DE19936479C1

DE19936479C1 - Industrial dosing method for viscous medium uses program-controlled operation of servo motor for dosing pump and electrically-operated valves

Info

Publication number: DE19936479C1
Application number: DE1999136479
Authority: DE
Inventors: Alexander Kuhn; Joachim Marquardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2019-08-04

Abstract

The dosing method uses a dosing pump (2), which is driven by a servo motor via a spindle drive and at least one electrically-controlled valve (9A,9B), with program-controlled operation of the servo motor and the valves, for obtaining a required dosing profile. An Independent claim for a dosing pump is also included.

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1.The invention initially relates to a method according to the preamble of the patent saying 1.

Der Erfindung geht es hierbei im wesentlichen um industrielle Verfahren mit Dosier pumpen, mit denen z. B. auch viskose Medien, wie Lacke, Kleb- oder Dichtstoffe ge fördert werden können, die in entsprechenden zugeordneten Maschinen auf Werk stücke aufgetragen werden. Diese Arbeitsgänge und der damit verbundene Dauerein satz der Dosierpumpe erfordern eine große Flexibilität im Sinne einer Einstellbarkeit auf das zu fördernde Medium, verbunden mit einer sehr genauen Volumenstrom steuerung während eines Dosiertaktes, d. h., während eines Dosiertaktes müssen de finierte und einstellbare Volumenstromänderungen realisierbar sein.The invention is essentially about industrial processes with dosing pumps with which z. B. also viscous media such as paints, adhesives or sealants ge can be promoted to work in appropriate assigned machines pieces are applied. These operations and the associated duration dosing pump require great flexibility in terms of adjustability on the medium to be pumped, combined with a very precise volume flow control during a dosing cycle, d. that is, during a dosing cycle, de defined and adjustable volume flow changes can be implemented.

Solche Anforderungen werden beispielsweise beim Auftragen von Lack oder Klebstoff auf rotierende Bauteile vorkommen, wo mit dem Auftragen erst langsam zu beginnen ist (geringer Volumenstrom) und auch der Auftragprozeß während eines Dosiertaktes auch wieder langsam beendet werden muß.Such requirements are encountered, for example, when applying lacquer or adhesive occur on rotating components, where application begins slowly is (low volume flow) and also the application process during a dosing cycle must also be ended slowly.

Aus der DE 40 33 990 A1 ist eine Dosierpumpe bekannt, die mit der ausschließlich sehr hochviskose Medien, wie zum Beispiel Pasten oder Cremes zu verarbeiten sind, dünnflüssige oder kriechfähige Medien würden aufgrund des fehlenden Ventiles am Ausgang auslaufen. Der dort eingesetzte Motor dient nicht zum Antrieb des Kolben hubs, sondern betätigt ausschließlich einen verstellbaren Anschlag, der den rein pneumatisch angetriebenen Kolben in seinem oberen Hub begrenzt.From DE 40 33 990 A1 a metering pump is known, which with the exclusively very high-viscosity media, such as pastes or creams, must be processed, thin or creeping media would be due to the missing valve Exit exit. The motor used there is not used to drive the piston hubs, but actuates only an adjustable stop, which the pure pneumatically driven piston limited in its upper stroke.

Bei der DE-OS 22 19 042 wird der Kolben der Dosierpumpe von einem Schrittmotor angetrieben. Dadurch entsteht der Nachteil, daß keine exakte Lageregelung des Kol bens während des Dosiervorgangs erfolgen kann, was sich negativ auf das Dosier profil, speziell beim Auftragen von Medien auf sich bewegende Teile, auswirkt. Die Ungenauigkeit wird dabei noch durch das Zahnradgetriebe (Zahnflankenspiel) ver stärkt.In DE-OS 22 19 042 the piston of the metering pump is operated by a stepper motor driven. This creates the disadvantage that no exact position control of the Kol bens can take place during the dosing process, which negatively affects the dosing profile, especially when applying media to moving parts. The Inaccuracy is still ver by the gear transmission (backlash) ver strengthens.

Aus der DE 295 04 809 U1 ist eine Dosierpumpe bekannt, die einen Servomotor zum Antrieb eines Dosierkolbens eine Steuerung zur Einstellung eines programmierbaren Geschwindigkeits- und Mengenprofils und fremdgesteuerte Ventile aufweist.From DE 295 04 809 U1 a metering pump is known which a servo motor Drive a dosing piston a control for setting a programmable Has speed and quantity profile and externally controlled valves.

