DE3713997C2

DE3713997C2 - Hydropneumatischer Verbundzylinder

Info

Publication number: DE3713997C2
Application number: DE3713997A
Authority: DE
Inventors: Sumio Sugahara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1987-04-27
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2007-04-28
Also published as: JPH0438927B2; DE3713997A1; JPS62258207A; US4907495A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen hydropneumatischen Verbundzylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wenn verschiedene bewegbare Teile mechanisch betätigt werden, wird im allgemeinen ein Bewegungssteuersystem mit einem Pneumatikzylinder oder einem Hydraulikzylinder ver wendet, wobei diese Zylindermechanismen auch als Puffer einheit verwendet werden, wenn die bewegbaren Elemente angehalten werden.

Bei einem solchen Mechanismus mit einem Pneumatikzylinder ist das zur Steuerung der Bewegung verwendete Medium Luft, so daß die gesamte Vorrichtung hauptsächlich einen Luftzylinder, ein Schaltventil und ein Steuersystem um faßt. Diese Vorrichtung kann daher preiswert erstellt werden; da es sich aber bei Luft um ein komprimierbares Fluid handelt, ist die Ansprechbarkeit des Mechanismus, wenn die bewegbaren Teile angehalten werden, oft von nur mäßiger Verläßlichkeit.

Um diese Nachteile zu überwinden, ist bei einer mechani schen Bremseinrichtung eine Kolbenstange vorgesehen. Die se Kolbenstange bewegt sich im Falle des Anhaltens mit einem mittleren Bremshub während einer bestimmten Zeitpe riode in einen aktuellen Bremszustand, so daß die beweg baren Elemente über die vorbestimmte Anhaltestellung hin auslaufen und die Positioniergenauigkeit der bewegbaren Elemente nicht erreicht wird.

Die oben erwähnte mechanische Bremseinrichtung besitzt darüber hinaus weitere Nachteile, wie eine kleine Halte kraft, geringe Zuverlässigkeit, Abnützung der Bremse auf grund wiederholten Gebrauchs für lange Zeit, woraus eine Verschlechterung der Bremseigenschaften resultiert.

Da bei dem ölhydraulischen Zylindermechanismus das ver wendete Druckmedium (Öl) inkompressibel ist und die Kol benbewegung sofort stoppt, wenn die Zufuhr von Hochdruck öl in den Zylinder gestoppt wird, ist die Positionierge nauigkeit des Steuersystems gut. Durch das inkompressible Druckmedium kann eine höhere Leistung und eine größere Haltekraft zur Verfügung gestellt werden. Da aber Ölhy draulikeinheiten im allgemeinen teuer und platzaufwendig sind, ist es schwierig, eine preiswerte und raumsparende Einheit zu finden.

Um die Nachteile der oben erwähnten Zylindermechanismen auszuschalten, wird eine Kombination zweier Zylinderein heiten in Tandemanordnung oder parallel verbunden, um ein bewegliches Teil zum einen durch einen pneumatischen Druck anzutreiben und zum anderen durch einen hydrauli schen Druck abzubremsen, wobei die Lage des beweglichen Teiles durch ein in der Ölleitung des ölhydraulischen Sy stems angeordneten Stoppventils gesteuert wird.

Da bei einem solchen Mechanismus das bewegliche Teil durch ein pneumatisches System bewegt und durch ein ölhy draulisches System gestoppt wird, kann die Einrichtung verglichen mit dem Fall, daß das gesamte System auf ölhy draulischer Basis zusammengestellt ist, preiswert sein. Die Positioniergenauigkeit des beweglichen Teiles kann durch die Steuerung mittels Ölhydraulik verbessert wer den. Die Einrichtung erfüllt auch Ansprüche an die Wirt schaftlichkeit und die Betriebsbedingungen, da das Stopp ventil in der Ölleitung des Ölhydrauliksystems als Steue rung des beweglichen Teiles vorgesehen ist und bloß ge öffnet oder geschlossen zu werden braucht.

