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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb sowie auf eine Positioniervorrichtung
mit einem Linearantrieb.
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Ein
Linearantrieb bewegt ein längsverschiebliches
Objekt gegen ein feststehendes Objekt, fortan Unterbau genannt.
Der Linearantrieb ist dazu ortsfest am Unterbau angeordnet. Dabei
gibt es den Anwendungsfall, dass das längsverschiebliche Objekt einen
Verfahrbereich aufweisen soll, der eine größere Länge aufweist, als der Unterbau.
In diesem Fall ist eine Bewegung des längsverschieblichen Objekts
in Längsrichtung über die
Begrenzungen des Unterbaus hinaus notwendig.
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Es
besteht die Möglichkeit,
am ortsfesten Objekt einen getriebenen Zahnriemen mit einer Außenverzahnung
anzuordnen. Dieser Zahnriemen greift formschlüssig in eine am längsverschieblichen Objekt
in Längsrichtung
angeordnete Zahnstange mit einer korrespondierenden Verzahnung.
Bei einer Bewegung des Zahnriemens wird das längsverschiebliche Objekt mit
dem Zahnriemen mitbewegt. Der Zahnriemen ist üblicherweise aus einem Gummi
mit einer Textil- oder Stahlseileinlage gefertigt, um sein Umlenken
mittels Antriebsrollen zu ermöglichen.
Die in die Zahnstange eingreifenden Zähne des Zahnriemens sind somit
relativ weich, so dass der Formschluss mit der Zahnstange am Objekt
nur unvollkommen ist.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
das längsverschiebliche
Objekt gegen das feststehende Objekt mittels eines über zumindest
zwei Seilrollen laufenden Seilzuges zu bewegen. Die beiden Seilenden sind
am längsverschieblichen
Objekt befestigt.
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Als
drittes besteht die Möglichkeit,
anstelle des Seilzuges eine über
zumindest zwei Zahnräder laufende
Rollenkette ein zusetzen, deren beide Kettenenden wiederum am längsverschieblichen
Objekt befestigt sind.
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Konzeptbedingt
läuft das
Seil des Seilzuges bzw. die Rollenkette zumindest leicht schräg, so dass ein
leichtgängiges
Abrollen nur bedingt oder mit einem erhöhten baulichen Aufwand gewährleistbar
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb anzugeben,
der die Nachteile bekannter Linearantriebe nicht aufweist und einfach und
kompakt herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Linearantrieb nach Anspruch 1. Hierzu weist der Linearantrieb
eine geschlossene und zumindest um zwei ortsfeste Zahnräder umgelenkte und
von mindestens einem der Zahnräder
angetriebene Rollenkette als Antrieb auf. Das Erscheinungsbild des
Linearantriebs ähnelt
dem Kettentrieb eines Fahrrades. Rollenketten sind nach der DIN
8187 bzw. der ISO 606 genormt, der die Gestalt der Rollenkette und
ihre Abmessungen zu entnehmen sind. Am längsverschieblichen Objekt ist
ein Mitnehmer zum Eingreifen in die Rollenkette angeordnet als Kraftübertragung
von der Rollenkette auf das längsverschiebliche
Objekt. Dabei greifen die zumindest zwei Zahnräder und der Mitnehmer formschlüssig in
die Ausnehmungen der Rollenkette ein. Es kommt daher zu einer formschlüssigen und
schlupffreien Verbindung zwischen der Rollenkette als Antriebselement und
dem längsverschieblichen
Objekt als Abtriebselement. Da zwischen Rollenkette und längsverschieblichem
Objekt kein Schlupf auftritt, ist eine sehr präzise Längsbewegung des längsverschieblichen Objekts
gegen den Unterbau erreicht. Bei einer geringen Länge der
Rollenkette lässt
sich ein großer
Verfahrbereich des längsverschieblichen
Objekts realisieren. Das längsverschiebliche
Objekt lässt
sich dabei nahezu über
seine gesamte Länge
teleskopartig über
den Unterbau hinaus in seine Endposition verschieben. Dabei muss
nur zumindest ein Mitnehmer weiter mit der Rollenkette im Eingriff
stehen, um eine Bewegung aus der Endposition heraus durch eine Umkehr
der Drehrichtung der beiden Zahnräder zu gewährleisten. Da die Rollenkette
mechanisch sehr stabil ist, lassen sich mit einem derartigen Linearantrieb
auch hohe Antriebsmomente auf das längsverschiebliche Objekt übertragen.
So sind mittels des Linearantriebs auch Objekte mit einer hohen
Masse bewegbar.
