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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Betätigungselement und dabei speziell
auf ein Betätigungselement
gemäß Oberbegriff
Patentanspruch 1, dessen wenigstens eine Zylinderkammer mit einem Fluid-Druck,
d. h. mit Druckluft oder dem Druck einer hydraulischen Flüssigkeit
beaufschlagbar ist, um das beispielsweise von einer Kolbenstange
gebildete Stellglied aus einer Ausgangsstellung in eine Hubstellung
zu bewegen.
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Derartige
Betätigungselemente
oder Kolbenantriebe oder -Aktoren sind bekannt und werden u.a., aber
nicht ausschließlich
auch in Füllmaschinen
dazu verwendet, um die dort an den einzelnen Füllstationen vorgesehenen Füllventile
gesteuert zu öffnen und
zu schließen.
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Bekannt
sind derartige Betätigungselemente auch
in einer Ausführung,
bei der zwei auf ein gemeinsames Stellglied bzw. auf eine gemeinsame
Kolbenstange einwirkende Kolben vorgesehen sind, deren Zylinderkammern
jeweils individuell mit dem Fluid-Druck beaufschlagbar sind, sodass zwei
unterschiedliche Bewegungshübe,
beispielsweise zwei unterschiedlich große Bewegungshübe für das Stellglied
möglich
sind.
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Bekannt
ist auch, manuell einstellbare, jeweils von Maschinenschrauben mit
Kontermuttern gebildete Hubanschläge zur Begrenzung und Einstellung
der Hubbewegung vorzusehen. Anstelle derartiger Schrauben werden
teilweise auch Handräder, auch
mit Einstellskala verwendet. Eine weitere bekannte Maßnahme zur
Einstellung der Hubbewegung ist die Verwendung von Unterlegscheiben,
die dann beispielsweise in das betreffende Betätigungselement eingebaut werden.
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Insbesondere
bei Anlagen oder Maschinen, die eine Vielzahl derartiger Betätigungselemente
aufweisen, wie z.B. bei Füllmaschinen
ist die Einstellung der Hubanschläge äußerst zeitaufwendig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Betätigungselement
aufzuzeigen, welches diesen Nachteil vermeidet und u.a. eine Einstellung
des wenigstens einen Hubanschlags über eine externe Ansteuerung, beispielsweise
eine zentrale Maschinensteuerung ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Betätigungselement
entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. Gegenstand der Erfindung
ist weiterhin eine Füllmaschine
gemäß Patentanspruch
18.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Betätigungselement,
welches als pneumatischer oder hydraulischer Kolben-Zylinder-Antrieb
bzw. -Aktor ausgebildet ist, ist der wenigstens eine Hubanschlag
motorisch durch einen Verstellantrieb, beispielsweise durch einen
elektrischen Schrittmotor verstellbar, wobei die Einstellung z.B. über einen
Inkrementalgeber kontrolliert und/oder in einem geschlossenen Regelkreis
gesteuert erfolgen kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung
ist es möglich,
ein Einzelnes, oder aber auch eine Vielzahl von Betätigungselementen
einzeln oder auch gruppenweise kurzfristig über eine zentrale Steuerung
derart einzustellen, dass die von den Betätigungselementen erzeugten
Hubbewegungen der jeweiligen Anwendung optimal angepasst sind, beispielsweise
bei Verwendung der Betätigungselemente
zum Betätigen
der Füllventile
einer Füllmaschine an
maschinenbedingte Parameter, wie z.B. Toleranzen, Verschleiß oder Alterung,
und/oder an äußere Parameter,
wie z.B. Füllguttemperatur,
Umgebungstemperatur, und/oder an Füllgut bezogene Parameter, wie
z.B. Viskosität,
Schäumungsverhalten.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausbildung
ist es weiterhin auch möglich,
beispielsweise eine Anlage oder Maschine mit einer Vielzahl von
Betätigungselementen,
z.B. eine Füllmaschine
auf unterschiedliche Arbeitsweisen kurzfristig und problemlos umzustellen,
beispielsweise bei einem Produkt- oder Füllgutwechsel.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit
einer automatischen Einstellung oder Nachführung der Hubanschläge oder
einer Einstellung oder Nachführung
der Hubanschläge
auf Befehl in Abhängigkeit
von während
eines Arbeitsprozesses, beispielsweise während eines Füllprozesses
gemessenen Prozessparametern.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im
Folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es
zeigen:
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1 in
Teildarstellung den Rotor einer Füllmaschine umlaufender Bauart
zum Füllen
von Flaschen oder dgl. Behälter
im Bereich einer Füllstation;
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2 in
vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Füllventil der Füllmaschine
der 1;
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3 in
vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Betätigungselement gemäß der Erfindung.
