DE4031185C2 - Pneumatischer Drehantrieb für die genaue Positionierung eines Kraftabnehmers - Google Patents
Pneumatischer Drehantrieb für die genaue Positionierung eines KraftabnehmersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen pneumatischen Drehantrieb für die genaue
Positionierung eines Kraftabnehmers in einem vorgegebenen Winkel in
Verbindung mit einem definierbaren Drehmoment, bestehend aus einem an
eine Druckluftquelle anschließbaren Gehäuse, in dem eine Welle gelagert
ist, die zumindest einen Drehflügel trägt, und auf einem Wellenstumpf einen Drehgeber, und die Drehkraft auf den
Kraftabnehmer überträgt, wobei der Drehflügel mit Druckluft über ein
servopneumatisch steuerbares Stetigventil beaufschlagbar ist, wobei
die genaue Positionierung durch ein taktweise erzeugbares
Kräftegleichgewicht der Druckluft auf den beiden einander abgewandten
Oberflächen des Drehflügels einstellbar ist, und wobei der Drehgeber
mit Abstand zum Kraftabnehmer auf dem Wellenstumpf
angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft hierzu alternativ auch einen pneumatischen
Drehantrieb mit einem Gehäuse, in dem eine Welle gelagert ist, die ein
Zahnritzel trägt, das in eine Zahnstange eingreift, die an einem
Doppelkolben befestigt ist, der in einem Zylindergehäuse durch Druckluft
beaufschlagbar und hin- und herbewegbar ist, gemäß den Gattungsmerkmalen
des Anspruchs 4.
Bekannterweise werden pneumatische Drehantriebe eingesetzt, die nur in
Endlagenstellungen drehen. Die dafür verwendeten Drehflügel schlagen
gewissermaßen hin und her, indem sie von einer Endstellung in die andere
Endstellung bewegt werden. Derartige Zweistellungsdrehantriebe mit
Drehflügel gelten als direkt wirkende Antriebe. Die Stellungen werden
durch mechanische Begrenzungen definiert. Es ist auch möglich, in den
Endlagen Dämpfungsmittel anzuordnen. Der Drehwinkel solcher
Zweistellungsdrehantriebe ist auf etwa 280 Grad begrenzt. Die restlichen
Umfangsteile werden für Anschlagmittel, Dämpfungsmittel u. dgl.
benötigt.
In der Robotik sind diese Eigenschaften oft unzureichend. Pneumatische
Robotersysteme verlangen häufig eine freie Positionierarbeit des
Drehflügels um die Z-Achse. Außerdem werden hohe Taktfrequenzen
verlangt. Diesen Erfordernissen genügen weder die bekannten
Druckluftlamellenmotoren, noch die bekannten Druckluftzahnradmotoren, noch
die vorstehend beschriebenen pneumatischen Drehflügelantriebe.
Der eingangs an erster Stelle bezeichnete Drehantrieb ist bekannt (DE 32 04 067 A1).
Dieser bekannte Drehantrieb in Form eines hydraulischen Schwenkantriebs mit einem
Drehkolben-Hydro-Zylinder umfaßt eine Regeleinrichtung, die eine Druckdifferenz
zwischen den einer Drehflügelfläche jeweils zugeordnetem Druckraum sehr genau
aufrecht zu erhalten anstrebt. Hierbei ist insbesondere die Regeleinrichtung auf einem
Wellenstumpf mit einem Abstand zum Kraftabnehmer angeordnet. Der Drehantrieb
baut außerdem sehr kompakt. Das Anhalten eines solchen Drehantriebs ist jedoch
noch mit Schwierigkeiten verbunden, weil bei der Übertragung von Bremskräften eine
solche Anordnung nicht mehr beibehalten werden könnte und somit ein definierbares
Drehmoment schwer einstellbar ist.
Die gattungsgemäße Ausbildung nach Anspruch 4 ist teilweise aus der Literaturstelle
Will/Ströhl, Einführung in die Hydraulik und Pneumatik, 1. Auflage, VEB-Verlag
Technik, Berlin 1981, Seiten 115 bis 117, bekannt. Hieraus geht ein pneumatischer
Drehantrieb zur Positionierung eines Kraftabnehmers in einem vorgegebenen Winkel
als bekannt hervor mit zumindest einem in einem an eine Druckluftquelle
anschließbaren Gehäuse angeordneten Drehflügel, wobei der Drehflügel durch ein
Kräftegleichgewicht der Druckluft auf den beiden einander abgewandten Oberflächen
des Drehflügels einstellbar ist.
