DE19721759A1

DE19721759A1 - Verfahren zur Energiereduzierung an pneumatischen Antrieben

Info

Publication number: DE19721759A1
Application number: DE1997121759
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof Dr Ing Koehler; Eberhard Dr Ing Zipplies; Michael Dipl Ing Nestler; Gert Dipl Ing Rosenbaum
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-24
Filing date: 1997-05-24
Publication date: 1998-11-26

Description

Technisches Problem der Erfindung

Nach DE-OS 28 23 041 ist ein Verfahren bekannt, wobei ein pneumatischer Ar beitszylinder mit zwei Druckstufen arbeitet. Dabei erfolgt die Ausfahrbewegung unter hohem Druck. Bei der Einfahrbewegung erfolgt zuerst ein Zuschalten eines Mitteldruckreservoirs, so daß ein Teil der Druckenergie aus dem Arbeitszylinder von diesem aufgenommen wird. Dem schließt sich das Absperren des Mittel druckreservoirs und die Entlüftung des Pneumatikzylinders an die Atmosphäre an. Aus dem Mitteldruckreservoir können andere pneumatische Verbraucher mit re duziertem Betriebsdruck betrieben werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, daß zwei Reservoirs (Hochdruck und Mitteldruck) benötigt werden und nur ein Teil der Druckenergie, die sich im Arbeitszylinder in ausgefahrener Stellung be findet, rückgewonnen werden kann. Des weiteren ist das Verfahren nur anwend bar auf einfach wirkende Pneumatikzylinder.

Nach DE-OS 29 15 620 ist ein Verfahren zur Vermeidung des Energieverlustes in Form einer verlorenen Druckluftmenge bei pneumatischen Kolbenantrieben be kannt. Dabei wird der Kolbenstangenraum eines Pneumatikzylinders beim Aus fahren nicht vollständig entlüftet, so daß sich ein Druckpolster aufbauen kann, welches den Rückhub unterstützt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Arbeitszylinder nie seinen vollen Hub ausführen kann. Des weiteren ist das Ver fahren nur anwendbar unter Verwendung eines pneumohydraulischen Druck übersetzers und eines Hydraulikzylinders. Die Erfindung ist auf die Antriebspro bleme des allgemeinen Maschinenbaus nicht anwendbar und bleibt wenigen Spezialgebieten z. B. Pressenantrieben vorbehalten. Weiterhin nachteilig ist, daß nur ein Teil der Druckluftenergie für den Rückhub gespeichert werden kann.

Nach DE-OS 32 33 739 ist eine Einrichtung für das selbständige Rückstellen eines Stellzylinders bekannt. Dabei ist an der Kolbenstangenseite eines doppelt wirkenden pneumatischen Arbeitszylinders ein Druckspeicher angeordnet, der seinerseits über ein Druckbegrenzungsventil ein Rückschlagventil, eine Drossel und ein Wegeventil mit der Druckluftquelle verbindet. In der eingefahrenen Stel lung des Zylinders wird der Speicher mit dem am Druckbegrenzungsventil einge stellten Speicherdruck gefüllt. Beim Ausfahren des Arbeitszylinders erfolgt ein Verdrängen der Luft des Kolbenstangenraums in den Speicher, wodurch es zum Druckanstieg im Speicher kommen müßte. Da der Druckspeicher jedoch mit dem Druckbegrenzungsventil permanent verbunden ist, kann die beim Ausfahren des Zylinders geleistete Kompressionsarbeit nicht gespeichert werden und wird an die Umgebung abgegeben. Nachteilig bei dieser Erfindung ist, daß die Energie, die für den Rückhub notwendig ist, ständig aus dem Druckluftnetz entnommen wer den muß, so daß keine wesentlichen Energieeinsparungseffekte erzielt werden können. Weiterhin nachteilig ist, daß der Antrieb gegen eine konstante Gegenkraft, resultierend aus Speicherdruck und Kolbenringfläche, arbeiten muß.

