DE4432867A1 - Pneumatisch betriebene Zylindereinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer pneumatisch betriebenen Zylinder­ einheit, enthaltend einen Zylinder, je einen Deckel an beiden Enden des Zylinders, eine Kolbenstange mit einem durch ein pneumatisches Druckmedium beaufschlagbaren Kolben und mit einem den Kolben und die Kolbenstange axial durchdringenden Strömungsweg sowie eine in dem Zylinder vorgesehene Rückstellfeder für die Kolben­ stange, wobei sich die Kolbenstange durch den einen Deckel nach außen hindurch erstreckt und wobei der andere Deckel einen Strö­ mungsdurchgang mit vorbestimmtem Querschnitt für das Druckmedi­ um aufweist.

Eine solche Zylindereinheit ist in der Praxis bekannt. Bei diesen Zylindereinheiten ist die vom Kolben auf die Kolbenstange wirkende Druckkraft das Produkt aus der Kolbenfläche und dem Druckwert des Druckmediums, mit dem der Kolben aus dem Versorgungsnetz beauf­ schlagt wird. Möchte man kleine, konstante Kolbenkräfte erhalten, muß entweder der Durchmesser des Kolbens oder der Druckwert des Druckmediums oder beides klein und konstant gehalten werden. Weil die Systemdrücke im Versorgungsnetz für das Druckmedium aber im allgemeinen einen Wert von 3 bis 6 bar haben, ergeben sich auch beim Einsatz von Druckminderern noch relativ kleine Kolbendurch­ messer, die für herkömmliche Zylinder unrealistisch sind. Dies gilt insbesondere für lange Zylindereinheiten, z. B. von 200 mm, mit denen eine sehr kleine Andrückkräfte erreicht werden soll. Die genaue Einstellung von Kolbenzwischenpositionen innerhalb des Kolbenhubes ist aufgrund der Kompressibilität eines gasförmigen Druckmediums, in der Regel Luft, besonders erschwert. Zur genauen Zwischenpositionierung von Kolbenstellungen sind bereits externe elektronische Positions- und Kraftregelungen vorgeschlagen worden. Diese Ausrüstungen haben jedoch den Nachteil, daß der bauliche und kostenmäßige Mehraufwand den Preis der Zylindereinheit in der Regel um ein Mehrfaches übersteigt und daß die so ausgestattete Zylindereinheit wegen ihres erheblichen Platzbedarfs nicht auf eng­ stem Raum einsetzbar ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Zylin­ dereinheit besteht darin, daß die Massenkräfte der bewegten Kolben­ stange mit dem Kolben relativ hoch sind und sich beim Auftreffen auf einen Gegenstand negativ auswirken können bzw. in manchen Anwendungsfällen unerwünscht sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Zylindereinheit der einleitend angeführten Art so weiterzubilden, daß die Einheit, insbesondere wenn sie eine relativ große Länge aufweist, eine sehr geringe und konstante Andrückkraft zur Verfügung stellt und sich die Massenkräfte der beweglichen Teile der Einheit bei ihrem Auftreffen auf einen externen Widerstand im wesentlichen nicht mehr auswirken.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 angeführt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich, bei Zylinder­ einheiten mit insbesondere relativ großer Länge, z. B. von 200 mm und mehr bei einem Kolbendurchmesser von z. B. 8 mm kleine An­ druckkräfte zu erzeugen, z. B. 0,5 N, und diese Kräfte innerhalb des Kolbenhubes an beliebigen Zwischenpositionen des Kolbens zur Verfügung zu stellen. Die niedrigen, durch die Schließkraft des Betätigungselementes des Regelventils erzeugten Andruckkräfte sind für solche Anwendungsfälle nützlich, bei denen mittels der Zylinder­ einheit geringe Haltekräfte oder Kontaktkräfte ausgeübt werden sollen. Solche geringen Kräfte können zum Beispiel in der Ferti­ gungs- und Meßtechnik vorteilhaft eingesetzt werden, wenn beispiels­ weise empfindliche Gegenstände vor ihrer endgültigen Montage an ihrem Montageplatz auf einer Unterlage oder dergleichen, z. B. bei der Leiterplattenmontage, festgehalten bzw. Meßsignale weitergeleitet werden sollen. Durch die erfindungsgemäße Lösung können die übli­ chen Systemdrücke in den pneumatischen Versorgungsnetzen ohne Druckminderer verwendet werden, wobei man gleichzeitig unabhängig vom Durchmesser des Kolbens der Zylindereinheit ist. Die letztlich wirksamen und gewünschten Andrückkräfte der Zylindereinheit betra­ gen nur einen Bruchteil der mittels des Druckmediums auf den Kol­ ben wirkenden Kraft, z. B. 10% . Des weiteren wirken sich die Massenkräfte von Kolbenstange und Kolben bei deren Bewegung nicht nachteilig aus, da beim Öffnen des Regelventils beim Auftreffen von dessen Betätigungselement auf den externen Widerstand sofort ein Druckabbau in der Zylindereinheit stattfindet und sich die ge­ nannten Teile gegen die Kraft der Rückstellfeder des Betätigungs­ elementes noch ein Stück weiterbewegen können, ehe sie zum Still­ stand kommen. Somit wird eine Andrückkraft zwischen dem externen Widerstand und dem Betätigungselement des Regelventils geschaffen, die sehr niedrig, konstant und reproduzierbar ist und in jeder Zwi­ schenposition von Kolbenstange und Kolben innerhalb des Kolbenhu­ bes zur Verfügung steht.

