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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Überdruckdetektion in einem von einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsvolumen eines Aktors, mit einem das Arbeitsvolumen oder ein an das Arbeitsvolumen fluidisch angekoppeltes Volumen teilweise begrenzenden Wandbereich, der über ein Mittel verfügt, das ausschließlich bei Druckbeaufschlagung durch das Arbeitsmedium bei Überschreiten eines vorgebbaren Maximaldruckes zumindest eine im Rahmen eines bestimmungsgemäßen Gebrauchs des Aktors irreversible Deformation erfährt.
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Stand der Technik
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Im Bereich der halb- oder vollautomatisierten Bearbeitung, Herstellung oder Handhabung von Komponenten nahezu beliebiger Art werden heutzutage in industriellen Bearbeitungs- und Fertigungsbereichen speziell an die jeweilige Bearbeitungssituation angepasste Aktoren eingesetzt, die beispielsweise zur Durchführung von Greifaufgaben über elektromotorische, hydraulische oder pneumatische Antriebsmechanismen zur kontrollierten Auslenkung einzelner Greifelemente, vorzugsweise in Form von Greiferbacken oder Greiffingern, verfügen. Die weiteren Betrachtungen beziehen sich vornehmlich auf Aktoren, zu deren Aktivierung Gase oder Flüssigkeiten als Arbeitsmedien eingesetzt werden, die druckbeaufschlagt zumeist in ein Arbeitsvolumen zu Zwecken einer kontrollierten Deformation, Verdrängung oder Auslenkung einer Aktorkomponente eingespeist bzw. zur Umkehr der jeweiligen Aktorfunktion aus dem Arbeitsvolumen kontrolliert ausgeleitet werden.
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Es liegt auf der Hand, dass für einen sicheren Betrieb derartiger Aktoren sämtliche technische Betriebsparameter, die einen zuverlässigen und dauerhaften Einsatz des jeweiligen Aktors gewährleisten, in streng vorgegebenen Bereichsgrenzen zu halten sind. In diesem Zusammenhang gilt es insbesondere den Arbeitsdruck, mit dem das jeweilige Arbeitsmedium zur Funktionsausübung in ein Arbeitsvolumen des Aktors eingespeist wird, exakt zu überwachen und insbesondere darauf zu achten, dass maximale Arbeitsdrücke nicht überschritten werden, zumal in einem derartigen Fall irreversible Aktorschäden auftreten können, die mit zeitintensiven und kostenaufwendigen Reparaturmaßnahmen verbunden sind.
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Insbesondere für die Hersteller derartiger Aktoren ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse an bereits geschädigten Aktoren zuverlässig nachprüfen zu können, ob die Schadensursache durch eine nutzerseitiges Nichtbeachtung vorgegebener Betriebsgrenzen bedingt ist oder ob ein zu Schaden gekommener Aktor Herstellerseitig aufgrund bestehender Gewährleistungspflichten zu beheben ist. Im ersteren Fall ist der Hersteller frei von jeglicher Gewährleistung.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, zählt das sorgfältige und korrekte Einhalten eines zulässigen Betriebsdruckes für das jeweils im Einsatz befindliche Arbeitsmedium zur Aktivierung eines Aktors zu einer der Hauptaufgaben im Umgang mit derartigen Aktoren. Somit bietet es sich an durch Vorsehen eines Überdruckdetektors oder -sensors im Bereich der Arbeitsmittelführung innerhalb des Aktors eine Möglichkeit des Nachweises zu schaffen, ob bei einem schadhaften Aktor die Schadensursache auf ein überhöhtes Druckniveau des Arbeitsmediums während des Einsatzes zurückzuführen ist.
