DE3440278A1 - Aus ringelementen aufgebauter arbeitszylinder - Google Patents
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Description
D 9422-nral
Festo KG , 73oo Esslingen / Neckar
Aus Ringelementen aufgebauter Arbeitszylinder
Die Erfindung betrifft einen Arbeitszylinder zur Hin- und Herbewegung einer Kraftabnahme innerhalb
eines begrenzten Hubbereichs.
Derartige Arbeitszylinder sind in Form von druckmittelbetätigten
Kolben-Zylinder-Einheiten bekannt. Sie haben u.a. den Nachteil, daß ihre Hublänge auf
die Baulänge der Zylinderlaufbuchse beschränkt ist. Dies ist aber in vielen Fällen, insbesondere beim
Arbeiten in räumlich beengten Verhältnissen, von Nachteil.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen in verschiedensten Größen zu fertigenden Arbeitszylinder
mit einem sehr großen, präzise reproduzierbaren Hubverhältnis zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen aus elastisch verformbaren Ringelementen aufgebauten Arbeitszylinder gelöst, dessen Ringelemente unter Bildung einer balgartigen Struktur alternierend in
Bereichen größeren und kleineren Durchmessers abgedichtet miteinander verbunden sind.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
sind die Ringelemente in einer durch Druckeinwirkung ausgefahrenen Position des Arbeitszylinders
vorgeformt. Diese Anordnung erlaubt einen Betrieb mit maximaler interner Kraft, ohne die Elastizitätsgrenze des Materials zu überschreiten. Im Betrieb
wird jedes einzelne Ringelement nur auf die vorgeformte Kontur gedehnt. Ein überdehnen der Balgstruktur ist dadurch ausgeschlossen, und man kann
extrem dünne Materialien bei der Herstellung jedes einzelnen Ringelements verwenden. Die dünnen
Ringelemente erlauben den Aufbau eines höchst kompakten Arbeitszylinders, da im eingefahrenen Zustand
auf engstem Raum sehr viele Ringelemente untergebracht werden können. Jedes einzelne Ringelement
wird im Betrieb nur um einen kleinen Betrag proportional zu seinem Durchmesser und seiner Dicke
gedehnt. Die gesamte Hubbewegung resultiert aus
einer entsprechenden Dehnung einer Vielzahl von
Ringelementen, so daß man mit minimalen Spannungen an dem einzelnen Ringelement sehr große Hubstrecken
realisieren kann. Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder
zeichnet sich so durch ein extrem großes Hubverhältnis aus, d.h. seine Länge im ausgefahrenen Zustand ist
verglichen mit der im eingefahrenen Zustand sehr groß. Durch die Vorformung werden konzentriert an
der Peripherie der Ringelemente auftretende Spannungen vermieden, was sich vorteilhaft auf die Betriebssicherheit
und eine lange Betriebslebensdauer des Arbeitszylinders auswirkt. Im Ergebnis erhält man so einen
kompakt bauenden Arbeitszylinder mit maximaler Ausdehnung unter minimalen Spannungen.
Die Erfindung schlägt weiterhin vor, wenigstens einen Teil der Verbindungsstellen zwischen den
Ringelementen durch Löten, vorzugsweise Hartlöten, herzustellen. Hierdurch wird eine bei guter Abdichtung
mechanisch hoch belastbarer Verbindung geschaffen. Die Lötstellen können in einem fertigungstechnisch
besonders einfachen und kostengünstigen Ofenprozeß geschaffen werden, durch den Arbeitszylinder
gemäß der Erfindung schnell und in einer Vielzahl von Baugrößen hergestellt werden können.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Ringelemente miteinander zu verschweißen, und zwar vorzugsweise
in ihrem radialen Aussenbereich, der für eine Widerstandsschweißung leicht zugänglich ist.
Die dadurch erhaltenen Verbundkörper können anschließend in ihrem radialen Innenbereich miteinander
verlötet werden, und zwar vorzugsweise wiederum in einem Ofenprozeß.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, die Ringelemente mittels eines geeigneten Klebers
miteinander zu verkleben.
Die Ringelemente des Arbeitszylinders können in
einer gewölbten Kontur vorgeformt sein, bevor sie miteinander verbunden werden. Insbesondere empfiehlt
es sich dabei, den Ringelementen eine tassenartige Form zu verleihen, und benachbarte Ringelemente in
spiegelsymmetrischer Anordnung zu ihrer Berührfläche miteinander zu verbinden. Die erhaltene Balgstruktur
zeichnet sich durch ein extremes Dehnungsvermögen aus. Doch kann man den erfindungsgemäßen Arbeitszylinder
auch aus flachen, elastisch verformbaren Ringsegmenten aufbauen. Dies hat den Vorteil, daß keine aufwendigen
Formgebungsverfahren für die Ringelemente erforderlich sind.
Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder läßt sich einerseits
dadurch betreiben, daß man den Innenraum der
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Balgstruktur mit einem Druckmittel beaufschlagt und den Balg dadurch ausdehnt. Doch besteht auch
die Möglichkeit, einen Unterdruck im Innenraum des Balgs zu erzeugen, so daß er durch den umgebenden
Atmosphärendruck betätigt wird. Man kann beispielsweise nur einen derartigen Balg an der
Kraftabnahme des Arbeitszylinders eingreifen lassen und den Rückhub durch die Kraft eines Federelements,
Schwerkraftwirkung o.a. durchführen; insbesondere im Fall eines überdruckbetätigten Arbeitszylinders
besteht auch die Möglichkeit, den Rückhub durch evakuieren zu besorgen. Diese Bauformen bieten sich
vor allem für einfach wirkende Arbeitszylinder an.
Doch kann man auch einen doppelt wirkenden Arbeitszylinder realisieren, indem man mehrere, aus ringelementen
zusammengesetzte Balgstrukturen an der Kraftabnahme angreifen läßt. Ein Arbeitshub wird
dann insbesondere durch Druckbeaufschlagung des einen Balgs mit gleichzeitiger Druckentlastung
des anderen Balgs bewirkt, und der Rückhub durch Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung mit
umgekehrter Anschlußlage. Des weiteren ermöglicht die Anordnung zweier Bälge an der Kraftabnahme
eine Differentialdruckbetätigung des Arbeitszylinders. Man erkennt die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten, die sich hieraus ergeben.
Die präzise reproduzierbare Dehnung der aus Riirgelementen
zusammengesetzten Balgstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter
Weise, den Arbeitszylinder als Positioniervorrichtung
einzusetzen. In einer bevorzugten Bauform sind dabei mehr als zwei unabhängig voneinander
druckbeaufschlagbare bzw. evakuierbare Bälge mit der Kraftabnahme verbunden. Durch die Druckbeaufschlagung
bzw. Evakuierung je eines dieser Bälge vollführt die Kraftabnahme einen Hubschritt um
einen wohldefinierten Betrag. Durch anschließende Druckbeaufschlagung bzw. Evakuierung eines weiteren
Balgs schließt sich ein zweiter Hubschritt an, usw. Durch eine geeignete Kombination von Balgstrukturen
können so annähernd beliebige Förderstrecken schrittweise bewältigt werden, wofür sich in Handhabungsgeräten,
Förder- und Transportanlagen, Ladern und Entladern usw. vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
ergeben.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Enden der Bälge mit einem zu Befestigungszwecken sowie zur Abdichtung geeigneten Flansch
verbunden. Dieser kann insbesondere in dem zur Herstellung des Balgmantels dienenden Ofenprozeß
an ein Endringelement des Balgs angelötet sein.
Der erfindungsgemäß vorgesehene Flansch macht den Arbeitszylinder mit verschiedensten Druck- und
Vakuumsystemen kompatibel.
Um die Bewegungs- und Betätigungsrichtung des Arbeitszylinders vorzugeben, kann eine Führungsstange vorhanden sein, die die Balganordnung durchsetzt
und an der die Kraftabnahme entlangläuft. Die Führungsstange stabilisiert die Kraftabnahme,
und sie verhindert, daß quer zu seiner Hubrichtung gerichtete Kräfte und Momente auf den Balgmantel
einwirken, wodurch dieser geschont und vor Beschädigungen geschützt wird. Weiterhin kann die
Führungsstange dazu dienen, eine annähernd beliebige Bewegungsbahn der Kraftabnahme vorzugeben,
wozu sie insbesondere einen geraden oder gekrümmten Verlauf haben kann.
Es empfiehlt sich, die Führungsstange an Verankerungsblöcken zu lagern, die die Balgstruktur
zwischen sich aufnehmen. Die Bälge sind aber vorzugsweise an den Verankerungsblöcken gedichtet.
Die Verankerungsblöcke können zugleich Druckmittelanschlüsse des Arbeitszylinders enthalten.
