DE102004019766A1

DE102004019766A1 - Kostengünstige und einfache Positioniervorrichtung

Info

Publication number: DE102004019766A1
Application number: DE102004019766A
Authority: DE
Inventors: Johan Widfeldt
Original assignee: Bosch Rexroth Teknik AB
Current assignee: Bosch Rexroth Teknik AB
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: DE102004019766B4

Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung (1) und ein Verfahren zum Antreiben einer angetriebenen Einheit (4) einer Positioniervorrichtung (1), umfassend ein Gehäuse (2), welches zumindest teilweise DOLLAR A eine lineare Antriebseinheit (3) mit ersten Eingriffsmitteln (7a), die linear in eine erste Richtung bewegbar ist, um eine lineare Bewegung, die in die erste Richtung gerichtet ist, bereitzustellen und DOLLAR A eine bewegbare angetriebene Einheit (4) mit zweiten Eingriffsmitteln (7b), die in eine zweite Richtung bewegbar ist, um eine Bewegung, die in die zweite Richtung gerichtet ist, bereitzustellen, wobei die zweiten Eingriffsmittel (7b) mit den ersten Eingriffsmitteln (7a) zusammenwirken und DOLLAR A eine Steuereinheit (5) zum Steuern der linearen Antriebseinheit (3), um die erste Bewegung in eine zweite Bewegung umzuwandeln, aufnimmt und unterstützt, wobei die Antriebseinheit (3) und die angetriebene Einheit (4) so angeordnet sind, dass die erste Richtung der linearen Bewegung der Antriebseinheit (3) im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Richtung der Bewegung der angetriebenen Einheit (4) in dem Bereich des Eingriffs ausgebildet ist, um eine erste lineare Bewegung in eine zweite Bewegung umzuwandeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben einer Antriebseinheit einer Positioniervorrichtung umfassend ein Gehäuse, das zumindest teilweise eine lineare Antriebseinheit mit ersten Eingriffsmitteln, die linear bewegbar in eine erste Richtung sind, um eine lineare Bewegung, die in eine erste Richtung gerichtet ist, bereitzustellen und eine bewegbare angetriebene Einheit mit zweiten Eingriffsmitteln, die in eine zweite Richtung bewegbar sind, um eine zweite Bewegung, die in die zweite Richtung gerichtet ist, bereitzustellen, wobei die zweiten Eingriffsmittel mit den ersten Eingriffsmittel zusammenwirken und eine Steuereinheit zum Steuern der linearen Antriebseinheit aufnimmt und unterstützt, um die erste Bewegung in die zweite Bewegung umzuformen.

Positioniervorrichtungen werden üblicherweise in einem weiten Gebiet von Automationsanwendungen eingesetzt, in denen ein Werkstück, ein Produkt oder ein beliebiges Objekt in eine vorbestimmte Position zur weiteren Bearbeitung angeordnet werden muss. Das Positionieren kann manuell, teilweise manuell – teilweise automatisch und/oder komplett automatisch realisiert werden. Vollautomatisierte Positioniervorrichtungen müssen mit einer hohen Genauigkeit arbeiten, insbesondere mit einer hohen Wiederholgenauigkeit, um hohe Qualitätsstandards zu sichern. Aus diesem Grund und anderen Gründen muss die Positioniervorrichtung ausgebildet sein, um an mehreren Zwischenpositionen zwischen einer Start und einer Endposition anzuhalten, ohne diese Zwischenposition zu verlassen. Um ein Anhalten an diesen Zwischenpositionen zu sichern, sind solche Positioniereinheiten auf der einen Seite mit selbsthemmenden Antriebseinheiten ausgebildet, die an mehreren Zwischenpositionen selbsthaltend ausgebildet sind oder auf der anderen Seite sind solche Positioniervorrichtungen mit Halte- oder Fixiervorrichtungen wie Bremsen ausgestattet, um die Antriebseinheit an einer bestimmten Position zu stoppen.

Allgemein bekannt sind Positioniervorrichtungen mit Pneumatikzylindern, die Schnellservoventile und Positionswandler aufweisen.

Diese bekannte Vorrichtung weist den Nachteil auf, dass Hochleistungsventile und komplexe elektronische Schaltungen benötigt werden, um eine hohe Wiederholgenauigkeit zu realisieren. Darüber hinaus hängt das Verhalten dieser Positioniervorrichtung von dem Zylinderhub des Pneumatikzylinders ab. Pneumatikzylinder, die einen längeren Zylinderhub aufweisen, arbeiten mit einem reduzierten Durchsatz, da diese große Füll- und Auslassvolumina aufweisen, was die Wiederholgenauigkeit herabsetzt und die genaue Funktionsweise weniger vorhersagbar macht.

Eine andere bekannte Positioniervorrichtung ist als Pneumatikzylinder mit Bremse(n) ausgebildet, die den Hub eines Kolbens an jeder gewünschten Zwischenposition durch Halten des Kolbens mit Bremskräften stoppt/stoppen.

