DE3619162A1

DE3619162A1 - Manipulator

Info

Publication number: DE3619162A1
Application number: DE19863619162
Authority: DE
Inventors: Joachim Doege; Udo Bodenmueller; Thomas Fette; Hans-Dieter Paschke
Original assignee: Stahl Aufzuege & Co KG GmbH
Current assignee: Stahl Aufzuege & Co KG GmbH
Priority date: 1985-12-24
Filing date: 1986-06-06
Publication date: 1987-06-25

Description

Manipulator

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für einen Manipulator, bei dem die Bewegung der Lastaufnahme und der Last in der Senkrechten durch einen oder mehrere pneumatisch betriebene Zylinder erfolgt, durch Zuführung oder Abströmen von Luft, mit einem an sich bekannten Ventil wie z. B. einem pneumatisch betätigten Balancierventil, einem manuell betätigten Analog- oder Pistolenventil.

In den deutschen Gebrauchsmustern G 85 03 301.4 und G 85 14 279.4 sind beispielhafte Manipulatoren beschrieben.

Besonders vorteilhaft ist das Handhaben, wenn der verwendete Manipulator eine Balanciersteuerung hat. Bei dieser wird der Zylinderdruck mit einem vorher eingestellten Referenzdruck im Balancierventil verglichen. Ist der Zylinderdruck höher als der Referenzdruck, so läßt man Luft aus dem Zylinder abströmen. Ist der Zylinderdruck geringer als der Referenzdruck, so läßt man Druckluft in den Zylinder strömen.

Der Referenzdruck muß für jede Last eingestellt werden, dies geschieht durch Druckregelventile. Das ist ein Nachteil bei wechselnden Lasten. In der Praxis wird deshalb oft anstelle der Balanciersteuerung die Analogsteuerung eingesetzt, bei der durch manuelle Betätigung eines Ventiles mit zwei Drosseln Luft in oder aus dem Zylinder strömen kann. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird eine Steuerung vorgeschlagen, die zumindest aus einem manuell betätigten Ventil und einem Balancierventil und einem Speicher und einem den Speicher schließenden Ventil besteht.

Ferner wird vorgeschlagen, mittels des Ventiles 3 die Betriebsart Balancier- oder Analogbetrieb umzuschalten, wobei bei Analogbetrieb der Speicher mit dem Zylinder verbunden ist und bei Balancierbetrieb getrennt ist, und daß der Druck im Speicher als Referenzdruck zur Steuerung des Balancierventiles dient.

Nach einem weiteren Vorschlag kann die Verbindung vom Balancierventil- Ausgang 1 f zu dem Zylinder 5 durch das Ventil 4 b getrennt werden, wobei die Ventile 4 b und 3 zueinander invertiert schalten und gemeinsam von dem Ventil 4 a betätigt sind.

Weiter wird vorgeschlagen, einen Strömungswiderstand 8 in die Verbindung vom Analogventil 1 a zum Zylinder zu schalten.

Das Schalten eines Strömungswiderstandes 6 zwischen dem Analogventil und dem Speicher und Steueranschluß 1 e beinhaltet ein weiterer Vorschlag.

Ferner wird vorgeschlagen, das Balancierventil als Mebranventil, ein- oder zweiteilig auszubilden und weiterhin wenigstens eine Membran als Wand des Speichers zu benutzen.

Nach einem weiteren Vorschlag ist ein pneumatischer Druckregler eingeschaltet, dessen Steuerdruck von dem Balancier- oder dem Analogventil kommen kann. Das kann durch das Ventil 4 a geschaltet werden, wobei das Ventil 4 a die beiden zueinander invertierten Ventile 3 und 4 c betätigt.

Besonders vorteilhaft ist ein Manipulator nach dem Pantographenprinzip, der mit der vorgeschlagenen Steuerung wirkt.

Anhand der Fig. 1 bis 4 ist die Wirkung der vorgeschlagenen Steuerung erklärt. Es zeigen

Fig. 1 und 2 je eine Steuerung nach Vorschlag ohne pneumatischen Druckregler

Fig. 3 und 4 je eine Steuerung mit pneumatischem Druckregler

Fig. 5 ein Membranbalancierventil

Fig. 6 einen Manipulator, der nach dem Pantographprinzip arbeitet.

