DE10011947A1

DE10011947A1 - Vorrichtung zur Energiereduzierung und Verbesserung der Dynamik an pneumatischen Anlagen

Info

Publication number: DE10011947A1
Application number: DE10011947A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Koehler; Wolfgang Nendel; Eberhard Zipplies; Gert Rosenbaum
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-11
Filing date: 2000-03-11
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, energiereiche Abluft nicht an die Atomsphäre 21 abzugeben, sondern zum Abbremsen des Kolbens 2 zu verwenden und des Weiteren diese Abluft zu speichern und für den Druckhub einzusetzen. Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein pneumatischer Arbeitszylinder, bestehend aus Kolbenstange 1 mit Kolben 2, Zylinderrohr 3 sowie Kolbenboden 4 und Zylinderdeckel 5 dadurch gekennzeichnet ist, dass um das Zylinderrohr 3 ein Außenrohr 6 angeordnet ist, welches einen Speicheranschluss 8 aufweist, wobei zwischen Kolbenstangenanschluss 7 und Speicheranschluss 8 ein Wegeventil 10 angeordnet ist und zwischen Speicheranschluss 8 und Druckluftquelle 16 ein Rückschlagventil 11 und ein Druckminderventil 13 angeordnet sind. Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass die Abluft beim Verfahren des Antriebes in einen Speicher verdrängt wird und dadurch ein sanftes Abbremsen des Antriebes möglich ist. Diese gespeicherte Abluft wird für die Einfahrbewegung genutzt, wodurch 50% Energie eingespart werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Speicher als auch die erforderliche Ventiltechnik am Antrieb integriert sind.

Description

Technisches Problem der Erfindung

Nach DE OS 28 23 041 ist ein Verfahren bekannt, wobei ein pneumatischer Arbeitszy linder mit zwei Druckstufen arbeitet. Dabei erfolgt die Ausfahrbewegung unter ho hem Druck. Bei der Einfahrbewegung erfolgt zuerst ein Zuschalten eines Mitteldruck reservoirs, so dass ein Teil der Druckenergie aus dem Arbeitszylinder von diesem auf genommen wird. Dem schließt sich das Absperren des Mitteldruckreservoirs und die Entlüftung des Pneumatikzylinders an die Atmosphäre an. Aus dem Mitteldruckreser voir können andere pneumatische Verbraucher mit reduziertem Betriebsdruck durch getrennte Baueinheiten betrieben werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass zwei Reservoirs (Hochdruck und Mitteldruck) benötigt werden und nur ein Teil der Druckenergie, die sich im Arbeitszylinder in ausgefahrener Stellung befindet, rückgewonnen werden kann. Des Weiteren ist das Verfahren nur anwendbar auf einfach wirkende Pneumatikzylinder.

Nach DE OS 29 15 620 ist ein Verfahren zur Vermeidung des Energieverlustes in Form einer verlorenen Druckluftmenge bei pneumatischen Kolbenantrieben bekannt. Da bei wird der Kolbenstangenraum eines Pneumatikzylinders beim Ausfahren nicht voll ständig entlüftet, so dass sich ein Druckpolster aufbauen kann, welches den Rückhub unterstützt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass der Arbeitszylinder nie seinen vollen Hub ausführen kann. Des Weiteren ist das Verfahren nur anwendbar unter Verwendung eines pneumohydraulischen Druckübersetzers und eines Hydraulikzylin ders. Die Erfindung ist auf die Antriebsprobleme des allgemeinen Maschinenbaus nicht anwendbar und bleibt wenigen Spezialgebieten, z. B. Pressenantrieben, vorbe halten. Weiterhin nachteilig ist, dass nur ein Teil der Druckluftenergie für den Rückhub gespeichert werden kann.

