DE102022200959A1

DE102022200959A1 - Betätigungsvorrichtung, Antriebssystem und Verfahren zur Betätigung eines doppelwirkenden fluidbetätigten Antriebes

Info

Publication number: DE102022200959A1
Application number: DE102022200959.2A
Authority: DE
Inventors: Sören Zschill; Marco Schilling
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-08-03

Abstract

Es werden ein Antriebssytem (1) und eine darin enthaltene Betätigungsvorrichtung (8) vorgeschlagen, wobei die Betätigungsvorrichtung (8) eine Steuerventileinrichtung (10) aufweist, durch die das Abtriebsglied (4) eines fluidbetätigten Antriebes (2) zu einander entgegengesetzten ersten und zweiten Hubbewegungen (5a, 5b) antreibbar ist. Die Betätigungsvorrichtung (8) enthält einen Fluidspeicher (32), der ein begrenztes Volumen eines Antriebsfluides bereitstellt und der zum Hervorrufen der zweiten Hubbewegung des Abtriebsgliedes (4) durch eine Steuerventileinrichtung (10) mit einer von dem Abtriebsglied (4) begrenzten ersten Antriebskammer (6) verbindbar ist, sodass die zweite Hubbewegung (5b) ausschließlich durch die in dem gespeicherten Antriebsfluid enthaltene Energie erzeugt wird, wodurch Gefährdungssituationen vermieden werden. Es wird außerdem ein Verfahren zur Betätigung des fluidbetätigten Antriebes (2) vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung zur Betätigung eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes, der ein relativ zu einem Antriebsgehäuse zwischen einer ersten Hubendlage und einer zweiten Hubendlage hin und her bewegbares Abtriebsglied aufweist, dass in dem Antriebsgehäuse eine erste Antriebskammer und eine zweite Antriebskammer voneinander abtrennt,

- wobei die Betätigungsvorrichtung einen zur Verbindung mit der ersten Antriebskammer vorgesehenen ersten Verbraucheranschluss und einen zur Verbindung mit der zweiten Antriebskammer vorgesehenen zweiten Verbraucheranschluss aufweist,
- wobei die Betätigungsvorrichtung ferner über eine Steuerventileinrichtung verfügt, die mehrere Ventilanschlüsse aufweist, unter denen sich ein erster Arbeitsanschluss, ein zweiter Arbeitsanschluss, ein zur Verbindung mit einer Druckquelle vorgesehener Speiseanschluss, ein zur Verbindung mit einer Drucksenke vorgesehener Entlüftungsanschluss sowie ein weiterer Ventilanschluss befindet, wobei der erste Verbraucheranschluss mit dem ersten Arbeitsanschluss verbunden oder von diesem gebildet ist und wobei der zweite Verbraucheranschluss mit dem zweiten Arbeitsanschluss verbunden oder von diesem gebildet ist,
- wobei die Steuerventileinrichtung wahlweise in einen ersten Schaltzustand oder in einen zweiten Schaltzustand schaltbar ist, um das Abtriebsglied des angeschlossenen fluidbetätigten Antriebes entweder zu einer ersten Hubbewegung in Richtung der ersten Hubendlage oder zu einer zweiten Hubbewegung in Richtung der zweiten Hubendlage anzutreiben,
- wobei im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung durch die Steuerventileinrichtung hindurch der erste Arbeitsanschluss mit dem Entlüftungsanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit dem Speiseanschluss verbunden ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung ausgestattetes Antriebssystem.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Betätigung eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes, der ein relativ zu einem Antriebsgehäuse zwischen einer ersten Hubendlage und einer zweiten Hubendlage hin und her bewegbares Abtriebsglied aufweist, das in dem Antriebsgehäuse eine erste Antriebskammer und eine zweite Antriebskammer voneinander abtrennt, wobei eine Betätigungsvorrichtung verwendet wird, die eine Steuerventileinrichtung aufweist, die wahlweise in einen ersten Schaltzustand oder in einen zweiten Schaltzustand schaltbar ist, wobei im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung durch Fluidbeaufschlagung der zweiten Antriebskammer mit einem von einer Druckquelle bereitgestellten Antriebsfluid und gleichzeitigte Entlüftung der ersten Antriebskammer eine erste Hubbewegung des Abtriebsgliedes in Richtung der ersten Hubendlage oder ein Festhalten des Abtriebsgliedes in der ersten Hubendlage hervorrufbar ist und wobei im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung durch Fluidbeaufschlagung der ersten Antriebskammer mit dem von der Druckquelle bereitgestellten Antriebsfluid und gleichzeitiger Entlüftung der zweiten Antriebskammer eine zweite Hubbewegung des Abtriebsgliedes in Richtung der zweiten Hubendlage oder ein Festhalten des Abtriebsgliedes in der zweiten Hubendlage hervorrufbar ist.
Eine in dem vorgenannten Sinne ausgebildete und betreibbare Betätigungsvorrichtung ist aus der DE 10 2019 121 433 A1 bekannt. Die bekannte Betätigungsvorrichtung hat eine als 5/2-Wegeventil ausgebildete Steuerventileinrichtung, die über zwei Arbeitsanschlüsse verfügt, die jeweils mit einem von zwei Verbraucheranschlüssen kommunizieren, an die die Antriebskammern eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes angeschlossen sind. Das 5/2-Wegeventil hat insgesamt fünf Ventilanschlüsse, wobei es außer den beiden Arbeitsanschlüssen auch noch einen mit einer Druckquelle verbundenen Speiseanschluss sowie zwei jeweils mit einer Drucksenke verbundene Entlüftungsanschlüsse aufweist. Das 5/2-Wegeventil kann alternativ in zwei Schaltzustände versetzt werden, um ein Abtriebsglied des Antriebes zu einander entgegengesetzten Hubbewegungen anzutreiben. In jedem dieser beiden Schaltzustände ist die eine Antriebskammer mit der Druckquelle und die jeweils andere Antriebskammer mit der Drucksenke verbunden. Die kinetische Energie des Abtriebsgliedes ist bei beiden Hubbewegungen etwa gleich groß. Eine hohe kinetische Energie des Abtriebsgliedes kann zur Gefährdungssituationen führen, wenn die Betätigungsvorrichtung in Bereichen eingesetzt wird, in denen Interaktionen mit einer Person nicht ausgeschlossen werden können. Zur Energieeinsparung ist die bekannte Betätigungsvorrichtung mit einer Kurzschlussanordnung ausgestattet, die über ein Wechselventil verfügt, durch das die beiden Antriebskammern zeitweilig direkt miteinander verbindbar sind, um zwecks Reduzierung des Fluidverbrauches eine Fluidrückführung zu ermöglichen. Eine Begrenzung der kinetischen Energie bei der Bewegung des Abtriebsgliedes ist damit jedoch nicht verbunden.
Die DE 10 2005 061 968 A1 beschreibt ein fluidisches Gewichtsausgleichssystem für insbesondere vertikal bewegte Maschinenkomponenten, wobei wenigstens ein für die Erzeugung einer Ausgleichskraft verantwortlicher Ausgleichszylinder mit einem Fluidspeicher in Fluidverbindung steht.
Aus der DE 10 2006 054 122 B4 ist ein fluidisches System bekannt, das als fluidisches Gewichtsausgleichssystem konzipiert ist, das wenigstens einen zur Erzeugung einer Ausgleichskraft dienenden Ausgleichszylinder aufweist, der mit einem Fluidspeicher in Fluidverbindung steht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Maßnahmen zu treffen, die bei der Betätigung eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes auf kostengünstige Weise eine effektive Begrenzung der kinetischen Energie ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Betätigungsvorrichtung der eingangsgenannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,

- dass die Betätigungseinrichtung einen Fluidspeicher mit einem zur Speicherbefüllung dienenden Speichereingang und einen zur Speicherentleerung dienenden Speicherausgang aufweist,
- dass der weitere Ventilanschluss der Steuerventileinrichtung ein Speicheranschluss ist, der mit dem Speicherausgang des Fluidspeichers verbunden ist,
- dass der Speichereingang des Fluidspeichers über ein Strömungssteuerventil mit dem zweiten Verbraucheranschluss verbunden ist, wobei das Strömungssteuerventil im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung eine Befüllungs-Fluidströmung aus dem mit der Druckquelle verbundenen Speiseanschluss in den Fluidspeicher ermöglicht und zumindest im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung einen eingangsseitigen Fluidaustritt aus dem Fluidspeicher verhindert,
- dass im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung der Speicheranschluss durch die Steuerventileinrichtung zur Verhinderung einer ausgangsseitigen Entleerung des Fluidspeichers abgesperrt ist,
- und dass im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung der erste Arbeitsanschluss zur Fluidversorgung aus dem Fluidspeicher durch die Steuerventileinrichtung hindurch mit dem Speicheranschluss verbunden, der zweite Arbeitsanschluss zwecks Entlüftung durch die Steuerventileinrichtung hindurch mit dem Entlüftungsanschluss verbunden und der Speiseanschluss von den beiden Arbeitsanschlüssen abgetrennt ist.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Antriebssystem, das über eine im vorgenannten Sinne ausgebildete Betätigungsvorrichtung verfügt und das mit einem doppeltwirkenden fluidbetätigten Antrieb ausgestattet ist, der ein relativ zu einem Antriebsgehäuse zwischen einer ersten Hubendlage und einer zweiten Hubendlage hin und her bewegbares Abtriebsglied aufweist, das in dem Antriebsgehäuse eine erste Antriebskammer und eine zweite Antriebskammer voneinander abtrennt, wobei die erste Antriebskammer an den ersten Verbraucheranschluss und die zweite Antriebskammer an den zweiten Verbraucheranschluss fluidisch angeschlossen ist.
