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Mechanisch aktivierbarer Sauger zum Anheben
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und Festhalten von luftdurchlässigen Gegenständen Die vorliegende
Erfindung betrifft einen mechanisch aktivierbaren Sauger ,zum Anheben und Festhalten
von luftdurchlässigen Gegenständen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Es gibt in der Fördertechnik verschiedene Anwendungsfälle, in denen
Greifer oder Hubmagnete oder dgl. zum Anheben, Festhalten und Abtransportieren von
Gegenständen nicht brauchbar sind. In solchen Fällen greift man oft auf vakuumbetätigte
Sauger zurück, die allerdings dann Schwierigkeiten bereiten, wenn die Gegenstände
zumindest teilweise luftdurchlässig sind. In solchen Fällen muß man, sofern man
nicht doch auf Sauger verzichten will oder kann, dafür Sorge tragen, daß der Sauger
und das zugehörige Unterdrucksystem einen erheblichen Luft-Durchsatz zuläßt, damit
die wirksame Druckdifferenz eine ausreichende Kraftwirkung erzeugt.
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Ein Beispiel solcher Anwendungsfälle ist die Funktionsprüfung von
vorgebohrten, noch unbestückten Leiterplatten mit Hilfe von automatischen Leiterplattenprüfgeräten.
Dabei besteht der Wunsch, die aus unmagnetischem Werkstoff bestehenden Leiterplatten
problemlos anheben und weitertransportieren zu
können, damit die
Handhabung der Leiterplatten soweit wie möglich automatisiert werden kann. Ein Anheben
der unmagnetischen Leiterplatten mit Hilfe von Magnetkräften ist natürlich nicht
möglich und eine mechanische Greifvorrichtung stößt insofern auf erhebliche Probleme,
als die Umrisse der Leiterplatten sehr häufig wechseln können. Hiernach kommt an
sich nur eine mit Unterdruck arbeitende Ansaugvorrichtung in Betracht, was aber
wegen der Luftdurchlässigkeit der vorgebohrten Leiterplatten zu gewissen Problemen
führt.
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Es liegt auf der Hand, daß man solche Sauger angesichts des notwendigen
hohen Luftdurchsatzes erst dann aktivieren will, wenn man die damit erzeugt Druckdifferenz
benötigt, also beim Aufsetzen auf den anzuhebenden Gegenstand. Dabei ist es wünscheswert,
daß die zur Aktivierung erforderliche Mechanik des Saugers den ohnehin schon benötigten
hohen Luftdurchsatz nicht noch unnötig weiter erhöht.
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Es ist also die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen Sauger
für hohen Luftdurchsatz derart auszubilden, daß er erst durch das Aufsetzen auf
den anzuhebenden Gegenstand mechanisch aktiviert wird, wobei die Aktivierung derart
geschehen soll, daß die Vakuumpumpe nicht mehr als ohnehin notwendig belastet wird.
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Diese Aufgabe wird in erfindungsgemäßer Weise durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Ansaugöffnung der Unterdruckkammer wird zunächst auch bei in letzterer
anliegendem Unterdruck geschlossen gehalten, und zwar bis der durch die Ansaugöffnung
hindurchragende Ventilstössel das Ventilglied entgegen der durch den Kplben erzeugten
Schließkraft beim Aufsetzen des Saugers auf einen Gegenstand ffnet. Durch das mechanische
Aufstoßen bewegt sich der mit dem Ventilglied fest verbundene Kolben in der Zylinderkammer
aufwärts mit der Folge, daß der zunächst auf dem gesamten Steuerkolbenquerschnitt
lastende Atmosphärendruck nur noch auf .einen geringen Teil des Steuerkolbens in
Form eines Ventilzapfens mit erheblich reduzierten Durchmesser einwirken kann, da
der Ventilzapfen in die zur Zylinderkammer führende Belüftungsbohrung eintritt und
den übrigen Teil des Steuerkolbens von der Wirkung des Atmosphärendrucks ausschließt.
