Stellantrieb für ein linear bewegbar gelagertes Bauteil

Abstract

 Stellantrieb für ein linear bewegbares Bauteil, wobei ein erster doppelt wirkender Linearantrieb (114) über eine steuerbare Kupplung (104) mit dem Bauteil koppelbar ist und eine den Vor- und Rückhub des Linearmotors steuernde Steuervorrichtung vorgesehen ist, die in der einen Hubrichtung des Linearantriebs (114) die Kupplung (104) aktiviert zwecks Triebverbindung zwischen Linearantrieb (114) und Bauteil und in der entgegengesetzten Hubrichtung die Kupplung (104) löst.

Beschreibung

[0001] Die Neuerung bezieht sich auf einen Stellantrieb für ein linear bewegbar gelagertes Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Stellantriebe, mit denen ein Drehmoment auf ein Bauteil übertragen werden soll, sind in den verschiedensten Ausführungsformen für die verschiedensten Anwendungszwecke bekanntgeworden. Ein Anwendungsgebiet ist zum Beispiel die Betätigung von Schiebern oder Ventilgliedern bei Armaturen. Ein anderes Anwendungsgebiet sind zum Beispiel rotierende Rohrverteiler, bei denen ein zentrales Rohr über ein schwenkbares Rohrstück mit einer Reihe von abführenden Rohren verbunden werden kann. Die beschriebene Anwendung ist ein Sonderfall von Schwenkantrieben für Gelenkarme. Ein Weiteres Anwendungsgebiet ist die Servobetätigung von Drehgelenken.

[0003] Die bekannten Antriebe sind verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung und unter Umständen anfällig im Betrieb. Außerdem ermöglichen sie zumeist nur eine begrenzte Drehbewegung von 90°. Es ist auch bekannt, eine Drehbewegung mit Hilfe eines Linearmotors zu erzeugen, der an einem Hebel angelenkt ist, der seinerseits mit einer Schaltwelle oder dergleichen drehfest verbunden ist. Der Drehwinkel ist abhängig von dem Verstellweg des Verstellzylinders, wobei der Drehwinkel von der Länge des Hebelarms abhängt. Mit größerem Hebelarm wird er bei steigendem Drehmoment kleiner.

[0004] Alle bekannten Stellantriebe sind relativ aufwendig, groß bauend und verschleißanfällig und benötigen eine entsprechende Abschirmung beim Betrieb in belasteter Atmosphäre.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb für ein linear bewegbares Bauteil zu schaffen, der rauhen Betriebsbedingungen gewachsen und verschleiß- und wartungsarm ist und der ohne großen Aufwand aus einfachen Bauteilen herstellbar ist.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

[0007] Der erfindungsgemäße Stellantrieb sieht einen doppelt wirkenden Linearantrieb vor. Dieser ist über eine steuerbare Kupplung mit dem Bauteil koppelbar. Eine Steuervorrichtung steuert den Vor- und den Rückhub des Linearmotors sowie die Betätigung der Kupplung dergestalt, daß die Kupplung in der einen Hubrichtung des Linearbetrieb aktiviert und in der entgegengesetzten Hubrichtung gelöst wird.

[0008] Bei dem erfindungsgemäßen Stellantrieb ist der Linearmotor nicht so ausgebildet, daß mit einem einzelnen Hub bereits der maximale oder der gewünschte Verstellweg erreicht wird, im Gegenteil, der Linearmotor ist so ausgelegt, daß er bei einem Hub nur eine begrenzte Verstellung des Bauteils vornimmt und der gewünschte Verstellweg beispielsweise erst nach einer größeren Anzahl von Hüben erreicht wird. Hierzu ist notwendig, daß während des Rückhubs nach einem Arbeitshub die Verbindung zwischen dem Antrieb und dem Bauteil aufgehoben ist. In diesem Fall wird die Kupplung gelöst. Bei einem neuen Arbeitshub wird die Kupplung aktiviert, so daß der Linearmotor das Bauteil wiederum um ein Inkrement verstellen kann. Der erfindungsgemäße Stellantrieb ist mithin ein Schrittmotor, dessen Schrittfrequenz und Schrittlänge variabel ist. Die Schrittfrequenz wird bestimmt durch die Verstellgeschwindigkeit des Linearmotors und die Hublänge. Die Schrittlänge wird bestimmt durch die Hublänge des Linearmotors. Beide Werte können mithin in weiten Grenzen durch den Linearmotor verändert werden. Erfindungswesentlich ist ferner, daß bei dem schrittweise arbeitenden erfindungs-gemäßen Stellantrieb eine Verstellgrenze nicht existiert. Mit anderen Worten, der erfindungsgemäße Stellantrieb kann das Bauteil beliebig weit verschieben. Der erfindungsgemäße Stellantrieb hat ferner den Vorteil, daß er sehr genau ein Bauteil in eine bestimmte Position bringen kann.

