DE19936479C1 - Verfahren und Dosierpumpe zur dosierbaren Förderung von fließfähigem Medium - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Dosieren einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge mittels einer Kolbenpumpe, einem Servomotor und einem Druckventil sieht ein Dosierprofil vor, bei dem am Ende des Dosiervorganges kurzzeitig bei geöffnetem Druckventil ein negativer Kolbenhub erfolgt. Durch diesen minimalen Rückhub wird das bei bekannten Verfahren auftretende Problem gelöst, dass nach Beendigung des Dosiervorganges bereits geförderte geringe Mengen des zu fördernden Mediums nicht mehr zurückgehalten werden können und zu einem Nachtropfen führen, das bei manchen Arbeitsabläufen zu einer Qualitätsminderung des Auftrags des Mediums auf das Werkstück führt (Figur 3).

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Der Erfindung geht es hierbei im wesentlichen um industrielle Verfahren mit Dosier­ pumpen, mit denen z. B. auch viskose Medien, wie Lacke, Kleb- oder Dichtstoffe ge­ fördert werden können, die in entsprechenden zugeordneten Maschinen auf Werk­ stücke aufgetragen werden. Diese Arbeitsgänge und der damit verbundene Dauerein­ satz der Dosierpumpe erfordern eine große Flexibilität im Sinne einer Einstellbarkeit auf das zu fördernde Medium, verbunden mit einer sehr genauen Volumenstrom­ steuerung während eines Dosiertaktes, d. h., während eines Dosiertaktes müssen de­ finierte und einstellbare Volumenstromänderungen realisierbar sein.

Solche Anforderungen werden beispielsweise beim Auftragen von Lack oder Klebstoff auf rotierende Bauteile vorkommen, wo mit dem Auftragen erst langsam zu beginnen ist (geringer Volumenstrom) und auch der Auftragprozeß während eines Dosiertaktes auch wieder langsam beendet werden muß.

Aus der DE 40 33 990 A1 ist eine Dosierpumpe bekannt, die mit der ausschließlich sehr hochviskose Medien, wie zum Beispiel Pasten oder Cremes zu verarbeiten sind, dünnflüssige oder kriechfähige Medien würden aufgrund des fehlenden Ventiles am Ausgang auslaufen. Der dort eingesetzte Motor dient nicht zum Antrieb des Kolben­ hubs, sondern betätigt ausschließlich einen verstellbaren Anschlag, der den rein pneumatisch angetriebenen Kolben in seinem oberen Hub begrenzt.

Bei der DE-OS 22 19 042 wird der Kolben der Dosierpumpe von einem Schrittmotor angetrieben. Dadurch entsteht der Nachteil, daß keine exakte Lageregelung des Kol­ bens während des Dosiervorgangs erfolgen kann, was sich negativ auf das Dosier­ profil, speziell beim Auftragen von Medien auf sich bewegende Teile, auswirkt. Die Ungenauigkeit wird dabei noch durch das Zahnradgetriebe (Zahnflankenspiel) ver­ stärkt.

Aus der DE 295 04 809 U1 ist eine Dosierpumpe bekannt, die einen Servomotor zum Antrieb eines Dosierkolbens eine Steuerung zur Einstellung eines programmierbaren Geschwindigkeits- und Mengenprofils und fremdgesteuerte Ventile aufweist.

Ein speziell bei besonderen Randbedingungen auftretendes Problem bei den bekannten Verfahren besteht darin, dass nach Beendigung des Dosiervorgangs bereits geförderte geringe Mengen des zu fördernden Mediums nicht mehr zurückge­ halten werden können und zu einem Nachtropfen führen, das bei sehr sensiblen Ar­ beitsabläufen zu einer erheblichen Qualitätsminderung des Auftrags auf das Werk­ stück führt.

Die bekannten Dosierpumpen können diesem Problem nicht ausreichend Rechnung tragen, da die dort zur Förderung eingesetzten Bauteile, z. B. über Federn vorge­ spannte Kugelsitzventile, pneumatisch angetriebene Motoren, Pumpen auf Balgdo­ sier- oder Membranprinzip, keine besonders präzise und feinfühlige Steuerung er­ möglichen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die bekannten Dosierverfahren derart weiter­ zubilden, daß das Nachtropfen vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, einen minimalen Rückhub am Ende eines Dosiertaktes vorzusehen, um einen eventuell an der Ausgangsleitung ver­ bleibenden Tropfen des Mediums oder Mediumsreste wieder in die Druckleitung bzw. den Pumpenraum zurückzuziehen.

Dies stellt hohe Anforderungen an die Präzision aller zur Förderung verwendeten Bauteile, die mit einer Dosierpumpe gemäss den Unteransprüchen zuverlässig erfüllt werden.

