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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, die mit einem durch
Fluidkraft und insbesondere pneumatisch betätigbaren Doppelhubzylinder
ausgestattet ist.
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Mit
Fluidkraft betätigte Arbeitszylinder sind immer häufiger
verwendete Antriebselemente für Linear- und Drehbewegungen
in allen Bereichen der Industrie. Sie sind in vielfältigen
Ausführungsformen bekannt. Die meisten Zylinder sind als
doppelt wirkende Zylinder ausgebildet. Das Zylindergehäuse enthält
einen Kolben, der mit einer einen Kraftangriff ermöglichenden
Kolbenstange starr verbunden ist. Der Kolben unterteilt den Innenraum
des Zylindergehäuses in zwei Zylinderkammern, die abwechselnd mit
einem Betätigungsfluid beaufschlagbar oder entlüftbar
sind, um den Kolben und die Kolbenstange zu einer Hubbewegung anzutreiben.
Dabei lassen sich Arbeitszyklen realisieren, die sich aus einer
Ausfahrbewegung und einer sich daran anschließenden Einfahrbewegung
zusammensetzen. Die Kolbenstange hat zwei Endpositionen, nämlich
die vollständig zurückgezogene Position und die
vollständig ausgefahrene Position (auch „Zweistellungszylinder”).
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In
der Praxis wird aber oft verlangt, dass die Kolbenstange als Antriebselement
mehrere Stellen anfahren kann, um dort bestimmte Operationen durchzuführen.
Um die Kolbenstange in einer vorbestimmten Zwischenposition zu halten,
ist ein Sensor erforderlich, um die Position der Kolbenstange zu
detektieren, ferner sind Haltemittel erforderlich, um die Kolbenstange
in der beabsichtigten Zwischenposition zu fixieren. Bekannte Haltevorrichtungen
weisen beispielsweise eine Klemmvorrichtung auf. Eine andere bekannte
Lösung zum Fixieren der Kolbenstange besteht darin, mittels
hydraulisch betätigbarer Ventile zu verhindern, dass Fluid
aus den Kammern strömt, so dass die Kolbenstange hydraulisch
an Ort und Stelle gehalten werden kann.
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Ferner
sind aus dem Stand der Technik so genannte Tandemzylinder bekannt,
bei denen zwei Zweistellungszylinder, meist mit unterschiedlichen Hüben,
in einer Reihe miteinander verbunden sind. Eine derartige Konstruktion
hat gegenüber der vorerwähnten Lösung
den Vorteil, dass ein Sensor und eine zugeordnete Schaltung zum
Detektieren der Zwischenposition der Kolbenstange nicht notwendig sind.
Nachteilig ist aber, dass sie eine verhältnismäßig
große Baulänge aufweisen und eine ausreichende
Unterstützung und sichere Führung erfordern.
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In
der Praxis haben sich Doppelhubzylinder bewährt, bei dem
die Kolbenstange an einer mittleren Position angehalten werden kann.
Diese Doppelhubzylinder dienen allgemein dazu, einen ersten Vorhub und
sodann einen gegenüber dem Vorhub recht kurzen Arbeitshub
auszuführen. Um nun diese Bewegungen, d. h. den Vorhub,
den Arbeitshub und den jeweiligen Rückhub, zu steuern,
ist eine Ventilanordnung vorgesehen, über die die Druckräume
der Kolben-Zylinder-Anordnung gesteuert mit Druckmittel, vorzugsweise
mit Druckluft, beaufschlagt werden.
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Ein
solcher Doppelhubzylinder der gattungsgemäßen
Art ist z. B. aus der
DE
38 09 461 C1 bekannt. Der Doppelhubzylinder besteht aus
einem Zylindergehäuse, in dem ein erster Vorhubkolben verstellbar
gelagert ist, sowie aus einem relativ zu dem Vorhubkolben verstellbaren
Arbeitshubkolben, an dem eine Kolbenstange gehaltert ist. Der Vorhubzylinder
ist als Hohlzylinder ausgebildet, in dem der Arbeitshubkolben verschiebbar
gelagert ist. Für den Vorhubkolben und den Arbeitshubkolben
sind jeweils getrennte Fluidzu- und -ableitungen vorgesehen, wodurch
die Kolben voneinander unabhängig umsteuerbar sind. Nachteilig
an dieser Lösung ist, dass eine Mehrzahl von Ventilen benötigt
wird, um die Zuführung und Abführung des Fluids
zu und von den vier Kammern des Doppelhubzylinders zu steuern. Die Bewegungsenergie
eines derartigen Antriebes hängt vom Volumenstrom des fluidischen
Mediums ab, welcher derjeweiligen Seite des Kolbens im Doppelhubzylinder
zugeleitet wird.