Diese ebenfalls bekannte Positioniervorrichtung weist den Nachteil auf, das der in einer Zwischenposition gehaltene Kolben unerwünschte Bewegungen ausführen kann, zum Beispiel nach Lösen der Bremsen, aufgrund von Schwierigkeiten bei der Interaktion zwischen den Luftbedingungen in dem Zylinder und der Bremse. Da die Regulierung der Bremse oder des Bremsdrucks und dem Zylinderdruck ziemlich komplex ist, kann es zu unerwünschten Bewegungen des Kolbens kommen, insbesondere in Zwischenpositionen zwischen einem komplett gelöstem und einem komplett fixiertem Kolben.

Eine dritte bekannte Positioniervorrichtung wird durch elektrische Vorrichtungen realisiert.

Diese bekannte Positioniervorrichtung weist den Nachteil auf, das die Antriebseinheit sehr genau geregelt werden muss, was die Positionierungsdurchführung ziemlich langsam oder ziemlich komplex macht. Weiterhin kann diese Positioniervorrichtung nicht in rauen, aggressiven und/oder explosiven Umgebungen verwendet werden, da mögliche Versagensrisiken bestehen, wie durch das Explosionsrisiko, hervorgerufen durch Elektrizität oder durch das Beschädigungsrisiko durch raue Umgebung.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine kostengünstigere Positioniervorrichtung mit einer verbesserten Wiederholgenauigkeit zu schaffen, die höhere Haltekräfte bereitstellt, wobei die Instandhaltung aufgrund eines robusten Aufbaus zur Verwendung in rauer Umgebung verbessert ist und die Positioniervorrichtung fluidisch betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Positioniervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils gelöst.

Um die vorgenannte und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, umfasst die technische Lehre, dass die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit so angeordnet sind, dass die erste Richtung der linearen Bewegung der Antriebseinheit im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Richtung der Bewegung der angetriebenen Einheit in dem Bereich des Eingriffs ausgebildet ist, um eine erste lineare Bewegung in eine zweite Bewegung umzuwandeln und gleichzeitig ein hohe Sicherheit hinsichtlich Positionierung und Wiederholgenauigkeit zu gewährleisten.

Die Positioniervorrichtung umfasst ein Gehäuse, das zumindest teilweise eine lineare Antriebseinheit aufnimmt und unterstützt. Die Antriebseinheit kann in jeder beliebigen Foren ausgebildet sein, vorzugsweise ist die Antriebseinheit als linear arbeitende Antriebseinheit ausgebildet, weiter bevorzugt ist die Antriebseinheit als mindestens ein linear arbeitender Aktuator ausgebildet, wie ein Zylinder mit einem bewegbarem Teil wie einem Kolben, der bewegbar zwischen einer ersten Startposition und einer zweiten Endposition ohne an Zwischenpositionen zu stoppen ausgebildet ist. Um mit einer angetriebenen Einheit zusammenzuwirken und diese anzutreiben, müssen die Antriebseinheit genauso wie die angetriebene Einheit miteinander im Eingriff stehen. Deshalb umfasst die Antriebseinheit erste Eingriffsmittel und die angetriebene Einheit umfasst zweite Eingriffsmittel, wobei die Mittel ausgebildet sein müssen, um miteinander zusammenzuwirken. Die ersten Eingriffsmittel sind an dem bewegbaren Teil des Aktuators ausgebildet, das heißt bevorzugt an der Spitze des Kolbens. Die Antriebseinheit, das heißt der mindestens eine linear arbeitende Aktuator bewegt die ersten Eingriffsmittel linear in eine erste Richtung, um eine lineare Bewegung, die in die erste Richtung gerichtet ist, bereitzustellen. Die angetriebene Einheit oder der angetriebene Teil dieser Einheit, der bewegt werden soll, weist zweite Eingriffsmittel auf, um in eine zweite Richtung bewegt zu werden und so eine zweite Bewegung, die in die zweite Richtung gerichtet ist, bereitzustellen. Die Antriebseinheit oder der antreibende Teil dieser Einheit muss so geregelt werden, dass eine vorhersagbare und steuerbare Bewegung der angetriebenen Einheit daraus resultiert. Aus diesem Grund ist eine Steuereinheit an oder in dem Gehäuse angeordnet, um die lineare Antriebseinheit zu steuern. Vorzugsweise liegt der Winkel zwischen der Bewegungsrichtung des ersten Eingriffsmittels und der Bewegungsrichtung des zweiten Eingriffsmittels in dem Bereich des Eingriffs vorzugsweise zwischen ≥ 65° and ≤ 115°, weiter bevorzugt zwischen ≥ 80° and ≤ 100° und am meisten bevorzugt zwischen ≥ 85° und ≤ 95°, das heißt im Wesentlichen ist der Winkel ein rechter Winkel.