[0009] Der Linearantrieb nach der Erfindung kann von einem fluidbetätigten Verstellzylinder gebildet sein. Er kann jedoch auch ein elektromechanischer oder elektromagnetischer Antrieb sein, beispielsweise ein Spindeltrieb. Die Kupplung kann ebenfalls unterschiedlich betätigt sein, beispielsweise von einem Fluid, elektromagnetisch oder elektromechanisch. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Betätigung des Linearantriebs und der Kupplung durch gleiche Mittel erfolgt.

[0010] Wesentlich für die Erfindung ist auch, daß während des freien Hubs des Linearantriebs das während des Arbeitshubs mitgenommene Bauteil nicht wieder zurückgenommen wird, auch nicht teilweise. Es ist daher gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn eine bezüglich des Bauteils stationäre Bremse vorgesehen ist, die von der Steuervorrichtung so gesteuert wird, daß sie im Wechsel mit der Kupplung aktiviert und gelöst wird. Die Bremse wird mithin während des freien Hubs des Linearmotors aktiviert, um das Bauteil in der eingenommenen Position zu halten. Die Bremse hat auch den weiteren Vorteil, daß sie während der Ruhestellung die Relativposition des Bauteils sichert. Sowohl die Kupplung als auch die Bremse können formschlüssig oder kraftschlüssig wirken. Eine formschlüssig wirkende Bremse dient gleichzeitig als Rutschkupplung. Der erfindungsgemäße Stellantrieb kann das Bauteil in doppelter Richtung verstellen, wobei die Verstellrichtung ausschließlich davon abhängt, in welcher Hubrichtung die Kupplung aktiviert bzw. gelöst wird. Der erfindungsgemäße Stellantrieb kann auch eine nahezu kontinuierliche Bewegung des Bauteils herbeiführen, wenn er doppelt eingesetzt wird. An den ersten Arbeitshub schließt sich der Arbeitshub des zweiten Stellantriebs an, so daß während des Arbeitshubs des zweiten Stellantriebs der erste Stellantrieb den Rückhub ausführen kann. Dieser Rückhub kann zum Beispiel mit größerer Geschwindigkeit als der Arbeitshub stattfinden. Im Fall von zwei Stellantrieben kann eine Bremse entfallen.

[0011] Für die Ansteuerung des Linearmotors und der Kupplung sind verschiedene Steuerungsarten denkbar. So kann zum Beispiel dem Linearmotor ein Endlagengeber zugeordnet sein, der seinerseits verstellbar sein kann, um die Hubumkehr des Linearmotors zu steuern und gleichzeitig die Aktivierung bzw. Lösung der Kupplung. Alternativ kann ein Zeitgeber vorgesehen sein, der die Hubumkehr und die Kupplung steuert. Schließlich kann die erfindungsgemäße Steuervorrichtung auch ein Steuerprogramm enthalten, das den Hub des Linearantriebs und die synchrone Betätigung der Kupplung steuert.

[0012] Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umgibt ein vorzugsweise ringförmiges Mitnehmerbauteil zumindest teilweise das lineare Bauteil. Wird die Kupplung aktiviert, sitzt das Mitnehmerbauteil kraft- oder formschlüssig auf dem Bauteil, und eine Verstellung des Linearantrieb führt gleichzeitig zu einer Linearverstellung des Bauteils. Während des entgegengesetzten Hubes wird die Kupplung gelöst, so daß das Mitnehmerbauteil in seine Anfangsstellung zurückverstellt wird, um das lineare Bauteil einen Schritt weiterzubewegen. Die Kupplung für das Mitnehmerbauteil kann von einem Band gebildet sein, das um das Bauteil herumgelegt ist und mit Hilfe einer Zugvorrichtung wahlweise gespannt oder gelockert wird.

