DE3228109A1

DE3228109A1 - Linearantrieb zum erzeugen impulsartiger schneller stossbewegungen

Info

Publication number: DE3228109A1
Application number: DE19823228109
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 7300 Esslingen Stoll
Original assignee: Festo Maschinenfabrik Gottlieb Stoll Firma
Current assignee: Festo Maschinenfabrik Gottlieb Stoll Firma
Priority date: 1982-07-28
Filing date: 1982-07-28
Publication date: 1984-02-02

Description

Linearantrieb zum Erzeugen impulsartiger schneller
Stoßbewegungen Die Erfindung betrifft einen insbesondere pneumatischen Linearantrieb zum Erzeugen impulsartiger schneller Stoßbewegungen, mit einem in einem Antriebszylinder hin und her bewegbaren Kolben, an dessen einer Seite eine am zugewandten Ende des Zylinders aus diesem geführte, die Stoßbewegunci ausführende Kolbenstange sitzt, wobei zwischen eine Druckmediumquelle und den an der der Kolbenstange abgewandten Kolbenseite angeordneten Arbeitsraum des Zylinders ein Steuerventil geschaltet ist, über das der Arbeitsraum je nach der Ventilstellung mit Druckmedium beaufschlagt oder entlüftet wird.
Derartige mit Druckluft betriebene Linearantriebe werden häufig beispielsweise in Verbindung mit Verpackungsmaschinen verwendet, z. B. um Erzeugnisse zu sortieren und auszustoßen, wenn sie fehlerhaft sind. Die Anwendung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, und solche Linearantriebe lassen sic stts dann benutzen, wenn eine impulsartige schnelle Stoßbewegung vor allem in kurzen Zeitabständen gewünscht wird.
Eine Anwendung in Verbindung mit Präge- oder Schreibmaschinen, Niet- oder Heftmaschinen, Maschinen zum Anbringen von Markierungen oder Maschinen zum Herstellen gedruckter Schaltungen, bei denen einzelne Komponenten eingeschossen werden, ist denkbar.
Dabei besteht in zunehmenim Maße das Erfordernis hoher Taktzahlen und somit großer Stückleistungen, also einer möglichst großen Geschwindigkeit der Stoßbewegung.
Bei herkömmlichen Linearantrieben dieser Art wird der Arbeitsraum des Zylinders mittels einer externen Leitung an das abseits angeordnete Steuerventil angeschlossen, das seinerseits mit der Druckluftquelle verbunden ist und bei Betatigung, z.
B. mittels eines Elektromagneten, den Durchfluß durch die Leitungen zum Arbeitsraum freigibt, so daß der Kolben seinen Vorwärtshub ausführt. Anschließend an den Vorwärtshub wird das Steuerventil in seine Ausgangsstellung zurückgestellt, in der sein Arbeitsanschluß vom Druckanschluß getrennt mit seinem Entltiftungsanschluß verbunden ist, so daß beim Rückwärtshub die Druckluft aus dem Arbeitsraum über die Leitungen entweichen kann.
Bei einer solchen Anordnung sind der Geschwindigkeit der Vor- und Rückbewegung des Kolbens Grenzen gesetzt, was vor allem auf den Strömungswiderstand der Leitungen zurückzuführen ist, die eine limitierte Nennweite und in der Regel eine beträchliche Länge besitzen, so daß sich der Arbeitsraum mit einer gewissen Verzögerung füllt - insbesondere gegen das Hubende - bzw. nur allmählich entleert. Außerdem bilden die Leitungen ein Totvolumen, das sich vor dem Beaufschlagen des Arbeitsraumes füllen muß, was ebenfalls eine Verzögerung mit sich bringt.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine erhöhte Kolbengeschwindigkeit und somit eine schnellere Stoßbewegung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich an den Arbeitsraum ein von diesem durch eine Trennwand getrenner, mit der Druckmediumquelle verbundener Speicherraum anschließt und daß das Steuerventil an der Trennwand angeordnet ist, die vom Steuerventil gesteuerte Kanäle für die Beaufschlagung des Arbeitsraum vom Speicherraum her und zum Entlüften des Arbeitsraums nach: außen enthält.