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In
den Figuren ist 1 der um eine vertikale Maschinenachse
MA umlaufend antreibbare Rotor einer Füllmaschine zum Füllen von
Flaschen 2 oder dgl. Behälter mit einem Füllgut, beispielsweise
mit einem flüssigen
oder pastösen
Füllgut.
Am Rotor 1 sind in bekannter Weise um die Maschinenachse
MA in gleichmäßigen Winkelabständen verteilt
mehrere Füllstationen 3 vorgesehen,
die jeweils aus einem Füllelement 4 und
aus einem in vertikaler Richtung unterhalb des Füllelementes angeordneten Flaschen-
oder Behälterträger 5 bestehen.
Letzterer ist bei der dargestellten Ausführungsform so ausgebildet,
dass er die jeweilige, zu füllende
Flasche 2 an einem im Bereich der Flaschenmündung 2.1 vorgesehenen
Bund hintergreift, sodass die Flasche 2 an dem Behälterträger 5 hängend gehalten
ist.
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Das
Füllelement 4 besteht
im Wesentlichen aus einem Gehäuse 6,
in welchem ein bei der dargestellten Ausführungsform vertikaler Flüssigkeitskanal 7 ausgebildet
ist, der an seinem unteren Ende eine Abgabeöffnung 8 bildet, über die
das Füllgut
der jeweiligen Flasche 2 während des Füllvorganges zufließt. Im Gehäuse 6 ist
weiterhin ein Rückgaskanal 9 ausgebildet,
der über
eine Leitung 10 mit einem Kanal 11 in Verbindung
steht, der am Rotor 1 für
sämtliche
Füllelemente 4 oder
für eine
Gruppe solcher Füllelemente
gemeinsam vorgesehen ist. Das obere Ende des Flüssigkeitskanals 7 steht über ein
Füll- oder
Flüssigkeitsventil 12 mit
einem Kanal oder einer Leitung 13 in Verbindung, über die
das Füllgut
während
des Füllvorganges
von einem nicht dargestellten, beispielsweise am Rotor 1 vorgesehenen
Reservoir oder Kessel zugeführt
wird. Jede Füllstation 3 ist weiterhin
so ausgebildet, dass die Flasche 2 während des Füllens mit ihrer Flaschenmündung 2.1 in
Dichtlage gegen das Füllelement 4 anliegt.
Hierfür
sind der Flaschenträger 5 und/oder
das Füllelement 4 gesteuert
anhebbar bzw. absenkbar, wie dies dem Fachmann bekannt ist.
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Wie
in der 2 schematisch dargestellt, bildet das Füllventil 12,
welches jeder Füllstation 3 eigenständig zugeordnet
ist, in einem Gehäuse 14 einen
Flüssigkeitskanal 15,
der einerseits mit der Leitung 13 und andererseits mit
dem Flüssigkeitskanal 7 des
zugehörigen
Füllelementes 4 in
Verbindung steht.
