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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines pneumatischen Antriebs, wobei ein Arbeitsraum in einem Gehäuse des Antriebs über eine Druckleitung mit einem Druckspeicher unter einem Netzdruck verbunden und dadurch ein in dem Gehäuse beweglich gelagerter Kolben, der den Arbeitsraum begrenzt, ausgehend von einer Startlage zu einem Anschlag bewegt wird, bis der Kolben den Anschlag erreicht, sowie einen pneumatischen Antrieb mit einem Gehäuse, einem Arbeitsraum in dem Gehäuse, einer Druckleitung, über die der Arbeitsraum mit einem Druckspeicher unter einem Netzdruck verbindbar ist, und mit einem in dem Gehäuse zwischen einer Startlage und einem Anschlag beweglich gelagerten Kolben, der den Arbeitsraum begrenzt.
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Pneumatische Antriebe mit axial beweglichem Kolben gehören zur Ordnung der Druckmittelgetriebe, die mit Hilfe eines nur auf Druck beanspruchbaren Mediums eine Bewegung vom Antrieb zum Abtrieb. Ein Gas (insbesondere Luft) als Medium wirkt unter einem Druck oberhalb des Umgebungsdrucks auf das als Kolben ausgeführte Antriebsglied ein und verschiebt dieses in einem zylindrischen Gehäuse in axialer Richtung. Bei der Untergruppe der Schwenkantriebe ist das Abtriebsglied eine rotierbare Welle, wobei jede axiale Verschiebung des Kolbens in dem Gehäuse unmittelbar eine Rotation der Abtriebswelle bewirkt.
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Pneumatische Antriebe der vorgenannten Art mit einstellbaren Start- und/oder Endlagen sind allgemein bekannt aus der Doppelkolben-Produktreihe „actubar” der Anmelderin. Die bekannten Schwenkantriebe weisen zwischen Startlage und Anschlag der Abtriebswelle einen Nenn-Schwenkwinkel von 90°, in Sonderausführungen auch andere Winkel (z. B. 180°) auf.
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In den bekannten Schwenkantrieben schlägt ein auf der Abtriebswelle montierter Anschlagnocken in der Startlage und im Anschlag an Anschlagflächen an, die jeweils an der Spitze von zwei als Stellelemente fungierenden Einstellschrauben ausgebildet sind. Die Köpfe der Einstellschrauben sind von der Außenseite des Gehäuses zugänglich, die Einstellschrauben werden jeweils mit einer an der Außenseite anliegenden Kontermutter gesichert. Durch Ein- oder Ausdrehen der Einstellschrauben kann der Nenn-Schwenkwinkel an der Startlage und am Anschlag stufenlos jeweils um 10° vermindert oder um 5° vergrößert werden. So sind Schwenkwinkel zwischen 70 und 100° einstellbar.
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Bei solchen pneumatischen Antrieben wird, wenn sie eine beliebige Zwischenposition anfahren und halten können, diese Position mittels Druckregelung der aktiven Kammer gehalten.
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Wird ein Antrieb dagegen zum Anfahren des Anschlags eingesetzt, dann wird der Arbeitsraum ständig mit dem aktuellen Netzdruck befüllt und solange gehalten, bis der Kolben wieder zur Startlage zurückgeführt werden soll – unabhängig davon, ob in dem Arbeitsraum der volle Netzdruck erforderlich ist, um den Kolben zum Anschlag zu bewegen und ihn dort zu halten.
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Im Anschlag steht der Kolben in körperlichem Kontakt mit der Anschlagfläche. Im weiteren Umfeld der Erfindung werden ähnliche Schwenkantriebe auch als Stellungsregler zum Anfahren definierter Zwischenpositionen zwischen Startlage und Anschlag ohne körperlichen Kontakt des Kolben an einer Anschlagfläche eingesetzt.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energiebedarf des Antriebs zu verringern.
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Lösung
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Ausgehend von dem bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass ein Steuerelement ein Unterbrechen der Druckleitung auslöst, wenn der Kolben den Anschlag erreicht. Wenn in dem Arbeitsraum zu diesem Zeitpunkt der Netzdruck noch nicht erreicht ist, wird die verbleibende Druckdifferenz zwischen Arbeitraum und Netzdruck nicht mehr durch nachströmendes Gas ausgeglichen. Der Energiebedarf des pneumatischen Antriebs ist um den Energieinhalt des „gesparten” Gases verringert.