Auf diese Weise ist zwischen die Druckmediumquelle und den Arbeitsraum ein kondensatorartiger Luftspeicher geschaltet, der nur durch die Trennwand gegen den Arbeitsraum aboeschlossen ist, über deren Kanäle, gesteuert durch das integrierte Steuerventil, das Beaufschlagen und Entleeren des Arbeitsraumes erfolgt. Im Speicherraum steht also dauernd eine ausreichend große Druckmediummenge bereit, so daß sich der Arbeitsraum nach der Ventilbetätigung momentartig innerhalb weniger Millisekunden füllt. Da die Kanäle der Trennwand den Abmessungen der Trennwand entsprechend sehr kurz sind und dazuhin mit großem Querschnitt ausgebildet werden können,sind auch das Totvolumen und der Druckverlust innerhalb der Kanäle vernachlässigbar klein-, so daß der Vorwärtshub sofort mit vollem Druck.beginnt und bis zu seinem Ende äußerst schnell abläuft.
Auch dem Entleeren des Arbeitsraumes während des Rückwärtshubes, wenn das Steuerventil auf Entlüftung geschaltet ist, stellt sich praktisch kein Strömungswiderstand entgegen, da ja der ebenfalls kurze und im Durchmesser nicht limitierte Entlüftungskanal schlauch- oder leitungslos unmittelbar ins Freie münden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht in dem geringen Verschlauchuhgsaufwand, da zwischen dem Steuerventil und dem Arbeitsraum keine Schlauchleitung vorhanden ist.
Zweckmäßigerweise ist das Steuerventil innerhalb der Trennwand angeordnet. Das Steuerventil kann auch die Trennwand bilden.
Des weiteren ergibt sich eine baulich sehr einfache Anordnung, wenn die Trennwand den Ar teitsraum an der dem Kolben gegenüberliegenden Seite abschließt und der Speicherraum in axialer Richtung auf den Arteitsraum folgt. Hierbei ist es zweckmäßig, daß der Zylinder über den Arbeitsraum hinaus verlängert ist, wobei die Zylinderverlängerung den Speicherraum bildet.
Ene weitere zwekmßige Maßnahme besteht darin, daß der Kolben ein Differentialkolben ist, indem die vom Arbeitsraum her beaufschlagbare Kolbenfläche großer als die dem Arbeitsraum abgewandte beaufschlagbare Kolbenfläche ist, wobei der von dieZ ser Kolbenfläche begrenzte Rückholraum des Zylinders dauernd mit der gleichen Druckmediumquelle wie der Speicherraum verbunden ist. Diese Möglichkeit einer semi-doppelt wirkenden Anordnung mit Differentialkolben zur Rückführung des Kolbens ist im Vergleich zu einem doppelt wirkenden Zylinder oder zu einem einfach wirkenden Zylinder mit Rückholfeder günstiger, da diese beiden Prinzipien geschwindigkeitsverzö.gernd wirken und insbesondere die einfach wirkende Anordnung mit Rückholfeder fur schnelle Stoßbewegungen nicht optimal ist, da die Kennlinie der mechanischen Feder eine zunehmemde Gegenkraft gegen das Hubende mit sich bringt, was bekanntermaßen geschwindigkeitsmindernd wirkt. Außerdem wird beim RUcklauf des Zylinders nur eine verhltnismäßig kleine Kolbenfläche beaufschlagt, was den Energiebedarf reduziert. Des weiteren wird hierdurch ein separater Anbau eines kostenerhöhenden Druckluftreglers vermieden. Ferner ergibt sich bei schwankendem Betriebsdruck, daß sich die RUcklaufkraft selbsttätig an die Voraufkraft anpaßt, da ja für beide Bewegungsrichtungen ein einheitlicher Speisedruck Verwendung findet, Schließlich erhält man bei dieser Anordnung am Ende des Vorwärtshubes durch das Druckmediumpolster eine Pufferwirkung und somit eine gute Dämpfung, wodurch die Anschlaggeräusche verringert und der Verschleiß des Zylinderdeckels gemindert wird. Es wird also eine schnelle Stoßwirkung erzielt unter dem gleichzeitigen Vorteil eines geringen Verbrauchs an Luftenergie und unter Reduzierung der Anschlaggergusche, indem der Differentialkolben als Luftfeder mit konttanter Federkennlinie wirkt, die automatisch Netzdruckschwankungen kompensiert, Um die "beschleunigten Massen klein zu halten und somit eine weitere Geschwindigkeitserhöhung sowie ein günstigeres Anschlagverhalten zu erzielen, kann man die Kolbenstange hohl ausbilden. Des weiteren kann es auch bei massiven Kolbenstangen zweckmäßig sein, daß die Kolbenstange und zweckmäßigerweise auch der Kolben aus einem Material mit geringerem spezifischem Gewicht als Metall, jedoch mit großer Festigkeit, insbesondere aus Verbundmaterial. zweckmäßigerweise kohlenfaserverstärktes Glasfasermaterial, bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der einzigen Figur der Zeichnung beschrieben, die einen pneumatischen Linearantrieb im Längsschnitt in schematischer Darstellung zeigt.