Schließlich wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das sich dadurch auszeichnet, dass im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung während und/oder nach Beendigung der ersten Hubbewegung des Abtriebsgliedes ein Fluidspeicher der Betätigungsvorrichtung mit dem von der Druckquelle bereitgestellten Antriebsfluid gefüllt wird, wobei im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung ohne ein Nachfüllen des Fluidspeichers ausschließlich das in dem Fluidspeicher enthaltene begrenzte Volumen an Antriebsfluid verwendet wird, um die Fluidbeaufschlagung der ersten Antriebskammer zur Erzeugung der zweiten Hubbewegung hervorzurufen.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es, die kinetische Energie eines sich bewegenden Abtriebsgliedes eines fluidbetätigten Antriebes in einer seiner beiden möglichen Bewegungsrichtungen wirksam zu begrenzen, ohne die entgegengesetzte Hubbewegung zu beeinflussen. Die Energiebegrenzung findet insbesondere zum Ende einer zur besseren Unterscheidung als zweite Hubbewegung bezeichneten Hubbewegung des Abtriebsgliedes statt, während zum Start dieser zweiten Hubbewegung noch eine hohe Energie vorhanden ist, um das Abtriebsglied auf eine gewünschte Hubgeschwindigkeit zu beschleunigen. Bei einem fluidbetätigten Antrieb, dessen Abtriebsglied eine Kolbenstange aufweist, wird die Energiebegrenzung insbesondere für die Ausfahrbewegung genutzt, kann aber alternativ auch ohne weiteres für eine Energiebegrenzung bei der Einfahrbewegung verwendet werden.
Als Antriebsfluid zur Fluidbeaufschlagung des Abtriebsgliedes kann ein beliebiges fluidisches Druckmedium eingesetzt werden, wobei sich die Vorteile allerdings insbesondere bei Verwendung von Druckluft äußern, also in Verbindung mit einem pneumatischen Antrieb.
Der fluidbetätigte Antrieb kann beispielsweise ein Linearantrieb oder ein Drehantriebs bzw. Schwenkantrieb sein.
Bei einem fluidbetätigten Antrieb wird die meiste Energie während einer Beschleunigungsphase zum Bewegungsstart des Abtriebsgliedes benötigt. Hat das Abtriebsglied einen Bereich gleichförmiger Bewegung erreicht, was sich in einer zumindest annähernd konstanten Hubgeschwindigkeit äußert, muss in der Regel nur noch Energie zur Überwindung der Reibarbeit eingebracht werden. Ohne eine Energiebegrenzung kann es beispielsweise in der Endphase der zweiten Hubbewegung zu Gefährdungssituationen kommen, wenn das Abtriebsglied dazu verwendet wird, ein bewegliches Objekt in Richtung zu einem ortsfesten Objekt zu verlagern und sich der Abstand zwischen den beiden Objekten so stark verringert, dass die Gefahr des Einklemmens menschlicher Gliedmaßen besteht. Erfindungsgemäß wird dieses Gefährdungspotenzial minimiert, da die kinetische Energie des Abtriebsgliedes bei der zweiten Hubbewegung mit zunehmender Vergrößerung der ersten Antriebskammer abnimmt. Die von dem Abtriebsglied ausübbare Kraft wird so stark reduziert, dass ein zwischen den beiden vorgenannten Objekten eingeklemmtes Körperteil keinen Schaden nimmt. Verantwortlich für die Energiebegrenzung ist ein Fluidspeicher, der im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung durch die Steuerventileinrichtung hindurch mit aus der angeschlossenen Druckquelle stammendem Antriebsfluid gefüllt wird. Abhängig von der Füllmenge wird dadurch in dem Fluidspeicher eine gewisse Menge an potenzieller Energie vorgehalten. Die Energiemenge lässt sich einfach über den Fluiddruck und das Volumen des Fluidspeichers vorgeben. Wird die Steuerventileinrichtung anschließend in den zweiten Schaltzustand umgeschaltet, kann das gespeicherte Antriebsfluid in die erste Antriebskammer des fluidbetätigten Antriebes strömen und die zweite Hubbewegung hervorrufen. Bedingt durch das begrenzte Speichervolumen des während des zweiten Schaltzustandes nicht nachgefüllten Fluidspeichers nimmt die kinetische Energie des Abtriebsgliedes mit zunehmendem Hub ab, da sich das Volumen der ersten Antriebskammer vergrößert und folglich der darin herrschende Fluiddruck absinkt. Dies führt zu einer kontinuierlichen Absenkung des Gefährdungspotenzials bei der zweiten Hubbewegung. Die sich anschließende, reversierende erste Hubbewegung des Abtriebsgliedes kann ohne eine Energiebegrenzung stattfinden, sodass beispielsweise eine das bewegliche Objekt repräsentierende Schutztüre einer Bearbeitungsmaschine mit hoher Geschwindigkeit geöffnet werden kann. Während der ersten Hubbewegung wird der Fluidspeicher bereits wieder gefüllt, sodass das angestrebte Speicherfüllvolumen sehr schnell für eine neuerliche zweite Hubbewegung des Abtriebsgliedes zur Verfügung steht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zweckmäßigerweise ist die Steuerventileinrichtung so ausgebildet, dass sie im zweiten Schaltzustand den von den beiden Arbeitsanschlüssen abgetrennten Speiseanschluss absperrt. Dies erlaubt einen besonders einfachen konstruktiven Aufbau der Steuerventileinrichtung.
Prinzipiell kann die Steuerventileinrichtung aus mehreren, in geeigneter Weise miteinander fluidisch verschalteten Einzelventilen aufgebaut sein. Bevorzugt handelt es sich bei der Steuerventileinrichtung allerdings um ein Fünfwegeventil, das über fünf Ventilanschlüsse verfügt, bei denen es sich um die beiden Arbeitsanschlüsse, den Speiseanschluss, den Entlüftungsanschluss und den Speicheranschluss handelt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuerventileinrichtung als ein 5/2-Wegeventil ausgebildet. Bevorzugt wird eine monostabile Bauform, bei der eine der beiden Schaltzustände ein Ruhezustand ist, in den die Steuerventileinrichtung durch geeignete Federmittel vorgespannt ist. Eine bistabile Ausführung der Steuerventileinrichtung ist allerdings ebenfalls möglich.
Grundsätzlich können auch andere Bauformen eines Fünfwegeventils als Steuerventileinrichtung vorgesehen sein, insbesondere auch Bauformen mit drei Schaltstellungen. Hierbei kann eine dritte Schaltstellung eine Mittelstellung sein, in der beispielsweise beide Arbeitsanschlüsse entlüftet oder abgesperrt sind.
Bevorzugt ist die Vorsteuerventileinrichtung von einer elektrofluidisch und dabei insbesondere von einer elektropneumatisch vorgesteuerten Bauart. Sie enthält in diesem Fall eine elektrisch betätigbare Vorsteuerventileinrichtung zur Vorgabe des jeweils gewünschten Schaltzustandes. Grundsätzlich kommt allerdings auch eine direkt betätigbare Bauart der Steuerventileinrichtung in Frage.