Da mehrere unabhängige Zylindereinheiten in Tandemanord nung oder parallel zueinander angeordnet sind und mitein ander verbunden sind, wachsen die Längsabmessung oder die seitlichen Abmessungen durch die mehreren Zylindereinhei ten an. Diese Konstruktion ist daher hinsichtlich ihrer Kompaktheit und Größe verbesserungswürdig.

Darüber hinaus gibt es keine Austauschbarkeit in der Puf fereinrichtung, wenn das bewegliche Teil angehalten wird.

Aus H. Reuschenbach, "Ein neues Konstruktionsprinzip für hydro pneumatische Stellzylinder" in DE-Z O + OP "Ölhydraulik und Pneumatik" 26 (1982) Nr. 8, S. 594 u. 595, ist ein hydropneumatischer Ver bundzylinder bekannt, der einen pneumatischen Zylindermechanis mus und einen ölhydraulischen Bremszylindermechanismus aufweist, der mit dem pneumatischen Zylindermechanismus in konzentrischer Anordnung verbunden ist. Eine Ölleitung verbindet die vordere Kammer und die hintere Kammer des ölhydraulischen Zylindermecha nismus mit einem Steuerventil, das zum Steuern des Ölstroms in der Ölleitung vorgesehen ist. Gemäß dieses Standes der Technik wird der Ölfluß von der einen Kammer in die andere Kammer bei Bewegung des Kolbens dadurch ermöglicht, daß eine Stange, die in der als Hohlstange ausgebildeten Kolbenstange beweglich angeord net ist, ein Ventil öffnet, so daß Hydraulikfluid von der einen Kammer in den Hohlraum des Kolbens und der sich daran anschlie ßenden hohlen Kolbenstange eindringen kann und von dort in die andere Kammer austreten kann. Diese Bewegung kann auch umgekehrt erfolgen.

Bei diesem Stand der Technik ist jedoch noch nachteilig, daß die Abmessungen sehr groß sind, was den Nachteil von nur beschränk ten Einsatzmöglichkeiten mit sich bringt. Insbesondere sind die großen Längenabmessungen nachteilig. Aufgrund der ungleichen Vo lumenänderung beim Öffnen des Ventils zwischen Kammern, bedingt dadurch, daß in einer der Kammern die hohle Kolbenstange ange ordnet ist und in der anderen Kammer nur Hydraulikfluid vorhan den ist, ergibt sich ein relatives Ansteigen oder Abfallen der Hydraulikfluide, das in keinem Gleichgewicht gehalten werden kann. Demzufolge ist es notwendig, die Ungleichheit durch eine Gaskammer auszugleichen, was wiederum die Vorrichtung an ihren Abmessungen vergrößert und deren Aufbau verkompliziert.

Aus dem DE-GM 19 22 304 ist ein hydropneumatischer Verbundzylin der bekannt, mit einem ölhydraulischen Bremszylindermechanismus und einem doppeltwirkenden pneumatischen Antriebszylindermechanismus, der den Bremszylindermechanismus in konzentrischer Anordnung umhüllt, wobei der Bremszylindermecha nismus eine vordere und eine hintere Kammer aufweist, die kon zentrisch angeordnet ist, wobei die vordere Kammer die hintere Kammer umhüllt.

