes
geht im wesentlichen auf elastische Deformationen zurück. Das
Prinzip des Spreizbandes kennt man beispielsweise bei Metallmaßbändern. Das
Spreizband ist zugsteifer als beispielsweise ein Zahnriemen, so
dass Positionieraufgaben mit dem erfindungsgemäßen Aktor präzise realisierbar
sind. Der erfindungsgemäße Spreizbandantrieb
oder -aktor ist allerdings wesentlich günstiger als beispielsweise
ein Aktor mit einem Spindel-Mutter-Getriebe, so dass der erfindungsgemäße Aktor kostengünstig herstellbar
ist.
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Der
erfindungsgemäße Aktor
weist einen elektrischen Motor und/oder einen elektrischen Generator
auf. Der Motor und der Generator können durch eine einzige elektrische
Funktionseinheit gebildet sein, die sowohl als Antrieb als auch
zur elektrischen Energieerzeugung ausgestaltet ist.
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Der
Motor kann ein elektrischer Linearmotor sein, wobei beispielsweise
das Aktorglied einen magnetischen Läufer bildet. Besonders bevorzugt
ist jedoch, den Motor als einen Drehantrieb auszugestalten. Bei
dieser Variante ist es auch möglich,
den Motor bzw. den Generator in die Aufwickelspule zu integrieren.
Es ist aber auch möglich,
den Motor oder den Generator sozusagen aus dem Gehäuse auszulagern.
Der Motor und der Generator sind mit der Aufwickelspule dann drehgekoppelt
außerhalb
des Gehäuses
angeordnet.
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Zum
Antrieb des Aktors eignen sich verschiedene Antriebsprinzipien,
beispielsweise elektrische und/oder fluidtechnische, insbesondere
pneumatische, Antriebsprinzipien.
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Zweckmäßigerweise
ist das Aktorglied mit Druckluft antreibbar. Bei dem Aktor handelt
es sich beispielsweise um einen erfindungsgemäß ausgestalteten pneumatischen
Zylinder. Es ist aber auch möglich,
bei dem pneumatischen Antrieb zusätzlich einen Elektroantrieb
vorzusehen, so dass ein Hybridantrieb gebildet ist. Auch eine ausschließlich elektrische
Antriebsariante ist denkbar.
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Die
auf das Spreizband übertragbare
bzw. vom Spreizband auf die Aufwickelspule übertragbaren Druckkräfte lassen
sich erhöhen,
wenn die Aufwickelspule eine Nutenanordnung zum Führen einander
entgegengesetzter Schmalseiten des Spreizbandes beim Aufwickeln
oder Abwickeln aufweist. Die Nutenanordnungen befinden sich beispielsweise
an den den Schmalseiten des Spreizbandes zugeordneten inneren Stirnseiten
von Flanschen oder Führungsplatten
der Aufwickelspule.
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Zweckmäßigerweise
ist an dem Aktorglied und/oder der Aufwickelspule ein Kraftabgriffselement angeordnet.
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Das
Kraftabgriffselement kann beispielsweise ein das Gehäuse des
Aktors durchdringendes und davor vorstehendes Drehglied sein, das
mit der Aufwickelspule drehgekoppelt ist.
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An
dem Aktorglied kann beispielsweise eine Stange vorgesehen sein,
die das Gehäuse
durchdringt und vor das Gehäuse
vorsteht, ähnlich
einem pneumatischen Stangenzylinder. Aber auch eine stangenlose
Variante ist denkbar, bei der das Kraftabgriffselement einen am
Aktorglied angeordneten Mitnehmer umfasst, der durch einen Längsschlitz am
Gehäuse
nach außen
vorsteht.
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Eine
besonders bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, dass die
Aufwickelspule im Innern des Gehäuses
aufgenommen ist. Dadurch wird eine platzsparende Bauweise möglich.
