DE4107134A1 - Vorrichtung zum erzeugen einer zugkraft mittels druckmittel - Google Patents

Description

In der Pneumatik und Hydraulik werden Druck- und Zugkräfte mittels Zylinder und Kolben erzeugt.

Die dafür benötigten Teile müssen mit Präzision hergestellt werden. Es läßt sich kaum vermeiden, diese Teile aus metallischen Materialien herzustellen.

Dadurch ist der Aufwand der Herstellung relativ groß, auch für Antriebe, die nur kleine Kräfte erzeugen sollen. Mit dem Grad der Kompliziertheit der Maschinen steigt das Gewicht außerdem stark an. Dadurch vergrößert sich das Verhältnis von Maschinenmasse zu Werkstückmasse sehr ungünstig.

Kennzeichnend für die in den Ansprüchen genannte Erfindung ist die Tatsache, für die krafterzeugenden Teile keinerlei Präzisionsmechanismen zu benötigen.

Sie zeichnet sich durch geringes Gewicht und hohe Flexibilität aus.

Daraus resultiert auch eine Einsparung von Energie. Durch die sehr einfache und kostengünstige Herstellung sollen komplizierte Maschinen und Roboter erheblich preiswerter hergestellt werden können.

Die Erfindung besteht aus einem elastischen, zylindrischen Schlauch, welcher sich an beiden Seiten verjüngt und einen geschlossenen Hohlraum bildet.

An einer Stelle geringeren Durchmessers befindet sich ein Anschluß für das Druckmittel.

In den äußeren Teil der Schlauchwandung sind in axialer Richtung Seile aus einem sehr flexiblen aber zugfesten Material eingearbeitet.

Sie dienen an beiden Enden zur Befestigung des Schlauches und zur Kraftübertragung.

Die Anzahl der Seile ist geradzahlig. Jedes Seil eines Seilpaares ist abwechselnd einmal mit einem Seil des nebenliegenden Seilpaares und wieder des gleichen Seilpaares verschlungen.

Das so geflochtene Netz umschließt den Hohlkörper auf seiner ganzen Länge.

Bei Druckanstieg im Hohlkörper wird durch dieses Netz die radiale Ausdehnung des Schlauches und somit die Vergrößerung des Umfanges in eine Verkürzung der Länge des Schlauches gewandelt.

Die Breite der Maschen soll etwa 1/4 bis 1/8 der Länge in axialer Richtung betragen (in drucklosem Zustand). Die Anzahl der Zugseile soll 4 bis 10 Stück pro Zentimeter Umfang betragen.

Die Wandstärke des Schlauches ist vom Druck abhängig, bei welchem die Vorrichtung betrieben werden soll. Bei einem Innendurchmesser von 1,5 cm und einer Wandstärke von 5 mm kann ein Druck von ca. 1,5 at(bar) angelegt werden. Dabei wird eine Zugkraft von über 20 kp erzeugt. Die Maschen des Netzes sollen möglichst klein sein, für das beschriebene Beispiel etwa 0,5 bis 1 cm lang. Der Schlauch besteht aus einem Material mit einem Dehnungsfaktor von 3 bis 7. Das Material muß sehr zäh sein. Es kann zum Beispiel Silikonkautschuk oder ein anderes Material mit den genannten Eigenschaften Verwendung finden. Die Zugseile können aus Stahl-Litze oder aus einem synthetischen Material mit hoher Zugfestigkeit und Flexibilität (feinfaserige Kunstfaser) bestehen.

Die Vorrichtung ist für den Einsatz in Industrierobotern bestimmt. Ihr Einsatz ist jedoch keinesfalls auf dieses Gebiet beschränkt. Beispielsweise wären Anwendungen in der Filmindustrie zum Bewegen von Trickfiguren denkbar. Die Vorteile der Erfindung sollen noch einmal in Punkten zusammengefaßt werden:

• - einfach, kostengünstigere Herstellung
• - sehr geringes Gewicht
• - geringer Arbeitsdruck, trotzdem ausreichende Zugkraft
• - läßt sich an alle Bewegungsanforderungen anpassen
• - völlig unempfindlich gegenüber Verschmutzung
• - eventuelle Beschädigungen sind leicht zu reparieren
• - keine Korrosion
• - sehr alterungsbeständig, gute Temperaturstabilität

Der letzte Punkt ist natürlich nur vom Material abhängig.