Ein speziell bei besonderen Randbedingungen auftretendes Problem bei den bekannten Verfahren besteht darin, dass nach Beendigung des Dosiervorgangs bereits geförderte geringe Mengen des zu fördernden Mediums nicht mehr zurückge halten werden können und zu einem Nachtropfen führen, das bei sehr sensiblen Ar beitsabläufen zu einer erheblichen Qualitätsminderung des Auftrags auf das Werk stück führt.A problem with the known method is that after the end of the metering process Small quantities of the medium to be conveyed that have already been conveyed can no longer be returned can be held and lead to dripping, which is very sensitive Ar workflows for a significant reduction in the quality of the order to the factory piece leads.

Die bekannten Dosierpumpen können diesem Problem nicht ausreichend Rechnung tragen, da die dort zur Förderung eingesetzten Bauteile, z. B. über Federn vorge spannte Kugelsitzventile, pneumatisch angetriebene Motoren, Pumpen auf Balgdo sier- oder Membranprinzip, keine besonders präzise und feinfühlige Steuerung er möglichen.The known metering pumps cannot adequately address this problem wear because the components used there to promote, z. B. pre-feathers cocked ball seat valves, pneumatically driven motors, pumps on Balgdo sier or membrane principle, no particularly precise and sensitive control possible.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die bekannten Dosierverfahren derart weiter zubilden, daß das Nachtropfen vermieden wird.It is therefore the object of the invention to further advance the known metering methods to make sure that dripping is avoided.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patent anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved according to the characterizing part of the patent claim 1 solved.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, einen minimalen Rückhub am Ende eines Dosiertaktes vorzusehen, um einen eventuell an der Ausgangsleitung ver bleibenden Tropfen des Mediums oder Mediumsreste wieder in die Druckleitung bzw. den Pumpenraum zurückzuziehen. The basic idea of the invention is therefore a minimum return stroke on Provide the end of a dosing cycle in order to ver remaining drops of the medium or medium remnants back into the pressure line or withdraw the pump room.

Dies stellt hohe Anforderungen an die Präzision aller zur Förderung verwendeten Bauteile, die mit einer Dosierpumpe gemäss den Unteransprüchen zuverlässig erfüllt werden.This places high demands on the precision of everyone used for funding Components that are reliably met with a dosing pump according to the subclaims become.

Der wesentliche Lösungsansatz liegt hierbei in der spielfreien Kraftübertragung der Drehbewegung des Servomotors über Zahnriemen und eine vorgespannte Kugelum lauffmutter auf den Kolben, wodurch insbesondere im industriellen Einsatz Flexibilität, die erforderliche Dosiergenauigkeit und auch lange Standzeiten erreicht werden.The main solution lies in the play-free power transmission Rotary movement of the servo motor via toothed belt and a preloaded ball barrel nut on the piston, which gives flexibility, especially in industrial use, the required dosing accuracy and long service life can be achieved.

Hierdurch erreicht man die geforderte Genauigkeit der Rücksaugmenge, die bei jedem Dosierhub im Bereich von wenigen Milligramm eingehalten wird.This achieves the required accuracy of the amount of suction that is required for each Dosing stroke in the range of a few milligrams is observed.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen nach den Unteransprüchen sehen insbesondere vor, daß Reibungsverluste durch entsprechende Materialwahl zwischen Kolben und Zylinderbuchse minimiert werden, was die Präzision der Steuerung erhöht, oder daß reibungsverursachende Bauteile im Antriebsweg zwischen Motorwelle und Kolben so weit wie möglich vermieden werden, beispielsweise durch die Verwendung von kugel gelagerten Spindeltrieben. Gegebenenfalls austauschbare Laufbuchsen für den Kol ben und Dichtungsbauteile ermöglichen den Einsatz beispielsweise von Keramikstof fen oder synthetischem Saphir bei der Förderung von hochreinen Medien z. B. in der Halbleiterindustrie, wo Abriebseffekte vermieden werden müssen.The advantageous embodiments according to the subclaims see in particular before that friction losses through appropriate choice of material between piston and Cylinder liner can be minimized, which increases the precision of the control, or that components causing friction in the drive path between the motor shaft and piston avoided as much as possible, for example by using a ball mounted spindle drives. Interchangeable liners for the Kol ben and sealing components enable the use of ceramic, for example fen or synthetic sapphire in the promotion of high purity media such. B. in the Semiconductor industry, where abrasion effects must be avoided.

