EP0177876B1

EP0177876B1 - Linearantrieb

Info

Publication number: EP0177876B1
Application number: EP85112396A
Authority: EP
Inventors: Wolf-Dieter Dr. Goedecke; Reinhard Dr. Schwenzer; Ralf Huber
Original assignee: Gas Gesellschaft fur Antriebs- und Steuerungstechnik Mbh & Cokg
Current assignee: Gas Gesellschaft fur Antriebs- und Steuerungstechnik Mbh & Cokg
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1985-10-01
Publication date: 1989-10-11
Also published as: DE3436946C2; DE3436946A1; JPH0665883B2; US5016519A; JPS6192302A; EP0177876A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einem in einer Zylinderbohrung eines Zylindergehäuses linear laufenden, kolbenstangenlosen Kolben, mit das Zylindergehäuse stirnseitig abschließenden Zylinderköpfen, mit einem auf dem Zylindergehäuse laufenden Schlitten, wobei zwischen Schlitten und Zylindergehäuse eine Längenmeßeinrichtung wirkt, die an ein elektronisches Steuergerät angeschlossen ist, und mit im Bereich der Zylinderköpfe angeordneten Ventilen, mit denen der Zylinderbohrung ein Druckmedium zum Auslenken des Kolbens zuführbar ist, wobei die Zylinderköpfe mit Einbauräumen versehen sind, die über einen Kanal mit der Zylinderbohrung verbunden sind.
Ein Linearantrieb der vorstehend genannten Art ist durch einen Prospekt der Firma ORIGA GmbH in D-7024 Filderstadt bekannt.
Linearaniriebe der eingangs genannten Art werden für verschiedene Positionieraufgaben, beispielsweise bei handhabungsgeräten, verwendet. Sie dienen zum einachsigen Verfahren beispielsweise eines Greifers oder eines anderen Werkzeugs oder aber eines weiteren Antriebs einer anderen Linear- oder Drehachse.
Den bekannten Linearantrieben ist gemeinsam, daß ein Kolben durch ein pneumatisches oder hydraulisches Druckmedium in einem Zylindergehäuse ausgelenkt und dessen Bewegung mittels einer Kolbenstange oder kolbenstangenlos mittels eines Seiles oder Bandes auf ein externes Gehäuseteil übertragen wird. Dieses Gehäuseteil und das Zylindergehäuse sind mit flanschartigen Anschlüssen versehen, um die Verbindung zu einem Werkzeug oder weiteren Antrieben herstellen zu können.
Bei der eingangs genannten Lineareinheit ORIGA sind in den Zylinderköpfen Ventile vorgesehen, um Druckluft in die Zylinderbohrung auf beiden Seiten des Kolben einlassen oder aus dieser ablassen zu können, damit sich der kolbenstangenlose Kolben in der gewünschten Weise in der Zylinderbohrung bewegt. Die Ventile sind jedoch nur teilweise in die Zylinderköpfe integriert und stehen mit einem Teil ihrer Baulänge in senkrechter Richtung zur Längsachse des Linearantriebs aus dem Zylindergehäuse vor. Dies bedeutet, daß die Freiheitsgrade der Bewegung bei dem bekannten Linearantrieb eingeschränkt sind, weil beim Kombinieren mehrerer derartiger Linearantriebe darauf geachtet werden muß, daß nicht andere Linearantriebe beim Verfahren an die seitlich vorstehenden Ventile des einen Linearantriebes anstoßen.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Linearantriebes liegt darin, daß als Ventile auf beiden Seiten des kolbenstangenlosen Kolbens Wege-Servoventile eingesetzt werden. Wege-Servoventile haben bekanntlich eine Ausgangsdruck/Ansteuerstrom-Kennlinie, die nach Art einer Sprungfunktion verläuft, weil bei geringem Ansteuerstrom der Ausgangsdruck z. B. Null ist und dann bei einem bestimmten Ansteuerstromwert sprungartig auf einen Maximalwert ansteigt. Kombiniert man nun zwei derartige Wege-Servoventile in gegenläufiger Wirkung miteinander, so entsteht ein Arbeitsdiagramm, bei dem sich zwei derartige Kennlinien, eine davon um 180° zur Ordinatenrichtung geklappt, schneiden. Der Schnittpunkt liegt in diesem Falle im Bereich der Anstiegsflanken dieser Kurven, die, wie gesagt, sehr steil verlaufen. Bei geringfügigen Verschiebungen in Abszissenrichtung, beispielsweise bei Schwankungen des Ansteuerstroms oder bei mangelhafter Justage, wandert der Arbeitspunkt in diesem Arbeitsdiagramm erheblich in Ordinatenrichtung, was an der bereits genannten Steilheit der Anstiegsflanken liegt.