Es ist ferner bekannt (Literaturstelle W. Angst, Freiprogrammierbares pneumatisches
Positionieren: Technika, 26/1985, Seiten 17 bis 22, 31 bis 34), pneumatische
Stellglieder über servopneumatisch steuerbare Stetigventile taktweise mit Druckluft zu
beaufschlagen. Daraus kann jedoch nicht entnommen werden, Drehwinkel beliebiger
Größe, bei hohen Taktfrequenzen, eine genaue Positionierung des Kraftabnehmers
und ein definiertes Drehmoment für eine in der Praxis bevorzugte Bauweise zu
erzielen.
Ausgehend von dem Prinzip des Drehflügels, der den Vorteil einer kleinen
Bauweise und eines hohen Wirkungsgrades aufweist (er besitzt nicht den
Nachteil von Leckagen), liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
Drehwinkel beliebiger Größe, hohe Taktfrequenzen, eine genaue
Positionierung des Kraftabnehmers und ein definierbares Drehmoment für
eine in der Praxis vorteilhaft verwendbare Gestaltungsweise,
insbesondere eine kompakte Bauweise, zu ermöglichen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ein solcher Drehantrieb benötigt weder Dämpfungsmittel noch Anschläge
und ist in der Lage, Drehwinkel beliebiger Größe, hohe Taktfrequenzen,
eine sehr genaue Positionierung des Kraftabnehmers und ein definierbares
Drehmoment zu ermöglichen. Als Stetigventile kommen hier zwei
3/2-Wegeventile, zwei Druckventile (mit barometrischer Rückführung oder
mit Drucksensor), ein 3/2-Wegeventil und ein 3/2-Druckventil oder ein
5/2-Wegeventil zur Anwendung. Diese Lösung gestattet bei geringem
Eigengewicht ein hohes Antriebsmoment und damit sehr kurze Taktzeiten,
so daß Drehbewegungen schnell, präzise und frei programmierbar
ausgeführt werden können. Die Genauigkeit hängt von einem günstigen
Abstand des Drehgebers vom Kraftabnehmer ab.
Eines der weiteren Merkmale besteht darin, daß auf der Welle innerhalb des
Gehäuses eine Feststellbremse angeordnet ist. Diese Ausführung ist
vorteilhaft für spezielle Anwendungsfälle, bei denen sich der Antrieb in
absoluter Ruhe befinden muß. Das Bremssystem tritt dann in Aktion, wenn
die Positionierung über einen Positionsregler erfolgt ist. Die
Feststellbremse kann sich vorteilhafterweise oberhalb (hinter) oder
unterhalb (vor) dem Drehgeber oder auch vor einem Getriebe befinden.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß die Welle und der Kraftabnehmer
durch ein spielarmes Getriebe miteinander verbunden sind. Damit können
größere Winkel realisiert werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, daß der Drehgeber aus einem
Inkrementalgeber mit einer Auflösung von größer 2000 Inkrementen pro
360 Grad Umfang besteht. Es können Auflösungen bis zu 10 000 angewendet
werden. Die zu erzielende Genauigkeit kommt hierbei den Erfordernissen
der Robotik entgegen.
Der pneumatische Drehantrieb kann auch mittels einer Welle verwirklicht
werden, die ein Zahnritzel trägt, das in eine Zahnstange eingreift, die
an einem Kolben befestigt ist, der in einem Zylindergehäuse durch
Druckluft beaufschlagbar und hin- und herbewegbar ist.
Diese Alternative der Erfindung ist zur Lösung der Aufgabe durch die Merkmale
des Anspruchs 4 gestaltet.
Bei dieser Lösung können Drehwinkel größer als 270 Grad
noch in Verbindung mit einem annehmbaren Gewicht und einem
entsprechenden Drehmoment verwirklicht werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt und
werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt eines servopneumatischen
Drehflügelantriebs in Form eines Direktantriebs und
Fig. 2 einen Querschnitt eines Drehantriebs als Alternative in
Form eines indirekten Antriebs.