Hohe Dichtigkeit durch Klemmring-Verschraubungen aus Edelstahl zur Verbindung der Saug- und Druckleitungen der Dosierpumpe mit externen Schlauchleitungen und die Einbindung der gesamten Einheit in widerstandsfähige Materialien verhindern zu verlässig Leckageverluste und gewährleisten ebenfalls die auch auf Dauer einhaltbare Präzision des einmal programmierten Dosierprofils.High tightness due to stainless steel compression fittings for connection the suction and pressure lines of the metering pump with external hose lines and prevent the integration of the entire unit in resistant materials reliable leakage losses and also ensure that they can be maintained over the long term Precision of the dosing profile once programmed.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosierpumpe wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert, es zeigen:A preferred embodiment of the metering pump according to the invention will now explained in more detail with reference to drawings, which show:

Fig. 1: Einen Längsschnitt durch die Dosierpumpe in der Ebene A-A der Fig. 2, . FIG. 1 shows a longitudinal section through the metering pump in the plane AA of Figure 2,

Fig. 2: Eine Seitenansicht der Dosierpumpe in Richtung des Pfeils P der Figur kund Fig. 2: A side view of the metering pump in the direction of arrow P of the figure

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines mit der erfindungsgemäßen Do sierpumpe durchführbaren Dosierprofils. Fig. 3 is a schematic representation of a sierpumpe with the inventive Do feasible Dosierprofils.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Dosierpumpe dient zur exakten Mengendosie rung insbesondere von aggressiven Flüssigkeiten verschiedener Viskosität und deckt in der dargestellten Realisierungsform Fördervolumina von 6-3000 mm³ in einem Ar beitszyklus T zwischen 0,5 und 2 Sekunden ab. Das Arbeitsprinzip basiert auf einer elektrisch betriebenen und gesteuerten Kolbenpumpe 2 mit fremdgesteuerten Ventilen 9A und 9B für den Ansaug- und Dosiertakt. So können auch Medien beispielsweise mit hoher Kriechfähigkeit durch dünne Kapillaren dosiert werden, da über die Drehzahl des Motors 2 der Druck am Pumpenausgang einfach zu steuern ist.The dosing pump shown in FIGS . 1 and 2 is used for exact quantity dosing, in particular of aggressive liquids of different viscosities and, in the embodiment shown, covers delivery volumes of 6-3000 mm ³ in a working cycle T between 0.5 and 2 seconds. The working principle is based on an electrically operated and controlled piston pump 2 with externally controlled valves 9 A and 9 B for the suction and metering cycle. Media, for example with a high creeping capacity, can also be metered through thin capillaries, since the pressure at the pump outlet can be easily controlled via the speed of the motor 2 .

Über ein Riemenscheibe 13, Zahnriemen 14 und Zahnscheibe 15 beinhaltendes Zahnriemengetriebe mit drei Scheiben wird das Drehmoment des Motors 12 auf zwei vorgespannte Gewindespindeln 16A, 16B gegeben, über die eine Traverse 11 vertikal verschiebbar ist. Im Zentrum der Traverse 11 sitzt das untere Ende einer Kolbenstan ge 3 mit Kolben 1. Der Kolben 1 ist in einem Zylinderraum eines aus Zylinder 5, Zylin derboden 6 und Zylinderdeckel 4 gebildeten Gehäuses verschiebbar, das den Pum penraum definiert. Im Zylinderdeckel 4 ist der Pumpenraum mit einer Saugleitung 8A und einer Druckleitung 8B verbunden, die zu elektrisch steuerbaren 2/2-Wegeventilen 9A, 9B führen.Via a belt pulley 13 , toothed belt 14 and toothed pulley 15 containing toothed belt transmission with three pulleys, the torque of the motor 12 is given to two preloaded threaded spindles 16 A, 16 B, via which a crossbar 11 is vertically displaceable. In the center of the crossmember 11 sits the lower end of a piston rod 3 with piston 1 . The piston 1 is displaceable in a cylinder space formed from a cylinder 5 , Zylin derboden 6 and cylinder cover 4 housing which defines the pump chamber. In the cylinder cover 4 , the pump chamber is connected to a suction line 8 A and a pressure line 8 B, which lead to electrically controllable 2/2-way valves 9 A, 9 B.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist für den Kolben eine Zylinderbuchse 2 im Zylinder 5 eingesetzt.In the illustrated embodiment, a cylinder liner 2 is inserted in the cylinder 5 for the piston.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Position befindet sich der Kolben 1 in seinem oberen Totpunkt, bei dem die Traverse 11 am Zylinderboden 6 anliegt, in sei nem unteren Totpunkt kontaktiert die Traverse 11 mit einem Anschlag 10 den Auslö ser eines Endschalters 7.In the position shown in FIGS. 1 and 2, the piston 1 is in its top dead center, at which the cross member 11 rests on the cylinder bottom 6 , in its bottom dead center the cross member 11 contacts the stop of a limit switch 7 with a stop 10 .

