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Gattung
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Die
Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit (Arbeitszylinder)
zum Spannen, und/oder Pressen, und/oder Fügen, und/oder Stanzen, und/oder
Prägen,
und/oder Lochen und/oder Schweißen,
zum Beispiel unter Zwischenschaltung einer Kniehebelgelenkanordnung.
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Stand der Technik
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Kolben-Zylinder-Einheiten
werden verkürzt in
der Industrie als „Arbeitszylinder" bezeichnet. Wenn
nachfolgend der Begriff „Arbeitszylinder" verwendet wird,
so wird darunter also nicht nur ein Zylinder, sondern eine funktionsfähige Antriebseinheit
aus mindestens einem Zylinder und wenigstens einem darin längsverschieblich
und dichtend geführten
Kolben mit auf einer Seite des betreffenden Kolbens angeordneter
Kolbenstange verstanden, die aus dem betreffenden Zylinderraum vorzugsweise
abgedichtet herausgeführt
ist und Vorrichtungen, vornehmlich zum Spannen, und/oder Pressen,
und/oder Fügen, und/oder
Stanzen, und/oder Prägen,
und/oder Lochen und/oder Schweißen,
antreibt. Bei derartigen Vorrichtungen treibt z. B. die Kolbenstange
oftmals unter Zwischenschaltung wenigstens eines Kniehebelgelenkes
andere Vorrichtungsteile, zum Beispiel einen Spannarm, der mit einem
Widerlager (Kiefer) zusammenwirkt, oder einen Spreizdorn, oder einen Zentrierdorn,
oder eine Fügevorrichtung
oder einen Prägestempel,
ein Vorrichtungsteil zum Lochen, oder auch Vorrichtungsteile, zum
Beispiel unter Zwischenschaltung eines Kniehebelgelenkes, betätigbare Schweißelektroden,
an.
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Vorrichtungen
zum Spannen, Pressen, Fügen,
Stanzen, Prägen,
Lochen und Schweigen, werden in großer Vielfalt zum Beispiel im
Karosseriebau der Kfz-Industrie eingesetzt. Spannvorrichtungen sind
oftmals als sogenannte „Kniehebelspannvorrichtungen" ausgebildet und
halten Karosseriebleche bis zu ihrer dauerhaften Verbindung durch
Punktschweißen,
Kleben, Clinchen oder dergleichen in Position, während andere Vorrichtungen,
zum Beispiel solche als Unterbodenspanner dienen und einen Zentrierdorn
unter Zwischenschaltung eines Gelenkgetriebes, z. B. eines Parallelogrammgetriebes,
antreiben, um mehrere Bleche zueinander auszurichten und zu zentrieren.
Beispiele hierfür
sind unter anderem zu finden in den Katalogen der Firma Tünkers Maschinenbau
GmbH „Produktionsprogramm", „Spanntechnik
für professionelle
Serienfertigung", „Spannsysteme,
Handling, Umformtechnik, Stanzen, Bördeln, Druckfügen, Prägen" sowie in den Patentschriften
DE 196 16 441 C1 ,
DE 198 24 579 C1 und
DE 199 30 990 C1 .
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Bei
all diesen Verfahren, Steuerungssystemen, Arbeitszylindern und Vorrichtungen
wird die volle Druckkraft erst auf dem letzten Teil des Arbeitshubes
benötigt.
Dies bedingt, dass für
90 Prozent und mehr des Anstellhubes des betreffenden Kolbens mit seiner
Kolbenstange – Leerhub – nur eine
geringe Kraft, zum Beispiel zum Überwinden
der Reibung und gewisser Massenträgheits- und Gewichtskräfte, notwendig
ist. Die Versorgung mit unter Druck stehendem Fluid, zum Beispiel
Hydraulikflüssigkeit
oder Druckluft und damit die Pumpleistung und deren Antriebsenergie
wird jedoch beim Stand der Technik für den gesamten Hub des zugeordneten
Kolbens mit Kolbenstange, zum Beispiel Kniehebelgelenk und dergleichen,
benötigt,
was bedeutet, dass ständig der
größte Teil
der Antriebsenergie verloren geht.
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Die
DE 102 60 138 A1 betrifft
einen programmierbaren Linearantrieb, umfassend einen doppelwirkenden,
mit einem Arbeitskolben ausgestatteten Pneumatikzylinder und einer
programmierbaren Druckregeleinheit, umfassend mindestens ein Mehrwegeventil
zur Druckmittelbeaufschlagung des Pneumatikzylinders, mindestens
einen Sensor zur Messwerterfassung, sowie eine in einem Elektronikgehäuse befindliche
Ansteuerelektronik zur Ansteuerung des Mehrwegeventils. Die Druckregeleinheit weist
mindestens zwei voneinander unabhängige Regelkreise zur Druckmittelbeaufschlagung
zweier durch den Arbeitskolben getrennter Arbeitsräume des
Pneumatikzylinders auf, um eine stufenlose Bewegung des Arbeitskolbens
zu realisieren, wobei die Regelkreise über mindestens zwei unabhängige Mehrwegeventile
die Druckmittelbeaufschlagung regeln. Die Ansteuerelektronik der
Druckregelung besitzt einen übergeordneten
Mikroprozessor sowie eine programmierbare Speichereinheit zur Programmierung
des Linearantriebes. Die Ansteuerelektronik weist Mittel zur Wahl
der Betriebsart des Linearantriebes auf, wobei die Betriebsarten
Weg-, Geschwindigkeits- und/oder Druckregelung wählbar sind. Der Sensor der
Druckregeleinheit ist als ein Weg-, Kraft- und/oder Geschwindigkeitsmess-Sensor
zur Erfassung des entsprechenden Ist-Wertes des Arbeitskolbens ausgebildet.