Gemäß Fig. 1 weist ein pneumatischer Drehantrieb für die Positionierung
eines Kraftabnehmers 1 ein Gehäuse 2 auf, das an eine Druckluftquelle 3
angeschlossen ist. In dem Gehäuse 2 ist eine Welle 4 gelagert, die einen
radial symmetrisch auf der Welle 4 angeordneten Drehflügel 5 trägt.
Auf der Welle 4 ist direkt an der Antriebsseite 6 ein Drehgeber 7
angeordnet, der im Ausführungsbeispiel aus einem Inkrementalgeber 7a
besteht, wobei einer Schlitzscheibe 7b eine Optik 7c axial
gegenüberliegt. Der Drehgeber 7 könnte auch ein anderes Funktionsprinzip
aufweisen, wie z. B. ein Leitplastikpotentiometer oder ein magnetisch
inkrementaler Drehgeber. An den Drehgeber 7 ist eine
Winkelmeßsystemschnittstelle 8 und an diese eine NC-Steuerung 9 in Form
entsprechender Regler mit einer CPU angeschlossen.
Dem Drehflügel 5 ist zumindest ein Stetigventil 10 zugeordnet, wobei
zwei 3/2-Wegeventile 10a und 10b oder zwei Druckventile oder ein
3/2-Wegeventil und ein 3/2-Druckventil oder ein 5/2-Wegeventil
eingesetzt werden können. Die genaue Positionierung des Kraftabnehmers 1
erfolgt durch ein kurzzeitig erzeugbares Kräftegleichgewicht der
Druckluft auf den beiden einander abgewandten Oberflächen 5a und 5b. Die
damit eingestellte Position wird durch eine auf der Welle 4 innerhalb
des Gehäuses 2 angeordnete Feststellbremse 11 gesichert. Auf der Welle 4
und auf einem Wellenstumpf 12 des Kraftabnehmers 1 befindet sich ein
Getriebe 13, das weitestgehend spielarm ist. An der der Abtriebsseite 14
gegenüberliegende Antriebsseite 6 ist der Drehgeber 7 angeordnet, so
daß eine genaue Ist-Soll-Wert-Regelung stattfinden kann. Der Drehgeber
7 besteht aus dem Inkrementalgeber 7a mit einer minimalen Auflösung
von 2000 Schritten pro 360 Grad Umfang.
Gemäß Fig. 2 ist ein alternativer Drehantrieb für die genaue
Positionierung des Kraftabnehmers 1 dargestellt, der ebenfalls einen
vorgegebenen Winkel in Verbindung mit einem definierbaren Drehmoment
anfährt. Das Gehäuse 2 ist an eine Druckluftquelle 3 über die erwähnten
3/2-Wegeventile 10a und 10b angeschlossen. Die Welle 4 trägt hier ein
Zahnritzel 15, das in eine Zahnstange 16 eingreift, die ihrerseits an
einem Doppelkolben 17 befestigt ist. Der Doppelkolben 17 ist in einem
Zylindergehäuse 18 durch Druckluft beaufschlagbar und in den
Pfeilrichtungen 19 hin- und herbewegbar.
Wie bei der zuvor beschriebenen ersten Alternative ist der Welle 4
direkt ein Drehgeber 7 mit einer Winkelmeßsystemschnittstelle 8 und
einer an diese angeschlossenen NC-Steuerung 9 zugeordnet. Jedem
Kolbenstirnraum 20 und 21 ist ein servopneumatisches Stetigventil 10,
z. B. ein 3/2-Wegeventil (10a und 10b) zugeordnet, und zwar in der Weise, daß
jeweils ein Teilraum 22 und ein Teilraum 23 für die Stetigventile 10a,
10b und ein Mittelraum 24 für den Drehgeber 7 gebildet ist, wodurch eine
hervorhebenswerte kompakte Bauweise des Drehantriebs entsteht. Die
beiden Einzelkolben 17a und 17b sind durch eine Stange 25 verbunden, auf
der die Zahnstange 16 befestigt ist, in die das Zahnritzel 15 eingreift.