Zusammengefaßt bedeutet dies, daß die bekannten Linearantriebe der eingangs genannten Art.hinsichtlich ihres Bewegungsablaufs und hinsichtlich der Präzision, insbesondere im Hinblick auf allfällige Schwankungen von Betriebsbedingungen, verbesserungsfähig sind.
Aus der US-A-2 976 852 ist ein Betätigungszylinder bekannt, bei dem an einem Zylinderkopf eine Ventileinheit angeordnet ist, die direkt auf eine Seite eines mit einer Kolbenstange versehenen Kolbens wirkt und zum anderen über eine externe Leitung mit dem gegenüberliegenden Ende der Zylinderbohrung verbunden ist. Die bekannte Betätigungsseinheit ist jedoch als Lineareinheit in Handhabungssystemen nicht einsetzbar, weil sie auf der vom Austritt der Kolbenstange abgewandten Seite baulich ausladend gestaltet ist, außerdem sind die Einstellmöglichkeiten für den Kolben dadurch beschränkt, daß ein gemeinsames Ventil zur Ansteuerung beider Kolbenseiten vorgesehen ist.
Aus der DE-A-31 30 056 ist eine Steuerventilanordnung für einen Druckmittel-Arbeitszylinder bekannt, bei der ein Kolben mit Kolbenstange verwendet wird und in beiden Zylinderköpfen Ventile vorgesehen sind. Jedoch stehen auch diese Ventile baulich teilweise über die Kontur des Zylinderkopfs vor und es werden als Ventile reine Schaltventile eingesetzt, die ebenfalls eine sprungförmige Kennlinie aufweisen.
Aus der DE-A-29 18 294 ist ein Zylinder für ein Pneumatikelement bekannt, ohne daß jedoch auf die Bauweise der verwendeten Ventile oder deren Anordnung besonders eingegangen würde.
Aus der EP-A-017 779 ist ein Obergabegerät zum Zuführen und Weitergeben von Serienteilen bekannt, bei dem Längsbohrungen im Gehäuse vorgesehen sind, über die alternativ eine Pneumatikenergie für den Antrieb oder eine elektrische Energie mittels eines Kabels von einem Ende zum anderen Ende übertragen werden kann.
Weitere Linearantriebe sind noch aus der DE-U-83 10 037, aus der FR-A-1 436 078, aus der GB-A-889 149, der US-A-3 233 523 sowie der US-A-3 060 901 bekannt, wobei auch diese bekannten Linearantriebe hinsichtlich ihrer baulichen Ausladung und hinsichtlich des Arbeitsverhaltens der jeweils verwendeten Ventile die bereits ausführlich geschilderten Nachteile aufweisen.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei sehr kompakten handhabungsgeräten lineare Antriebsaufgaben mit hoher Präzision ausgeführt werden können, auf die sich Schwankungen der Arbeitsparameter, mechanische Dejustierungen und dgl. nicht oder nur geringfügig auswirken können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ventile in Gestalt einer Ventilpatrone in die Einbauräume vollständig einschiebbar sind und daß die Ventile beides 3/2-Druck-Servo-ventile oder ein Druck-Servoventil und ein Wege-Servoventil sind, mit denen die Kanäle wahlweise an eine Druckquelle oder einen Auslaß schaltbar sind.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst, weil die vollständige Integration der Ventile in den Einbauräumen nicht zu seitlich vorstehenden Elementen führt, die die Bewegungsfreiheit des Linearantriebs oder kombinierter weiterer Linearantriebe einschränken würde. Durch die Kombination von zwei Druck-Servoventilen oder eines Druck-Servoventils mit einem Wege-Servoventil wird schließlich erreicht, daß ein Arbeitsdiagramm entsteht, bei dem sich im erstgenannten Fall zwei Kennlinien mit relativ flach verlaufender Kennlinie schneiden oder im zweitgenannten Fall eine Sprungfunktion mit einer relativ flach verlaufenden Kennlinie geschnitten wird. In beiden Fällen entsteht ein Arbeitspunkt als Schnittpunkt, der sich bei Variation der Betriebsparameter in einer Koordinatenrichtung in der jeweils anderen Koordinatenrichtung nicht oder nur sehr geringfügig ändert.