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Der
Linearantrieb ist leichtgängig
ausführbar. Zum
Bewegen des längsverschieblichen
Objekts ist somit lediglich eine geringe Antriebskraft notwendig. Der
Antrieb der Rollenkette kann somit mit einer geringen Leistungsaufnahme
ausgeführt
sein und verbraucht wenig elektrische Energie.
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Zudem
ist der Linearantrieb nahezu beliebig dimensionierbar. Die Länge des
Linearantriebs kann über
die Länge
der Rollenkette nahezu beliebig vorgegeben werden. Diese Länge wiederum
hängt nur von
der in Bezug auf die Gesamtlänge
vernachlässigbaren
Länge eines
Kettengliedes ab. Weiterhin sind Rollenketten in den verschiedensten
Teilungen am Markt erhältlich.
Aufgrund ihrer Normierung nach DIN 8187 bzw. ISO 606 können Rollenketten
von verschiedenen Herstellern bezogen werden. Auch Rollenzahnräder sind
passend zur Teilung der Rollenkette am Markt erhältlich. Somit können Rollenkette
und Zahnräder
nach einem Baukastenprinzip abgestimmt auf den Anwendungsfall ausgewählt werden.
Eine Entwicklung neuartiger Bauteile für den Linearantrieb ist nicht
notwendig.
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Ein
derartiger Linearantrieb ist vorteilhaft in den verschiedensten
Anwendungsgebieten einsetzbar. So gestattet er in der Medizintechnik
den Bau einer besonders kompakten Patientenpositioniervorrichtung,
bei der eine Patientenliege als längsverschiebliches Objekt gegen
einen Unterbau verschoben wird. Weiter lässt sich der Linearantrieb
in der Medizintechnik als Antrieb für ein Röntgenstativ eines Röntgendiagnosegerätes oder
eines Röntgentherapiegerätes einsetzen.
Ganz allgemein ist ein derartiger Linearantrieb überall dort einsetzbar, wo ein
kompakter Antrieb mit einem großen
Verfahrbereich erwünscht
ist. Zu den möglichen
Anwendungsgebieten zählen
Förder-
und Transportsysteme im Maschinen- und Anlagenbau, in der Verfahrenstechnik
oder im Logistikbereich. Dabei kann es sich um ein Kransystem, ein
Förderband,
aber auch um eine Baumaschine oder ein Regalsystem handeln.
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In
einer Weiterbildung ist als Mitnehmer eine Zahnstange vorgesehen,
die zur vorgegebenen Teilung der Rollenkette passend gefertigt ist.
Die Zahnstange wird parallel zur Ausrichtung der Rollenkette am
längsverschieblichen
Objekt an dessen der Rollenkette zugewandten Seite befestigt. Sie
weist mehrere Zähne
auf und erstreckt sich beispielsweise in Längsrichtung über das
gesamte längsverschiebliche
Objekt. Daher greifen gleichzeitig viele Zähne als Mitnehmer in die Ausnehmungen
der Rollenkette ein, so dass sich die am längsverschieblichen Objekt angreifende
Kraft auf die Zähne
verteilt und sich eine besonders gleichmäßige Kraftübertragung von der Rollenkette
als Antrieb auf das längsverschiebliche Objekt
ergibt.
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Einer
zweckmäßigen Weiterbildung
zufolge weist die Rollenkette mindestens zwei Kettenreihen auf.
Dabei greifen die Zahnräder
in die erste Kettenreihe und der Mitnehmer in die zweite Kettenreihe ein.
Auf diese Weise ist es bei einem Verschieben des längsverschieblichen
Objekts in seine Endposition ausgeschlossen, dass ein Mitnehmer
und ein Zahn eines der beiden Zahnräder von zwei verschiedenen
Seiten in ein und die selbe Ausnehmung der Rollenkette greifen,
was ein Herausspringen des Mitnehmers aus der Rollenkette zur Folge
haben könnte.
Das längsverschiebliche
Element kann daher im Extremfall so weit verschoben werden, bis
sich der letzte in eine Ausnehmung der Rollenkette greifende Mitnehmer über dem
Scheitelpunkt eines der Zahnräder
befindet. Auf diese Weise ist eine Erweiterung des Verstellbereichs
in Längsrichtung
erreicht.
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Zweckmäßig sind
die Zahnräder
in Längsrichtung
fluchtend angeordnet. Auf diese Weise ist ein Verspannen der Rollenkette
sicher vermieden. Die Rollenkette und damit das längsverschiebliche Objekt
ist daher leichtgängig
beweglich. Zudem ist die mechanische Belastung der Rollenkette und
damit das Risiko eines sukzessiven Ausleierns der Rollenkette gering.