Der wesentliche Lösungsansatz liegt hierbei in der spielfreien Kraftübertragung der Drehbewegung des Servomotors über Zahnriemen und eine vorgespannte Kugelum­ lauffmutter auf den Kolben, wodurch insbesondere im industriellen Einsatz Flexibilität, die erforderliche Dosiergenauigkeit und auch lange Standzeiten erreicht werden.

Hierdurch erreicht man die geforderte Genauigkeit der Rücksaugmenge, die bei jedem Dosierhub im Bereich von wenigen Milligramm eingehalten wird.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen nach den Unteransprüchen sehen insbesondere vor, daß Reibungsverluste durch entsprechende Materialwahl zwischen Kolben und Zylinderbuchse minimiert werden, was die Präzision der Steuerung erhöht, oder daß reibungsverursachende Bauteile im Antriebsweg zwischen Motorwelle und Kolben so weit wie möglich vermieden werden, beispielsweise durch die Verwendung von kugel­ gelagerten Spindeltrieben. Gegebenenfalls austauschbare Laufbuchsen für den Kol­ ben und Dichtungsbauteile ermöglichen den Einsatz beispielsweise von Keramikstof­ fen oder synthetischem Saphir bei der Förderung von hochreinen Medien z. B. in der Halbleiterindustrie, wo Abriebseffekte vermieden werden müssen.

Hohe Dichtigkeit durch Klemmring-Verschraubungen aus Edelstahl zur Verbindung der Saug- und Druckleitungen der Dosierpumpe mit externen Schlauchleitungen und die Einbindung der gesamten Einheit in widerstandsfähige Materialien verhindern zu­ verlässig Leckageverluste und gewährleisten ebenfalls die auch auf Dauer einhaltbare Präzision des einmal programmierten Dosierprofils.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosierpumpe wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1: Einen Längsschnitt durch die Dosierpumpe in der Ebene A-A der Fig. 2,

Fig. 2: Eine Seitenansicht der Dosierpumpe in Richtung des Pfeils P der Figur kund

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Do­ sierpumpe durchführbaren Dosierprofils.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Dosierpumpe dient zur exakten Mengendosie­ rung insbesondere von aggressiven Flüssigkeiten verschiedener Viskosität und deckt in der dargestellten Realisierungsform Fördervolumina von 6-3000 mm³ in einem Ar­ beitszyklus T zwischen 0,5 und 2 Sekunden ab. Das Arbeitsprinzip basiert auf einer elektrisch betriebenen und gesteuerten Kolbenpumpe 2 mit fremdgesteuerten Ventilen 9A und 9B für den Ansaug- und Dosiertakt. So können auch Medien beispielsweise mit hoher Kriechfähigkeit durch dünne Kapillaren dosiert werden, da über die Drehzahl des Motors 2 der Druck am Pumpenausgang einfach zu steuern ist.

Über ein Riemenscheibe 13, Zahnriemen 14 und Zahnscheibe 15 beinhaltendes Zahnriemengetriebe mit drei Scheiben wird das Drehmoment des Motors 12 auf zwei vorgespannte Gewindespindeln 16A, 16B gegeben, über die eine Traverse 11 vertikal verschiebbar ist. Im Zentrum der Traverse 11 sitzt das untere Ende einer Kolbenstan­ ge 3 mit Kolben 1. Der Kolben 1 ist in einem Zylinderraum eines aus Zylinder 5, Zylin­ derboden 6 und Zylinderdeckel 4 gebildeten Gehäuses verschiebbar, das den Pum­ penraum definiert. Im Zylinderdeckel 4 ist der Pumpenraum mit einer Saugleitung 8A und einer Druckleitung 8B verbunden, die zu elektrisch steuerbaren 2/2-Wegeventilen 9A, 9B führen.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist für den Kolben eine Zylinderbuchse 2 im Zylinder 5 eingesetzt.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Position befindet sich der Kolben 1 in seinem oberen Totpunkt, bei dem die Traverse 11 am Zylinderboden 6 anliegt, in sei­ nem unteren Totpunkt kontaktiert die Traverse 11 mit einem Anschlag 10 den Auslö­ ser eines Endschalters 7.

Festlager 17 und Loslager 18 bilden einen Teil des Rahmens, der die Dosierpumpe trägt.

Mit der Kombination elektrisch bzw. elektronisch ansteuerbarer Hauptkomponenten, dem Servomotor, insbesondere mit integrierter Lageregelung, und den elektrisch ge­ steuerten Ventilen läßt sich ein programmierbares Dosierprofil innerhalb eines Ar­ beitszyklus abfahren, das je nach dem Einsatzzweck der Dosierpumpe in geeignete Steuereinrichtungen eingegeben werden kann, die Dosierpumpe kann auch in vor­ handene elektronische Steuerungen der Gesamtanlage integriert werden.

Die elektrischen Ventile gewährleisten eine hohe Saugleistung und hohe Funktionssi­ cherheit durch zuverlässiges Schließen und Öffnen.