In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung weist das Regelventil als Betätigungselement einen in seinem Gehäuse axial beweglich gelagerten Ventilstößel mit einem Kopfteil an seinem äußeren Ende auf, wobei das Kopfteil durch eine die Schließkraft des Betätigungselementes ausübende Druckfeder in seine Ausgangsstellung gedrückt wird und wobei der Ventilstößel an seinem inneren End­ abschnitt mit einem federbelasteten, lagegesicherten und mit einem Steuersitz des Gehäuses zusammenwirkenden Ventilkörper versehen ist, der auf dem Ventilstößel axial beweglich angeordnet ist. Hier­ durch ist ein einfacher und kostengünstig herstellbarer Aufbau des erfindungsgemäß vorgesehenen Regelventils geschaffen.

Bevorzugte Weiterbildungen des Regelventils sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch das Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Einzelheit des Beispiels nach Fig. 1 in unbetätigtem Zustand und in größerem Maßstab,

Fig. 3 die Einzelheit nach Fig. 2 in betätigtem Zustand.

Die in Fig. 1 insgesamt gezeigte Zylindereinheit besteht aus einem Zylinder 1 mit den beiden Deckeln 2 und 3 an seinen beiden Enden, einer in dem Zylinder axial beweglichen Kolbenstange 4, einem am Innenende der Kolbenstange vorgesehenen Kolben 5 und aus einem Regelventil 6. Das Regelventil ist an dem äußeren Ende der Kolben­ stange 4 montiert. Der Zylinderdeckel 2, an dem der Kolben 5 in seiner Ausgangsstellung anliegt, weist einen Einlaß 7 für ein pneuma­ tisches Druckmedium auf, mit dem der Kolben 5 beaufschlagt wird. Der Einlaß 7 ist z. B. durch eine Drossel 8 mit einem vorbestimmten Querschnitt versehen, so daß das in den Zylinder einströmende Druckmedium die Kolbenstange innerhalb einer bestimmten Zeit entlang des Hubweges in dem Zylinder verschiebt. Die den Kolben 5 durchdringende Kolbenstange 4 ist mit einem axialen, durchgehenden Strömungsweg 9 versehen, der mit dem äußeren Regelventil 6 kom­ muniziert. Der Kolben 5 besteht im dargestellten Fall aus den beiden Ringteilen 5a und 5b, die zwischen sich eine Dichtungsscheibe 10 einklemmen, die andererseits an der Zylinderinnenwandung dichtend anliegt. Die Kolbenstange 4 ist im Inneren des Zylinders 1 von einer Rückstellfeder 11 umgeben, die einerseits an dem Zylinderdeckel 3 und andererseits an dem Kolben 5 anliegt, so daß die Kolbenstange zusammen mit dem Kolben in die in Fig. 1 gezeigte Ausgangsstellung zurückgeschoben oder in einer Zwischenstellung gehalten wird, wenn Druckmedium aus dem Zylinder 1 über das Ventil 6 entweichen kann.