Die auf den Steuerkolben und somit das Ventilglied ausgeübte Schließkraft, die dem
niedrigeren Druck in der Vakuumkammer und dem Staudruck der einströmenden Luft auf
das Ventilglied entgegenwirkt, wird also aufgrund des Aufsetzens des Saugers schlagartig
verringert, so daß der Sauger für den benötigten hohen Luftdurchsatz weit öffnet,
wobei er nach einer solchen Aktivierung in dieser Ansaugstellung verbleibt (bis
das Vakuum in der Unterdruckkammer abgebaut oder sogar umgekehrt wird). Somit wird
die Unterdruckpumpe nur soweit wie unbedingt notwendig beansprucht. Wollte man die
auf das Ventilglied entgegen der Wirkung des Unterdrucks und des Staudruckes ausgeübte
Schließkraft mit Hilfe einer Druckfeder
erzeugen - was grundsätzlich
möglich wäre - so müßte die Vakuumpumpe derart überdimensioniert sein, daß sie nach
dem mechanischen Aufstoßen der Ventilglieder mit Hilfe des Ventilstössels auch noch
die dann sogar erhöhte Schließkraft überwindet. Außerdem würde ein solcher federbelasteter
Sauger nur einen relativ kleinen öffnungsquerschnitt freigeben, während der erfindungsgemäße
Sauger nach seiner mechanischen Aktivierung schlagartig weit aufmacht.
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Drei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Nachfolgenden
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In diesen zeigt
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Sauger, der konstruktiv besonders einfach
ist, Fig. 2 den gleichen Sauger wie in Fig. 1, jedoch in der geöffneten Ansaugstellung,
Fig. 3 einen konstruktiv etwas anders ausgebildeten Sauger, der sich wie in Fig.
1 in der Bereitschaftsstellung befindet, Fig. 4 eine weitere mögliche Ausführungsform
eines solchen Saugers.
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In einem beispielsweise zylindrischen, unten offenen Ventilgehäuse
2,
ist eine Zylinderkammer 4 angeordnet, in der ein Schaltkolben 6 axial zwischen zwei
Endlagen (obere Ansaugstellung bzw. untere Bereitschaftsstellung) beweglich gelagert
ist. Die dem Ventilgehäuse 2 zugewandte obere Schaltkolbenstirnfläche 8 ist mit
einem nach oben vorstehenden Ventilzapfen 10 versehen, dessen Durchmesser 28 wesentlich
kleiner ist als der Durchmesser 26 des Schaltkolbens 6. Der VentilzapfenFist dazu
vorgesehen, dicht passend in eine zur Atmosphäre führende Belüftungsöffnung oder
-bohrung 12 im Zylindergehäuse einzugreifen und hat eine solche Höhe oder Länge
(ab der oberen Schaltkolbenstirnfläche 8), daß die zwischen der oberen Schaltkolbenstirnfläche
8 und dem Ventilgehäuse 2 gebildete Zylinderkammer 4 gerade in der unteren Totpunktslage
des Schaltkolbens 6 (Bereitschaftsstellung) mit Atmosphärendruck beaufschlagt wird.
In der oberen Totpunktslage des Schaltkolbens 6 (der Ansaugstellung) befindet sich
der Ventilzapfen lt dicht passend in der Belüfungsöffnung 12, die zur Atmosphäre
führt, so daß der Atmosphärendruck in dieser Stellung des Schalt kolbens nur auf
den stark reduzierten Durchmesser 28 des Ventilzapfens 10 als Teil des Schaltkolbens
6 wirken kann.
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Der Schalt kolben 6 ragt mit seinem von der Zylinderkammer 4 abgewandten
Ende in eine erweiterte Ansaug- oder Ventilkammer 14 hinein, die in nicht näher
dargestellter Weise abwechselnd mit Unterdruck und mit einem etwas höheren Druck,
also ggf.
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dem Atmosphärendruck oder einem Atmospharenüberdruck beaufschlagbar
ist.
Dies kann beispielsweise über ein ebenfalls nicht näher dargestelltes Zweiwegeventil
geschehen. Die Ansaug- oder Ventilkammer wird an der vom Ventilgehäuse 2 abgewandten
Seite von einer Ventilsitzplatte 16 abgeschlossen.
