DE3440278A1

DE3440278A1 - Aus ringelementen aufgebauter arbeitszylinder

Info

Publication number: DE3440278A1
Application number: DE19843440278
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 7300 Esslingen Stoll
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 1984-11-03
Filing date: 1984-11-03
Publication date: 1986-05-15
Also published as: IT1187487B; GB8526857D0; SE8505117L; AU4932185A; FR2572777B1; BR8505470A; SE8505117D0; ES8702589A1; FR2572777A1; IT8584968A0; GB2166496A; JPS61116109A; ES548410A0; KR860004251A

Description

D 9422-nral

Festo KG , 73oo Esslingen / Neckar

Aus Ringelementen aufgebauter Arbeitszylinder

Die Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder zur Hin- und Herbewegung einer Kraftabnahme innerhalb eines begrenzten Hubbereichs.

Derartige Arbeitszylinder sind in Form von druckmittelbetätigten Kolben-Zylinder-Einheiten bekannt. Sie haben u.a. den Nachteil, daß ihre Hublänge auf die Baulänge der Zylinderlaufbuchse beschränkt ist. Dies ist aber in vielen Fällen, insbesondere beim Arbeiten in räumlich beengten Verhältnissen, von Nachteil.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen in verschiedensten Größen zu fertigenden Arbeitszylinder mit einem sehr großen, präzise reproduzierbaren Hubverhältnis zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen aus elastisch verformbaren Ringelementen aufgebauten Arbeitszylinder gelöst, dessen Ringelemente unter Bildung einer balgartigen Struktur alternierend in Bereichen größeren und kleineren Durchmessers abgedichtet miteinander verbunden sind.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Ringelemente in einer durch Druckeinwirkung ausgefahrenen Position des Arbeitszylinders vorgeformt. Diese Anordnung erlaubt einen Betrieb mit maximaler interner Kraft, ohne die Elastizitätsgrenze des Materials zu überschreiten. Im Betrieb wird jedes einzelne Ringelement nur auf die vorgeformte Kontur gedehnt. Ein überdehnen der Balgstruktur ist dadurch ausgeschlossen, und man kann extrem dünne Materialien bei der Herstellung jedes einzelnen Ringelements verwenden. Die dünnen Ringelemente erlauben den Aufbau eines höchst kompakten Arbeitszylinders, da im eingefahrenen Zustand auf engstem Raum sehr viele Ringelemente untergebracht werden können. Jedes einzelne Ringelement wird im Betrieb nur um einen kleinen Betrag proportional zu seinem Durchmesser und seiner Dicke gedehnt. Die gesamte Hubbewegung resultiert aus einer entsprechenden Dehnung einer Vielzahl von

Ringelementen, so daß man mit minimalen Spannungen an dem einzelnen Ringelement sehr große Hubstrecken realisieren kann. Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder zeichnet sich so durch ein extrem großes Hubverhältnis aus, d.h. seine Länge im ausgefahrenen Zustand ist verglichen mit der im eingefahrenen Zustand sehr groß. Durch die Vorformung werden konzentriert an der Peripherie der Ringelemente auftretende Spannungen vermieden, was sich vorteilhaft auf die Betriebssicherheit und eine lange Betriebslebensdauer des Arbeitszylinders auswirkt. Im Ergebnis erhält man so einen kompakt bauenden Arbeitszylinder mit maximaler Ausdehnung unter minimalen Spannungen.

Die Erfindung schlägt weiterhin vor, wenigstens einen Teil der Verbindungsstellen zwischen den Ringelementen durch Löten, vorzugsweise Hartlöten, herzustellen. Hierdurch wird eine bei guter Abdichtung mechanisch hoch belastbarer Verbindung geschaffen. Die Lötstellen können in einem fertigungstechnisch besonders einfachen und kostengünstigen Ofenprozeß geschaffen werden, durch den Arbeitszylinder gemäß der Erfindung schnell und in einer Vielzahl von Baugrößen hergestellt werden können.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Ringelemente miteinander zu verschweißen, und zwar vorzugsweise

in ihrem radialen Aussenbereich, der für eine Widerstandsschweißung leicht zugänglich ist. Die dadurch erhaltenen Verbundkörper können anschließend in ihrem radialen Innenbereich miteinander verlötet werden, und zwar vorzugsweise wiederum in einem Ofenprozeß.

Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Ringelemente mittels eines geeigneten Klebers miteinander zu verkleben.

