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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anheben und Drehen eines
Arbeitsorgans einer Vorrichtung, insbesondere einer Flaschenabfüllanlage, mithilfe
eines Fluidzylinders, mit einem Kolben und einer Kolbenstange, die
das Arbeitsorgan trägt,
welcher Kolben auf der Mantelfläche
eine Führungsnut aufweist,
die eine achsparallele und eine in Umfangsrichtung gerichtete Komponente
besitzt, und mit einem radial zum Zylinder verschiebbaren Führungsbolzen,
der in der vorgeschobenen Stellung in die Führungsnut eingreift.
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Die
US-A 5,592,866 A zeigt
und beschreibt einen Antriebsmechanismus, der eine gradlinige, hin- und
hergehende Bewegung eines Kolbens in eine Drehbewegung in eine vorgegebene
Richtung umwandelt. Zu diesem Zweck ist auf dem Umfang des Kolbens
eine geschlossene Nut vorgesehen, in die vom Gehäuse ausgehendes Führungsglied
eingreift, die der Längsbewegung
des Kolbens eine Drehbewegung aufzwingt, genauer gesagt überlagert.
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Der
EP 0 085 169 B1 befasst
sich mit einem Schwenkspanner, insbesondere zum Festspannen von
Werkstücken
auf dem Tisch einer Werkzeugmaschine, mit einem Kolben innerhalb
eines Gehäuses, dessen
Kolbenstange einen Spannarm trägt,
der die Spannbewegung ausführt.
Auch hier wird die dem Kolben aufgezwungene Drehbewegung durch eine Führungsnut
mit einem Führungsbolzen
erreicht. Durch die Formung der Führungsnut wird sichergestellt,
dass die Drehbewegung nur in eine Richtung erfolgt. Dies geschieht
dadurch, dass bei Verzweigungen der Führungsbahn der Führungsbolzen
aufgrund der Richtungsstabilität
der Kolbenbewegung jeweils in einer geraden Passage der Führungsnut verbleibt.
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Die
Möglichkeit
einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Flaschenabfüllanlage
ist nur als Beispiel zu verstehen. Auch die hier geschilderte Wirkungsweise
des erfindungsgemäßen Hub-
und Drehantriebs von unten nach oben ist nicht einschränkend gemeint.
Andere Bewegungsrich tungen sind denkbar. Die Arbeitsrichtung von
unten nach oben soll zum Zweck der Vereinfachung der Beschreibung
vorwiegend zugrundegelegt werden.
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Im
Stand der Technik gibt es naturgemäß Beispiele für Antriebe,
die eine Hubbewegung mit einer Drehbewegung kombinieren. Ein unmittelbar
einschlägiger
Stand der Technik ist der Anmelderin jedoch derzeit nicht bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der obigen
Art zu schaffen, die ein sicheres, taktweises Anheben und Drehen
eines Arbeitsorgans sowie ein weitgehend spielfreies Halten des
Arbeitsorgans in der Arbeitsposition ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass
der Führungsbolzen
federnd in die Führungsnut vorgespannt
ist und dass die Führungsnut
Nutabschnitte unterschiedlicher Tiefe aufweist, derart, dass der
Führungsbolzen
an Verzweigungen der Nutabschnitte von einem flacheren Nutabschnitt
in einen tieferen Nutabschnitt überführbar ist,
nicht aber von einem tieferen Nutabschnitt in einen flachen Nutabschnitt.
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Durch
die Ausführung
der Führungsnuten
in unterschiedlicher Tiefe wird sichergestellt, dass der Führungsbolzen
bei Verzweigungen der Führungsnut stets
in die gewünschte,
eine größere Tiefe
aufweisende Führungsnut
einläuft.
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Dabei
wird das anzuhebende Arbeitsorgan vom Ende der aufwärts gerichteten
Kolbenstange angehoben und dabei zugleich in bestimmter Weise gedreht.
Die Drehung wird dadurch erreicht, dass der Kolben eine Verlängerung
bzw. einen Ansatz aufweist, auf dessen Mantelfläche sich Führungsnuten befinden, die zumindest
teilweise Richtungskomponenten aufweisen, die in Umfangsrichtung
gerichtet sind. Wenn ein derartiger Kolben angehoben wird und dabei
der Führungsbolzen
in die Führungsnut eingreift,
wird der Kolben zwangsläufig
in bestimmter Weise gedreht.