Dieser Linearantrieb wird mit Druckluft betrieben und dient zum Erzeugen impulsartiger schneller Stoßbewegungen. In einem Antriebszylinder 1 ist ein Kolben 2 abgedichtet hin und her bewegbar geführt, wobei die zwischen der Zylinderwand und dem Umfang des Kolbens vorhandene Dichtung durch einen O-Ring 3 symbolisiert ist. bn einer Seite des Kolbens 2 sitzt zentral eine Kolbenstange 4, die einstückig angeformt oder wie beim Ausführungsbeispiel als gesondertes Teil am Kolben befestigt sein kann. Am zugewandten Zylinderdeckel 5, der auf übliche Weise an der Zylinderwand 1 befestigt und in der Zeichnung nur der Übersichtlichkeit wegen einteilig mit der Zylinderwand 1 eingezeichnet ist, ist die Kolbenstange 4, die sich stoßartig bewegt, unter Zwischenschalten einer Dichtungsanordnung 6 nach außen geführt. An der der Kolbenstange 4 labgewandten Kolbenseite ist ein einerseits vom Kolben 2 und andererseits von einer noch zu beschreibenden Trennwand 7 begrenzter Arbeitsraum 8 im Zylinder 1 enthalten, der zum Ausführen des Vorwärtshubes des Kolbens bzw. der Kolbenstange in Richtung gemäß Pfeil 9 mit Druckmedium von einer Druckmediumquelle 10 her beaufschlagbar ist. Zwischen die Druckmediumquelle 10 und den Arbeitsraum 8 ist ein Steuerventil 11 in Gestalt eines Dreiwegeventils geschaltet, über das der Arbeitsraum 8 je nach der Ventilstellung mit Druckmedium beaufschlagt oder entlüftet wird.
Die Trennwand 7 ist dichte und ortsfest in den Zylinder 1 eingebracht. In ihr ist in einem Hohlraum 12 das Steuerventil 11 enthalten, wozu man das Dreiwegeventil. 11 beispielsweise in das Material der Trennwand 7 einbetten kann, wenn diese aus Kunststoff besteht Selbstverständlich ist auch eine mehrteilige Ausbildung der Trennwand 7 zum Einsetzen des Steuerventils möglich. Das Steuerventil. 11 besitzt einen Druckanschluß, einen Arbeitsanschluß und einen Entlüftungsanschluß, die nicht dargestellt sind und mit einem Druckkanal 13 bzw. einem Arbeitskanal 14 bzw. einem Entiüftungskanal 15 in der Trennwand 7 kommunizieren. Je nach der Stellung des Steuerventils 11 ist der Druckkanal 13 mit dem Arbeitskanal 14 bzw. der Arbeitskanal 14 mit dem Entlüftungskanal 15 verbunden.
Der Zylinder 1 ist über den Arbeitsraum 8 hinaus verlängert, wobei die Zylinderverlängerung 16 endseitig geschlossen ist und zwischen diesem Zylinderende und der Trennwand 7 einen kondensatorartigen Speicherraum 17 umschließt. Es ergibt sich also eine Anordnung, bei der die Trennwand 7 den Arbeitsraum 8 an der dem Kolben 2 gegenüberliegenden Seite abschließt und der Speicherraum 17 in axialer Richtung auf den Arbeitsraum 8 folgt. Das Volumen des Speicherraums 17 entspricht etwa dem Volumen des Arbeitsraums 8, wenn der Kolben 2 in Richtung gemäß Pfeil 9 ausgefahren ist.
Von den in der Trennwand 7 verlaufenden Kanälen 13, 14, 15 mündet der Druckkanal 13 in den Speicherraum 17, der Arbeitskanal 14 in den Arbeitsraum 8 und der Entlüftungskanal 15 radial durch die Zylinderwand 1 nach außen ins Freie. In der Trennwand J verläuft außerdem noch ein Verbindungskanal 18, der ebenfalls in den Speicherraum 17 mündet und andererseits durch die Z9linderwand 1 geführt ist. An dieses äußere Kanalende ist eine Verbindungsleitung 19 angeschlossen, über die der Speicherraum 17 mit der Druckmediumquelle 10 verbunden ist.