Daraus ergibt sich eine hohe Lebensdauer der Rollenkette. Eine Überprüfung der
Rollenkette ist nur selten notwendig. Außerdem ist das Risiko für ein Herunterspringen
der Rollenkette von ihren Zahnrädern
deutlich herabgesetzt.
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Zudem
lässt sich
der Linearantrieb hierdurch sehr kompakt ausführen. Die beiden limitierenden Faktoren
sind dabei die Breite der Rollenkette und der Durchmesser der beiden
Zahnräder,
die letztendlich beide von der Masse des zu bewegenden Objekts abhängen. Insbesondere
ein Linearantrieb mit einer einreihigen Rollenkette ist daher sehr
kompakt ausgeführt
und benötigt
wenig Einbauraum. Die Einbaulage ist dabei situationsbedingt frei
wählbar.
So können
die Achsen der beiden Zahnräder
senkrecht oder waagrecht orientiert sein.
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Vorteilhaft
sind Kettenführungselemente zum
Führen
der Rollenkette vorgesehen. Mittels der Kettenführungselemente lässt sich
ein Durchhängen der
Rollenkette vermeiden. Hierdurch leiert die Rollenkette weniger
stark aus. Die Vorteile sind zu den bereits genannten Vorteilen
bei der fluchtenden Anordnung der beiden Zahnräder identisch.
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Zweckmäßig ist
eine Linearführung
zur Führung
des Objekts in Längsrichtung
vorgesehen. Eine derartige Linearführung ist fertig konfektioniert
am Markt in den verschiedensten Ausführungen erhältlich und ist zwischen dem
längsverschieblichen
Objekt und dem Unterbau angeordnet. Mittels der Linearführung lässt sich
das längsverschiebliche
Objekt exakt in Längsrichtung
halten. Je nach der auftretenden Flächenpressung lassen sich Gleitlager
oder Wälzkörper zur
Verringerung der Reibung einsetzen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Linearantrieb zumindest
einen Anschlag als Zwangshalt für
das Objekt auf. Auf diese Weise lässt sich die Endposition bei
einer maximalen Verschiebung des längsverschieblichen Objekts
gegen den Unterbau vorgeben. Ein Hinausbewegen des längsverschieblichen
Objekts über
diese Endposition hinaus und somit ein Herausspringen des Mitnehmers
aus seiner Ausnehmung in der Rollenkette ist somit ausgeschlossen.
Als Anschlag eignet sich beispielsweise eine an der der Rollenkette
zugewandten Seite des längsverschieblichen
Objekts angeordnete Lasche oder ein Winkeleisen, das in der Endposition
an einem Gegenanschlag des Unterbaus anschlägt.
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Vorteilhaft
weist der Linearantrieb eine Vorrichtung zur Positionserkennung
auf. Dadurch ist die Position der Rollenkette und somit indirekt
die Position des längsverschieblichen
Objekts jederzeit erfassbar. Mittels einer den Antrieb steuernden
Steuereinheit kann beispielsweise eine gewünschte Position vorgegeben
und das Objekt exakt positioniert werden. Es kann ein Anhalten des
Antriebs erfolgen, wenn das Objekt eine seiner beiden Endpositionen erreicht
hat. Dieses Anhalten kann auch sukzessive erfolgen, indem eine allmähliche Reduzierung
der Antriebsleistung erfolgt. So kann ein Abbremsvorgang besonders
sanft erfolgen.
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So
lassen sich mittels einer eine Lichtquelle und eine Photozelle umfassenden
Vorrichtung zur Positionserkennung die einzelnen Ausnehmungen der
Rollenkette detektieren. Mittels eines Zählens der Ausnehmungen ist
bei bekannter Anfangsposition die momentane Position des längsverschieblichen Objekts
in einfacher Weise erfasst.
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In
einer anderen Variante erfolgt die Positionserkennung über eine
Drehwinkelerfassung an der Achse eines der beiden Zahnräder. Über den
Drehwinkel ist indirekt die Position des Objekts bestimmbar.
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Die
Aufgabe wird weiterhin gelöst
durch eine Positioniervorrichtung mit einem Linearantrieb. Dabei sind
auf die Positioniervorrichtung die auf den Linearantrieb gerichteten
Ansprüche
mit ihren Vorteilen sinngemäß zu übertragen.