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Der
Führungsbolzen
ist vorzugsweise federnd in den Zylinder hinein vorgespannt. Der
Führungsbolzen
liegt vorzugsweise in einem zylindrischen Gehäuse, das radial an der Außenwand
der unteren Zylinderkammer des erfindungsgemäßen Fluidzylinders angebracht
ist. Der Führungsbolzen wird
in den Zylinder hinein durch eine Feder vorgespannt und kann aus
dem Zylinder hinausgedrückt werden
durch den in der unteren Zylinderkammer aufzubauenden Fluiddruck.
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Die
Führungsnut
weist vorzugsweise mehrere in Längsrichtung
des Ansatzes hin und her gehende Nutabschnitte auf, so dass der
Kolben bei einer Auf- und
Abbewegung beispielsweise in zwei Stufen jeweils 45°, also 90° zurücklegt.
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Am
Ende der Nutabschnitte sind Rastöffnungen
vorgesehen, in die der Führungsbolzen
eindringen kann, so dass der Kolben mit dem Ansatz in einer Stellung
gehalten wird, die beispielsweise einer Arbeitsposition des Arbeitsorgans
entspricht. Erst wenn in der unteren Zylinderkammer des Zylinders ein
Druck aufgebaut wird, der im weiteren Verlauf zum Anheben des Kolbens
und der Kolbenstange führt,
wird der Führungsbolzen
radial hinausgedrückt,
so dass er aus der Rastöffnung
austritt und den Kolben freigibt.
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Vorzugsweise
bilden der Kolben und der als Führung
dienende Ansatz des Kolbens eine zusammenhängende Einheit.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Kolbenstange mit einem inneren, konzentrischen
Kanal versehen, die in der unteren Ruhestellung des Kolbens eine
Verbindung zwischen den beiden Kammern des Zylindern herstellt und
damit beide Kammern über
die untere Zylinder-Kammer entlüftet.
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Vorzugsweise
ist der Führungsbolzen
am vorderen Ende abgeschrägt
oder leicht konisch ausgebildet, so dass er auch bei zunächst leicht
ungenauer Zuordnung von Kolben und Führungsbolzen in die Rastöffnung eintritt
und aufgrund der federnden Vorspannung, unter der der Führungsbolzen
steht, auf den Kolben eine Vorspannung in Richtung der vorgegebenen
Arbeitsposition ausübt.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
weist die Verbindung zwischen der Kolbenstange und dem Kolben eine
geringe Elastizität
in Längsrichtung
des Kolbens auf. Das hat ein Setzverhalten des federbelasteten Führungsbolzens
zur Folge. Die Federkraft der erwähnten Elastizität ist größer als
die Kraft der im verriegelten Zustand aufzunehmenden Belastungen.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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1 ist
ein Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Antriebszylinders;
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2 ist
eine entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 ist
eine entsprechende Längsschnitt-Darstellung
einer dritten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Zylinders.
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Die
Grundbestandteile des erfindungsgemäßen Antriebszylinders sind
ein Zylinder 10, ein Kolben 12 und eine mit dem
Kolben 12 verbundene Kolbenstange 14. Der Zylinder 10 ist
am oberen und unteren Ende durch Endstücke 16, 18 geschlossen. Zwischen
diesen Endstücken
bildet der Zylinder eine obere Kammer 20 und eine untere
Kammer 22. Am Übergang
von der oberen Kammer 20 zur unteren Kammer 22 bildet
die Zylinderwand eine Stufe 24, die eine untere Endstellung
für den
Kolben 12 bildet.
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Die
hier verwendeten Richtungsangaben, insbesondere oben und unten beziehen
sich auf die Darstellung in den drei Figuren der Zeichnung. In dieser
Stellung befindet sich auch der Zylinder in seiner normalen Arbeitsposition,
in der der Kolben nach oben verschoben wird und die Kolbenstange 14 nach oben
ausfährt
und einen nicht dargestellten Gegenstand anhebt. Grundsätzlich kann
die Zylinderanordnung jedoch in jede Richtung arbeiten. Die Bezugnahme
auf die räumliche
Darstellung in den drei Figuren der Zeichnung vereinfacht die folgende
Erläuterung
jedoch erheblich.
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Das
obere Endstück 16 wird
durch einen Druckluftanschluß 26 durchdrungen,
der in die obere Kammer 20 mündet. Der Druckluftanschluß 26 kann naturgemäß auch zum
Ablassen von Druckluft verwendet werden. Ebenso befindet sich im
unteren Endstück 18 ein
Druckluftanschluß 28.
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Der
Kolben 12 ist unmittelbar mit einem Ansatz 30 verbunden,
der sich an der Unterseite des Kolbens 12 befindet und
mit dem Kolben 12 einstückig
ausgebildet oder zumindest mit diesem fest verbunden ist. In der
abgesenkten Stellung des Kolbens 12 reicht der Ansatz 30 bis
zum Boden der unteren Kammer 22 über dem Endstück 18.
