DE19507689C2 - Positioniervorrichtung zum genauen Positionieren von pneumatischen oder hydraulischen Arbeitszylindern - Google Patents

Description

In weiten Bereichen der Industrie, insbesondere der Auto­ matisierungstechnik, finden hydraulische aber besonders pneumatische Zylinder einen breites Anwendungsspektrum. Mit ihnen lassen sich die unterschiedlichsten Anforderun­ gen, wie Bewegen, Öffnen, Schließen, Ausstoßen, Spannen usw. erfüllen.

Pneumatische Zylinder arbeiten in der Regel zwischen zwei festen Anschlägen. Das Einnehmen von Positionen zwischen den Anschlägen ist durch gesteuerte bzw. geregelte Zufuhr von Druckluft zwar grundsätzlich möglich, aber bedingt durch die Kompressibilität des Arbeitsmediums Luft (Stick-Slip-Effekt) nur relativ ungenau erreichbar. Dazu kann sich diese Lage, schon bei geringen Kräften in axi­ aler Richtung des Zylinders, verändern. Bei Ausfall der Druckmittelversorgung nimmt der Kolben je nach wirkender Kraftrichtung eine seiner beiden Endlagen ein, was u. U. ein Sicherheitsrisiko birgt. Um die beiden zuletzt ge­ nannten Probleme zu lösen, müssen zusätzlich weitere Sy­ steme zum Einsatz gebracht werden, die entweder die Kol­ benstange reibschlüssig am Außendurchmesser klemmen, oder mechanisch, formschlüssig verriegeln.

Das Gleiche gilt m. E. auch für hydraulisch wirkende Zy­ linder. Eine exakte Positionierung bedarf einer aufwendi­ gen Regelung des Volumenstromes. Auch Öl ist in gewisser Weise kompressibel, was das Fixieren einer eingenommenen Position erschwert. Die Sicherung der Lage bei Ausfall der Druckversorgung ist bedingt durch Leckage an Venti­ len, Kolben usw., aber auch evtl. Leitungen und Ver­ schraubungen nicht gegeben.

In der DE 38 07 669 A1 wird ein stufenlos verriegelbarer Arbeitszylinder beschrieben, der mit Hilfe eines Kugelumlaufsystems in der hohlgebohrten und an der Innenwand profilierten Kolbenstange eine stufenlose, mechanische und formschlüssige Verriegelung anstrebt. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß eine genaue Positionierung der Kolbenstange nicht möglich ist, sondern nur in Stufen, die mindestens dem Durchmesser der verwendeten Kugeln im Kugelumlaufsystem entsprechen. Weiter ist auch im Normalbetrieb des Arbeitszylinders, auch wenn keine Verriegelung gewünscht ist, das Kugelumlaufsystem ständig im Eingriff, was zu erhöhtem Verschleiß des Verriegelungssystems führt. Besonders bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten des Arbeitszylinders, darf die dauerhafte, zuverlässige Funktion deshalb in Frage gestellt werden. Eine nicht unerhebliche Geräuschentwicklung ist ebenfalls zu erwarten.

Die DE-AS 12 06 316 beschreibt einen druckmittel­ betätigten Stellmotor, der sich mit Hilfe eines ebenfalls druckmittelbetätigten Spannkonus in einer oder mehreren Positionen mechanisch und formschlüssig verriegeln läßt. Eine stufenlose Verriegelung bzw. eine beliebige Positionierung ist jedoch nicht gegeben. Zudem ist die Einrichtung relativ bauaufwendig.

