DE4217835A1 - Regelventil - Google Patents
RegelventilInfo
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- F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
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Description
Die Erfindung betrifft ein Regelventil zum Dosieren eines
Fluids, bei dem der Strömungsweg für das Fluid durch eine
Zuleitung, einen Ventilsitz und eine Ableitung gebildet wird
und ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes Verschlußstück in
Form einer konischen Ventilnadel vorgesehen ist, das mit Hilfe
eines Antriebs kontinuierlich axial zum Ventilsitz zwischen
einer vollständig verschlossenen und einer maximal geöffneten
Position verschiebbar ist.
Die Dosierung von Fluiden ist wegen der mit der modernen
Entwicklung der Produktionstechnik verbundenen Steigerung der
Anforderungen zu einem schwierigen technischen Problem
geworden. Zum einen kommen immer häufiger Fluide zum Einsatz
(z. B. für Klebeverbindungen), die Eigenschaften aufweisen, die
eine genaue und schnelle Dosierung erschweren. Es handelt sich
dabei z. B. um Fluide mit sehr hoher Viskosität, oder um Fluide,
die bei hohen Temperaturen verarbeitet werden müssen und deren
Viskosität stark temperaturabhängig ist. Zum anderen soll es
möglich sein, die Fluide mit Hilfe schneller Industrieroboter
auf Werkstücke aufzutragen. Diese Roboter fahren die Werkstücke
zur Erzielung minimaler Bearbeitungszeiten mit variabler
Geschwindigkeit ab und tragen dabei eine Fluidraupe auf. Die
Erzielung eines gleichmäßigen Raupenauftrags trotz der
variablen Auftragsgeschwindigkeit stellt an die Dosierung des
Fluids extrem hohe Ansprüche. So muß ein sehr schnelles und
genaues Einstellen des Volumenstroms des Fluids möglich sein.
Je nachdem, welches Fluid verwendet wird, können sehr hohe
Drücke zur Erzeugung der Fluidströmung nötig sein.
Es ist bekannt, zur Regelung von Fluidströmen für derartige
Anwendungen Nadelventile zu verwenden, bei denen die Ventil
nadel mechanisch mit dem Kolben eines Pneumatikzylinders
verbunden ist. Durch Beaufschlagung mit Druckluft verschiebt
sich der Kolben und damit die Ventilnadel. Eine derartige
pneumatische Verstellung des Regelventils ist zwar ausreichend
schnell; eine hohe Genauigkeit der Ventileinstellung kann damit
jedoch in der Regel nicht erreicht werden. Bei kleineren
Robotergeschwindigkeiten ist dies nicht störend, da hier genug
Zeit bleibt, die genaue benötigte Ventilstellung mit Hilfe
einer (im allgemeinen vorhandenen) rückgekoppelten Regelung
aufzufinden. Bei größeren Robotergeschwindigkeiten trifft dies
im allgemeinen nicht mehr zu. Hier kann die mangelnde Einstell
genauigkeit des Ventils zu einer Ungleichmäßigkeit im Rau
penauftrag führen. Darüberhinaus ist ein durch einen
Pneumatikzylinder verstellbares Ventil im allgemeinen relativ
voluminös und schwer. Dies ist nachteilig, wenn Fluid in kleine
Hohlräume eingebracht werden soll, bzw. wenn das Ventil großen
Beschleunigungen ausgesetzt ist, wie es bei schnellen
Industrierobotern der Fall ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von
diesem Stand der Technik ein Regelventil zur Verfügung zu
stellen, mit dem ein sehr schnelles und genaues Dosieren von
Fluiden möglich ist. Dabei sollte das Ventil möglichst kompakt
und leicht aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Regelventil der eingangs genannten
Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Antrieb ein
Rotationsschrittmotor ist und ein eine Dreh- in eine
Hubbewegung umsetzender Spindel-Mutter-Trieb vorgesehen ist,
der einerseits mit dem Rotationsschrittmotor und andererseits
mit der Ventilnadel verbunden ist.
Vorteilhaft ist die Spindel des Spindel-Mutter-Triebs mit dem
Schrittmotor verbunden und dreh-, aber nicht hubbeweglich
ausgebildet. Die Mutter des Spindel-Mutter-Triebs ist dabei mit
der Ventilnadel verbunden und hub-, aber nicht drehbeweglich
ausgebildet. Vorzugsweise ist der Spindel-Mutter-Trieb als
Kugelumlaufspindel-Trieb ausgebildet. Damit wird eine sehr hohe
Einstellgenauigkeit erzielt, wobei wegen des hohen
Wirkungsgrads einer Kugelumlaufspindel nur ein relativ geringes
Antriebsmoment nötig ist. Vorzugsweise wird zur Lagerung der
Spindel in einem Gehäuse des Regelventils mindestens ein
Wälzlager verwendet, das Axial- und Radialkräfte aufnehmen
kann, z. B. ein Kegelrollenlager oder ein Schrägkugellager.