Die angetrieben Einheit muss, um eine bestimmte Distanz oder einen bestimmten Bereich bewegt werden. Deshalb muss die angetriebene Einheit zweite Eingriffsmittel aufweisen, die diese Distanz oder diesen Bereich abdecken, so dass die ersten Eingriffsmittel der Antriebseinheit in den angetriebenen Teil eingreifen können und somit diesen entlang der Distanz oder dem Bereich bewegen können. Der linear arbeitende Aktuator oder die linear arbeitenden Aktuatoren bewegt/bewegen die ersten Eingriffsmittel zwischen einer ersten Position, in der die Eingriffsmittel nicht ineinander greifen und einer zweiten Position, in der die Eingriffsmittel ineinander greifen. Die Bewegung der angetrieben Einheit ist nicht kontinuierlich sondern schrittweise ausgebildet. Um die angetriebene Einheit um mehr als einen Schritt zu bewegen, muss die Position des Aktuators oder eher der ersten Eingriffsmittel in die zweite Richtung, das heißt in die Bewegungsrichtung der angetriebenen Einheit bewegt werden. Um dies zu erreichen, muss der Aktuator entsprechend gesteuert werden, was dazu führt, dass eine komplexe Anordnung benötigt wird.

Es ist deshalb ein Vorteil, dass die Antriebseinheit zumindest zwei, bevorzugt mehrere linear arbeitende Aktuatoren umfasst, die beabstandet in Richtung der zweiten Bewegung im Bereich des Eingriffs angeordnet sind und ein erstes Modul definieren, wobei jeder der Aktuatoren ein korrespondierendes Eingriffsmittel aufweist, dass an einem bewegbaren Ende des Aktuators befestigt ist, welches am nächsten, nahe oder benachbart zu dem zweiten Eingriffsmittel liegt. Durch Anordnen von mehr als einem Aktuator kann eine Bewegung eines einzelnen Aktuators vermieden werden und der Aktuator kann in einer fixierten Position an dem Gehäuse angeordnet werden. Vorzugsweise ist die Anzahl an Aktuatoren ≥ 2, weiter bevorzugt beträgt sie ≥ 3 und am meisten bevorzugt beträgt sie ≥ 4. Natürlich kann eine größere Anzahl an Aktuatoren bereitgestellt werden, jedoch führt dies auf der anderen Seite zu einem größeren Gehäusevolumen. Vier Aktuatoren haben sich als optimale Anzahl an Aktuatoren zum effektiven Positionieren in Bezug auf ein akzeptables Gehäusevolumen ergeben.

Um eine Bewegung der angetriebenen Einheit zu erzielen, müssen benachbart angeordnete erste Eingriffsmittel in einem größeren oder kleineren Abstand als benachbarte zweite Eingriffsmittel angeordnet sein, wobei der Abstand der ersten Eingriffsmittel kein Vielfaches des Abstandes der zweiten Eingriffsmittel sein darf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Eingriffsmitteln wird als Modul oder als Teilung bezeichnet, wobei das Modul zwischen benachbarten ersten Eingriffsmitteln als erstes Modul und das Modul zwischen benachbarten Eingriffsmitteln als zweites Modul bezeichnet wird. Das erste Modul und das zweite Modul müssen in gegenseitiger Abhängigkeit voneinander ausgebildet sein. Parameter zum Einstellen der Aktuatoren und damit dem Definieren des ersten Moduls sind:

• N_cyl, welcher die Anzahl der in der Antriebseinheit verwendeten Aktuatoren darstellt,
• dx, welcher die Länge eines jeden Schritts, den die angetriebene Einheit nach einem Eingriff durchführt darstellt,
• S, welcher das Modul oder die Teilung der Eingriffsmittel darstellt und
• N, welcher eine Integerzahl ist, die von dem Konstrukteur gewählt werden kann und welche die Merkmale der verwendeten Aktuatoren berücksichtigt, wie Type, Volumen, Verbindungen etc.

Die genaue Formel zum Berechnen des Moduls oder des Abstandes zwischen benachbarten Aktuatoren wird etwas weiter hinten im Text unter anderem in Verbindung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung angegeben.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Steuereinheit so ausgebildet ist, dass zumindest eines der ersten Eingriffsmittel sich permanent während eines Bewegungsschritts im Eingriff mit zumindest einem der zweiten Eingriffsmittel befindet, um eine permanente Haltefunktion zu gewährleisten. Dieses kann nur dadurch gewährleistet werden, dass das erste Modul größer oder kleiner als das zweite Modul ist und dass das erste Modul kein Vielfaches des zweiten Moduls ist, gemäß der vorstehend ausgeführten Relation. Durch einen permanenten Eingriff ist die Genauigkeit der Positioniervorrichtung, insbesondere die Wiederholgenauigkeit hoch, da so keine unerwünschten Bewegungen der angetrieben Einheit auftreten können, aufgrund des zumindest einen senkrecht eingreifenden ersten Eingriffsmittels. Weiter ist die Haltefunktion als integraler Bestandteil der Antriebseinheit ausgebildet, so dass keine weiteren Halte- oder Fixiermittel oder Elemente wie Bremsen eingeschlossen werden müssen.