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Besonders
zweckmäßig ist
diese Variante insbesondere im Zusammenhang mit der pneumatischen
Bauart, bei der die Aufwickelspule vorteilhafterweise in dem Bewegungsraum
angeordnet ist. Die Abdichtung des Gehäuses ist dadurch wesentlich vereinfacht.
Die Aufwickelspule kann beispielsweise im druckbeaufschlagten Raum,
in dem sich das Aktorglied bzw. der Kolben des pneumatischen Zylinders
befindet, oder in einem separaten Raum des Gehäuses angeordnet sein, der gegenüber dem
Bewegungsraum nicht druckdicht sein muss. Insgesamt ist ein zumindest
im wesentlichen geschlossenes Gehäuse gebildet, das nach außen hin
einfach abzudichten ist. Bis auf die Zugänge für die Druckluftzufuhr bzw.
Abfuhr sind z. B. nur Dichtungen im Bereich des Kraftabgriffselements
oder der Kraftabgriffselemente, für elektrische Kabelverbindungen
etc. erforderlich.
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Das
Aktorglied ist zweckmäßigerweise
in einer vorbestimmten Drehposition verdrehgesichert in dem Bewegungsraum
beweglich gelagert. Das Aktorglied und das Spreizband können dann
fest und zweckmäßigerweise
unmittelbar miteinander verbunden sein. Beispielsweise hat das Aktorglied,
z. B. der Kolben, eine unrunde, z. B. ovale oder elliptische, oder
eine polygone Form. Auch durch das Kraftabgriffselement kann die
vorbestimmte Drehposition sichergestellt werden. Dies gilt für einen
Mitnehmer, der durch einen Längsschlitz
vor das Gehäuse
vorsteht und auch für
die Stangenvariante, die beispielsweise eine polygone oder unrunde
Stange umfassen kann.
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Wenn
das Aktorglied nicht in einer vorbestimmten Drehposition in dem
Bewegungsraum gesichert ist, ist es vorteilhaft, wenn das Spreizband
drehgelenkig mit dem Aktorglied verbunden ist. Beispielsweise ist
zwischen dem Aktorglied bzw. dem Kolben ein Drehgelenk angeordnet.
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Zwischen
den Motor und den Generator kann ein Getriebe geschaltet sein. Dies
betrifft sowohl die integrierte Lösung, bei der der Motor in
die Aufwickelspule integriert ist, als auch die externe Lösung, bei
der der Motor und/oder der Generator außerhalb des Aktor-Gehäuses angeordnet
sind. Wenn man als Getriebe ein Winkelgetriebe verwendet, können der
Motor und/oder der Generator platzsparend am oder im Gehäuse angeordnet
sein.
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Der
Motor ist zweckmäßigerweise
ein Schrittmotor, der sich für
Positionieraufgaben gut eignet.
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Bei
dem Generator ist es bevorzugt, dass er elektrisch mit mindestens
einem Verbraucher des Aktors verbunden ist, beispielsweise einem
Sensor, einer Bremseinrichtung oder einem Ventilantrieb eines pneumatischen
Ventils, das sich zum Betrieb des Aktors eignet, wenn dieser ein
pneumatischer Antrieb oder ein Hybridantrieb ist.
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Bevorzugt
ist es, eine Positionserfassungseinrichtung an dem Aktor anzuordnen.
Die Positionserfassungseinrichtung kann eine Linear-Positionserfassungseinrichtung
sein, die entlang des Verfahrweges des Aktorglieds angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist es aber, dass die Positionserfassungseinrichtung
die Rotation der Aufwickelspule erfasst. Die Positionserfassungseinrichtung
kann beispielsweise in die Aufwickelspule integriert sein. Es ist
auch möglich,
die Positionserfassungseinrichtung als einen Bestandteil des Motors
und/oder des Generators auszugestalten.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Aktors
mit einem Aktorglied, das mittels eines Spreizbandes mit einer Aufwickelspule
gekoppelt ist,
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2 eine
Detail-Querschnittsansicht der Aufwickelspule gemäß 1,
etwa entsprechend einem Ausschnitt A in 1,
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3 eine
schematische Querschnittsansicht des Aktors gemäß 1, geschnitten
etwa entlang einer Linie B-B
in 1, und
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4 eine
Querschnittsansicht des Spreizbandes gemäß 1, geschnitten
etwa entlang einer Linie C-C in 1.