Besonders vorzugsweise handelt es sich um ein Pendelkugellager
oder ein Pendelrollenlager. Dadurch können Fluchtungsfehler und
Durchbiegungen der Spindel ausgeglichen werden.
Vorteilhaft ist die Spindelmutter einstückig mit einem, im
wesentlichen zylinderförmigen Ventilnadel-Aufnahmeelement
ausgebildet, das axial in einer zylindrischen Gleitführung im
Gehäuse geführt ist. Vorzugsweise weist die Spindelmutter oder
das Ventilnadel-Aufnahmeelement zur Verdrehsicherung der
Spindelmutter einen Zapfen auf, der in eine achsparallel
verlaufende, im Gehäuse ausgeführte Geradführung eingreift.
Besonders vorzugsweise ist auf den Zapfen ein Wälzlager an
geordnet, und ist die Geradführung als Nut oder Schlitz im
Gehäuse ausgebildet. Der Abstand der Flanken der Geradführung
ist dabei etwas größer als der Außendurchmesser des Außenrings
des Wälzlagers. Dadurch ist sichergestellt, daß der Außenring
des Wälzlagers bei einer Hubbewegung jeweils nur an einer
Flanke der Geradführung anliegt, und so an dieser Flanke
abrollen kann. Damit ist die Reibung der Verdrehsicherung
gegenüber Hubbewegungen verschwindend klein. Bei dem Wälzlager
handelt es sich vorzugsweise um ein Rillenkugellager.
Vorteilhaft ist zwischen der Antriebswelle des Rota
tionsschrittmotors und der Spindel eine Ausgleichskupplung
vorgesehen.
Da der Volumenstrom eines hochviskosen Fluids in der Regel
nicht mit der erforderlichen Genauigkeit und Geschwindigkeit
direkt gemessen werden kann, wird als Regelgröße für den
Volumenstrom vorzugsweise der hinter dem Ventil herrschende
Druck verwendet. Dazu ist vorteilhaft an der Ableitung im
Gehäuse integriert ein Druckfühler vorgesehen. Der Druckfühler
wird vorteilhaft durch eine metallische Membran gebildet, deren
eine Seite von dem Fluiddruck beaufschlagt ist und an deren
anderer Seite Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind.
Für die Verarbeitung von Fluiden mit temperaturabhängiger
Viskosität ist es vorteilhaft, die momentane Temperatur des
Fluids in die Regelung des Volumenstroms einzubeziehen. Dazu
ist im Gehäuse integriert ein Temperaturfühler vorgesehen, der
an der Zuleitung oder der Ableitung im thermischen Kontakt mit
dem Fluid steht und vorteilhaft durch einen Thermistor gebildet
wird. Der Temperaturfühler kann wahlweise vor oder nach dem
Nadelventil angeordnet sein, da die Temperatur, anders als der
Druck, über das Nadelventil praktisch nicht variiert.
Vorteilhaft weist die Spindelmutter oder das Ventilnadel-
Aufnahmeelement eine im wesentlichen quer zur Axialrichtung
gerichtete Schaltfahne auf. Dabei sind zwei mit der Schaltfahne
zusammenwirkende Endlagenschalter vorgesehen, die so angeordnet
sind, daß die Schaltfahne einen der Schalter in der vollständig
geschlossenen Position des Ventils und den anderen Schalter in
der maximal geöffneten Position betätigt.
Vorzugsweise ist eine mit dem Regelventil einstückige
Rücksaugvorrichtung vorgesehen, die ein Stellelement und einen
mit der Ableitung kommunizierenden Rücksaugraum umfaßt, dessen
Volumen mit Hilfe des Stellelements veränderbar ist. Für die
eingangs genannten Anwendungen ist es auch wünschenswert, den
Fluidstrom schlagartig unterbrechen zu können. Dazu genügt es
im allgemeinen nicht, das Ventil in die verschlossene Position
zu bringen, da das in der Ableitung vorhandene Fluid auch nach
dem Schließen des Ventils in Form von Tropfen oder Fäden aus
einer an die Ableitung anschließende Auftragsdüse austreten
kann. Dies kann mit Hilfe der Rücksaugvorrichtung verhindert
werden, indem unmittelbar nach dem Schließen des Ventils das
Stellelement so betätigt wird, daß sich das Volumen des
Rücksaugraums vergrößert. Dadurch wird das in der Ableitung und
der daran angeschließenden Auftragsdüse befindliche Fluid ganz
oder teilweise in den Rücksaugraum gesaugt, und kann so nicht
mehr aus der Auftragsdüse austreten.