Das Strömungssteuerventil kann prinzipiell ein Schaltventil sein, das abhängig vom Schaltzustand der Steuerventileinrichtung elektrisch oder fluidisch so angesteuert wird, dass die gewünschte Funktionalität zum Befüllen des Fluidspeichers und zum Verhindern eines eingangsseitigen Fluidaustrittes aus dem Fluidspeicher gewährleistet ist. Als besonders vorteilhaft wird ein Strömungssteuerventil angesehen, das als ein Rückschlagventil ausgebildet ist, das abhängig von der an ihm anliegenden Druckdifferenz betätigt wird, wobei es eine Fluidströmung in Richtung zum Fluidspeicher durchlässt und in der Gegenrichtung sperrt.
Auf der dem Fluidspeicher entgegengesetzten Seite ist dem Strömungssteuerventil zweckmäßigerweise eine Drosselstelle vorgeschaltet. Die Drosselstelle begrenzt die Strömungsrate beim Befüllen des Fluidspeichers, wobei sie bei unkontrollierter Betätigung der Steuerventileinrichtung einen erhöhten Eintrag potenzieller Energie in das System verhindert.
Die Drosselstelle ist bevorzugt durch eine Drosselblende gebildet, insbesondere durch eine hinsichtlich des zur Verfügung gestellten Drosselquerschnittes nicht veränderbare Festblende.
Die Betätigungsvorrichtung kann so ausgeführt sein, dass der erste Arbeitsanschluss der Steuerventileinrichtung unmittelbar den ersten Verbraucheranschluss zum Anschließen der ersten Antriebskammer bildet. Bevorzugt wird allerdings eine Bauform, bei der der erste Verbraucheranschluss bezüglich des ersten Arbeitsanschluss gesondert ausgebildet und über einen ersten Arbeitskanal mit dem ersten Arbeitsanschluss verbunden ist. Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn in den Verlauf des ersten Arbeitskanals eine Drosselrückschlag-Ventileinrichtung eingeschaltet ist, die zur besseren Unterscheidung als erste Drosselrückschlag-Ventileinrichtung bezeichnet wird und die ein zu einer Drosselstelle parallelgeschaltetes Rückschlagventil enthält, das eine Fluidströmung in Richtung zum ersten Verbraucheranschluss durchlässt, in der Gegenrichtung jedoch verhindert. Die erste Drosselrückschlag-Ventileinrichtung erlaubt eine Energiebegrenzung zur Geschwindigkeitseinstellung der ersten Hubbewegung.
Der zweite Verbraucheranschluss kann unmittelbar von dem zweiten Arbeitsanschluss gebildet sein. Die Verbindung des Speichereinganges mit dem zweiten Verbraucheranschluss kann dann beispielsweise innerhalb der Steuerventileinrichtung im Bereich des zweiten Arbeitsanschlusses erfolgen. Als vorteilhafter wird es jedoch angesehen, wenn der zweite Verbraucheranschluss bezüglich dem zweiten Arbeitsanschluss gesondert ausgebildet und über einen zweiten Arbeitskanal mit dem zweiten Arbeitsanschluss verbunden ist. In diesem Fall erfolgt die Fluidverbindung zwischen dem Speichereingang und dem zweiten Verbraucheranschluss bevorzugt durch eine Verbindung des Speichereinganges mit dem zweiten Arbeitskanal an einer zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss und dem zweiten Verbraucheranschluss liegenden Abzweigstelle. Zwischen dieser Abzweigstelle und dem Speichereingang erstreckt sich ein als Befüllkanal bezeichneter Fluidkanal, in dessen Verlauf das Strömungssteuerventil eingeschaltet ist.
Sofern die weiter oben schon erwähnte Drosselstelle zur Begrenzung der Befüllungs-Strömungsrate des Fluidspeichers vorhanden ist, befindet sie sich zweckmäßigerweise im Verlauf des Befüllkanals zwischen dem Strömungssteuerventil und der Abzweigstelle.
Der zweite Arbeitskanal ist durch die Abzweigstelle in einen zum zweiten Arbeitsanschluss führenden ersten Kanalabschnitt und einen zum zweiten Verbraucheranschluss führenden zweiten Kanalabschnitt unterteilt. In den zweiten Kanalabschnitt kann eine Drosselrückschlag-Ventileinrichtung eingeschaltet sein, die zur besseren Unterscheidung als zweite Drosselrückschlag-ventileinrichtung bezeichnet wird und die ein zu einer Drosselstelle parallelgeschaltetes Rückschlagventil enthält, das eine Fluidströmung in Richtung zum zweiten Verbraucheranschluss zulässt und in der Gegenrichtung verhindert. Durch die zweite Drosselrückschlag-Ventileinrichtung lässt sich eine generelle Energiebegrenzung zur Geschwindigkeitseinstellung der zweiten Hubbewegung realisieren, die der durch den Fluidspeicher bewirkten Energiebegrenzung konstant überlagert ist.
Zweckmäßigerweise enthält die Betätigungsvorrichtung eine elektronische Steuereinrichtung, unter deren Mitwirkung elektrische Steuersignale für die Ansteuerung der Steuerventileinrichtung generierbar sind. Es kann vorgesehen sein, dass die elektronische Steuereinrichtung Rückmeldesignale einer Positionserfassungseinrichtung verarbeitet, mit der der fluidbetätigte Antrieb ausgestattet ist, um eine oder mehrere Hubpositionen des Abtriebsgliedes, insbesondere dessen Hubendlagen zu detektieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 in einer Darstellung als Schaltbild eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Antriebssystems, das mit einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung ausgestattet ist, wobei ein erster Betriebszustand illustriert ist, bei dem sich das Abtriebsglied eines fluidbetätigten Antriebes in einer ersten Hubendlage befindet,
2 wiederum als Schaltbild einen zweiten Betriebszustand der in 1 illustrierten Anordnung, in dem sich das Abtriebsglied in einer zweiten Hubbewegung in Richtung zu einer gestrichelt angedeuteten zweiten Hubendlage befindet, und
3 wiederum als Schaltbild einen dritten Betriebszustand der aus 1 und 2 ersichtlichen Anordnung, bei dem das Abtriebsglied eine der zweiten Hubbewegung entgegengesetzte erste Hubbewegung aus der zuvor eingenommenen zweiten Hubendlage in Richtung zu der aus 1 ersichtlichen ersten Hubendlage ausführt.

Das insgesamt mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Antriebssystem ist ein fluidbetätigtes Antriebssystem, das mit einem beliebigen fluidischen Druckmedium als Antriebsfluid betreibbar ist, wobei exemplarisch ein Betrieb mit Druckluft vorgesehen und beschrieben ist.
Das Antriebssystem 1 enthält einen fluidbetätigten Antrieb 2, bei dem es sich beispielhaft um einen Linearantrieb handelt, der aber ohne Weiteres auch als ein Drehantrieb beziehungsweise Schwenkantrieb ausgeführt sein kann.
Der Antrieb 2 hat ein als Antriebsgehäuse 3 bezeichnetes Gehäuse und ein durch gesteuerte Fluiddruckbeaufschlagung mittels des schon erwähnten Antriebsfluides relativ zu dem Antriebsgehäuse hin und her bewegbares Abtriebsglied 4. Der Antrieb 2 ist von einer sogenannten doppeltwirkenden Bauart, was bedeutet, dass er durch Fluidbeaufschlagung aktiv zu einer ersten Hubbewegung 5a und zu einer diesbezüglichen entgegengesetzten zweiten Hubbewegung 5b antreibbar ist.
Im Rahmen der beiden Hubbewegungen 5a, 5b kann das Abtriebsglied 4 wahlweise in einer aus der 1 ersichtlichen ersten Hubendlage HE1 oder in einer in 2 gestrichelt angedeuteten zweiten Hubendlage HE2 positioniert werden. Jede Hubendlage HE1, HE2 kann entweder durch Kontakt des Abtriebsgliedes 4 mit dem Antriebsgehäuse 3 oder mit einem externen Objekt vorgegeben sein.
Beispielhaft ist der Antrieb 2 als ein Arbeitszylinder ausgebildet, dessen Abtriebsglied 4 einen in dem Abtriebsgehäuse 3 angeordneten Kolben 4a und eine mit dem Kolben 4a verbundene, stirnseitig aus dem Antriebsgehäuse 3 herausragende Kolbenstange 4b aufweist. In diesem Zusammenhang repräsentiert die erste Hubendlage HE1 eine in das Antriebsgehäuse 3 eingefahrene Hubendlage des Abtriebsgliedes 4, während die zweite Hubendlage HE2 eine aus dem Antriebsgehäuse 3 ausgefahrene Hubendlage des Abtriebsgliedes 4 repräsentiert.