Bei dem Verbundzylinder dieses Standes der Technik ist jedoch nachteilig, daß eine unbewegliche Lage des Bremszylindermecha nismus nicht gewährleistet ist, so daß der mit einer bewegbaren Einheit verbundene Kolben von dieser weiterhin bewegt werden kann, so daß keine definierte Stellung der bewegbaren Einheit erzielt wird. Denn bei Anlage von einer äußeren Kraft an den äußeren ringförmigen Kolben und Wegfall der Druckluft im inneren Zylinder bewegt sich aufgrund des freien Öldurchlaufs in dem zweiten Ölkanal trotz geschlossenem Steuerventil in dem ersten Ölkanal die Kolbenstange zusammen mit dem Kolben im inneren Zy linder weiter. Demzufolge kann mit dem Verbundzylinder dieses Standes der Technik keine definierte Bremsstellung bei weiterhin anliegender äußerer Kraft erreicht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen hydropneumatischen Verbundzylinder der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die stationäre Stellung bei äußerer Be lastung in beiden Richtungen und unabhängig vom pneumatischen Druck beibehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Erfindungsgemäß zeichnet sich der hydropneumatische Verbundzy linder dadurch aus, daß eine hohle Kolbenstange vorgesehen ist, die die hintere ölhydraulische Kammer entlang der Mittenachse umfaßt, und ein Kolben, der am äußeren Umfang eines axialen En des der hohlen Kolbenstange vorgesehen ist, in einem Zylinder eingesetzt ist, der die vordere ölhydraulische Kammer umfaßt, wobei die hohle Kolbenstange eine Trennwand zwischen der vorde ren und der hinteren ölhydraulischen Kammer bildet. Weiterhin ist eine Stange vorgesehen, die sich mit einem Ende als Kolben in die hintere ölhydraulische Kammer erstreckt und mit dem ande ren Ende eine starre Verbindung zu dem Zylinder aufweist, wobei die Volumenänderungen der vorderen ölhydraulischen Kammer und der hinteren ölhydraulischen Kammer so ausgeglichen werden, daß die Verschiebungs- oder Bewegungsrichtungen, die die Volumen verringerung der vorderen ölhydraulischen Kammer und den Volu menanstieg der hinteren ölhydraulischen Kammer und umgekehrt hervorrufen, gleich sind, wobei die vordere ölhydraulische Kam mer und die hintere ölhydraulische Kammer über Ölleitungen mit einander verbunden sind, in denen ein Steuerventil zur Steuerung des Ölflusses vorgesehen ist, und wobei bei gesperrtem Steuer ventil eine Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung des Kolbens unter bunden ist.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hydropneumatischen Verbundzylinders und

Fig. 2 in einer Schnittansicht eine zweite Ausführungsform eines eines erfindungsgemäßen hydropneumatischen Verbundzylinders.

Die Fig. 1 zeigt ein Steuersystem zum Bewegen eines beweglichen Teils gemäß einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen hydraulischen Verbundzylinders.

Das in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel besitzt eine Hohlstange 2, die einen Kolben und eine Kolbenstange umfaßt, eine erste hohle Kolbenstange 22, die ebenso als erster Zylinder 23 wirkt, einen ersten Kolben 24, der an dem einen Ende der ersten Kolbenstange 22 an gebracht ist, eine zweite hohle Kolbenstange 25, die auch als zweiter Zylinder 26 wirkt, eine dritte hohle Kolben stange 27, die auch als dritter Zylinder 28 wirkt, einen zweiten Kolben 29, der an einem Ende der dritten Kolben stange 27 vorgesehen ist, und einen vierten Zylinder 30.

Die Hohlstange 21, die zweite Kolbenstange 25 und der vierte Zylinder 30 dieser Bauteile des dritten Ausfüh rungsbeispieles sind derart in konzentrischer Anordnung ineinander integriert, daß die Hohlstange 21 in der Mitte angeordnet, die zweite Kolbenstange 25 außen um die Hohl stange 21 herum und der vierte Zylinder 30 außen um die Kolbenstange 25 herum.

Die erste Kolbenstange 22 und die dritte Kolbenstange 27 sind ebenfalls in konzentrischer Anordnung miteinander integriert verbunden, so daß die erste Kolbenstange 22 innen und die dritte Kolbenstange 27 außen angeordnet ist.

Darüber hinaus sind jeweils die Hohlstange 21 und der er ste Zylinder 23, der erste Kolben 24 und der zweite Zy linder 26, der zweite Zylinder 26 und der dritte Zylinder 28, der zweite Kolben 29 und der vierte Zylinder 30 genau ineinander passend und in abdichtender Weise gegeneinan der verschiebbar angeordnet.

Bei der oben beschriebenen Anordnung verändert der erste Zylinder 23 sein Volumen durch seine Relativbewegung mit der Hohlstange 21, um eine hintere ölhydraulische Kammer 31 zu bilden.