Vorteilhaft wird das Stellelement durch einen Fluidzylinder mit
einem Kolben und einer mit dem Kolben einstückigen Kolbenstange
gebildet. Der Rücksaugraum ist dabei im wesentlichen
zylindrisch geformt. Das dem Kolben abgewandte Ende der
Kolbenstange oder ein mit diesem Ende verbundener Stempel
bildet einen in dem Rücksaugraum verschiebbaren Rücksaugkolben.
Vorzugsweise ist der Fluidzylinder als einfach wirkender
Zylinder ausgebildet, wobei der Kolben auf einer Seite mit
einer Feder beaufschlagt ist, und auf der anderen Seite mit
einem (von dem zu dosierenden Fluid verschiedenen) Druckfluid
beaufschlagbar ist. Bei der Feder kann es sich z. B. um eine
Schraubenfeder oder um eine Gasdruckfeder handeln. Das
Druckfluid kann gasförmig (z. B. Druckluft) oder flüssig (z. B.
Hydrauliköl) sein.
Der Fluidzylinder ist vorteilhaft so ausgebildet, daß das
Volumen des Rücksaugraums in Ruhestellung des Kolbens maximal
ist. Dabei wird unter der Ruhestellung diejenige Stellung
verstanden, die der Kolben ohne Beaufschlagung durch das
Druckfluid einnimmt. Vorzugsweise ist die Ruhestellung des
Kolbens mit Hilfe eines einstellbaren Anschlags justierbar.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der
Fluidzylinder als doppelt wirkender Zylinder ausgebildet. Bei
dieser Ausführungsform entfällt die Feder. Die Verstellung des
Kolbens erfolgt nach beiden Richtungen durch das Druckfluid.
Das erfindungsgemäße Regelventil hat den Vorteil, eine schnelle
und dabei sehr genaue Regelung des Volumenstroms eines Fluids
zu erlauben, und zwar auch im Fall sehr hoher Fluiddrücke.
Dabei kann das erfindungsgemäße Regelventil so kompakt und
leicht ausgeführt werden, daß es in Strömungsrichtung
unmittelbar vor der Auftragsdüse an einem schnell bewegten Arm
einer Auftragsvorrichtung (z. B. eines Industrieroboters)
angeordnet werden kann, und daß Fluid auch in relativ kleine
Hohlräume eingebracht werden kann.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird nun eine bevorzugte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Regelventils näher be
schrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Regelventils in Schnittdar
stellung und
Fig. 2 eine Vorderansicht des Regelventil der Fig. 1,
ebenfalls in Schnittdarstellung.
Das in den Figuren gezeigte Regelventil weist ein zweiteiliges
Gehäuse auf, das aus einem Grundkörper 1 und einem Auf
satzkörper 2 zusammengesetzt ist. Das Regelventil kann mit dem
Gehäuse mit Hilfe (nicht gezeigter) Befestigungsmittel
unmittelbar an einem Arm eines Roboters befestigt werden. Bei
den Befestigungsmitteln kann es sich z. B. um eine
Schlitteneinheit handeln, die zum einen das Regelventil
gegenüber dem Roboterarm elastisch abfedert und zum anderen ein
genaues Justieren des Regelventils gegenüber dem Roboterarm
erlaubt.
Der Grundkörper 1 wird von einem Strömungsweg für das Fluid
durchzogen. Der Strömungsweg wird gebildet durch eine Zuleitung
3, einen Ventilsitz 4 und eine Ableitung 5. Die Zuleitung 3
kann über eine lösbare Rohrverbindung in Form eines
Schraubnippels 6 mit einer Druckleitung verbunden werden, über
die das Fluid zugeführt wird. Die Zuleitung 3 verläuft (bei der
in den Figuren gezeigten Orientierung des Regelventils)
horizontal.