Somit ist nur ein Verfahrverhalten erzielbar, was dem konventionellen (Einsatz von Drosselrückschlagventilen) Pneumatikantrieben entspricht. Das bedeutet, eine wegeabhängige Abbremsung des Antriebes ist nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, das in der Lage ist, die Ener gie, die für den Rückhub eines Pneumatikzylinders erforderlich ist, bei der Aus fahr- oder Einfahrbewegung zu speichern und somit eine Energieeinsparung von ca. 50% bei Beibehaltung der abgegebenen mechanischen Leistung des Antriebes zu erreichen.

Weiterhin soll das Verfahren zu einer Verbesserung des dynamischen Verfahr verhaltens des Antriebes beitragen.

Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe

Die technische Aufgabe der Erfindung ist es, die im Kolbenstangenraum eines Pneumatikzylinders vorhandene pneumatische Energie nicht an die Atmosphäre beim Ausfahren des Antriebes abzugeben, sondern damit einen Speicher aufzu laden. Diese Energiemenge ist dem Antrieb für die Realisierung der Rückhubbe wegung wieder zuzuführen. Des weiteren erzeugt das Verfahren eine der Aus fahrbewegung proportional ansteigende Gegenkraft, die es ermöglicht, den Antrieb wegabhängig und kontinuierlich abzubremsen, so daß ein sanftes Einfah ren in die Endlage gesichert ist. Diese Verbesserung des dynamischen Verfahr verhaltens ist unabhängig von den äußeren Massenträgheiten, die auf den An trieb wirken.

Die technische Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren realisiert, das nach vorzugsweise 6 Verfahrensschritten abläuft. Dabei erfolgt im ersten Verfah rensschritt das Vorspannen des Speichers 1 und des Kolbenstangenraums (13) mit dem Speichervordruck p₁ über das Druckminderventil (2), das Rück schlagventil (3), das 3/2 Wegeventil (4) sowie das durchgeschaltete 2/2 Wegeventil (5) und 3/2 Wegeventil (10). Der Verfahrensschritt (1) wird abgeschlossen nach Erreichung des Speichervordruckes p₁, was über den Drucksensor (16) erkannt wird, wodurch das 2/2 Wegeventil (5) und das 3/2 Wegeventil (10) wieder sperren. Dem schließt sich der Verfahrensschritt 2 an, bei dem der Kolbenraum (12) des Zylinders (6) mit der Druckluftquelle (22) durch Zuschalten des 2/2 Wegeventils (7) und des 3/2 Wegeventils (8) über das Drosselrückschlagventil (15) verbunden wird. Daraufhin fährt der Zylinder (6) aus und verdrängt die Luft aus dem Kolbenstangenraum (13) über die 3/2 Wegeventile (18) und (10) sowie das Rückschlagventil (11) in den Speicher (1). Dadurch erfolgt eine wegproportionale Erhöhung des Speicherdruckes. Da zum Beginn der Bewegung der Speichervordruck (p₁) relativ niedrig im Vergleich zum in der Druckluftquelle (22) herrschenden Druck ist, erreicht der Zylinder (6) hohe Beschleunigungswerte. Da der Druck p₁ jedoch wegproportional ansteigt, wirkt eine ständig sich erhöhende Gegenkraft auf den Zylinder (6), so daß es zu einer progressiv ansteigenden Abbremsung kommt und der Zylinder mit geringer End geschwindigkeit in die Endlage einfährt. Durch die Parameter Volumen und Vor druck des Speichers (1) ist das Verfahrverhalten des Zylinders (6) optimierbar und auf sehr unterschiedliche Massen (17) anpaßbar. Somit ist das Verfahren gut geeignet, stark massebehaftete Pneumatikantriebe mit einer hohen Dynamik ver fahren zu lassen und erfüllt so einen entscheidenden Punkt der Zielsetzung.

Der Verfahrensschritt 2 ist abgeschlossen, wenn der Zylinder (6) seine ausgefah rene Stellung erreicht hat.