Festlager 17 und Loslager 18 bilden einen Teil des Rahmens, der die Dosierpumpe trägt. Fixed bearing 17 and floating bearing 18 form part of the frame that carries the metering pump.

Mit der Kombination elektrisch bzw. elektronisch ansteuerbarer Hauptkomponenten, dem Servomotor, insbesondere mit integrierter Lageregelung, und den elektrisch ge steuerten Ventilen läßt sich ein programmierbares Dosierprofil innerhalb eines Ar beitszyklus abfahren, das je nach dem Einsatzzweck der Dosierpumpe in geeignete Steuereinrichtungen eingegeben werden kann, die Dosierpumpe kann auch in vor handene elektronische Steuerungen der Gesamtanlage integriert werden.With the combination of electrically or electronically controllable main components, the servo motor, especially with integrated position control, and the electrical ge controlled valves, a programmable dosing profile can be created within an area Run the working cycle in a suitable manner depending on the application of the metering pump Control devices can be entered, the dosing pump can also be in front existing electronic controls of the entire system can be integrated.

Die elektrischen Ventile gewährleisten eine hohe Saugleistung und hohe Funktionssi cherheit durch zuverlässiges Schließen und Öffnen.The electric valves ensure high suction power and high functional safety security through reliable closing and opening.

Der Einsatz des Servomotors gegenüber pneumatisch oder elektrisch durch Syn chron- oder Schrittmotoren realisierte Antriebe ermöglicht eine große Flexibilität der Dosierung im industriellen Prozeß, die Dosierung kann insbesondere während eines Arbeitszyklus gedrosselt oder erhöht werden, abhängig beispielsweise von den indivi duellen Erfordernissen eines Lackauftragsprozesses.The use of the servo motor compared to pneumatic or electrical by Syn Drives realized with chron or stepper motors allow great flexibility of the Dosage in the industrial process, the dosage can be particularly during a Work cycle can be throttled or increased, depending on the individual, for example duel requirements of a paint application process.

Anhand der Fig. 3 soll der Ablauf eines Arbeitszyklus beispielhaft erläutert werden:The course of a work cycle is to be explained by way of example with reference to FIG. 3:

Der Kolben 1 befindet sich zunächst in seiner oberen Totlage in der Laufbuchse 2. Das mit der Saugleitung 8A verbundene 2/2-Wege-Magnetventil 9A ist geöffnet, das mit der Druckleitung 8B verbundene 2/2-Wege-Magnetventil 9B ist geschlossen.The piston 1 is initially in its upper dead position in the liner 2 . The 2/2-way solenoid valve 9 A connected to the suction line 8 A is open, the 2/2-way solenoid valve 9 B connected to the pressure line 8 B is closed.

Um zunächst Medium in den Pumpenraum anzusaugen, wird der Motor 12 mit einem vorgegebenen Programm angesteuert, der dann entsprechend über den Zahnriemen 14 die beiden Gewindespindeln 16A und 16B antreibt. Die Traverse 11 zieht den Kol ben 1 über dessen Kolbenstange 3 nach unten, dadurch vergrößert sich das Volumen im Pumpenraum und ein Unterdruck entsteht. Über das Magnetventil 9A und die Sau gleitung 8A wird frisches Medium in den Pumpenraum gesaugt. Durch die Geschwin digkeit bzw. die Zeit, die der Kolben 1 nach unten fährt, läßt sich die angesaugte Menge bzw. das Dosiervolumen genau einstellen.In order to first suck medium into the pump chamber, the motor 12 is controlled with a predetermined program, which then drives the two threaded spindles 16 A and 16 B accordingly via the toothed belt 14 . The cross member 11 pulls the piston ben 1 down over its piston rod 3 , thereby increasing the volume in the pump chamber and creating a vacuum. Fresh medium is sucked into the pump chamber via the solenoid valve 9 A and the suction slide 8 A. Due to the speed or the time that the piston 1 travels downwards, the amount sucked in or the metering volume can be set precisely.