An die Zuleitung 3 schließt der Ventilsitz 4 an, dessen Achse
vertikal verläuft. Der Ventilsitz 4 ist in einem Querschnitt
senkrecht zur Achse kreisförmig und verjüngt sich konisch nach
unten. An das untere Ende des Ventilsitzes 4 schließt sich
koaxial zum Ventilsitz 4 die Ableitung 5 an. Das dem Ventilsitz
4 abgewandte Ende der Ableitung 5 wird durch eine
Dosierdüsenaufnahme 7 gebildet. Die Dosierdüsenaufnahme 7 dient
der Verbindung der Ableitung 5 mit einer (nicht gezeigten)
Dosierdüse, derart, daß die Dosierdüse starr mit dem
Regelventil verbunden ist und, im Fall einer geraden
Dosierdüse, koaxial zur Ableitung 5 verläuft.
Der Strömungsweg für das Fluid verläuft also zunächst im Be
reich der Zuleitung 3 horizontal und geradlinig, erfährt dann
am Eingang zum Ventilsitz 4 eine Richtungsänderung um 90° nach
unten und verläuft anschließend geradlinig vertikal nach unten
durch den Ventilsitz 4 und die Ableitung 5. Falls eine gerade
Dosierdüse verwendet wird, so setzt sich der Strömungsweg ohne
weitere Richtungsänderung in die Dosierdüse bis zum
Austrittspunkt für das Fluid fort.
Mit dem Ventilsitz 4 wirkt eine konisch zu laufende Ventilnadel
8 zusammen. Die Ventilnadel 8 liegt koaxial zum Ventilsitz 4
und ist in Axialrichtung verschiebbar ausgeführt. Der
Ventilsitz 4 und die Ventilnadel 8 bilden (in einem Querschnitt
senkrecht zur Achse) einen Ringspalt für das Fluid aus, wobei
die Spaltbreite davon abhängt, wie weit die Ventilnadel 8 in
den Ventilsitz 4 eingeführt wurde. Bei ganz eingeführter
Ventilnadel 8 (wie in den Figuren gezeigt) verschwindet der
Ringspalt, und der Strömungsweg ist vollständig verschlossen.
Bei ganz nach oben herausgezogener Ventilnadel 8 wird der
Ringspalt am breitesten (im Extremfall entartet er zum Kreis),
der Strömungsweg ist dann maximal geöffnet. Durch
kontinuierliches Verschieben der Ventilnadel 8 können alle
dazwischenliegenden Öffnungsgrade gewählt werden.
Auf dem Grundkörper 1 ist koaxial zur Ventilnadel 8 der im
wesentlichen zylinderförmige Aufsatzkörper 2 aufgesetzt. In dem
Aufsatzkörper 2 ist oberhalb des Ventilsitzes 4 eine
zylindrische, koaxiale Gleitführung 9 für eine im wesentlichen
zylindrische Nadelaufnahme 10 vorgesehen. Der Durchmesser der
Nadelaufnahme 10 ist im unteren Teil so gewählt, daß diese
nahezu spielfrei in der Gleitführung 9 geführt ist. Die
Nadelaufnahme 10 weist im unteren Teil eine mittige Bohrung
auf, in die die Ventilnadel 8 feststehend eingesetzt ist.
Zur Verstellung der Ventilnadel 8 zusammen mit der Nadelauf
nahme 10 ist im Aufsatzkörper 2 ein Spindel-Mutter-Trieb vor
gesehen. Die Mutter 11 des Spindel-Mutter-Triebs ist an der der
Ventilnadel 8 abgewandten Seite einstückig mit der Na
delaufnahme 10 verbunden. Die Mutter 11 ist koaxial angeordnet.
Mit der Mutter 11 wirkt eine Spindel 12 zusammen, die einseitig
auf der der Nadelaufnahme 10 abgewandten Seite in einem
Pendelkugellager 13 drehbar gelagert ist. Das Pendelkugellager
13 kann Axial- und Radialkräfte aufnehmen und ist dabei
unempfindlich gegen Durchbiegen und Nicht-Fluchten der Spindel
12. Die Nadelaufnahme 10 weist an ihrer der Mutter 11
zugewandten Seite eine zentrale Bohrung auf, in der die Spindel
12 in tief eingeschraubtem Zustand zu liegen kommt.
Die Spindel 12 ist drehbar, jedoch nicht in Axialrichtung
verschiebbar. Eine Bewegung in Axialrichtung wird durch einen
Flansch 14 und einen Sicherungsring 15 verhindert, die beide
mit der Spindel 12 verbunden sind und jeweils an einer Seite
des Innenrings des Pendelkugellagers 13 anliegen. Das
Pendelkugellager 13 ist wiederum gegen Verschieben in
Axialrichtung durch eine Lagerklemmhülse 16 gesichert, die von
einer Motorbefestigungsplatte 17 am oberen Ende des
Aufsatzkörpers 2 fixiert wird.