Insgesamt ist auf diese Weise möglich, auch bei sehr kompakten Handhabungsgeräten diffizile Handhabungsvorgänge präzise und reproduzierbar ausführen zu können.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Seil, Band oder dgl. auf beiden axialen Seiten des Kolbens befestigt und zieht den Schlitten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verlaufen Längskanäle zur Aufnahme von Druckmedien oder elektrischen Leitungen im Zylindergehäuse, um die Ventile beider Zylinderköpfe von einem der Zylinderköpfe aus anzusteuern.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß der erfindungsgemäße Linearantrieb lediglich an einem Zylinderkopf mit Kabeln und Schläuchen versehen werden muß, gleichzeitig aber die Ventile an beiden Zylinderköpfen versorgt werden. Der Gesamtaufwand für Verkabelung und Verschlauchung wird auf diese Weise reduziert und damit wird die Bewegungsfreiheit des Linearantriebs bzw. weiterer Antriebe erhöht.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Zylinderkopf mit weiteren Einbauräumen versehen, von denen Kanäle zu einer vorzugsweise flanschartigen Oberfläche des Zylinderkopfs führen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß zusätzliche Miniatur-Magnetventile integriert werden können, die zur Ansteuerung von Bremsen, Greifern, Rotationsantrieben, Kurzhubantrieben und dgl. dienen können. Es entfallen somit die bereits erwähnten, beim Stand der Technik noch erforderlichen separaten Kabel und Schläuche zu diesen nachgeschalteten Einrichtungen, die ebenfalls die Bewegungsfreiheit und damit Ansprechgeschwindigkeit des gesamten Handhabungsgeräts vermindern können.
Schließlich ist noch eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die Längenmeßeinrichtung an ein elektronisches Steuergerät angeschlossen ist, dem weiterhin über den Eingang ein Soll-Wert zuführbar ist, wobei das Steuergerät die Ventile steuert.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 eine Schnittdarstellung in Längsrichtung durch einen Linearantrieb ;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung in radialer Richtung entlang der Linie 11-11 von Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Darstellung wie Fig. 2, jedoch entlang der Linie 111-111 von Fig. 1 ;
Fig. 4 eine Schemadarstellung eines Schaltplanes mit elektrischen Leitungen und Druckleitungen zur Erläuterung der Lageregelung und Ansteuerung eines erfindungsgemäßen Linearantriebes ;
Fig. 5 eine Variante der Ansteuerung gemäß Fig. 4.

In Fig. 1 ist mit 10 gesamthaft ein Linearantrieb bezeichnet. Ein Zylindergehäuse 11 umschließt eine Zylinderbohrung 12, in der ein Kolben 13 läuft. Der Kolben 13 betätigt ein Seil 14, das beidseitig durch Durchlaßbohrungen 15 bzw. 16 in Zylinderköpfen 17 bzw. 18 geführt ist. Das Seil 14 wird außerhalb der Zylinderköpfe 17, 18 über Umlenkrollen 19, 20 umgelenkt und greift außerhalb des Zylindergehäuses 11 beidseitig an einem Schlitten 21 an, der auf dem Zylindergehäuse 11 läuft.
Wird beispielsweise der Kolben 13 nach links ausgelenkt, drehen sich die Umlenkrollen 19, 20 in Uhrzeigerrichtung, und der Schlitten 21 verfährt nach rechts auf dem Zylindergehäuse 11. Eine in Fig. dargestellte Längenmeßeinrichtung 22 wirkt dabei zwischen dem Schlitten 21 und dem Zylindergehäuse 11.
Der Schlitten 21 trägt einen in Fig. 1 nicht dargestellten Flansch zum Anschluß an weitere Antriebe oder Werkzeuge.
Wie man aus Fig. 1 und 2 erkennen kann, ist der Zylinderkopf 17 mit einem unteren Einbauraum 30 versehen, der sich quer zur Längsachse des Linearantriebes 10 erstreckt und über einen Kanal 31 mit der Zylinderbohrung 12 verbunden ist. In entsprechender Weise ist im Zylinderkopf 17 ein oberer Einbauraum 32 vorgesehen, von dem ein Kanal 33 jedoch zu einer Oberfläche 41 des Zylinderkopfes 17 führt, die flanschartig ausgebildet sein kann.