Die Vorrichtung kann in einer Schweißzange zum Schweißen von
Bauteilen dienen. Die Vorveröffentlichung
umfasst auch ein Verfahren zum Ansteuern eines programmierbaren
Linearantriebes zum Ansteuern eines Schweißzylinders, wobei ein Verfahrenszyklus
variable Kolbenpositionen, variable Geschwindigkeitsverläufe und/oder
variable Zylinderdrücke
aufweist. Der in einem ersten Arbeitsraum beaufschlagte Druck und
der in einem zweiten Arbeitsraum beaufschlagte Druck werden von
getrennten Regelkreisen geregelt, wobei der Druck in einer der beiden
Arbeitsräume
während
des gesamten Verfahrens konstant gehalten wird. Ein Verfahren zum
Ansteuern eines derartig programmierbaren vorbekannten Linearantriebes
umfasst folgende Schritte: Aufsetzen der Schweißelektronen auf die zu schweißenden Bauteile,
Vorspannen der Bauteile, Schweißen
der Bauteile mit anschließendem Öffnen, wobei
bei der Regelung zwischen mehreren Betriebsarten umfassend Positionsregelungen, Geschwindigkeitsregelungen
und Kraftregelungen gewählt
wird. Innerhalb eines Verfahrenszyklus kann zwischen den verschiedenen
Betriebsarten gewechselt werden. Zum Beispiel wird der Verfahrensschritt „Aufsetzen" mittels Positionsregelung
geregelt, während
der Verfahrensschritt „Vorspannen" mittels Geschwindigkeitsregelung
geregelt wird, während
der Verfahrensschritt „Schweißen" mittels Kraftregelung geregelt
wird.
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Aus
der
DE 10 2004
034 280 A1 ist ein Selbststeuer-Eilgangzylinder vorbekannt,
der folgende Merkmale aufweist: Ein Kolben mit Kolbenstange ist
in einem Zylindergehäuse
mit zwei Bohrungen zum Ein- bzw. Auslass von Fluid in seine Zylinderräume, Bodenseite
bzw. Stangenseite angeordnet; verbunden mit dem Zylindergehäuse ist
ein Ventilgehäuse
mit integriertem Ventilschieber, den die Feder in Ausgangsstellung
hält, der
beim Zuführung
von Fluid über
den Anschluss, Bodenseite, in den Zylinderraum, sobald die Kolbenstange
aus dem Zylindergehäuse
ausfährt,
das aus dem Zylinderraum, Stangenseite verdrängte Fluid zusätzlich in
den Zylinderraum leitet, so dass die Kolbenstange im Eilgang ausfährt; wirkt
an der Kolbenstange eine Kraft entgegen der Ausfahrrichtung, so
steigt der Druck im Zylinderraum, dieser drückt den Ventilschieber in Richtung
Feder, so dass das aus dem Zylinderraum fließende Fluid quasi drucklos über den
Anschluss abgeleitet wird und der Kolben mit seiner Kolbenfläche seine
ganze Ausfahrkraft entwickelt „Krafthub"; fällt die
Gegenkraft unter einen definierten Wert, so sinkt der Druck im Zylinderraum,
die Feder drückt
den Ventilschieber wieder in seine Ausgangsstellung zurück, das
vom Zylinderraum rückströmende Fluid
wird wieder zusätzlich
dem Zylinderraum zugeführt
und der Kolben mit Kolbenstange fährt wieder im Eilgang. Mithin
betrifft diese Vorveröffentlichung
einen doppelwirkenden Fluidarbeitszylinder, der beim Ausfahren mittels integrierten
Steuerventils belastungsabhängig
zwischen Eilhub und Krafthub umschaltet, beispielsweise für einen
Schneid-, Spalt- oder Pressvorgang.
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Aus
der
DE 297 00 887
U1 ist eine Vorrichtung zum Ausübung hoher Drücke beim
Nieten, Ausklinken, Lochen, Fügen,
Stanzen, Clinchen, Pressen, Biegen oder dergleichen, mit einem mit
einer Luft-/Ölpumpe,
vorbekannt, der eine Zwischenkolbeneinheit als Eilgang und der ein
mit dem Werkzeug über
eine Kolbenstange gekuppelte Arbeitskolben nachgeschaltet ist, wobei
dem Arbeitskolben eine von der Zwischenkolbeneinheit und der Luft-/Ölpumpe einseitig
mit Hydrauliköl
beaufschlagbare Arbeitsseite zugeordnet ist, wobei die Luft-/Ölpumpe,
die Zwischenkolbeneinheit und eine Hubzylindereinheit einstückig zu
einer einstückigen
Baueinheit miteinander verbunden und koaxial hintereinander angeordnet sind.
Diese Vorrichtung besitzt einen Schnellgang. Zwischenkolbeneinheit
und Luft-/Ölpumpe arbeiten von
Anfang an. Trifft das Werkzeug, zum Beispiel ein Präge- und
Lochstempel, auf einen Widerstand und führt den Arbeitshub aus, zum
Beispiel zum Clinchen, erfolgt eine Druckerhöhung verzögerungslos. Der Druckübersetzer
arbeitet über
ein im geschlossenen Kreislauf arbeitendes Hydrauliksystem und wirkt
auf den Arbeitskolben ein, so dass der Hub des Arbeitskolbens an
sich beliebig groß sein
kann. Druckübersetzer
und Arbeitskolben sind Drehteile, was auch für die mit dem Arbeitskolben
verbundene Kobenstange gilt, mit der das jeweilige Werkzeug, zum
Beispiel ein Prägestempel,
verbunden ist.