Mit der DE-PS 8 03 251 ist ein Sperrwerk für eine mit einem Druckmittel arbeitende Hubvorrichtung bekannt geworden, bei der die hohle Kolbenstange eines Arbeitszylinders mit einem nicht selbsthemmenden Innengewinde versehen ist, in dem eine entsprechende Gewindespindel drehbar gelagert ist. Zur Verriegelung einer beliebigen Position wird die Drehbewegung der Gewindespindel durch eine reibschlüssig wirkende Bremse verhindert. Eine stufenlose Verriegelung bzw. eine beliebige Positionierung ist zwar möglich, aber bedingt durch die, für ein nicht selbsthemmendes Gewinde notwendige, sehr große Steigung, dürfte die verriegelte Position ein erhebliches Spiel aufweisen. Bei größeren Belastungen der Kolbenstange in axialer Richtung, werden, bedingt durch die verwendete Gewindeart, erhebliche Torsionskräfte auf die Kolbenstange bzw. die Gewindespindel wirksam, die zumindest eine relativ aufwendige und stabil gestaltete Verdrehsicherung notwendig machen. Ferner ist auch im Normalbetrieb des Arbeitszylinders, also auch wenn keine Verriegelung gewünscht ist, das Verriegelungssystem ständig im Eingriff, was erstens zu erhöhtem Verschleiß führt und zweitens den Wirkungsgrad sowie die maximale Verfahrgeschwindigkeit des Arbeitszylinders negativ beeinflussen dürfte.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die aufwendige Steuerung/Regelung der Zuführung des Druckmediums bei Arbeitszylindern zum Er­ reichen einer beliebigen Position zwischen den Endan­ schlägen zu vereinfachen bzw. bekannte Systeme zum Positionieren sowie Klemmen/Verriegeln der Kolbenstange auf der erreichten Position zu verbessern.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 auf­ geführten Merkmale, daß durch eine Gewindespreizhülse im Zusammenwirken mit einer Zugstange und einem Formkeil eine gewinde­ artige Verbindung dieser mit der Innenbohrung der hohlen Kolbenstange eines Arbeitszylinders hergestellt wird und durch definiertes Verdrehen der Gewindespreizhülse mit einem geeigneten Stellglied jede gewünschte Position der Kolbenstange exakt eingenommen werden kann und daß die Kolbenstange in der erreichten Position mechanisch, formschlüssig fixiert wird und so auch Kräfte in axialer Richtung der Kolben­ stange aufgenommen werden können, ohne deren Lage zu ver­ ändern, gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß statt einer aufwendigen Steue­ rung/Regelung der Zuführung des Druckmediums bei Arbeits­ zylindern zum Erreichen einer beliebigen Position zwischen den Endanschlägen und dem zusätzlichen Einsatz weiterer Systeme zum Klemmen/Verriegeln der Kolbenstange auf der erreichten Position, nur eine vergleichsweise kostengünstige und aus wenigen Teilen aufgebaute Vorrichtung benötigt wird, um die Kolbenstange zu positionieren und in der erreichten Stellung zu fixieren. Ferner kommt das System nur dann in Eingriff, wenn eine Verriegelung/Positionierung tatsächlich gewünscht ist. Im normalen Verfahrbetrieb des Arbeitszylinders ist die Positioniervorrichtung außer Eingriff, deshalb weder hinderlich, noch einem unnötigem Verschleiß unterworfen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Pa­ tentanspruch 2 angegeben. Die Umbildung nach Patent­ anspruch 2 ermöglicht es, die Kolbenstange eines Ar­ beitszylinders auch bei Ausfall der Druckmittelversorgung zu bewegen, zu positionieren und in der erreichten Lage mechanisch und formschlüssig zu fixieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1-8 Einzelkomponenten der Positioniervorrichtung

Fig. 9 Beispielhafter Einbau der Vorrichtung in einen Arbeitszylinder.

Die Positioniervorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Gewindespreizhülse (3), einem Formkeil (2), einer Zugstange (4), einem Servozylinder (6) und einem Stell­ glied (7). Die Spreizhülse ist an einem Ende (Fig. 2) mehrfach in Längsrichtung geschlitzt. Die Seg­ mente sind mit einem Außengewinde versehen. Das andere Ende (Fig. 5) ist im Boden des Arbeitszylinders drehbar gelagert. Das Axialspiel der Lagerung (3b) ist durch einen Gewindering einstellbar.

Beim Einziehen des Formkeils (2) in die Gewindespreiz­ hülse (3a) weitet sich die Hülse auf, und die Gewindeseg­ mente greifen formschlüssig in das Innengewinde der Kolbenstange (1) des Arbeitszylinders. Die Segmentenden der Spreizhülse liegen eben auf den Spreizflächen auf und werden durch die Stege am Umfang des Formkeils (2) in ihrer korrekten Lage um den Mittelpunkt fixiert. Die so gegen radiale und tangentiale Verschiebung gesicherten Segmente (3a) bilden zusammen mit dem Formkeil (2) einen hochbelastbaren Schraubenbolzen. Durch den Hub des Servozylinders (6) und durch Anschläge am Formkeil (2) wird der Spreizvorgang auf Gewindenenndurchmesser begrenzt und so die Leichtgängigkeit der entstandenen Gewindeverbindung gewährleistet.