Das Vorhandensein einer Führungsstange ist aber
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für den erfindungsgemäßen Arbeitszylinder nicht zwingend. Vielmehr kann man auch allein durch die
Form des Balgmantels eine bestimmte Arbeitsrichtung des Zylinders vorgeben. Es empfiehlt sich, dem
Balgmantel hierzu eine im wesentlichen konische Form zu verleihen und ihn aus Ringelementen von
unterschiedlicher, zwischen benachbarten Ringelementen
sich progressiv ändernder Größe zusammenzusetzen. Ein solcher Balgmantel fährt bei Druckbeaufschlagung
in Richtung seiner Längsmittelachse ein und aus, und er konzentriert seine Betätigungskraft auf die Konusspitze.
Man kann den konischen Balgmantel auch mit einem Innendruck abschließen, der größer oder gleich
dem umgebenden Atmosphärendruck ist. Der Arbeitszylinder fungiert dann gegenüber äußerer Krafteinwirkung
als Stoßdämpfer. Bei Stoßeinwirkung wird im Inneren des Arbeitszylinders ein überdruck
erzeugt, der beispielsweise über ein Drosselventil abgebaut werden kann. Auch besteht die
Möglichkeit, das Balginnere als Druckquelle anzuzapfen und den Arbeitszylinder nach Art einer
Pumpe zu betreiben.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Arbeitszylinders besteht darin, daß man die
Ringsegmente mit zwischengelegten Hartlotringen
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auf einen Stab aufzieht, in Axialrichtung spann3440278 und in einem Ofen erhitzt, so daß die Hartlotringe
schmelzen und die Ringelemente miteinander verbinden. Der zur Zentrierung der Ringanordnung
dienende Stab besteht dabei vorzugsweise aus Lotmaterial abweisender Keramik. Dieses Ofenverfahren
hat den Vorteil einer schnellen und kostengünstigen Fertigung von Arbeitszylindern in einer
Vielzahl möglicher Baugrößen.
Ein sehr wesentlicher Verfahrensschritt ist,
daß man die Ringsegmente nach dem abdichtenden Verlöten durch Anlegen eines maximalen Innendrucks
vorformt. Diese Formgebung wird bei voll ausgefahrenem
Arbeitszylinder durchgeführt. Man erreicht so, daß die Ringelemente im Betrieb nie über die
vorgeformte Kontur hinaus deformiert werden, und man garantiert einen wohldefinierten, präzise
reproduzierbaren Maximalhub des Arbeitszylinders. Letzteres ist insbesondere für Anwendungen des
Arbeitszylinders als Positioniereinheit von Bedeutung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Teilweise schematisch
zeigen:
- 1o -
34A0278
Fig. 1 die Seitenansicht eines doppelt wirkenden Arbeitszylinders mit geradlinigem Hub,
teilweise im Längsschnitt;
Fig. 2 die Seitenansicht eines doppelt wirkenden Arbeitszylinders mit entlang einer gekrümmten Strecke verlaufendem Hub,
teilweise im Längsschnitt;
Fig. 3 die Seitenansicht eines Arbeitszylinders mit konischem Balgmantel, der im oberen
Teil der Abbildung in ausgefahrenem, und im unteren Teil der Abbildung in eingefahrenem Zustand dargestellt ist;
eines Arbeitszylinders mit Führungsstangen und zylindrischem Balgmantel;
ihrem in einem Ofen stattfindenden Verlöten;
Fig. 6 die Seitenansicht einer kompletten Montageeinheit, bevor sie zum Verlöten in den
Ofen gebracht wird;
- 11 -
Arbeitszylinder, der aus in gewölbter Kontur vorgeformten Ringelementen aufgebaut
ist;
Fig. 8 einen axialen Längsschnitt durch einen aus flachen Ringelementen aufgebauten
Arbeitszylinder, wobei Fig. 8 (a) einen eingefahrenen und Fig. 8 (b) einen durch Druckbeaufschlagung ausgefahrenen
Zustand des Arbeitszylinders zeigt;
Fig. 9 einen als Positioniereinheit wirkenden
Arbeitszylinder mit drei an einer Kraftabnahme angreifenden Balgstrukturen,
durch die sich die Kraftabnahme in schrittweise gegeneinander versetzte Positionen
(a), (b) und (c) verfahren läßt;
Fig. 1o (a) - (c) verschiedene Stadien in einem Test- und Formgebungsverfahren, dem der verlötete
Arbeitszylinder unterzogen wird.
Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel
eines Arbeitszylinders weist zwei Verankerungsblöcke auf, die eine Führungsstange 3 tragen. Auf die
Führungsstange 3 ist eine Kraftabnahme 5 aufgezogen,
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so daß sie zwischen den Veränkerungsblöcken 1 hin- und herbeweglich gelagert ist. Zwischen der Kraftabnahme
5 und den beiden Verankerungsblöcken 1 befindet sich je ein aus Ringelementen 2 zusammengesetzter
Balg. Die Bälge umschließen die Führungsstange 3, und sie sind abgedichtet an Verankerungsblock 1 und Kraftabnahme 5 befestigt. Hierzu kann
ein in Fig. 5 näher dargestelltes Anschlußteil dienen, das sich an den axialen Enden des Balgs
befindet. Das Anschlußteil 13 greift mit einem Stutzen in passende öffnungen von Verankerungsblock bzw. Kraftabnahme 5 ein. Auf dem Aussenmantel
des Stutzens befindet sich in einer umlaufenden Nut eine Ringdichtung 4,14. Diese wird bei montiertem
Balg durch den Innenmantel der Passöffnung gepresst, so daß sie die Verbindung dichtet.
Beide Bälge sind unter separater Abdichtung an der Kraftabnahme 5 befestigt. Sie können unabhängig
voneinander mit Druck beaufschlagt oder vakuiert werden. Zu diesem Zweck sind Anschlußöffnungen
6 in den Verankerungsblöcken 1 vorgesehen. Die Anschlußöffnungen 6 kommunizieren über
eine Axialbohrung 2o in dem Anschlußteil 13 mit dem Balginnern. Wird beispielsweise der in Fig.
linke Balg mit Druck beaufschlagt und der rechte Balg druckentlastet, so führt die Kraftabnahme
- 13 -
eine angetriebene Bewegung in die Position gemäß Fig. 1 aus. Für einen Rückhub in Richtung 22 wird
der in Fig. 1 rechte Balg mit Druck beaufschlagt, und der linke Balg druckentlastet. Bei einem Unterdruckbetätigten,
doppeltwirkenden Arbeitszylinder erhält man eine entsprechende Hin- und Herbewegung
der Kraftabnahme, in dem zunächst der eine, dann der andere Balg evakuiert wird, während der nicht
evakuierte Balg unter Atmosphärendruck steht.
Die Kraftabnahme 5 folgt bei ihrer angetriebenen Bewegung der Führungsstange 3. Diese kann einen
geraden Verlauf haben (vgl. Fig. 1). Doch kann man der Führungsstange 3 auch einen gekrümmten oder
gebogenen Verlauf geben, so daß die Kraftabnahme 5 eine entsprechende Bahn durchläuft (vgl. Fig. 2).
Voraussetzung ist nur eine Lagerung der Kraftabnahme 5 auf der Führungsstange 3, die es ersterer erlaubt,
die auftretenden Kurven und Krümmungen zu bewältigen. Ferner muß der Balgmantel eine entsprechende Biegeelastizität
haben.
Das Vorhandensein einer Führungsstange 3 ist für die Erfindung aber nicht zwingend. So zeigt Fig. 3
einen Arbeitszylinder, dessen Ausfahrbewegung allein
durch die Form des Balgmantels bestimmt ist. Der wiederum aus Ringelementen 8 zusammengesetzte Balgmantel
hat eine im wesentliche konische Form.
- 14 -
Er sitzt an einem Sockel an, der mit einer Anschlußöffnung 1o versehen ist, durch die das Innere des
Balgs mit Druck beaufschlagt bzw. unter Unterdruck gesetzt werden kann. Der Sockel bildet die Basis
des Konus. Dieser kann an seiner Spitze eine Abschlußplatte, einen Puffer o.a. tragen, mit der die Hubkraft
des Arbeitszylinders übertragen wird. Der Durchmesser der den Balgmantel bildenden Ringelemente
nimmt vom Sockel zu der Abschlußplatte hin stetig ab. Jeweils ein Paar aneinander anliegender Ringelemente
kann dabei gleich groß sein; im übrigen folgen aber auf größere Ringelemente 9 zunehmend kleinere Ringelemente
8. Wenn durch die Anschlußöffnung 1o ein Druckmittel eingespeist wird,dehnen sich die Ringelemente
aus, wobei eine Bewegung mehr oder weniger in axialer Längsrichtung des Konus erzeugt wird.
Die Antriebskraft ist dabei im Bereich der Konusspitze konzentriert.
Fig. 4 zeigt die Halbseite eines Arbeitszylinders mit einem Verankerungsblock 1 und einem kreiszylindrischen
Balgmantel, der einmal im ausgefahrenen, und zum anderen im zusammengezogenen Zustand dargestellt
ist. Man erkennt, daß sich die Ringelemente 2 auf engstem Raum zusammenziehen lassen, so daß
der komprimierte Arbeitszylinder sehr klein baut. Andererseits kann er auf ein mehrfaches seiner
Ausgangslänge ausgefahren werden, wie der obere
- 15 -
Teil von Fig. 4 zeigt. Man erhält also ein extrem großes Hubverhältnis, wobei man letzteres durch den
Quotienten der Ausfall-Länge im expandierten und
komprimierten Zustand definieren kann.
