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Steuereinrichtung für einen einfach wirkenden pneumatischen Servomotor
Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für einen einfach wirkenden pneumatischen
Servomotor mit einer flexiblen Steuermembran, deren eine Arbeitsfläche federbelastet
ist und deren andere Arbeitsfläche durch ein Druckmittel mit einem Steuerdruck beaufschlagt
wird, wobei die nach Maßgabe von Druckveränderungen des Steuerdrucks hervorgerufenen
Membranbewegungen ein Hauptsteuerventil für die Beaufschlagung oder Entlastung des
Betätigungsgliedes des Servomotors verstellen.
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Durch die Erfindung soll eine Steuereinrichtung dieser Art vorgeschlagen
werden, bei der Veränderungen des effektiven Druckbereiches vorgenommen werden können.
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Es sind schon eine Anzahl von Steuerventilen bekannt, deren Verschlußstücke
mit einem Servomotor zusammenarbeiten. Bei einem dieser bekannten Vorschläge ist
beispielsweise ein Steuerkolben vorgesehen, der über entsprechende Druckanschlüsse
im Arbeitszylinder doppeltwirkend ausgebildet ist. Mittels eines verstellbaren Anschlages
können dabei die Hubbewegungen des Kolbens nach Wunsch begrenzt werden. Eine flexible
Steuermembran ist bei diesem bekannten Ventil nicht vorhanden.
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Bei anderen bekannten Ventilen sind zwar Membranen für die Steuerung
der Ventilschlußstücke vorgesehen, wobei im einen Fall der Weg des Ventilschlußstückes
durch einen festen Anschlagring begrenzt ist, während im anderen Fall ein verstellbarer
Anschlag für die Steuermembran im Ventiloberteil eingeschraubt ist, jedoch sind
auch diese bekannten Vorschläge ebensowenig wie die vorstehend aufgeführten geeignet,
die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zu lösen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die wirksame
Arbeitsfläche der Steuermembran durch mehrere konzentrische Ringe von verschiedenem
Durchmesser, die auf verschieden großen Durchmessern der Membran mit ihr in oder
außer Berührung gebracht werden können, verkleinert bzw. vergrößert werden kann.
Die konzentrischen Ringe von verschiedenem Durchmesser können mit Schraubgewinde
ineinandergreifen. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist es auf einfache Weise
möglich, den Arbeitsdruckbereich der Einrichtung in weiten Grenzen zu variieren,
wobei zusätzlich für Feineinstellungen eine einstellbare Druckfeder vorgesehen sein
kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen
stellt dar: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht einer pneumatischen Steuervorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt längs der
Linie 3-3 in Fig. 4, Fig. 4 ein Detail der Steuervorrichtung in Untersicht, Fig.
5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4. Aus der Fig. 1, der Draufsicht, geht
hervor, daß die Einrichtung eine zylindrische Form besitzt. Es ist ein Flanschansatz
vorhanden, an dem die Hauptdruckluftleitung bei 10 und die Steuerdruckleitung bei
11. anschließen. In jedem Leitungsanschluß ist ein Filter 16 angeordnet und
von jedem Leitungsanschluß aus erstrecken sich Durchtritte zum Grundkörper 20 der
Einrichtung. Der Grundkörper selbst besteht aus einem Unterteil 21, an dem auch
die Anschlüsse 10 und 11 angeordnet sind, sowie aus einem Oberteil 22, der mittels
einer Dichtung 23 auf dem Unterteil 21 befestigt ist.
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Die Oberfläche des Teiles 22 besitzt eine Ausnehmung 24, _ die die
Steuerkammer bildet. Oberhalb dieser Ausnehmung ist die Steuermembran 25 angeordnet.