1 a Analogventil
1 b Balancierventil
1 c Drossel für Aufwärtsbewegung
1 d Drossel für Abwärtsbewegung
1 e Steueranschluß
1 f Ausgang
1 g Steueranschluß
2 Speicher
3 pneumatisch/Feder betätigtes 2/2 Wegeventil
4 a manuell betätigtes 3/2 Wegeventil
4 b pneumatisch/Feder betätigtes 2/2 Wegeventil
4 c pneumatisch/Feder betätigtes 3/2 Wegeventil
4 d Oder-Element
5 Zylinder
6 Strömungswiderstand
7 Rückschlagventil
7 a Drossel-Rückschlagventil
8 Strömungswiderstand
9 pneumatisches Druckregelventil
9 a Steueranschluß
10 Druckluftanschluß
21 Lastaufnahme
22 Gestänge
23 Drehpunkt
24 a horizontale Fahrbahn
24 b Abstützrolle
25 Säule
26 Lager
27 Ständer
28 Parallelführung
30 Ventilgehäuse
30 a Ausgang
30 b Druckanschluß
30 c Steuerraum
31 Deckel
31 a Steueranschluß
31 c Referenzdruckraum
32 Membran
33 Ventilplatte
34 Ventilplatte
35 Ventilsitz
36 Ventilsitz
37 Auslaß
38 Steuerstange
39 Befestigung
40 Mitnahme

Wenn in Fig. 1 das Ventil 4 a nicht betätigt ist, ist die Verbindung: Ausgang 1 f zu dem Zylinder 5 durch das Ventil 4 b unterbrochen und der Speicher 2 und der Steueranschluß 1 e mit dem Zylinder 5 verbunden. Damit ist die Betriebsart: Analogsteuerung eingeschaltet. Bei Betätigung des Analogventils 1 a zur Aufwärtsbewegung wird die Drossel 1 c geöffnet, die Drossel 1 d ist geschlossen. Die Druckluft strömt vom Druckanschluß 10 in den Zylinder 5, in den Speicher 2 zum Steueranschluß 1 e: Aufwärtsbewegung. Im Speicher 2 und im Zylinder 5 herrscht der gleiche Druck. Der Ausgang 1 f des Balancierrventils ist durch Ventil 4 b abgesperrt, das Balancierventil 1 b hat keinen Einfluß auf die Aufwärtsbewegung.

Bei Betätigung des Ventiles 1 a zur Abwärtsbewegung wird die Drossel 1 c geschlossen und die Drossel 1 d geöffnet. Die Luft strömt aus dem Zylinder 5 und dem Speicher 2 ins Freie: Abwärtsbewegung. Der Druck im Speicher 2 und im Zylinder 5 sind gleich. Das Balancierventil 1 b hat keinen Einfluß auf die Abwärtsbewegung.

Wird in Fig. 1 das Ventil 4 a betätigt, so wird die Verbindung vom Speicher 2 zu dem Zylinder 5 durch Ventil 3 dicht geschlossen, der Druck des Speichers 2 wirkt als Referenzdruck am Steueranschluß 1 e. Die Verbindung vom Anschluß 1 f zu dem Zylinder 5 ist hergestellt; das Balancierventil 1 b steuert die Bewegung: Balanciersteuerung.

Wird bei der Balanciersteuerung die Lastaufnahme abwärts gedrückt, so erhöht sich der Druck im Zylinder und damit auch an dem Steueranschluß 1 g, der größere wird als der Referenzdruck bei Steueranschluß 1 e. Das Balancierventil 1 b schaltet dadurch um und verbindet den Zylinder 5 über den Anschluß 1 f mit der Außenluft: Luft strömt aus dem Zylinder: Abwärtsbewegung.