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Der Wunsch nach einem derartigen Nachweis ist vor allem bei Aktoren von besonderem Interesse, die herstellungs- und letztlich auch materialbedingt über einen eher filigranen Aufbau verfügen, so dass bei bereits geringfügigen Drucküberhöhungen über herstellerseitig vorgegebene Betriebsgrenzen irreversible Aktorschäden auftreten können. Dies betrifft insbesondere Aktoren, die im Rahmen generativer Herstellungsverfahren direkt aus 3D-CAD-Daten einstückig hergestellt werden können. Repräsentativ hierzu seien Aktoren genannt, die aus der
DE 10 2005 046 160 oder
DE 10 2006 009 559 B3 zu entnehmen sind und deren Aktorbewegungen durch kontrollierte Ausdehnung einer faltenbalgartigen Struktur, die das Aktorvolumen umschließt, erzeugt werden. Die zumeist membranartig und faltenbalgartig ausgebildete Aktorwand ist besonders empfindlich gegenüber druckspezifischen Überbeanspruchungen. Aus diesem Grunde ist es für die Hersteller derartiger Produkte, die nach industriellem Standard verkauft werden, erforderlich, im Falle eines Defektes, wie beispielsweise eines Risses in dem Faltenbalg, zweifelsfrei erkennen zu können, ob es sich dabei um einen Fertigungsfehler und damit Garantiefall handelt, oder um einen vom Benutzer zu verantwortenden Handhabungsfehler hinsichtlich eines zu hohen Arbeitsdruckes.
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Überdrucksensoren werden in industriell gefertigten Produkten hauptsächlich als Sensorelement zum Schutz von empfindlichen Komponenten und Funktionsträgern verwendet. Sie dienen oftmals als Messwertgeber, der bei Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus einen, meist elektrischen oder mechanischen Impuls an ein Aktuatorelement übermittelt, das wiederum eine Aktion auslöst, wie beispielsweise ein Öffnen eines Druckventils zur Verminderung einer bevorstehenden mechanischen Überlastung.
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Überdrucksensoren finden vielseitige Anwendungsmöglichkeiten, weswegen es einen großen Variantenreichtum gibt, der von rein mechanischen Systemen über die Ausnutzung von Federeffekten bis hin zu elektronischen Ausführungen reicht. Die weiteren Betrachtungen beschränken sich auf rein mechanische Überdrucksensoren, bei denen durch eine einseitige Druckbeaufschlagung eine entsprechende Bewegungsreaktion einer Sensormembran erfolgt. Üblicherweise bestehen derartige mechanische Überdrucksensoren aus unterschiedlichen Baugruppen, deren Fertigung durch modulares Zusammenfügen einzelner Teile und Komponenten erfolgt. Sie bestehen typischerweise aus einem Gehäuse mit Druckluftanschluss, eine Wirkdruckaufnahmefläche mit Dichtungen, eine einstellbare Gegendruckfeder, ein Übertragungselement zum Aktuator sowie gegebenenfalls eine entsprechende Druckanzeige. Sämtliche Bauteile bzw. Baugruppen werden in einer Vielzahl einzelner Montageschritte unter strenger Qualitätskontrolle zusammengefügt, um letztlich einen Überdrucksensor mit gewünschter Präzision und Langlebigkeit zu erhalten. Die Fertigung derartiger Sensorelemente als Präzisionsgeräte erfordert bei der Herstellung sowohl kostenintensive Montageschritte als auch eine gewissenhafte Qualitätskontrolle.
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Die
DE 26 19 254 A1 offenbart einen linearen Fluidantrieb zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie. Ein Hauptkörper des Fluidantriebs weist in seinem Inneren ein ausdehnbares Zwischenwandteil auf, das an einer fluiddichten Dichtung befestigt ist. Die Dichtung wird von einem ringförmigen Rand der Trennwand gebildet, die von einem umgebogenen Flansch des Körpers umfasst wird. Das ausdehnbare Trennwandteil hat die Form einer zylinderförmigen Trennwand, die umgestülpt oder nach rückwärts gefaltet wird. In dem von Hauptkörper und Zwischenwandteil gebildeten Kammervolumen befindet sich ein Medium, das mittels einer Heizwendel erwärmt wird. Dabei erhöht sich der Druck innerhalb des Kammervolumens, so dass sich letzteres ausdehnt. Bei der Ausdehnung rollt sich die Trennwand entlang der Faltung ab, wobei die Trennwand durch ein Führungsgehäuse abgestützt wird. Durch die Ausdehnung des Kammervolumens wird ein Kolben betätigt, der sich auf der von dem Kammervolumen abgewandten Seite der Trennwand innerhalb des Führungsgehäuses/Kolbenkörpers befindet. Bei Überschreiten eines maximal zulässigen Druckes dehnt sich die Trennwand durch eine Öffnung im Führungsgehäuse aus und reißt dort kontrolliert. Hierdurch wird eine Druckentlastung sicherstellt.
