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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, eine Anlage und ein Verfahren.
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Riemenantriebe umfassen einen Riemen, der mittels Umlenkrollen in Bewegung versetzbar ist. Kettenantriebe umfassen eine Kette, die mittels Kettenrädern, also Zahnrädern, in Bewegung versetzbar sind. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Einfachheit halber des Öfteren von Riemenantrieb gesprochen, wobei auch Kettenantriebe darunter verstanden werden sollen.
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Aus der
DE 89 09 163 U1 ist ein ein Reibrad umfassender Antrieb bekannt, dem ein Hilfsantrieb zugeordnet ist.
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Aus der
DE 195 42 059 C2 ist ein Linearantrieb bekannt, von dem ein weiterer Linearantrieb bewegbar ist, wodurch die zu bewegende Masse erhöht ist und die Dynamik somit vermindert ist.
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Aus der
DD 237 444 A3 ist ein Hauptantrieb bekannt, von dem ein pneumatisch betriebener Hilfsantrieb mitbewegt wird. Somit ist die zu bewegende wiederum Masse erhöht.
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Aus der
DE 295 06 374 U1 ist eine Kombination eines mittels Seil linear bewegten Bauteils mit einer Wirbelstrombremse bekannt, deren Leitteil entsprechend dem Schwert am bewegten Bauteil befestigt ist.
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Aus der
DE 195 24 485 A1 ist ein Antrieb mit kombiniertem, aber nicht fest verbundenem Linear- und Bandantrieb bekannt, wobei jeder Antrieb in eigenen Bereichen wirksam ist
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Aus der
WO 2003 036 781 A2 ist eine Kombination aus Bandantrieb und Linearantrieb bekannt, wobei jedoch keine direkte oder indirekte Verbindung des Läuferteils mit dem als Schutzteil wirksamen Band vorhanden ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, höhere Dynamik bei Anlagen mit mindestens einem Antrieb erreichbar zu machen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Linearantrieb nach den in Anspruch 1 oder 3, bei der Anlage nach den in Anspruch 7 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Linearantrieb sind, dass er einen einen Riemen oder eine Kette umfassenden ersten Antrieb umfasst,
wobei dem ersten Antrieb ein weiterer Linearantrieb als zweiter Antrieb zugeordnet ist,
wobei ein Werkzeug zu dessen Linearbewegung mit dem Riemen oder der Kette direkt oder indirekt verbunden ist,
wobei am Riemen oder an der Kette ein Schwert aus elektrisch leitfähigem Material fungierend ist,
wobei mindestens eine stationär angeordnete, von einem Motor drehbare, mit Dauermagneten bestückte, drehangetriebene Scheibe zeitweise und/oder bewegungsabschnittsweise in Wirkverbindung mit dem Schwert tritt.
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Von Vorteil ist dabei, dass in den zeitlichen und/oder räumlichen Zuschaltbereichen die Beschleunigung oder Bremsbeschleunigung erhöhbar ist und somit eine verbesserte Dynamik erreichbar ist. Hierbei ist eine geringe Erhöhung der vom Riemenantrieb zu bewegenden Masse ausreichend.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Antrieb ein Riemenantrieb mit Umlenkmitteln, insbesondere Umlenkrollen, oder ein Kettenantrieb mit Umlenkmitteln, insbesondere Kettenräder. Von Vorteil ist dabei, dass bestehende kostengünstige Antriebsmittel mitverwendbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Werkzeug zu dessen Linearbewegung mit dem Riemen oder der Kette direkt oder indirekt verbunden, wobei das Werkzeug, am Riemen und/oder an der Kette ein Reaktivteil fungierend ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Schwert als Reaktivteil am Werkzeug oder am Riemen oder an der Kette hinzuverbindbar ist und somit nur eine kleine zusätzliche zu bewegende Masse notwendig ist. Beispielsweise ist dieses Reaktivteil als Blech ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Reaktivteil vom zweiten Antrieb umfasst und steht in Wirkverbindung mit dem Stator eines Linearmotors, insbesondere einem Reluktanz-Linearmotor, einem Asynchronlinearmotor und/oder einem Synchronlinearmotor. Von Vorteil ist dabei, dass bekannte Statoren, also Primärteile, verwendbar sind und auch das Reaktivteil in der bekannten Weise aufzubauen ist. Das Reaktivteil muss nur im Verbindungsbereich mit dem Werkzeug oder dem Riemen oder der Kette angepasst werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Reaktivteil aus elektrisch leitfähigem Material ausgeführt, insbesondere mit einer geraden oder runden Abschrägung an mindesten einem Endbereich des Schwertes. Vorzugsweise wird Aluminium verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass ein Wirbelstrommotor als zweiter Antrieb vorsehbar ist. Hierbei ist vorteilig, dass der Wirbelstrommotor einen mechanischen Rotationsenergiespeicher umfasst.