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Zweckmäßig ist
eine Positioniervorrichtung für
einen Patienten mit einem derartigen Linearantrieb versehen, wobei
eine Patientenliege das längsverschiebliche
Objekt darstellt. Auf diese Weise lässt sich eine Positioniervorrichtung
für einen
Patienten mit einem kompakten Unterbau bereitstellen, bei der dennoch
ein Verschieben über
einen weiten Verfahrbereich in Längsrichtung
gewährleistet
ist.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen die einzelnen
Figuren:
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1 eine
Positioniervorrichtung mit einem Linearantrieb schematisch in einer
Seitenansicht,
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2 die
Positioniervorrichtung aus 1 in einer
Draufsicht,
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3 ein
Detail einer Zahnstange
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Gemäß 1 weist
die Positioniervorrichtung 1 einen ortsfesten Unterbau 2 und
ein gegen den ortsfesten Unterbau 2 in Längsrichtung 3 längsverschiebliches
Objekt 4 auf. Das Objekt 4 ist in der FIG in seinen
zwei Endpositionen gezeigt, bei denen es maximal und teleskopartig
gegen den Unterbau 2 verschoben ist. Das Objekt 4 kann
zudem jede beliebige Position zwischen den beiden Endpositionen einnehmen.
Eine der beiden Endpositionen ist der besseren Übersicht halber mit gestrichenen
Bezugszeichen versehen. Zwischen dem Unterbau 2 und dem
Objekt 4 ist eine Linearführung 5 angeordnet, die
ein leichtgängiges
Verschieben des Objekts 4 in Längsrichtung 3 gegen
den Unterbau 2 gewährleistet und
die zugleich das Objekt 4 gegen den Unterbau 2 abstützt.
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Im
Unterbau 2 ist ortsfest ein Linearantrieb 6 zum
Bewegen des Objekts 4 angeordnet. Der Linearantrieb 6 umfasst
eine geschlossene Rollenkette 7, die von einem ersten Zahnrad 8 und
einem zweiten Zahnrad 9 umgelenkt wird. Dabei greifen die
Zähne 10 der
beiden Zahnräder 8, 9 in
die nicht dargestellten Ausnehmungen der Rollenkette 7 ein.
Die Rollenkette 7 ent spricht der DIN-Norm 8187. Die beiden Zahnräder 8, 9 sind
in einem Achsabstand 11 in Flucht montiert. Auf diese Weise
ist ein Verspannen der Rollenkette 7 vermieden.
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Am
Objekt 4 ist in Längsrichtung 3 an
seiner dem Linearantrieb 5 zugewandten Seite eine Zahnstange 12 befestigt.
Diese greift mit ihren Zähnen 13 ebenfalls
in die Ausnehmungen der Rollenkette 7 ein, jedoch von der
anderen Seite, als die Zähne 10 der Zahnräder 8, 9.
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Die
Rollenkette 7 ist an ihrer Unterseite durch Kettenführungselemente 14 abgestützt und geführt. Zum
Antreiben des ersten Zahnrades 8 und damit der Rollenkette 7 ist
ein als Elektromotor ausgebildeter Antrieb 15 vorgesehen.
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Wird
nun mittels des Antriebs 15 das erste Zahnrad 8 angetrieben,
so läuft
die Rollenkette 7 auf den beiden Zahnrädern 8, 9 ab.
Das Objekt 4 wird über
die in die Rollenkette 7 eingreifenden Zähne 13 als
Mitnehmer in Längsrichtung 3 mit
der Rollenkette 7 mit bewegt. Durch die Umdrehungsrichtung 16 der beiden
Zahnräder 8, 9 ist
die Bewegungsrichtung in Längsrichtung 3 vorgegeben.
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Zur
Bestimmung der Position der Rollenkette 7 ist eine Positionsmessvorrichtung 17 vorgesehen. Die
Positionsmessvorrichtung 17 umfasst eine Lichtquelle 18 und
eine Photodiode 19. Mittels der Lichtquelle 18 wird
die Rollenkette 7 derart bestrahlt, dass ihr Lichtstrahl
senkrecht auf die Ausnehmungen auftrifft und sie durchstrahlt. Auf
der anderen Seite der Rollenkette 7 gegenüber der
Lichtquelle 7 wird das Licht der Lichtquelle 18 mit
der Photodiode 19 registriert. Wird die Rollenkette 7 zwischen
der Lichtquelle 18 und der Photodiode 19 bewegt,
so werden aufgrund des periodischen Wechsels von durch Rollen gebildeten
Stegen und Ausnehmungen mit der Photodiode 19 Helligkeitsunterschiede
registriert. Mittels einer Steuereinheit 20 werden die
aufeinander folgenden Helligkeitsunterschiede erfasst und gezählt. Sie
entsprechen der Anzahl der Kettenglieder, die sich an der Positionsmessvor richtung 17 vorbei
bewegt haben. Über
die Zahl der bewegten Kettenglieder der Rollenkette 7 lässt sich
bei bekannter Anfangsposition der Rollenkette 7 deren Position
exakt zu jeder Zeit bestimmen. Damit ist indirekt auch die Position
des von der Rollenkette 7 bewegten Objekts 4 erfasst.