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Die
DE 93 14 697 U1 offenbart einen Druckbegrenzer mit einer Sicherheitsvorrichtung, die bei einem Leck des zum einwandfreien Betrieb des Druckbegrenzers notwendigen Messbalges
20 zu einer sicheren Abschaltung der Anlage führt. Hierzu ist eine Membran vorgesehen, die im normalen Betrieb ohne Bedeutung ist, und die nur bei einem Leck des Messbalges durch das Arbeitsmedium druckbeaufschlagt wird. Der hierbei im Vergleich zum Normalzustand auftretende Druckanstieg, bewirkt eine Wölbung der Membran und damit eine Auslösung der Abschaltung über den mit der Membran mitbewegten Übertragungsbolzen.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie auch ein Verfahren zur Überdruckdetektion in einem Arbeitsvolumen eines Aktors anzugeben, die bzw. das einfach und kostengünstig realisierbar ist, manipulationssicher und untrennbar am Aktor angebracht ist. Gegenüber bisher bekannten Überdruckdetektoren bzw. -sensoren sollen die für die Funktionsweise erforderlichen Komponenten des Sensors auf ein Minimum reduziert werden.
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Die Lösung der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren ist Gegenstand des Anspruches 8. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben sowie im Weiteren der Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
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Eine lösungsgemäße Vorrichtung zur Überdruckdetektion in einem von einem Arbeitsmedium befüllbaren Arbeitsvolumen eines Aktors weist einen, das Arbeitsvolumen oder ein an das Arbeitsvolumen fluidisch angekoppeltes Volumen teilweise begrenzenden Wandbereich auf, der über ein Mittel verfügt, das ausschließlich bei Druckbeaufschlagung durch das Arbeitsmedium bei Überschreiten eines vorgebbaren Maximaldruckes zumindest eine im Rahmen eines bestimmungsgemäßen Gebrauch des Aktors irreversible Deformation erfährt. Das Mittel ist dabei mit dem Aktor einstückig verbunden, wobei der Aktor gemeinsam mit dem Mittel im Wege eines generativen Herstellverfahrens hergestellt wird.
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Zur Realisierung eines lösungsgemäßen Überdruckdetektors stehen grundsätzlich zwei Varianten zur Auswahl. Zum einen ist der betreffende Wandbereich in Art einer Sollbruchstelle ausgebildet, die bei Überschreiten eines vorgebbaren maximalen Betriebs- oder Arbeitsdruckes eine zumindest partielle Zerstörung erfährt, wodurch der Wandabschnitt eine Öffnung erhält und letztlich das Arbeitsmedium durch die Öffnung aus dem Arbeitsvolumen austreten kann. Ein diesbezügliches Ausführungsbeispiel sieht als Mittel eine Art Membran vor, die eine Membranwanddicke aufweist, die geringer ist als jene Aktorwand, die das Arbeitsvolumen und/oder das Volumen ansonsten umgibt. Durch entsprechende Membranwanddickenwahl sowie auch Materialwahl, aus der die Aktorwand bzw. die Membranwand besteht, kann die maximale Druckbelastbarkeit der Membran eingestellt werden, so dass die Membranwand bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldruckes gezielt aufbricht. Auch ist es möglich die Belastbarkeit durch Einkerbungen innerhalb der Membranwand individuell anzupassen.