Der Einsatz des Servomotors gegenüber pneumatisch oder elektrisch durch Syn­ chron- oder Schrittmotoren realisierte Antriebe ermöglicht eine große Flexibilität der Dosierung im industriellen Prozeß, die Dosierung kann insbesondere während eines Arbeitszyklus gedrosselt oder erhöht werden, abhängig beispielsweise von den indivi­ duellen Erfordernissen eines Lackauftragsprozesses.

Anhand der Fig. 3 soll der Ablauf eines Arbeitszyklus beispielhaft erläutert werden:

Der Kolben 1 befindet sich zunächst in seiner oberen Totlage in der Laufbuchse 2. Das mit der Saugleitung 8A verbundene 2/2-Wege-Magnetventil 9A ist geöffnet, das mit der Druckleitung 8B verbundene 2/2-Wege-Magnetventil 9B ist geschlossen.

Um zunächst Medium in den Pumpenraum anzusaugen, wird der Motor 12 mit einem vorgegebenen Programm angesteuert, der dann entsprechend über den Zahnriemen 14 die beiden Gewindespindeln 16A und 16B antreibt. Die Traverse 11 zieht den Kol­ ben 1 über dessen Kolbenstange 3 nach unten, dadurch vergrößert sich das Volumen im Pumpenraum und ein Unterdruck entsteht. Über das Magnetventil 9A und die Sau­ gleitung 8A wird frisches Medium in den Pumpenraum gesaugt. Durch die Geschwin­ digkeit bzw. die Zeit, die der Kolben 1 nach unten fährt, läßt sich die angesaugte Menge bzw. das Dosiervolumen genau einstellen.

Ist die vorherbestimmte Position erreicht, stoppt der Motor 12 und das Ventil 9A in der Saugleitung 8A schließt. Zum Dosieren mit einem bestimmten Dosierprofil, wie dies beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist, wird das Ventil 9B in der Druckleitung 8B geöffnet und der Motor 12 drückt den Kolben 1 mit einer genau definierten Geschwindigkeit in einer voreingestellten Zeit, der Dosierzeit T_D, nach oben. Hierbei wird zunächst ein erster Volumenstrom V₁ gefördert, bevor dann der rampenartige Übergang auf einen Volumenstrom V_max erfolgt. Gegen Ende des Dosiertaktes T_D erfolgt dann eine Ab­ senkung auf einen zweiten Volumenstrom V2, bis zum Zeitpunkt T_R die Drehrichtung des Motors umgekehrt wird und für eine kurze Zeitspanne TR der Volumenstrom V_R gegenläufig verläuft, d. h., bei noch geöffnetem Ausgangsventil 9B wird der Motor 12 kurzzeitig umgepolt, und es entsteht ein Rücksaugeffekt in der Dosierleitung 9A, der das Nachtropfen des Mediums nach der Dosierung verhindert.

Schließlich wird das Ventil 9B in der Ausgangsleitung 8B geschlossen, der Arbeitszy­ klus ist beendet und die Dosierpumpe ist für den nächsten Arbeitszyklus bereit.

Zum präzisen "Abfahren" des beispielhaft in Fig. 3 dargestellten Dosierprofils kann es zweckmäßig sein, Eichmessungen oder eine "Referenzfahrt" durchzuführen, um die in der Steuerung eingestellten Parameter für Motordrehzahl und die Steuerzeit­ punkte für die Ventile und die Motordrehzahl zu testen bzw. neu zu definieren.

Claims (3)

1. Verfahren zum Dosieren einer vorgebbaren Flüssigkeitsmenge für einen Verbrau­ cher, mit einer Kolbenpumpe, die von einem Servomotor angetrieben wird, mit we­ nigstens einem elektrisch steuerbaren Druckventil und mit einer programmierbaren Steuerung derart, dass ein gewünschtes Dosierprofil einstellbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass am Ende eines Dosiervorgangs kurzzeitig ein negativer Kol­ benhub erfolgt, wobei das Druckventil geöffnet bleibt.

2. Dosierpumpe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei der Motor (12) ein Servomotor ist und die beiden Ventile (9A, 9B) elektrisch gesteuert sind, so daß Servomotor (12) und Ventile (9A, 9B) ein programmierbares Dosierprofil inner­ halb eines Arbeitszyklus abfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) mittels kugelgelagerter Spindeltriebe (16A, 16B) auf einer Traverse (11) verschieb­ bar gehalten ist, und daß die Spindeltriebe (16A, 16B) über ein Zahnriemengetriebe (13, 14, 15) mit der Welle des Servomotors (12) verbunden sind.

3. Dosierpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) in einer austauschbaren Zylinderbuchse (2) aus Keramikstoffen oder synthetischem Saphir des Zylinders (5) geführt ist.