[0013] Der Stellantrieb nach der Erfindung ist aus einfachen Teilen aufgebaut und mit wenig Aufwand herzustellen. Er ist äußerst robust und wartungsarm. Ferner baut er sehr klein und ist vielseitig verwendbar.

[0014] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1

zeigt die Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines Stellantriebs nach der Erfindung.

Fig. 2

zeigt die Seitenansicht des Stellantriebs nach Fig. 1.

Fig. 3

zeigt ein Schaltschema zur Steuerung des Stellantriebs nach Fig. 1 und

Fig. 4

zeigt das Schaltschema nach Fig. 3 für die entgegengesetzte Richtung wie in Fig. 3.

[0015] Bei der Ausführungsform nach den Figuren 1 und 2 ist ein gerades Rohrstück 100 durch eine Öffnung in einer Wand 102 hindurchgeführt. Das Rohr 100 ist von einem Kupplungsring 104 umgeben, der aus zwei parallelen Ringelementen besteht, die durch Joche 106 verbunden sind. In dem Abstand zwischen den Ringelementen ist ein Band 108 angeordnet. An dem Kupplungsring 104 greift gelenkig bei 110 die Kolbenstange 112 eines Verstellzylinders 114 an, der bei 116 an der Wand 102 angelenkt ist. Wie aus Fig. 12 hervorgeht, stützt sich ein an den Enden abgekröpftes Joch 116 über beabstandete Lagerpunkte 118, 120 zwischen den Ringelementen des Kupplungsrings 104 am Rohr 100 ab. Am anderen Ende hält das Joch einen kurzhubigen Verstellzylinder 122 und am anderen Ende einen Befestigungsbolzen 124 für das andere Ende des Bandes. Zieht der Zylinder 122 das Band 108 an, schlingt es sich fest um das Rohr 100, so daß bei einer Betätigung des Zylinders 114 das Rohr entsprechend dem Hub linear vorbewegt wird, beispielsweise in eine Position, die in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt ist.

[0016] Ein Bremsring 126 ist nahezu gleich wie der Kupplungsring aufgebaut, nämlich aus zwei beabstandeten Ringelementen, die über Joche 106 miteinander verbunden sind. Ein Bremsband 128, das dem Band 108 gleicht, ist um das Rohr 104 innerhalb der Ringelemente herumgeschlungen und am einen Ende mit einem Verstellzylinder 130 und am anderen Ende mit einem Befestigungsbolzen verbunden, wie dies in Verbindung mit dem Band 108 bereits beschrieben wurde. Während des Arbeitshubes des Zylinders 114, in dem er in der beschriebenen Weise das Rohr 100 vorbewegt, bleibt der Verstellzylinder 130 unbetätigt, um diese Bewegung nicht zu beeinträchtigen. Während des Rückhubs des Verstellzylinders 114 wird der Zylinder 130 betätigt, so daß das Rohr 100 in der eingenommenen Position verbleibt und nicht in die entgegengesetzte Richtung verstellt wird. Auf diese Weise kann das Rohr 100 kontinuierlich schrittweise vor- bzw. zurückbewegt werden.

[0017] Die Steuerung der Verstellzylinder erfolgt in der Weise, wie dies in Verbindung mit den Figuren 3 und 4 erläutert wird.