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Ein
Aktor 10 ist als ein elektropneumatischer Hybridantrieb
ausgestaltet. Der Aktor 10 ist als Linearantrieb ausgestaltet.
Ein Gehäuse 11 des
Aktors 10 hat ein Mittelteil 12, das an beiden
Endseiten durch Deckel 13, 14 verschlossen ist.
Die Deckel 13, 14 sind z. B. mit nicht dargestellten
Dichtungen druckdicht an dem Mittelteil 12 angeordnet und
beispielsweise mit Schrauben oder sonstigen Befestigungsmitteln
verbunden. Das Gehäuse 11 begrenzt
eine druckdichte Kammer 15, die einen Bewegungsraum 16 für ein Aktorglied 17 bildet.
Das Aktorglied 17 ist in dem Bewegungsraum 16 linear
beweglich geführt. Beispielsweise
ist das Mittelteil 12 im Wesentlichen rohrartig und hat
einen Innenquerschnitt, der mit einem Außenumfang des Aktorgliedes 17 korreliert. Beim
Ausführungsbeispiel
ist beispielsweise ein kreisrunder Innenquerschnitt gewählt.
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Der
Aktor 10 ist teilweise ähnlich
aufgebaut wie ein pneumatischer Zylinder. Ein Kolben 18 bildet das
Aktorglied 17. Der Kolben 18 ist mit Druckluft 19 antreibbar.
Am Außenumfang
des Kolbens 18 ist eine Dichtung oder eine Dichtungsanordnung 20 angeordnet,
so dass der Kolben 18 die Kammer 15 in zwei druckdicht
voneinander getrennte Teilräume 21, 22 teilt.
Die Teilräume 21, 22 sind über Druckluftanschlüsse 23, 24 mit
der Druckluft 19 beaufschlagbar bzw. entlüftbar, so
dass der Kolben 18 zwischen nicht näher bezeichneten Endlagen,
z. B. einer Endlage am Deckel 14 und einer dem Deckel 13 vorgelagerten
Endlage an einem Anschlag 50, innerhalb des Bewegungsraumes 16 linear
hin und her angetrieben wird, entsprechend etwa einem Pfeil 49,
der einer Längserstreckungsrichtung
des Aktors 10 entspricht. Die Druckluftanschlüsse 23, 24 sind
beispielsweise in den Deckeln 13, 14 vorgesehen.
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An
dem Aktorglied 17 bzw. Kolben 18 ist als ein Kraftabgriffselement 25 eine
Stange 26 angeordnet. Die Stange 26 durchdringt
den Deckel 14 und ist dort an einem Lager 27 linear
be weglich gelagert, so dass der Deckel 14 einen Lagerdeckel
bildet.
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Das
Aktorglied 17 ist über
ein Spreizband 28, beispielsweise aus Stahl, mit einer
Aufwickelspule 29 gekoppelt, so dass das Aktorglied 17 auf
die Aufwickelspule 29 Zug- und Druckkräfte übertragen kann und umgekehrt.
Die zwischen dem Aktorglied 17 und der Aufwickelspule 29 übertragenen
Zug- und Druckkräfte 30 sind
durch einen Pfeil angedeutet. Die Aufwickelspule 29 ist
an dem Gehäuse 11 drehbar
gelagert. In 2 ist ein unteres Drehlager 31 angedeutet.