Nach DE OS 32 33 739 ist eine Einrichtung für das selbständige Rückstellen eines Stellzy linders bekannt. Dabei ist an der Kolbenstangenseite eines doppelt wirkenden pneumatischen Arbeitszylinders ein Druckspeicher angeordnet, der seinerseits über ein Druckbegrenzungsventil, ein Rückschlagventil, eine Drossel und ein Wegeventil mit der Druckluftquelle verbindet. In der eingefahrenen Stellung des Zylinders wird der Speicher mit dem am Druckbegrenzungsventil eingestellten Speicherdruck ge füllt. Beim Ausfahren des Arbeitszylinders erfolgt ein Verdrängen der Luft des Kolben stangenraums in den Speicher, wodurch es zum Druckanstieg im Speicher kommen müsste. Da der Druckspeicher jedoch mit dem Druckbegrenzungsventil permanent verbunden ist, kann die beim Ausfahren des Zylinders geleistete Kompressionsarbeit nicht gespeichert werden und wird an die Umgebung abgegeben. Nachteilig bei dieser Erfindung ist, dass die Energie, die für den Rückhub notwendig ist, ständig aus dem Druckluftnetz entnommen werden muss, so dass keine wesentlichen Energieein sparungseffekte erzielt werden können. Weiterhin nachteilig ist, dass der Antrieb ge gen eine konstante Gegenkraft, resultierend aus Speicherdruck und Kolbenringflä che, arbeiten muss.

Somit ist nur ein Verfahrverhalten erzielbar, was dem konventionellen (Einsatz von Drosselrückschlagventilen) Pneumatikantrieben entspricht. Das bedeutet, eine we geabhängige Abbremsung des Antriebes ist nicht möglich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung als eine Baueinheit zu schaffen, die in der Lage ist, die Energie, die für den Rückhub eines Pneumatikzylinders erforderlich ist, bei der Ausfahr- oder Einfahrbewegung zu speichern und somit eine Energieeinspa rung von ca. 50% bei Beibehaltung der abgegebenen mechanischen Leistung des Antriebes zu erreichen.

Weiterhin soll die Vorrichtung zu einer Verbesserung des dynamischen Verfahrverhal tens des Antriebes beitragen.

Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe

Die technische Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Antriebssystem zu schaffen, das in der Lage ist, in einer Bewegungsrichtung die Abluft nicht an die At mosphäre abzugeben, sondern zu speichern und dieses Energiepotential für den vollständigen Rückhub zu nutzen. Dadurch wird eine Energieeinsparung von ca. 50% erreicht, und durch die Proportionalität zwischen Zylinderhub und Abluftdruck erfolgt eine Verbesserung der Dynamik. Dabei werden zu Beginn der Bewegung in Folge eines geringen Gegendruckes hohe Beschleunigungen erreicht. Da dieser Druck je doch wegproportional ansteigt, erfolgt im späteren Verlauf der Bewegung eine Ver zögerung, so dass der Antrieb sanft in seine Endlage einfährt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise aus, da alle erforderlichen Elemente am Antrieb, bestehend aus Kolbenstrang (1), Kolben (2), Zylinderrohr (3), Außenrohr (6), Zylinderboden (4) und Zylinderdeckel (5) befestigt bzw. integriert sind. Hierbei bildet das Außenrohr (6) mit dem Zylinderrohr (3) ein abgeschlossenes Volumen, welches als Speichervolumen (18) dient. Die erfindungsgemäße Vorrich tung arbeitet nach folgendem Regime. Durch Zuschalten der Druckluftquelle (16) erfolgt ein Sperren des Rückschlagventils (12), so dass die Druckluft über das Druck minderventil (13), mit dem der Speichervordruck eingestellt wird, das Rückschlagven til (11) und den Speicheranschluss (8) in das Speichervolumen (18) sowie über das Wegeventil (10) und den Kolbenstangenanschluss (7) in das Kolbenstangenvolumen (19) gelangt. Da das Kolbenvolumen (20) über den Kolbenanschluss (9), das Dros selrückschlagventil (14) und das Wegeventil (15) mit der Atmosphäre (21) verbunden ist, fährt der Kolben (2) mit Kolbenstange (1) ein. Durch Umsteuern des Wegeventils (15) wird der Kolben (2) über das Drosselrückschlagventil (14) und den Kolbenan schluss (9) mit Druckluft beaufschlagt. Da der im Kolbenstangenvolumen herr schende Druck, der durch das Druckminderventil (13) eingestellt wurde, niedriger ist als der Betriebsdruck, fährt der Kolben (2) mit Kolbenstange (1) aus. Dabei wird die Druckluft aus dem Kolbenstangenvolumen (19) über den Kolbenstangenanschluss (7), das Wegeventil (10) und den Speicheranschluss (8) in das Speichervolumen (18) verdrängt. Somit erfolgt ein ständiger Druckanstieg während der Ausfahrbewegung des Kolbens (1) im Speichervolumen (18) und im Kolbenstangenvolumen (19). Dies führt dazu, dass der Kolben (1) vor Erreichen seiner Endlage abgebremst wird. Ist der Kolben (2) mit der Kolbenstange (1) vollständig ausgefahren, herrschen im Kolben volumen (20) und im Speichervolumen (18) sowie im Kolbenstangenvolumen (19) annähernd gleiche Druckverhältnisse. Dies bedeutet, dass die Kolbenstange (1) nur geringe Kräfte abgeben kann. Um diesen Mangel zu beseitigen, wird im ausgefahre nen Zustand des Kolbens (2) das Kolbenstangenvolumen (19) durch Umsteuern des Wegeventils (10) an die Atmosphäre (21) gelegt, so dass der Kolben (2) mit der Kol benstange (1) seine volle Kraft entwickeln kann. Da in dieser Phase das Kolbenstan genvolumen (19) ein Minimum angenommen hat, wird nur eine geringe Menge pneumatischer Energie an die Atmosphäre (21) abgegeben. Soll der Kolben (2) mit Kolbenstange (1) einfahren, ist das Wegeventil (10) wieder umzusteuern, so dass das Speichervolumen (18) mit dem Kolbenstangenvolumen (19) verbunden ist. Durch Umsteuern des Wegeventils (15) erfolgt die Entlüftung des Kolbenvolumens (20) über den Kolbenanschluss (9), das Drosselrückschlagventil (14) sowie das Wegeventil (15). In diesem Zustand, also beim Beginn der Einfahrbewegung, wirkt auf den Kolben (2) der maximale Speicherdruck, so dass zum Bewegungsbeginn analog zum Ausfahren hohe Beschleunigungswerte erreicht werden. Da dieser Druck wegproportional ab nimmt, erfolgt ein sanftes Erreichen der Endlage im eingefahrenen Zustand. Ist diese erreicht, ist der Druck im Speichervolumen (18) und im Kolbenstangenvolumen (19) auf das Niveau abgesunken, welches am Druckminderventil (13) eingestellt ist. Auf tretende innere Leckage bzw. Abgabe geringer Energiemengen über das Wegeven til (10) an die Atmosphäre (21) werden bei eingefahrenem Kolben (2) durch das Druckminderventil (13) und Rückschlagventil (11) ergänzt. Da Druckluft aus der Druckluftquelle (16) nur über das Druckminderventil (13) und das Rückschlagventil (11) in Richtung Speicheranschluss (8) bzw. Kolbenstangenanschluss (7) gelangt, er folgt keine vollständige Ausnutzung der Regelfunktion des Druckminderventils (13). Aus diesem Grund kann das Rückschlagventil (11) und das Druckminderventil (13) durch ein einstellbares Druckschaltventil (17) ersetzt werden. Soll der Antrieb abge schaltet werden, ist er von der Druckluftquelle (16) zu trennen, somit kann auch das Speichervolumen (18) über das Rückschlagventil (12) entlüften. Da das Verfahrver halten des Kolbens (2) wesentlich durch das Speichervolumen (18) beeinflusst wird, ist zwischen Außenrohr (6) und Zylinderrohr (3) ein Zwischenkolben (22) angeordnet. Mit Hilfe eines Verstellelementes (23) kann dieser verschoben werden, so dass das Spei chervolumen (18) hinsichtlich seiner Größe variiert werden kann.