Das Abtriebsglied 3 und exemplarisch der Kolben 4a unterteilt den Innenraum des Antriebsgehäuses 3 in eine erste Antriebskammer 6 und eine zweite Antriebskammer 7. Bei Ausführung der ersten und zweiten Hubbewegungen 5a, 5b verändern sich die Volumina der beiden Antriebskammern 6, 7. In der ersten Hubendlage weist die erste Antriebskammer 6 ein minimales und die zweite Antriebskammer 7 ein maximales Kammervolumen auf, in der zweiten Hubendlage sind diese Volumenverhältnisse vertauscht.
Die beiden Hubbewegungen 5a, 5b sind durch eine aufeinander abgestimmte, das heißt gesteuerte fluidische Druckbeaufschlagung der beiden Antriebskammern 6, 7 hervorrufbar. Hierzu weist das Antriebssystem 1 eine insgesamt mit Bezugsziffer 8 bezeichnete Betätigungsvorrichtung auf, die an die beiden Antriebskammern 6, 7 des fluidbetätigten Antriebes 2 angeschlossen ist. Das für die Druckbeaufschlagung verwendete, als Antriebsfluid bezeichnete Druckmedium wird durch eine externe Druckquelle P bereitgestellt, die ebenfalls an die Betätigungsvorrichtung 8 angeschlossen ist.
Die Komponenten der Betätigungsvorrichtung 8 können bei Bedarf platzsparend und kompakt in einer beispielsweise blockartig ausgebildeten Betätigungs-Baugruppe 8a zusammengefasst sein, was in den Figuren jeweils durch einen strichpunktierten Rahmen illustriert ist.
Im Betrieb des Antriebssystems 1 treten in den beiden Antriebskammern 6, 7 Druckänderungen des darin herrschenden Fluiddruckes auf. Der Fluiddruck kann maximal einem durch die Druckquelle P bereitgestellten Betriebsdruck und minimal dem Atmosphärendruck entsprechen. Im Folgenden wird zur besseren Unterscheidung der in der ersten Antriebskammer 6 momentan herrschende Fluiddruck auch als erster Kammerdruck und der in der zweiten Antriebskammer 7 momentan herrschende Fluiddruck auch als zweiter Kammerdruck bezeichnet.
Die Betätigungsvorrichtung 8 hat einen zur Verbindung mit der ersten Antriebskammer 6 vorgesehenen und in dem illustrierten, betriebsbereiten Zustand mit dieser ersten Antriebskammer 6 fluidisch verbundenen ersten Verbraucheranschluss 9. Ferner hat die Betätigungsvorrichtung 8 einen zur Verbindung mit der zweiten Antriebskammer 7 vorgesehenen und in dem illustrierten, betriebsbereiten Zustand mit der zweiten Antriebskammer 7 verbundenen zweiten Verbraucheranschluss 11. Die Fluidverbindungen zwischen den Verbraucheranschlüssen 9, 11 und den Antriebskammern 6, 7 sind exemplarisch mittels als Verbraucherleitungen 12 bezeichneter Fluidleitungen realisiert, beispielsweise in Form von flexiblen Druckluftschläuchen.
Die Betätigungsvorrichtung 8 enthält eine Steuerventileinrichtung 10, deren Funktion darin besteht, die Fluidbeaufschlagung der beiden Antriebskammern 6, 7 zu steuern und auf diese Weise vorzugeben, in welcher Richtung sich das Abtriebsglied 4 bewegt und ob oder wie lange das Abtriebsglied 4 in einer der beiden Hubendlagen festgehalten wird. Man kann die Steuerventileinrichtung 10 somit auch als Richtungs-Steuerventileinrichtung bezeichnen.
Die Steuerventileinrichtung 10 hat bevorzugt die Funktion eines Fünfwegeventils und verfügt insofern über fünf Ventilanschlüsse 20. Die Steuerventileinrichtung 10 kann alternativ zumindest in einen ersten Schaltzustand oder in einen ersten Schaltzustand geschaltet werden. Der in der Zeichnung im ersten (1) und dritten (3) Betriebszustand des Antriebssystems 1 vorliegende erste Schaltzustand der Steuerventileinrichtung 10 ist durch eine von einem Kreis umrahmte Zahl „1“ kenntlich gemacht, der bei dem zweiten Betriebszustand (2) vorliegende zweite Schaltzustand durch eine von einem Kreis umrahmte Zahl „2“.
Beispielhaft kann die Steuerventileinrichtung 10 nur zwei Schaltzustände, nämlich den ersten und zweiten Schaltzustand einnehmen. Insofern hat die Steuerventileinrichtung 10 exemplarisch eine 5/2-Wege-Ventilfunktion. Gemäß nicht illustrierter Ausführungsbeispiele kann die Steuerventileinrichtung 10 aber durchaus mehr als zwei Schaltzustände aufweisen, insbesondere drei Schaltzustände zur Realisierung einer 5/3-Wege-Ventilfunktion.
Bevorzugt ist die Steuerventileinrichtung 10 von einer einzigen Ventileinheit gebildet, bei der es sich exemplarisch um ein 5/2-Wegeventil handelt. Eine Ventileinheit mit drei Schaltzuständen kann dementsprechend als 5/3-Wegeventil realisiert sein. Allerdings besteht grundsätzliche die Möglichkeit, die Ventilfunktion durch Verschaltung mehrerer Einzelventile zu realisieren, beispielsweise zweier 3/2-Wegeventile.
Bevorzugt ist der Steuerventileinrichtung 10 zur wahlweisen Vorgabe der gewünschten Schaltstellung eine elektrisch betätigbare Vorsteuerventileinrichtung 18 zugeordnet. Dementsprechend ist die Steuerventileinrichtung 10 von einer elektrofluidisch und exemplarisch elektropneumatisch vorgesteuerten Bauart. Die elektrische Betätigung der Vorsteuerventileinrichtung 18 ist durch elektrische Steuersignale hervorrufbar, die zweckmäßigerweise durch eine elektronische Steuereinrichtung 23 bereitgestellt werden können. Diese elektronische Steuereinrichtung 23 kann extern vorgesehen oder als Bestandteil der Betätigungsvorrichtung 8 ausgebildet sein. Bei der elektronischen Steuereinrichtung 23 handelt es sich beispielsweise um eine bei Bedarf zusätzlich auch weitere Steuerungsaufgaben ausführende speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) .
Das durch die Vorsteuerventileinrichtung 18 zum Umschalten der Steuerventileinrichtung 10 steuerbare Vorsteuerfluid wird der Vorsteuerventileinrichtung 18 exemplarisch über einen Vorsteuerkanal 18a zugeführt, der mit der Druckquelle P in Verbindung steht.
Abweichend vom illustrierten Ausführungsbeispiel kann die Steuerventileinrichtung 10 auch von einer direkt elektrisch betätigbaren Bauart sein und beispielsweise über eine Elektromagneteinrichtung als interne Betätigungseinrichtung verfügen.
Beispielhaft ist die Steuerventileinrichtung 10 monostabil ausgebildet und durch eine Federeinrichtung 24 in einen Ruhezustand vorgespannt, bei dem es sich exemplarisch um den ersten Schaltzustand handelt. Alternativ kann die über eine 5/2-Wege-Ventilfunktion verfügende Steuerventileinrichtung 10 auch eine bistabile Funktionalität aufweisen.
Unter den Ventilanschlüssen 20 der Steuerventileinrichtung 10 befindet sich ein Speiseanschluss 13, der im betriebsbereiten Zustand der Betätigungsvorrichtung 8 an die das Antriebsfluid bereitstellende Druckquelle P angeschlossen ist. Dieses Anschließen kann direkt an dem Speiseanschluss 13 erfolgen oder entsprechend des illustrierten Ausführungsbeispiels an einem Versorgungsanschluss 25, der über einen Speisekanal 26 mit dem Speiseanschluss 13 fluidisch verbunden ist. Exemplarisch ist der Vorsteuerkanal 18a von dem Speisekanal 26 abgezweigt.
Bei einem weiteren Ventilanschluss 20 der Steuerventileinrichtung 10 handelt es sich um einen Entlüftungsanschluss 14, der ständig mit einer Drucksenke R verbunden ist, bei der es sich exemplarisch um die Atmosphäre handelt. Bei einem hydraulischen Antriebsfluid ist die Drucksenke R beispielsweise von einem unter Atmosphärendruck stehenden Tank gebildet.