Im Gegensatz dazu kann der durch die Ventilnadel 8, die Na
delaufnahme 10 und die Mutter 11 gebildete hubbewegliche Teil
nur in Axialrichtung verschoben, nicht jedoch verdreht werden.
Eine Verdrehsicherung für den hubbeweglichen Teil wird gebildet
durch einen Zapfen 18, der quer zur Axialrichtung von der
Nadelaufnahme 10 vorspringt und in eine achsparallele
Geradführung in Form eines Schlitzes 19 in einer Wand des
Aufsatzkörpers 2 eingreift. Auf dem Zapfen 18 ist ein Wälzlager
in Form eines Rillenkugellagers 20 aufgesteckt. Der Abstand der
gegenüberliegenden Flanken des Schlitzes 19 ist etwas größer
als der Durchmesser des Außenrings des Rillenkugellagers 20
gewählt. Dadurch ist sichergestellt, daß der Außenring bei
einer Hubbewegung nur an einer der Flanken des Schlitzes 19
anliegt und so an der Flanke abrollen kann. Die so ausgebildete
Verdrehsicherung erlaubt praktisch reibungsfreie Hubbewegungen.
Der Spindel-Mutter-Trieb ist als Kugelumlaufspindel-Trieb
ausgebildet. Dazu ist die Mutter 11 innen und die Spindel 12
außen mit je einer Wendelnut versehen. Im Inneren der Mutter 11
bilden die beiden Wendelnuten einen Wendelgang aus, in dem
Kugeln laufen. Dadurch ist eine kraftschlüssige Verbindung
zwischen Mutter 11 und Spindel 12 in Axialrichtung hergestellt.
Beim Drehen der Spindel 12 findet eine Bewegung der Kugeln
längs des Wendelgangs statt. Die an einem Ende der Mutter 11
aus dem Wendelgang austretenden Kugeln werden in einem (nicht
gezeigten) Kugelrücklaufrohr dem Wendelgang an der anderen
Seite der Mutter 11 wieder zugeführt. Es findet also ein Umlauf
der Kugeln statt.
Auf der der Mutter 11 abgewandten Seite des Pendelkugellagers
13 ist die Spindel 12 über eine Ausgleichskupplung 21 mit der
Antriebswelle 22 eines elektrischen Rotations-Schrittmotors 23
verbunden, der auf der Motorbefestigungsplatte 17 befestigt
ist. Die Ausgleichskupplung 21 dient dem Längenausgleich
zwischen der Antriebswelle 22 und der Spindel 12. Mit dem
Schrittmotor 23 lassen sich genau definierte
Winkelverstellungen der Antriebswelle 22 und damit höchst
genaue Hubeinstellungen der Ventilnadel 8 realisieren.
Gegenüber dem Zapfen 18 ist an der Nadelaufnahme 10 eine quer
zur Axialrichtung gerichtete Schaltfahne 24 angeordnet, die
durch eine längliche Öffnung 25 aus dem Aufsatzkörper 2 ragt.
Außen am Aufsatzkörper 2 sind zwei übereinanderliegende
Endlagenschalter 26, 27 vorgesehen. Schaltknöpfe der
Endlagenschalter 26, 27 sind so in der Bewegungsbahn der
Schaltfahne 24 angeordnet, daß die Schalter 26, 27 von der
Schaltfahne 24 betätigt werden können. Der unteren Endlagen
schalter 26 bzw. der obere Endlagenschalter 27 wird betätigt,
wenn die Ventilnadel 8 die vollständig geschlossene bzw.
maximal geöffnete Position erreicht. Die Endlagenschalter 26,
27 sind elektrisch mit einer (nicht gezeigten) Steuerung für
den Schrittmotor 23 verbunden.
Integriert im Grundkörper 1 sind ein Druckfühler 28 und ein
Temperaturfühler 29 angeordnet. Der Druckfühler 28 liegt in der
Ableitung 5, also hinter dem Ventil, während der Tempe
raturfühler 29 in der Zuleitung, also vor dem Ventil liegt. Der
Druckfühler 28 wird gebildet durch eine einseitig vom Druck des
Fluids beaufschlagte Metallmembran, die auf der anderen Seite
mit Dehnungsmeßstreifen versehen ist. Der Temperaturfühler 29
steht im thermischen Kontakt mit dem Fluid und wird durch einen
Thermistor gebildet. Beide Fühler 28, 29 sind elektrisch mit
der Steuerung des Schrittmotors 23 verbunden.