Der Aufbau des Regelventils 6 ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Das Regelventil besteht aus einem länglichen Gehäuse 12 mit einem zentralen, axial verlaufenden Durchgang 13, der im wesentlichen auf den Strömungsweg 9 der Kolbenstange 4 ausgerichtet ist, einem in dem Durchgang 13 axial beweglich gelagerten Ventilstößel 14 mit einem Kopfteil 15 an seinem äußeren Ende und einem Ventilkörper 16, der am inneren Endabschnitt des Ventilstößels 14 vorzugsweise axial beweglich angeordnet ist. Vorzugsweise sitzt der Ventilstößel 14 mit ausreichendem Spiel in dem Durchgang 13 des Gehäuses 12, so daß Luft aus dem Strömungsweg 9 der Kolbenstange 4 durch den Durchgang hindurch in Richtung zum Kopfteil 15 und aus dem Ventil 6 ins Freie ausströmen kann.

Der Ventilstößel 14 und dessen Kopfteil 15 bilden ein Betätigungs­ element, das normal durch eine Druckfeder 17 in der in Fig. 2 gezeigten Ausgangsstellung gehalten wird. Die Druckfeder 17 übt somit eine Schließkraft aus und liegt dabei einerseits am Kopfteil 15 und andererseits an einer inneren Schulter 18 einer Ausnehmung 19 des Gehäuses 12 an. Die Kraft der Druckfeder 17 ist sehr gering, z. B. 0,5 N, und um die Kraft dieser Druckfeder einstellen zu kön­ nen, ist an dem Ventilstößel 14 eine Einstelleinrichtung 20 vorgese­ hen (Fig. 2). Diese Einrichtung 20 kann eine Mutter sein, die auf einem Gewinde 21 des Stößels 14 sitzt und in Richtung zum Ventil­ gehäuse 12 eingestellt werden kann, um die Kraft der Druckfeder 17 zu erhöhen.

Der auf dem inneren Endabschnitt des Ventilstößels 14 sitzende, axial bewegliche Ventilkörper 16 weist eine schlanke Kegelform oder eine Paraboloidform auf, um feine Öffnungsstellungen des Ventilkörpers zuzulassen, wie noch klar wird. Der Ventilkörper 16 arbeitet mit einem Steuersitz 22 des Ventilgehäuses 12 zusammen, um je nach Beaufschlagung des Kolbens 5 mit pneumatischem Druckmedium dementsprechende Durchströmungsöffnungen zwischen dem Ventilkör­ per 16 und dem Steuersitz 22 zu ermöglichen. Der Ventilkörper wird durch eine Anschlagschulter 23 des Ventilstößels 14 aus seiner am Steuersitz 22 befindlichen Position herausbewegt, wodurch das Regel­ ventil 6 öffnet. Eine rückwärtige Druckfeder 24 liegt einerseits an einem Ringkörper 25 des Ventilstößels 14 an und drückt den Ventil­ körper 16 andererseits auf den Steuersitz 22 bzw. gegen die An­ schlagschulter 23, die auf der dem Kopfteil 15 des Ventilstößels 14 zugekehrten Seite des Ventilkörpers 16 vorgesehen ist.

Das Regelventil 6 bzw. dessen Gehäuse 12 ist mittels einer Gewinde­ verbindung 26 mit dem äußeren Ende der Kolbenstange 4 verbunden, wie es die Fig. 1, 2 und 3 deutlich zeigen.