Obwohl die Abstände zwischen benachbarten zweiten Eingriffsmitteln entlang dem Eingriffsbereich variieren kann ist es vorteilhaft, dass die zweiten Eingriffsmittel konstant beabstandet sind mit vorbestimmten Abständen, die ein zweites Modul entlang der Oberfläche der angetriebenen Einheit, welche einen Eingriffsbereich bildet, in dem die angetriebene Einheit bewegt werden kann, definiert. Mittels einer konstanten Beabstandung müssen die konstant beabstandeten Aktuatoren nicht bewegt werden und so nicht mittels einer komplexen Schaltung oder Einheit gesteuert werden, um einen optimalen Eingriff zu realisieren. Eine konstante Beabstandung ist leichter herzustellen und ebenfalls leichter zu handhaben, da unter anderem keine komplexe Steuereinheit bereitgestellt werden muss.

Vorzugsweise sind die Eingriffsmittel als Ausnehmungen und/oder Vorsprünge ausgebildet, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ein Vorsprung angeordnet ist, der einen graduellen, fließenden Übergangsbereich zwischen Vorsprung und benachbarten Ausnehmungen aufweist, um einen optimalen Eingriff zu gewährleisten. Vorzugsweise sind mögliche Formen der Eingriffsmittel jede Art von zahnähnlichen Formen, die Flanken aufweisen, die graduell ausgebildet sind.

Wie zuvor erwähnt, ist es vorteilhaft, dass das erste Modul zumindest geringfügig größer oder kleiner ist, als das zweite Modul in Abhängigkeit von mehreren Parametern, so dass zumindest einer der Vorsprünge der ersten Eingriffsmittel in eine korrespondierende Ausnehmung der zweiten Eingriffsmittel ohne die angetriebene Einheit zu bewegen eingreifen kann. Die Formel zur Berechnung des Abstandes zwischen zwei Aktuatoren und zahnförmig geformten zweiten Eingriffsmitteln lautet x = N·S ± dx, wobei N eine Integerzahl ist, die auch von der Position des benötigten Abstandes zwischen den Aktuatoren (ein Zahn, zwei Zähne, drei Zähne etc.) abhängt. S ist der Zähneabstand und dx hängt von S und N_cyl gemäß der Formel dx = S/N_cyl ab, wobei N_cyl eine Anzahl von Aktuatoren ist, die vorzugsweise in einer Reihe angeordnet sind, ausgerichtet entlang der zweiten Richtung. N ist auch eine Integervariable, die von dem Konstrukteur gewählt werden kann und welche die Type, das Volumen, die Verbindungen etc. der verwendeten Aktuatoren berücksichtigt. Die Variable X ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Aktuatoren, die das erste Modul definiert, welches in Längeneinheiten wie mm oder in Winkeleinheiten wie °-Winkel gemessen werden kann.

Vorzugsweise ist die angetriebene Einheit eine Einheit ausgewählt aus der Gruppe der verzahnten Teile umfassend Zahnstangen und Zahnräder, um einen lineare beziehungsweise eine rotatorische Bewegung bereitzustellen, wobei die Eingriffsmittel zahnförmig ausgebildet sind. Mittels dieser Anordnung ist eine lineare und/oder rotatorische Bewegung der angetriebenen Einheit möglich mittels eines im Wesentlichen senkrechten Eingriffs der linearen Aktuatoren. Die Aktuatoren weisen in senkrechter Richtung vorzugsweise den gleichen Abstand zu der Zahnstange oder dem Zahnrad auf, obwohl diese möglicherweise aus bestimmten Gründen verschiedene Abstände aufweisen können, welche dann mittels zusätzlicher Mittel oder unterschiedlichen Kolbenhüben für den Fall, dass Zylinder als Aktuatoren verwendet werden, korrigiert werden können. Wie bereits erwähnt, müssen die Aktuatoren nicht an dem Gehäuse fixiert sein, jedoch ist es bevorzugt, dass, um eine komplexe Regelanordnung zum Einstellen der Aktuatoren zu vermeiden, die Aktuatoren an fixierten Positionen des Gehäuses angeordnet sind.

Weiter bevorzugt ist, dass die Aktuatoren ausgewählt sind aus der Gruppe von linearen Aktuatoren umfassend Druckmittelzylinder wie Pneumatikzylinder und/oder Hydraulikzylinder und/oder Zugmagneten wie Elektromagneten. Durch Auswahl eines Aktuators aus dieser bevorzugten Gruppe ist die Positioniervorrichtung leicht und kostengünstig herzustellen, stellt eine robuste Konstruktion dar und vermeidet die Nachteile von Elektrizität in gefährlichen Umgebungen.