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Im
Flüssigkeitskanal 15 ist
ein Ventilkörper 16 vorgesehen,
der bei der dargestellten Ausführungsform
aus der in der 2 gezeigten, den Flüssigkeitskanal 15 sperrenden
bzw. verschließenden Stellung
stufenförmig
in eine erste geöffnete
Stellung mit kleinerem Öffnungs-
oder Strömungsquerschnitt für das Füllventil 12 und
in eine zweite Öffnungsstellung
mit größerem Öffnungs-
oder Strömungsquerschnitt
für das
Füllventil 12 bewegbar
ist. Der Ventilkörper 16 ist
an dem Ende einer abgedichtet aus dem Flüssigkeitskanal 15 herausgeführten Kolbenstange 17 vorgesehen,
die Bestandteil eines Fluid-Aktors bzw. einer Fluid-Kolben-Zylinder-Anordnung
oder Betätigungseinrichtung 18,
beispielsweise einer pneumatischen Betätigungseinrichtung ist.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
besteht die Betätigungseinrichtung 18 aus
einem Zylindergehäuse 19,
welches in geeigneter Weise an dem Gehäuse 14 des Füllventils 12 angeflanscht
ist und welches durch eine innere Trennwand 20 in zwei achsgleich
mit der Längsachse
der Kolbenstange 17 (auch Stellglied) angeordnete Zylinderräume 21 und 22 unterteilt
ist. Die Kolbenstange 17 ist durch die in der 3 untere
und dem Gehäuse 14 benachbarte Stirnwand 19.1 des
Zylindergehäuses 19 sowie durch
die Trenn- oder Zwischenwand 20 unter Verwendung von jeweils
einer Dichtung 23 bzw. 24 abgedichtet hindurchgeführt. Weiterhin
ist auf der Kolbenstange 17 in dem in der 3 unteren
Zylinderraum 21 ein Kolben 25 fest vorgesehen,
der diesen Zylinderraum 21 in eine der Trennwand 20 entfernt liegende
und in der 3 untere Zylinderkammer 21.1 und
eine der Trennwand 20 benachbarte Zylinderkammer 21.2 unterteilt.
In der Zylinderkammer 21.2 ist eine Druckfeder 26 aufgenommen,
die sich mit ihrem einen Ende gegen die Trennwand 20 und mit
ihrem anderen Ende gegen den Kolben 25 abstützt und
dadurch die die Kolbenstange 17 in eine Ausgangsposition
hervorspannt, die bei der Verwendung des Betätigungselementes 18 zur
Betätigung des
Füllventils 12 bzw.
des Ventilkörpers 16 dem
geschlossenen Zustand des Füllventils 12 entspricht. Diese
Ausgangsposition der Kolbenstange 17 ist bei der dargestellten
Ausführungsform
dadurch definiert, dass der Kolben 25 mit einem ringförmigen,
die Dichtung 23 und deren Sitz umschließenden Vorsprung 25.1 gegen
die Innenfläche
der Zylinderkammer 21.1 anliegt.
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Während der
Kolben 25 fest mit der Kolbenstange 17 verbunden
ist, ist im Zylinderraum 22 ein weiterer Kolben 27 vorgesehen,
der axial verschiebbar auf der Kolbenstange 17 geführt ist
und den Zylinderraum 22 in eine der Trennwand 20 benachbarte untere
Zylinderkammer 22.1 sowie in eine obere Zylinderkammer 22.2 unterteilt,
die bei der dargestellten Ausführungsform
durch die obere Stirnwand 19.2 des Zylindergehäuses 19 verschlossen
ist. Die Kolbenstange ist mit einem im Querschnitt vergrößerten Abschnitt 17.1 in
der oberen Stirnwand 19.2 axial verschiebbar geführt. Am Übergang
zum Abschnitt 17.1 bildet die Kolbenstange 17 einen
Bund oder ringförmigen
Anschlag 28 für
die der Zylinderkammer 22.2 zugewandte Seite des Kolbens 27.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist die Ausbildung so getroffen, dass bei in der Ausgangsposition
befindlicher Kolbenstange 17 der Bund oder Anschlag 28 gegen den
Kolben 27 anliegt und dieser hierdurch mit einem die Kolbenstange 17 umschließenden ringförmigen Vorsprung 27.1 gegen
die Trennwand 20 anliegt.
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An
der oberen Stirnwand 19.2 sind zwei die Hubbewegung der
Kolbenstange 17 bzw. des Kolbens 27 begrenzende
Hubanschläge
vorgesehen, und zwar der mit dem Kolben 27 zusammenwirkende Hubanschlag 29 und
der mit dem oberen Ende der Kolbenstange 17 bzw. mit dem
Ende des dortigen Abschnittes 17.1 zusammenwir kende Hubanschlag 30.