Einstückig mit dem Grundkörper 1 ist eine Rücksaugvorrichtung
30 vorgesehen. Die Rücksaugvorrichtung 30 wird gebildet durch
ein Stellelement in Form eines Pneumatikzylinders 31 und einen
Rücksaugraum 32. Der Rücksaugraum 32 ist zylindrisch und
kommuniziert an einer Stirnseite mit der Ableitung 5. Die
andere Stirnseite des Rücksaugraums 32 ist verschiebbar
ausgeführt und bildet so einen Rücksaugkolben 33. Durch
Verschieben des Rücksaugkolbens 33 kann das Volumen des
Rücksaugraums 32 verändert werden.
Die Verschiebung des Rücksaugkolbens 33 wird durch den Pneu
matikzylinder 31 vermittelt. Der Pneumatikzylinder 31 ist ein
einfach wirkender Zylinder mit einem Kolben 34, dessen eine
Seite mit der Atmosphäre verbunden und permanent von einer
Schraubenfeder 35 beaufschlagt ist, und dessen andere Seite mit
Druckluft beaufschlagbar ist. Der Kolben 34 ist einstückig mit
einer einseitigen Kolbenstange 36 verbunden, die sich vom
Kolben 34 zu dessen federbeaufschlagten Seite erstreckt und
durch eine Bohrung 37 aus dem Zylinder 31 reicht.
Das dem Kolben 34 abgewandte Ende der Kolbenstange 36 bildet
den Rücksaugkolben 33. Der Durchmesser des Rücksaugraums 32 ist
geringfügig größer als der Durchmesser der Kolbenstange 36. Der
Rücksaugraum 32 ist gegen den Zylinder 31 durch eine
feststehende Dichtung 38 abgedichtet, die die Kolbenstange 36
ringförmig umfaßt.
Bei anderen Ausführungsformen wird der Rücksaugkolben 33 durch
einen am Ende der Kolbenstange 36 befestigten Stempel gebildet,
der einen größeren Durchmesser als die Kolbenstange 36
aufweist. Entsprechend vergrößert ist dann der Durchmesser des
Rücksaugraums 32 und die bei einer Bewegung des Kolbens 34
rückgesaugte Fluidmenge.
An dem dem Rücksaugraum 32 abgewandten Ende des Pneumatik
zylinders 31 ist ein einstellbarer Anschlag für die
Kolbenstange 36 in Form einer Stellschraube 39 vorgesehen, die
durch einen Zylinderdeckel 40 nach außen geführt ist. Mit der
Stellschraube 39 kann die Ruhestellung des Kolbens 34 (d. h.
diejenige Stellung, die der Kolben 34 ohne Druckluftbeauf
schlagung einnimmt) eingestellt werden.
Das Regelventil kann wie folgt verwendet werden: Zum Auftragen
einer Fluidraupe vorgegebener Form und Dicke auf ein Werkstück
(z. B. einer Klebstoffraupe auf ein Metallblech) wird das
Regelventil an einem Arm eines Industrieroboters befestigt. Der
Zuleitung 3 wird das auf zutragende Fluid unter hohem Druck
(z. B. durch eine Hochdruckpumpe) zugeführt. Auf die
Dosierdüsenaufnahme 7 ist eine Dosierdüse aufgesetzt. Der
Schrittmotor 23, der Druckfühler 28, der Temperaturfühler 29,
die Endlagenschalter 26, 27 und ein mit dem Pneumatikzylinder
31 kommunizierendes Wegeventil für Druckluft (nicht gezeigt)
sind mit einem Steuerrechner verbunden. Außerdem ist der
Roboter mit dem Steuerrechner verbunden.
Der Roboter fährt rechnergesteuert längs der vorgegebenen
Raupenbahn das Werkstück ab, und zwar derart, daß die Do
sierdüse in geringerem Abstand über das Werkstück geführt wird.
Dabei bewegt sich der Roboterarm im allgemeinen nicht mit
konstanter Geschwindigkeit über das Werkstück, sondern erreicht
in geraden Abschnitten relativ hohe Geschwindigkeiten, und
bremst vor größeren Richtungsänderungen (z. B. an den Ecken des
Werkstücks) ab.