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Aus
der
DE 10 2004
063 463 B3 ist ein Verfahren zur Einstellung eines Gewichtsausgleich
von Elektrodenarmen einer Schweißvorrichtung mit wenigstens
einer Schweißdruckzylindereinheit
und mit wenigstens einer doppelwirkenden Ausgleichzylindereinheit
vorbekannt, welche eine Kolbenanordnung und mindesten zwei durch
diese Kolbenanordnung abgeteilte Druckräume aufweist, die über eine Ventilanordnung
zur Steuerung einer Antriebsbewegung wahlweise mit einem Druckmedium
beaufschlagt werden, wobei die Ventilanordnung ein Proportionalventil
umfasst, das von einer Steuereinrichtung abhängig von einem die Position
der Kolbenanordnung repräsentierenden
Wegsignal und/oder von zwei jeweils den Druck in den Druckräumen repräsentierenden
Drucksignalen angesteuert wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
In einer Arbeitsstellung der Schweißvorrichtung Ansteuern des
Proportionalventils in Abhängigkeit
von dem Wegsignal, derart, dass die Kolbenanordnung in eine vorgebbare Position
verfährt;
Ermitteln der sich in dieser Position ergebenden Drücke in den
Druckräumen
und Speichern der zugehörigen
Drucksignale in der Steuereinrichtung; kontinuierliches Erfassen
der jeweils den Drücken
in den Druckräumen
entsprechenden Drucksignale, Vergleichen mit den gespeicherten Drucksignalen
und Ansteuern der Proportionalventils in Abhängigkeit von dem Vergleich,
derart, dass die aus den Drücken
in den beiden Druckräumen
resultierende Kraft der Kolbenanordnung bei einer Betätigung der
Schweißdruckzylindereinheit
konstant gehalten wird. Die Vorveröffentlichung umfasst auch eine
Ausgleichszylindereinheit als Antrieb für derartige Elektrodenarme
einer Schweißvorrichtung
mit mindestens zwei durch eine Kolbenanordnung unterteilte Druckräume, die über eine
Ventilanordnung zur Steuerung der Antriebsbewegung wahlweise mit
einem Druckmedium beaufschlagbar sind, wobei die Ventilanordnung
ein Proportionalventil umfasst, das von einer Steuereinheit zunächst unabhängig von aufeinander
abgestimmten, die Position der Kolbenanordnung repräsentierenden
Wegsignalen und sodann von jeweils den Druck in den Druckräumen repräsentierenden
Drucksignalen so ansteuerbar ist, dass die Differenz der sich in
den Druckräumen
einstellenden Drücke
in einer vorgebbaren Position der Kolbenanordnung einen eine Gewichtsausgleichskraft
wenigstens eines Elektrodenarmes repräsentierenden konstanten Wert
einnimmt.
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Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Kolben-Zylinder-Einheit (Arbeitszylinder)
für Vorrichtungsteile
zum Spannen, und/oder Pressen, und/oder Fügen, und/oder Stanzen, und/oder
Prägen,
und/oder Lochen und/oder Schweißen,
zum Beispiel unter Zwischenschaltung einer Kniehebelgelenkanordnung,
insbesondere auch für Kniehebelspannvorrichtungen,
zu schaffen.
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Lösung
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Die
Aufgabe wird durch die Gegenstände
der unabhängigen
Patentansprüche
1 bis 3 gelöst.
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Einige Vorteile
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Um
die unterschiedlichen Druckkräfte
während
des Leerhubes und des Krafthubes analog der Leistung, insbesondere
Literleistung der Luftmenge oder Hydraulikmenge anzupassen, wird
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Arbeitszylinder während
des Leerhubes beiderseits des Kolbens mit Druckmedium beaufschlagt,
so dass beim Leerhub (Anstellhub) nur die Differenzkraft in Richtung
des Arbeitshubes wirksam wird, die sich aus der Differenz zwischen
der durch den Fluiddruck beaufschlagten Kolbenfläche und der gegenüberliegenden
Seite der Kolben-Ringfläche
ergibt. Fluid- und insbesondere Energieverbrauch für die Pumpe
und dessen Antriebsmotor, insbesondere Druckluft- und Hydraulikflüssigkeitsverbrauch,
werden dadurch erheblich, zum Beispiel um 50%, reduziert.
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Für die Einleitung
des eigentlichen Krafthubes (Arbeitshubes) wird die Kolbenringseite
druckentlastet, während
die Kolbenfläche
durch Druckmitteldruck beaufschlagt bleibt. Die Fluiddruckkraft
kann sich dadurch entwickeln und zum Beispiel den Spannarm einer
Kniehebelspannvorrichtung, oder eine Pressvorrichtung, eine Fügevorrichtung,
ein Stanzteil, ein Vorrichtungsteil zum Prägen oder Lochen, oder Schweißbacken,
zum Beispiel unter Zwischenschaltung eines Kniehebelgelenks, beaufschlagen.