Die technische Lehre umfasst weiter ein Verfahren zum Antreiben einer angetriebenen Einheit mit zweiten Eingriffsmitteln in eine zweite Richtung mittels einer Antriebseinheit mit zumindest zwei linearen Aktuatoren, die im Wesentlichen in senkrechter Richtung zu der angetrieben Einheit arbeiten, umfassend die Schritte: Betätigen eines Aktuators, so dass dieser mit der angetriebenen Einheit im Eingriff steht (falls dieser noch nicht im Eingriff steht) und dadurch die angetriebene Einheit in eine erste Richtung bewegt, Betätigen eines benachbarten Aktuators, der dem Aktuator aus Schritt eins in zweiter Richtung folgt, so dass dieser im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht und dadurch diese angetriebene Einheit wieder in eine erste Richtung bewegt, Betätigen des Aktuators des ersten Schritts, so dass dieser nicht mehr im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht, nachdem der benachbarte Aktuator des zweiten Schritts im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht, Wiederholen der Schritte 1 bis 3 so oft, wie es erforderlich ist, um die angetriebene Einheit in eine gewünschte Position zu positionieren und Starten mit dem ersten Schritt, falls der letzte Aktuator in einer Reihe der Antriebseinheit betätigt wurde, wodurch ein Zyklus beendet wird, wobei der fünfte Schritt, falls notwendig, vor dem vierten Schritt ausgeführt werden kann. Mittels dieses leicht zu steuernden und leicht einzustellenden Verfahrens wird eine lineare Bewegung in eine Richtung realisiert.

Um die Bewegung in eine entgegengesetzte Richtung umzukehren ist es vorteilhaft, dass ein Verfahren zum Antreiben einer angetriebenen Einheit mit zweiten Eingriffsmitteln in eine entgegengesetzte Richtung zu der zweiten Richtung mittels einer Antriebseinheit mit mindestens zwei linearen Aktuatoren, die im Wesentlichen in senkrechter Richtung zu der angetriebenen Einheit arbeiten bereitgestellt wird, umfassend die Schritte Betätigen eines Aktuators, so dass dieser im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht (falls dieser nicht bereicht im Eingriff steht) und dadurch die angetriebene Einheit in eine entgegengesetzte Richtung zu der zweiten Richtung bewegt, Betätigen eines benachbarten Aktuators, der dem Aktuator aus dem ersten Schritt in entgegengesetzter Richtung zu der zweiten Richtung folgt, so das dieser im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht und dadurch die angetriebene Einheit wieder in entgegengesetzte Richtung zu der zweiten Richtung bewegt, Betätigen des Aktuators aus dem ersten Schritt, so dass dieser nicht mehr im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht, nachdem der benachbarte Aktuator aus dem zweiten Schritt im Eingriff mit der angetriebenen Einheit steht, Wiederholen der Schritte ein bis drei so oft wie erforderlich, um die angetriebene Einheit in eine gewünschte Position zu positionieren und Starten mit dem ersten Schritt, falls der letzte Aktuator in einer Reihe der Antriebseinheit betätigt wurde, wodurch ein Zyklus beendet wird, wobei der fünfte Schritt vor dem vierten Schritt durchgeführt werden kann, falls erforderlich.

Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die exemplarisch die Prinzipien der Erfindung darstellen. Die Erfindung wird im Folgenden vor dem Hintergrund von Ausführungsbeispielen und in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine schematische Ansicht in Querschnittsansicht einer Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 schematisch die Funktionsweise der Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei diese sich in zwei Richtungen in neun Schritten bewegt,
3 schematisch eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
4 schematisch eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
5 schematisch eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
6 schematisch eine Querschnittsansicht einer Anwendung zeigt, die von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht und
7 schematisch eine Querschnittsansicht einer weiteren Anwendung zeigt, die von einem weiteren Ausführungsbeispiel der Positioniervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung Gebrauch macht.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Positioniervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Positioniervorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches eine Antriebseinheit 3, eine angetrieben Einheit 4, und eine Steuereinheit 5 aufnimmt. Die Antriebseinheit 3 umfasst Aktuatoren 6, in diesem Fall vier Aktuatoren 6a – 6d, jeder mit einem bewegbaren Teil zum Zusammenwirken mit der angetriebenen Einheit 4 – hier ist der Aktuator 6 in Form eines Zylinders mit einem Kolben als bewegbarem Teil ausgebildet. Das Zusammenwirken zwischen Aktuatoren 6 and angetriebener Einheit 4 erfolgt mittels Eingriffsmitteln 7, wobei jeder der Aktuatoren 6 an der Spitze seines bewegbaren Teils erste Eingriffsmittel 7a, und die angetriebene Einheit 4, hier in Form einer Kolbenstange mit Zähnen oder einer Zahnstange, zweite Eingriffsmittel 7b aufweisen, wobei die Eingriffsmittel 7 zahnförmig ausgebildet sind. Die Zähne der Zahnstange, das heißt die zweiten Eingriffsmittel 7b sind konstant beabstandet, in diesem speziellen Fall beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Zähnen etwa 5 mm. Die linear arbeitenden Aktuatoren 6a – 6d sind ebenfalls mit einem konstanten Abstand zwischeneinander beabstandet, der in diesem speziellen Fall etwa 21,25 mm beträgt, gemäß der Parameter, die zuvor in der Beschreibung aufgeführt wurden. Die Berechnung zur Anordnung der Aktuatoren 6 ist unten aufgeführt:

S: = 5 mm (Abstand zwischen den Zähnen),
N_cyl: = 4 (Anzahl der verwendeten Aktuatoren)
N: = 4 (Wahl des Konstrukteurs, jede Integerzahl ist möglich)

dx = S / Ncyl → dx = 5/4 = 1,25 mm

x = N·S + dx = → x = 4 × 5 mm + 1,25 mm = 21,25 mm

In 1 greifen die ersten Eingriffsmittel 7a des ersten Aktuators 6a in Reihe mit den zweiten Eingriffsmitteln 7b der angetriebenen Einheit 4 ein. Die Abfolge der ersten Eingriffsmittel 7a wird durch die Steuereinheit 5 gesteuert. In diesem Fall wird der letzte Aktuator 6d in der Reihe angetrieben, um dessen Kolben in Richtung zu der angetriebenen Einheit 4 zu bewegen. Dieses führt zu einer Bewegung der Kolbenstange nach links in dieser 2 zeigt die Schritte, um die Kolbenstange nach links beziehungsweise nach rechts zu bewegen.
In 2 ist die Funktionsweise der Positioniervorrichtung schematisch dargestellt. Aus Gründen der Vereinfachung sind nur die Kolbenstange und schematisch die Aktuatoren 6 mit deren ersten Eingriffsmitteln 7a dargestellt.
In Schritt eins ist der erste Aktuator 6a im Eingriff mit der Kolbenstange.
In Schritt 2 befindet sich der vierte Aktuator 6d im Eingriff mit der Kolbenstange, wobei der erste Aktuator 6a nicht mehr im Eingriff steht. Die Kolbenstange wurde durch diesen Eingriff aufgrund der Kräfte, die aus der Bewegung des Aktuators 6d und der speziellen Kontur der ersten und zweiten zusammenwirkenden Eingriffsmittel 7a, 7b bewegt. Die gestichelte Linie an der rechten Seite der Zeichnung kennzeichnet die Ausgangsposition. Somit hat sich die Kolbenstange in Schritt zwei an wenig nach links bewegt.
In Schritt drei befindet sich der dritte Aktuator 6c im Eingriff mit der Kolbenstange, wobei der vierte Aktuator 6d sich nicht mehr im Eingriff befindet. Die Kolbenstange hat sich weiter durch diesen Eingriff aufgrund der aus der Bewegung des Aktuators 6c und der speziellen Kontur der Eingriffsmittel hervorgerufenen Kräfte wie bereits ausgeführt bewegt. Der Abstand zu der gestichelten Linie an der rechten Seite der Zeichnung hat sich vergrößert.
In Schritt vier befindet sich der zweite Aktuator 6b im Eingriff mit der Kolbenstange, wobei der dritte Aktuator 6c sich nicht mehr im Eingriff befindet. Die Kolbenstange hat sich noch weiter durch den Eingriff wie bereits bekannt bewegt. Der Abstand zu der gestrichelten Linie an der rechten Seite der Zeichnung hat sich nochmals erhöht.
In Schritt 5 ist der Zustand von Schritt eins in Bezug auf die Aktuatoren 6a – 6d erreicht, jedoch mit einer Bewegung der Kolbenstange nach links. Somit können diese Schritte wiederholt und fortgesetzt werden, bis die angetriebene Einheit 4 sich in der gewünschten Position befindet.
Um die Bewegung in eine entgegengesetzte Bewegung umzulenken, muss die Abfolge der Aktuatoren 6a – 6d, die in die Kolbenstange eingreifen, umgekehrt werden. Dies ist in den Schritten fünf bis neun dargestellt.
In den Schritten fünf bis neun lautet die Abfolge der Aktuatoren 6a – 6d, die sich im Eingriff befinden wie folgt: zweiter Aktuator 6b, dritter Aktuator 6c, vierter Aktuator 6d und erster Aktuator 6a. Die Kolbenstange wird durch diese Abfolge nach rechts bewegt. Diese Schritte können ebenfalls wiederholt werden, bis die Kolbenstange sich in einer gewünschten Position befindet.