Die Ringelemente des Arbeitszylinders können in einer gewölbten Kontur vorgeformt sein, bevor sie miteinander verbunden werden. Insbesondere empfiehlt es sich dabei, den Ringelementen eine tassenartige Form zu verleihen, und benachbarte Ringelemente in spiegelsymmetrischer Anordnung zu ihrer Berührfläche miteinander zu verbinden. Die erhaltene Balgstruktur zeichnet sich durch ein extremes Dehnungsvermögen aus. Doch kann man den erfindungsgemäßen Arbeitszylinder auch aus flachen, elastisch verformbaren Ringsegmenten aufbauen. Dies hat den Vorteil, daß keine aufwendigen Formgebungsverfahren für die Ringelemente erforderlich sind.

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder läßt sich einerseits dadurch betreiben, daß man den Innenraum der

*"^' ^ LL0 Balgstruktur mit einem Druckmittel beaufschlagt und den Balg dadurch ausdehnt. Doch besteht auch die Möglichkeit, einen Unterdruck im Innenraum des Balgs zu erzeugen, so daß er durch den umgebenden Atmosphärendruck betätigt wird. Man kann beispielsweise nur einen derartigen Balg an der Kraftabnahme des Arbeitszylinders eingreifen lassen und den Rückhub durch die Kraft eines Federelements, Schwerkraftwirkung o.a. durchführen; insbesondere im Fall eines überdruckbetätigten Arbeitszylinders besteht auch die Möglichkeit, den Rückhub durch evakuieren zu besorgen. Diese Bauformen bieten sich vor allem für einfach wirkende Arbeitszylinder an.

Doch kann man auch einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder realisieren, indem man mehrere, aus ringelementen zusammengesetzte Balgstrukturen an der Kraftabnahme angreifen läßt. Ein Arbeitshub wird dann insbesondere durch Druckbeaufschlagung des einen Balgs mit gleichzeitiger Druckentlastung des anderen Balgs bewirkt, und der Rückhub durch Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung mit umgekehrter Anschlußlage. Des weiteren ermöglicht die Anordnung zweier Bälge an der Kraftabnahme eine Differentialdruckbetätigung des Arbeitszylinders. Man erkennt die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die sich hieraus ergeben.

Die präzise reproduzierbare Dehnung der aus Riirgelementen zusammengesetzten Balgstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, den Arbeitszylinder als Positioniervorrichtung einzusetzen. In einer bevorzugten Bauform sind dabei mehr als zwei unabhängig voneinander druckbeaufschlagbare bzw. evakuierbare Bälge mit der Kraftabnahme verbunden. Durch die Druckbeaufschlagung bzw. Evakuierung je eines dieser Bälge vollführt die Kraftabnahme einen Hubschritt um einen wohldefinierten Betrag. Durch anschließende Druckbeaufschlagung bzw. Evakuierung eines weiteren Balgs schließt sich ein zweiter Hubschritt an, usw. Durch eine geeignete Kombination von Balgstrukturen können so annähernd beliebige Förderstrecken schrittweise bewältigt werden, wofür sich in Handhabungsgeräten, Förder- und Transportanlagen, Ladern und Entladern usw. vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ergeben.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Enden der Bälge mit einem zu Befestigungszwecken sowie zur Abdichtung geeigneten Flansch verbunden. Dieser kann insbesondere in dem zur Herstellung des Balgmantels dienenden Ofenprozeß an ein Endringelement des Balgs angelötet sein.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Flansch macht den Arbeitszylinder mit verschiedensten Druck- und Vakuumsystemen kompatibel.

Um die Bewegungs- und Betätigungsrichtung des Arbeitszylinders vorzugeben, kann eine Führungsstange vorhanden sein, die die Balganordnung durchsetzt und an der die Kraftabnahme entlangläuft. Die Führungsstange stabilisiert die Kraftabnahme, und sie verhindert, daß quer zu seiner Hubrichtung gerichtete Kräfte und Momente auf den Balgmantel einwirken, wodurch dieser geschont und vor Beschädigungen geschützt wird. Weiterhin kann die Führungsstange dazu dienen, eine annähernd beliebige Bewegungsbahn der Kraftabnahme vorzugeben, wozu sie insbesondere einen geraden oder gekrümmten Verlauf haben kann.

Es empfiehlt sich, die Führungsstange an Verankerungsblöcken zu lagern, die die Balgstruktur zwischen sich aufnehmen. Die Bälge sind aber vorzugsweise an den Verankerungsblöcken gedichtet. Die Verankerungsblöcke können zugleich Druckmittelanschlüsse des Arbeitszylinders enthalten.