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Reaktivteil zum Stator des als zweiten Antrieb fungierenden Linearmotors hin orientierte, in Bewegungsrichtung sich einander abwechselnde Erhebungen und Vertiefungen auf, insbesondere zur Bildung magnetischer Pole. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiger Motor verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Reaktivteil des als zweiten Antrieb fungierenden Linearmotors in Bewegungsrichtung abwechselnd orientierte Dauermagnete auf. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Kräfte zusätzlich zur Antriebskraft des ersten Antriebs erzeugbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der Stator des als zweiten Antrieb fungierenden Linearmotors und das Reaktivteil derart ausgeführt, dass das Reaktivteil und der Stator einen Reluktanzmotor, einen Asynchronmotor oder einen Synchronmotor bilden. Von Vorteil ist dabei, dass jeweilige zweite Antriebe mit ihren jeweiligen Vorteilen einsetzbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung tritt das Reaktivteil in Wirkverbindung mit einem Wirbelstrommotor. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Dynamik erreichbar ist, da ein zusätzlicher mechanischer Energiespeicher vorsehbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Wirbelstrommotor mindestens eine mit Dauermagneten bestückte, drehangetriebene Scheibe. Von Vorteil ist dabei, dass die Fertigung einfach ist, weil ein kostengünstiger rotatorischer Elektromotor nur eine oder mehrere Scheiben antreiben muss und das Reaktivteil als einfaches Blech ausführbar ist.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Anlage, insbesondere Maschine, sind, dass sie einen Linearantrieb umfasst, umfassend einen Riemen oder eine Kette, als ersten Antrieb,
und einen dem ersten Antrieb als zweiter Antrieb zugeordneter Linearantrieb,
wobei der zweite Antrieb zeitweise und/oder bewegungsabschnittsweise zuschaltbar ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass zeitweise und/oder bewegungsabschnittsweise die Dynamik erhöhbar ist. In den anderen Zeitabschnitten ist ein mechanischer Energiespeicher befüllbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der zweite Linearantrieb ein Reaktivteil, das mit dem Stator eines Reluktanzmotors, Asynchronmotors, Synchronmotors oder mit einer drehangetriebenen, mit Dauermagneten besetzten Scheibe in Wirkverbindung bringbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass einfache und kostengünstige Mittel ausreichen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Reaktivteil derart lang in Bewegungsrichtung fungierend, dass beim Abbremsen des Werkzeuges auf eine Zielposition hin der zweite Linearantrieb wirksam ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Länge des Reaktivteils zur Steuerung der Zeit oder des Bewegungsabschnittes verwendbar ist. Somit ist in einfacher Weise die Wirkungsweise der Anlage festlegbar.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit einem Linearantrieb, umfassend einen Riemen oder eine Kette, als erstem Antrieb,
und einem dem ersten Antrieb als zweiter Antrieb zugeordneten Linearantrieb,
sind, dass der erste Antrieb zum Antreiben eines Werkzeuges fungierend ist,
wobei der zweite Antrieb zeitweise und/oder bewegungsabschnittsweise zugeschaltet wird,
wobei das Zuschalten beim Abbremsen des Werkzeuges auf eine Zielposition hin und beim beschleunigten, insbesondere positiv beschleunigtem, also nicht bremsbeschleunigtem, Entfernen von der Zielposition wirksam wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass nur bei den genannten Bewegungsabschnitten der zweite Antrieb wirksam gemacht werden muss. In den anderen Zeitabschnitten kann er seine Energiespeicher wieder auffüllen Außerdem ist die Zielposition mit hoher Genauigkeit erreichbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste und/oder der zweite Antrieb als Stellglied einer Lageregelung verwendet, wobei die Position des Werkzeuges erfasst wird und von der Regelung verwendet wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Regelung auf ein oder zwei Antriebe zugreifen kann. Je nach Bedarf ist also die Regelgüte und Dynamik wählbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Zielposition nur der erste Antrieb wirksam, insbesondere die Lageregelung nur den ersten Antrieb als Stellglied verwendet. Von Vorteil ist dabei, dass keine Rucke, Störkräfte oder dergleichen vom zweiten Antrieb eingebracht werden können.