Sie ist mit dem Oberteil 22 mittels eines Klemmringes 27 verbunden, der durch Schrauben
28 in seiner Lage festgehalten wird. Die Schrauben 28
halten ebenfalls
die Teile 21 und 22 und die Dichtung 23 zusammen. Ein Durchtritt 30 (Fig. 4) steht
über einen weiteren und nicht dargestellten Durchtritt im Grundkörper 21 mit dem
Anschluß 11 in Verbindung und erzeugt den Steuerdruck für diese Kammer 24.
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Wie aus Fig.2 hervorgeht, befindet sich in der Mitte der Steuermembran
25 eine zweiteilige Anordnung 32 und 33. Der Teil 32 liegt innerhalb der Steuerkammer
24 und besitzt einen mit einem Gewinde versehenen Vorsprung, der sich durch die
Membran hindurch erstreckt und zum Befestigen des mit Innengewinde versehenen Teiles
33 auf der oberen Oberfläche der Membran dient. Durch die Teile 32 und 33 hindurch
erstreckt sich ein drahtähnliches Verbindungselement 35, das an seinem oberen Ende
einen Abschlußbund 36 trägt. Dieser Abschlußbund liegt gegen eine Gewindebuchse
an, die in den Teil 32 eingeschraubt ist und durch die sich das Element 35
hindurch erstreckt. Von der Steuerkammer aus verläuft das Element 35 durch einen
Durchtritt 38 im Grundkörper 22 zu einer Steuerplatte 40, die zu einem Hauptsteuerventil
gehört und weiter unten noch beschrieben wird.
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Ebenfalls in der Kammer 24 und mit dem Teil 32 verbunden ist ein Dichtelement
42 angeordnet, welches hohe Drücke im Durchtritt 38 von der Steuerkammer 24 wirksam
abdichtet. Vertikale Bewegungen der Steuermembran sind jedoch möglich, da sich die
Dichtung 42 strecken oder zusammendrücken läßt. Ein Flanschring 45 befindet sich
ebenfalls in der Kammer 24. Dieser Flanschring hält das ringförmige, kanalähnliche
Dichtungselement 42 in seiner Lage fest.
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Auf dem Teil 33 ist eine zweiteilige Anordnung aus einem Becher
60 und einem zweiten, flacheren Becher 61, der lose auf dem Becher 60 aufgepaßt
ist, befestigt. Der Becher 60 ist so auf den Teil 33 aufgeschraubt, daß sich eine
gut abdichtende Anlage gegen die obere Oberfläche der Steuermembran 25 ergibt. Dadurch
wird verhindert, daß Druckluft entweichen kann, die aus der Kammer 110 durch den
Durchtritt 38 und entlang dem nur mit losem Sitz gehaltenen drahtähnlichen Verbindungselement
35 in den durch den Becher 60 umgebenen Raum eindringt. Der Becher 61 trägt einen
federbelasteten Aufbau 65, der ebenfalls Becherform besitzt, jedoch im Durchmesser
sehr viel größer ist. Das untere Ende dieses Aufbaus ist mit einem Randflansch 66
versehen, an dem das untere Ende einer Spiralfeder 73 anliegt. Das entgegengesetzte
Ende dieser Spiralfeder findet sein Widerlager an einem Federeinstellelement 68,
das zur Einstellung der Federkraft in einen Vorsprung 70 im Unterteil 21 eingeschraubt
ist. Durch Schraubbewegung kann das Element 68 gegen den Unterteil 21 in der Höhe
eingestellt werden, wobei sich in der erläuterten Weise die Einstellung der Federkraft
ergibt und damit auch die Vorspannung, die über die Teile 60 und 61 auf die Steuermembran
übertragen wird, verändert werden kann. Die Feder 73 wirkt den durch den Steuerdruck
verursachten Kräften auf der Unterseite der Steuermembran entgegen. Die Bewegungen
der Steuermembran werden über das drahtähnliche Verbindungselement 35 auf die Platte
oder den Hebel 40 des Hauptsteuerventils übertragen, wie dies in Einzelheiten in
den Fig. 3 bis 5 dargestellt ist.