Der zweite Zylinder 26 variiert sein Kammervolumen an beiden Seiten durch seine Relativbewegung mit dem ersten Kolben 24 derart, daß die erste Seite eine vordere ölhy draulische Kammer 32 bildet und daß die andere Seite eine offene Kammer 34 bildet, die über eine Öffnung 33 mit der Atmosphäre verbunden ist.

Der dritte Zylinder 28 variiert sein Kammervolumen durch seine Relativbewegung mit der zweiten Kolbenstange 25, um eine offene Kammer 35 zu bilden, die über eine Öffnung 36 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Der vierte Zylinder 30 variiert sein Kammervolumen an beiden Seiten durch eine Relativbewegung mit dem zweiten Kolben 29 derart, daß eine Seite eine hintere pneumati sche Kammer 37 und die andere Seite eine vordere pneuma tische Kammer 38 bildet.

Die hintere ölhydraulische Kammer 31 und die vordere öl hydraulische Kammer 32 stehen über eine ein Steuerventil 39 aufweisende Ölleitung 40 miteinander in Verbindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Leitung 40 umfaßt einen hohlen Ab schnitt 41 der Hohlstange 21, eine die Zylinderwandung des zweiten Zylinders 26 durchsetzende Leitung 42, Lei tungen 43a und 43b, die zwischen dem hohlen Abschnitt 41 und der Leitung 42 in der in Fig. 1 gezeigten Art ange ordnet sind, und ein Steuerventil 39. Das Steuerventil 39 kann z. B. als zwischen den Leitungen 43a und 43b vorgese henes elektromagnetisches Stoppventil ausgebildet.

Über die Leitungen 45a und 45b ist mit der hinteren pneu matischen Kammer 37 bzw. mit der vorderen pneumatischen Kammer 38 eine pneumatische Einheit mit einem Kompressor, einem Druckregeltank, einem Schaltventil und einer Steue rung verbunden.

Zwischen der Hohlstange 21 und der ersten hohlen Kolbenstange 22, zwischen dem ersten Kolben 24 und dem zweiten Zylinder 26, zwischen der zweiten hohlen Kolbenstange 25 und dem zweiten Kol ben 29, bzw. zwischen dem zweiten Kolben 29 und dem vierten Zy linder 30 sind luftdichte bzw. flüssigkeitsdichte Dichtungen 18 angebracht.

Die bewegbare Einheit 19 kann jedes bewegliche Teil sein, bei spielsweise ein beweglicher Tisch einer Werkzeugmaschine, ein Scanner für einen Sensor, ein Trog für ein Lagerregal oder ein Schaltelement einer mechanischen Schalteinrichtung.

Wenn bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die bewegbare Einheit 19 bewegt wird, wird das Steuerventil (Stoppventil) 39 der Ölleitung 40 geöffnet, um eine Ver bindung zwischen der hinteren Kammer 31 und der vorderen Kammer 32 herzustellen. Durch die mit der Pneumatikein heit 44 verbundene Leitung 45a wird unter hohem Druck stehende Druckluft in die hintere Pneumatikkammer 37 ein geleitet.

Wenn die Druckluft in die hintere Pneumatikkammer 37 ein geleitet wird, wird die dritte Kolbenstange 27 unter Ein wirkung des Luftdruckes durch den zweiten Kolben 29 aus dem vierten Zylinder 30 herausgeschoben. Die mit der dritten Kolbenstange 27 gekoppelte erste Kolbenstange 22 wird dementsprechend aus dem zweiten Zylinder 26 ausge schoben. Diese Ausschiebebewegungen der Kolbenstange wer den auf die bewegbare Einheit 19 übertragen, um deren Be wegung in eine vorbestimmte Richtung zu bewirken.

Wenn das Volumen in der vorderen Kammer 32 abnimmt, nimmt das Volumen in der hinteren Kammer 31 gleichzeitig zu. Somit strömt das Öl aus der vorderen Kammer 32 über die Ölleitung 40 in die hintere Kammer 31, wie bereits oben beschrieben wurde.