Das Vorhandensein einer Führungsstange ist aber

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für den erfindungsgemäßen Arbeitszylinder nicht zwingend. Vielmehr kann man auch allein durch die Form des Balgmantels eine bestimmte Arbeitsrichtung des Zylinders vorgeben. Es empfiehlt sich, dem Balgmantel hierzu eine im wesentlichen konische Form zu verleihen und ihn aus Ringelementen von unterschiedlicher, zwischen benachbarten Ringelementen sich progressiv ändernder Größe zusammenzusetzen. Ein solcher Balgmantel fährt bei Druckbeaufschlagung in Richtung seiner Längsmittelachse ein und aus, und er konzentriert seine Betätigungskraft auf die Konusspitze.

Man kann den konischen Balgmantel auch mit einem Innendruck abschließen, der größer oder gleich dem umgebenden Atmosphärendruck ist. Der Arbeitszylinder fungiert dann gegenüber äußerer Krafteinwirkung als Stoßdämpfer. Bei Stoßeinwirkung wird im Inneren des Arbeitszylinders ein überdruck erzeugt, der beispielsweise über ein Drosselventil abgebaut werden kann. Auch besteht die Möglichkeit, das Balginnere als Druckquelle anzuzapfen und den Arbeitszylinder nach Art einer Pumpe zu betreiben.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Arbeitszylinders besteht darin, daß man die Ringsegmente mit zwischengelegten Hartlotringen

? . ./ .:. -- \. V. auf einen Stab aufzieht, in Axialrichtung spann3440278 und in einem Ofen erhitzt, so daß die Hartlotringe schmelzen und die Ringelemente miteinander verbinden. Der zur Zentrierung der Ringanordnung dienende Stab besteht dabei vorzugsweise aus Lotmaterial abweisender Keramik. Dieses Ofenverfahren hat den Vorteil einer schnellen und kostengünstigen Fertigung von Arbeitszylindern in einer Vielzahl möglicher Baugrößen.

Ein sehr wesentlicher Verfahrensschritt ist, daß man die Ringsegmente nach dem abdichtenden Verlöten durch Anlegen eines maximalen Innendrucks vorformt. Diese Formgebung wird bei voll ausgefahrenem Arbeitszylinder durchgeführt. Man erreicht so, daß die Ringelemente im Betrieb nie über die vorgeformte Kontur hinaus deformiert werden, und man garantiert einen wohldefinierten, präzise reproduzierbaren Maximalhub des Arbeitszylinders. Letzteres ist insbesondere für Anwendungen des Arbeitszylinders als Positioniereinheit von Bedeutung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Teilweise schematisch zeigen:

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34A0278

Fig. 1 die Seitenansicht eines doppelt wirkenden Arbeitszylinders mit geradlinigem Hub, teilweise im Längsschnitt;

Fig. 2 die Seitenansicht eines doppelt wirkenden Arbeitszylinders mit entlang einer gekrümmten Strecke verlaufendem Hub, teilweise im Längsschnitt;

Fig. 3 die Seitenansicht eines Arbeitszylinders mit konischem Balgmantel, der im oberen Teil der Abbildung in ausgefahrenem, und im unteren Teil der Abbildung in eingefahrenem Zustand dargestellt ist;

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Seitenansicht

eines Arbeitszylinders mit Führungsstangen und zylindrischem Balgmantel;

Fig. 5 Einzelteile eines Arbeitszylinders vor

ihrem in einem Ofen stattfindenden Verlöten;

Fig. 6 die Seitenansicht einer kompletten Montageeinheit, bevor sie zum Verlöten in den Ofen gebracht wird;

Fig. 7 einen axialen Längsschnitt durch einen

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Arbeitszylinder, der aus in gewölbter Kontur vorgeformten Ringelementen aufgebaut ist;

Fig. 8 einen axialen Längsschnitt durch einen aus flachen Ringelementen aufgebauten Arbeitszylinder, wobei Fig. 8 (a) einen eingefahrenen und Fig. 8 (b) einen durch Druckbeaufschlagung ausgefahrenen Zustand des Arbeitszylinders zeigt;

Fig. 9 einen als Positioniereinheit wirkenden

Arbeitszylinder mit drei an einer Kraftabnahme angreifenden Balgstrukturen, durch die sich die Kraftabnahme in schrittweise gegeneinander versetzte Positionen (a), (b) und (c) verfahren läßt;