Beide Hubanschläge
sind axial, d.h. in einer Achsrichtung parallel zur Achse der Kolbenstange 17 individuell
und motorisch verstellbar, und zwar der Hubanschlag 29 durch
den Verstellmotor 31 und der Hubanschlag 30 durch
den Verstellmotor 32.
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Die
Hubanschläge 29 und 30 sind
bei der dargestellten Ausführungsform
jeweils von einer in einem Gewinde der Stirnwand 19.2 bzw.
in einem dortigen Fortsatz 19.2.1 geführten Schraube gebildet, die über jeweils
eine Welle 29.2 bzw. 30.2 mit dem jeweiligen Stellmotor
antriebsmäßig verbunden sind.
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Die
Zylinderkammer 21.1 ist über ein elektrisch betätigbares
Steuerventil 33 und die Zylinderkammer 22.1 über ein
elektrisch steuerbares Steuerventil 34 jeweils gesteuert
mit Druckluft beaufschlagbar, sodass bei Aktivierung des Steuerventils 34 und Beaufschlagung
der Zylinderkammer 22.1 mit Druckluft die Kolbenstange 17 gegen
die Wirkung der Druckfeder 26 aus ihrer Ausgangsposition über einen ersten
kürzeren
Bewegungshub A in eine erste Hubstellung bewegt wird, die dadurch
definiert ist, dass der Kolben 27 gegen den Hubanschlag 29 zur
Anlage kommt.
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Bei
Aktivierung des Steuerventils 33 bzw. Beaufschlagung der
Zylinderkammer 21.1 mit Druckluft wird mit dem Kolben 27 die
Kolbenstange 17 gegen die Wirkung der Druckfeder 26 in
einem zweiten, größeren Bewegungshub
B aus der Ausgangsstellung in eine zweite Hubstellung bewegt, die
dadurch definiert ist, dass das von dem Abschnitt 17.1 gebildete
obere Ende der Kolbenstange 17 gegen den Hubanschlag 30 zur
Anlage kommt. Durch Einstellen der Hubanschläge 29 und 30 mit
Hilfe der Verstellmotoren 31 und 32 ist die Größe der Bewegungsschübe A und
B individuell einstellbar bzw. an die jeweiligen Erfordernisse anpassbar.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind die Verstellmotoren 31 und 32 elektrische
Verstellmotoren, beispielsweise elektrische Schrittmotoren mit Inkrementalgebern,
sodass eine sehr exakte Einstellung der Hubanschläge 29 und 30 und
insbesondere auch eine Regelung dieser Einstellung möglich ist.
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Werden
die Betätigungselemente 18 für die Betätigung der
Füllventile 12 verwendet,
so entspricht die erste Hubstellung (nach Bewegungshub A) einem
teilweise geöffneten
Füllventil 12 und
die zweite Hubstellung (nach Bewegungshub B) dem vollständig geöffneten
Füllventil 12.
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Das
Steuern der Füllventile 12 bzw.
deren Betätigungselemente 18 erfolgt
bei der in der 1 dargestellten Füllmaschine
durch eine zentrale Maschinensteuerung und/oder durch am Rotor 1 vorgesehene
dezentrale Steuereinheiten 35, die bei spielsweise für jede Füllstation 3 gesondert
oder aber für eine
Gruppe von Füllstationen 3 gemeinsam
vorgesehen sind, und zwar beispielsweise generell in der Weise,
dass immer dann, wenn die betreffende Füllstation 3 eine vorgegebene
Position der Drehbewegung des Rotors 1 erreicht hat und
sich die zu füllende
Flasche 2 in Dichtlage am Füllelement 4 befindet, das
betreffende Füllventil 12 geöffnet wird,
und zwar z.B. stufenförmig
in der Form, dass zunächst
für ein langsames
Anfüllen
durch Aktivierung des Steuerventils 34 die Kolbenstange 17 des
betreffenden Füllventils 12 mit
dem Kolben 27 in die erste Hubstellung und damit der Ventilkörper 16 in
die erste Öffnungsstellung
bewegt werden, und dass dann anschließend für ein schnelles Füllen durch
Aktivieren des Steuerventils 33 die Kolbenstange 17 und
damit der Ventilkörper 16 in
die zweite Hubstellung bzw. in die zweite Öffnungsstellung bewegt werden.