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Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist an der Zielposition der erste und der zweite Antrieb wirksam, insbesondere verwendet die Lageregelung nur den ersten Antrieb als Stellglied. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfaches Regelverfahren anwendbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein Verfahren in Draufsicht und Schnittansicht gezeichnet.
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In 1 ist eine Antriebskombination einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei der ein Elektromotor 1 über eine Umlenkrolle 3 einen Riemen 2 oder eine Kette antreibt. Im Folgenden wird dieser Teil auch als Riemenantrieb bezeichnet. Der Riemenantrieb ist zur Ausführung einer linearen Bewegung eines Werkzeuges fungierend. Dabei wird das Werkzeug 6 linear vor und zurückbewegt.
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Vorzugsweise ist der Riemenantrieb positionierfähig ausgebildet. Hierzu umfasst er einen Sensor, der die Position des Riemens 2 oder der Kette erfasst, und/oder einen Sensor, der die Winkelposition der Abtriebswelle des Elektromotors 1 erfasst. Auf diese Weise sind Positionen sehr genau anfahrbar.
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In Ausführungen ohne Sensor ist nur ein Ansteuern von Positionen möglich, wobei größere Ungenauigkeiten auftreten.
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Bei der Erfindung ist nun ein weiterer linearer Antrieb fungierend, der ebenfalls in der linearen Richtung wie der Riemenantrieb ausgerichtet ist.
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In 1 ist dieser weitere lineare Antrieb mittels eines Wirbelstrommotors realisiert, der einen Elektromotor 4 umfasst, welcher mit Dauermagneten 31 besetzte Scheiben 5 antreibt.
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In 2 ist dieser Wirbelstrommotor nochmals separat in schematisierter Schrägansicht gezeigt.
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In 3 ist eine Scheibe 5 in Draufsicht gezeigt, wobei die Dauermagnete 31 radial orientiert sind. Es sind hierbei acht Dauermagnete 31 gezeigt.
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Am Werkzeug 6 ist ein Schwert aus elektrisch leitfähigem Material, vorzugsweise Aluminium, fungierend. Sobald dieses Schwert 7 in den Bereich zwischen den Scheiben 5 eintritt, werden wegen der schnell angetriebenen Scheiben 5 Wirbelströme induziert, die zu einer Kraftkomponente in Bewegungsrichtung beitragen. Somit addiert sich auf die vom Riemenantrieb ans Werkzeug 6 übertragene Antriebskraft eine vom Wirbelstrommotor erzeugte Kraft.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das Schwert 7 der 1 verschieden geformt. In 4a ist ein rechteckförmiges Schwert 41 gezeigt, das bei Eintritt in den Wirbelstrommotor schnell die volle Kraft übertragbar macht. Allerdings ist der Kraftverlauf theoretisch sogar unstetig.
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In 4b ist eine Abschrägung am vorderen Endbereich des Schwertes 42 ausgeführt, das zu einem stetigen Kraftverlauf bei Eintritt in den Wirbelstrommotorbereich führt.
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In 4d sind jeweils eine Abschrägung am vorderen und hinteren Endbereich des Schwertes 42 ausgeführt, wodurch ein stetiger Kraftverlauf bei Eintritt und bei Austritt aus dem Wirbelstrommotorbereich erreicht wird.