Fig. 1o (a) - (c) verschiedene Stadien in einem Test- und Formgebungsverfahren, dem der verlötete Arbeitszylinder unterzogen wird.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Arbeitszylinders weist zwei Verankerungsblöcke auf, die eine Führungsstange 3 tragen. Auf die Führungsstange 3 ist eine Kraftabnahme 5 aufgezogen,

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so daß sie zwischen den Veränkerungsblöcken 1 hin- und herbeweglich gelagert ist. Zwischen der Kraftabnahme 5 und den beiden Verankerungsblöcken 1 befindet sich je ein aus Ringelementen 2 zusammengesetzter Balg. Die Bälge umschließen die Führungsstange 3, und sie sind abgedichtet an Verankerungsblock 1 und Kraftabnahme 5 befestigt. Hierzu kann ein in Fig. 5 näher dargestelltes Anschlußteil dienen, das sich an den axialen Enden des Balgs befindet. Das Anschlußteil 13 greift mit einem Stutzen in passende öffnungen von Verankerungsblock bzw. Kraftabnahme 5 ein. Auf dem Aussenmantel des Stutzens befindet sich in einer umlaufenden Nut eine Ringdichtung 4,14. Diese wird bei montiertem Balg durch den Innenmantel der Passöffnung gepresst, so daß sie die Verbindung dichtet.

Beide Bälge sind unter separater Abdichtung an der Kraftabnahme 5 befestigt. Sie können unabhängig voneinander mit Druck beaufschlagt oder vakuiert werden. Zu diesem Zweck sind Anschlußöffnungen 6 in den Verankerungsblöcken 1 vorgesehen. Die Anschlußöffnungen 6 kommunizieren über eine Axialbohrung 2o in dem Anschlußteil 13 mit dem Balginnern. Wird beispielsweise der in Fig. linke Balg mit Druck beaufschlagt und der rechte Balg druckentlastet, so führt die Kraftabnahme

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eine angetriebene Bewegung in die Position gemäß Fig. 1 aus. Für einen Rückhub in Richtung 22 wird der in Fig. 1 rechte Balg mit Druck beaufschlagt, und der linke Balg druckentlastet. Bei einem Unterdruckbetätigten, doppeltwirkenden Arbeitszylinder erhält man eine entsprechende Hin- und Herbewegung der Kraftabnahme, in dem zunächst der eine, dann der andere Balg evakuiert wird, während der nicht evakuierte Balg unter Atmosphärendruck steht.

Die Kraftabnahme 5 folgt bei ihrer angetriebenen Bewegung der Führungsstange 3. Diese kann einen geraden Verlauf haben (vgl. Fig. 1). Doch kann man der Führungsstange 3 auch einen gekrümmten oder gebogenen Verlauf geben, so daß die Kraftabnahme 5 eine entsprechende Bahn durchläuft (vgl. Fig. 2). Voraussetzung ist nur eine Lagerung der Kraftabnahme 5 auf der Führungsstange 3, die es ersterer erlaubt, die auftretenden Kurven und Krümmungen zu bewältigen. Ferner muß der Balgmantel eine entsprechende Biegeelastizität haben.

Das Vorhandensein einer Führungsstange 3 ist für die Erfindung aber nicht zwingend. So zeigt Fig. 3 einen Arbeitszylinder, dessen Ausfahrbewegung allein durch die Form des Balgmantels bestimmt ist. Der wiederum aus Ringelementen 8 zusammengesetzte Balgmantel hat eine im wesentliche konische Form.

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Er sitzt an einem Sockel an, der mit einer Anschlußöffnung 1o versehen ist, durch die das Innere des Balgs mit Druck beaufschlagt bzw. unter Unterdruck gesetzt werden kann. Der Sockel bildet die Basis des Konus. Dieser kann an seiner Spitze eine Abschlußplatte, einen Puffer o.a. tragen, mit der die Hubkraft des Arbeitszylinders übertragen wird. Der Durchmesser der den Balgmantel bildenden Ringelemente nimmt vom Sockel zu der Abschlußplatte hin stetig ab. Jeweils ein Paar aneinander anliegender Ringelemente kann dabei gleich groß sein; im übrigen folgen aber auf größere Ringelemente 9 zunehmend kleinere Ringelemente 8. Wenn durch die Anschlußöffnung 1o ein Druckmittel eingespeist wird,dehnen sich die Ringelemente aus, wobei eine Bewegung mehr oder weniger in axialer Längsrichtung des Konus erzeugt wird. Die Antriebskraft ist dabei im Bereich der Konusspitze konzentriert.