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Der
Kolben 12 weist in seiner mittleren Umfangslinie eine Nut
auf, in die eine Dichtung 32 eingelegt ist, so dass der
Kolben gegenüber
den Zylinderwänden
abgedichtet ist.
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Im
Inneren der Kolbenstange 14 befindet sich eine vom unteren
Ende der Kolbenstange aufsteigende konzentrische Bohrung 34.
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Diese
Bohrung endet in der abgesenkten Stellung des Kolbens gemäß 1 unmittelbar
oberhalb der oberen Kammer 20 in Höhe einer umlaufenden Nut 36 unmittelbar
oberhalb der oberen Kammer 20. In dieser Höhe durchläuft die
Kolbenstange 14 eine Radialbohrung 38. Diese Radialbohrung 38 verbindet
in der abgesenkten Stellung des Kolbens und der Kolbenstange 14 das
Innere der oberen Kammer 20 mit der konzentrischen inneren
Bohrung 34 in der Kolbenstange und über diese Bohrung die obere Kammer 20 mit
der unteren Kammer 22. Diese Verbindung wird unterbrochen,
sobald der Kolben 12 geringfügig aus seiner unteren Stellung
angestiegen ist, da nunmehr die umlaufende Nut 36 im Umfang
der Kolbenstange nach oben wandert und eine umlaufende Dichtung 40 im
oberen Endstück
die Kolbenstange aufnimmt und abdichtet.
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Zu
erwähnen
ist noch, dass das obere Endstück 16 in
einem im wesentlichen scheibenförmigen unteren
Teil 42, der den Zylinder abschließt, einen mit Aussengewinde
versehenen, den scheibenförmigen Abschnitt 52 verlängernden
Abschnitt 44 aufweist, der zur Befestigung an einem anderen
Bauteil oder zur Befestigung dieses Bauteils an der beschriebenen
Antriebsvorrichtung dient.
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An
der äußeren Wand
des Zylinders 10 ist in Höhe der unteren Kammer 22 ein
Gehäuse 46 befestigt,
in dem sich unter anderem eine Verschiebebahn eines Führungsbolzens 48 befindet.
Die Verschiebebahn dieses Führungsbolzens 48 ist
als Zylinder ausgebildet. Sie trägt
die Bezugsziffer 50. Der Führungsbolzen 48 wird
in nicht gezeigter Weise federnd nach außen, das heißt nach
links in 1 vorgespannt. Im übrigen ist
der Innenraum des Gehäuses 46 gegenüber dem
Innenraum der unteren Kammer 22 offen. Ein in der unteren
Kammer befindlicher Fluiddruck ist daher in der Lage, den Führungsbolzen 48 entgegen der
erwähnten
Federkraft nach rechts in der Zeichnung zurückzudrücken.
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In
dem Gehäuse 46 ist
im übrigen
ein Endschalter 52 untergebracht, der meldet, ob sich der Führungsbolzen 48 in
der zurückgezogenen
Stellung oder in der ausgefahrenen Stellung befindet. Der Endschalter 52 ist über eine
Leitung 54 mit einem Anzeigeorgan oder einer Steuereinrichtung
verbunden.
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Der
Ansatz 30 des Kolbens 12, der mit diesem fest
verbunden oder sogar einstückig
ausgebildet ist, ist in seiner Grundform ein langgestreckter, nach
unten gerichteter Zylinder. Auf der Außenfläche dieses Zylinders befinden
sich Führungsnuten 56, 58,
die mit dem erwähnten
Führungsbolzen 48 in
einer Art und Weise zusammenwirken, wie anschließend erläutert werden soll.
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Jeweils
zwei nebeneinanderliegende Führungsnuten 56, 58 bewirken
auf dem Umfang des Ansatzes einen Versatz von ca. 90°. Die Führungsnuten laufen
auf dem zylindrischen Ansatz aufwärts und abwärts, jedoch nicht in achsparallelen
Linien, sondern in Linien mit achsparallelem Komponentenanteil und in
Umfangsrichtung gerichteten Komponentenanteil. Es entstehen dabei
bogenförmige
Linien, wie sie in 1 zumindest angedeutet sind.
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Der
Verlauf dieser Linien ist nicht festgelegt und richtet sich nach
den Bedürfnissen
des Einzelfalles. Es ist beispielsweise möglich, Linien zu verwenden,
die zunächst
achsparallel und erst im weiteren Verlauf auch in Umfangsrichtung
verlaufen.