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Für den Hersteller derartiger Aktoren dient ein derartiges Bruchresultat als Nachweis dafür, dass nutzerseitig eine Überschreitung des Betriebsdruckes vorgenommen worden ist, so dass ein derartiger Aktorschaden nicht der Gewährleistungspflicht unterliegt.
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Zu berücksichtigen ist jedoch, dass es bei der vorstehend beschriebenen Variante eines Überdruckdetektors in Form einer Sollbruchstelle im Falle eines Überschreitens eines maximalen Betriebsdruckes zwangsweise zu einem Ausfall sämtlicher Aktorkomponenten kommt. Um dies zu vermeiden sieht eine zweite Ausführungsvariante vor, das Mittel als deformierbare Membranwand auszubilden, die aus einer ersten Position, in der die Membranwand eine dem Arbeitsvolumen oder dem Volumen zugewandt gewölbte Gestalt einnimmt, bei Überschreiten des Maximaldruckes in eine zweite Position übergeht, in der die Membranwand eine dem Arbeitsvolumen oder dem Volumen abgewandt gewölbte Gestalt einnimmt, wobei die Membranwand sowohl in der ersten als auch zweiten Position das Arbeitsvolumen bzw. das Volumen gasdicht abschließt. Somit ist stets gewährleistet, dass auch nach, gegebenenfalls kurzzeitigen, Überschreiten eines maximalen Betriebsdruckes der Aktor, sofern er keinen anderweitigen Schaden genommen hat, in seiner Funktion unbeeinträchtigt bleibt. Wesentlich ist jedoch, dass die deformierbare Membranwand eine stabile nach außen gewölbte Gestalt annimmt, in der sie während des gesamten weiteren Betriebes des Aktors raumstabil verharrt. Sollten in diesem Fall spätere Schädigungen am Aktor auftreten, so dient die vorliegende Deformation der Membranwand dem Hersteller als Nachweis, dass der Aktor unsachgemäß betrieben wurde, so dass Gewährleistungsansprüche nicht bestehen.
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In vorteilhafter Weise wird der Überdruckdetektor, der vorstehend als Mittel bezeichnet ist, derart innerhalb des Aktors, der vorzugsweise im Wege eines generativen Herstellungsverfahrens gewonnen wird, integriert, so dass für einen Nutzer bzw. Betrachter des Aktors der Überdruckdetektor nach außen hin optisch nicht in Erscheinung tritt. In vorteilhafter Weise ist das Mittel durch wenigstens eine zusätzliche Aktorgehäusewand gegenüber einer von außen freien Zugänglichkeit und insbesondere vor einer für jedermann möglichen in Augenscheinnahme geschützt. Im Schadensfall bestehen für den Hersteller zur Schadensbeurteilung die Möglichkeiten den schadhaften Aktor zur Beurteilung des Überdruckdetektors entsprechend zu öffnen, d. h. den Aktor zu zerstören, oder den Aktor im Wege einer zerstörungsfreien Untersuchungstechnik, beispielsweise mittels Computertomographie, Ultraschalltechnik oder ähnliches, zu überprüfen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 Längsschnittdarstellung durch einen als Greifer ausgebildeten Aktor mit einem lösungsgemäß ausgebildeten Überdruckdetektor,
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2 Detailansicht der integrativen Anbringung des Überdruckdetektors in den in 1 dargestellten Aktor.