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Die Ventilsitzplatte 16 weist entsprechend der Anordnung des Schaltkolbent
6 eine Ansaugventilöffnung 20 auf, deren Fläche (oder Durchmesser) kleiner ist als
die Fläche bzw. der Durchmesser der vorübergehend dem Atmosphären druck ausgesetzten
oberen Schaltkolbenstirnfläche 8, aber größer als die Fläche bzw. der Durchmesser
des Ventilzapfens 10, der ständig dem Atmosphärendruck ausgesetzt ist. Der Schaltkolben
6 ist starr mit einem an seinem unteren, von der Zylinderkammer abgewandten Ende
vorgesehenen Ventilglied 22 verbunden, das in der unteren (in. Fig. 1, 3 oder 4
gezeigten) Stellung die Ansaugventilöffnung 20 verschließt. Das Ventilglied 22 ist
mit einem die Ansaugventilöffnung nach unten durchsetzenden Ventilstössel 24 versehen,
der beispielsweise stabförmig ausgebildet sein kann (Fig. 3) oder eine Einheit mit
der kegelförmig oder spärisch ausgestalteten Ventilsitzfläche des Ventilgliedes
22 bildet. Der Ventilstössel hat mindestens eine solche vertikale Ausdehnung, daß
er in der in den Fig.
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1, 3 und 4 gezeigten unteren Stellung des Schaltkolbens 6 bzw. des
Ventilgliedes 22 um einiges unter die untere Fläche der Ventilsitzplatte 16 hinausragt,
so daß beim Aufsetzen des Saugers auf ein anzuhebendes Teil das Ventilglied 22 aufgestoßen
wird,
d.h. entgegen der letzteres beaufschlagenden resultierenden Schließkraft.
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Die beschriebene Vorrichtung arbeitet in der folgenden Weise, und
zwar ausgehend von der in den Fig. 1, 3 und 4 gezeigten Bereitschaftstellung. Zunächst
ist die Ventilkammer 14 mit Unterdruck beaufschlagt und in der Zylinderkammer 4
und vor der Ansaugven,tilöffnung 20 herrscht Atmosphärendruck, da das Ventilglied
22 die Ansaugventilöffnung 20 hermetisch verschließt. Sobald der Sauger mit ausreichender
Kraft auf ein anzuhebendes Gebilde abgesenkt wird, drückt der Ventilstössel 24 den
Schalt kolben 6 und das Ventilglied 22 nach oben mit der Folge, daß der Ventilzapfen
10 in die Belüftungsöffnung 12 eintritt. Dadurch wirkt der Atmosphärendruck der
Belüftungsöffnung 12 nur noch auf die stark verringerte Fläche des Ventilzapfens
10 , So daß die auf den Schalt kolben nach unten gerichtete Kraft sehr stark verringert
ist. Andererseits ergibt sich durch das Abheben des Ventilgliedes 22 von der Ansaugventilöffnung
20, daß der Unterdruck in der Ventilkammer 14 in nicht unerheblichem Maße abnimmt
(der absolute Druck steigt), so daß der in der Ventilkammer vorherrschende erhöhte
Druck über die aufwärts weisenden Flächen des Ventilgliedes 22 bzw. des Schaltkolbens
eine aufwärts gerichtete Kraft erzeugt, die im Zusammenwirken mit der sich durch
die Ansaugventilöffnung 20 einstellenden heftigen Strömung die abwärts wirkende
Kraft einschließlich des Gewichtes des Schaltkolbens 6 bzw. Ventilgliedes 22 übertrifft.