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Eine
Steuerung der Druckmittelbeaufschlagung kann entweder weg- oder
druckabhängig
erfolgen. Zum Beispiel wird für
die Einleitung des Krafthubes durch den Kolben ein Ventil, zum Beispiel
ein Kolbenschieber, betätigt,
wodurch die Kolbenringseite druckentlastet wird und die Kolbenfläche durch den
vollen Fluiddruck beaufschlagt bleibt. Dadurch kann sich die volle
Druckkraft in Arbeitsrichtung entfalten, um zum Beispiel zu einer
Kniehebelspannvorrichtung oder einer Vorrichtung zum Pressen, Fügen, Stanzen,
Prägen,
Lochen oder Schweißen,
vornehmlich unter Zwischenschaltung eines Kniehebelgelenks, wirken
zu können.
Das Einfahren der Kolbenstange und damit die Zurückbewegung des zugeordneten
Kolbens erfolgt durch die Druckbeaufschlagung der Kolbenringseite
durch das bereits vorher umgesteuerte Ventil.
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Die
Steuerungsteile des Steuerungssystems, zum Beispiel Kolbenschieber
und Kanäle,
lassen sich im Zylinderdeckel oder mit Zylinderboden, bedarfsweise
auch in Seitenwandungen des Zylinders, ganz oder teilweise integrieren,
wodurch sich die Bauabmessungen der bisher üblichen Vorrichtungen solcher
Art wie sie zum Spannen, Pressen, Fügen, Stanzen, Prägen, Lochen
oder Schweißen,
vornehmlich unter Verwendung von Kniehebeln, im Karosseriebau der
Kfz-Industrie, benötigt
werden, nicht vergrößern, so
dass die bisher zum Beispiel in der Automobilindustrie vorhandenen
Normen hinsichtlich der Außenabmessungen
erhalten bleiben. Die Anordnung kann sowohl bei kreisrunden Zylindern
vorgenommen werden, wie bei sogenannten flachen (rechteckigen),
und auch bei ovalen oder flachovalen Zylindern.
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Erfindungsgemäß ausgestaltete
Arbeitszylinder lassen sich mit großem Vorteil insbesondere in der
Automobilindustrie vielfältig
anwenden, zum Beispiel in Vorrichtungen zum Spannen, Pressen, Fügen, Stanzen,
Prägen,
Lochen und Schweißen
im Karosseriebau der Kfz-Industrie. Bestehende Fertigungsstraßen können ohne
bauliche Veränderungen mit
derartigen Arbeitszylindern, wie sie Gegenstand der Erfindung sind,
versehen werden, wodurch sich die Energiekosten zum Betreiben solcher
Fertigungsstraßen
ganz erheblich verringern lassen.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass ein Arbeitszylinder dafür verwendet wird, dass die
Kolbenstange ein Ventil, zum Beispiel einen Kolbenschieber mit Beendigung
des Leerhubes (Anstellhubes) derart steuert, dass der volle Druckmitteldruck
auf die kraftwirksame Kolbenseite einwirkt. Arbeitszylinder, die solchermaßen ausgebildet
sind, lassen sich mit besonderem Vorteil in sogenannten Kniehebelspannvorrichtungen
im Karosseriebau der Kfz-Industrie verwenden.
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Erfinderische Ausgestaltung
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Erfinderische
Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 4 bis 9 beschrieben.
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Einige Vorteile
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Patentanspruch
4 beschreibt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, bei welcher eine
lösbare
Kupplung vorgesehen ist, die während
des Leerhubs keine Verbindung zwischen Kolbenstange und Ventil herstellt,
aber mit Beendigung des Leerhubes (Einstellhub) automatisch wirksam
wird und das Ventil derart steuert, dass der Druckmitteldruck voll
auf die kraftwirksame Kolbenseite einwirkt.
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Hierfür beschreibt
auch Patentanspruch 5 eine weitere vorteilhafte Lösung.
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Die
Ausführungen
nach den Patentansprüchen
6 bis 9 eignen sich mit besonderem Vorteil bei solchen Vorrichtungen,
bei denen Kniehebelgelenkanordnungen vorgesehen sind, zum Beispiel
für Kniehebelspannvorrichtungen,
und mit über
Kniehebelgelenke angetriebene Punktschweißvorrichtungen, Stanz- und
Füge- sowie Prägevorrichtungen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen
der Zeichnungen, in der die Erfindung – teils schematisch – an mehreren
Ausführungsbeispielen
veranschaulicht ist. Es zeigen:
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1 einen
Arbeitszylinder, wobei sich der Kolben mit der Kolbenstange in einer
Zwischenstellung des Leerhubes in Pfeilrichtung Y befindet, im Axiallängsschnitt;
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2 den
aus 1 ersichtlichen Arbeitszylinder in Endstellung
des Arbeitshubes (Krafthub), im Längsschnitt;
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3 eine
Kniehebelspannvorrichtung im Längsschnitt
mit einem Arbeitszylinder gemäß der Erfindung;
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4 eine
weitere Ausführungsform
eines Arbeitszylinders mit einer externen Steuerungsvorrichtung,
teils im Längsschnitt,
mit einer Abfragevorrichtung;
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5 eine
weitere Ausführungsform,
teils im Längsschnitt;
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6 eine
Kniehebelspannvorrichtung mit einem Arbeitszylinder gemäß der Erfindung
beim Krafthub (Spannen), Endstellung, teils im Axiallängsschnitt,
teils in der Ansicht;
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7 die
aus 6 ersichtliche Kniehebelspannvorrichtung in Offenstellung
(Kolben), wobei sich der Kolben in der entgegengesetzten Endstellung
nach Beendigung des Öffnungshubes
befindet und
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8 die
aus den 6 und 7 ersichtliche
Kniehebelspannvorrichtung beim Ausführen des Anstellhubes (Leerhub),
wobei sich der Kolben in einer Zwischenstellung befindet.
