-
Einrichtung zur Steuerung der Geschwindigkeit eines kraNschlüssig
angetriebenen Teiles. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung Pür die
Steuerung der Betriebsgeschwindigkeit eines kraftschlügsig angetriebenen Teiles,
wie z.B. des Kolbens eines druckmittelbetätigten Kolbenmotors. Die Erfindung ist
insbesondere anwendbar für die Steuerung von druckmittelbetätigten Motoren, die
entweder einen geradlinig bewegten Kolben oder einen Drehkolben aufweisen, für den
Vor-,,chub von Werkzeugen oder für die Bewegung anderer Teile kompiLzierter Maschinenanlagen,
wissenschaftlicher Geräte
und dergleichen. Eine besondere Eigenschaft
der Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mit ihr
eine Steuerung bei ungewöhnlich geringen Geschwindigkeiten mit bemerkenswerter Genauigkeit
über unbestimmte Zeiträume gegenüber den wirkungsvollsten Steuergeräten erzielt
werden können, die vor dieser Erfindung in der Technik bekannt waren. Beispielsweise
sind durch diese Steuereinrichtung Vorschubgeschwindigkeiten von weniger als 0,22
mm pro Minute über unbestimmte Zeiträume mit einer maximalen Abweichung von plus
oder minus-0,076 mm pro Minute eingehalten worden. Wenngleich Vorschubgeschwindigkeiten
dieser Größenordnung industriell für gewöhnlich nicht erforderlich sind, sind sie
bei Laborgeräten und bestimmten anderen Präzisionsmaschinen notwendig.
-
Die Grundbestandteile der Steuereinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen dem zu steuernden beweglichen Teil zugeordnete Mittel für die
Verdrändung eines Fließfähigen Mediums mit einer Strömungsgeschwindigkeit, die den
gleichen Wert wie die Betriebsgeschwindigkeit des beweglichen Teiles hat. Das verdrängte
£ließfähige Medium wird in das Einlaßende eines besonderen mit dem Medium gefüllten
Rohres geleitet, durch das das fließiähige Medium zu dem Auslaßende des Rohres hindurchgeht.
Der
Innendurchmesser -und die Länge dieses Rohres sind so ausgewählt, daß das Rohr einen
erheblichen Strömungswiderstand für das in das Rohr verdrängte Medium bildet. Somit
bewirkt das Rohr eine Verlangsamung oder einen Widerstand gegen die Bewegung des
gesteuerten Teiles.
-
Die Größe der Durchflußöffnung des Rohres ist ferner dahingehend bestimmtl
daß das besondere fließfähige Medium in laminarem Zustand durch das Rohr strömt.
Unter diesen Bedingungen ist bei einem Rohr von bestimmter Länge die Geschwindigkeit
des Mediums in dem Rohr (und infolgedessen die Strömungsgeschwindigkeit durch das
Rohr) eine direkte lineare Funktion des Druckunterschiedes zwischen dem Einlaß--und
dem Auslaßende des Rohres. Die erfindungsgemäße Einj?icht-ung umfaßt ferner ein
kombiniertes Druckreduzier- und Regelventil an dem Einlaßende des Rohres, das der
Regelung des Druckunterschiedes zwischen dem Einlaßend.e und dem Auslaßende des
Rohres dient. Somit kann die' Geschwindigkeit (und infolgedessen die Strömungsgeschwindigkeit)
des durch das Rohr fließenden Mediums genau eingestellt werden, indem das Druckregelventil
eingestellt ist. Das heißt, durch Einstellung oder Veränderung des Druckunterschiedes
zwischen den Rohrenden mittels des Druckregelventils kann der Strömungswiderstand
des
Rohres sehr genau eingestellt werden, wodurch sich eine entsprechende auf das gesteuerte
bewegliche Teil ausgeübte Einstellung ergibt.
-
Der Rohrteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht vorzugsweise
aus Metallrohren mit sehr kleinem Innendurchniesser, z.B. vorzugsweise.weniger als
1,3 mm. Derartige Rohre werden in der Technik häufig als "Kapillar"-Rohre
bezeichnet. Außerdem sind die Rohre vorzugsweise schraubenförmig gewunden.
-
Wenn gewünscht, kann das Rohr auch in ein Wasserbad oder in eine andere
geeignete Wärmea-ustauschvorrichtung getaucht werden, um für das in dem Rohr befin'dliche
Medium konstante Temperaturbedingungen aufrecht zu-erhalten.