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Der wirksame Arbeitsbereich oder der Druckbereich der Steuermembran
wird durch die wirksame Membranfläche bestimmt. Die erfindungsgemäße Änderung dieser
wirksamen Fläche wird nachfolgend erläutert.
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In den Klemmring 27 sind zwei weitere Ringe 46 und 47 eingeschraubt,
und zwar jeweils konzentrisch. Diese Ringe sind einstellbar und besitzen Werkzeugöffnungen
50. Wenn in diese Öffnungen 50 übliche Werkzeuge eingesetzt werden,
lassen sich die Ringe 46 und 47 durch Drehen in ihrer Höhe gegenüber dem Klemmring
27 einstellen. Durch diese Einstellung wird das unwirksame Randgebiet der Steuermembran
vergrößert oder verkleinert und damit entsprechend ihre wirksame Fläche verkleinert
oder vergrößert. Insgesamt sind drei Ringe 27, 46 und 47 vorgesehen, so daß sich
drei Arbeitsbereiche für die Steuermembran ergeben.
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In den Fig. 3, 4 und 5 sind Einzelheiten des Grundkörpers 22 und der
auf diesem Grundkörper befestigten Steuermembran dargestellt, wobei in den Fig.
3 und 5 die dargestellten Details gegenüber der Fig. 2 um 1.80° gedreht sind. Auf
der Unterseite des Körpers 22 ist die Steuerplatte 40 des Hauptsteuerventils befestigt.
Aus Fig.4 geht hervor, daß die Hauptdruckluftleitung über den Durchtritt 75 geleitet
wird, der mit einem Durchtritt 76 (Fig. 2) im Grundkörper 21 in Verbindung steht
und zum Hauptluftanschluß 10 führt. Auf der Unterfläche des Grundkörpers 22 sind
Dichtungen 80 und 81 vorgesehen, in denen kugelförmige Dichtungskörper 82 und 83
gelagert sind. Diese Körper verschließen die zu den genannten Dichtungen führenden
Durchtritte. Der Durchtritt 75 läuft in der Ausnehmung 80 aus, und ein weiterer
Durchtritt 86 erstreckt sich zwischen der Ausnehmung 81 und der freien Atmosphäre.
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Die Kugeln 82 und 83 werden durch Federn 88 bzw. 89 von ihrem Sitz
abgehoben und durch die Steuerplatte 40 in ihrer Lage in der jeweiligen Ausnehmung
festgehalten. Die Steuerplatte ist mit dem Grundkörper 22 über zwei Schrauben 91
und 92 verbunden, deren Köpfe die Auswärtsbewegung der Platte begrenzen. Eine Vorspannfeder
96 ist in einer Ausnehmung 95 im Grundkörper 22 (Fig. 3) angeordnet. Diese Feder
drückt den von den Kugeln 82 und 83 abgelegenen Teil der Platte nach unten.
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Das drahtähnliche Verbindungselement 35, das die Verbindung zur Steuermembran
herstellt, ist durch eine Öffnung 100 in der Platte hindurchgesteckt und mit einem
Befestigungsbund 101 abgesichert. Es ist erkennbar, daß auf Grund der Anordnungen
der Berührungspunkte der Platte 40 mit der Feder 96, dem Element 35 und den Kugeln
83 und 82 zueinander eine Bewegung der Platte auftritt, wenn sich die Steuermembran
25 bewegt. Hierbei wird die eine oder die andere der beiden Kugeln betätigt und
der jeweilige Durchtritt 86 oder 75, der der von der Platte betätigten Kugel zugeordnet
ist, verschlossen und der andere geöffnet. Beide Kugelventile öffnen sich in die
Servomotorkammer 110.