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In
der Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder
bezeichnet, der einen Zylinderboden 2 und einen Zylinderdeckel 3 aufweist.
Zylinderboden und/oder Zylinderdeckel können durch Schrauben (nicht
dargestellt) mit dem eigentlichen Zylinder 1 lösbar und
auswechselbar verbunden sein.
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In
dem Zylinder 1 ist ein Kolben 4 in Längsachsrichtung
in entgegengesetzten Richtungen, also in Richtung X bzw. Y durch
ein Dichtungselement 5 abgedichtet hubbeweglich angeordnet.
Auf einer Seite ist dem Kolben 4 eine Kolbenstange 6 zugeordnet, über die
geeignete Vorrichtungsteile zum Spannen 7, zum Pressen,
Fügen,
Stanzen, Prägen, Lochen
oder Schweißen,
angetrieben werden. Diese Vorrichtungsteile 7 oder dergleichen
sind in den 1 und 2 lediglich
schematisch angedeutet. Zwischen diesen Vorrichtungsteilen 7 kann
auch eine Kniehebelgelenkanordnung angeordnet sein wie sie in 5 dargestellt
und insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist. Das
Vorrichtungsteil 7 wird in 5 durch
einen Spannarm dargestellt, der mit anderen Vorrichtungsteilen,
zum Beispiel mit einem nicht dargestellten Widerlager, auch Kiefer
genannt, zusammenwirkt. Der grundsätzliche Aufbau derartiger Vorrichtungen
zum Spannen, zum Beispiel Kniehebelspannvorrichtungen, zum Pressen,
Fügen, Stanzen,
Prägen,
Lochen und Schweißen
ist Stand der Technik und soll aus Gründen der Vereinfachung hier
nicht beschrieben werden. Vorrichtungen dieser Art können aus
den im beigefügten
Literaturverzeichnis ersichtlichen Druckschriften entnommen werden, wie
sie auch in der Beschreibungseinleitung dieser Patentanmeldung beschrieben
sind.
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Bei
sämtlichen
Ausführungsformen
wie sie aus der Zeichnung ersichtlich sind, kann der Zylinder 1 in
einen orthogonal zu seiner Längsachse
geführten Querschnitt
kreisrund, aber auch oval, rechteckig, flachoval oder sonst wie
gestaltet sein.
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Bei
der Ausführungsform
nach 1 und 2 befindet sich in der einen
Zylinderwand 9 ein Längskanal 10,
der an dem dem Zylinderdeckel 3 zugekehrten Endabschnitt
fluidleitend mit einem Querkanal 11 verbunden ist, der
einenends in den Arbeitszylinderraum 12 und an seinem anderen
Ende aus dem Arbeitszylinderraum 12 ausmündet und
hier an ein nicht gezeichnetes Steuerungssystem für eine geeignete
Fluidzu- und -ableitung bzw. Entlüftung angeschlossen ist. Dieses
Fluid kann Hydraulikflüssigkeit,
Druckluft oder eine Quasiflüssigkeit
sein wie sie beim Betreiben von Arbeitszylindern zur Anwendung kommt.
Im Karosseriebau der Kfz-Industrie
wird man vornehmlich Druckluft verwenden, da diese überall in den
Betrieben und insbesondere in Fertigungsstraßen zur Verfügung steht,
was aber zur Verwirklichung der Erfindung nicht unbedingt erforderlich
ist.
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Im
Abstand von seinem anderen Ende ist der Längskanal 10 mit einem
im Zylinderboden 2 angeordneten Abzweigkanal 13 fluidleitend
verbunden, während
der Längskanal 10 an
seinem Ende außerdem
in fluidleitender Verbindung mit einem Kanalabschnitt 14 fluidleitend
verbunden ist, der in eine Kammer 15 fluidleitend ausmündet.
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Im
Zylinderboden ist ein weiterer Kanal 16 angeordnet, der
in eine zylindrische Bohrung 17 ausmündet. An diesen Kanal 16 schließt sich
ein Kammerkanal 18 an, der an einem Ende fluidleitend mit dem
Kanal 16 und an dem anderen Ende in die Kammer 15 ausmündet.
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In
der Bohrung 17 ist ein Kolbenschieber 19 längsverschieblich
und dichtend geführt,
der mit einem gewissen Längenabschnitt
in den Zylinderrückhubraum 21 hineinragt
und in der Kammer 15 mit einem Kolben 20 längsverschieblich
und dichtend geführt
ist. Die Kammer 15 wird dadurch in zwei Zylinderräume unterteilt,
wobei in den einen Zylinderraum 22 der Kammerkanal 18 fluidleitend
ausmündet, während in
den Zylinderraum 23 der Kanalabschnitt 14 fluidleitend
ausmündet.
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Der
Kolbenschieber 19 weist einen Längskanal 24 auf, der
sich bei der dargestellten Ausführung koaxial
zu der Längsachse
des Kolbenschiebers 19 über
einen Teil seiner Länge
erstreckt und einen orthogonal zur Längsachse verlaufenden fluidleitenden,
an den Längskanal 24 angeschlossenen
Zweigkanal 25 aufweist.