Fig. 4 zeigt die Halbseite eines Arbeitszylinders mit einem Verankerungsblock 1 und einem kreiszylindrischen Balgmantel, der einmal im ausgefahrenen, und zum anderen im zusammengezogenen Zustand dargestellt ist. Man erkennt, daß sich die Ringelemente 2 auf engstem Raum zusammenziehen lassen, so daß der komprimierte Arbeitszylinder sehr klein baut. Andererseits kann er auf ein mehrfaches seiner Ausgangslänge ausgefahren werden, wie der obere

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Teil von Fig. 4 zeigt. Man erhält also ein extrem großes Hubverhältnis, wobei man letzteres durch den Quotienten der Ausfall-Länge im expandierten und komprimierten Zustand definieren kann.

Fig. 5 illustriert die Herstellung des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders unter Verwendung von tellerartig vorgeformten Ringelementen. Letztere haben einen mittig gelochten, gewölbten Boden und einen davon annähernd radial abstehenden Randflansch. Die Ringelemente werden in axialer Flucht ausgerichtet, wobei jeweils die Randflansche zweier benachbarter Ringelemente 2 einander zugewandt sind. Aufgrund ihrer Wölbung schließen so die Ringelemente 2 ein Volumen ein, das von konvex gekrümmten Wänden begrenzt wird. Der Boden eines entsprechenden Ringelementpaars ist dem Boden eines sich daran anschließenden benachbarten Ringelementes zugekehrt.

Zwischen den Flanschen bzw. Bodenflächen benachbarter Ringelemente werden jeweils Ringe 11 ; 12 aus Lotmaterial, vorzugsweise Hartlotmaterial, eingelegt. Die zwischen den Flanschen zu liegen kommenden Ringe 11 haben dabei einen größeren Durchmesser, als die zwischen den Bodenflächen zu liegen kommenden Ringe 12. Die Lotringe 11,12 dienen dazu, benachbarte Ringelemente 2 dichtend miteinander zu verlöten. Man erkennt, daß sich dabei radial aussen liegende

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Lötstellen größeren Durchmessers mit radial innen liegenden Lötstellen kleineren Durchmessers abwechseln. Benachbarte Ringelemente 2 werden jeweils in spiegelsymmetrischer Anordnung zu ihrer Berührfläche verlötet.

Wie schon erwähnt, können an den axialen Enden des Balgmantels Anschlußteile 13 angebracht sein, die zu Befestigungszwecken und zur Abdichtung dienen. In einem besonders einfachen Verfahren werden die Anschlußteile 13 bei der Herstellung des Balgmantels zugleich mit diesen verlötet. Das in Fig. 5 gezeigte Anschlußteil besitzt einen axial durchbohrten 2o, die Dichtung 14 tragenden Stutzen, an dessen dem Balgmantel zugekehrten Ende ein radial abstehender Flansch angeformt ist. Zwischen diesen Flansch und die Bodenfläche eines Ringelements 2 wird ein Lotring 12 kleineren Durchmessers angebracht, durch den das Ringelement 2 mit dem Flansch verlötet wird.

Zur Vorbereitung des Lötvorgangs werden ein erstes Anschlußteil 13, eine Anzahl von Ringelementen 2 und gegebenenfalls ein zweites Anschlußteil 13 bzw. ein anderer geeigneter Gehäuseabschluß mit dazwischen gelegten Lotringen 11,12 in konzentrischer Anordnung auf einen Stapel 15 aufgezogen. Letzterer dient zur Zentrierung der Teile. Er ist vorzugsweise als Rundstab aus Keramik gestaltet. Dieses Material

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Dieses Material wurde gewählt, da es das flüssige Lot abstößt und nicht davon angegriffen wird. Der Stab 15 kann daher . für eine Vielzahl von Lötvorgängen verwendet werden. Die auf den Stab

15 aufgefädelten Teile werden in Axialrichtung gegeneinandergespannt. Hierzu kann der Stab 15 insbesondere rohrförmig ausgebildet sein, so daß sich ein Bolzen 16 hindurchstecken läßt. Wie in Fig. 6 gezeigt, stützt sich ein Kopf 24 des Bolzens

16 an dem einen Anschlußteil 13 ab, während ein Gewindestutzen 26 des Bolzens 16 aus dem anderen Anschlußteil 13 heraussteht. Auf diesen Gewindestutzen 26 ist eine Mutter 28 aufgeschraubt, die gegen die Stirnfläche des anderen Anschlußteils 13 arbeitet. Beim Anziehen der Mutter 28 wird der aus Ringelementen 2, Anschlußteilen 13 und abwechselnd dazwischen gelegten Lotringen 11,12 bestehende Stapel in Axialrichtung gespannt.