Auf diese Weise steht im Speicherraum 17 über die Verbindungsleitung 19 und den Verbindungskanal 18 dauernd Druckmedium an.
Bei unbetätigtem Steuerventil 11 trennt dieses den Druckkanal 13 vom Arbeitskanal 14 und verbindet den Arbeitskanal 14 mit dem Entlüftungskanal 15, so daß der Arbeitsraum 8 entlüftet ist und der Kolben 2 seinen Rückwärtshub in Richtung gemäß Pfeil 20 ausfUhren kann. Das durch die Kolbenbewegung verdrängte Druckmedium wird über die Kanäle 14 und 15 ins Freie abgeblasen.
Betätigt man nun das Dreiwegeventil 11 beispielsweise auf elektromechanische Weise von außen her, wird der Entlüftungskanal 15 verschlossen und der Druckkanal 13 mit dem Arbeitskanal 14 verbunden. Das im Speicherraum 17 anstehende Druckmedium strömt.
schlagartig in den Arbeitsraum 8 und der Kolben 2 bzw. die Kolbenstange 4 führt äußerst schnell die Vorwärtsbewegung in Richtung gemäß Pfeil 9 aus.
Beim Ausführungsbeispiel erfolgt die Betätigung des Steuerven tils 11 mittels einer z. B. elektrischen Steuerleitung 21, die von einer äußeren Steuereinheit 22 durch die Zylinderwand 1 und die Trennwand 7 zum Steuerventil 11, 2. B. zu dessen Magnet.-kopf, führt. Die Steuereinheit 22 öffnet beispielsweise in Abhä.ngigkeit von zu ihr gelangenden Signalen oder auf fest eingegebene Weise das Ventil 11 in zeitlichen Abständen jeweils eine an das Volumen des Speicherraums 17 bzw. des Arbeitsraums 8 angepaßte Zeitdauer lang, wobei wegen der unmittelbaren Nachbarschaft von Arbeitsraum 8 und Steuerventil 11 sowie wegen des an das Steuerventil. 11 angrenzenden Speicherraums 17 keine Toträume. und keine Strömungswiderstände auftreten, so daß schnelle Stoßbewegungen mit großen Taktzahlen möglich sind.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Steuerventil 11 in der Trennwand 7 enthalten. In Abwandlung hiervon kann auch vorgesehen sein, daß das Steuerventil gleichzeitig die gesamte Trennwand bildet. Diese Variante ist anhand der Zeichnung leicht vorstellbar. In diesem Falle würde die Trennwand 7 mit den Kanälen 13, 14, 15 dem Ventilgehäuse entsprechen, in dem ebenfalls ein Hohlraum 12 angeordnet ist, der zur Steuerung der Kanäle 13, 14, 15 jedoch einen Ventilschieber aufnimmt.
l Nunmehr sollen noch die Maßnahmen zur Rückholung des Kolbens 2, also zum Ausführen des Rückwärtshubes in Richtung gemäß Pfeil 20, beschrieben werden. Der Kolben 2 ist ein Differentialkolben, indem die vom Arbeitsraum 8 her beaufschlagbare Kolbenfläche größer als die dem Arbeitsraum abgewandte beaufschlasbare Kolbenfläche ist. Der von dieser Kolbenfläche begrenzte R.ückholraum 23, der von dem zwischen der Zylinderwand 1 und der einen verminderten Durchmesser besitzenden Kolbenstange 4 vorhandenen Ringraum gebildet wird, ist über einen im Bereich des Zyli-nderdeckels 5 angeordneten Zylinderanschluß 24 und eine zweite Verbindungsleitung 25 dauernd mit der gleichen Druckmediumquelle. 10 wie der Speicherraum 17 verbunden. Dabei sind die beiden Verbindungsleitungen 19 und 25 von einer Verzweigungsstelle an ge-meinsam zur Druckmediumquelle 10 geführt.