Wird die Lastaufnahme angehoben, so wird der Druck im Zylinder 5 niedriger und damit auch an dem Steueranschluß 1 g. Da sich der Referenzdruck am Steueranschluß 1 e nicht geändert hat, wird das Balancierventil 1 b umgeschaltet und dadurch der Zylinder 5 mit dem Druckluftanschluß 10 verbunden: Luft strömt in den Zylinder: Aufwärtsbewegung.

Ist in Fig. 2 das Ventil 4 a nicht betätigt, so schließt das Ventil 3 den Speicher 2 dicht. Der Druck im Speicher wirkt als Referenzdruck am Steueranschluß 1 e des Balancierventiles 1 b. Der Druck im Zylinder wirkt am Steueranschluß 1 g. Je nach dem Druckunterschied zwischen diesen beiden Drücken wird der Zylinder mit dem Luftanschluß 10 oder der Außenluft verbunden, oder bei Druckgleichheit abgesperrt: damit ist die Betriebsart: Balancieren eingeschaltet.

Wird in Fig. 2 das Ventil 4 a betätigt, so öffnet das Ventil 3: der Speicher 2 wird mit Zylinder 5 und dem Analogventil 1 a verbunden, der Druck im Zylinder und im Speicher ist gleich. Zur Aufwärtsfahrt wird die Drossel 1 c geöffnet und die Luft vom Druckanschluß 10 strömt durch den Strömungswiderstand 8 zu dem Zylinder 5 und durch den Strömungswiderstand 6 zu dem Steueranschluß 1 e und dem Speicher 2. Der Druck an dem Steueranschluß 1 e ist um den Druckverlust durch den Strömungswiderstand 8 höher als an dem Steueranschluß 1 f. Dadurch schaltet das Balancierventil um, so daß zusätzlich Luft durch das Balancierventil zu dem Zylinder strömt. Dadurch wird die Strömung durch den Strömungswiderstand 8 und damit auch der Druckverlust geringer; die Strömung durch das Balancierventil wird geringer. Es stellt sich ein Zustand ein, bei dem die Luft durch das Analogventil 1 a und durch das Balancierventil 1 b in den Zylinder 5 strömt, wobei das Verhältnis der beiden Strömungen zueinander durch Verändern des Strömungswiderstandes 8 geregelt werden kann. Im Speicher 2 herrscht bei Schließen der Drossel 1 c der Zylinderdruck der der an der Lastaufnahme 21 wirkenden Kraft entspricht. Durch Schließen des Ventils 3 kann daher sofort balanciert werden. Der Strömungswiderstand 6 verhindert, daß bei Aufreißen der Drossel 1 c das Balancierventil zu weit umgeschaltet wird und die Lastaufnahme nach oben schießt.

Wird in Fig. 2 bei betätigtem Ventil 4 a zur Abwärtsfahrt die Drossel 1 d des Analogventils 1 a geöffnet, so strömt aus dieser die Luft aus dem Zylinder 5 ins Freie. Zu gleicher Zeit sinkt der Druck an dem Steueranschluß 1 e des Balancierventils 1 b stärker als der Zylinderdruck am Steueranschluß 1 g, weshalb das Balancierventil umsteuert und den Anschluß 1 f mit dem Auslaß verbindet, so daß ein Teil der Luft aus dem Zylinder 5 durch das Balancierventil ins Freie strömt. Der Strömungswiderstand 6 verhindert, daß der Druck am Steueranschluß 1 e zu sehr unter den Zylinderdruck sinkt bei Aufreißen der Drossel 1 d. Wird die Drossel 1 d wieder geschlossen, so herrscht im Speicher und am Steueranschluß 1 e der Zylinderdruck, der der an der Lastaufnahme wirkenden Kraft entspricht. Durch Schließen des Ventils 3 kann sofort balanciert werden.

In der Fig. 3 ist zusätzlich ein pneumatischer Druckregler 9 geschaltet. Für den Analogbetrieb ist hierbei das Ventil 4 a nicht betätigt. Der Steueranschluß 1 e, der Speicher 2 sind mit dem Zylinder 5 verbunden.