Wenn dann die in Bewegung befindliche bewegbare Einheit 19 an einer gewünschten Position innerhalb des effektiven Hubs angehalten wird, wird das Steuerventil 39 der Öllei tung 40 geschlossen, um die Ölleitung 40 zwischen der hinteren Kammer 31 und der vorderen Kammer 32 zu unter brechen. Da somit der Strom des inkompressiblen Fluids (Öl) sowohl in der Kammer 31 als auch in der Kammer 32 gestoppt wird, können sich die Kolbenstangen nicht mehr bewegen, wie bereits in den ersten Ausführungsbeispielen beschrieben wurde. Die bewegbare Einheit 19 hält dement sprechend gleichzeitig an, wenn das Steuerventil 39 ge schlossen wird.

Um die bewegbare Einheit 19 in zu der oben beschriebenen Richtung umgekehrten Richtung zu bewegen, wird in die vordere Kammer 38 Druckluft eingeführt, um die Kolben stangen in die jeweiligen Zylinder einzuschieben. Wird in diesem Fall das Steuerventil 39 der Ölleitung 40 ge schlossen, um den Ölstrom zwischen der hinteren Kammer 31 und der vorderen Kammer 32 zu unterbrechen, so hält die bewegbare Einheit 19 wieder in einer vorbestimmten Stel lung an.

Sollte jedoch ihr Volumenaustausch nicht gleich sein, so kann in der Ölleitung, oder wie in Fig. 2 gezeigt, in einem ölhydraulischen Kolben eine Ölkammer vorgesehen sein.

Das Steuerventil 39 ist aus einem Stoppventil und einem Drosselventil zusammengesetzt. Es kann sich auch um ein einzelnes Ventil handeln, das eine Drossel- und Abschalt funktion umfaßt.

Die Leitung 43b des ölhydraulischen Systems kann so ange ordnet sein, wie durch die mit Doppelpunkten versehene unterbrochene Linie in Fig. 1 dargestellt ist. In diesem Fall kann die die Zylinderwand 42 des zweiten Zylinders 25 durchdringende Leitung 42 weggelassen werden.

Wenn die Kolbenstangen ortsfest angebracht werden, werden die Zylinder zur Ausschubseite.

Im folgenden wird anhand der Fig. 2 ein zweites Ausfüh rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen hydropneumatischen Ver bundzylinders beschrieben. Das zweite Ausführungsbeispiel wird für ein Bewegungssteuersystem einer bewegbaren Ein heit verwendet und ist im wesentlichen gleich, wie der doppelwirkende Zylinder gem. Fig. 1 aufgebaut.

Es werden daher bloß die Unterschiede des zweiten Ausfüh rungsbeispieles zu dem dem ersten Ausführungsbeispiel gem. Fig. 1 beschrieben.

In Fig. 2 ist ein zweiter Zylinder 26 fest mit beiden Stirnseiten des vierten Zylinders 30 verbunden.

Eine dritte Kolbenstange 27a ist aus einer Vielzahl von Kolbenstangen aufgebaut und unterscheidet sich von der oben beschriebenen zylindrischen Gestalt. Eine erste Kol benstange 22 ist über eine plattenartige Kupplung 26, beispielsweise einer in Fig. 2 gezeigten Zugplatte, mit den Kolbenstangen 27a verbunden.

Aus diesem Grund sind der dritte Zylinder 28 und die of fene Kammer 35 des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausfüh rungsbeispieles bei dem zweiten Ausführungsbeispiel in Fig. 2 nicht vorgesehen.

Eine der beiden Leitungen 43a und 43b, nämlich die Lei tung 43b, der Ölleitung 40 ist so angeordnet, wie durch die mit Doppelpunkten versehene unterbrochene Linie in Fig. 2 dargestellt ist. Im Falle der ausgezogenen Linie ist die Leitung 43b mit einer Öffnung 47 verbunden.