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Vorzugsweise löst im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens das Steuerelement das Unterbrechen bei Ablauf einer festgesetzten Wartezeit. Einerseits kann in Anwendungsfällen, in denen nach einer definierten Wartezeit nach dem Öffnen des Ventils immer der Anschlag erreicht ist, das Schließen des Ventils ausschließlich abhängig von der Wartezeit ausgelöst werden, so dass sich die Verwendung eines Endlagenschalters erübrigt. Andererseits kann das Ventil nach einer definierten Wartezeit nach Erreichen des Anschlags ausgelöst werden, um einen Drucküberschuss zum Halten des Kolben an dem Anschlag aufzubauen. Bevorzugt beginnt diese Wartezeit, wenn der Kolben den Anschlag erreicht. Einerseits kann in Anwendungsfällen, in denen bei einem definierten Haltedruck des Ventil immer der Anschlag erreicht ist, das Schließen des Ventils ausschließlich abhängig von dem Haltedruck ausgelöst werden, so dass sich die Verwendung eines Endlagenschalters erübrigt. Andererseits kann das Ventil nach Erreichen des Anschlags erst bei dem Haltedruck ausgelöst werden, um einen definierten Drucküberschuss zum Halten des Kolben an dem Anschlag aufzubauen.
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Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens löst weiterhin vorteilhafter Weise das Steuerelement das Unterbrechen bei Erreichen eines festgesetzten Haltedrucks in dem Arbeitsraum aus. Besonders bevorzugt wird ein Druck in dem Arbeitsraum gemessen und dieser Haltedruck aus dem Druck und einem festgesetzten Differenzdruck festgesetzt, wenn der Kolben den Anschlag erreicht.
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Ausgehend von den bekannten pneumatischen Antrieben wird nach der Erfindung vorgeschlagen, ein Steuerelement vorzusehen, das ein Unterbrechen der Druckleitung zwischen dem Arbeitsraum und dem Druckspeicher auslöst, wenn der Kolben den Anschlag erreicht. Ein solcher erfindungsgemäßer Antrieb ermöglicht den Betrieb mit erfindungsgemäßen Verfahren und zeichnet sich durch die dort aufgeführten Vorteile aus.
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Vorzugsweise ist in einem erfindungsgemäßen Antrieb der Kolben in dem Gehäuse in einer Axialrichtung beweglich gelagert. Der Antrieb ist dann ein einfach- oder doppeltwirkender Kolbenantrieb. Besonders bevorzugt treibt der Kolben eine quer zu der Axialrichtung in dem Gehäuse gelagerte Abtriebswelle an, wobei die Abtriebswelle mindestens einen Anschlagnocken aufweist, der in der Startlage und/oder beim Erreichen des Anschlags an einer am Gehäuse ausgebildeten Anschlagfläche anschlägt. Der pneumatische Antrieb ist dann ein Schwenkantrieb. Alternativ kann ein erfindungsgemäßes Verfahren auch zum Betrieb eines Linearantriebs zum Einsatz gelangen.
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Vorteilhafter Weise ist ein erfindungsgemäßer Antrieb ein doppeltwirkender Drehkolbenantrieb.
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In einer besonders vorteilhaften Ausprägung weist ein erfindungsgemäßer Antrieb ein Ventil in der Druckleitung auf, wobei das Steuerelement zum Unterbrechen der Druckleitung das Ventil schließt.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen
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1 eine Schaltskizze eines ersten erfindungsgemäßen pneumatischen Antriebs,
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2 eine Schaltskizze eines zweiten erfindungsgemäßen pneumatischen Antriebs und
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3 Schematische Kennlinien der erfindungsgemäßen Antriebe
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Die in den 1 und 2 gezeigten Schaltskizzen zeigen einen ersten pneumatischen Antrieb 1 und einen zweiten pneumatischen Antrieb 2 mit jeweils einer rotierbaren Abtriebswelle 3. Die erfindungsgemäßen Antriebe 1, 2 sind jeweils über ein Ventil 4 in einer Druckleitung 5 mit einem Druckspeicher 6 unter einem Netzdruck verbunden. Der Antrieb 1, 2 weist jeweils ein Gehäuse 7 auf mit einem ersten Arbeitsraum 8 und einem von dem ersten Arbeitraum abgegrenzten zweiten Arbeitsraum 9.
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Der in 1 gezeigte erste Antrieb 1 ist ein doppeltwirkender Axialkolben-Schwenkantrieb mit zwei in dem Gehäuse 7 in einer Axialrichtung 10 beweglich gelagerten Kolben 11, die jeweils den ersten Arbeitsraum 8 von dem zweiten Arbeitsraum 9 abgrenzen. Die Kolben 11 treiben die quer zu der Axialrichtung 10 in dem Gehäuse 7 gelagerte, verzahnte Abtriebswelle 3 an.
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Der in 2 gezeigte zweite Antrieb 2 ist ein doppeltwirkender Drehflügel-Schwenkantrieb mit einem mit der Abtriebswelle 3 verbundenen Drehflügel 12, der den ersten Arbeitsraum 8 von dem zweiten Arbeitsraum 9 abgrenzt.