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Der
aus den 1 und 2 ersichtliche
Arbeitszylinder ist bei der aus 3 ersichtlichen
Kniehebelspannvorrichtung eingebaut. Die Wirkungsweise des aus den 1 und 2 sowie 3 ersichtlichen
Arbeitszylinders ist folgende:
Bei der aus 1 ersichtlichen
Stellung ist der Querkanal 11 an eine nicht dargestellte
Fluidquelle angeschlossen, die unter Druck stehendes Fluid, zum
Beispiel Druckluft, liefert. Dadurch wird der Arbeitszylinderraum 12 mit
Druckmitteldruck über
den Längskanal 10,
den Abzweigkanal 13, den Abzweigkanal 13 sowie
den Zweigkanal 25 und den Längskanal 24 im Kolbenschieber 19 auch
an den Zylinderrückhubraum 21 mit
demselben Druckmitteldruck beaufschlagt. Das bedeutet, dass sowohl
der Arbeitszylinderraum 12 als auch der Zylinderrückhubraum 21 durch
das unter Druck stehende Fluid gleichzeitig beaufschlagt sind. Dadurch
wirkt der Fluiddruck von beiden Seiten auf den Kolben 4 ein.
Da aber der Fluiddruck auf der Seite, auf der sich die Kolbenstange 6 befindet,
eine geringere Fläche,
eben nur die Ringfläche,
beaufschlagt, ergibt sich eine in Richtung Y, also in Arbeitsrichtung
wirkende Hubverstellungskraft, die durch die Differenz der fluidwirksamen
Kolbenflächen
bestimmt wird. Infolgedessen wird der Kolben 4 sowie die
Kolbenstange 6 und etwaige angeschlossene Vorrichtungsteile,
zum Beispiel die Kniehebelgelenkanordnung 8 und die Vorrichtungsteile 7,
z. B. ein Spannarm oder andere Vorrichtungsteile, wie sie zum Beispiel
beim Spannen, Pressen, Fügen,
Stanzen, Prägen,
Lochen oder Schweißen erforderlich
sind, beim Leerhub nur mit einer relativ geringen Antriebskraft
bewegt. Infolgedessen verringert sich die beim Leerhub (Anstellhub)
erforderliche Antriebsenergie entsprechend der druckmittelwirksamen
Flächen
im Arbeitszylinder. Zum Beispiel um 50 Prozent. Man kann dies auch
durch die Wahl der fluidwirksamen Kolbenflächen bestimmen, zum Beispiel
dadurch, dass man den Querschnitt der Kolbenstange 6 entspre chend
variiert. Man hat es zum Beispiel bei Kniehebelspannvorrichtungen
oder anderen Vorrichtungen in der Hand, die Kolbenstange 6 im Durchmesser
zu vergrößern, um
dadurch während des
Leerhubes (Anstellhubes) die aufzuwendende Energie noch weiter herabzusetzen.
Trifft der Kolben 4 auf die Stirnseite des Kolbenschiebers 19,
so wird dieser entsprechend in seiner Längsachsrichtung verschoben
bis er die aus 2 ersichtliche Stellung erreicht
hat. In dieser Stellung ist der Abzweigkanal 13 von dem
Zylinderrückhubraum 21 abgesperrt
und über
den Längskanal 24 im
Kolbenschieber 19 und seinen Zweigkanal 25 an
den Kanal 16 fluidleitend angeschlossen, wodurch der Zylinderrückhubraum 21 entlüftet wird.
Diese Entlüftung
kann über
ein geeignetes nicht dargestelltes Steuerungssystem geschehen.
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Das
Einfahren der Kolbenstange 6, also eine Bewegung in Richtung
X (Öffnungshub)
geschieht durch entsprechende Steuerung der nicht dargestellten
Steuerungsvorrichtung, wodurch die Druckmitteldruckbeaufschlagung
der Kolben-Ringseite, also des Zylinderrückhubraums 21 durch
das bereits vorher umgesteuerte, vorliegend als Kolbenschieber 19 ausgebildete
Ventil erfolgt. In diesem Falle ist der Kanal 16 über die
Steuerung an den Druckmitteldruck angeschlossen. Das Fluid wird
dadurch über
den Kanal 16 und den Längskanal 24 im
Kolbenschieber 19 in den Zylinderrückhubhaum 21 eingeleitet. Über den Kammerkanal 18 pflanzt
sich der Druckmitteldruck auch in das Kammerteil 22 fort
und beaufschlagt den Kolben 20 und hält dadurch den Kolbenschieber 19 in seiner
aus 2 gezeigten Stellung.
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Beim
Einleiten des Leerhubes (Anstellhubes) in Richtung Y pflanzt sich
der Fluiddruck wiederum über
den Querkanal 11 und den Kanal 10 zu dem Abzweigkanal 13 und
auch über
den Kanalabschnitt 14 in die Kammer 15 fort und
beaufschlagt den Kolben 20, wodurch dieser in seine aus 1 ersichtliche
Position verschoben wird, woraufhin sich der zuvor beschriebene
Arbeitszyklus wiederholen kann.
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Bei
der Ausführungsform
nach 4 ist ein Mehrwegeventil 39 an eine nicht
dargestellte Systemsteuerung außerhalb
des eigentlichen Arbeitszylinders einbezogen und arbeitet mit einer
ebenfalls nicht dargestellten Fluidquelle, zum Beispiel einer Druckluftquelle
oder einer Hydraulikflüssigkeitsquelle,
zusammen, der in geeigneter Weise, zum Beispiel über wenigstens eine motorisch
angetriebene Pumpe, Druckmittel unter Druck, zugeführt wird.