In Abhängigkeit von der Solldicke der Raupe und der Ge
schwindigkeit des Roboters an der jeweiligen Stelle der Rau
penbahn muß ein bestimmtes Fluidvolumen pro Zeiteinheit aus der
Dosierdüse austreten. Der Zusammenhang zwischen dem aus
tretenden Fluidvolumen pro Zeiteinheit und dem Fluiddruck in
der Ableitung 5 ist für verschiedene auftretende
Fluidtemperaturen in dem Steuerrechner gespeichert (z. B. in
Form einer Tabelle). Außerdem gespeichert ist die Solldicke der
Raupe längs der Raupenbahn. Der Steuerrechner errechnet an je
der Stelle der Raupenbahn aus der Solldicke der Raupe, der
momentanen Relativgeschwindigkeit zwischen Dosierdüse und
Werkstück und der momentanen Temperatur des Fluids einen
Solldruck des Fluids in der Ableitung 5. Weicht der mit dem
Druckfühler 28 gemessene Istdruck des Fluids von diesem
Solldruck ab, so veranlaßt der Steuerrechner eine Verstellung
des Schrittmotors 23 und damit der Stellung der Ventilnadel 8,
die dieser Abweichung entgegenwirkt, und zwar so lange, bis die
Abweichung verschwindet. Es liegt also eine rückgekoppelte
Regelung des Fluiddrucks in der Ableitung 5 vor.
Durch Voreinstellung der Ventilnadel 8 können die auftretenden
Regelabweichungen (d. h. die Differenzen zwischen Ist- und
Solldruck) verkleinert und dadurch das Ausregeln dieser
Abweichungen beschleunigt werden. Dazu ist in dem Steuerrechner
zusätzlich der Zusammenhang zwischen Fluiddruck in der
Ableitung 5 und der Stellung der Ventilnadel 8 in einer
angenäherten Form gespeichert. Damit kann das Ventil an jeder
Stelle der Raupenbahn zunächst schnell in eine Stellung
gebracht werden, die der richtigen Stellung sehr nahe kommt.
Die richtige Stellung wird dann, wie oben beschrieben, mit
Hilfe der rückgekoppelten Druckregelung gefunden. Durch diese
Voreinstellung treten nur noch sehr kleine Regelabweichungen
auf.
Während des Auftragens einer Fluidraupe ist der Pneumatikzylinder 31
permanent druckluftbeaufschlagt. Der Kolben 34 ist
dann (in Fig. 1) nach links verschoben, die Schraubenfeder 35
ist komprimiert. Das Volumen des Rücksaugraums 32 ist dann
minimal. An einem Raupenende wird das Nadelventil in die
vollständig geschlossene Position gebracht. Um ein Nachtropfen
des Fluids oder ein Fadenziehen zu vermeiden, wird unmittelbar
nach dem Schließen des Nadelventils die Druckluftbeaufschlagung
des Pneumatikzylinders 31 abgenommen. Dadurch verschiebt sich
der Kolben 34 unter der Spannung der Feder 35 nach rechts, bis
die Kolbenstange 36 an die Stellschraube 39 anschlägt. Dadurch
wird das Volumen des Rücksaugraums 32 schlagartig vergrößert.
Das in der Ableitung 5 und der Dosierdüse nach dem Schließen
des Nadelventils befindliche Fluid wird ganz oder teilweise in
den Rücksaugraum 32 gesaugt, wodurch ein Nachtropfen oder
Fadenziehen verhindert wird. Bei der Fortsetzung des
Raupenauftrags wird der Kolben 34 langsam wieder in die
Stellung gebracht, bei der das Volumen des Rücksaugraums 32
minimal ist.
Claims (17)
1. Regelventil zum Dosieren eines Fluids, bei dem der
Strömungsweg für das Fluid durch eine Zuleitung, einen
Ventilsitz und eine Ableitung gebildet wird und ein mit
dem Ventilsitz zusammenwirkendes Verschlußstück in Form
einer konischen Ventilnadel vorgesehen ist, das mit
Hilfe eines Antriebs kontinuierlich axial zum Ventil
sitz zwischen einer vollständig verschlossenen und
einer maximal geöffneten Position verschiebbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Antrieb ein Rotationsschrittmotor (23) ist und
ein eine Dreh- in eine Hubbewegung umsetzender Spindel-
Mutter-Trieb (11, 12) vorgesehen ist, der einerseits
mit dem Rotationsschrittmotor (23) und andererseits mit
der Ventilnadel (8) verbunden ist.