[0018] In den Figuren 3 und 4 ist ein Schaltschema für den Stellantrieb nach den Figuren 1 und 2 dargestellt für beide in Frage kommende Richtungen. Ein Magnetventil 92 steuert die Druckbeaufschlagung des Zylinders 114 und ein Magnetventil 94 die Druckbeaufschlagung des Zylinders 122. Da die Leitungen zum Zylinder 122 an die Leitungen zum Zylinder 114 angeschlossen sind, bestimmt die Stellung des Ventils 54, wann der Zylinder 122 betätigt wird. Das Ventil 92 ist an eine nicht näher dargestellte Druckmittelquelle, beispielsweise Druckluftquelle, angeschlossen. Den Ventilen 92, 94 ist eine Steuerung 146 zugeordnet, die für eine Verstellung der Ventile sorgt, insbesondere für eine Hubumkehr des Zylinders 114. Die Steuerung 146 ist zum Beispiel mit Endlagenschalter S1 und S2 für den Zylinder 114 verbunden, die verstellbar sind. Die Hubumkehrsteuerung kann jedoch auch von einem Zeitgeber oder einem Teil eines Programms gebildet sein, durch welches der Hub des Zylinders 114 vorgegeben wird, ebenso wie der Druck, der die Verstellgeschwindigkeit des Zylinders 114 bestimmt. Hat der Zylinder 114 den beschriebenen Hub beendet, wird das Ventil 92 umgeschaltet. Das Ventil 94 bleibt hingegen in der eingenommenen Position. Der Zylinder 114 beginnt daher seinen Rückhub. Nunmehr ist ein Ausgang vom Ventil 94 drucklos, das Band 188 durch Antrieb 122 entspannt. Das bedeutet, daß der Antriebsring 104 frei beweglich ist und daher vom Zylinder 114 in seine Anfangsstellung zurückbewegt wird, während das Bauteil 100 über das Kupplungselement 128 festgehalten wird, damit er diese Rückbewegung nicht mitmacht. Nach Beendigung des Rückhubs des Ringes 104 erfolgt wiederum eine Umschaltung des Ventils 92, so daß der Zyklus erneut beginnen kann. Auf diese Weise wird das Rohr 100 schrittweise bewegt, wobei die Frequenz der Schritte vom Hub und der Verstellgeschwindigkeit des Zylinders 114 abhängt. Die Länge des einzelnen Schrittes hängt vom Hub des Zylinders 114 ab.

[0019] Es versteht sich, daß statt einer Kupplung bzw. Bremse, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, auch eine andersartige eingesetzt werden kann.

Ansprüche

1. Stellantrieb für ein linear bewegbares Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster doppelt wirkender Linearantrieb (114) über eine steuerbare Kupplung (104) mit dem Bauteil (100) koppelbar ist und eine den Vor- und Rückhub des Linearantriebs (114) steuernde Steuervorrichtung vorgesehen ist, die in der einen Hubrichtung des Linearantriebs (114) die Kupplung (104) aktiviert zwecks Triebverbindung zwischen Linearantrieb (114) und Bauteil (100) und in der entgegengesetzten Hubrichtung die Kupplung (104) löst.

2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb durch ein Fluid, elektromagnetisch oder elektromechanisch betätigbar ist.

3. Stellantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung durch ein Fluid, elektromagnetisch oder elektromechanisch betätigbar ist.

4. Stellantrieb nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigung des Linearantriebs und der Kupplung über gleiche Mittel erfolgt.

5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine bezüglich des Bauteils (100) stationäre Bremse (126) von der Steuervorrichtung so gesteuert wird, daß sie im Wechsel mit der Kupplung (104) aktiviert oder gelöst wird.

6. Stellantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Linearantrieb Endlagengeber zugeordnet sind, die die Hubumkehr des Linearantriebs und die Aktivierung der Kupplung bzw. die Aktivierung der Bremse synchron steuern.

7. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung einen Zeitgeber enthält, über den die Hubumkehr des Linearantriebs und die Aktivierung der Kupplung synchron gesteuert wird.

8. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung ein Steuerprogramm enthält, das den Hub des Linearantriebs und die synchrone Betätigung der Kupplung steuert.

9. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise ringförmiges Mitnehmerbauteil (104) das lineare bewegbare Bauteil (100) zumindest teilweise umgibt.

10. Stellantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Hubweges des Mitnehmerbauteils (104) ein vorzugsweise ringförmiges Bremsbauteil (176) das lineare Bauteil (100) zumindest teilweise umgibt.

11. Stellantrieb nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kupplungsband (108) bzw. Bremsband (128) vom Mitnehmerbauteil (104) bzw. Bremsbauteil (126) geführt und mit dem Umfang des linearen Bauteils (100) in Eingriff bringbar ist, ein Ende des Bandes (108, 128) mit einem sich am Bauteil (100) abstützenden Joch (116) und das andere mit einer auf dem Joch (116) angeordneten Zugvorrichtung (122, 130) verbunden ist.

Zeichnung