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Für Teile
gleicher Funktion wurden wiederum gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Der
Kanalabschnitt 38 ist an den Zylinderrückhubraum 21 und der
Querkanal 11 an den Arbeitszylinderraum 12 über das
Mehrwegeventil 39 anschließbar.
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Während des
Leerhubes wirkt wiederum nur der Differenzdruck auf den Kolben 4 und
verschiebt diesen beim Arbeitshub in Richtung Y.
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Für die Einleitung
des Krafthubes erfolgt eine Umsteuerung, derart, dass der Zylinderrückhubraum 21 dann
nicht mehr mit Fluiddruck beaufschlagt wird, sondern nur noch der
Arbeitszylinderraum 12, wodurch der volle Druckmitteldruck
bei Einleitung des Krafthubes, zum Beispiel bei einer Kniehebelspannvorrichtung
oder einer Vorrichtung zum Pressen, Fügen, Stanzen, Prägen, Lochen
oder Schweißen
zur Verfügung
steht. Mit dem Bezugszeichen 40 ist eine nur schematisch
angedeutete Vorrichtung zum Detektieren der Stellung der Kolbenstange 6 bezeichnet.
Diese Vorrichtung kann eine von Kniehebelspannvorrichtungen bekannte
sogenannte Kassette sein, bei welcher durch Pneumatikschalter, Mikroschalter,
induktive Schalter oder dergleichen die jeweilige Position der Kolbenstange 6,
zum Beispiel über
eine Schaltfahne 41, zu detektieren ist. Die Vorrichtung 40 kann
in Form einer Kassette auch unmittelbar Zylinder 1 zugeordnet,
zum Beispiel in einer Aussparung desselben angeordnet sein, wie
dies zum Beispiel in 3 dargestellt ist, wo die Vorrichtung
zum Detektieren der verschiedenen Stellungen der Kolbenstange 6 und
damit indirekt auch der Winkelstellung des Spannarmes in einem auf
der Rückseite
des Spannkopfes 42 befindlichen Schlitz 43 angeordnet
ist. Dieser Schlitz 43 kann sich bevorzugt in Längsachsrichtung
des Spannkopfes 42 und damit parallel zur Hubrichtung der
Kolbenstange 6 oder aber auch quer dazu erstrecken. Bevorzugt
dichtet die Vorrichtung 40 den Schlitz nach außen hin
weit gehend, zum Beispiel flüssigkeits-
und staubdicht, ab. Die Vorrichtung kann auch als sogenannte lernfähige Kassette
ausgebildet sein, bei der durch ein- oder mehrmaliges Ansteuern
gewisser Positionen diese Stellungen in einem Speicher elektronisch
abspeicherbar- und wiederabbaubar sind, um zum Beispiel einem Spannarm
verschiedene Winkelstellungen zuzuordnen. Die Vorrichtungsteile 44, 45 können zueinander
relativ verstellbar sein, um auch verschiedenen Arbeitsstellungen,
zum Beispiel Spannstellungen Rechnung zu tragen. Die Vorrichtungsteile 44, 45 können Schalter,
z. B. elektrische Schalter oder induktive Schalter sein, die durch
die Schaltfahne 41 bedämpft
werden. Die Daten werden über
einen geeigneten elektrischen oder elektronischen Stecker 46 abgefragt
und über
eine Leitung zum Beispiel zu einem entfernten Steuerstand, einer
Datenverarbeitungsanlage oder dergleichen, übermittelt. Diese Daten können in
eine Fertigungssteuerung oder Regelung einbezogen sein und sich
zum Beispiel in einer Fertigungsstraße im Karosseriebau der Kfz-Industrie befinden.
In gleicher Weise können
aber auch diese verschiedenen Mittel bei Vorrichtungen zum Spannen,
Pressen, Fügen,
Stanzen, Prägen,
Lochen und Schweißen
verwendet werden.
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Bei
allen Ausführungsformen
ist mit dem Bezugszeichen 47 eine Dichtung bezeichnet,
durch die die Kolbenstange 6 fluiddicht aus dem Arbeitszylinder
herausgeführt
werden kann.
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Bei
der Ausführungsform
nach 5 ist dem Kolben 4 ein gegen die Rückstellkraft
eines Druckfederelementes 48 hubbeweglicher Steuerbolzen 49 zugeordnet,
der in einer Bohrung des Kolbens 4 längsverschieblich und dichtend
angeordnet ist und der stirnendseitig mit dem Kolbenschieber 19 zusammenwirkt,
derart, dass mit der Beendigung des Leerhubes der Steuerbolzen 49 stirnendseitig
auf die Stirnseite des Kolbenschiebers 19 trifft und diesen
in Richtung Y, also in den Zylinderdeckel 3 hineinverschiebt.
Dies kann kurz vorher, vorzugsweise mit Beginn des Krafthubes beginnen,
woraufhin die Druckmittelzufuhr zu der Kolbenringseite 21 unterbrochen und
der Zylinderrückhubraum 21 entlüftet wird,
so dass der Fluiddruck nur noch die Kolbenseite mit Fluiddruck beaufschlagt
und zum Beispiel eine Kniehebelspannvorrichtung, Schweißbacken,
eine mit Kniehebelgelenken versehene kombinierte Klemm- und Schweißvorrichtung,
eine Stanz- oder Prägevorrichtung,
oder dergleichen, beaufschlagt. Bei der dargestellten Ausführungsform
stützt
sich das Druckfederelement an einem Ende an dem Kolben 4 und
am anderen Ende einer kolbenförmigen
Verdickung unter Vorspannung ab.