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In 4c sind im Vergleich zu 4b und 4d runde statt lineare Abschrägungen fungierend, wobei in 4c diese nur am vorderen Endbereich des Schwertes 43 ausgeführt ist, das zu einem stetig differenzierbaren Kraftverlauf bei Eintritt in den Wirbelstrommotorbereich führt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist die Abschrägung vorne und hinten jeweils rund ausgeführt.
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In 5a ist ein beispielhafter Geschwindigkeitsverlauf gezeigt bei Abwesenheit des Wirbelstrommotors. Dabei wird zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 das Werkzeug mittels des Riemenantriebs beschleunigt und wieder abgebremst. Hierbei ist eine maximale Beschleunigung und eine maximale Bremsbeschleunigung ausführbar. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird das Werkzeug auf Zielposition gehalten. Danach wird das Werkzeug aus der Zielposition zurückgezogen, wobei zuerst wieder in Rückwärtsrichtung beschleunigt und dann abgebremst wird.
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In 5b ist ein beispielhafter Geschwindigkeitsverlauf gezeigt bei zusätzlich vorhandenem Wirbelstrommotor. Dabei wird zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 das Werkzeug wiederum beschleunigt und wieder abgebremst. Hierbei ist eine maximale Beschleunigung ausführbar. Der Wirbelstrommotor ist derart positioniert, dass das Schwert 7 zu Beginn des Zeitbereiches der Bremsbeschleunigung in Wirkung tritt. Somit ist die Bremsbeschleunigung viel größer als bei 5a. Das Schwert ist derart kurz ausgeführt, dass bei Beendigung der Bremsbeschleunigung, also bei Erreichen der Zielposition das Schwert aus dem Wirkbereich des Wirbelstrommotors austritt. Somit wird zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird das Werkzeug nur vom Riemenantrieb auf Zielposition gehalten. Danach wird das Werkzeug aus der Zielposition zurückgezogen, wobei zunächst das Schwert wieder in den Wirkbereich des Wirbelstrommotors eintritt und somit vom Wirbelstrommotor zusammen mit dem Riemenantrieb beschleunigt wird, was zu einer sehr großen Beschleunigung führt. Nach Austritt aus dem Wirkbereich des Wirbelstrommotors wird das Werkzeug mittels des Riemenantriebs abgebremst, wodurch zum Zeitpunkt t4 die Anfangsposition, also dieselbe wie bei t1 erreicht wird.
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Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist das Schwert derart lang ausgeführt, dass es auch in der Zielposition wirksam ist. Dabei arbeitet dann in der Zielposition, also im Zeitbereich zwischen t2 und t3 der Riemenantrieb gegen die Kraft des Wirbelstromantriebs. In einer Ausführung ist es auch ermöglicht, die Zeitpunkte t2 mit t3 gleichzusetzen, also kein Verharren auf der Zielposition auszuführen, sondern einen sofortigen Rückzug aus der Zielposition unmittelbar nach Erreichen derselben einzuleiten.
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Bei dem Wirbelstrommotor ist auch wichtig, dass durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit der Scheiben 5 große Mengen an Rotationsenergie speicherbar sind. Somit ist bei Wirksamwerden des Wirbelstrommotors, also Eintreten des Schwertes in den Wirkbereich des Wirbelstrommotors, mehr Leistung vom Wirbelstrommotor auf das Werkzeug übertragbar also vom Elektromotor 4 bestenfalls erzeugbar ist. Denn es ist zusätzliche Leistung dem mechanischen Energiespeicher entnehmbar. Dabei wirken sich die Trägheitsmomente der Scheiben 5 positiv aus. Es ist bei solchen Anwendungen sogar vorteilhaft, die Scheiben besonders massiv auszulegen. Somit ist ein leistungsschwacher Motor 4 verwendbar, der den mechanischen Speicher ständig befüllt, wobei nur in den kurzen Zeitbereichen des Wirksamwerdens des Wirbelstrommotors Energie entnommen wird.
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Weiterer Vorteil des Wirbelstromantriebs ist die geringe Masse des Schwertes, also Reaktivteils. Somit ist der Antrieb hochdynamisch betreibbar.