Fig. 5 illustriert die Herstellung des erfindungsgemäßen Arbeitszylinders unter Verwendung von tellerartig
vorgeformten Ringelementen. Letztere haben einen mittig gelochten, gewölbten Boden und einen
davon annähernd radial abstehenden Randflansch. Die Ringelemente werden in axialer Flucht ausgerichtet,
wobei jeweils die Randflansche zweier benachbarter Ringelemente 2 einander zugewandt sind.
Aufgrund ihrer Wölbung schließen so die Ringelemente 2 ein Volumen ein, das von konvex gekrümmten Wänden
begrenzt wird. Der Boden eines entsprechenden Ringelementpaars ist dem Boden eines sich daran anschließenden
benachbarten Ringelementes zugekehrt.
Zwischen den Flanschen bzw. Bodenflächen benachbarter Ringelemente werden jeweils Ringe 11 ; 12 aus Lotmaterial,
vorzugsweise Hartlotmaterial, eingelegt. Die zwischen den Flanschen zu liegen kommenden Ringe 11 haben dabei
einen größeren Durchmesser, als die zwischen den Bodenflächen zu liegen kommenden Ringe 12.
Die Lotringe 11,12 dienen dazu, benachbarte Ringelemente 2 dichtend miteinander zu verlöten.
Man erkennt, daß sich dabei radial aussen liegende
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Lötstellen größeren Durchmessers mit radial innen liegenden Lötstellen kleineren Durchmessers abwechseln.
Benachbarte Ringelemente 2 werden jeweils in spiegelsymmetrischer Anordnung zu ihrer Berührfläche verlötet.
Wie schon erwähnt, können an den axialen Enden des Balgmantels Anschlußteile 13 angebracht sein, die
zu Befestigungszwecken und zur Abdichtung dienen. In einem besonders einfachen Verfahren werden die
Anschlußteile 13 bei der Herstellung des Balgmantels
zugleich mit diesen verlötet. Das in Fig. 5 gezeigte Anschlußteil besitzt einen axial durchbohrten 2o,
die Dichtung 14 tragenden Stutzen, an dessen dem Balgmantel zugekehrten Ende ein radial abstehender
Flansch angeformt ist. Zwischen diesen Flansch und die Bodenfläche eines Ringelements 2 wird ein
Lotring 12 kleineren Durchmessers angebracht, durch den das Ringelement 2 mit dem Flansch verlötet
wird.
Zur Vorbereitung des Lötvorgangs werden ein erstes Anschlußteil 13, eine Anzahl von Ringelementen 2
und gegebenenfalls ein zweites Anschlußteil 13 bzw. ein anderer geeigneter Gehäuseabschluß mit
dazwischen gelegten Lotringen 11,12 in konzentrischer Anordnung auf einen Stapel 15 aufgezogen. Letzterer
dient zur Zentrierung der Teile. Er ist vorzugsweise als Rundstab aus Keramik gestaltet. Dieses Material
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Dieses Material wurde gewählt, da es das flüssige Lot abstößt und nicht davon angegriffen wird.
Der Stab 15 kann daher . für eine Vielzahl von Lötvorgängen verwendet werden. Die auf den Stab
15 aufgefädelten Teile werden in Axialrichtung
gegeneinandergespannt. Hierzu kann der Stab 15 insbesondere rohrförmig ausgebildet sein, so daß
sich ein Bolzen 16 hindurchstecken läßt. Wie in Fig. 6 gezeigt, stützt sich ein Kopf 24 des Bolzens
16 an dem einen Anschlußteil 13 ab, während ein Gewindestutzen 26 des Bolzens 16 aus dem anderen Anschlußteil
13 heraussteht. Auf diesen Gewindestutzen 26 ist eine Mutter 28 aufgeschraubt, die gegen die
Stirnfläche des anderen Anschlußteils 13 arbeitet. Beim Anziehen der Mutter 28 wird der aus Ringelementen
2, Anschlußteilen 13 und abwechselnd dazwischen gelegten Lotringen 11,12 bestehende Stapel in Axialrichtung
gespannt.