Ist die vorherbestimmte Position erreicht, stoppt der Motor 12 und das Ventil 9A in der Saugleitung 8A schließt. Zum Dosieren mit einem bestimmten Dosierprofil, wie dies beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist, wird das Ventil 9B in der Druckleitung 8B geöffnet und der Motor 12 drückt den Kolben 1 mit einer genau definierten Geschwindigkeit in einer voreingestellten Zeit, der Dosierzeit T_D, nach oben. Hierbei wird zunächst ein erster Volumenstrom V₁ gefördert, bevor dann der rampenartige Übergang auf einen Volumenstrom V_max erfolgt. Gegen Ende des Dosiertaktes T_D erfolgt dann eine Ab senkung auf einen zweiten Volumenstrom V2, bis zum Zeitpunkt T_R die Drehrichtung des Motors umgekehrt wird und für eine kurze Zeitspanne TR der Volumenstrom V_R gegenläufig verläuft, d. h., bei noch geöffnetem Ausgangsventil 9B wird der Motor 12 kurzzeitig umgepolt, und es entsteht ein Rücksaugeffekt in der Dosierleitung 9A, der das Nachtropfen des Mediums nach der Dosierung verhindert.When the predetermined position is reached, the motor 12 stops and the valve 9 A in the suction line 8 A closes. For dosing with a certain dosing profile, as is shown by way of example in FIG. 3, the valve 9 B in the pressure line 8 B is opened and the motor 12 presses the piston 1 at a precisely defined speed in a preset time, the dosing time T _D , up. Here, a first volume flow V ₁ is initially conveyed before the ramp-like transition to a volume flow V _{max then} takes place. Towards the end of the metering cycle T _{D, there} is then a reduction to a second volume flow V2 until the direction of rotation of the motor is reversed by the time T _R and the volume flow V _R runs in opposite directions for a short period of time TR, ie, with the outlet valve 9 B still open the motor 12 is reversed for a short time, and there is a suction effect in the dosing line 9 A, which prevents the medium from dripping after dosing.

Schließlich wird das Ventil 9B in der Ausgangsleitung 8B geschlossen, der Arbeitszy klus ist beendet und die Dosierpumpe ist für den nächsten Arbeitszyklus bereit.Finally, the valve 9 B in the outlet line 8 B is closed, the working cycle is ended and the metering pump is ready for the next working cycle.

Zum präzisen "Abfahren" des beispielhaft in Fig. 3 dargestellten Dosierprofils kann es zweckmäßig sein, Eichmessungen oder eine "Referenzfahrt" durchzuführen, um die in der Steuerung eingestellten Parameter für Motordrehzahl und die Steuerzeit punkte für die Ventile und die Motordrehzahl zu testen bzw. neu zu definieren.For precise "shutdown" of the dosing profile shown by way of example in FIG. 3, it may be expedient to carry out calibration measurements or a "reference run" in order to test or new the parameters for engine speed and the control times for the valves and the engine speed set in the control define.

Claims

1. A method for dosing a predeterminable amount of liquid for a consumer, with a piston pump which is driven by a servo motor, with at least one electrically controllable pressure valve and with a programmable controller such that a desired dosing profile can be set, characterized in that At the end of a dosing process, a negative piston stroke occurs briefly, with the pressure valve remaining open.

2. Dosing pump for performing the method according to claim 1, wherein the motor ( 12 ) is a servo motor and the two valves ( 9 A, 9 B) are electrically controlled, so that the servo motor ( 12 ) and valves ( 9 A, 9 B) Drive a programmable dosing profile within half a working cycle, characterized in that the piston ( 1 ) is held on a crossbar ( 11 ) by means of ball-bearing spindle drives ( 16 A, 16 B) and that the spindle drives ( 16 A, 16 B) are connected to the shaft of the servo motor ( 12 ) via a toothed belt gear ( 13 , 14 , 15 ).

3. Dosing pump according to claim 2, characterized in that the piston ( 1 ) in an interchangeable cylinder sleeve ( 2 ) made of ceramic or synthetic sapphire of the cylinder ( 5 ) is guided.