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Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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In
1 ist in Längsschnittdarstellung ein als Greifer ausgebildeter Aktor dargestellt, dessen Grundaufbau einem Ausführungsbeispiel entspricht, das in der gemäß der
DE 10 2005 046 160 B3 beschrieben ist. Sämtliche in
1 dargestellten Komponenten sind einstückig miteinander verbunden und im Wege eines generativen Herstellungsverfahrens hergestellt. Zur Funktion des als Roboter-Greifer ausgebildeten Aktors weist dieser ein Arbeitsvolumen
1, das von einer faltenbalgartig ausgebildeten Aktorwand
2 umfasst ist. Die faltenbalgartig ausgebildete Aktorwand
2 stützt sich symmetrisch an einen mittigen Rahmenabschnitt
3 ab und wird von diesem in zwei miteinander kommunizierende Teilvolumina
11',
12' unterteilt. Aus der in
1 gezeigten Darstellung ist ersichtlich, dass beim Befüllen der Teilvolumina
11',
12', vorzugsweise mit Druckluft über eine Anschlussleitung, die in
1 nicht dargestellt ist, beide faltenbalgartig ausgebildeten Aktorwandabschnitte längs der strichliert eingezeichneten Linearachse A jeweils in Pfeilrichtung nach außen ausgedehnt werden. Die dem Rahmenabschnitt
3 jeweils gegenüberliegenden Enden der faltenbalgartig ausgebildeten Aktorwände
2 sind mit dem Hebelarm
4 fest verbunden, die jeweils über ein Filmgelenk
5 mit einem Greiffinger
6 verbunden sind. Bei der vorstehend beschriebenen Bewegung der Hebelarme
4 jeweils nach außen bewegen sich die gegenüberliegenden Greiferfinger
6 aufeinander zu, so dass auf diese Weise ein Greifvorgang kontrolliert erfolgen kann. Wird hingegen die Luft aus dem inneren Teilvolumina
11',
12' abgelassen, so öffnen sich beide Greiferfinger
6 aufgrund der rückstellenden Federkraft, die innerhalb der wellenartig ausgebildeten, biegeelastischen Aktorwand
2 wirksam wird. Es liegt auf der Hand, dass ein Überschreiten der im Inneren des Aktorvolumens
1 vorherrschenden Druckverhältnisse über einen Maximaldruck zu einer irreversiblen Beeinträchtigung der Aktorwand
2 führen kann. In lösungsgemäßer Weise weist der in
1 dargestellte Greifer einen einstückig integrierten Überdrucksensor bzw. -detektor auf. So ist das Arbeitsvolumen
1 über einen Verbindungskanal
7 mit einer sogenannten Sensorkammer
8 fluidisch verbunden, die ihrerseits mit einer deformierbaren Membranwand
9 fluiddicht bzw. gasdicht abgeschlossen ist.
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In 2 ist eine vergrößerte Detailansicht des innerhalb des Aktors integrierten Überdruckdetektors dargestellt, auf die im Weiteren gleichsam Bezug genommen wird.
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Die deformierbare Membranwand 9 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine kreisrunde, schüsselartig gewölbte Form auf, wobei die Membranwand 9 in einer Grundposition eine zur Sensorkammer 8 zugewandte Wölbung, wie dies insbesondere aus der Detaildarstellung in 2 deutlich zu entnehmen ist, einnimmt. Die gewölbte Membranwand 9 geht peripher in einen die Membranwand 9 ringförmig umgebenden Haltesteg 10 über, der radial nach außen mit einer angrenzenden Aktorwandkomponente einstückig verbunden ist. Andererseits schließt die deformierbare Membranwand 9 eine Wölbungskammer 11 einseitig ab, die von einer Aktorwand 12 begrenzt wird, durch die die deformierbare Membranwand nach außen hin abgedeckt und somit von außen nicht ersichtlich ist. Die Wölbungskammer 11 ist über zwei Hohlleitungen 13 mit der den Aktor umgebenden Umgebung offen verbunden, so dass einerseits gewährleistet ist, dass innerhalb der Wölbungskammer 11 stets der Umgebungsdruck vorherrscht, andererseits die Möglichkeit geschaffen wird, dass prozessbedingte Materialreste, wie beispielsweise Pulverreste, die sich im Wege eines generativen Herstellungsverfahren gegebenenfalls in eingeschlossenen Hohlräumen ausbilden, nach außen gelangen können.