Dem schließt sich der Verfahrensschritt 3 an, der dafür Anwendung findet, daß der Zylinder (6) in seiner ausgefahrenen Stellung die maximale Kraft entwickeln kann. Dazu ist es notwendig, das geringe Totvolumen (19) des Zylinders (6) zu entlüften, was durch Schalten des 3/2 Wegeventils (18) realisiert wird. Ist die maximale Kraft des Zylinders (6) nicht erforderlich, kann der Verfahrensschritt 3 übergangen werden. Kurz vor Beginn der Einfahrbewegung wird der Verfahrens schritt 4 eingeleitet, der zur Verbesserung des Verfahrverhaltens beim Rückhub und der Erhöhung des Wirkungsgrades des Antriebes dient. Zu diesem Zweck erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem Kolbenraum (12) und dem Speicher (1). Dies ist daher sinnvoll, da der Druck im Speicher (1) in der Regel unter dem Druck, der im Kolbenraum (12) herrscht, liegt. Durch Sperren des 2/2 Wegeventils (7) und kurzzeitiges Öffnen des 2/2 Wegeventils (14) kommt es zum weiteren Druckanstieg im Speicher (1). Herrscht Druckgleichheit im Speicher (1) und im Kolbenraum (12), sperrt das 2/2 Wegeventil (14) und beendet somit den Verfahrensschritt 4.

Dem schließt sich der Verfahrensschritt 5 an, der die Einfahrbewegung des Zylin ders (6) realisiert. Dazu erfolgt ein Abschalten des 3/2 Wegeventils (8), so daß der Kolbenraum (12) über das Drosselrückschlagventil (15) entlüftet und gleichzeitig das 2/2 Wegeventil (5) öffnet, das 3/2 Wegeventil (10) angesteuert und das 3/2 Wegeventil (18) abgeschaltet wird. Somit ist der Speicher (1) mit dem Kolbenstangenraum (13) verbunden, und der Zylinder (6) fährt ausschließlich mit Hilfe der gespeicherten Energie aus der Ausfahrbewegung wieder ein. Da beim Beginn der Einfahrbewegung der höchste Druck im Speicher (1) herrscht, kommt es zu einer gewünschten hohen Anfangsbeschleunigung des Zylinders (6). Dieser Druck fällt jedoch mit zunehmendem Verfahrweg ab, so daß der Antrieb mit geringer Geschwindigkeit in die Endlage einfahren kann. Der Verfahrensschritt 5 ist abgeschlossen, wenn der Zylinder (6) seine eingefahrene Endlage erreicht hat. Dem schließt sich der Verfahrensschritt 6 an, der notwendig wird, um den ursprünglichen Speicherdruck p₁ wieder herzustellen, denn durch den im Verfahrensschritt 4 durchgeführten Druckausgleich liegt der Druck im Speicher (1) nach der Einfahrbewegung des Zylinders (6) höher als der im Verfahrensschritt 1 eingestellte. Um konstante Prozeßbedingungen zu sichern, muß Druckluft aus dem Speicher (1) über das noch geöffnete 2/2 Wegeventil (5) und das geschaltete 3/2 Wegeventil (4) und die Drossel (9) an die Atmosphäre abgegeben werden. Der Drucksensor (16) signalisiert den gewünschten Speichervordruck und schaltet die 3/2 Wegeventile (4, 10) und das 2/2 Wegeventil (5) ab. Somit kann das Verfahren mit dem Verfahrensschritt 2 fortgesetzt werden.

Zur Verbesserung der Dynamik des Antriebes beim Einfahren, Verfahrensschritt 5, kann die Schaltung wie in Fig. 2 dargestellt, durch einen Druckübersetzer (20) und ein weiteres 2/2 Wegeventil (21) erweitert werden. Ziel dieser Maßnahme ist es, die Abluft aus dem Kolbenraum (12) des Zylinders (6) nicht direkt an die Atmosphäre abzugeben, sondern zur Erhöhung des Druckes p₁ im Speicher (1) zu nutzen. Somit ist das 3/2 Wegeventil (8) mit dem Druckübersetzer (20) verbunden, der seinerseits über das 2/2 Wegeventil (5) mit dem Speicher (1) und über die 3/2 Wegeventile (18) und (10) an den Kolbenstangenraum (13) angekoppelt ist.