Im Nebenanspruch 1 wird das Zusammenwirken von zwei Zugschläuchen in einem Bewegungsapparat festgelegt (Fig. 5). Indem ein Zugschlauch vor und ein Zugschlauch hinter dem Drehpunkt eines Hebels seinen Angriffspunkt hat, arbeiten die beiden Vorrichtungen praktisch gegeneinander. Beim Zusammenziehen des einen Zugschlauchs infolge Druckanstieg kann die erzeugte Bewegung durch das dosierte Druckablassen im anderen Zugschlauch zusätzlich gesteuert werden. Durch Druckanstieg in demselben kann die Bewegung zum Beispiel gestoppt werden.

Es ist somit möglich, Bewegungen sehr schnell auszuführen aber auch schnell zu beenden.

Durch ständiges Arbeiten mit dosiertem, erhöhtem Gegendruck im jeweils entgegenwirkenden Zugschlauch können Bewegungen mit gesteigerter Präzision ausgeführt werden. Weil die Zugschläuche schlagartig unter Druck gesetzt werden können, sind auch Bewegungen mit Schnellkraftcharakter möglich. Die Art der Bewegung, wie zum Beispiel schnell, langsam, leicht, kraftvoll, oder das Abbremsen vor Erreichen der Endposition, kann und soll ausschließlich durch Software gesteuert werden.

Es ist das Ziel der Erfindung, den Bau von menschenähnlichen Robotern zu ermöglichen und wirtschaftlich vertretbar zu machen. Diese sollen den Menschen bei gefährlichen Arbeiten ersetzen.

Da die Vorrichtung auch mit Wasser als Druckmittel betrieben werden kann, ist eine Verwendung für Untersee-Roboter möglich.

Im Nebenanspruch 2 wird jeweils ein Zugschlauch durch viele kleine Zugschläuche ersetzt (Fig. 6). Es brauchen dann nur noch verschiedene Längen von Zugschläuchen hergestellt werden. Die benötigte Kraft wird durch Bündeln vieler Zugschläuche erzeugt.

Dadurch wird die Sicherheit der Maschine erhöht und eine Steigerung der Präzision der Bewegungen erreicht.

Die steuernden Magnetventile können dadurch verkleinert und die Druckmittelleitungen im Durchmesser verringert werden.

Beispiel zur Herstellung

Zuerst wird ein Kern hergestellt, auf den dann der Silikonkautschuk aufgetragen wird.

Er soll aus einem Material bestehen, auf welchem Silikongummi im ausgehärteten Zustand nicht haftet.

Im einfachsten Fall kann er aus Holz (Hartholz) hergestellt werden. Er wird dann mit heißem Stearin oder einem anderen Trennmittel bestrichen oder getaucht.

Für den beschriebenen Zugschlauch kann der Kern 10 bis 15 mm Durchmesser und eine Länge von ca. 20 cm haben.

An beiden Seiten läuft er spitz aus.

Soll sich der Druckmittelanschluß seitlich am Zugschlauch befinden, so kann in radialer Richtung, schräg zur Achse des Kernes, ein Loch in den Kern gebohrt werden. Dort wird ein Metallstab (6) hineingesteckt. Zum besseren Halt kann dieser vorn etwas verjüngt sein.

Der Stab kann 3 bis 5 mm Durchmesser haben und wird zusammen mit dem Kern mit Trennmittel bestrichen.

Nachdem der Kern fertiggestellt wurde, wird auf ihn eine Schicht Silikonkautschuk aufgetragen. Die Endstärke sollte für diese Zugschlauchgröße etwa 5 bis 7 mm betragen. Die Schicht kann in einem Arbeitsgang aber auch in zwei oder drei Arbeitsgängen aufgetragen werden. Letzteres ist bei manueller Fertigung sicher einfacher. Nach der ersten Beschichtung wird in diesem Falle am Druckmittelanschluß eine dünne Armierung aufgelegt und mit Kautschuk eingestrichen.