Die Zahnstange 16 und das Zahnritzel 15 sind weitestgehend spielfrei
gestaltet. Zwischen Zahnstange 16/Zahnritzel 15 einerseits und dem
Kraftabnehmer 1 andererseits ist die Feststellbremse 11 vorgesehen.
Claims (4)
1. Pneumatischer Drehantrieb für die genaue Positionierung eines
Kraftabnehmers in einem vorgegebenen Winkel in Verbindung mit einem
definierbaren Drehmoment, bestehend aus einem an eine
Druckluftquelle anschließbaren Gehäuse, in dem eine Welle gelagert
ist, die zumindest einen Drehflügel trägt und auf einem Wellenstumpf einen
Drehgeber und die Drehkraft auf den Kraftabnehmer überträgt, wobei der
Drehflügel mit Druckluft über ein servopneumatisch steuerbares Stetigventil
beaufschlagbar ist, wobei die genaue Positionierung durch ein taktweise
erzeugbares Kräftegleichgewicht der Druckluft auf den beiden abgewandten
Oberflächen des Drehflügels einstellbar ist und wobei der Drehgeber
mit Abstand zum Kraftabnehmer auf dem Wellenstumpf angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehgeber (7) auf der Antriebsseite (6) angeordnet und mit einer
Winkelmeßsystemschnittstelle (8) und einer an diese angeschlossene NC-Steuerung (9)
verbunden ist, daß auf der Welle (4) innerhalb des Gehäuses (2) eine Feststellbremse
(11) angeordnet ist und daß die Feststellbremse (11) und der Kraftabnehmer
(1) auf der Antriebsseite (14) angeordnet sind, wobei der Drehgeber (7),
das servopneumatisch steuerbare Stetigventil (10), die Welle (4) mit dem
Drehflügel (5) und die Feststellbremse
(11) eine baulich verschließbare Einheit
bilden.
2. Pneumatischer Drehantrieb nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Welle (4) und der Kraftabnehmer (1) durch ein spielarmes Getriebe (13)
miteinander verbunden sind.
3. Pneumatischer Drehantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drehgeber (7) aus einem Inkrementalgeber (7a), einem digitalen Absolutwertgeber
oder einem Potentiometer mit einer Auflösung von 2000 Inkr./360 Grad bis 10 000
Inkr. besteht.
4. Pneumatischer Drehantrieb für die genaue Positionierung eines Kraftabnehmers
in einem vorgegebenen Winkel in Verbindung mit einem definierbaren Drehmoment,
bestehend aus einem an eine Druckluftquelle anschließbaren Gehäuse, in dem
eine Welle gelagert ist, die ein Zahnritzel trägt, das in eine Zahnstange
eingreift, die an einem Doppelkolben befestigt ist, der in einem Zylindergehäuse
durch Druckluft beaufschlagbar und hin- und herbewegbar ist,
und auf einem Wellenstumpf einen Drehgeber trägt und die
Drehkraft auf den Kraftabnehmer überträgt, wobei der Doppelkolben
mit Druckluft über ein servopneumatisch steherbares
Stetigventil im Kolbenstirnraum beaufschlagbar ist, wobei
die genaue Positionierung durch ein taktweise erzeugbares
Kräftegleichgewicht der Druckluft in den jeweiligen Kolbenstirnräumen
einstellbar ist und wobei der Drehgeber mit Abstand
zum Kraftabnehmer auf dem Wellenstumpf angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Welle (4) direkt ein Drehgeber (7) mit einer Winkelmeßsystemschnittstelle (8)
und einer an diese angeschlossene NC-Steuerung (9) und zwei an den jeweiligen
Kolbenstirnräumen (20, 21) vorgesehenen servopneumatisch steuerbaren Stetigventilen
(10) zugeordnet sind,
und wobei eine die beiden Einzelkolben (17a, 17b) verbindende Stange
(25) mit der Zahnstange (16) versehen ist und das auf der Welle (4) angeordnete
Zahnritzel (15) in die Zahnstange (16) weitestgehend spielfrei eingreift, wobei ein
Mindestabstand zwischen Drehgeber (7) und Kraftabnehmer (1) eine kompakte Bauweise
ergibt.
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