Bei dieser Schaltungsvariante wird der Verfahrensschritt 5 durch das Erreichen der eingefahrenen Stellung des Zylinders (6) und Entlüftung des Drucküberset zers (20) durch Entsperren des 2/2 Wegeventils (21) abgeschlossen.

Das Verfahren ist sowohl für die Aus- als auch für die Einfahrbewegung des Zylinders (6) anwendbar. Soll die Ausfahrbewegung das Zylinders (6) mit der gespeicherten Energie aus dem Speicher (1) erfolgen, ist der Kolbenraum (12) mit dem 3/2 Wegeventil (18) und der Kolbenstangenraum (13) mit dem Drosselrückschlagventil (15) zu verbinden.

Anwendungsgebiete

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich über die gesamte Pneumatik, insofern pneumatische Arbeitszylinder zum Einsatz kommen. Besonders geeignet ist das Verfahren anwendbar, wenn Arbeitszylinder mit großem Hub und großer Kolbenfläche zum Einsatz kommen bzw. die Antriebe stark massebehaftet sind. Im jedem der Einsatzfälle können ca. 50% der erforderlichen pneumatischen Energie eingespart werden. Dies ist für die technische Nutzung besonders interessant, da es sich bei Druckluft um einen sehr teuren Energieträger handelt, was auf den schlechten Wirkungsgrad, ca. 30% bei dessen Herstellung, zurückzuführen ist. Durch die Möglichkeit, durch Variation des Speichervordruckes und des Speichervolumens die Dynamik der Antriebe zu beeinflussen, können völlig neue Einsatzgebiete für pneumatische Antriebe erschlossen werden, wobei die Nenngrößen der Antriebe verringert werden können. Das geht einher mit einer Einsparung an installierter pneumatischer Leistung als auch der Schaffung günstiger Konstruktionsverhältnisse, da die Antriebe einen kleineren Bauraum einnehmen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anschließend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Ein mit einer Masse 17 verbundener Arbeitszylinder 6 ist mit seinem Kolbenraum 12 über ein Drosselrückschlagventil 15, ein 3/2 Wegeventil 8 und ein 2/2 Wege ventil 7 mit der Druckluftquelle 22 verbunden. Sein Kolbenstangenraum 13 ist über zwei 3/2 Wegeventile 18 und 10 sowie das Rückschlagventil 11 mit dem Speicher 1 verbunden. Der im Speicher 1 herrschende Druck wird über den Drucksensor 16 abgegriffen. Der Speicher 1 seinerseits ist über das 2/2 Wegeventil 5, das 3/2 Wegeventil 4 mit Drossel 9 sowie das Druckminderventil 2 und Rückschlagventil 3 mit der Druckluftquelle 22 verbunden. Kolbenraum 12 und Kolbenstangenraum 13 des Zylinders 6 können über das 2/2 Wegeventil 14 verbunden werden. Im Verfahrensschritt 1 erfolgt ein Durchschalten des 3/2 Wegeventils 10 und des 2/2 Wegeventils 5, so daß der Speicher 1 und der Kolbenstangenraum 13 mit einem Speichervordruck p₁, der am Druckminderventil 2 eingestellt ist, beaufschlagt wird. Ist dieser Druck erreicht, was über den Drucksensor 16 erkannt wird, werden wieder 2/2 Wegeventil 5 und 3/2 Wegeventil 10 in ihre Grundstellung geschaltet und der Verfahrensschritt 1 ist abgeschlossen. Im Verfahrensschritt 2 wird der Kolbenraum 12 des Zylinders 6 durch Zuschalten des 2/2 Wegeventils 7 und des 3/2 Wegeventils 8 über das Drosselrückschlagventil 15 mit Druckluft beaufschlagt, wodurch der Zylinder 6 ausfährt.