Die so erhaltene Montageeinheit wird dann in vertikaler Position in einen Ofen gebracht und
einer Temperatur unterworfen, die die Lötringe 11,12 zum Schmelzen bringt. Das Lot verbindet sich
mit den Flanschen der Anschlußteile 13 und den Ringelementen 2, so daß man einen gasdichten Balgmantel
erhält. Nach Abschluß des Lötvorgangs und Abkühlen des Balgmantels kanr/die Verschraubung des
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Keramikstabs 15 gelöst und dieser aus dem Baldmantel herausgezogen werden. Der Balgmantel kann dann
mittels des Anschlußteils 13 zum Aufbau eines einfach wirkenden Arbeitszylinders verwendet werden, der
durch überdruck oder Evakuieren betätigt und mittels eines Federelements, durch Schwerkraftwirkung o.a.
zurückgestellt wird. Mittels zweier gegeneinander abgedichteter, beidseits an einer Kraftabnahme
5 angreifender Balgmäntel, die unabhängig voneinander mit Druckmittel beaufschlagbar bzw. evakuierbar sind,
läßt sich ein doppelt wirkender Arbeitszylinder realisieren, wie er in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist.
Fig. 7 verdeutlicht nochmals den möglichen Aufbau eines Balgmantels aus tellerartig vorgeformten,
miteinander verlöteten Ringelementen 2. Jeweils zwei solcher Ringelemente 2 schließen eine Kammer ein,
die bei Beaufschlagung mit einem Druckmittel in Axialrichtung gedehnt wird. Durch die Vielzahl der
Ringelemente können auch mit wenig Dehnung, d.h. unter geringen elastischen Spannungen, große Hubwege realisiert werden. Eine geeignete Kontur der
Ringelemente 2 für einen wohldefinierten, präzise reproduzierbaren Hub erhält man in einem Test- und
Vorformverfahren, das im folgenden anhand von Fig. erläutert wird.
- 19 -
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einer bestimmten Form vorgefertigten, miteinander verlöteten Ringelementen 2 besteht. Dieser Balgmantel
wird auf einen Schaft 3o aufgesetzt, der eine Druckmittel-Anschlußöffnung 32 aufweist.
Diese erlaubt es, das Innere des Balgmantels unter Druck zu setzen. Der Balgmantel kann dadurch
auf dem Schaft 3o expandieren, wobei aber seine Bewegung durch zwei Anschläge 34 begrenzt wird, die
verstellbar auf dem Schaft 3o aufsitzen. Man stellt nun die Anschläge 34 auf einen Abstand ein, der
der gewünschten, maximalen Ausfahrlänge des Balgmantels entspricht (vgl. Fig. 1ob), und setzt den
Balgmantel unter maximalen Betriebsdruck. Man überprüft, ob sich der Balgmantel auf die gewünschte
volle Länge dehnt, ob er dabei einwandfrei dicht bleibt, ob die einzelnen Balgwellen gleichmäßig
deformiert werden, usw. Ist dies der Fall, so wird der Balgmantel durch den herrschenden Innendruck
zugleich in einer Weise geformt, die der elastischen Verformung im späteren Betrieb eine
Grenze setzt. Um diesen Prozeß zu fördern, kann man den Innendruck noch über den Grenzdruck hinaus
erhöhen, wobei man die Verformung des Balgmantels beobachtet und gegebenenfalls in Grenzen hält.
Anschließend führt man eine Serie von Arbeitshüben mit dem Balgzylinder aus, wobei man sicherstellt,
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daß der gewünschte Maximalhub stets präzise erreicht wird, daß die Lötnähte auch im Betrieb dicht bleiben,
usw. Gegebenenfalls kann die plastische Verformung durch einen im Balginneren angelegten überdruck wiederholt
werden. Wird schließlich das Soll-Hubverhältnis sicher reproduziert, so kann man die Krümmung der
resultierenden Balgwellen vermessen, wie dies in Fig. 1o (c) illustriert ist. Man erhält so Eingangsdaten
für die Vorfertigung der Ringelemente, durch die man die Produktion des Balgzylinders optimieren
kann.
Bezugnehmend auf Fig. 8, können statt gewölbter Ringelemente 2 aber auch flache Ringelemente 36 Verwendung
finden, um den erfindungsgemäßen Balgmantel aufzubauen.
Die Ringelemente 36 bestehen jeweils aus einem elastisch deformierbaren, lötfähigen Material.
Sie werden abwechseln im Bereich ihrer radialen Aussenkante und radialen Innenkante miteinander verlötet,
was unter Verwendung zwischengelegter Lötringe in dem oben beschriebenen Ofenverfahren geschehen kann.