Bewegt wird der Formkeil (2) durch die Zugstange (4), die an ihrem Ende (4a) mit dem Kolben des Servozylinders (6) drehbar, aber gegen axiales Verschieben gesichert, ver­ bunden ist. Je nach Anordnung des Kolbens und seiner Rückholfeder im Servozylinder (6) kann eine "aktive" oder "passive" Verriegelung erfolgen.

Die in Fig. 7 gezeichnete Lage des Servokolbens zeigt die "passive" Version, d. h. die Kolbenstange (1) ist jetzt in unbeaufschlagtem Zustand des Servozylinders (6) durch die Druckfeder festgestellt. Werden Servokolben und Rück­ holfeder umgekehrt eingebaut, erfolgt eine Verriegelung nur dann, wenn der Servozylinder (6) beaufschlagt wird. Die jeweils gewählte Anordnung des Kolbens und der Feder richtet sich sinnvollerweise nach dem entsprechenden An­ wendungsfall.

Die genaue Positionierung der Kolbenstange (1) erfolgt durch Drehung der Gewindespreizhülse (3). Angetrieben wird die Hülse durch die Zugstange, die dazu an ihrem Ende (4a) über eine axial verschiebbare Formschlußverbin­ dung (Keil-, Zahn- oder Polygonwelle) mit dem Stellglied (7) (z. B. Schrittmotor ) verbunden ist. Die Drehbewegung der Zugstange (4) wird auf die Gewindespreizhülse (3) übertragen. Dazu ist die Zugstange im Eingriffsbereich mit der Spreizhülse als Profil (z. B. Sechskant) ausge­ führt. Die Gewindespreizhülse (3) hat über ihre gesamte Länge ein entsprechendes Innenprofil. Dadurch werden die Drehkräfte schon im Bereich des Lagers (Fig. 5) der Ge­ windespreizhülse übertragen. Positionierfehler aufgrund von Torsionsverformung der Zugstange, die bei sehr lang ausgeführten Arbeitszylindern entstehen könnten, werden so vermieden.

Grundsätzlich müßte auch über eine Verdrehsicherung der Kolbenstange (1) nachgedacht werden. Diese ist jedoch in der Regel durch die Verbindung des Kolbenstangenendes mit der zu betätigenden Einrichtung gegeben. Für den Fall, daß diese Verbindung nicht besteht, könnte z. B. der Au­ ßendurchmesser der Kolbenstange als Polygonprofil ausge­ bildet sein, um so mit einer entsprechenden Gestaltung des Durchgangs im Deckel des Arbeitszylinders diese Ver­ drehsicherung zu erreichen.

Bezugszeichenliste

1 Kolbenstange des Arbeitszylinders
2 Formkeil
3a Gewindespreizhülse (segmentierter Teil)
3b Gewindespreizhülse (Lager)
4 Zugstange
4a Zugstange (Ende)
5 Kolben des Arbeitszylinders
6 Servozylinder
7 Stellglied (Schrittmotor)

Claims (2)

1. Positioniervorrichtung zum genauen Positionieren von pneumatischen oder hydraulischen Arbeitszylindern, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Gewindespreizhülse (3) in Zusammenwirken mit einer Zugstange (4) und einem Formkeil (2) eine gewindeartige Verbindung dieser mit der Innenbohrung der hohlen Kolbenstange (1) des Arbeitszylinders hergestellt wird und durch definiertes Verdrehen der Gewindespreizhülse (3) mit einem geeigneten Stellglied (7) jede gewünschte Position der Kolbenstange (1) exakt eingenommen werden kann und daß die Kolbenstange (1) in der erreichten Position mechanisch, formschlüssig fixiert wird und so auch Kräfte in axialer Richtung der Kolbenstange (1) aufgenommen werden können, ohne deren Lage zu verändern.

2. Positioniervorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Anordnung eines Servokolbens und einer auf diesen einwirkenden Druckfeder in einem mit der Gewindespreizhülse (3) über eine Zugstange (4) zusammen­ wirkenden Servozylinder (6) die Kolbenstange (1) wahlweise in drucklosem oder druckbeaufschlagtem Zustand der Positioniervorrichtung fixiert ist.