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Statt des in den 1 und 2 gezeigten Wirbelstromantriebs ist auch ein anderer Linearantrieb einsetzbar. Hierzu ist in einem ersten weiteren Ausführungsbeispiel statt des Elektromotors 4 und der drehangetriebenen Scheiben 5 ein Stator fungierend, der ein Drehfeld erzeugt. Somit bilden das am Werkzeug 6 verbundene Schwert 7 und der Drehfeld erzeugende Stator einen Asynchronlinearmotor. Da das Drehfeld von einem die Statorwicklungen des Stators mit Strom versorgendem Umrichter erzeugt ist, sind hierbei schnellere Änderungen der Drehfeldgeschwindigkeit vorsehbar und somit ein besseres Regelverhalten erreichbar. Es ist sogar der Linearmotor zum Fein-Positionieren verwendbar, also zum Lageregeln auf die Zielposition hin. Es ist allerdings nur die durch das Drehfeld erzeugte Kraft zuführbar. Der Asynchronmotor hat keinen zusätzlichen mechanischen Energiespeicher im Vergleich zum Wirbelstrommotor.
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Statt eines Asynchronlinearmotors ist auch ein Synchronlinearmotor, bei dem also das Schwert mit in Bewegungsrichtung abwechselnd orientierten Dauermagneten bestückt ist, oder ein Reluktanz-Linearmotor, bei dem das Schwert in Richtung zum Stator vorstehende und rückgezogene Erhebungen, die sich in Bewegungsrichtung abwechseln, aufweist, vorsehbar mit ihren jeweiligen funktionellen Vorteilen.
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Die Anordnungen der Wicklungen des jeweiligen Stators ist auch aus dem Stand der Technik bei solchen Motoren bekannt.
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Die erfindungsgemäße Kombination von Antrieben, also Riemenantrieb, umfassend Riemen oder Kette, und weiterer linearer Antrieb, ist vorteilhaft einsetzbar beispielsweise bei Spritzgussmaschinen, bei denen das Werkstück nach Ausführen des Spritzgießens und Erkalten des Werkstückes die Formen auseinandergefahren werden und danach ein Werkzeug das Werkstück, also das Spritzgussteil, aus dem Bereich zwischen den Formen herausformen muss. Dieses Werkzeug, beispielsweise ein Greifer, wird mittels des Riemenantriebs in den Bereich zwischen den Formen hineingefahren. Dann greift der das Werkzeug das Werkstück, wobei in der Spritzgussmaschine gleichzeitig oder unmittelbar zuvor Mittel zum Auswerfen des Werkstückes bestätigt werden. Danach transportiert das Werkzeug das Werkstück heraus. Das Werkzeug muss dabei sehr schnell in den Bereich zwischen den Formen hineinfahren und nach dem Greifen wieder sehr schnell herausfahren. Mit der Erfindung ist es nun ermöglicht, die Beschleunigungsgrenzen des Riemenantriebs zu überschreiten.
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Statt beim Auswerfen und Greifen einer Spritzgussmaschine ist der erfindungsgemäße Antrieb auch bei anderen Maschinen und/oder Entnahmerobotern verwendbar, sowie bei Klappverstellungen und Schiebern. Beispielhaft sei hier auch eine Verpackungsmaschine erwähnt. Insbesondere beim Stapeln von weichem Stückgut, wie Taschentücher oder dergleichen, wird ebenfalls ein schnelles Hin- und wieder Zurückbewegen des Werkzeuges der Verpackungsmaschine benötigt. Aber auch bei Bearbeitungsmaschinen ist oft eine Erhöhung der Beschleunigung oder Bremsbeschleunigung bei einer Linearachse vorteilhaft. Somit lässt sich die Erfindung bei verschiedenen Maschinen und Anlagen mit linearer Achse einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Riemen oder Kette
- 3
- Umlenkrolle
- 4
- Elektromotor
- 5
- Scheiben
- 6
- Werkzeug
- 7
- Schwert
- 31
- Dauermagnete
- 41
- Schwert
- 42
- Schwert
- 43
- Schwert
- 44
- Schwert
- v
- Geschwindigkeit
- t
- Zeit
- t1
- Zeitpunkt
- t2
- Zeitpunkt
- t3
- Zeitpunkt
- t4
- Zeitpunkt