In alternativer Ausbildung kann der Ventilstößel 14 auch zweiteilig ausgebildet sein. Hierzu besteht er aus einem ersten Stangenteil 14a, welches an seinem äußeren Ende das Kopfteil 15 trägt, und aus einem zweiten Stangenteil 14b, welches im Durchmesser kleiner ist als das erste Stangenteil, z. B. in das erste Stangenteil eingeschraubt ist und den Ventilkörper 16 axial beweglich trägt. Bei einer solchen Ausbildung des Ventilstößels 14 wird auf einfache Weise die innere Anschlagschulter 23 für den Ventilkörper 16 an dem ersten Stangen­ teil 14a ausgebildet.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Zylindereinheit ist folgen­ de. Wenn die Zylindereinheit über den Einlaß 7 und die Drossel 8 mit Druckluft beaufschlagt wird, bewegt sich die Kolbenstange 4 zusammen mit dem Regelventil 6 aus dem Zylinder 1 in Richtung auf einen externen Widerstand 27, wie es Fig. 2 zeigt. Dabei gelangt ein Teil der Druckluft über den zentralen Strömungsweg 9 der Kolben­ stange 4 auch zu dem Regelventil 6, welches aufgrund der Druckfe­ der 17 am Ventilstößel 14 noch geschlossen ist (Fig. 2). Wenn das Kopfteil 15 des Ventilstößels 14 gegen den Widerstand 27 zur Anlage gekommen ist, hebt sich der Ventilkörper 16 durch die Anlageschul­ ter 23 sofort von dem Steuersitz 22 des Ventilgehäuses 12 ab, so daß Druckmedium aus dem Strömungsweg 9 über den zentralen Durch­ gang 13 des Ventils 6 aus diesem Ventil z. B. ins Freie ab strömen kann. Hierdurch wird das Druckniveau im Zylinder bis auf einen bestimmten Wert sofort abgebaut. Dieser Wert bestimmt sich durch die Öffnungsquerschnitte der Drossel 8 in dem Zylinderdeckel 2 und zwischen dem Ventilkörper 16 und Steuersitz 22 des Regelventils 6.

Beim Öffnen des Ventils 6, das heißt durch Abheben des Ventilkör­ pers 16 von dem Steuersitz 22, wird sich die Kolbenstange 4 gegen­ über dem bereits stillstehenden Ventilstößel 14 zunächst noch eine kleine Strecke in Richtung zum Widerstand 27 bewegen, und zwar aufgrund der Tatsache, daß das Druckmedium in dem Zylinder 1 noch einen erheblichen Druckwert hat. Dadurch entsteht auch ein relativ großer Durchströmungsquerschnitt zwischen dem Ventilkörper 16 und dem Steuersitz 22. Wenn die Bewegung der Kolbenstange 4 in Richtung zum Widerstand 21 beendet ist, wird aufgrund der Wir­ kung der Druckfeder 17 eine gewisse Rückbewegung der Kolben­ stange 4 stattfinden, wodurch sich der ringförmige Strömungsquer­ schnitt zwischen dem Ventilkörper 16 und dem Steuersitz 22 wieder etwas verringert. Je nach dem Druckwert des durch die Drossel 8 einströmenden Druckmediums wird sich dieser Einschwingvorgang wiederholen, bis der Beharrungszustand der Kolbenstange 4 und damit des Regelventils 6 nach kurzer Zeit eingetreten ist. In diesem Zustand ist der Ventilkörper 16 vom Steuersitz 22 abgehoben und es besteht eine gleichbleibende Durchströmungsöffnung zwischen diesen beiden Teilen. Die sich automatisch einstellende Größe dieser Durch­ strömungsöffnung führt zu einem Kräftegleichgewicht am Kolben 5 in seiner gerade eingenommenen Stellung, in welcher Stellung er nun zusammen mit der Kolbenstange 4 stehenbleibt. Das Kräftegleichge­ wicht ist bestimmt durch das Druck-Flächen-Produkt einerseits des Kolbens und die Kraft der Rückstellfeder 11 andererseits des Kol­ bens.