Wenn eine nicht dargestellte Öffnung, die mit einer hin teren hydraulischen Kammer 31 in Verbindung steht, das linksseitige Ende einer ersten Kolbenstange 22 durch setzt, kann die Leitung 43a mit dieser Öffnung verbunden werden. In diesem Fall kann die Hohlstange 21 als normale Stange ohne einen hohlen Abschnitt 41 ausgebildet sein.

Außerdem können die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschriebenen Modifizierungen auch bei dem zweiten Aus führungsbeispiel gem. Fig. 2 vorgesehen sein.

Die bewegbare Einheit 19 wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein pneumatisches System be wegt, während die Steuerung der Positionierung der beweg baren Einheit durch ein ölhydraulisches System vorgenom men wird. Die Betriebsweise des hier dargestellten Aus führungsbeispieles ist im wesentlichen die gleiche, wie bei dem in Fig. 1 dargestellten dritten Ausführungsbei spiel, so daß die nähere Beschreibung an dieser Stelle weggelassen wird.

Bei dem ersten Ausführungs beispiel gem. der Fig. 1 können die Leitung 13 des äußeren Zylinders und die Leitung 42 der zweiten Kolbenstange 25, die auch als zweiter Zylinder 26 wirkt, im Falle, daß der äußere Zylinder und die zweite Kol benstange 25 doppelwandig ausgebildet sind, derart ausge bildet sein, daß sie den inneren Spalt des Doppelwandauf baues ausnutzen. In diesem Fall kann jeweils der innere Spalt mit der vorderen ölhydraulischen Kammer 32 und der Leitung 43b (Fig. 1) in Verbindung stehen, in dem in der inneren Wand der als Leitungen 43b verwen deten Doppelwand ein oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind.

Claims

1. Hydropneumatischer Verbundzylinder mit einem ölhydraulischen Bremszylindermechanismus und einem doppeltwirkenden pneumati schen Antriebszylindermechanismus (29, 30, 37, 38), der den Bremszy lindermechanismus in konzentrischer Anordnung umhüllt, wobei der Bremszylindermechanismus eine vordere (32) und eine hintere (31) Kammer aufweist, die konzentrisch angeordnet ist, wobei die vor dere Kammer (32) die hintere Kammer (31) umhüllt,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine hohle Kolbenstange (22) vorgesehen ist, die die hintere ölhydraulische Kammer (31) entlang der Mittenachse umfaßt, und daß ein Kolben (24), der am äußeren Umfang eines axialen Endes der hohlen Kolbenstange (22) vorgesehen ist, in einem Zylinder (26) eingesetzt ist, der die vordere ölhydraulische Kammer (32) umfaßt, wobei die hohle Kolbenstange (22) eine Trennwand zwischen der vorderen (32) und hinteren (31) ölhydraulischen Kammer bil det, und
daß eine Stange vorgesehen ist, die sich mit einem Ende als Kol ben in die hintere ölhydraulische Kammer (31) erstreckt und mit dem anderen Ende eine starre Verbindung zu dem Zylinder (26) aufweist,
wobei die Volumenänderungen der vorderen ölhydraulischen Kammer (32) und der hinteren ölhydraulischen Kammer (31) so ausgegli chen werden, daß die Verschiebungs- oder Bewegungsrichtun gen, die die Volumenverringerung der vorderen ölhydraulischen Kammer (32) und den Volumenanstieg der hinteren ölhydraulischen Kammer (31) und umgekehrt hervorrufen, gleich sind,
wobei die vordere ölhydraulische Kammer (32) und die hintere öl hydraulische Kammer (31) über Ölleitungen (40, 41, 42) miteinander verbunden sind, in denen ein Steuerventil (39) zur Steuerung des Ölflusses vorgesehen ist, und
wobei bei gesperrtem Steuerventil (39) eine Vorwärts- bzw. Rück wärtsbewegung des Kolbens (24) unterbunden ist.

2. Hydropneumatischer Verbundzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (24) und die Kolbenstange (22) einstückig ausgebildet sind.