Bei dieser Bewegung wird die Druckluft aus dem Kolbenstangenraum 13 über die 3/2 Wegeventile 10 und 18 sowie das Rückschlagventil 11 in den Speicher 1 verdrängt, wodurch der Druck p₁ im Speicher 1 steigt. Mit Beendigung der Aus fahrbewegung des Zylinders 6 wird der Verfahrensschritt 2 abgeschlossen und Verfahrensschritt 3 schließt sich an. Dieser dient dem Entlüften des Totvolumens 19 durch Durchschalten des Wegeventils 18. Somit ist der Zylinder 6 in der Lage, in seiner ausgefahrenen Stellung die maximale Kraft erzeugen zu können. Ist dies nicht erforderlich, kann Verfahrensschritt 3 übersprungen werden, und das 3/2 Wegeventil 18 entfällt. Kurz vor der Einfahrbewegung des Zylinders 6 ist ein Druckausgleich zwischen Kolbenraum 12, Speicher 1 und Kolbenstangenraum 13 sinnvoll, da der im Kolbenraum 12 herrschende Druck in der Regel höher ist als der im Speicher 1 herrschende. Um möglichst große Energiemengen für den Rückhub zur Verfügung zu haben, wird im Verfahrensschritt 4 der Druckausgleich durch Abschalten des 3/2 Wegeventils 18 und des 2/2 Wegeventils 7 sowie kurzzeitiges Durchschalten des 2/2 Wegeventils 14 vorgenommen. Im Abschluß wird Verfahrensschritt 5 durchlaufen, bei dem der Zylinder 6 wieder einfährt. Dies erfolgt durch Umsteuern der 3/2 Wegeventile 10 und 8 und des 2/2 Wegeventiles 5. Somit wirkt der im Speicher 1 befindliche Druck auf den Zylinder 6, wodurch der Zylinder 6 einfährt. Der Verfahrensschritt 5 wird bei Erreichung der Grundstellung des Zylinders 6 abgeschlossen, und es schließt sich der Verfahrensschritt 6 an, der zur Wiederherstellung des Ausgangsdruckes im Speicher 1 notwendig wird, da bedingt durch den Verfahrensschritt 4 nach dem Verfahrensschritt 5 im Speicher 1 ein höherer Druck herrscht als der im Verfahrensschritt 1 eingestellte Vordruck p₁. Um diesen wieder zu erreichen, wird das 3/2 Wegeventil 4 angesteuert, so daß der überschüssige Druck über die Drossel 9 an die Umgebung abgegeben werden kann. Ist der Vordruck p₁ erreicht, was durch den Drucksensor 16 erkannt wird, erfolgt das Abschalten der 3/2 Wegeventile 4, 10 und des 2/2 Wegeventils 5, wodurch der Verfahrensschritt 6 abgeschlossen ist und der Zyklus durch Abarbeitung des Verfahrensschrittes 2 neu durchlaufen werden kann. Die im Speicher 1 gespeicherte Energie kann auch für die Ausfahrbewegung genutzt werden. Für diesen Einsatzfall sind das Drosselrückschlagventil 15 mit dem Kolbenstangenraum 13 und das 3/2 Wegeventil 18 mit dem Kolbenraum 12 des Zylinders 6 zu verbinden.

Zur Verbesserung der Dynamik des Antriebes beim Einfahren, Verfahrensschritt 5, kann die Schaltung wie in Fig. 2 dargestellt, durch einen Druckübersetzer 20 und ein weiteres 2/2 Wegeventil 21 erweitert werden. Ziel dieser Maßnahme ist es, die Abluft aus dem Kolbenraum 12 des Zylinders 6 nicht direkt an die Atmosphäre abzugeben, sondern zur Erhöhung des Druckes p₁ im Speicher 1 zu nutzen. Somit ist das 3/2 Wegeventil 8 mit dem Druckübersetzer 20 verbunden, der seinerseits über das 2/2 Wegeventil 5 mit dem Speicher 1 und über die 3/2 Wegeventile 18 und 10 an den Kolbenstangenraum 13 angekoppelt ist.