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Wird nun der dargestellte Greifer mit Druckluft beaufschlagt, gelangt diese durch den Verbindungskanal 7 direkt in die Sensorkammer 8, in der sich ein dementsprechend gleicher Arbeitsdruck einstellt. Da innerhalb der Wölbungskammer 12 der äußere Umgebungsdruck vorherrscht, lastet auf der deformierbaren Membranwand 9 der sich zwischen dem Umgebungsdruck und dem Arbeitsdruck ausbildende Differenzdruck. Aufgrund der vorgewölbten Form bleibt die Membranwand 9 aufgrund eines durch die Geometrie und die Wandstärke bestimmten maximalen Grenzdruckes stabil in der dargestellten Grundposition. Bei Überschreiten des Arbeitsdruckes über einen maximalen Betriebsdruck schnappt die deformierbare Membranwand 9 unter Umkehr ihrer Wölbungsrichtung um und ragt dabei in die Wölbungskammer 12 (siehe strichliierte Formgebung) hinein. Aufgrund der bistabilen Auslegung der deformierbaren Membranwand 9 verharrt die Membranwand 9 in dieser ausgelenkten Form, zumal sie aufgrund ihrer Formstabilität eigenständig nicht wieder in die Grundposition zurückgehen kann. Die durch die strichliierte Linienführung dargestellte Auswölbung der deformierbaren Membranwand 9 dient als Indiz für ein, wenn auch nur kurzzeitiges Überschreiten eines maximalen Betriebsdruckes, wodurch, wie eingangs erläutert, Gewährleistungsansprüche im Schadensfalle nicht erhoben werden können.
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Wie bereits erwähnt, dienen der linke und rechte Hohlkanal 13 zum einen zur Entfernung von herstellungsbedingten, zumeist pulverförmiges Restmaterial, zum anderen dienen die Hohlkanale 13 zur Ausströmung für die bei der Umkehrung der Membranwölbung aus der Wölbungskammer entweichenden Luft.
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Möglicherweise innerhalb des Arbeitsvolumens 1 befindliches Restpulvermaterial, das vom generativen Herstellungsprozess bedingt ist, kann gleichfalls auch über den Verbindungskanal 4 und die Hohlkanäle 13 entfernt werden.
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Die Hohlkanäle 13 werden vorzugsweise innerhalb des Aktor derart integriert, so dass der Überdrucksensor nach Auslösen vor Manipulationen geschützt ist, d. h. die Auslassöffnungen 14 der Hohlkanäle 13 sind von außen unzugänglich untergebracht. Insofern stellt der innerhalb des Aktors integrierte Überdruckdetektor bzw. -sensor eine Maßnahme dar, die innerhalb des Produktes integriert und somit von außen nicht ersichtlich ist.
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Der lösungsgemäß beschriebene Überdrucksensor kann im Wege generativer Herstellungsprozesse schnell und ohne jegliche zusätzliche Montage angepasst an die jeweiligen Überdruckgrenzen direkt innerhalb des CAD-Datensatzes in das Produkt integriert werden. Durch die lösungsgemäße Maßnahme entstehende Zusatzkosten sind verglichen mit marktüblichen Systemen vernachlässigbar. Grundsätzlich lässt sich der lösungsgemäße Überdruckdetektor neben dem beschriebenen Greifersystem auch in sämtlichen druckempfindlichen passiven Bauteile oder Baugruppen als Sicherheitseinrichtung integrativ vorsehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Arbeitsvolumen
- 11', 12'
- Teilvoluminia
- 2
- faltenbalgartig ausgebildete Aktorwand
- 3
- Mittelteil
- 4
- Hebelarm
- 5
- Filmgelenk
- 6
- Greiferfinger
- 7
- Verbindungskanal
- 8
- Sensorkammer, Volumen
- 9
- deformierbare Membranwand
- 10
- umlaufender Verbindungs-Haltesteg
- 11
- Wölbungskammer
- 12
- Abdeckung
- 13
- Hohlkanäle
- 14
- Auslassöffnung