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Die Abtriebswelle 3 weist jeweils einen Anschlagnocken 13 auf, der in der Startlage und beim Erreichen des Anschlags jeweils an einer nicht dargestellten Anschlagfläche anschlägt. Außerdem weist der Antrieb 1, 2 jeweils ein Steuerelement 14 für die Startlage und ein Steuerelement 15 für den Anschlag auf. Die Steuerelemente 14, 15 sind in den Anschlagflächen angeordnete Kontaktschalter.
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Das Ventil 4 ist ein 5/3-Wegeventil mit elektromagnetischer Ansteuerung und federbelasteter Mittelstellung. In der Mittelstellung sind alle Anschlüsse geschlossen.
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Das Ventil 4 wird über einen ersten elektrischen Taster 16 für die Bewegung aus der Startlage zum Anschlag und einen zweiten elektrischen Taster 17 für die Bewegung vom Anschlag zurück zur Startlage geschaltet. Für die Bewegung zum Anschlag wird der erste Arbeitsraum 8 mit dem Druckspeicher 6 verbunden und der zweite Arbeitsraum 9 entlüftet. Für die Bewegung zurück zur Startlage wird der erste Arbeitsraum 8 entlüftet und der zweite Arbeitsraum 9 mit dem Druckspeicher 6 verbunden. Sobald der Anschlagnocken 13 in einer der Anschlagflächen anschlägt, löst das jeweilige Steuerelement 14, 15 über eine Steuerleitung 18 den entsprechenden Taster 16, 17, so dass das Ventil 4 durch die Federbelastung in die Mittelstellung zurückfährt.
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3 zeigt schematisch im Betrieb eines der erfindungsgemäßen Antriebe 1, 2 zum Öffnen und Schließen einer nicht dargestellten Klappe den Druck 19 im ersten Arbeitsraum 8 und den Druck 20 im zweiten Arbeitsraum 9 jeweils zwischen Umgebungsdruck 21 und Systemdruck 22 sowie die Lage 23 des Kolben 11 zwischen der Position 24 („Offen”) und der Position 25 („Geschlossen”) jeweils beim Anschlag der Klappe.
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Im Startpunkt 26 der 3 ist die Klappe geschlossen und der erste Arbeitsraum 8 mit dem Systemdruck 22 beaufschlagt, der zweite Arbeitsraum 9 steht unter Umgebungsdruck 21. Die Differenz zwischen Systemdruck 22 und Umgebungsdruck 21 bewirkt über den ersten Arbeitraum auf den Kolben 11 eine Haltekraft, die die Klappe in der Position 25 „Geschlossen” hält.
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Im ersten Schaltpunkt 27 wird das Ventil 4 umgeschaltet und der erste Arbeitsraum 8 ent-, der zweite Arbeitsraum 9 belüftet. Die Haltekraft wird abgebaut bis sich die Verläufe der beiden Drücke 19, 20 kreuzen. Dann wird eine Druckdifferenz 28 und damit eine entsprechende Lösekraft aus dem zweiten Arbeitsraum 9 auf den Kolben 11 aufgebaut. Im ersten Losbrechpunkt 29 überwindet die Lösekraft die Haftung des Dichtgummis der Klappe, der Kolben 11 und die Klappe bewegen sich in die Position 24 „Offen”, wobei der Druck 19 im ersten Arbeitsraum 8 sinkt und der Druck 20 im zweiten Arbeitsraum 9 ansteigt.
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Im ersten Messpunkt 30 beim Anschlagen der Klappe in der Position 24 „Offen” liegen im ersten Arbeitsraum 8 63 v. H. und im zweiten Arbeitsraum 9 66 v. H. des Systemdrucks 22 an. Hier schaltet das Ventil 4 in die Mittelstellung, so dass in beiden Arbeitsräumen die jeweiligen Drücke gehalten werden.
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Im zweiten Schaltpunkt 31 wird über das Ventil 4 der erste Arbeitsraum 8 be- und der zweite Arbeitsraum 9 entlüftet. Da die Drücke bereits nah beieinander liegen, erreichen sie sehr schnell in einem zweiten Losbrechpunkt 32 gleiche Werte. Der Kolben 11, der hier eine sehr geringe Haftung des Dichtgummis überwinden muss, setzt sich im Wesentlichen im selben Moment in Bewegung. In der Figur sind der zweite Schaltpunkt 31 und der zweite Losbrechpunkt 32 aus zeichnerischen Gründen getrennt.