Damit ist
dann der Sauger aktiviert und der Schaltkolben 6 bzw.
das Ventilglied 22 bleibt in der aktiven angehobenen Stellung, bis der Unterdruck
in der Ansaug- oder Ventilkammer 14 über geeignete Mittel, z.B. das vorerwähnte
Zweiwegeventil auf Atmosphärendruck oder einen Überdruck erhöht wird. Dies hat zur
Folge, daß Luftströmung durch die Öffnung 20 und damit die Ansaugwirkung auf das
angehobene Gebilde aufhört, das daraufhin vom'Sauger abfällt, Der Schaltkolben 6
bzw. das Ventilglied 22 fällt infolge des Eigengewichtes wieder auf die Ventilsitzplatte
16 herab und dichtet gegen die Ansaugventilöffnung 20 ab, woraufhin die Ventilkammer
14 wieder mit Unterdruck beaufschlagt werden kann. Dabei hebt das Ventilglied 22
trotz des dann in der Ventilkammer 14 herrschenden Unterdruckes und des an der Ansaugventilöffnung
20 von außen anliegenden Atmosphärendruckes nicht ab, weil die dem von außen wirkenden
Atmosphärendruck ausgesetzte Ansaugventilöffnung 20 eine wesentlich geringere Fläche
aufweist als die ebenfalls dem Atmosphärendruck in dieser Stellung des Schaltkolbens
6 ausgesetzte obere Schaltkolbenstirnfläche 8 (einschließlich der Stirnfläche des
Ventilzapfens 10).
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Durch eine geeignete Bemessung des Ventilzapfens 10, der oberen Schaltkolbenstirnfläche
8 und der Ansaugventilöffnung 20 im Verhältnis zueinander bzw. zu dem Atmosphärendruck
und dem in der Ventilkammer 14 angelegten Unterdruck gelingt es ohne weiteres, das
Ventilglied 22 zu veranlassen, die Ansaugventilöffnung 20 zuverlässig zu schließen
und gleichzeitig
nach einem mechanischen Aufdrücken über den Ventilstössel
24 in der aktiven Stellung bzw. in der Ansaugstellung zu bleiben, bis der Unterdruck
in der Ansaug- oder Ventilkammer 14 durch Abschalten der Unterdruckquelle und ggf.
Zuschalten einer Oberdruckquelle beseitigt wird.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Saugers gezeigt,
bei der der Schaltkolben 6, das Ventilglied 22 und der Ventilstössel 24 als einheitliches
Bauteil in Gestalt einer Ventilkugel vorliegt. Grundsätzlich arbeitet dieser Sauger
in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Gleiche Bezugszeichen
bezeichnen entsprechende Teile des Saugers. Im Unterschied zu den beiden Ausführungsformen
gemäß Fig. 1 bis 3 liegt hierbei jedoch der Ventilzapfen 10 frei auf der Kugel auf.
Um ihn dabei auf die Belüftungsbohrung 12 ausgerichtet zu halten, ist er zusätzlich
mit einem nach oben vorstehenden, in die Belüftungsbohrung eingreifenden Führungsansatz
versehen, der in einem Horizontalschnitt etwa die Form eines Kreuzes hat, so daß
in der Stellung der Fig. 4 der Atmosphärendruck über die Belüftungsbohrung 12 dennoch
auf die Zylinderkammer 4 einwirken kann. In der aktivierten Stellung (Ansaugstellung),
in der die Ventilkugel ähnlich wie in der Fig. 2 nach oben verschoben ist, sperrt
der Ventilzapfen 10 die Belüftungsbohrung 12 gegenüber der Kammer 4 ab.
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Anstelle der in den Fig. 1 und 2 gezeigten, kegelig ausgebildeten
Ventilsitzfläche
des Ventilgliedes 22 kann hier auch eine Halbkugel vorgesehen werden, die dann teilweise
aus der Öffnung 20 herausragen und gleichzeitig die Funktion des Ventilstössels
24 übernehmen würde.
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Die beschriebenen Sauger lassen sich mit besonderem Vorteil im Rahmen
von Fördereinrichtungen zum Anheben von größeren luftduvchlässigen Gegenständen
auch variabler Umrisse einsetzen, wenn man eine größere Anzahl derartiger Sauger
gleichmäßig über eine großflächige Hebevorrichtung verteilt, wobei dann nur solche
Sauger mechanisch aktiviert werden, die tatsächlich mit dem anzuhebenden Gegenstand
in Kontakt kommen. Hierdurch gelingt es, den Saugluftbedarf und damit die Leistungsaufnahme
der Vakuumpumpe nicht größer als ohnehin notwendig werden zu lassen.
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