Der Silikonkautschuk wurde im vorliegenden Beispiel mit einem Spachtel aufgetragen und dann geglättet. Er kann aber auch durch Tauchen aufgebracht werden oder durch Druckguß in eine Form.

An einem der beiden Enden soll der Kern noch etwas sichtbar sein.

Durch diese verbleibende Öffnung wird ganz zum Schluß der Kern noch aus dem Schlauch entfernt. Dies ist möglich, da der Silikonkautschuk sehr dehnbar ist.

Ist der Kautschuk ausgehärtet, wird der Kern in einem Stativ (1) befestigt, welches in Fig. 7 dargestellt ist. Es besteht weiterhin aus einer Scheibe (3) aus Holz, auf die der Kern (5) befestigt wird, und einem Haken (2). Nun können die Zugseile (4) um den Schlauch geflochten werden.

Dazu wird etwa die doppelte Länge des Schlauches abgemessen, dann das Seil doppelt genommen und abgeschnitten. Etwa 3 cm vom geschlossenen Ende entfernt wird ein Doppelknoten (Fig. 4) gemacht.

Es werden soviele Seile benötigt, daß die Parallelogramme, die durch das Flechten des Netzes entstehen, in axialer Richtung möglichst schlank sind.

Bei einem Umfang von ca. 9 cm und einem Abstand P=3 mm (Fig. 1) werden etwa 30 Seile gebraucht. Man benötigt also 15 Seilpaare.

Diese werden in den Haken (2) eingehangen, der sich über dem Kern am Stativ befindet.

Damit die Seile besser hängen, werden sie am unteren Ende etwas beschwert (10 bis 50 g). Das kann im einfachsten Fall eine Schraube (M6) mit Mutter sein, zwischen deren Gewinde das Seil eingeklemmt wird.

Dann werden sie geordnet und zwischen die Stifte (7) gehangen, welche an der Holzscheibe angebracht sind.

Jedes Seil eines Seilpaares wird nun mit dem Seil des nebenliegenden Seilpaares einmal verschlungen. Mit einem kammähnlichen Werkzeug wird die Schlinge in die richtige Lage gebracht. Runde um Runde wird so der Schlauch eingeflochten.

Ist das geschehen, wird das Netz auf Gleichmäßigkeit überprüft und ausgerichtet. Zum Schluß werden die Seile am unteren Ende des Schlauches zusammengebunden.

Der gesamte Schlauch wird danach, mit Ausnahme der Partie, durch welche der Kern entfernt werden soll, mit einer Silikonkautschukmischung überstrichen.

Diese puddingartige Masse wird durch Verdünnen des Kautschuks mit Aceton, Nitroverdünnung o. ä. hergestellt. Sie soll nicht zu dünn sein.

Ist die Schicht ausgehärtet, wird der Metallstab (6) entfernt und der Kern herausgedrückt. Die Öffnung wird mit Kautschuk verschlossen und die Seile werden an dieser Seite ebenfalls zusammengebunden. Nachdem der Silikonkautschuk an dieser Stelle ausgehärtet ist, wird das Netz dort noch beschichtet.

In der Serienproduktion kann das Netz natürlich maschinell geflochten werden. Die hier beschriebene Methode bezieht sich nur auf Einzelanfertigung.

Die Härte des Silikonkautschuks kann den verschiedenen Größen der Zugschläuche angepaßt werden.

Bei größeren Ausführungen kann ein härterer Kautschuk und bei kleinen Ausführungen ein weicher Kautschuk von Vorteil sein.

Es ist denkbar, daß vor dem Umflechten mit den Seilen ein vorgefertigtes, maschinell hergestelltes Netz mit nur 1/4 bis 1/8 Maschenweite und dünneren Seilen eingearbeitet und dünn mit der Silikonkautschukmischung fixiert wird. Dieses Netz hat keine Kraftübertragungsfunktion.