Die so erhaltene Montageeinheit wird dann in vertikaler Position in einen Ofen gebracht und einer Temperatur unterworfen, die die Lötringe 11,12 zum Schmelzen bringt. Das Lot verbindet sich mit den Flanschen der Anschlußteile 13 und den Ringelementen 2, so daß man einen gasdichten Balgmantel erhält. Nach Abschluß des Lötvorgangs und Abkühlen des Balgmantels kanr/die Verschraubung des

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Keramikstabs 15 gelöst und dieser aus dem Baldmantel herausgezogen werden. Der Balgmantel kann dann mittels des Anschlußteils 13 zum Aufbau eines einfach wirkenden Arbeitszylinders verwendet werden, der durch überdruck oder Evakuieren betätigt und mittels eines Federelements, durch Schwerkraftwirkung o.a. zurückgestellt wird. Mittels zweier gegeneinander abgedichteter, beidseits an einer Kraftabnahme 5 angreifender Balgmäntel, die unabhängig voneinander mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. evakuierbar sind, läßt sich ein doppelt wirkender Arbeitszylinder realisieren, wie er in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. 7 verdeutlicht nochmals den möglichen Aufbau eines Balgmantels aus tellerartig vorgeformten, miteinander verlöteten Ringelementen 2. Jeweils zwei solcher Ringelemente 2 schließen eine Kammer ein, die bei Beaufschlagung mit einem Druckmittel in Axialrichtung gedehnt wird. Durch die Vielzahl der Ringelemente können auch mit wenig Dehnung, d.h. unter geringen elastischen Spannungen, große Hubwege realisiert werden. Eine geeignete Kontur der Ringelemente 2 für einen wohldefinierten, präzise reproduzierbaren Hub erhält man in einem Test- und Vorformverfahren, das im folgenden anhand von Fig. erläutert wird.

Man geht von einem Balgmantel aus, der aus in

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• as *

einer bestimmten Form vorgefertigten, miteinander verlöteten Ringelementen 2 besteht. Dieser Balgmantel wird auf einen Schaft 3o aufgesetzt, der eine Druckmittel-Anschlußöffnung 32 aufweist. Diese erlaubt es, das Innere des Balgmantels unter Druck zu setzen. Der Balgmantel kann dadurch auf dem Schaft 3o expandieren, wobei aber seine Bewegung durch zwei Anschläge 34 begrenzt wird, die verstellbar auf dem Schaft 3o aufsitzen. Man stellt nun die Anschläge 34 auf einen Abstand ein, der der gewünschten, maximalen Ausfahrlänge des Balgmantels entspricht (vgl. Fig. 1ob), und setzt den Balgmantel unter maximalen Betriebsdruck. Man überprüft, ob sich der Balgmantel auf die gewünschte volle Länge dehnt, ob er dabei einwandfrei dicht bleibt, ob die einzelnen Balgwellen gleichmäßig deformiert werden, usw. Ist dies der Fall, so wird der Balgmantel durch den herrschenden Innendruck zugleich in einer Weise geformt, die der elastischen Verformung im späteren Betrieb eine Grenze setzt. Um diesen Prozeß zu fördern, kann man den Innendruck noch über den Grenzdruck hinaus erhöhen, wobei man die Verformung des Balgmantels beobachtet und gegebenenfalls in Grenzen hält. Anschließend führt man eine Serie von Arbeitshüben mit dem Balgzylinder aus, wobei man sicherstellt,

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daß der gewünschte Maximalhub stets präzise erreicht wird, daß die Lötnähte auch im Betrieb dicht bleiben, usw. Gegebenenfalls kann die plastische Verformung durch einen im Balginneren angelegten überdruck wiederholt werden. Wird schließlich das Soll-Hubverhältnis sicher reproduziert, so kann man die Krümmung der resultierenden Balgwellen vermessen, wie dies in Fig. 1o (c) illustriert ist. Man erhält so Eingangsdaten für die Vorfertigung der Ringelemente, durch die man die Produktion des Balgzylinders optimieren kann.