Da es pneumatische Antriebsprobleme zu lösen gilt, bei denen nicht die Energieein sparung im Vordergrund steht, sondern an die Dynamik hohe Anforderungen in bei den Bewegungsrichtungen gestellt werden, kann die Vorrichtung in folgender Art und Weise ausgeführt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, dass wahlweise das Kolbenstangenvolumen (19) oder das Kolbenvolumen (20) beim Verfahren des Kol bens (2) in das Speichervolumen (18) verdrängt wird. Zu diesem Zweck ist ein Wege ventil (24), welches den Speicheranschluss (8) wahlweise mit dem Kolbenstangenan schluss (7) oder dem Kolbenanschluss (9) verbindet, angeordnet. Des Weiteren ist es erforderlich, dass dem nicht über das Wegeventil (24) mit dem Speicheranschluss (8) verbundenen Kolbenanschluss (9) oder Kolbenstangenanschluss (7) Druckluft aus der Druckluftquelle (16) zugeführt werden muss. Dazu dient das Zuschaltventil (26). Fol gende Wirkungsweise wird durch die Vorrichtung erzielt. Nach Anlegen der Druck luftquelle (16) werden die Rückschlagventile (12) gesperrt und über das Druckschalt ventil (17) das Speichervolumen (18) und das Kolbenstangenvolumen (19) mit Vor druck beaufschlagt. Soll der Kolben (2) ausfahren, ist das Zuschaltventil (26) in Schalt stellung 1 zu schalten, wodurch das Kolbenvolumen (20) mit Druckluft beaufschlagt wird. Somit fährt Kolben (2) mit Kolbenstange (1) aus und verdrängt das Kolbenstan genvolumen (19) in das Speichervolumen (18). Ist diese Bewegung abgeschlossen, erfolgt das Durchschalten des Ablassventils (25), so dass das Speichervolumen (18) über Druckschaltventil (27) an die Atmosphäre (21) bis auf Speichervordruck entlüftet und der Kolben (2) seine maximale Kraft entwickeln kann. Soll der Kolben (2) wieder einfahren, schaltet das Zuschaltventil (26) zuerst in Position 0 und das Wegeventil (24) wird umgeschaltet, so dass das Kolbenvolumen (20) über das Ablassventil (25) und das Druckschaltventil (27) auf Speichervordruck entlüften kann. Ist dies erfolgt, wird das Ablassventil (25) gesperrt und das Zuschaltventil (26) in Schaltposition 2 geschal tet, so dass der Kolbenstangenanschluss (7) mit Druckluft beaufschlagt wird und der Kolben (2) einfährt, wobei das Kolbenvolumen (20) in das Speichervolumen (18) ver drängt wird. Ist die eingefahrene Position erreicht, erfolgt das Durchschalten des Ablassventils (25) und das Speichervolumen (18) wird wieder auf Speichervordruck entspannt. Vor dem erneuten Ausfahren des Kolbens (2) ist das Wegeventil (24) wie der in Grundstellung zu schalten, so dass das Kolbenstangenvolumen (19) ebenfalls auf Speichervordruck entspannt werden kann. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, wird das Ablassventil (25) wieder gesperrt und durch Schalten des Zuschaltventils in Schaltposition Aus erfolgt ein erneutes Ausfahren des Kolbens (2). Soll die Vorrichtung still gelegt werden, ist die Druckluftquelle (16) abzukoppeln, und das Kolbenvolumen (20), das Kolbenstangenvolumen (19) und das Speichervolumen (18) entlüften über die Rückschlagventile (12).