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Die Klappe bewegt sich zurück in Richtung der Position 25 „Geschlossen” bis zu einem Berührpunkt 33, in dem das Dichtgummi die zu schließende Öffnung berührt. Um die Klappe weiter in die Position 25 „Geschlossen” zu führen, ist eine größere Kraft und damit eine größere Druckdifferenz 34 zwischen den Arbeitsräumen erforderlich.
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Im zweiten Messpunkt 35 ist diese erforderliche Druckdifferenz 34 erreicht und die Klappe liegt wieder in Position 25 „Geschlossen” an. Im ersten Arbeitsraum 8 liegen 85 v. H. und im zweiten Arbeitsraum 9 27 v. H. des Systemdrucks 22 an. Auch hier schaltet das Ventil 4 in die Mittelstellung und halt die Drücke in den beiden Arbeitsräumen.
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Im dritten Schaltpunkt 36 wird wie beim ersten Schaltpunkt 27 wieder der erste Arbeitsraum 8 ent-, der zweite Arbeitsraum 9 belüftet und der Kolben 11 und die Klappe bewegen sich erneut in die Position 24 „Offen” zu einem dritten Messpunkt 37. Der Verlauf der Drücke und der Lage 23 des Kolben 11 zwischen dem zweiten Messpunkt 35 und dem dritten Messpunkt 37 wiederholen sich für jeden folgenden Schaltvorgang.
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Der dargestellte Verlauf der Drücke und der Lage 23 des Kolben 11 zwischen den beispielhaft gemessenen Messpunkten 30, 36, 37 beruht nicht auf Messungen, sondern dient lediglich der qualitativen Veranschaulichung.
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Gegenüber dem bekannten Stand der Technik, in dem zwischen dem ersten Messpunkt 30 und dem zweiten Schaltpunkt 31 sowie zwischen dem zweiten Messpunkt 35 und dem dritten Schaltpunkt 36 die Arbeitsräume vollständig be- respektive entlüftet werden, erspart das erfindungsgemäße Verfahren die hierfür aufgewendete respektive ohne Nutzen abgelassene Druckluft und die entsprechende Energie.
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Die Arbeitsräume werden nicht schlagartig, sondern über einen nicht dargestellten Drossel-Schalldampfer entlüftet. In alternativen erfindungsgemäßen Antrieben können die eingesetzten Ventile pneumatisch oder hydraulisch oder programmtechnisch durch einen Prozessor gesteuert sein. In ein programmtechnisch implementiertes Steuerelement 14, 15 können besonders einfach die oben beschriebenen Verzögerungsglieder abhängig von Mindestdauer, Mindestdruck, Zeitverzögerung oder Druckaufschlag integriert werden.
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Bei einem plötzlichen Druckstoß oder einer anderen mechanischen Last auf die Klappe, die in der Position 25 „Geschlossen” die Haltekraft durch den unter den Systemdruck reduzierten Druck übersteigt, öffnet zunächst die Klappe. Durch das Öffnen der Klappe schaltet das Steuerelement 15 wieder den Systemdruck auf den ersten Arbeitsraum 8. Die erfindungsgemäßen Antriebe 1 und 2 melden diesen Fehlerfall automatisch an übergeordnete Steuerung.
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An den erfindungsgemäßen Antrieben 1 und 2 kann optional der maximale Druck in dem ersten Arbeitsraum 8 auf einen Wert unterhalb des Systemdrucks beschränkt werden. Die Klappe übernimmt dann die Funktion eines regelbaren Überdruckventils für den dahinter liegenden Raum, beispielsweise einen Abluftkanal.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antrieb
- 2
- Antrieb
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Ventil
- 5
- Druckleitung
- 6
- Druckspeicher
- 7
- Gehäuse
- 8
- erster Arbeitsraum
- 9
- zweiter Arbeitsraum
- 10
- Axialrichtung
- 11
- Kolben
- 12
- Drehflügel
- 13
- Anschlagnocken
- 14
- Steuerelement für die Startlage
- 15
- Steuerelement für den Anschlag
- 16
- erster Taster
- 17
- zweiter Taster
- 18
- Steuerleitung
- 19
- Druck im ersten Arbeitsraum
- 20
- Druck im zweiten Arbeitsraum
- 21
- Umgebungsdruck
- 22
- Systemdruck
- 23
- Lage des Kolben
- 24
- Position „Offen”
- 25
- Position „Geschlossen”
- 26
- Startpunkt
- 27
- erster Schaltpunkt
- 28
- Druckdifferenz
- 29
- erster Losbrechpunkt
- 30
- erster Messpunkt
- 31
- zweiter Schaltpunkt
- 32
- zweiter Losbrechpunkt
- 33
- Berührpunkt
- 34
- Druckdifferenz
- 35
- zweiter Messpunkt
- 36
- dritter Schaltpunkt
- 37
- dritter Messpunkt