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Aufgrund
der der jeweiligen Flasche 2 während des Füllvorganges zugeflossenen Menge
an Füllgut,
die von einem in der Leitung 13 angeordneten Durchflussmesser 36 ermittelt
wird und/oder aufgrund der Zunahme des Gewichtes der jeweiligen Flasche 2 beim
Füllen,
die (Gewichtszunahme) von einer Wägeeinrichtung 37 gemessen
wird, wird z.B. über
die Steuereinheit 35 das Schließen des Füllventils 12 eingeleitet.
Auch dieses Schließen
erfolgt beispielsweise wiederum stufenförmig in der Weise, dass bei
aktiviertem Steuerventil 34 das Steuerventil 33 deaktiviert
wird, sodass bei druckloser Zylinderkammer 21.1, aber weiterhin
mit Druck beaufschlagter Zylinderkammer 22.1 die Kolbenstange 17 aus der
zweiten Hubstellung in die erste Hubstellung zurückkehrt und dadurch das Füllventil 12 teilweise
geschlossen wird. Der Füllvorgang
wird dann dadurch beendet, dass auch das Steuerventil 34 deaktiviert wird,
sodass bei druckloser Zylinderkammer 22.1 die Kolbenstange 17 durch
die Wirkung der Druckfeder 26 in ihre Ausgangsposition
und damit der Ventilkörper 16 in
die Schließstellung
bewegt werden.
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Die
Einstellung der Hubanschläge 29 und 30 erfolgt
z.B. über
die Steuereinrichtung 35 oder eine der jeweiligen Steuereinrichtung 35 übergeordnete Maschinensteuerung
(Rechner), und zwar beispielsweise in Abhängigkeit von dem jeweils abzufüllenden Füllgut in
der Form, dass das stufenförmige Öffnen und/oder
Schließen
der Füllventile 12 bzw.
der Öffnungsquerschnitt
dieser Ventile in der ersten, aber auch in der zweiten Öffnungsstellung
dem jeweiligen Füllgut
und dessen Eigenschaften optimal angepasst sind, aber auch an sich ändernde äußere Bedingungen
des Abfüllprozesses,
beispielsweise an sich ändernde
Produkt- und Umgebungstemperatur. Weiterhin können durch Einstellung der
Hubanschläge 29 und 30 Maschinenparameter,
wie Toleranzen, Verschleiß und
Alterung berücksichtigt
werden.
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Die
Einstellung der Hubanschläge 29 und 30 kann
für jede
Füllstation 3 bzw.
für jedes
Betätigungselement 18 einzeln
und individuell, aber auch gruppenweise für mehrere Betätigungselement 18 gleichzeitig
durchgeführt
werden, und zwar schnell und bequem über die äußere Maschinensteuerung und/oder über die
dezentralen Steuereinheiten 35.
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Weiterhin
besteht auch die Möglichkeit,
die Maschinensteuerung oder die dezentralen Steuereinheiten 35 so
auszubilden, dass auf Befehl bzw. Anforderung und in Abhängigkeit
von während
des Füllprozesses
gemessenen Abfüllparametern,
wie Fließgeschwindigkeit,
Temperatur des Füllgutes, Umgebungstemperatur,
Abfülldruck
usw., die (Abfüllparameter)
von entsprechenden Sensoren erfasst werden, beispielsweise von dem
induktiven Durchflussmessers 36, von der Wägeeinrichtung 37,
von nicht dargestellten Thermometern und Manometern usw., ein selbsttätiges Nachführen oder
Nachstellen der Hubanschläge 29 und 30 erfolgt,
und zwar beispielsweise mit einem in der zentralen Maschinensteuerung
und/oder in den dezentralen Steuereinheiten 35 abgelegten
Programm zur Erzielung eines homogenen Abfüllprozesses oder Abfüllbildes
und zu einer optimalen Leistung der Füllmaschine.