Die Steuerventileinrichtung 10 hat als weitere Ventilanschlüsse 20 einen fluidisch mit dem ersten Verbraucheranschluss 9 verbundenen ersten Arbeitsanschluss 16 sowie einen mit dem zweiten Verbraucheranschluss 11 fluidisch verbundenen zweiten Arbeitsanschluss 17. Die beiden Verbraucheranschlüsse 9, 11 sind exemplarisch bezüglich des jeweils zugeordneten Arbeitsanschlusses 16, 17 gesondert ausgebildet, wobei der erste Arbeitsanschluss 16 über einen ersten Arbeitskanal 27 mit dem ersten Verbraucheranschluss 9 und der zweite Arbeitsanschluss 17 über einen zweiten Arbeitskanal 28 mit dem zweiten Verbraucheranschluss 11 verbunden ist. Die beiden Arbeitskanäle 27, 28 gehören zweckmäßigerweise zu der Betätigungsvorrichtung 8.
Bei einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist mindestens ein und bevorzugt jeder Verbraucheranschluss 9, 11 unmittelbar von dem ihm zugeordneten ersten beziehungsweise zweiten Arbeitsanschluss 16, 17 gebildet. In diesem Fall können die Verbraucherleitungen 12 seitens der Betätigungsvorrichtung 8 direkt an die Arbeitsanschlüsse 16, 17 der Steuerventileinrichtung 10 angeschlossen sein.
Ein weiterer, exemplarisch fünfter Ventilanschluss 20 der Steuerventileinrichtung 10 steht mit einem Fluidspeicher 32 der Betätigungsvorrichtung 8 in ständiger Fluidverbindung und wird zur besseren Unterscheidung als Speicheranschluss 15 bezeichnet.
Der Fluidspeicher 32 hat einen zu seiner Befüllung mit einem fluidischen Druckmedium geeigneten Speichereingang 33 und einen diesbezüglich insbesondere gesonderten, zur Speicherentleerung dienenden Speicherausgang 34. Der Speicherausgang 34 ist an den Speicheranschluss 15 der Steuerventileinrichtung 10 angeschlossen, was bevorzugt mittels eines im Folgenden als Entleerkanal 35 bezeichneten Fluidkanals der Betätigungsvorrichtung 8 realisiert ist.
Der Fluidspeicher 32 besteht aus einem Hohlraum eines bevorzugt fest vorgegebenen Rauminhaltes und ist beispielhaft von einer starren Speicherwand 36 begrenzt.
Der Speichereingang 33 des Fluidspeichers 32 ist fluidisch an den zweiten Verbraucheranschluss 11 und somit auch an den damit kommunizierenden zweiten Arbeitsanschluss 17 angeschlossen. Allerdings handelt es sich nicht um eine ständig frei durchgängige Fluidverbindung, sondern um eine gesteuerte Fluidverbindung, was daraus resultiert, dass in die Verbindung zwischen dem Speichereingang 33 und dem zweiten Versorgungsanschluss 11 bzw. dem zweiten Arbeitsanschluss 17 ein Strömungssteuerventil 37 eingeschaltet ist.
Bevorzugt ist das Strömungssteuerventil 37 im Verlauf eines als Befüllkanal 38 bezeichneten Fluidkanals angeordnet, der sich zwischen dem Speichereingang 33 und einer im Verlauf des zweiten Arbeitskanals 28 ausgebildeten Abzweigstelle 42 erstreckt. An der Abzweigstelle 32 ist der Befüllkanal 38 mit dem zweiten Arbeitskanal 28 fluidisch verbunden.
Das Strömungssteuerventil 37 sitzt zwischen einem zur Abzweigstelle 32 führenden ersten Befüllkanalabschnitt 38a und einem zum Speichereingang 33 führenden zweiten Befüllkanalabschnitt 38b des Befüllkanals 38. Es hat insbesondere eine dahingehende Funktionalität, dass es eine Fluidströmung in Richtung zum Fluidspeicher 32 durchlässt, wenn der im ersten Befüllkanalabschnitt 38a herrschende Fluiddruck zumindest um ein vorgegebenes Mindestmaß höher ist als der im Fluidspeicher 32 herrschende Fluiddruck. In diesem Fall ist eine Befüllungs-Fluidströmung in den Fluidspeicher 32 hinein möglich, um letzteren mit Druckmedium aus der Druckquelle P zu befüllen. In der Gegenrichtung verhindert das Strömungssteuerventil 37 einen Fluiddurchtritt unabhängig von der zwischen den beiden Befüllkanalabschnitten 38a, 38b anstehenden Druckdifferenz, sodass sich der Fluidspeicher 32 durch den Speichereingang 33 hindurch selbst dann nicht entleeren kann, wenn der erste Befüllkanalabschnitt 38a drucklos ist.
Die geschilderte Funktionalität des Strömungssteuerventils 37 lässt sich prinzipiell dadurch realisieren, dass das Strömungssteuerventil 37 als ein elektrisch betätigbares Schaltventil, insbesondere ein 2/2-Wegenventil ausgebildet ist, das durch die elektronische Steuereinrichtung 23 bestimmungsgemäß in Abhängigkeit vom Schaltzustand der Steuerventileinrichtung 10 ansteuerbar ist. Aufgrund des wesentlich einfacheren und dennoch sehr funktionssicheren Aufbaus wird es allerdings vorgezogen, das Strömungssteuerventil 37 als ein differenzdruckabhängig gesteuertes Rückschlagventil 37a auszubilden, was bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Das Rückschlagventil 37a lässt eine Fluidströmung in Richtung zum Fluidspeicher 32 durch, während es in der Gegenrichtung sperrt.
Beispielhaft hat das im Folgenden zur besseren Unterscheidung auch als Strömungssteuer-Rückschlagventil 37a bezeichnete Rückschlagventil 37a ein Rückschlagventilglied 43, das durch eine Rückstellfeder 44 nachgiebig in eine Schließstellung vorgespannt ist. Die Wirkrichtung der Rückstellfeder 44 ist der Druckkraft entgegengesetzt, der das Rückschlagventilglied 43 durch den im ersten Befüllkanalabschnitt 38a herrschenden Fluiddruck ausgesetzt ist. Die Federkraft der Rückstellfeder 44 bestimmt die Öffnungsschwelle für einen Fluiddurchtritt in Richtung zum Fluidspeicher 32.
Optional ist dem Strömungssteuerventil 37 auf der dem Fluidspeicher 32 entgegengesetzten Seite eine Drosselstelle 45 vorgeschaltet. Diese bevorzugt von einer Drosselblende gebildete Drosselstelle 45 befindet sich exemplarisch im Verlauf des ersten Befüllkanalabschnittes 38a. Für die grundsätzliche Funktion der Betätigungsvorrichtung 8 ist die Drosselstelle 45 entbehrlich.
Ein weiteres optionales Ausstattungsmerkmal des Antriebssystems 1 und insbesondere der Betätigungsvorrichtung 8 besteht darin, dass in den Verlauf des ersten Arbeitskanals 27 eine erste Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 46 eingeschaltet ist und/oder dass in den Verlauf des zweiten Arbeitskanals 28 eine zweite Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 47 eingeschaltet ist.
Seitens des zweiten Arbeitskanals 28 befindet sich die zweite Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 47 exemplarisch im Verlauf eines sich zwischen der Abzweigstelle 42 und dem zweiten Verbraucheranschluss 11 erstreckenden zweiten Kanalabschnitt 28b des zweiten Arbeitskanals 28, der an der Abzweigstelle 42 in einen zum zweiten Arbeitsanschluss 17 führenden ersten Kanalabschnitt 28a des zweiten Arbeitskanals 28 übergeht.
Jede Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 46, 47 kann abbildungsgemäß bezüglich dem fluidbetätigten Antrieb 2 gesondert ausgebildet sein. Gemäß einem nicht illustrierten Ausführungsbeispiel ist es jedoch ohne weiteres möglich, die vorhandene erste und/oder zweite Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 46, 47 in den fluidbetätigten Antrieb 2 zu integrieren und dort insbesondere am oder im Antriebsgehäuse 3 anzuordnen. In diesem Fall ist der zugeordnete erste und/oder zweite Verbraucheranschluss 9, 10 ebenfalls im Antrieb 2 ausgebildet und besteht beispielsweise aus einem Verbindungskanal oder einer Verbindungsöffnung zwischen der betreffenden Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 46, 47 und der zugeordneten Antriebskammer 6, 7.
Jede vorhandene Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 46, 47 hat eine Drosselstelle 48 und ein diesbezüglich parallel geschaltetes Rückschlagventil 49, wobei das Rückschlagventil 49 eine Fluidströmung in Richtung zum zugeordneten Verbraucheranschluss 9, 11 durchlässt und in der Gegenrichtung sperrt. Somit ist das Antriebsfluid in beiden Fällen in der Lage, unter Umgehung der Drosselstelle 48 ungedrosselt mit maximaler Strömungsrate in die zugeordnete Antriebskammer 6, 7 einzuströmen, während das aus einer Antriebskammer 6, 7 verdrängte Antriebsfluid gezwungen ist, mit reduzierter Strömungsrate durch die Drosselstelle 48 hindurchzuströmen, was eine Geschwindigkeitsreduzierung für die Hubgeschwindigkeit der zugeordneten ersten oder zweiten Hubbewegung 5a, 5b bewirkt.