Bezugnehmend auf Fig. 8, können statt gewölbter Ringelemente 2 aber auch flache Ringelemente 36 Verwendung finden, um den erfindungsgemäßen Balgmantel aufzubauen. Die Ringelemente 36 bestehen jeweils aus einem elastisch deformierbaren, lötfähigen Material. Sie werden abwechseln im Bereich ihrer radialen Aussenkante und radialen Innenkante miteinander verlötet, was unter Verwendung zwischengelegter Lötringe in dem oben beschriebenen Ofenverfahren geschehen kann. Der resultierende Balgmantel hat in unbelastetem Zustand die in Fig. 8 (a) gezeigte Form. Bei Druckbelastung (Fig. 8 (b)) werden die elastischen Ringelemente 36 deformiert, und der Raum zwischen je zwei an der radialen Aussenkante miteinander verlöteten Ringelementen 36 wird aufgebläht, so daß man eine Ausdehnung des gesamten Balgmantels in axialer Richtung erhält.

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Die Erfindung ist im übrigen nicht auf eine Lötverbindung der flachen oder gewölbten Ringelemente beschränkt. Insbesondere der radiale Aussenbereich der Ringelemente ist für ein Schweißen, insbesondere eine Widerstandsschweißung, gut zugänglich, so daß man auehjeweils ein Paar von Ringelementen an ihrer radialen Aussenkante verschweißen kann. Die erhaltenen Verbundkörper werden dann in dem beschriebenen Ofenverfahren verlötet, wobei nur Lötringe von einheitlichem, kleinem Durchmesser für die Herstellung von abgedichteten Verbindungsstellen im radialen Innenbereich benötigt werden. Nicht zuletzt besteht auch die Möglichkeit, die Ringelemente mittels eines geeigneten Klebers abgedichtet miteinander zu verkleben.

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder hat eine anhand von Fig. 9 beschriebene, bevorzugte Anwendung für die schrittweise Positionierung von Gegenständen. Hierzu können eine Mehrzahl von Bälgen 38, 4o, 42 an ein und derselben KraftabT nähme 5 angreifen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein ortsfester Verankerungsblock 1 über einen ersten Balg 38 mit einem beweglichen Zwischenglied 44 verbunden. Dieses steht über einen zweiten Balg 4o mit der Kraftabnahme 5, und diese ihrerseits steht über einen dritten

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BALG/42 mit einem zweiten, ortsfesten Verankerungsblock 1 in Verbindung. Druckmittelanschlüsse zur Versorgung des ersten und dritten Balgs 38,42 sind in den Verankerungsblöcken 1 vorgesehen, und zur Druckmittelbeaufschlagung des Zwischenbalg 4o dient ein Druckmittelanschluß in dem Zwischenglied 44. Fig. 9a verdeutlicht eine Ausgangsstellung der Kraftabnahme 5, bei der der erste und zweite BaIf 38, 4o komprimiert, und der dritte Balg 42 expandiert ist. Wird nun beispielsweise der zweite Balg 4o mit einem wohldefinierten Druckpegel beaufschlagt, während zugleich der dritte Balg 42 entlastet wird, so wird die Kraftabnahme 5 um einen Arbeitshub des zweiten Balgs 4o verschoben, und sie gelangt in eine Zwischenstellung (Fig. 9b). Die anschließende Druckbeaufschlagung des ersten Balgs 38 überführt die Kraftabnahme 5 in eine Endstellung gemäß Fig. 9 (c). Aus dieser kann sie durch Druckbeaufschlagung des dritten Balgs 42 bei Druckentlastung der Bälge 38, 4o in die Ausgangsstellung zurückgestellt werden. Durch die Anordnung einer entsprechenden Zahl von Bälgen 38,4o, 42 läßt sich also die Kraftabnahme 5 schrittweise um einen wohldefinierten Hub verstellen, was für vielfältige Transport- und Positionierzwecke ausgenutzt werden kann.

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder kann schließlich

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. as.

auch als Stoßdämpfer eingesetzt werden. Hierzu eignet sich besonders die in Fig. 3 dargestellte, konische Form des Balgzylinders. Der Innenraum des Arbeitszylinders wird unter einem Druck abgeschlossen, der höher ist als der der umgebenden Atmosphäre. Auftreffende Stöße oder Schläge werden durch eine elastische Deformation des Balgmantels unter Erhöhung des Innendrucks aufgefangen. Gegebenenfalls kann man den Innendruck auch über eine Drosselstelle zur Atmosphäre hin entlassen.

Schließlich kann der erfindungsgemäße Arbeitszylinder auch als Pumpe Verwendung finden, indem man ihn durch äußere Kräfte betätigt und seinen Innenraum als Druckquelle anzapft.

Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder hat vielfältige Anwendungen z.B. für Handhabungsgeräte, Industrieroboter, Transpereinrichtungen, Lader, Entlader und alle möglichen Arten von Automaten, bei denen es an entscheidender Stelle auf ein geringes Gewicht und ein hohes Maß an Flexibilität ankommt. Er kann sowohl mit Druckluft, als auch mit Vakuum, Hydraulik und Luft beaufschlagt werden.

Claims

19.1o.1984 D 9422-nral

Festo KG , 73oo Esslingen / Neckar

Aus Ringelementen aufgebauter Arbeitszylinder

Ansprüche

1. Aus Ringelementen (2) aufgebauter Arbeitszylinder zur Hin- und Herbewegung einer Kraftabnahme (5) innerhalb eines begrenzten Hubbereichs, dessen Ringelemente (2) elastisch verformbar und unter Bildung einer balgartigen Struktur alternierend in Bereichen größeren und kleineren Durchmessers abgedichtet miteinander verbunden sind.

2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (2) in einer durch Druckeinwirkung ausgefahrenen Position vorgeformt sind

3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Verbindungsstellen zwischen den Ringelementen (2)

durch Hartlöten hergestellt ist.

4. Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (2) in ihrem

Leaserschweissung radialen Aussenbereich durch Widerstandsschweissung oder/

und radial innen durch Hartlöten verbunden sind.

5. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (2) miteinander verklebt sind.

6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (2) eine tassenartig gewölbte Form haben, und daß benachbarte Ringelemente in spiegelsymmetrischer Anordnung zu ihrer Berührfläche miteinander verbunden sind.

7. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (36) flach sind.

8. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Balg an der Kraftabnahme (5) angreift, der zu deren Betätigung mit einem Druckmittel beaufschlagbar und/oder evakuierbar ist.

9. Arbeitszylinder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er durch die Kraft eines Federelements, Schwerkraftwirkung oder durch Evakuieren in seine Ausgangsposition zurückstellbar ist.

10. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines doppelt wirkenden oder differentialdruckbetätigten Arbeitszylinders zwei unabhängig voneinander beaufschlagbare Bälge an der Kraftabnahme (5) angreifen.

11. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von einer in mehreren Stufen verstellbaren Positioniervorrichtung mehr als zwei unabhängig voneinander beaufschlagbare Bälge zur Betätigung der Kraftabnahme (5) vorhanden sind.

12. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Balgs mit einem zu Befestigungszwecken sowie zur Abdichtung geeigneten Anschlußteil (13) verbunden, insbesondere verlötet ist.

13. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitszylinder eine insbesondere gerade oder

gekrümmt verlaufende Führungsstange (3) enthält, die den Balg durchsetzt und an der die Kraftabnahme (5) geführt ist.

14. Arbeitszylinder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Verankerungsblöcke (1) aufweist, die die Führungsstange (3) halten, und daß die Balganordnung abgedichtet zwischen den Verankerungsblöcken (1) aufgenommen ist.

15. Arbeitszylinder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Druckmittelanschlüsse (6) in den Verankerungsblöcken (1) vorgesehen sind.

16. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche

1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er einen näherungsweise konischen Balgmantel aufweist, der aus Ringsegmenten (8,9) von unterschiedlicher, zwischen benachbarten Ringsegmenten (8,9) sich progressiv ändernder Größe zusammengesetzt ist.

17. Arbeitszylinder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Balgmantel mit einem Innendruck abschließbar ist, der größer oder gleich dem umgebenden Atmosphärendruck ist, so daß der Arbeitszylinder gegenüber äußerer

Krafteinwirkung als Stoßdämpfer fungieren kann.

18. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Druckluft beaufschlagt werden kann.

19. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Luft beaufschlagt werden kann.

20. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich der durch äußere Krafteinwirkung in dem Arbeitszylinder erzeugte Überdruck als Druckquelle anzapfen läßt.

21. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Hydraulikmedium beaufschlagt werden kann.

22. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß er mit Vakuum beaufschlagt werden kann.

23. Verfahren zur Herstellung eines Arbeitszylinders nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ringsegmente (2) mit zwischengelegten Hartlotringen (11, 12) auf einen vorzugsweise aus Lotmaterial abweisender Keramik bestehenden Stab (15) aufzieht, und den Ringstapel in Axialrichtung spannt und in einem Ofen erhitzt, so daß die Hartlotringe (11, 12) schmelzen und die Ringsegmente (2) miteinander verbinden.

3Λ40278

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ringsegmente (2) nach dem abdichtenden Verlöten durch Anlegen eines maximalen Innendrucks bei ausgefahrenem Arbeitszylinder vorformt.