Der gegenüberliegende Zylinderkopf 18 ist identisch aufgebaut wie der Zylinderkopf 17 und verfügt demzufolge über Einbauräume 30a, 32a sowie Kanäle 31 a bzw. 33a und eine Oberfläche 41 a.
Wenn die Oberflächen 41 oder 41 a flanschartig ausgebildet sind, können an ihnen weitere Antriebe oder Werkzeug befestigt sein, wie dies bereits weiter oben zum Flansch am Schlitten 21 geschildert wurde. Der Linearantrieb 10 ist dann ein Glied in einer Kette von Antrieben und/oder Werkzeugen, die beispielsweise ein Handhabungsgerät bilden.
Man erkennt aus Fig. 1 und 2, daß die Ausführungsform mit in die Zylinderköpfe 17, 18 integrierten Einbauräumen 30, 30a, 32, 32a besonders platzsparend ist und eine unmittelbare Verbindung über die Kanäle 31, 31 a mit der Zylinderbohrung 12 bzw. über die Kanäle 33, 33a mit nachgeordneten Antrieben oder Werkzeugen gestattet.
In Fig. 2 ist mit weiteren Einzelheiten dargestellt, wie eine Ventilpatrone 35 in den Einbauraum 30 eingesetzt ist. Die Ventilpatrone 35 umfaßt eine Vorstufe 36, die beispielsweise ein Torquemotor, eine Tauchspule, ein System Tauchspule-Düse-Prallplatte oder ein Elektromagnet sein kann. Die Ventilpatrone 35 umfaßt ferner eine Hauptstufe 37, die beispielsweise ein Schieberventil oder ein Sitzventil sein kann. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Schieber 38 zu erkennen, der zwischen einem Zufluß 39 und einem Abfluß 40 wirkt.
Im einfachsten Falle braucht daher der Einbauraum 30 von außen nur mit einem Steuerkabel für die Vorstufe 36 und einem Druckluftanschluß für die Hauptstufe 37 versehen zu sein.
Man erkennt aus Fig. 2 weiter, daß die Längsachse des Schiebers 38 sich quer zur Längsachse des Linearantriebes 10 erstreckt, so daß bei in Richtung der Längsachse des Linearantriebes 10 wirksamen Beschleunigungskräften während des Betriebes des Antriebes sich keine Störungen hinsichtlich der axialen Länge des Schiebers 38 ergeben können.
Aus dem im unteren Teil von Fig. 1 erkennbaren Teilausschnitt und aus Fig. 3 kann man erkennen, daß weiterhin Längskanäle 34 und 34a parallel zur Zylinderbohrung 12 verlaufend vorgesehen sein können. Beispielsweise kann der Längskanal 34 für das Druckmedium, beispielsweise Druckluft, und der Längskanal 34a zur Aufnahme von elektrischen Steuerkabeln vorgesehen sein.
In diesem Falle würde es dann im einfachsten Fall genügen, zum Zylinderkopf 17 eine Druckleitung und zwei Steuerkabeln zu führen, wobei der Druck über den Längskanal 34 und eines der Steuerkabel über den Längskanal 34a zum Zylinderkopf 18 geleitet werden kann, der dann einer eigenen Verkabelung und Verschlauchung nicht mehr bedarf. Es genügt demzufolge am Zylinderkopf 17 ein einziger zentraler Druckluftanschluß und ein einziger zentraler Elektroanschluß zur Ansteuerung sämtlicher Ventile des Linearantriebes 10 selbst sowie ggf. auch der nachgeordneten Antriebe oder Werkzeuge, wenn auch die in den Einbauräumen 32 und 32a angeordneten Ventile in der genannten Weise gesamthaft vom gemeinsamen Anschluß versorgt werden.
Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung die Ansteuerung eines Linearantriebes 50, der mit einer Kolben-Zylinder-Einheit 51 arbeitet, die doppelt wirkend ausgebildet ist. Ein Seil 52 wirkt über einen Schlitten mit einer Längemmeßeinheit 53 zusammen.