Je nachdem, in welcher Entfernung sich der externe Widerstand 27 zu der Zylindereinheit befindet, nehmen der Kolben 5 und die Kol­ benstange 4 eine dementsprechende Zwischenstellung entlang des Gesamthubes ein. Aufgrund des sich in dem Zylinder 1 automatisch einstellenden, geringeren Druckwertes und in Abhängigkeit davon wird der Kolben bei geöffnetem Regelventil 6 letztlich mit einer geringeren Kraft von der Druckmedienseite her belastet, die von der Rückstellfeder 11 ausgeglichen wird. In dieser Zwischenstellung des Kolbens wirkt im wesentlichen die Kraft der Druckfeder 17 auf das Kopfteil 15 des Regelventils 6. Diese Kraft kann zum Beispiel 0,5 N betragen und wird auch bei Zylindereinheiten erreicht, die eine sehr große Länge aufweisen, zum Beispiel 200 mm.

Solche geringen Andrückkräfte oder Kontaktkräfte werden zum Beispiel bei Vorrichtungen benötigt, die zum Beispiel in der Meß­ technik und in der Fertigungstechnik eingesetzt werden. In der Ferti­ gungstechnik, zum Beispiel bei der Bestückung und Montage von Leiterplatten, ist es oft erforderlich, die Bestückungsteile in Position zu halten, bevor sie endgültig mit der Leiterplatte verbunden werden. Auch in der Meßtechnik gibt es Situationen, bei denen zur Über­ tragung von elektrischen Signalen sehr geringe Andrückkräfte zur Kontaktherstellung benötigt werden, beispielsweise um Leiterbahnen nicht zu beschädigen.

Claims (7)

1. Pneumatisch betriebene Zylindereinheit, enthaltend einen Zylin­ der, je einen Deckel an beiden Enden des Zylinders, eine Kolben­ stange mit einem durch ein pneumatisches Druckmedium beaufschlag­ baren Kolben, einen den Kolben und die Kolbenstange axial durch­ dringenden Strömungsweg sowie eine in dem Zylinder vorgesehe Rückstellfeder für die Kolbenstange, wobei sich die Kolbenstange durch den einen Deckel nach außen hindurch erstreckt und wobei der andere Deckel einen Strömungsdurchgang mit vorbestimmtem Quer­ schnitt für das Druckmedium aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem außerhalb des Zylinders (1) befindlichen Ende der Kolben­ stange (4) ein mit deren Strömungsweg (9) in Strömungsverbindung stehendes Regelventil (6) angeordnet ist, das bei Anlage seines gegen eine geringe Schließkraft arbeitenden Betätigungselementes (14, 15) an einem externen Widerstand (27) zur Schaffung eines Kräftegleichge­ wichtes an dem belasteten Kolben (5) Druckmedium aus dem Zylinder (1) ausströmen läßt.

2. Zylindereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelventil (6) als Betätigungselement einen in seinem Gehäuse (12) axial beweglich gelagerten Ventilstößel (14) mit einem an sei­ nem äußeren Ende vorgesehenen Kopfteil (15) aufweist, das durch eine die genannte Schließkraft ausübende Druckfeder (17) in seine Ausgangsstellung gedrückt wird, und daß an dem inneren Endab­ schnitt des Ventilstößels (14) ein federbelasteter, lagegesicherter und mit einem Steuersitz (22) des Gehäuses zusammenwirkender Ventil­ körper (16) vorgesehen ist.

3. Zylindereinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (16) auf dem Ventilstößel (14) axial beweglich angeordnet ist.

4. Zylindereinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilstößel (14) eine Anschlagschulter (23) für die Anlage des Ventilkörpers (16) aufweist, die auf der dem Kopfteil (15) des Ventilstößels zugekehrten Seite des Ventilkörpers (16) vorgesehen ist.

5. Zylindereinheit nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilkörper (16) eine schlanke Kegelform oder eine Paraboloidform aufweist.

6. Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilstößel (14) aus einem ersten Stangen­ teil (14a), das am äußeren Ende das Kopfteil (15) trägt, und aus einem zweiten, im Durchmesser kleineren Stangenteil (14b) besteht, auf dem der Ventilkörper (16) axial verschiebbar ist, und daß das innere Ende des ersten Stangenteils (14a) die Anschlagschulter (23) für den Ventilkörper (16) bildet.

7. Zylindereinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ventilstößel (14) eine Einstelleinrichtung (20, 21) für die Kraft der Druckfeder (17) für das Kopfteil (15) des Ventilstößels vorgesehen ist.