Anwendungsgebiete

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich über die gesamte Pneumatik, insofern pneumatische Aktuatoren zum Einsatz kommen. Besonders zweckmäßig ist die Vorrichtung anwendbar, wenn Arbeitszylinder mit großem Hub und großer Kol benfläche zum Einsatz kommen bzw. die Antriebe stark massebehaftet sind. In jedem der Einsatzfälle können ca. 50% der erforderlichen pneumatischen Energie einge spart werden. Dies ist für die technische Nutzung besonders interessant, da es sich bei Druckluft um einen sehr teuren Energieträger handelt, was auf den schlechten Wirkungsgrad, ca. 30% bei dessen Herstellung, zurückzuführen ist. Durch die Möglich keit, durch Variation des Speichervordruckes und des Speichervolumens die Dynamik der Antriebe zu beeinflussen, können völlig neue Einsatzgebiete für pneumatische Antriebe erschlossen werden, wobei die Nenngrößen der Antriebe verringert werden können. Das geht einher mit einer Einsparung an installierter pneumatischer Leistung als auch der Schaffung günstiger Konstruktionsverhältnisse, da die Antriebe einen kleineren Bauraum einnehmen.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 Vorrichtung unter Verwendung eines Druckminderventils 13 und eines Rück schlagventils 13

Fig. 2 Vorrichtung unter Verwendung eines Druckschaltventils 17

Fig. 3 Vorrichtung mit einstellbarem Speichervolumen 18

Fig. 4 Vorrichtung mit doppelt wirkendem Speichervolumen 18

Erfindungsgemäß ist an einem pneumatischen Arbeitszylinder, bestehend aus Kol benstange 1, Kolben 2, Zylinderrohr 3, Zylinderdeckel 5 und Zylinderboden konzen trisch ein Außenrohr 6 angeordnet. Hierbei bildet das Außenrohr 6 mit dem Zylinder rohr 3 ein abgeschlossenes Volumen, welches als Speichervolumen 18 dient. Die An ordnung verfügt über einen Kolbenstangenanschluss 7, einen Speicheranschluss 8 und einen Kolbenanschluss 9. Durch den Kolben 2, das Zylinderrohr 3, das Außenrohr 6 sowie den Zylinderdeckel 5 und Zylinderboden 4 werden das Speichervolumen 18, das Kolbenstangenvolumen 19 und das Kolbenvolumen 20 umschlossen. Um das Kolbenvolumen 20 mit Druckluft beaufschlagen zu können, ist die Druckluftquelle 16 über das Wegeventil 15 mit Verbindung zur Atmosphäre 21 sowie dem Drosselrück schlagventil 15 und Kolbenanschluss 9 verbunden. Des Weiteren ist die Druckluft quelle 16 über das Druckminderventil 13 und das Rückschlagventil 1 l mit dem Spei cheranschluss 8 und über das 3/2-Wegentil 10 mit dem Kolbenstangenanschluss 7 verbunden. Um eine Entlüftung des Speichervolumens 18 bei abgetrennter Druck luftquelle 16 erreichen zu können, ist das Rückschlagventil 12 parallel zum Rück schlagventil 11 und Druckminderventil 13 angeordnet. In einem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rückschlagventil 11 und das Druckreduzierventil 13 durch das Druckschaltventil 17 ersetzt. Diese Anordnung ist im Vergleich zur Ausführung in Fig. 1 zulässig, da die Druckluft immer nur in einer Richtung, nämlich von der Druck luftquelle 16 zum Rückschlagventil 11, fließt.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit variablem Speichervolumen dar gestellt. Zu diesem Zweck ist zwischen Außenrohr 6 und Zylinderrohr 3 ein Zwischen kolben 22 angeordnet, der mit Hilfe eines Verstellelementes 23 in axialer Richtung verschoben werden kann.