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Je
nach Anwendungsfall besteht bei den Antriebsvorrichtungen nicht
selten die Anforderung für sehr geringe Zykluszeiten und
eine dementsprechend hohe Arbeitsgeschwindigkeit speziell des Arbeitshubkolbens.
Sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten des Arbeitshubkolbens sind aber
mit dem vorgeschlagenen Doppelhubzylinder nicht erreichbar.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung
mit einem Doppelhubzylinder zu schaffen, die bei einfachem Aufbau eine
gegenüber der Arbeitsgeschwindigkeit des Vorhubkolbens
sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitshubkolbens gestattet.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des
1. Anspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
wie auch besonders vorteilhafte Verwendungen der Antriebsvorrichtung
sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch besondere Ausbildung des Vorhubkolbens
als Hülse und einen in der Hülse verschiebbar
gelagerten Arbeitshubkolben mit zwei unterschiedlichen zur Beaufschlagung
von Betätigungsfluid vorgesehenen Arbeitshubkolbenflächen
eine Antriebsvorrichtung geschaffen wird, die eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit des
Arbeitshubkolbens ermöglicht. Zum Steuern des Doppelhubkolbens
sind lediglich zwei Verbindungen zum Zu- und Abführen des
Betätigungsfluids notwendig. In vorteilhafter Ausgestaltung
wird nur eine einzige Fluidleitung benötigt, über
die die Zufuhr und der Rückfluss des Druckmittels verläuft.
Dabei stehen die beiden Zylinderkammern im beaufschlagten Zustand stets
unter gleichem Druck. Dies ermöglicht eine Reduzierung
von Steuerventilen. Neben der hohen Arbeitsgeschwindigkeit des Arbeitshubkolbens
zur Erzielung einer geringen Zykluszeit ermöglicht der
erfindungsgemäße Aufbau der Antriebsvorrichtung auch
einen Betrieb mit relativ geringem Luftverbrauch. Dies führt
im Vergleich zu konventionellen Betriebsweisen zu beträchtlicher
Energieeinsparung.
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Die
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist vielfältig
im Maschinen- und Anlagenbau einsetzbar. Besonders vorteilhaft ist
sie einsetzbar im Druckmaschinenbau für den Antrieb von
Anschlägen, insbesondere von Vorderanschlägen
in der Auslage einer Bogendruckmaschine.
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Im
Folgenden soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.
Die dazugehörigen Zeichnungen stellen dabei dar:
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1:
Längsschnitt durch eine bevorzugte erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung in eingefahrener
Position
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2:
Antriebsvorrichtung nach 1 in Arbeitshubbetrieb
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3:
Antriebsvorrichtung nach 1 in ausgefahrener Position
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4:
eine alternative Bauform der erfindungsgemäßen
Antriebsvorrichtung
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5:
eine schematische Darstellung einer Auslage einer Druckmaschine,
bei der die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
zur Anwendung kommt
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Die 1 bis 3 zeigen
eine Ausführungsform der Erfindung. Wie ersichtlichtlich,
umfasst die Antriebsvorrichtung einen durch Fluidkraft betätigbaren
Doppelhubzylinder 1. Die Fluidkraft wird von einem Betätigungsfluid
geliefert, das über eine geeignete Druckquelle P zur Verfügung
gestellt wird. Beim Ausführungsbeispiel ist als Betätigungsfluid Druckluft
vorgesehen, so dass es sich um einen pneumatisch betätigbaren
Doppelhubzylinder 1 handelt.
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Der
Doppelhubzylinder 1 besteht aus einem Zylindergehäuse 2,
in dem ein Vorhubkolben 3 entlang der Längsachse
des Zylindergehäuses 2 gleitend verschiebbar angeordnet
ist. Der Vorhubkolben 3 ist als eine zu beiden Seiten offene
Hülse ausgebildet und er wirkt über eine weiche
Dichtung 4 dichtend mit der Innenfläche des Zylindergehäuses 2 zusammen.