Bezugszeichenliste

1

Speicher

2

Druckminderventil

3

Rückschlagventil

4

3/2 Wegeventil

5

2/2 Wegeventil

6

Zylinder

7

2/2 Wegeventil

8

3/2 Wegeventil

9

Drossel

10

3/2 Wegeventil

11

Rückschlagventil

12

Kolbenraum

13

Kolbenstangenraum

14

2/2 Wegeventil

15

Drosselrückschlagventil

16

Drucksensor

17

Masse

18

3/2 Wegeventil

19

Totvolumen

20

Druckübersetzer

21

2/2 Wegeventil

22

Druckluftquelle

Claims

1. Verfahren zur Energieeinsparung von pneumatischen Antriebseinheiten beste hend aus 6 Verfahrensschritten dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrens schritt 1, der vorzugsweise bei der Inbetriebnahme der Anlage durchlaufen wird, der Speicher (1) mit einem Vordruck p₁ durch das Druckregelventil (2), das Rück schlagventil (3), das 3/2 Wegeventil (4) und das 2/2 Wegeventil (5) geladen wird, dem sich der Verfahrensschritt 2 anschließt, bei dem dem Zylinder (6) mit Masse (17) über das 2/2 Wegeventile (7) und das 3/2 Wegeventil (8) pneumatische Energie aus der Druckluftquelle (22) zugeführt wird, wodurch der Zylinder (6) ausfährt und sein verdrängtes Volumen aus dem Kolbenstangenraum (13) über das 3/2 Wegeventil (10) und das Rückschlagventil (11) in den Speicher (1) fördert, wodurch der Druck p₁ ansteigt im sich anschließenden Verfahrensschritt 3 erfolgt in der ausgefahrenen Stellung des Zylinders (6) eine Entlüftung des Totvolumens (19) über das 3/2 Wegeventil (18), dem sich der Verfahrensschritt 4 anschließt, in dem kurz vor Beginn der Einfahrbewegung des Zylinders (6) ein Druckausgleich zwischen dem Kolbenraum (12) und Speicher (1) hergestellt wird, indem das 2/2 Wegeventil (14) zu und das 2/2 Wegeventil (7) abgeschaltet werden, wodurch es zu einer weiteren Erhöhung des Druckes p₁ im Speicher (1) kommt; im sich anschließenden Verfahrensschritt 5 erfolgt die Einfahrbewegung des Zylinders (6), indem das 3/2 Wegeventil (8) und das 2/2 Wegeventil (14) ab- und das 2/2 Wegeventil (5) und das 3/2 Wegeventil (10) zugeschaltet werden, wodurch die im Speicher (1) vorhandene pneumatische Energie in den Kolbenstangenraum (13) des Zylinders (6) geleitet wird und der Kolbenraum (12) über das Drosselrückschlagventil (15) und das 3/2 Wegeventil (8) entlüftet wird; nach Erreichen der eingefahrenen Stellung schließt sich der Verfahrensschritt 6 an bei dem durch entlüften über das 3/2 Wegeventils (4) und die Drossel (9) der Speichervordruck p₁ auf den ursprünglichen Wert abgesenkt wird was durch den Drucksensor (16) überwacht wird, wobei der Verfahrensschritt 6 bei der Erreichung des Speichervordruckes p₁ durch Abschalten des 3/2 Wegeventils (4) und des 2/2 Wegeventils (5) abgeschlossen wird und ein zyklischer Start des Verfahrens erfolgen kann, indem wahlweise die Verfahrensschritte 1-6 bzw. 2-6 durchlaufen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt 3 und/oder 4 nicht durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt 5 der Kolbenraum (12) über das 3/2 Wegeventil (8) mit einem Druckübersetzer (20) verbunden wird und dieser seinerseits über das 3/2 Wegeventil (10) und das 2/2 Wegeventil (5) in Wirkverbindung mit dem Speicher (1) und dem Kolbenstangenraum (13) steht und der Verfahrensschritt 5 beendet wird, nach dem der Zylinder (6) eingefahren ist und durch kurzzeitiges Öffnen des 2/2 Wegeventils (21) der Kolbenraum (12) des Zylinders (6) entlüftet wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselrückschlagventil (15) mit dem Kolbenstangenraum (13) und das 3/2 Wegeventil (18) mit dem Kolbenraum (12) des Zylinders (6) verbunden ist.