In Fig. 4 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Art dargestellt, dass in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens 2 gegen das Speichervolumen 18 gearbeitet wird. Dabei zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass zwischen Speicheran schluss 8 und Kolbenstangenanschluss 7 sowie Kolbenanschluss 9 ein Wegeventil 24 angeordnet ist. Des Weiteren befinden sich zwischen Speicheranschluss 8 und Atmo sphäre 21 ein Entlüftungsventil 25 und ein Druckschaltventil 27. Die Druckluftquelle 16 ist über das Zuschaltventil 26 mit dem Kolbenstangenanschluss 7 und dem Kolbenan schluss 9 verbunden. Des Weiteren ist zwischen dem Speicheranschluss 8 und der Druckluftquelle 16 das Druckschaltventil 17 angeordnet. 1 Kolbenstange
2 Kolben
3 Zylinderrohr
4 Zylinderboden
5 Zylinderdeckel
6 Außenrohr
7 Kolbenstangenanschluss
8 Speicheranschluss
9 Kolbenanschluss
10 Wegeventil
11 Rückschlagventil
12 Rückschlagventil
13 Druckminderventil
14 Drosselrückschlagventil f
15 Wegeventil
16 Druckluftquelle
17 Druckschaltventil
18 Speichervolumen
19 Kolbenstangenvolumen
20 Kolbenvolumen
21 Atmosphäre
22 Zwischenkolben
23 Verstellelement
24 Wegeventil
25 Ablassventil
26 Zuschaltventil
27 Druckschaltventil

Claims

1. Pneumatischer Arbeitszylinder beliebiger Bauart zur Energieeinsparung und Verbes serung der Dynamik, vorzugsweise bestehend aus der Kolbenstange (1 j mit Kolben (2), Zylinderrohr (3) sowie Zylinderboden (4) und Zylinderdeckel (S), dadurch gekenn zeichnet, dass um das Zylinderrohr (3) ein Außenrohr (6) angeordnet ist, welches ei nen Speicheranschluss (8) aufweist, wobei zwischen Kolbenstangenanschluss (7) und Speicheranschluss (8) ein Wegeventil (10) angeordnet ist und zwischen Speicheran schluss (8) und Druckluftquelle (16) sich das Rückschlagventil (11) sowie das Druck minderventil (13) befinden und vorzugsweise parallel zum Rückschlagventil (11) und Druckminderventil (13) ein Rückschlagventil (12) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (6) ei nen beliebigen Querschnitt aufweisen kann und vorzugsweise konzentrisch zur Kol benstange (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wegeventil (10) zwischen Kolbenanschluss (9) und Speicheranschluss (8) und ein Drosselrückschlag ventil (14) zwischen Wegeventil (15) und Kolbenstangenanschluss (7) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Rück schlagventil (12) und an Stelle des Rückschlagventils (11) und Druckminderventil (13) ein Druckschaltventil (17) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (10) nicht zwischen dem Speicheranschluss (8) und dem Kolbenstangen anschluss (7) bzw. Kolbenanschluss (9) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegeventil (10), das Rückschlagventil (12), das Druckminderventil (13) oder wahlweise das Druck schaltventil (17) am Außenrohr (6) angeordnet bzw. im Zylinderboden (4) oder im Zylinderdeckel (5) integriert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Realisierung der Vorrichtung erforderlichen Elemente, Außenrohr (6) und Zylinderrohr (3), einstü ckig ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Außenrohr (6) und Zylinderrohr (3) ein über ein Verstellelement (23) in Wechselwirkung stehender Zwischenkolben (22) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Speicheranschluss (8) ein Wegeventil (24) angeordnet ist, welches seinerseits mit dem Kolbenanschluss (9) und dem Kolbenstangenanschluss (7) sowie dem Ablassventil (25) und dem Zu schaltventil (26) in Wechselwirkung steht.