Bei einer Aufwärtsfahrt strömt die Luft vom Luftanschluß 10 durch das Analogventil 1 a, durch den Strömungswiderstand 8 zu dem Zylinder 5 und außerdem durch das Ventil 4 c zu dem Steueranschluß 9 a des Druckreglers 9. Da der Druck an Steueranschluß 9 a um den Druckverlust im Strömungswiderstand 8 höher ist, strömt zusätzlich Luft von dem Luftanschluß 10 durch den Druckregler 9 zu dem Zylinder 5. Wie oben beschrieben, stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Bei Abwärtsfahrt strömt die Luft aus dem Zylinder 5 durch das Analogventil 1 a ins Freie und durch das Druckregelventil 9, wenn dieses eine Sekundärlüftung hat. Sowohl bei der Aufwärts, wie bei der Abwärtsfahrt, herrscht im Speicher 2 der Zylinderdruck.

Bei Betätigung des Ventils 4 a wird auf Balancierbetrieb umgeschaltet. Der Druck im Speicher 2, der der Kraft an der Lastaufnahme entspricht, wirkt als Referenzdruck auf das Balancierventil 1 b am Steueranschluß 1 e. Zur Aufwärtsfahrt wird die Lastaufnahme angehoben, wodurch der Zylinderdruck geringer wird und damit der Druck an dem Steueranschluß 1 g. Der Referenzdruck des Speichers 2 bleibt konstant gleich dem Zylinderdruck vor dem Anheben der Lastaufnahme. Dadurch schaltet das Balancierventil um und Luft vom Luftanschluß 10 strömt durch das Balancierventil über Anschluß 1 f durch das Ventil 4 c zu dem Steueranschluß 9 a des Druckreglers 9. Dieser schaltet um und vom Luftanschluß 10 strömt die Luft durch den Druckregler 9 zu dem Zylinder 5.

Wird zur Abwärtsfahrt die Lastaufnahme nach unten gedrückt, so erhöht sich der Druck im Zylinder und ist am Steueranschluß 1 g größer als der Referenzdruck am Steueranschluß 1 e. Das Balancierventil schaltet um und die Luft aus dem Zylinder 5 strömt durch das Rückschlagventil 7 über den Anschluß 1 f ins Freie und über das Druckregelventil 9, wenn dieses eine Sekundärentlüftung hat, da der Druck am Steueranschluß 9 a um den Druckverlust in dem Strömungwiderstand 7 geringer ist als am Zylinder 5.

Das Ventil 4 c der Fig. 3 ist in Fig. 4 durch das Oder-Element 4 d, der Strömungswiderstand 7 durch den Strömungswiderstand 7 a ersetzt. Das Oder-Element 4 d ist billiger und kleiner und erfordert weniger Schaltaufwand als das Ventil 4 c.

Bei dem Strömungswiderstand 7 a ist eine Drossel parallel zu dem Rückschlagventil 7 der Fig. 3 geschaltet, wodruch eine schnellerer Druckausgleich vom Druck im Zylinder und an dem Steueranschluß 9 a erfolgt.

Bei dem Balancierventil mit Membran in Fig. 5 ist der Referenzdruckraum 31 c zugleich der Speicher, bei dem eine Wand die Membran 32 ist. Wird bei Balancierbetrieb die Lastaufnahme zur Aufwärtsbewegung nach unten gedrückt, so erhöht sich der Zylinderdruck und der Druck im Steuerraum 30 c, der über den Anschluß 30 a mit dem Zylinder verbunden ist. Dadurch wird die Membran 32 in den Referenzdruckraum 31 c bewegt. Dabei nimmt sie die Steuerstange 38 mit, mit der sie durch die Befestigung 39 fest verbunden ist. Die mit der Steuerstange 38 fest verbundene Mitnahme 40 hebt dabei die Ventilplatte 33 von ihrem Ventilsitz 36 und Luft aus dem Steuerraum 30 c und dem Zylinder kann durch den Auslaß 37 ins Freie strömen.