Der hülsenförmige Vorhubkolben 3 weist
in axialer Richtung zwei Abschnitte auf. Der erste Abschnitt 3.1 ist
durch einen kleineren Hülseninnendurchmesser gegenüber
dem Hülseninnendurchmesser des zweiten Abschnittes 3.2 gekennzeichnet. In
dem Vor hubkolben 3 ist ein Arbeitshubkolben 5 gleitend
verschiebbar angeordnet. Der Arbeitshubkolben 5 weist ebenfalls
in axialer Richtung zwei Abschnitte 5.1, 5.2 mit
unterschiedlichen Querschnittsflächen auf, die den inneren
Querschnittsflächen des hohlen Vorhubkolbens 3 in
den zwei Abschnitten 3.1, 3.2 entsprechen. Der
Arbeitshubkolben 5 wirkt über die Dichtungen 8, 6 dichtend
mit der Innenfläche des Vorhubkolbens 3 zusammen.
Am Arbeitshubkolben 5 ist auf der Seite mit der kleineren
Querschnittsfläche eine Kolbenstange 7 befestigt.
Die Kolbenstange 7 erstreckt sich vom Arbeitshubkolben 5 durch
das Zylindergehäuse 2. Die Kolbenstange 7 ist
im Zylindergehäuse 2 gleitend verschiebbar und
gegen dieses durch Dichtungen 9 abgedichtet. Am äußeren
Ende vom zweiten Abschnitt 3.2 des Vorhubkolbens 3 kann am
inneren Umfang ein Anschlagmittel 10 zum Anhalten des Arbeitshubkolbens 5 angeordnet
sein. Das Anschlagmittel 10 ist vorzugsweise als Flanschabschnitt
ausgebildet. Der durch die unterschiedlichen Hülseninnendurchmesser
zwischen ersten und zweiten Abschnitt 3.1, 3.2 gebildete
Absatz 11 bildet das zweite Anschlagmittel 10 und
begrenzt die Verschiebung des Arbeitshubkolbens 5 zur anderen Richtung.
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Der
Doppelhubzylinder 1 wird durch den Vorhubkolben 3 und
den Arbeitshubkolben 5 in eine kolbenstangenlose Zylinderkammer 12 und
in eine kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 unterteilt.
In beide Zylinderkammern 12, 13 mündet
an den Stirnseiten des Zylindergehäuses 2 jeweils
ein eigener Fluidkanal 14, 15. Die Fluidkanäle 14, 15 sind über Fluidleitungen 18, 19 mit
einer Druckquelle P verbunden. In beiden Fluidleitungen 18, 19 sind
Wegeventile 16, 17 eingeschaltet als Steuermittel
zur gesteuerten Beaufschlagung und Entlastung bzw. Entlüftung der
Zylinderkammern 12, 13. Vorzugsweise sind beide
Zylinderkammern 12, 13 mit der gleichen Druckquelle
P verbunden. Die Wegeventile 16, 17 sind vorzugsweise
ein elektromagnetisch oder piezoelektrisch aktivierbare Ventile.
Die Kolbenstange 7 ist in axialer Richtung hohl ausgebildet. Über
eine Bohrung 21 steht der entsprechende Hohlraum 20 der Kolbenstange 7 in
Verbindung mit einem Raum 22, der sich bei Durchführung
des Arbeitshubes zwischen Arbeitshubkolben 5 und Vorhubkolben 3 bildet. Der
Raum 22 wird dadurch zur Atmosphäre hin entlüftet.
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In
der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 ist das Betätigungsfluid
in der Lage, den Arbeitshubkolben 5 mit einer Beaufschlagungsfläche
A zu beaufschlagen. Das in die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 eingespeiste
Betätigungsfluid kann, bedingt dadurch, dass der Arbeitshubkolben 5 auf dieser
Seite eine kleinere Querschnittsfläche aufweist und eine
zentrale Fläche von der Kolbenstange 7 belegt
ist, lediglich eine Beaufschlagungsfläche B beaufschlagen.
Es handelt sich bei dieser Beaufschlagungsfläche B um eine
Ringfläche, deren Außenkontur von der Außenkontur
des Arbeitshubkolbens 5 im Abschnitt 5.1 und deren
Innenkontur von der Außenkontur der Kolbenstange 7 definiert ist. Das
Zylindergehäuse 2, die Kolbenstange 7,
der Vorhubkolben 3 und der Arbeitskolben 5 weisen
vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Aber auch
andere Konturen sind möglich.