2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spindel (12) des Spindel-Mutter-Triebs (11, 12)
mit dem Schrittmotor (23) verbunden und dreh-, aber
nicht hubbeweglich ist, und
die Mutter (11) des Spindel-Mutter-Triebs (11, 12) mit
der Ventilnadel (8) verbunden und hub-, aber nicht
drehbeweglich ist.
3. Regelventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Mutter-Spindel-Trieb (11, 12)
als Kugelumlaufspindel-Trieb ausgebildet ist.
4. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Spindel (12) in
einem Gehäuse (1, 2) des Regelventils mindestens ein
Pendelkugellager (20) oder ein Pendelrollenlager
vorgesehen ist.
5. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mutter (11) einstückig mit
einem im wesentlichen zylinderförmigen Ventilnadel-Auf
nahmeelement (10) ausgebildet ist, das axial in einer
zylindrischen Gleitführung (9) im Gehäuse (1, 2) ge
führt ist.
6. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mutter (11) oder das Ventilna
del-Aufnahmeelement (10) zur Verdrehsicherung der Mut
ter (11) einen Zapfen (18) aufweist, der in eine achs
parallel verlaufende, im Gehäuse (1, 2) ausgeführte Ge
radführung (19) eingreift.
7. Regelventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß auf dem Zapfen (18) ein Wälzlager (20) angeordnet
ist, und
die Geradführung (19) als Nut oder Schlitz im Gehäuse
(1, 2) ausgebildet ist, wobei der Abstand der Flanken
der Geradführung (19) etwas größer als der Außendurch
messer des Außenrings des Wälzlagers (20) ist.
8. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen einer Antriebswelle (22)
des Rotationsschrittmotors (23) und der Spindel (12)
eine Ausgleichskupplung (21) vorgesehen ist.
9. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Ableitung (5) im Gehäuse
(1, 2) integriert ein Druckfühler (28) vorgesehen ist.
10. Regelventil nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeich
net, daß an der Zuleitung (3) oder der Ableitung (5)
im Gehäuse (1, 2) integriert ein Temperaturfühler (29)
vorgesehen ist.
11. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mutter (11) oder das Ventilna
del-Aufnahmeelement (10) eine im wesentlichen quer zur
Axialrichtung gerichtete Schaltfahne (24) aufweist, und
zwei mit der Schaltfahne (24) zusammenwirkende Endla
genschalter (26, 27) vorgesehen sind, wobei die Schalt
fahne (24) mit einem der Schalter (26) in der vollstän
dig geschlossenen Position, und mit dem anderen Schal
ter (27) in der maximal geöffneten Position in Anlage
kommt.
12. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß eine mit dem Regelventil ein
stückige Rücksaugvorrichtung (30) vorgesehen ist, die
ein Stellelement (31) und einen mit der Ableitung (5)
kommunizierenden Rücksaugraum (32) umfaßt, dessen
Volumen mit Hilfe des Stellelements (31) veränderbar
ist.
13. Regelventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß das Stellelement (31) durch einen Fluidzylinder (31) mit einem Kolben (34) und einer mit dem Kolben (34) einstückigen Kolbenstange (36) gebildet wird, der Rücksaugraum (32) im wesentlichen zylinderförmig ist, und das dem Kolben (34) abgewandte Ende der Kolbenstange (36) oder ein mit diesem Ende verbundener Stempel einen in dem Rücksaugraum (32) verschiebbaren Rücksaugkolben (33) bildet.
daß das Stellelement (31) durch einen Fluidzylinder (31) mit einem Kolben (34) und einer mit dem Kolben (34) einstückigen Kolbenstange (36) gebildet wird, der Rücksaugraum (32) im wesentlichen zylinderförmig ist, und das dem Kolben (34) abgewandte Ende der Kolbenstange (36) oder ein mit diesem Ende verbundener Stempel einen in dem Rücksaugraum (32) verschiebbaren Rücksaugkolben (33) bildet.
14. Regelventil nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fluidzylinder (31) als einfach
wirkender Zylinder ausgebildet ist, dessen Kolben (34)
auf einer Seite von einer Feder beaufschlagt ist, und
auf der anderen Seite mit Druckfluid beaufschlagbar
ist.
15. Regelventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das Volumen des Rücksaugraums (32) in Ruhestellung
des Kolbens (34) maximal ist.
16. Regelventil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ruhestellung des Kolbens (34) mit Hilfe eines
einstellbaren Anschlags (39) justierbar ist.
17. Regelventil nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der Fluidzylinder (31) als doppelt
wirkender Zylinder ausgebildet ist.
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---|---|---|---|
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ID=6460021
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