-
Für gewöhnlich ist das Pließfähige Medium, das für die Verwendung
in dem Steuergerät ausgewählt wird, hy-
draulisches Öl, doch das Gerät
ist ebenfalls mit Luft oder anderen geeigneten Gasen als fließfähiges Medium durchaus
funktionsfähig. Der Betrieb der Einrichtung beruht bei Flüssigkeit oder Gas als
fließfähiges Mie-dium auf denselben Prinzipien.
-
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben, die zum Zweke der Veranschaulichung
eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung in halbschematischer Form eine Anlage zeigt, in der das Steuergerät
der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
-
Der Kolben 10 eines pneumatischen Kolben-Zylinder Motors
11 ist mit einem Steuergerät verbunden, dessen Hauptbestandteile ein hydraulischer
Zylindermotor 12, ein mit der Hand verstellbares Druckregel- und Reduzierventil
14 und ein Rohr 16 für die Bildung eines Strömungswiderstandes sind. Das
Steuergerät bewirkt die Regelung der linearen Geschwindigkeit des pneumatisch betätigten
Kolbens 10 in dem Zylinder 11. Wie ersichtlich, sind alle. Einzelteile
in der Zeichnung zum Zwecke der klaren Darstellung schematisch gezeigt. Die Einzelheiten
der Dichtungen usw. sind absichtlich bei den Kolbenmotoren weggelassen worden. Die
Ausbildung der gezeigten Ventile geht für den Facbmann aus der Beschreibung ihrer
Funktionen hervor.
-
Der Kolben 10 wird in dem in der Zeichnung dargestellten Zustand
durch dem Zylinder 11 durch die Öffnung 20 zugeführte Druckluft nach links
in Richtung des Pfeiles gedrückt. Die Öffnung 21 des Zylinders 11 dient der
Ableitung der Luft aus dem Bereich vor dem Kolben 10.
Die Bewegung des Kolbens
10 wird mechanisch auf den hy-
draulischen Kolben 22 des Zylinders
12 durch eine starre
Verbindungsstange 24 übertragen. Daher bewegen
sich der Kolben 22 und der Kolben 10 mit der gleichen Geschwindigkeit.
-
Der Bereich des Zylinders 12 -vor dem Kolben 22 ist mit einem geeigneten
hydrauli.schen Öl angefüllt, Außerdem sind alle nachstehend beschriebenen
Rohre und das den Strömungswiderstand bildende Steuerrohr 16 ebenfalls mit
derartigem Öl gefüllt.
-
Infolge der nach links gerichteten Bewegung des Kolbens
10 verdrängt der Kolben 22 Öl aus de-in linken d,z#s Zylinders 12
durch ein Rohr 26 und von dort durch einen Filter 28. Ein Absperrventil
29 verhindert die Strömung des verdrängten Mediums zu dein rechten Ende des Zylinders
12.
-
Nachdem das verdrängte Miedium den Filter 28 durchlaufen hat,
gel(-:Ingt es über ein Rohr 30 in die Einlaßöffnung eines Druckregel- und
Reduzierveritils 14, Von dem Ventil 14 tritt das Medium in einen Einlaßteil
32
des den Strömungswiderstand bildenden Rohres 16 --ius.
-
Das in der Zeichnung dargestellte Strömungswiderstandsrohr
16 umfaßt drei Rohrsrlil,inaen.--.ibschnitte 163)
16b
und 16c. Diese Abschnitte sind in Reihe miteinander verbunden. An der Verbindung
zwischen den Rohrschlangen .16a und 16b ist ein Rohr 33 angeschlossen,
das das durch den Abschnitt 16a des Rohres bewegte Medium einem magnetisch betätigten
Zweiwegeventil 34 zuleiten kann. Wenn das Ventil 34 geöffnet ist, verläßt das Medium
das Ventil 34 durch ein Rohr 35 und kann d=h ein Rohr 36 strömen,
um durch ein Rohr 37 wieder in den Zylinder 12 zu gelangen. Ein-Speicher
38 ist an dem Rohr 37 angeschlossen, um eine Mediumreserve für die
Anlage zu schaffen.
-
Wie zuvor bemerkt, ist der Rohrschlangenabschnitt 16a mit einem zweiten
Rohrschlangen,-ibschnitt 16b direkt verbunden, und der letztere ist in direkter
Verbindung mit einer Rohrschlange 16c des Strömungswiderst##:indsrohres
16.
An der Verbindungsstelle zwischen den Schlangen 16b und
16 c kann das Medium nach rechts durch ein Rohr 40 jund von dort durch ein
M.icinetventil 41 und über ein Rohr 42 in die Rückführleitung 36, 37 strümen.