Die Drosselstelle 48 ist zweckmäßigerweise als ein Drosselventil mit variabel einstellbarer Drosselungsintensität ausgeführt, sodass sich die Hubgeschwindigkeit variabel einstellen lässt.
Durch den momentan gewählten, auch als Schaltstellung bezeichenbaren Schaltzustand der Steuerventileinrichtung 10 kann das Abtriebsglied 4 entweder zu der ersten Hubbewegung 5a oder zu der zweiten Hubbewegung 5b angetrieben werden. Wird eine Schaltstellung über den Zeitpunkt des Erreichens einer Hubendlage hinaus aufrechterhalten, wird das Abtriebsglied in der erreichten ersten beziehungsweise zweiten Hubendlage HE1 oder HE2 festgehalten.
Im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung 10, der aus den 1 und 3 ersichtlich ist, ist durch die Steuerventileinrichtung 10 hindurch der erste Arbeitsanschluss 16 mit dem Entlüftungsanschluss 14 und gleichzeitig der zweite Arbeitsanschluss 17 mit dem Speiseanschluss 13 verbunden. Außerdem ist in dem ersten Schaltzustand der Speicheranschluss 15 an der Steuerventileinrichtung 10 abgesperrt.
Im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung 10, der in 2 illustriert ist, ist durch die Steuerventileinrichtung 10 hindurch zum einen der erste Arbeitsanschluss 16 mit dem Speicheranschluss 15 und zum anderen der zweite Arbeitsanschluss 17 mit dem Entlüftungsanschluss 14 verbunden. Gleichzeitig ist der Speiseanschluss 13 sowohl vom ersten Arbeitsanschluss 16 als auch vom zweiten Arbeitsanschluss 17 und insbesondere auch von jedem weiteren Ventilanschluss 20 abgetrennt. Letzteres geschieht exemplarisch dadurch, dass der Speiseanschluss 13 im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung 10 durch die Steuerventileinrichtung 10 abgesperrt ist.
Auf der Grundlage der erläuterten Funktionalität der Betätigungsvorrichtung 8 lässt sich das Antriebssystem 1 vorteilhaft in der nachstehend erläuterten Verfahrensweise betreiben.
Die Erläuterung des Betriebserfahrens erfolgt anhand einer vorteilhaften Anwendung, bei der durch den Antrieb 2 ein bewegliches Objekt 52 abwechselnd zwischen einer von einem ortsfesten Objekt 53 entfernten ersten Objektposition OP1, die in 1 illustriert ist, und einer an das ortsfeste Objekt 53 angenäherten zweiten Objektposition OP2, die in 2 gestrichelt angedeutet ist, verlagert wird.
Bei dem beweglichen Objekt 52 handelt es sich insbesondere um eine bewegliche Schutztüre einer den Arbeitsbereich einer Werkzeugmaschine abgrenzenden Begrenzungseinrichtung, wobei die Schutztüre relativ zu einem von dem ortsfesten Objekt 53 gebildeten feststehenden Bestandteil der Begrenzungseinrichtung bewegbar ist, um wahlweise in einer den Zugang zu dem Arbeitsbereich versperrenden Schließstellung oder in einer den Zugang zu dem Arbeitsbereich freigebenden Offenstellung positioniert zu werden. Die erste Objektposition OP1 entspricht der Offenstellung, die zweite Objektposition OP2 der Schließstellung. Das bewegliche Objekt 52 ist an dem Abtriebsglied 4 angebracht, insbesondere an der Kolbenstange 4b, wobei es durch die erste Hubbewegung 5a aus der zweiten Objektposition OP1 in die erste Objektposition OP2 und im Rahmen der zweiten Hubbewegung 5b aus der ersten Objektposition OP1 in die zweite Objektposition OP2 bewegbar ist.
Die erste Hubbewegung 5a soll mit möglichst hoher Geschwindigkeit ablaufen, um einen raschen Zugang zu dem Arbeitsbereich zu ermöglichen. Die zweite Hubbewegung 5b soll zumindest bei Annäherung an die zweite Objektposition OP2 mit einer relativ geringen kinetischen Energie stattfinden, um Verletzungen für den Fall zu vermeiden, dass ein Körperteil einer Person in dem sich allmählich verkleinernden Zwischenraum 54 zwischen den beiden Objekten 52, 53 eingeklemmt wird.
Die 1 illustriert einen ersten Betriebszustand, bei dem die Steuerventileinrichtung 10 den ersten Schaltzustand einnimmt. Hierbei ist die zweite Antriebskammer 7 mit unter dem Betriebsdruck stehendem Antriebsfluid beaufschlagt, während gleichzeitig die erste Antriebskammer 6 entlüftet ist. Die Fluidbeaufschlagung erfolgt ausgehend von dem Versorgungsanschluss 25 über den Speisekanal 26, den Speiseanschluss 13, den zweiten Arbeitsanschluss 17, den zweiten Arbeitskanal 28, das optionale Rückschlagventil 49 der zweiten Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 47, den zweiten Verbraucheranschluss 11 und schließlich die an die zweite Antriebskammer 7 angeschlossene Verbraucherleitung 12.
Die zeitgleiche Entlüftung der ersten Antriebskammer 6 erfolgt aus der ersten Antriebskammer 6 durch die zum ersten Verbraucheranschluss 9 führende Verbraucherleitung 12 hindurch und anschließend über die Drosselstelle 48 der optionalen ersten Drosselrückschlag-Ventileinrichtung 46, den ersten Arbeitsanschluss 16 und den Entlüftungsanschluss 14 zur Drucksenke R.
In dem ersten Betriebszustand der 1 nimmt das Abtriebsglied 4 die erste Hubendlage HE1 ein, wobei es aufgrund der an ihm anstehenden Druckdifferenz in dieser ersten Hubendlage festgehalten ist, ebenso wie das mit dem Abtriebsglied 4 bewegungsgekoppelte bewegliche Objekt 52 in der ersten Objektposition OP1.
Da der Befüllkanal 38 an den zweiten Arbeitskanal 28 angeschlossen ist, ist er in gleicher Weise wie der zweite Arbeitskanal 28 von dem unter dem Betriebsdruck stehenden Antriebsfluid der Druckquelle P beaufschlagt. Folglich strömt das Antriebsfluid durch die optionale Drosselstelle 45 und das aufgrund der an ihm herrschenden Druckdifferenz öffnende Strömungssteuer-Rückschlagventil 37a hindurch in den Fluidspeicher 32 ein. Da der Fluidspeicher 32 ausgangsseitig durch den abgesperrten Speicheranschluss 15 verschlossen ist, wird der Fluidspeicher mit Antriebsfluid gefüllt, sodass eine gewisse Menge an potenzieller Energie gespeichert wird, deren Höhe hauptsächlich vom Betriebsdruck des Antriebsfluides und dem Speichervolumen des Fluidspeichers 32 abhängt.
Solange sich die Steuerventileinrichtung 10 in dem ersten Schaltzustand befindet, bleibt der erste Betriebszustand erhalten.
Eine Änderung in den zweiten Betriebszustand gemäß 2 tritt ein, wenn die Steuerventileinrichtung 10 in den zweiten Schaltzustand umgeschaltet worden ist. Das Umschalten kann durch ein der elektronischen Steuereinrichtung 23 zugeleitetes Umschaltsignal hervorgerufen werden, zu welchem Zweck die Betätigungsvorrichtung 8 ein nur schematisch angedeutetes Signaleingabemittel 55 aufweist. Letzteres kann beispielsweise eine Handtastvorrichtung sein.
In dem dann vorliegenden zweiten Betriebszustand ist die zweite Antriebskammer 7 über den zweiten Verbraucheranschluss 11, den zweiten Arbeitskanal 28, den zweiten Arbeitsanschluss 17 und den Entlüftungsanschluss 14 zur Drucksenke R entlüftet. Gleichzeitig erfolgt eine Fluidbeaufschlagung der ersten Antriebskammer 6 mit ausschließlich dem in dem Fluidspeicher 32 gespeicherten Volumen an Antriebsfluid. Das gespeicherte Antriebsfluid kann in dem zweiten Schaltzustand aus dem Fluidspeicher 32 durch den Entleerkanal 35, den Speicheranschluss 15, den ersten Arbeitsanschluss 16 und den ersten Arbeitskanal 27 hindurch in die erste Antriebskammer 6 einströmen und dort einen Druckaufbau hervorrufen, durch den die zweite Hubbewegung 5b des Abtriebsgliedes 4 bewirkt wird. Die bei Umschalten in den zweiten Schaltzustand freigesetzte potenzielle Energie ist ausreichend hoch, um das Abtriebsglied 4 einschließlich des daran angebrachten beweglichen Objektes 52 in die zweite Hubbewegung zu versetzen.