Der resultierende Balgmantel hat in unbelastetem Zustand die in Fig. 8 (a) gezeigte Form. Bei Druckbelastung
(Fig. 8 (b)) werden die elastischen Ringelemente 36 deformiert, und der Raum zwischen je
zwei an der radialen Aussenkante miteinander verlöteten Ringelementen 36 wird aufgebläht, so daß
man eine Ausdehnung des gesamten Balgmantels in axialer Richtung erhält.
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Die Erfindung ist im übrigen nicht auf eine Lötverbindung der flachen oder gewölbten Ringelemente beschränkt.
Insbesondere der radiale Aussenbereich der Ringelemente ist für ein Schweißen, insbesondere
eine Widerstandsschweißung, gut zugänglich, so daß man auehjeweils ein Paar von Ringelementen an ihrer
radialen Aussenkante verschweißen kann. Die erhaltenen Verbundkörper werden dann in dem beschriebenen
Ofenverfahren verlötet, wobei nur Lötringe von einheitlichem, kleinem Durchmesser für die Herstellung
von abgedichteten Verbindungsstellen im radialen Innenbereich benötigt werden. Nicht zuletzt besteht
auch die Möglichkeit, die Ringelemente mittels eines geeigneten Klebers abgedichtet miteinander zu verkleben.
Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder hat eine
anhand von Fig. 9 beschriebene, bevorzugte Anwendung für die schrittweise Positionierung von
Gegenständen. Hierzu können eine Mehrzahl von Bälgen 38, 4o, 42 an ein und derselben KraftabT
nähme 5 angreifen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein ortsfester Verankerungsblock 1 über einen ersten Balg 38 mit einem beweglichen
Zwischenglied 44 verbunden. Dieses steht über einen zweiten Balg 4o mit der Kraftabnahme
5, und diese ihrerseits steht über einen dritten
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BALG/42 mit einem zweiten, ortsfesten Verankerungsblock 1 in Verbindung. Druckmittelanschlüsse zur
Versorgung des ersten und dritten Balgs 38,42 sind in den Verankerungsblöcken 1 vorgesehen,
und zur Druckmittelbeaufschlagung des Zwischenbalg 4o dient ein Druckmittelanschluß in dem Zwischenglied
44. Fig. 9a verdeutlicht eine Ausgangsstellung der Kraftabnahme 5, bei der der erste und zweite
BaIf 38, 4o komprimiert, und der dritte Balg 42 expandiert ist. Wird nun beispielsweise der zweite
Balg 4o mit einem wohldefinierten Druckpegel beaufschlagt,
während zugleich der dritte Balg 42 entlastet wird, so wird die Kraftabnahme 5 um einen
Arbeitshub des zweiten Balgs 4o verschoben, und sie gelangt in eine Zwischenstellung (Fig. 9b).
Die anschließende Druckbeaufschlagung des ersten Balgs 38 überführt die Kraftabnahme 5 in eine Endstellung
gemäß Fig. 9 (c). Aus dieser kann sie durch Druckbeaufschlagung des dritten Balgs 42
bei Druckentlastung der Bälge 38, 4o in die Ausgangsstellung
zurückgestellt werden. Durch die Anordnung einer entsprechenden Zahl von Bälgen 38,4o,
42 läßt sich also die Kraftabnahme 5 schrittweise um einen wohldefinierten Hub verstellen, was für
vielfältige Transport- und Positionierzwecke ausgenutzt werden kann.
Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder kann schließlich
- 23 -
. as.
auch als Stoßdämpfer eingesetzt werden. Hierzu eignet sich besonders die in Fig. 3 dargestellte,
konische Form des Balgzylinders. Der Innenraum des Arbeitszylinders wird unter einem Druck abgeschlossen,
der höher ist als der der umgebenden Atmosphäre. Auftreffende Stöße oder Schläge werden
durch eine elastische Deformation des Balgmantels unter Erhöhung des Innendrucks aufgefangen. Gegebenenfalls
kann man den Innendruck auch über eine Drosselstelle zur Atmosphäre hin entlassen.
Schließlich kann der erfindungsgemäße Arbeitszylinder
auch als Pumpe Verwendung finden, indem man ihn durch äußere Kräfte betätigt und seinen Innenraum als
Druckquelle anzapft.
Der erfindungsgemäße Arbeitszylinder hat vielfältige
Anwendungen z.B. für Handhabungsgeräte, Industrieroboter, Transpereinrichtungen, Lader, Entlader
und alle möglichen Arten von Automaten, bei denen es an entscheidender Stelle auf ein geringes Gewicht
und ein hohes Maß an Flexibilität ankommt. Er kann sowohl mit Druckluft, als auch mit Vakuum, Hydraulik
und Luft beaufschlagt werden.