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Das
Spreizband 28 ist auf die Aufwickelspule 29 aufwickelbar
bzw. von dieser abwickelbar. Bei einer Bewegung des Aktorglieds 17 von
der Aufwickelspule 29 weg, d. h. in Richtung des Deckels 14,
wird das Spreizband 28 von der Aufwickelspule 29 abgewickelt
und die Aufwickelspule 29 in Rotation versetzt. In einem
abgewickelten Abschnitt 32 wölbt sich das Spreizband 28,
so dass es auch Druckkräfte 30 übertragen
kann.
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Wenn
sich das Aktorglied 17 in Richtung der Aufwickelspule 29 bewegt,
also zum Deckel 13 hin, wird das Spreizband 28 auf
die Aufwickelspule 29 aufgewickelt und treibt die Aufwickelspule 29 rotatorisch
an.
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Das
Spreizband 28 wird im Wesentlichen flach anliegend auf
die Aufwickelspule 29 aufgewickelt. Zwischen Flanschen 34, 35 der
Aufwickelspule 29 ist eine Aufnahmeraum 36 zum
Aufwickeln des Spreizbandes 28 vorgesehen. Eine Führungsanordnung
oder Nutenanordnung 33 führt das Spreizband 28 beim
Aufwickeln auf die Aufwickelspule 29. An den dem Aufnahmeraum 36 zugewandte
Innenseiten der Flansche 34, 35 ist das Spreizband 28 an
spiralförmigen
Nuten 37 der Nutenanordnung 33 geführt. Schmalseiten 38, 39 des
Spreizbandes 28 greifen in die Nuten 37 ein. Die
Nuten- oder Führungsanordnung 33 verbessert
die vom Spreizband 28 auf das Aktorglied 17 übertragbaren
Druckkräfte.
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Das
Spreizband 28 ist mit einem Gelenk 40 gelenkig,
insbesondere drehgelenkig, mit dem Kolben 18 verbunden.
Somit kann sich der Kolben 18 bzw. das Aktorglied 17 im
Bewegungsraum 16 drehen, ohne dass diese Drehbewegung auf
das Spreizband 28 übertragen
wird. Bei einer verdrehgesicherten Variante des Aktorgliedes 17 ist
das Gelenk 40 nicht unbedingt erforderlich.
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Die
Aufwickelspule 29 ist im Innern des Gehäuses 11 aufgenommen.
Sie befindet sich im Bewegungsraum 16 bzw. in der druckbeaufschlagten
Kammer 15 des Gehäuses 11,
so dass die erforderlichen Abdichtungsmaßnahmen einfach zu realisieren
sind. Das Gehäuse 11 kann
im Wesentlichen geschlossen sein bis auf die Öffnung für die Stange 26 sowie
für Anschlusskabel 41,
die zu einem Motor 42 im Innern der Aufwickelspule 29 führen.
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Auf
der dem Aktorglied 17 zugewandten Seite ist zweckmäßigerweise
der der Aufwickelspule 29 vorgelagerte Anschlag 50 für das Aktorglied 17 in dem
Bewegungsraum 16 angeordnet.
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Der
Motor 42 ist ein elektrischer Motor, mit dem die Aufwickelspule 29 rotatorisch
angetrieben werden kann. Der Motor 42 kann auch in einen
Generatorbetrieb umgeschaltet werden, so dass er insofern einen
Generator 43 bildet. Man kann den Motor/Generator 42, 43 auch
als eine elektrische Funktionseinheit 51 bezeichnen.
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Es
versteht sich, dass bei der elektrischen Funktionseinheit 51 nur
ein reiner Motorbetrieb oder ein ausschließlicher Generatorbetrieb denkbar
ist.
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Wenn
das Aktorglied 17 pneumatisch angetrieben wird, kann der
Generator 43 elektrische Energie erzeugen und für einen über die
Anschlusskabel 41 angeschlossenen elektrischen Verbraucher 44 bereit
stellen, beispielsweise einem Ventilantrieb zur Steuerung der Druckluft 19 und/oder
Sensoren, Bremsen oder dergleichen des Aktors 10.