Auf diese Weise ist der Rückholraum 23 dauernd mit Druckmedium beaufschlagt, w.Qbei während des Vorwärtshubs (Pfeil 9) das Druckmedium zur Druckmediumquelle hin verdrängt wird. Da der Druck im Rückholraum 23 und.im Speicherraum 17 gleich ist, Uberwiegt während des Vorwärtshubes wegen der größeren beaufschlagbaren Fläche die vom Arbeitsraum 8 her ausgeübte Kraft die vom Druckmedium im Rückholraum 23 ausgeübt Kraft. Ist das Ende des Vorwärtshubes erreicht und wird das Steuerventil 11 in seine den Arbeitskanal 14 mit dem Entiüftungskanal 15 verbindende Stellung überführt, drückt das Druckmedium im Rückholraum 23 den Kolben 2 unter gleichzeitiger Entlüftung des Arbeitsraums 8 in Richtung auf die Trennwand 7 hin.
Die Kolbenstange 4 kann aus Metall bestehen. Dabei kann sie zur Verminderung der zu beschleunigenden und abzubremsenden Masse wie dargestellt hohl ausgebildet sein. Sie kann jedoch, evtl. auch der Kolben, aus einem Material mit geringerem spezifischem Gewicht als Metall, jedoch mit großer Festigkeit, bestehen, insbesondere aus Verbundmaterial, zweckmäßigerweise kohlenfaserverstärktes Glasfasermaterial. In diesem Falle erhält man auch bei einer voll ausgebildeten Kolbenstange ein geringes Gewicht.

Claims

Linearantrieb zum Erzeugen impulsartiger schneller Stoßbewegungen Ansprüche 1. Insbesondere pneumatischer Linearantrieb zum Erzeugen impulsartiger schneller Stoßbewegungen, mit einem in einem Antriebszylinder hin und her bewegbaren Kolben, an dessen einer Seite eine am zugewandten Ende des Zylinders aus diesem geführte, die Stoßbewegung ausführende Kolbenstange sitzt, wobei zwischen eine Druckmediumquelle und den an der der Kolbenstange abgewandten Kolbenseite angeordneten Arbeitsraum des Zylinders ein Steuerventil geschaltet ist, über das der Arbeitsraum je nach der Ventilstellung mit Druckmedium beaufschlagt oder entleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Arbetsraum (8) ei-n von diesem durch eine Trennwand (7) getrennter, mit der Druckmediumquelle (10) verbundener Speicherraum (17) anschließt und daß das Steuerventil £11) an der Trennwand (7) angeordnet ist, die vom Steuerventil (11) gesteuerte Kanäle (13, 14, 15) für die Beaufschlagung des Arbeitsraumes (8) vom Speicherraum (17) her und zum Entlüften des Arbeitsraumes (8) nach außen enthalt.
2 Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil innerhalb der Trennwand angeordnet ist oder die Trennwand bildet,
3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (.7) den Arbeitsraum (8) an der dem Kolben (2) gegenüberliegenden Seite abschließt und der Speicherraum (17) in axialer Richtung auf den Arbeitsraum (8) folgt.
4. Linearantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennieichnet, daß der Zylinder (.1) über den Arbeitsraum (8) hinaus verlängert ist, wobei die Zylinderverlängerung (16) den Speicherraum (17) bildet.
5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche. 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Speicherraums .(in) etwa dem Volumen des Arbeitsraums (8) bei ausgefahrener Kolbenstange (4) entspricht.
6, Linearantrieb nach einem der Ans-prüche 1 bis 5, dadurch gekbnnzeichnet, daß der Kolben (2) ein Differentialkolben ist, indem die vom Arbettsraum (8) her beaufschlagbare Kolbenfläche größer als die dem Arbeitsraum (8) abgewandte beaufschlagbare Kolbenfläche ist, wobei der von dieser Kolbenfläche begrenzte Rückholraum (23) des Zylinders dauernd mit der gleichen Druckmediumquelle (10) wie der Speicherraum (17) verbunden ist.
7. Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückholraum (23) von dem zwischen der Zylinderwand (1) und der einen verminderten Durchmesser besitzenden Kolbenstange (4) vorhandenen Ringraum gebildet wird.
8. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (4) hohl ausgebildet ist.
9. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet; daß die Kolbenstange und zweckmäßigerweise auch der Kolben aus einem Material mit geringerem spezifischem Gewicht als Metall, jedoch mit großer Festigkeit, insbesondere aus Verbundmaterial, zweckmäßigerweise kohlenfaserverstarktes Glasfasermaterial, bestehen.