Wird die Lastaufnahme zur Aufwärtsbewegung angehoben, so wird der Druck im Zylinder und damit im Steuerraum 30 c kleiner. Die Membran 32 wird durch den Referenzdruck im Referenzdruckraum 31 c nach links bewegt. Dadurch hebt die Steuerstange 38 die Ventilplatte 34 von ihrem Ventilsitz 35. Die Luft strömt vom Druckanschluß 30 b durch Öffnungen in der Ventilplatte 33 in den Steuerraum 30 c und durch den Ausgang 30 a zu dem Zylinder oder zu dem Steueranschluß des pneumatischen Druckreglers. Durch den Steueranschluß 31 a ist der Referenzdruckraum abschließbar mit dem Zylinder verbunden.

In der Fig. 6 ist die Lastaufnahme 21 das Ende des Gestänges nach dem Pantographenprinzip 22, das am anderen Ende am Drehpunkt 23 gelagert ist. Mit der Abstützrolle 24 b stützt es sich auf der horinzontalen Fahrbahn 24 a ab. Die Fahrbahn 24 a wird parallel geführt durch die Rollen 28 die auf dem Ständer 27 laufen. Die Auf- und Abwärtsbewegung erfolgt durch Zu- oder Ausströmen von Luft aus dem Zylinder 5, der dadurch die horizontale Fahrbahn 24 a nach oben oder unten bewegt. Der Ständer 27 ist drehbar über das Lager 26 mit der Säule 25 verbunden.

Claims

1. Steuerung für einen Manipulator nach dem Pantographenprinzip oder einem anderen bekannten Prinzip, bei dem die Bewegung der Lastaufnahme in der Senkrechten durch einen oder mehrere pneumatisch betriebene Zylinder erfolgt, durch Zuführung und Abströmen von Luft, gesteuert durch bekannte Ventile, und wobei der Luftdruck in dem/n Zylinder/n für eine Last, unabhängig von der Lage der Last im Raum, zum Mindesten annähernd konstant ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung zum Mindesten aus einem manuell betätigten Ventil (1 a) und einem pneumatisch gesteuerten Balancierventil (1 b) und einem Speicher (2) und einem, den Speicher schließenden Ventil (3), besteht.

2. Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung auf zwei Betriebsarten geschaltet werden kann:

1. auf Balanciersteuerung und
2. auf Analogsteuerung.

3. Anspruch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (3) die Betriebsart schaltet.

4. Anspruch nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Analogsteuerung der Speicher und der Zylinder miteinander verbunden sind.

5. Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Balancierbetrieb der Speicher durch das Ventil dicht geschlossen ist.

6. Anspruch nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Speicher den Referenzdruck zur Steuerung des Balancierventiles bestimmt.

7. Anspruch nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (2) mit dem Steueranschluß (1 e) des Balancierventiles (16) verbunden ist.

8. Anspruch nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (1 f) und dem Zylinder (5) das Ventil (4 b) geschaltet ist.

9. Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungswiderstand (8) in der Verbindung von Analogventil (1 a) zum Zylinder (5) geschaltet ist.

10. Anspruch nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungswiderstand (6) in der Verbindung von Analogventil (1 a) zum Steueranschluß (1 e) und dem Speicher (2) geschaltet ist.

11. Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Balancierventil ein Membranventil ist.

12. Anspruch nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranventil aus zwei Teilen besteht:

1. Ventil zur Steuerung des Auslasses und
2. Ventil zur Steuerung des Einlasses.

13. Anspruch nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Membran ein Teil der Wand des Speichers ist.

14. Anspruch nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein pneumatischer Druckregler (9) zu der Steuerung gehört.

15. Anspruch nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck des pneumatischen Druckreglers von dem Balancierventil oder dem manuell betätigtem Ventil und dem Zylinderdruck bestimmt wird.

16. Anspruch nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (4 a) das Ventil (3) und Ventil (4 c) derart steuert, daß sich das Ventil (3) öffnet und gleichzeitig das Ventil (4 c) den Ausgang des Analogventils mit dem Steueranschluß (9 a) verbindet oder daß das Ventil (3) schließt und gleichzeitig das Ventil (4 c) den Ausgang (1 f) mit dem Steueranschluß (9 a) verbindet.

17. Anspruch nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Manipulator nach dem Pantographprinzip wirkt.