Nachdem die Prinzipien der Erfindung aufgezeigt wurden, wird in 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.
3 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Positioniervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Positioniervorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in welchem eine Antriebseinheit 3, eine angetriebene Einheit 4 und eine Steuereinheit (nicht dargestellt) angeordnet sind. Die Antriebseinheit 3 umfasst vier linear arbeitende Aktuatoren 6, die als Druckmittelzylinder ausgebildet sind, wobei jeder einen Kolben mit einem ersten Eingriffsmittel 7a, angeordnet an dessen Spitze, aufweist. Die ersten Eingriffsmittel 7a sind als herkömmliche Zähne ausgebildet die zu der Form der zweiten Eingriffsmittel 7b korrespondieren. Die angetriebene Einheit 4, die als eine Zahnstange ausgeformt ist, ist in dem Gehäuse 2 angeordnet und durch das Gehäuse 2 geführt und ist entlang dessen Oberfläche mit zweiten Eingriffsmitteln 7b, benachbart zu den ersten Eingriffsmitteln 7a der Antriebseinheit 3 ausgebildet. Das Gehäuse 2 dient in diesem Fall als ein Ventilblock.
4 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Positioniervorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Aus Gründer der Vereinfachung sind nur die Antriebseinheit 3 und die angetriebene Einheit 4 dargestellt. Die angetriebene Einheit 4 ist in diesem Beispiel als Zahnrad ausgebildet. Die Aktuatoren 6 sind konstant zu dem Umfang des Zahnrads beabstandet.
In 5 ist schematisch die Antriebseinheit mit vier Aktuatoren 6 und die angetriebene Einheit 4 eines dritten Ausführungsbeispiels einer Positioniervorrichtung dargestellt. Die zweiten Eingriffsmittel sind als Ausnehmungen und Vorsprünge, die aus kreisförmigen Bereichen, die um einen zentralen kreisförmigen Bereich angeordnet sind, ausgebildet, in welche die ersten Eingriffsmittel eingreifen können. Die Abstände zwischen benachbarten Aktuatoren 6 werden wie folgt berechnet:
Mit S = 120° (resultierend aus drei 3 gleich verteilten kreisförmigen Vorsprüngen, die in einem Kreis angeordnet sind); N_cyl = 4, N = 1 (frei gewählt) resultiert dx aus S/N_cyl, was zu einem Wert für dx von 30° führt. Der Abstand zwischen benachbarten Aktuatoren resultiert so wie folgt zu x = N·S – 30 = 90.
6 zeigt eine Anwendung einer Positioniervorrichtung. Die angetriebene Einheit 4 ist als Roboterarm ausgebildet, der in zwei Richtungen rotieren kann, wobei die zweiten Eingriffsmittel 7b zusammen mit einem Teil des Roboterarms als halbes Zahnrad ausgebildet sind, das zentral um ein Gelenkelement gelagert ist. Auch hier werden vier Aktuatoren verwendet, um die angetriebene Einheit 4 anzutreiben. Die Vielzahl der Anwendungsmöglichkeiten, in denen die Positioniervorrichtung verwendet werden kann, wird an eine weiteren, in 7 dargestellten Anwendung deutlich.
7 zeigt eine weitere Anwendung der Positioniervorrichtung. In dem vorliegenden Fall treibt die Antriebseinheit 3 eine angetriebene Einheit 4 an, deren Eingriffsmittel als Teile einer endlosen, umlaufenden Kette oder einem Polymerband ausgebildet sind, wobei die Kette dazu geeignet ist, weitere Einheiten anzutreiben.