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In Fig. 2 ist die Steuervorrichtung nicht auf einem zugeordneten Servomotor
befestigt gezeigt. Sie ist jedoch mit einem Dichtring 105 und einem Gewindeansatz
106 dargestellt, mittels der sie auf einem pneumatischen Servomotor, z. B. einem
Zylinder mit Kolben, befestigt sein kann. Die Hauptkammer 110 kann sich in die variable
Kammer des Servomotors einpassen, obgleich dies nicht mehr besonders dargestellt
ist. Eine Feder 120, die in einer kreisförmigen Ausnehmung 121 im Grundkörper 22
gelagert ist, trägt an ihrem unteren Ende eine Platte 123, die
gegen
den beweglichen Teil der zu betätigenden Einrichtung, d. h. den Kolben oder eine
Membran, anliegt. Durch die Feder 120 folgt die Platte 123 den Bewegungen im Servomotor.
Mit dieser Platte ist weiterhin eine Rückführfeder 125 verbunden, die mit ihrem
zweiten Ende an dem drahtähnlichen Betätigungselement 35 befestigt ist oder mit
diesem aus einem Stück besteht. über diese Feder wird eine von dem beweglichen Teil
des Servomotors abhängige Nachfolgekraft auf das Hauptsteuerventil übertragen.
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Für den Betrieb des Servomotors wird die Hauptluftdruckleitung über
den Durchtritt 76 und den Durchtritt 75 mit dem durch die Kugel 82 und den Sitz
80 gebildeten Ventil verbunden. Der Steuerluftdruck wird über den Anschluß 11 und
den Durchtritt 30 in die Steuerkammer 24 gegeben. Dieser Steuerdruck wirkt gegen
die Vorspannung der Feder 73. Sobald der Steuerdruck ausreichend groß ist, bewegt
sich die Steuermembran 25 und damit auch das drahtähnliche Element 35 aufwärts.
Hierdurch wird eine Bewegung auf die Platte 40 übertragen, durch welche das Ventil
82 geöffnet und das Ventil 83 geschlossen wird. Hierdurch wird der Durchtritt 86
verschlossen und dae Einlaßöffnung des Durchtritts 85 in die Kammer 110 geöffnet.
Auf diese Weise gelangt der Druck der Hauptleitung in die Kammer 110 und wirkt als
Arbeitsdruck auf die zu betätigende Vorrichtung ein. Durch eine Bewegung des Kolbens
oder des sonstigen beweglichen Teiles im Servomotor erfolgt eine entsprechende Bewegung
der Platte 123 und der Rückführfeder 125, durch welche die Steuerplatte 40 wieder
in ihre ursprüngliche Lage gezogen wird und der Lufteinlaß in die Kammer 110 abgeschaltet
wird.
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Durch Abnahme des Steuerdruckes bewegt sich das Element 35 nach unten,
wodurch die Platte 40 eine solche Bewegung ausführt, daß das Kugelventil 82 geschlossen
und das Kugelventil 83 geöffnet wird. Hierbei wird die Kammer 11.0 mit der freien
Atmosphäre verbunden, und das bewegliche Element des Servomotors bewegt sich in
entgegengesetzter Richtung.
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Durch Einstellung der Ringe 46 und 47 kann der Druckbereich, der zum
Bewegen der Steuermembran und damit zum Betrieb des Servomotors erforderlich ist,
eingestellt werden.
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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung mit einer
Spiralfeder 73 gezeigt. Es können jedoch auch andere Vorspannelemente verwendet
werden, um die notwendige Vorspannung für die Steuermembran 25 zu erzeugen. In dem
großen Becheraufsatz 65 sind Öffnungen vorgesehen, durch welche die einstellbaren
Ringe hindurch von den Werkzeugen erreicht werden können, so daß der effektive Arbeitsbereich
eingestellt werden kann, ohne daß die gesamte Einrichtung auseinandergenommen zu
werden braucht. über der gesamten Einrichtung ist lediglich ein Deckel 125 angeordnet,
der leicht abgenommen werden kann, sobald das Einstellen der Einrichtung auf einen
anderen Arbeitsbereich notwendig ist.