Da der Fluidspeicher 32 während des zweiten Schaltzustandes der Steuerventileinrichtung 10 nicht nachbefüllt wird, reduziert sich die kinetische Energie des Abtriebsgliedes 4 während der zweiten Hubbewegung allmählich. Die Energie reicht zwar aus, um die erforderliche Reibarbeit zu überwinden und bei dem konkreten Anwendungsfall die das bewegliche Objekt 52 bildende Schutztüre zu schließen, nimmt jedoch mit zunehmender Verringerung der Spaltbreite des Zwischenraumes 54 ab, sodass ein versehentlich eingeklemmtes Körperteil nicht eingequetscht werden kann. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass durch den Fluidspeicher 32 nur ein begrenzter Energieinhalt zur Verfügung gestellt wird, der mit zunehmendem Hubweg der zweiten Hubbewegung 5b geringer wird, weil sich das erste Kammervolumen der ersten Antriebskammer 6 vergrößert, der Fluidspeicher 32 jedoch nicht nachbefüllt wird. Letztlich fällt der in dem geschlossenen System zwischen dem Fluidspeicher 32 und der ersten Antriebskammer 6 herrschende Druck mehr und mehr ab, wodurch das Gefährdungspotenzial des Antriebs aufgrund von Kraft und Energie kontinuierlich sinkt.
Ein Nachfüllen des Fluidspeichers 32 während des zweiten Schaltzustandes der Steuerventileinrichtung 10 unterbleibt, weil der in dem momentan über den 2. Arbeitskanal 28 entlüfteten ersten Befüllkanalabschnitt 38a herrschende Druck wesentlich kleiner ist als der im Fluidspeicher 32 herrschende Speicherdruck.
Die zweite Hubbewegung 5b endet, wenn das Abtriebsglied 4 die in 2 angedeutete zweite Hubendlage HE2 erreicht hat, was exemplarisch gleichbedeutend ist mit dem Erreichen der zweiten Objektposition OP2 durch das bewegliche Objekt 52. Der zweite Schaltzustand wird solange beibehalten, wie der zweite Betriebszustand aufrechterhalten werden, exemplarisch also die das bewegliche Objekt 52 bildende Schutztüre geschlossen bleiben soll.
Die 3 zeigt einen dritten Betriebszustand, bei dem die Steuerventileinrichtung 10 im Anschluss an den zweiten Betriebszustand durch ein über die Signaleingabemittel 55 auferlegtes Umschaltsignal aus der zweiten Schaltstellung in die erste Schaltstellung zurückgeschaltet hat. Hinsichtlich der fluidischen Verschaltung liegt hier die gleiche Konstellation wie bei dem anhand der 1 erläuterten ersten Betriebszustand vor. Da sich das Abtriebsglied 4 zuvor jedoch in der zweiten Hubendlage HE2 befunden hat, bewegt es sich nun unter Ausführung einer ersten Hubbewegung 5a aus der zweiten Hubendlage HE2 in Richtung der ersten Hubendlage HE1.
Parallel zum Erzeugen der ersten Hubbewegung 5a hat die erste Schaltstellung der Steuerventileinrichtung 10 in dem dritten Betriebszustand die Auswirkung, dass der Fluidspeicher 32 mittels aus dem zweiten Arbeitskanal 28 abgezweigtem Antriebsfluid durch den Befüllkanal 38 hindurch wieder gefüllt wird. Das Befüllen des Fluidspeichers 32 beginnt also nicht erst dann, wenn das Abtriebsglied 4 nach Abschluss der ersten Hubbewegung 5a die erste Hubendlage HE1 erreicht ha, sondern schon während der Ausführung der ersten Hubbewegung 5a. Der Füllvorgang des Fluidspeichers 32 endet, wenn der im Fluidspeicher 32 herrschende Speicherdruck dem durch die Druckquelle P bereitgestellten Betriebsdruck entspricht. Je nach Größe des Speichervolumens und Hubgeschwindigkeit des Abtriebsgliedes 4 kann dies bereits während der ersten Hubbewegung 5a der Fall sein oder aber erst nachdem das Abtriebsglied 4 eine gewisse Zeit in der ersten Hubendlage festgehalten wurde. Das Ende des dritten Betriebszustandes entspricht dem aus 1 ersichtlichen ersten Betriebszustand.
Durch entsprechende Einstellung der Drosselstellen 48 der Drosselrückschlag-Ventileirichtungen 46, 47 kann eine grundsätzliche Geschwindigkeitseinstellung für die beiden Hubbewegungen 5a, 5b vorgenommen werden.
Die optionale Drosselstelle 45 im Befüllkanal 38 verlangsamt das Nachfüllen des Fluidspeichers 32 nach dem Umschalten der Steuerventileinrichtung 10 in den ersten Schaltzustand. Man erreicht damit auch einen Manipulationsschutz, da ein unerwünschtes Nachfüllen des Fluidspeichers 32 verhindert wird, falls die Steuerventileinrichtung 10 während des zweiten Betriebszustandes der 2 unkontrolliert hin und her schalten sollte.
Während des zweiten Schaltstellung der Steuerventileinrichtung 10 verhindert das Strömungssteuer-Rückschlagventil 37a ein Entlüften bzw. Entleeren des Fluidspeichers 32 über den Befüllkanal 38 und den mit der Drucksenke R verbundenen zweiten Arbeitskanal 28.
Das Antriebssystem 1 kann mit einer Positionserfassungseinrichtung 56 ausgestattet sein, die eine Detektion einer oder mehrerer Hubpositionen des Abtriebsgliedes 4 ermöglicht. Bei dem illustrierten Ausführungsbeispiel ist eine solche Positionserfassungseinrichtung 56 vorhanden, um die beiden Hubendlagen HE1, HE2 zu erfassen. Sie verfügt zu diesem Zweck beispielhaft über zwei am Antrieb 2 angebrachte Näherungsschalter und ist über mindestens eine elektrische Rückmeldeleitung 57 an die elektronische Steuereinrichtung 23 angeschlossen.