1: Positioniervorrichtung
2: Gehäuse
3: Antriebseinheit
4: angetriebene Einheit
5: Steuereinheit
6: Aktuator
6c: erster Aktuator

6b: zweiter Aktuator
6c: dritter Aktuator
6d: vierter Aktuator
7: Eingriffsmittel
7a: erste Eingriffsmittel
7b: zweite Eingriffsmittel

Claims

Positioniervorrichtung (1) umfassend ein Gehäuse (2), welches zumindest teilweise eine lineare Antriebseinheit (3) mit ersten Eingriffsmitteln (7a), die linear in eine erste Richtung bewegbar ist, um eine lineare Bewegung, die in die erste Richtung gerichtet ist, bereitzustellen und eine bewegbare angetriebene Einheit (4) mit zweiten Eingriffsmitteln (7b), die in eine zweite Richtung bewegbar ist, um eine Bewegung, die in die zweite Richtung gerichtet ist bereitzustellen, wobei die zweiten Eingriffsmittel (7b) mit den ersten Eingriffsmitteln (7a) zusammenwirken und eine Steuereinheit (5) zum Steuern der linearen Antriebseinheit (3), um die erste Bewegung in eine zweite Bewegung umzuwandeln, aufnimmt und unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (3) und die angetriebene Einheit (4) so angeordnet sind, dass die erste Richtung der linearen Bewegung der Antriebseinheit (3) im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Richtung der Bewegung der angetriebenen Einheit (4) in dem Bereich des Eingriffs ausgebildet ist, um eine erste lineare Bewegung in eine zweite Bewegung umzuwandeln.
Positioniervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (3) zumindest zwei linear arbeitende Aktuatoren (6) umfasst, die in die zweite Richtung der zweiten Bewegung in dem Bereich des Eingriffs beabstandet sind und ein erstes Modul definieren, wobei jeder der Aktuatoren (6) ein korrespondierendes erstes Eingriffsmittel (7a) aufweisen, dass an einem bewegbarem Teil der Aktuatoren (6) befestigt, dass sich naheliegend zu den zweiten Eingriffsmitteln(7b) befindet.
Positioniervorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) so ausgebildet ist, dass sich zumindest eins der erstens Eingriffsmittel (7a) permanent im Eingriff mit zumindest einem der zweiten Eingriffsmittel (7b) befindet, um ein permanente Haltefunktion zu gewährleisten.
Positioniervorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Eingriffsmittel (7b) konstant mit vordefinierten Abständen beabstandet sind und so ein zweites Modul entlang der Oberfläche der angetriebenen Einheit (4) bilden, womit diese einen Eingriffsbereich bilden, in dem die angetriebene Einheit (4) bewegt werden kann.
Positioniervorrichtung (1) gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffsmittel (7) als Ausnehmungen und/oder Vorsprünge ausgebildet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen ein Vorsprung angeordnet ist, welche einen graduellen, allmählichen Übergangsbereich zwischen Vorsprüngen und/oder Ausnehmungen bilden.
Positioniervorrichtung (1) gemäß Ansprüchen 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modul zumindest etwas größer oder kleiner ist als das zweite Modul, abhängig von zumindest der Anzahl an Aktuatoren, wobei das erste Modul kein Vielfaches des zweiten Moduls ist, so dass zumindest einer der Vorsprünge und/oder Ausnehmungen der ersten Eingriffsmittel (7a) in eine korrespondierende Ausnehmung und/oder einen korrespondierenden Vorsprung der zweiten Eingriffsmittel (7b) eingreifen kann, ohne die angetriebene Einheit(4) zu bewegen.
Positioniervorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die angetriebene Einheit (4) eine Einheit, ausgewählt aus der Gruppe der verzahnten Teile ist, umfassend Zahnstangen und Zahnräder, um eine lineare beziehungsweise eine rotatorische Bewegung bereitzustellen, wobei die Eingriffsmittel (7) zahnförmig ausgebildet sind.
Positioniervorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoren (6) ausgewählt sind aus der Gruppe der linearen Aktuatoren (6) umfassend Druckmittelzylinder wie Pneumatikzylinder und Hydraulikzylinder und linear arbeitende Magnete wie Zugmagnete oder elektromagnetische Zugmagnete.
Verfahren zum Antreiben einer angetriebenen Einheit (4) mit zweiten Eingriffsmitteln (7b) in eine zweite Richtung mittels einer Antriebseinheit (3) mit zumindest zwei linearen Aktuatoren (6), die im Wesentlichen in senkrechter Richtung zu der angetriebenen Einheit (4) arbeiten, umfassend die Schritte: i.) Betätigen eines Aktuators (6), so dass dieser sich im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet (falls noch nicht im Eingriff) und dadurch die angetriebene Einheit (4) in eine erste Richtung bewegt, ii.) Betätigen eines benachbarten Aktuators (6), der dem Aktuator (6) aus Schritt i.) in zweiter Richtung folgt, so dass sich dieser im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet und dadurch diese angetrieben Einheit (4) wieder in eine erste Richtung bewegt, iii.) Betätigen des Aktuators (6) aus Schritt i.), so dass dieser sich nicht mehr im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet, nachdem der benachbarte Aktuator (6) aus Schritt ii.) sich im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet, iv.) Wiederholen der Schritte i.) bis iii.) so oft, wie es erforderlich ist, um die angetriebene Einheit (4) in eine gewünschte Position zu positionieren und v.) Starten mit Schritt i.) falls der letzte Aktuator (6) in einer Reihe der Antriebseinheit (3) betätigt wurde, wodurch ein Zyklus beendet wird, wobei Schritt v.) vor Schritt iv.), fall erforderlich, durchgeführt werden kann.
Verfahren zum Antreiben einer angetriebenen Einheit (4) mit zweiten Eingriffsmitteln (7b) in entgegengesetzten Richtung der zweiten Richtung mittels einer Antriebseinheit (3) mit mindestens zwei linearer Aktuatoren (6), die im Wesentlichen in senkrechter Richtung zu der angetriebenen Einheit (4) arbeiten, umfassend die Schritte: i.) Betätigen eines Aktuators (6), so dass dieser sich im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet (falls noch nicht im Eingriff) und dadurch die angetriebene Einheit (4) in eine entgegengesetzte Richtung zu der zweiten Richtung bewegt, ii.) Betätigen eines benachbarten Aktuators (6), der dem Aktuator (6) aus Schritt i.) in entgegengesetzter Richtung zu der zweiten Richtung folgt, so dass dieser sich im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet und dadurch die angetriebene Einheit (4) wieder in entgegengesetzte Richtung zu der zweiten Richtung bewegt, iii.) Betätigen des Aktuators (6) aus Schritt i.), so dass dieser sich nicht mehr im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet, nachdem der benachbarte Aktuator (6) aus Schritt ii.) sich im Eingriff mit der angetriebenen Einheit (4) befindet, iv.) Wiederholen der Schritte i.) bis iii.) so oft wie erforderlich, um die angetriebene Einheit (4) in eine gewünschte Position zu positionieren und v.) Starten mit Schritt i.), falls der letzte Aktuator (6) in einer Reihe der Antriebseinheit (3) betätigt wurde, wodurch ein Zyklus beendet wird, wobei Schritt v.) vor Schritt iv.) durchgeführte werden kann, falls erforderlich.