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Besonders
bevorzugt ist jedoch der Motorbetrieb der Funktionseinheit 51 bzw.
des Motors 42, der beispielsweise ein elektrischer Schrittmotor
ist. Dann können
sowohl über
den Motor 42 als auch durch das pneumatische, auf den Kolben 18 wir kende
Antriebsprinzip Antriebskräfte
am Kraftabgriffselement 25, bzw. der Stange 26,
bereit gestellt werden. Der Aktor 10 ist dann Hybridantrieb.
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Der
Aktor 10 eignet sich für
Positionieraufgaben. Eine Positionserfassungseinrichtung 45,
beispielsweise ein elektrischer Inkrementalgeber, erfasst die Rotation
der Aufwickelspule 29 und übergibt ein Positions- und/oder
Geschwindigkeitssignal an eine nicht dargestellte Steuerung, beispielsweise über die
Anschlusskabel 41. Die Positionserfassungseinrichtung 45 ist
in die Aufwickelspule 29 integriert und beispielsweise
oberhalb des Motors 42 angeordnet. Zweckmäßigerweise
bildet die Positionserfassungseinrichtung 45 einen Bestandteil
des Motors 42.
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Die
elektrische Funktionseinheit 51 könnte in einer in der Zeichnung
nicht dargestellten Variante auch neben der Aufwickelspule 29 im
Innern des Gehäuses 11,
d. h. im druckbeaufschlagten Bereich angeordnet sein. Um auch dann
eine platzsparende Bauweise zu erzielen, könnte zwischen dem Motor/Generator
und der Aufwickelspule 29 ein Getriebe, insbesondere ein
Winkelgetriebe geschaltet sein.
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Neben
der oben beschriebenen integrierten Variante, bei der der Motor/Generator
einen im Innenraum des Gehäuses 11 angeordnet
ist, ist auch eine „externe" Variante möglich – als Alternative
zu der oben beschriebenen internen Variante oder in Kombination
hierzu: von der Aufwickelspule 29 führt beispielsweise ein Kraftabgriffselement 46 nach
außen
vor das Gehäuse 11.
Das Kraftabgriffselement 46 ist beispielsweise eine Drehwelle 47,
die mit der Aufwickelspule drehgekoppelt ist. Dreht sich die Aufwickelspule 29,
so dreht sich auch die Drehwelle 47. Die Drehwelle 47 treibt
eine elektrische Funktionsbaugruppe 48 an, die beispielsweise
einen Motor und/oder einen Generator und/oder eine Positionserfassungseinrichtung
in der Art des Motors 42, des Generators 43 sowie
der Positionserfassungseinrichtung 45 enthält.
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Die
Drehwelle 47 kann in einer in der Zeichnung nicht dargestellten
platzsparendenden Variante die elektrische Funktionsbaugruppe 48 über ein
Winkelgetriebe antreiben, so dass die Drehachse der Funktionsbaugruppe 48 beispielsweise
im wesentlichen in der Längserstreckungsrichtung 49 orientiert ist.
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Es
versteht sich, dass verschiedene mit der Aufwickelspule 29 drehgekoppelte
elektrische Funktionseinheiten innerhalb und außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet
sein können.
Beispielsweise wäre es
denkbar, dass die elektrische Funktionsbaugruppe 48 einen
Motor enthält,
die Positionserfassungseinrichtung 45 jedoch innerhalb
des Gehäuses 11, insbesondere
in oder an der Aufwickelspule 29 angeordnet ist.
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An
dem Aktorglied 17 kann auch ein Mitnehmer 52 angeordnet
sein, der durch einen in Längserstreckungsrichtung 49 orientierten,
nicht dargestellten Längsschlitz
am Gehäuse 11 vorsteht.
An dem Längsschlitz
ist vorteilhaft eine Dichtungsanordnung zum im wesentlichen druckdichten
Verschließen
der Kammer 15 vorgesehen.