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Im übrigen weisen
die Führungsnuten 56, 58 insofern
eine Besonderheit auf, als sie um den Umfang des Ansatzes 30 herum
gewissermaßen
eine Einbahnstrasse für
den Führungsbolzen 48 bilden. Dies
geschieht dadurch, dass an den Verzweigungen des Nutsystems stets
eine Alternative der sich verzweigenden Bahnen tiefer gefräst ist als
die anderen. Der Führungsbolzen 48 läuft daher
immer einen eindeutigen Weg von einer flacheren Nut in eine tiefer gefräste Nut.
Da der Führungsbolzen 48 federnd
vorgespannt ist, dringt er in allen Verzweigungen stets selbstätig in die
tiefere der Nuten ein. Auf diese Weise läßt sich über den gesamten Umfang erreichen, dass
der Führungsbolzen 48 stets
von einer Nut in die nächste
Nut übergeht.
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1 zeigt
eine Situation, in der die beiden zusammenlaufenden Führungsnuten 58, 60 in
einer oberen Position zusammenlaufen, in der eine Rastöffnung 62 für den Führungsbolzen 48 gebildet
wird. Diese Rastöffnung
ist tiefer als die Nuten und läßt den Führungsbolzen 48 weiter
eindringen. Aus dieser Rastöffnung 58 kann
der Führungsbolzen 48 nicht
in eine der angrenzenden, in jedem Fall flacheren Nuten übergehen,
sondern nur, wenn er durch den Fluiddruck in der unteren Kammer 62 zurückgedrückt wird.
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Im
Hintergrund der Rastöffnung 62 ist
in der Zeichnung gestrichelt angedeutet, dass hier eine Verbindung
zwischen dem Ansatz und der den Ansatz 30 durchlaufenden
Kolbenstange 14 vorgesehen ist.
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Im
oberen Bereich des Ansatzes wird der Ansatz radial durch eine Bohrung 64 durchlaufen,
die einen nicht gezeigten Arretierungsstift zur Festlegung von Ansatz
und Kolbenstange 14 aufnimmt.
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2 stimmt
mit 1 sehr weitgehend überein, so dass es für die weitere
Beschreibung ausreicht, hier nur die Unterschiede zwischen beiden Figuren
wiederzugeben.
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Dieser
Unterschied besteht lediglich darin, dass der Führungsbolzen 148 in
seinem vorderen Endbereich eine Abschrägung 66 aufweist.
Aufgrund dieser Abschrägung
zwängt
sich gewissermaßen
der Führungsbolzen 148 auch
dann in eine der Rastöffnungen 62 hinein,
wenn die gegenseitige Position des Ansatzes und des Führungsbolzens 148 in Längsrichtung
der Kolbenbewegung ungenau ist. Durch die Federvorspannung, mit
der der Führungsbolzen 148 beaufschlagt
wird, wird dieser Vorgang unterstützt.
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Auch 3 unterscheidet
sich nur in Einzelheiten von der Ausführungsform gemäß 1.
Diese Unterschiede beruhen darauf, dass zwischen dem Kolben 12 und
der Kolbenstange 14 in Längsrichtung eine gewisse Elastizität besteht,
durch die ein gewisses Spiel ermöglicht
wird. Der Kolben 12 und der an diesen angrenzende Ansatz 30 weisen
von oben her im Umfang der Kolbenstange 14 eine Eindrehung 68 auf.
In dieser Eindrehung befindet sich eine nicht gezeigte Druckfeder
oder auch ein elastomeres Kunststoffteil 70. Nach oben
ist die Eindrehung durch einen auf den Umfang der Kolbenstange durch
eine Verschlußmutter 72 verschlossen.
Nach unten stützt sich
das elastische Teil, beispielsweise ein elastomeres Kunststoffteil 70 auf
einem Stützring 74 ab,
der sich seinerseits auf einem Bolzen 76 abstützt.
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Bei
diesem Aufbau ist die durch das Kunststoffteil 70 gebildete
Feder bestrebt, die Kolbenstange 14 in bezug auf den Kolben 12 nach
oben in der Zeichnung zu drücken,
wie durch das Spiel zwischen dem Bolzen 76 und der Bohrung 64 in 3 angedeutet
wird. Durch diese Elastizität
wird etwaiges Spiel in der Anordnung aufgenommen. Die Vorspannkraft
des Kunststoffteils 70 ist in jedem Fall größer als
Kräfte
sein können,
die in der Vorrichtung wirksam werden und eine Spielbewegung hervorrufen
könnten.