Es verhindert das Auftreiben des Zugschlauches zwischen den Maschen bei hohem Druck. Mit dem gleichen Ziel könnte auch ein zweites Netz, horizontal und vertikal um eine halbe Maschenweite versetzt, über das erste Netz geflochten werden.

Der versuchsweise hergestellte Zugschlauch ist 25 cm lang und 30 mm dick.

Bei einem Druck von 2 at (bar) (ca. 25 psi) erzeugte er eine Zugkraft von über 25 kp bei einem Hub von 3,0 cm Die maximal mögliche Zugkraft wurde nicht ermittelt. Hier ist bei Erhöhung der Anzahl der Seile sicher eine Steigerung möglich.

Auch der Hub kann verbessert werden, so daß man mit einem Hub = 20% der Länge des Zugschlauches rechnen kann. Die wichtigste Eigenschaft aber ist neben der einfachen Herstellung das geringe Gewicht.
Der Zugschlauch wiegt nur 150 Gramm.

Bei der Ausführung nach Unteranspruch 2 ist der Druckmittelanschluß axial an einem Ende befestigt und kann mit Gewinde versehen sein.

Er dient dadurch gleichzeitig zur Befestigung an einer Seite des Zugschlauches.

Der Druckmittelanschluß kann bei dieser Ausführung einen größeren Durchmesser (z. B. 6 bis 8 mm) besitzen. Dies ist für die Arbeitsgeschwindigkeit von Vorteil, insbesondere bei einem Betreiben mit flüssigen Druckmitteln. Das Anschlußstück wird gleich beim ersten Einstreichen mit dem entstehenden Schlauch verbunden. Die Ausführung nach Unteranspruch 3 sieht an beiden Enden axiale Druckmittelanschlüsse vor.

Bei dieser Ausführung kann ein Anschluß als Eingang und der andere als Ausgang für das Druckmittel benutzt werden.

Der Kern muß nach der Herstellung durch einen von beiden Anschlüssen entfernt werden können.

Auf eine besondere Ausführungsvariante soll noch hingewiesen werden. Diese sieht vor, den Zugschlauch aus zwei Teilen herzustellen.
Der eine Teil bildet den dickwandigen Hohlkörper mit Druckmittelanschluß. Der andere Teil besteht aus einer dünnen Hülle aus Silikonkautschuk, in die das Netz eingegossen ist.

Diese Variante ist für die Wiederverwendbarkeit bei einer Beschädigung von Bedeutung. Im Falle einer Beschädigung der Seile kann der starkwandige Innenkörper wieder eingesetzt werden.

Dies ist bei der Ausführung nach Anspruch 1 besonders gut möglich.

Claims (7)

1. Hauptanspruch 1
   Vorrichtung zum Erzeugen einer Zugkraft mittels flüssigem oder gasförmigem Druckmittel, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener, elastischer Schlauch mit mindestens einem Druckmittelanschluß in axialer Richtung mit Seilen umspannt ist, welche netzartig miteinander verkettet sind.
2. Unteranspruch 2
   Ausführung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelanschluß an einem Ende axial angebracht ist und zur Befestigung dienen kann.
3. Unteranspruch 3
   Ausführung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden Druckmittelanschlüsse axial angebracht sind, welche der Befestigung dienen können.
4. Unteranspruch 4
   Ausführung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß Form und Größe der Vorrichtung frei wählbar sind.
5. Unteranspruch 5
   Ausführung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß Material und Werkstoff, im Rahmen der Verwendbarkeit, den Anforderungen entsprechend frei wählbar sind.
6. Nebenanspruch 1
   Zwei Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 5 bilden eine Bewegungseinheit dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung hinter und eine Vorrichtung vor dem Drehpunkt eines Hebels ihren Angriffspunkt hat.
7. Nebenanspruch 2
   Mehr als eine Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 arbeitet an einem Angriffspunkt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung bestimmter Dimension durch mehrere kleiner dimensionierte Vorrichtungen ersetzt wird.