Claims (1)
19.1o.1984 D 9422-nral
Festo KG , 73oo Esslingen / Neckar
Aus Ringelementen aufgebauter Arbeitszylinder
Ansprüche
1. Aus Ringelementen (2) aufgebauter Arbeitszylinder zur Hin- und Herbewegung
einer Kraftabnahme (5) innerhalb eines begrenzten Hubbereichs, dessen Ringelemente (2) elastisch verformbar
und unter Bildung einer balgartigen Struktur alternierend in Bereichen größeren und kleineren
Durchmessers abgedichtet miteinander verbunden sind.
2. Arbeitszylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringelemente (2) in einer durch Druckeinwirkung ausgefahrenen Position vorgeformt sind
3. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil
der Verbindungsstellen zwischen den Ringelementen (2)
durch Hartlöten hergestellt ist.
4. Arbeitszylinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringelemente (2) in ihrem
Leaserschweissung radialen Aussenbereich durch Widerstandsschweissung oder/
und radial innen durch Hartlöten verbunden sind.
5. Arbeitszylinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (2)
miteinander verklebt sind.
6. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (2) eine tassenartig gewölbte Form haben,
und daß benachbarte Ringelemente in spiegelsymmetrischer Anordnung zu ihrer Berührfläche
miteinander verbunden sind.
7. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelemente (36) flach sind.
8. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Balg an der Kraftabnahme (5) angreift, der zu
deren Betätigung mit einem Druckmittel beaufschlagbar und/oder evakuierbar ist.
9. Arbeitszylinder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er durch die Kraft eines
Federelements, Schwerkraftwirkung oder durch Evakuieren in seine Ausgangsposition zurückstellbar
ist.
10. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines doppelt wirkenden oder differentialdruckbetätigten
Arbeitszylinders zwei unabhängig voneinander beaufschlagbare Bälge an der Kraftabnahme (5)
angreifen.
11. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von einer in mehreren Stufen verstellbaren
Positioniervorrichtung mehr als zwei unabhängig voneinander beaufschlagbare Bälge zur Betätigung
der Kraftabnahme (5) vorhanden sind.
12. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Balgs mit einem zu Befestigungszwecken sowie
zur Abdichtung geeigneten Anschlußteil (13) verbunden, insbesondere verlötet ist.
13. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der
Arbeitszylinder eine insbesondere gerade oder
gekrümmt verlaufende Führungsstange (3) enthält, die den Balg durchsetzt und an der die Kraftabnahme (5) geführt ist.
14. Arbeitszylinder nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Verankerungsblöcke (1)
aufweist, die die Führungsstange (3) halten, und daß die Balganordnung abgedichtet zwischen den
Verankerungsblöcken (1) aufgenommen ist.
15. Arbeitszylinder nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Druckmittelanschlüsse (6)
in den Verankerungsblöcken (1) vorgesehen sind.
16. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche
1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß er einen näherungsweise konischen Balgmantel aufweist,
der aus Ringsegmenten (8,9) von unterschiedlicher, zwischen benachbarten Ringsegmenten (8,9) sich
progressiv ändernder Größe zusammengesetzt ist.
17. Arbeitszylinder nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Balgmantel
mit einem Innendruck abschließbar ist, der größer oder gleich dem umgebenden Atmosphärendruck ist,
so daß der Arbeitszylinder gegenüber äußerer
Krafteinwirkung als Stoßdämpfer fungieren kann.
18. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß er mit Druckluft beaufschlagt werden kann.
19. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß er mit Luft beaufschlagt werden kann.
20. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich der durch äußere Krafteinwirkung
in dem Arbeitszylinder erzeugte Überdruck als Druckquelle anzapfen läßt.
21. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß er mit Hydraulikmedium beaufschlagt werden kann.
22. Arbeitszylinder nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß er mit Vakuum beaufschlagt werden kann.
23. Verfahren zur Herstellung eines Arbeitszylinders nach
einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ringsegmente (2) mit zwischengelegten Hartlotringen
(11, 12) auf einen vorzugsweise aus Lotmaterial abweisender Keramik bestehenden Stab (15) aufzieht, und den Ringstapel
in Axialrichtung spannt und in einem Ofen erhitzt, so daß die Hartlotringe (11, 12) schmelzen und die Ringsegmente
(2) miteinander verbinden.
3Λ40278
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ringsegmente (2) nach dem abdichtenden Verlöten
durch Anlegen eines maximalen Innendrucks bei ausgefahrenem
Arbeitszylinder vorformt.
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