-
Das untere Ende der Schlange 16c des Strömungswiderst.-undsrohres
16 ist in ähnlicher Weise mit einem Rohr 45 verbunden, durch d---.s das Medium
über ein Magnetventil 46 in ein Rohr 47 strömen kann, das mit der Rückführleltung
36, 37 in Verb'--.#idunG ste111-.
Der Zweck der Ventile 34,
41 und 46 besteht darin, die wirksame Länge des Strömungswiderstandsrohres
16
einzustellen. Wenn die Betriebsbedingungen so sind, daß die gesamte
Länge des Rohres 16 verwendet wird, wirken die drei gewundenen Rohrabschnitte
als ein einziges Rohr, dessen Auslaß das Rohr 45 ist. Unter diesen Betriebsbedingungen
ist das Ventil 46 geöffnet, während die Ventile 34 und 41 geschlossen sind. Wenn
es andererseits erwünscht ist, ein kürzeres Stück des Widerstandsrohres
16 zu benutzen, wird nur der Rohrabschnitt 16a verwendet, wobei dann das
Auslaßende des Widerstandsrohres das Rohr 33 ist. Unter*diesen Umständen
ist dann das Ventil 34 geöffnet, während die Ventile 41 und 46 geschlossen sind.
-
An der Auslaßseite des Ventils 34 ist ein Rohr 48 angeschlossen, das
den Druck des Mediums von.dem Rohr
35 zu dem Druckreduzierventil 14 überträgt.
In ähnlicher Weise verbindet ein Rohr 49 das Rohr 42, und ein Rohr
50 das
Rohr 47 mit dem Druckreduzierventil. Der Zweck der letztgenannten Rohre besteht
darin, zu gewährleisten, daß der genaue Druckunterschied zwischen dem Einlaßende
32 des Widerstandsrohres
16 und den verschiedenen verfügbareii Auslaßenden
je nach der bei einen best-Immten Betrieb a(-wählten Gesamtlänge des Widerstandsrohres
16 aufrecht wird.
Das Druckreduzier- und Regelventil 14
ist vorzugsweise ein mero-br.:-inletä.tigtes Ventil, das mit einer Handverstelleinrichtung
52 zur Veränderung der Einstellung des Ventils versehen ist. Die Rohre 48,
49 und
50, die von
je einem der Auslaßenden der Rohrschlangenabschnitte
des Widerstandsrohres
16 her führen, sind so an das Druckreduzier- und Regelventil
angeschlossen, daß die in dem Druckreaelventil verwendete Federkraft zur Aufrechterhaltung
der Regelfunktion unterstützt wird, Das Strüpiungsviderstandsrohr
16 ist
vorzugsweise ein Kapillarrohr, dessen Innendurchmesser für gewöhnlicli weniger als
1,3 mm beträgt. Rohre mit einem Innendurchmesner von
0,51 mm sind
in einer Anlage der dargestellten Art verwendet worden und haben Vorschubgeschwindigkeiten
in der oben erörterten Größenordnung erzielt. Die Rohre, aus denen das Widerstandsrohr
16 gebildet ist, sind
,vr)x,zi)ciswei-'3E2 aUS hOChpOliertem Metallrohr und vorzugsweise |
gewunden, #jie in der Zeichnung vorgeschla- |
Pei dern dareestellten Gerät ist das W-iderstandsrohr
16 |
in ein Wasserbad 55 eingetaucht, Te.nperitur so
ge- |
ist 7 daß das durch dzis Rohr strömende hydraulische
Öl |
Temperatur geli-ilten 1,vird. DJ.e Verwen- |
dung eines Närmeaustausches wie z.B. des Wasserbades
55
ist ein wahlweises Merkmal der Erfindung und ist für gewöhnlich nicht erforderlich,
außer wenn das Medium aus der Umgebung, in der die Einrichtung tätig ist, beträchtliche
Wärmemengen absorbiert. Der Widerstand des Rohres
16 gegen die Strömung des
Mediums durch das Rohr erhöht norma2erweise die Temperatur des Öles nicht in einem
Maße, das berücksichtigt werden müßte.
-
Wie oben erwähnt wird der Durchmesser oder die Querschnittsfläche
des Strömungswiderstandsrohres 16 dahingehend bestimmt, daß die Strömung
des in der Einriclitung verwendeten besonderen Mediums bei den höchstmöglichen Strömungsgeschwin,digkeiten
laminar bl.eibt. Das heißt, das Rohr -ist so ausgebildet, daß der Reynolds-Wert
der Strömung etwa 2000 nicht übersteigt.
-
Unter diesen Voraussetzungen ist bei einer geoebenen-Länge des Rohres
16 der Druckunterschied zwischen dem Einlaßende und dem Auslaßende des Widerstandsrohres
eine direkte lineare Funktion der Strömungsgeschvindigkeit des Mediums durch das
Rohr. Der Druckunterschied kann durch das Ventil 16 gen3u geregelt und zweckentsprechend
eingestellt werden, um die genaue Geschwindigkeitssteuerung zu erzielen.