Die Kolben-Zylinder-Einheit 51 ist mit einem linken Anschluß 56 und einem rechten Anschluß 57 für das Druckmedium versehen. Zum linken Anschluß 56 bzw. zum rechten Anschluß 57 führt ein 3/2-Wege-Servoventil 58 bzw. ein Druck-Servo-Ventil 59. Die beiden Eingänge der Ventile 58, 59 sind mit einer Druckquelle 60 bzw. einem Auslaß 61 beschaltet. Erregerspulen 63 bzw. 64 der Ventile 58, 59 sind an ein elektronisches Steuergerät 65 angeschlossen. Dem Steuergerät 65 wird über eine Leitung 66 von der Längenmeßeinheit 53 ein Wert zugeführt, der dem Lage-Ist-Wert des Schlittens und damit auch des Kolbens entspricht. Über einen Eingang 67 kann dem Steuergerät 65 ein Soll-Wert zugeführt werden. Aus der Differenz von Soll-Wert und Ist-Wert bildet das Steuergerät 65 Signale, mit denen die Spulen 63 bzw. 64 angesteuert werden.
Sind die Ventile 58, 59 in der in Fig. 4 eingezeichneten Position, wird der Kolben beidseitig mit Druck beaufschlagt und verharrt in der eingezeichneten Position.
Wird nun beispielsweise das Ventil 58 nach links umgeschaltet, wird der linke Anschluß 56 mit dem Auslaß 61 verbunden, und der Kolben kann sich nach links bewegen.
Im Gegensatz dazu ist bei der Variante gemäß Fig. 5 eine Anordnung gewählt worden, bei der Ventile 70, 71 zwar in derselben Weise verschaltet sind, wie dies bereits Fig. 4 zeigte, die Ventile 70, 71 sind jedoch als Druck-Servo-Ventile ausgebildet, wozu Leitungen 72 bzw. 73 von den Anschlüssen 56 bzw. 57 auf die Stirnflächen der Schieber der Ventile 70, 71 geführt sind. Diese interne Druckrückführung führt zu einer Verbesserung des Regelverhaltens, so daß Justageprobleme, wie sie bei einer Kombination von Wege-Servoventilen 58 auftreten könnten, vermieden werden.

Claims

1. Linearantrieb mit einem in einer Zylinderbohrung (12) eines Zylindergehäuses (11) linear laufenden, kolbenstangenlosen Kolben (13), mit das Zylindergehäuse (11) stirnseitig abschließenden Zylinderköpfen (17, 18), mit einem auf dem Zylindergehäuse (11) laufenden Schlitten (21), wobei zwischen Schlitten (21) und Zylindergehäuse (11) eine Längenmeßeinrichtung (22 ; 53) wirkt, die an ein elektronisches Steuergerät (65) angeschlossen ist, und mit im Bereich der Zylinderköpfe (17, 18) angeordneten Ventilen (58, 59 ; 70, 71), mit denen der Zylinderbohrung (12) ein Druckmedium zum Auslenken des Kolbens (13) zuführbar ist, wobei die Zylinderköpfe (17, 18) mit Einbauräumen (30, 30a) versehen sind, die über einen Kanal (31, 31a) mit der Zylinderbohrung (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (58, 59 ; 70, 71) in Gestalt einer Ventilpatrone (35) in die Einbauräume (30, 30a) vollständig einschiebbar sind, und daß die Ventile beides 3/2-Druck-Servoventile (70, 71) oder ein Druck-Servoventil (59) und ein Wege-Servoventil (58) sind, mit denen die Kanäle (31, 31 a) wahlweise an eine Druckquelle (60) oder einen Auslaß (61) schaltbar sind.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Seil (14 ; 52), Band oder dgl. auf beiden axialen Seiten des Kolbens (13) befestigt ist und den Schlitten (21) zieht.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Längskanäle (34, 34a) zur Aufnahme von Druckmedien und elektrischen Leitungen im Zylindergehäuse (11) verlaufen, um die Ventile (58, 59; 70, 71) beider Zylinderköpfe (17, 18) von einem der Zylinderköpfe (17, 18) aus anzusteuern.

4. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zylinderkopf (17, 18) mit weiteren Einbauräumen (32, 32a) versehen ist, von denen Kanäle (33, 33a) zu einer vorzugsweise flanschartigen Oberfläche (41, 41a) des Zylinderkopfes (17, 18) führen.

5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenmeßeinrichtung (22; 53) an ein elektronisches Steuergerät (65) angeschlossen ist, dem weiterhin über einen Eingang (67) ein Soll-Wert zuführbar ist und daß das Steuergerät (65) die Ventile (58, 59 ; 70, 71) steuert.