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Als
vorteilhaft hat sich erwiesen, die Beaufschlagungsfläche
B in einer Größenordnung zu wählen, die
zwischen 20% und 60% der Beaufschlagungsfläche A beträgt.
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4 zeigt
eine andere Ausführungsform der Erfindung.
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Das
Anschlagmittel 10, das am inneren Umfang des Vorhubkolbens 3 am äußeren
Ende des Abschnitts 3.2 befestigt ist, ist in Form eines
Ringes ausgebildet. Der Ring ragt in axialer Richtung über den
Vorhubkolben 3 heraus und taucht in eine entsprechende
Vertiefung des Zylindergehäuses 2 ein. Bei der
Durchführung des Arbeitshubes wird durch Wegfall der Wirkung
der Beaufschlagungsfläche der Vorhubkolben 3 sicher
in der hinteren Endlage gehalten.
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5 zeigt
in schematischer Darstellung einen Bogenausleger 23 einer
bogenverarbeitenden Druckmaschine mit einem Bogenstapel 24.
Auf einer Vorderanschlagwelle 26 sind Vorderanschläge 25 fest
angeordnet, dargestellt in geöffneter (gestrichelt) und
in geschlossener Stellung. Der Doppelhubzylinder 1 ist
drehbar am Druckmaschinengestell gelagert. Die Kolbenstange 7 des
Doppelhubzylinders 1 ist über einen Hebel 29 beweglich
an der Vorderanschlagwelle 26 befestigt.
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Zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Vorrichtung:
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3 zeigt
die Antriebsvorrichtung mit dem Doppelhubzylinder 1 in
seiner zurückgezogenen Stellung.
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Wird über
die Fluidleitung 19 mit Hilfe eines Betätigungsfluids
ein Druck auf die Beauschlagungsfläche C des Vorhubkolbens 3 sowie
auf die Beaufschlagungsfläche B der auf des Arbeitshubkolbens 5 ausgeübt,
so bewegt sich der Vorhubkolben 3 und der Arbeitshubkolben 5 in
die in 1 gezeigte eingefahrene Endposition. Die Endposition
des Arbeitshubkolbens 5 ist durch das Anschlagmittel 10 festgelegt.
Während des Einfahrens ist die Verbindung zwischen der
kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 und der Druckquelle
P unterbrochen, und aus der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 wird
das Betätigungs-fluid nach außen abgeführt.
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Für
die Durchführung des Arbeitshubes wird der Vorhubkolben 3 durch
ständig wirkende Druckkraft des Betätigungsfluids
in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 in der eingefahrenen
Stellung gehalten. Die kolbenstangenlose Zylinderkammer 12 wird
durch Umschalten des Wegeventils 16 mit Druckluft beaufschlagt.
Als Folge wirkt auf der Beauf schlagungsfläche A des Arbeitshubkolbens 5 eine Druckkraft,
die der Druckkraft der Beaufschlagungsfläche B entgegenwirkt.
Da die Beaufschlagungsfläche A erheblich größer
ist als die Beaufschlagungsfläche B kommt es zu einer Ausfahrbewegung
des Arbeitshubkolbens 5. Die Ausfahrbewegung endet maximal
mit der Anlage des Arbeitshubkolbens 5 am Absatz 11 des
Vorhubkolbens 3. Die kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 wirkt
dabei als Luftfeder.
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Der
Raum 22 zwischen dem Arbeitshubkolben 5 und dem
Vorhubkolben 3 wird über die hohl ausgebildete
Kolbenstange 7 entlüftet, wenn die kolbenstangenlose
Zylinderkammer 12 mit Druck beaufschlagt wird.
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Bei
Erreichen dieser eingefahrenen Position des Arbeitshubkolbens 5 kann – wie
in 2 gezeigt – das Wegeventil 16 der
kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 in die Entlüftungsschaltstellung
umgeschaltet werden. Durch die weiterhin wirkende Druckkraft des
Betätigungsfluids in der kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 wird
der Arbeitshubkolben 5 in die eingefahrene Stellung zurückbewegt.
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Das
die Einfahrbewegung des Arbeitshubkolbens 5 auslösende
Umschalten des Wegeventils 16 erfolgt automatisch, was
eine verzögerungsfreie Bewegungsumkehr ermöglicht
und demzufolge einen sehr raschen Ablauf eines aus Ausfahrbewegung
und Einfahrbewegung bestehenden Arbeitszyklus des Arbeitshubzylinders
ermöglicht.