Auf diese Weise können unter Berücksichtigung der detektierten Hubposition logische Verknüpfungen in der elektronischen Steuereinrichtung 23 hervorgerufen und/oder weitere Komponenten einer mit dem Antriebssystem 1 ausgestatteten maschinellen Anlage angesteuert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019121433 A1 [0004]
DE 102005061968 A1 [0005]
DE 102006054122 B4 [0006]

Claims

Betätigungsvorrichtung zur Betätigung eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes (2), der ein relativ zu einem Antriebsgehäuse (3) zwischen einer ersten Hubendlage (HE1) und einer zweiten Hubendlage (HE2) hin und her bewegbares Abtriebsglied (4) aufweist, das in dem Antriebsgehäuse (3) eine erste Antriebskammer (6) und eine zweite Antriebskammer (7) voneinander abtrennt, - wobei die Betätigungsvorrichtung (8) einen zur Verbindung mit der ersten Antriebskammer (6) vorgesehenen ersten Verbraucheranschluss (9) und einen zur Verbindung mit der zweiten Antriebskammer (7) vorgesehenen zweiten Verbraucheranschluss (11) aufweist, - wobei die Betätigungsvorrichtung (8) ferner über eine Steuerventileinrichtung (10) verfügt, die mehrere Ventilanschlüsse (20) aufweist, unter denen sich ein erster Arbeitsanschluss (16), ein zweiter Arbeitsanschluss (17), ein zur Verbindung mit einer Druckquelle (P) vorgesehener Speiseanschluss (15), ein zur Verbindung mit einer Drucksenke (R) vorgesehener Entlüftungsanschluss (14) sowie ein weiterer Ventilanschluss befindet, wobei der erste Verbraucheranschluss (9) mit dem ersten Arbeitsanschluss (16) verbunden oder von diesem gebildet ist und wobei der zweite Verbraucheranschluss (11) mit dem zweiten Arbeitsanschluss (17) verbunden oder von diesem gebildet ist, - wobei die Steuerventileinrichtung (10) wahlweise in einen ersten Schaltzustand oder in einen zweiten Schaltzustand schaltbar ist, um das Abtriebsglied (4) des angeschlossenen fluidbetätigten Antriebes (2) entweder zu einer ersten Hubbewegung (5a) in Richtung der ersten Hubendlage (HE1) oder zu einer zweiten Hubbewegung (5b) in Richtung der zweiten Hubendlage (HE2) anzutreiben, - wobei im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) durch die Steuerventileinrichtung (10) hindurch der erste Arbeitsanschluss (16) mit dem Entlüftungsanschluss (14) und der zweite Arbeitsanschluss (17) mit dem Speiseanschluss (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, - dass die Betätigungseinrichtung (10) einen Fluidspeicher (32) mit einem zur Speicherbefüllung dienenden Speichereingang (33) und einem zur Speicherentleerung dienenden Speicherausgang (34) aufweist, - dass der weitere Ventilanschluss der Steuerventileinrichtung (10) ein Speicheranschluss (15) ist, der mit dem Speicherausgang (34) des Fluidspeichers (32) verbunden ist, - dass der Speichereingang (33) des Fluidspeichers (32) über ein Strömungssteuerventil (37) mit dem zweiten Verbraucheranschluss (11) verbunden ist, wobei das Strömungssteuerventil (37) im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) eine Befüllungs-Fluidströmung aus dem mit der Druckquelle (P) verbundenen Speiseanschluss (15) in den Fluidspeicher (32) ermöglicht und zumindest im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) einen eingangsseitigen Fluidaustritt aus dem Fluidspeicher (32) verhindert, - dass im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) der Speicheranschluss (15) durch die Steuerventileinrichtung (10) zur Verhinderung einer ausgangsseitigen Entleerung des Fluidspeichers (32) abgesperrt ist, - und dass im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) der erste Arbeitsanschluss (16) zur Fluidversorgung aus dem Fluidspeicher (32) durch die Steuerventileinrichtung (10) hindurch mit dem Speicheranschluss (15) verbunden, der zweite Arbeitsanschluss (17) zwecks Entlüftung durch die Steuerventileinrichtung (10) hindurch mit dem Entlüftungsanschluss (14) verbunden und der Speiseanschluss (15) von den beiden Arbeitsanschlüssen (16, 17) abgetrennt ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speiseanschluss (15) im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) durch die Steuerventileinrichtung (10) abgesperrt ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventileinrichtung (10) als ein Fünfwegeventil ausgebildet ist, das fünf Ventilanschlüsse (20) aufweist, bei denen es sich um die beiden Arbeitsanschlüsse (16, 17), den Speiseanschluss (15), den Entlüftungsanschluss (14) und den Speicheranschluss (15) handelt.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventileinrichtung (10) ein 5/2-Wegeventil ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventileinrichtung (10) monostabil ausgebildet und federnd in einen ihrer beiden Schaltzustände vorgespannt ist, zweckmäßigerweise in den ersten Schaltzustand.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventileinrichtung (10) von einer elektrofluidisch vorgesteuerten Bauart ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungssteuerventil (10) ein eine Fluidströmung in Richtung zum Fluidspeicher (32) durchlassendes und in der Gegenrichtung sperrendes Rückschlagventil (37a) ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strömungssteuerventil (37) auf der dem Fluidspeicher (32) entgegengesetzten Seite eine Drosselstelle (45) vorgeschaltet ist, die zweckmäßigerweise von einer Drosselblende gebildet ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbraucheranschluss (9) bezüglich dem ersten Arbeitsanschluss (16) gesondert ausgebildet und über einen ersten Arbeitskanal (27) mit dem ersten Arbeitsanschluss (16) verbunden ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verlauf des ersten Arbeitskanals (27) eine erste Drosselrückschlag-Ventileinrichtung (46) eingeschaltet ist, die ein eine Fluidströmung in Richtung zum ersten Verbraucheranschluss (9) durchlassendes und in der Gegenrichtung sperrendes Rückschlagventil (49) enthält.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbraucheranschluss (11) bezüglich dem zweiten Arbeitsanschluss (17) gesondert ausgebildet und über einen zweiten Arbeitskanal (28) mit dem zweiten Arbeitsanschluss (17) verbunden ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Arbeitskanal (28) zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss (17) und dem zweiten Verbraucheranschluss (11) eine Abzweigstelle (42) aufweist, wobei der Fluidspeicher (32) über einen sich zwischen dem Speichereingang (33) und der Abzweigstelle (42) erstreckenden Befüllkanal (38) an den zweiten Arbeitskanal (28) angeschlossen ist, wobei das Strömungssteuerventil (37) im Verlauf des Befüllkanals (38) angeordnet ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstelle (45) in dem Befüllkanal (38) zwischen dem Strömungssteuerventil (37) und der Abzweigstelle (42) angeordnet ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Arbeitskanal (28) einen sich zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss (17) und der Abzweigstelle (42) erstreckenden ersten Kanalabschnitt (28a) und einen sich zwischen der Abzweigstelle (42) und dem zweiten Verbraucheranschluss (11) erstreckenden zweiten Kanalabschnitt (28b) aufweist, wobei in den zweiten Kanalabschnitt (28b) eine zweite Drosselrückschlag-Ventileinrichtung (47) eingeschaltet ist, die ein eine Fluidströmung in Richtung zum zweiten Verbraucheranschluss (11) durchlassendes und in der Gegenrichtung sperrendes Rückschlagventil (49) enthält.
Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine elektronische Steuereinrichtung (23) aufweist, unter deren Mitwirkung elektrische Steuersignale für die Ansteuerung der Steuerventileinrichtung (10) bereitstellbar sind.
Antriebssystem, gekennzeichnet durch eine Betätigungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und durch einen doppeltwirkenden fluidbetätigten Antrieb (2), der ein relativ zu einem Antriebsgehäuse (3) zwischen einer ersten Hubendlage (HE1) und einer zweiten Hubendlage (HE2) hin und her bewegbares Abtriebsglied (4) aufweist, das in dem Antriebsgehäuse (3) eine erste Antriebskammer (6) und eine zweite Antriebskammer (7) voneinander abtrennt, wobei die erste Antriebskammer (6) an den ersten Verbraucheranschluss (9) und die zweite Antriebskammer (7) an den zweiten Verbraucheranschluss (11) fluidisch angeschlossen ist.
Verfahren zur Betätigung eines doppeltwirkenden fluidbetätigten Antriebes (2), der ein relativ zu einem Antriebsgehäuse (3) zwischen einer ersten Hubendlage (HE1) und einer zweiten Hubendlage (HE2) hin und her bewegbares Abtriebsglied (4) aufweist, das in dem Antriebsgehäuse (3) eine erste Antriebskammer (6) und eine zweite Antriebskammer (7) voneinander abtrennt, wobei eine Betätigungsvorrichtung (8) verwendet wird, die eine Steuerventileinrichtung (10) aufweist, die wahlweise in einen ersten Schaltzustand oder in einen zweiten Schaltzustand schaltbar ist, wobei im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) durch Fluidbeaufschlagung der zweiten Antriebskammer (7) mit einem von einer Druckquelle bereitgestellten Antriebsfluid und gleichzeitige Entlüftung der ersten Antriebskammer (6) eine erste Hubbewegung (5a) des Abtriebsgliedes (3) in Richtung der ersten Hubendlage (HE1) oder ein Festhalten des Abtriebsgliedes (4) in der ersten Hubendlage (HE1) hervorrufbar ist und wobei im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) durch Fluidbeaufschlagung der ersten Antriebskammer (6) mit dem von der Druckquelle (P) bereitgestellten Antriebsfluid und gleichzeitige Entlüftung der zweiten Antriebskammer (7) eine zweite Hubbewegung (5b) des Abtriebsgliedes (4) in Richtung der zweiten Hubendlage (HE2) oder ein Festhalten des Abtriebsgliedes (4) in der zweiten Hubendlage (HE2) hervorrufbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) während und/oder nach Beendigung der ersten Hubbewegung (5a) des Abtriebsgliedes (4) ein Fluidspeicher (32) der Betätigungsvorrichtung (10) mit dem von der Druckquelle (P) bereitgestellten Antriebsfluid gefüllt wird, wobei im zweiten Schaltzustand der Steuerventileinrichtung (10) ohne ein Nachfüllen des Fluidspeichers (32) ausschließlich das in dem Fluidspeicher (32) enthaltene begrenzte Volumen an Antriebsfluid verwendet wird, um die Fluidbeaufschlagung der ersten Antriebskammer (6) zur Erzeugung der zweiten Hubbewegung (5b) hervorzurufen.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zu seiner Ausführung eine Betätigungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 verwendet wird.