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Aus
den 6 bis 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ersichtlich. Für Teile
gleicher Funktion wurden die gleichen Bezugszeichen wie bei den
vorbeschriebenen Zeichnungsfiguren verwendet. Mit dem Bezugszeichen 50 ist
eine parallel zur Längsachse
der Kolbenstange 6 verlaufende Kupplungsstange bezeichnet,
die in einer Bohrung 51 der Wand 52 längsverschieblich
und über eine
Dichtung 53 druckmitteldicht abgedichtet geführt ist.
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Die
Kupplungsstange 50 ist an ihrem einen Ende mit dem Kolbenschieber 19 materialmäßig oder funktionell
einstückig,
zum Beispiel durch Gewinde, verbunden. Im übrigen ragt die Kupplungsstange 50 in
einen Raum 54 des Spannkopfes hinein und ist mit Abstand
zu der äußeren Peripherie
der Kolbenstange 6 angeordnet. An ihrem den Kolbenschieber 19 abgekehrten
Endabschnitt weist die Kupplungsstange 50 eine Durchmesservergrößerung 55 auf.
Außerdem
ist in diesem Bereich eine napfförmige
Federhülse 56 mit
an ihrem der Durchmesservergrößerung 55 zugekehrten
Endabschnitt einstückigem,
nach außen hervorragenden
Flansch 57 angeordnet. Die Federhülse 56 gleitet mit
einer Bohrung 58 auf der äußeren Peripherie der im Querschnitt
kreisrunden Kupplungsstange 50.
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In
der Federhülse 56 ist
ein vorgespanntes Druckfederelement 59 vorgesehen, das
vorliegend als Schraubendruckfeder ausgebildet ist. Das Druckfederelement 59 stützt sich
an seinem einen Ende federelastisch an der Durchmesservergrößerung 55 und
an dem anderen Ende im Tiefsten der Federhülse 56 an dessen Stirnwand
ab. Das Druckfederelement 59 wird auf einem großen Teil
seiner axialen Länge
durch die Federhülse
axial und radial geführt und
gehalten. Das Druckfederelement 59 hat die Tendenz sich
auszudehnen und die Federhülse 56 mit
ihrer Stirnseite bis zu einem Anschlag 60 zu bewegen, der
mit der Kupplungsstange 50 einstückig verbunden ist. Der Anschlag 60 kann
durch einen Querstift, eine Schraube, ein Spreizdorn oder dergleichen
gebildet sein, der in eine orthogonal zur Längsachse der Kupplungsstange 50 verlaufende
Bohrung fest angeordnet ist und den Verschiebeweg der Federhülse 56 in
Richtung X begrenzt.
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Mit
der Kolbenstange 6, vorliegend mit dem dieser zugeordneten
Gabelkopf 61 der Kniehebelgelenkanordnung 8 ist
eine Kupplung 62 fest verbunden, die sich mithin während der
Hubbewegung der Kolbenstange 6 in Richtung X bzw. Y bewegt.
Die Kupplung 62 ist vorliegend als orthogonal zur Längsachse
der Kolbenstange 6 abstehendes Blech mit einer Durchgangsbohrung
ausgebildet, die größer ist als
der Außendurchmesser
der Federhülse 56,
so dass diese durch diese Bohrung der Kupplung 56 hindurchgleiten
kann. Die Bohrung in der Kupplung 66 ist allerdings kleiner
als der Außendurchmesser des
Flansches 57 der Kupplungshülse, so dass die Kupplung 62 den
Flansch 57 untergreifen und bei einem Hub in Richtung Y
unter Zusammenpressen des Druckfederelementes 59 mitnehmen
kann (6). 8 zeigt, wie die Kupplung 62 über die
Federhülse 56 hinweggleitet,
während 7 eine
Darstellung betrifft, bei der die Federhülse unter entsprechender Entspannung
des Druckfederelementes 59 bis gegen den Anschlag 60 in
Richtung X verschoben worden ist. Die Öffnung 63 in der Kupplung 62 ist
auch so groß bemessen,
dass sie über
den Anschlag 60 hinweggleiten kann.
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Die
Anordnung ist nun so getroffen, dass die Kupplung 62 unmittelbar
mit Beendigung des Leerhubes (Anstellhub) in Richtung Y auf die
Unterseite des Flansches 57 der Federhülse 56 auftrifft und
unter Zusammenpressung des Druckfederele mentes 59 über die
Durchmesservergrößerung 55 die
Kupplungsstange 50 in Richtung Y bewegt, wodurch auch der
Kolbenschieber 19 in Richtung Y verschoben wird. Dies hat
eine Umsteuerung im Sinne der oben beschriebenen Funktionsweise
zur Folge, derart, dass nunmehr der volle Druckmitteldruck auf die
Unterseite (Kolbenseite) wirksam wird und damit die volle Spannkraft
am Spannarm der Kniehebelspannvorrichtung zur Verfügung steht.
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Selbstverständlich kann
diese Konstruktion und dieses Prinzip auch für andere Vorrichtungen, zum
Beispiel für
Clinch- und Lochvorrichtungen, Schweißvorrichtungen mit Kniehebelgelenkanordnung,
Vorrichtung zum Fügen,
Prägen
und Spannen, verwendet werden. Das Druckfederelement 59 verhindert
dabei ein schlagartiges Auftreffen und zwar ein genaues, aber entsprechend
abgefedertes Umsteuern des Kolbenschiebers 19.