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Durch
entsprechendes Umschalten des Wegeventils 16 ist es auch
möglich, den Arbeitshubkolben 5 bereits vor Erreichen
der maximalen Hublänge zu einer Bewegungsumkehr zu zwingen.
Je nach Bedarf sind dadurch unterschiedlich Hublängen einstellbar.
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Bei
der Durchführung des Arbeitshubes wird auch der Vorhubkolben 3 mit
Druckluft beaufschlagt. Im Unterschied zu den Druckbeaufschlagungsflächen
des Arbeitshubkolbens 5 ist die Beaufschlagungsfläche
C des Vorhubkolbens 3 zur kolbenstangenseitigen Zylinderkammer 13 wesentlich
größer als die Beaufschlagungsfläche
D zur kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12. Dadurch kommt
es bei Beaufschlagung der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 mit
Betätigungsfluid zu einer Differenzkraft, die den Vorhubkolben 3 während
des Arbeitshubes in der eingefahrenen Endposition hält.
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Bei
mehrfacher Durchführung des Arbeitshubes wird eine Schwingbewegung
bzw. Vibration erzeugt.
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Ist
der Arbeitshub beendet, wird – wie in 3 gezeigt – die
kolbenstangenseitige Zylinderkammer 13 entlüftet.
Das Betätigungsfluid der kolbenstangenlosen Zylinderkammer 12 wirkt
auf Arbeitshubkolben 5 und Vorhubkolben 3 und
bewegt diese in die ausgefahrene Stellung des Doppelhubzylinders 1.
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Die
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß 5 in einem Bogenausleger 23 einer
bogenverarbeitenden Druckmaschine ist folgende:
Der von den
Greifern des Greiferwagens 27 geführte Bogen 28 wird
im Bogenausleger 23 über dem Bogenstapel 24 vom
Greifer freigegeben und an den Vorderanschlägen 25 nach
der Vorderkante ausgerichtet. Zur Ausbildung eines akkurat ausgerichteten Bogenstapels 24 ist
am Arbeitshubkolben 5 des Doppelhubzylinders 1 eine
Schwingbewegung bzw. Vibration zwischen 0 bis ca. 6 Hz einstellbar.
Der Vorhubkolben 3 befindet sich dabei in der vollkommen zurückgezogenen
Position gemäß 2. Die Vorderanschläge 25 befinden
sich in geschlossener Stellung.
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Fährt
der Vorhubkolben 3 in die ausgefahrene Stellung, werden
die Vorderanschläge 25 in Bogenförderrichtung
in die geöffnete Stellung (gestrichelt) weggeschwenkt.
In dieser Stellung erfolgt eine Probebogenentnahme.
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Ist
die Probebogenentnahme abgeschlossen, kehrt der Vorhubkolben 3 unter
Mitnahme des Arbeitshubkolbens 5 wieder in seine zurückgezogene
Position und damit die Vorderanschläge 25 in ihre geschlossene
Stellung zurück.
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- 1
- Doppelhubzylinder
- 2
- Zylindergehäuse
- 3
- Vorhubkolben
- 3.1
- Erster
Abschnitt
- 3.2
- Zweiter
Abschnitt
- 4
- Dichtung
- 5
- Arbeitshubkolben
- 5.1
- Erster
Abschnitt
- 5.2
- Zweiter
Abschnitt
- 6
- Dichtung
- 7
- Kolbenstange
- 8
- Dichtung
- 9
- Dichtung
- 10
- Anschlagmittel
- 11
- Absatz
- 12
- (Kolbenstangenlose)
Zylinderkammer
- 13
- (Kolbenstangenseitige)
Zylinderkammer
- 14
- Fluidkanal
- 15
- Fluidkanal
- 16
- Wegeventil
- 17
- Wegeventil
- 18
- Fluidleitung
- 19
- Fluidleitung
- 20
- Hohlraum
- 21
- Bohrung
- 22
- Raum
- 23
- Bogenausleger
- 24
- Bogenstapel
- 25
- Vorderanschläge
- 26
- Vorderanschlagwelle
- 27
- Greiferwagen
- 28
- Bogen
- 29
- Hebel
- P
- Druckquelle
- A
- Beaufschlagungsfläche
- B
- Beaufschlagungsfläche
- C
- Beaufschlagungsfläche
- D
- Beaufschlagungsfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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