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Die
Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind,
ohne das dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke
verlassen wird. So wurde vorstehend davon ausgegangen, dass das jeweilige
Betätigungselement 18 pneumatisch
gesteuert wird. Grundsätzlich
ist auch eine hydraulische Ansteuerung des möglich.
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Werden
die Betätigungselemente 18 zur Steuerung
von Füliventilen
bei Füllmaschinen
verwendet, so ist es selbstverständlich
nicht erforderlich, dass diese Füllventile
die im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschriebene
Ausbildung aufweisen. Auch andere konstruktive Ausführungen
der Füllventile
sind möglich.
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Weiterhin
können
die Betätigungselemente 18 speziell
zur Steuerung von Füllventilen
bei Füllelementen
so verwendet werden, dass mit einem Hubanschlag auch der Schließzustand
des jeweiligen Füllventils
bzw. die diesem Schließzustand
entsprechende Lage der Kolbenstange des Betätigungselementes zumindest
während
der laufender Füllmaschine
definiert wird. Bei der in der 3 dargestellten
Ausführung
der Betätigungselement 18 wäre dann
bei ständig
mit Druck beaufschlagter Zylinderkammer 22.1 die dem Schließzustand
des Füllventils 12 entsprechende
Position der Kolbenstange 17 durch den Hubanschlag 29 bestimmt,
während
der Hubanschlag 30 die dem geöffneten Zustand des Füllventils
entsprechende Hubstellung der Kolbenstange 17 festlegt.
Diese Ausführung
hat den Vorteil, dass beim Schließen des jewei ligen Füllventils 12 die Schließbewegung
des Ventilkörpers 16 durch
den Pneumatikdruck in der Zylinderkammer 22.1 abgebremst
wird und der Ventilkörper 16 somit
sanft gegen den Ventilsitz zur Anlage kommt, sodass hierdurch ein
Verschleiß der
Füllventile 12 vermieden bzw.
wesentlich reduziert wird.
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- 1
- Rotor
- 2
- Flasche
- 2.1
- Flaschenmündung
- 3
- Füllposition
- 4
- Füllelement
- 5
- Flaschenträger
- 6
- Gehäuse des
Füllelementes
- 7
- Flüssigkeitskanal
- 8
- Abgabeöffnung
- 9
- Rückgaskanal
- 10
- Rückgasleitung
- 11
- Rückgaskanal
im Rotor 1
- 12
- Füllventil
- 13
- Füllgutleitung
- 14
- Gehäuse des
Füllventils 12
- 15
- Flüssigkeitskanal
- 16
- Ventilkörper
- 17
- Kolbenstange
- 17.1
- Abschnitt
der Kolbenstange 17
- 18
- Betätigungselement
- 19
- Zylindergehäuse
- 19.1,
19.2
- Stirnseite
des Zylindergehäuses
- 19.2.1
- Vorsprung
an der Stirnwand 19.2
- 20
- Trennwand
- 21,
22
- Zylinderraum
- 21.1,
21.2
- Zylinderkammer
- 22.1,
22.2
- Zylinderkammer
- 23,
24
- Dichtung
- 25
- Kolben
- 25.1
- Vorsprung
des Kolbens 25
- 26
- Druckfeder
- 27
- Kolben
- 27.1
- Vorsprung
des Kolbens 27
- 28
- Bund
oder Anschlag
- 29,
30
- Hubanschlag
- 29.1,
30.1
- Schraube
- 29.2,
30.2
- Welle
- 31,
32
- Verstellmotor
- 33,
34
- elektrisches
Steuerventil
- 35
- dezentrale
Steuereinheit
- 36
- Durchflussmesser
- 37
- Wägeeinrichtung
bzw. Wägezelle
- MA
- vertikale
Maschinenachse
- A,
B
- Bewegungshub
der Kolbenstange 17