Wenn
im Betrieb der dargestellten Anlage der angetriebene Kolben 10 nach-links
bewegt wird, bewegt sich der Kolben 22 mit derselben Geschwindigkeit ebenfalls nach
links und verdrängt eine Menge der hydraulischen Flüssigkeit, die sich vor dem Kolben
22 in dem Zylinder 10211 befindet durch den Filter 28 und durch das Druckreduzier-
und Regelventil 14 in das Einlaßende 32 des Widerstandsrohres 16.
Wenn man annimmt, daß die gesamte Länge des Strömungswiderstandsrobres
16 beim Betrieb der Anlage verwendet werden soll, dann sind die Ventile 34
und 41 geschlossen, während das Ventil 46 geöffnet ist. Das Rohr 50 überträgt
den Druck des Miediums am Auslaßende 45 des Strömungswiderstandsrohres
16 zurück zu dem Druckregelventil 14, so daß dieses die genaue Aufrechterh.iltuna
des aewünscht en Druckunterschiedes bewirkt. Die Handeiiistell.vorrichtung
52 des Ventils 14 wird zuvor einaestell-t-, um einen bestimmten Druckunterschied
zwischen dem Einlaßende 32 und dem Auslaßende 45 des Rohres 16 herzustellen.
Dieser eingestellte Druckunterschied wird dann selbsttätig durch das Ventil 14 Gesteuert.
Der durch das Rohr 16 gebildete Strömungswiderstand Gegenüber dem aus dem
Zylinder 12 verdrängten liedjuin bewirkt dadurch die Verzögerung der nach links
Gerichteten Bewegung des Kolbens 22 und gestattet somit dem Kolben 2.l-, sich nur
mit einer Geschwindigkeit zu ->-wegen, die der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums
durch
das Widerstandsrohr 16 gleich ist. Der Hauptar-.beitskolben 10 wird
aufgrund seiner mechanischen Verbindung mit dem Kolben 22 in derselben Weise gebremst.
-
Die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Gerätes ist im Wesentlichen
dieselbe, wenn nur ein oder mehrere Ab-
schnitte des Widerstandsrohres
16 benutzt werden, außer daß dann die entsprechenden Magnetventile geöffnet
oder geschlossen werden, wenn sich die Detriebsbedingungen ändern.
-
Wenngleich die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Steuerung
eines pneumatisch betätigten Kolbens 10 dargestellt wurde, sind die Grundsätze
der vor.liegenden Erfindung auf jedes kraftschlüssig angetriebene Teil anwendbar.
Mit 11kraftschlüssig11 wird eine Form des mechanischen Antriebs bezeichnet, bei
der die Antriebskraft ständig au£ das angetriebene Teil wirkt, aber nicht zwangsläufig
eine Bewegung des angetriebenen Teils erzeugt, die der Größe der Antriebskraft gleichmäßig
entspricht. Beispiele derartiger "kraftschlüssiger" Antriebe umfassen Teile, die
durch Reibriemen angetrieben werden, mechanische Teile, die durch Schlupfkuppiungen
angetrieben werden, Teile die aufgrund der Schwerkraft beweubai, sind, durch Flüssiakeit
bewegte, umlaufende Antriebe
und dergleichen. Um die Steuereinrichtung
der vorliegenden Erfindung derartigen Antrieben anzupassen, wird eine Druckmittelkammer
vorgesehen, die in ihrer Wirkung dem Zylinder 12 entspricht und ein dem Kolben 22
entsprechendes bewegliches Teil wird mit dem gesteuerten bewegten Teil verbunden.
-
Bei einem Druckmittelsystem der dargestellten Art kann das gebremste
Medium auch Teil einer offenen Anlage sein. Dds heißt, das Mediuin kann auch aus
dem Auslaß des Rohres
16 in ein unter atmosphärischem Druck stehendes Auff,iii.ggefä£D'
abgegeben werden.
1
Obgleich die einzelnen Schlangenabschnitte des Rohres
16 in dem dargestellten System in Reihe miteinander ver-
bunden sind, kann (IAs Steuergerät der Erfindung auch |
-'l |
da11,ingehend abgewandelt werden, daß die Abschnitte des |
Rohres 16 parallel oder in verschiedenen Reihen-
und |
Par2,11elverbindungen geschaltet werden. |
Andere Abwandlungen werden durch den Rahmen der bei- |
geFügten Ansprüche mit umfaßt. |