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Das
Objekt 4 weist in Längsrichtung 3 eine Länge 21 auf.
Bezüglich
seiner Objektmitte 22 liegt ein maximaler Verfahrbereich 23 vor,
um den das Objekt 4 in Längsrichtung 3 bewegbar
ist. Dieser maximale Verfahrbereich 23 ist dabei bedeutend
größer, als
der Achsabstand 11 der beiden Zahnräder 8, 9. Das
Objekt 4 lässt
sich daher teleskopartig weit über den
Achsabstand 11 verstellen. Der maximale Verfahrbereich 23 des
Objekts 4 ist dabei gegeben als die Summe aus dem Achsabstand 11 und
der Länge 21 des
Objekts 4.
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Das
Verstellen des Objekts 4 in Längsrichtung 3 verläuft dabei
wie folgt. Das Objekt 4 wird in Längsrichtung 3 bewegt.
Dazu wird das erste Zahnrad 8 mittels des Antriebs 15 in
Umdrehungsrichtung 16 angetrieben. Die Ansteuerung des
Antriebs 15 erfolgt mittels der Steuereinheit 20.
Die Bewegung in Längsrichtung 3 hält so lange
an, bis das Objekt 4 in einer seiner beiden Endpositionen
anlangt. Das Erreichen einer der beiden Endpositionen wird mittels der
Positionsmessvorrichtung 17 detektiert und führt zu einem
Abschalten des Antriebs 15 und somit zu einem Anhalten
des Objekts 4.
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2 zeigt
die Positioniervorrichtung 1 in einer Draufsicht. Dabei
sind wieder die beiden Endpositionen des Objekts 4 eingezeichnet.
In der Draufsicht teilweise oder vollständig verdeckte Elemente, wie
der Linearantrieb 6 und die Zahnstange 12, sind gestrichelt
dargestellt. Aus der 2 ist zu entnehmen, dass die
beiden Zahnräder 8, 9 in
Längsrichtung 3 fluchtend
angeordnet sind, so dass die Rollenkette 7 spannungsfrei
von den beiden Zahnrädern 8, 9 umgelenkt
wird. Ebenfalls fluchtend zu den beiden Zahnrädern 8, 9 ist
die Zahnstange 12 an der der Rollenkette 7 zugewandten
Unterseite des Objekts 4 angeordnet. In Längsrichtung 3 sind
an beiden Enden des Objekts 4 an dessen dem Linearantrieb 6 zugewandten
Unterseite jeweils zwei Anschläge 24 befestigt.
Dabei ist in Querrichtung 25 quer zur Längsrichtung 3 jeweils
ein Anschlag seitlich von der Zahnstange 12 platziert.
Der Unterbau 2 weist für
jeden Anschlag 24 von der Längsrichtung 3 her
gesehen an seinen beiden Enden einen korrespondierenden Gegenanschlag 26 auf.
Wird das Objekt 4 in Längsrichtung 3 bewegt,
so läuft
seine Zahnstange 12 zwischen den beiden Gegenanschlägen 26.
Hat dass Objekt 4 eine seiner beiden Endpositionen erreicht, so
stoßen
seine beiden an einem Ende angeordneten Anschläge 24 gegen ihre korrespondierenden Gegenanschläge 26.
Auf diese Weise ist das Objekt 4 zusätzlich zum Anhalten des Antriebs 15 gegen
ein Verschieben in Längsrichtung 3 über seine
Endposition hinaus abgesichert.
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3 zeigt
einen Ausschnitt der Zahnstange 12 mit mehreren Zähnen 13.
Die Zahnstange 12 weist eine für eine Rollenkette 7 einer
vorgegebenen Teilung passende Teilung 27 auf. Für die in
der 3 nicht gezeigte Rollenkette 7 wurde
beispielhaft die Teilung 1/2'' gewählt. Die
genauen Masse der Rollenkette 7 sind der DIN 8187-1, Nr.
83 (entspricht ISO 606) zu entnehmen. Die Zahnstange 12 greift
mit ihren Zähnen 13 in
die Ausnehmungen der Rollenkette 7 ein. Dabei kommen die
Rollen der Rollenkette in den Halbmessern 28 der Zahnstange 12 zu
liegen. Die Rollenkette 7 weist einen Rollendurchmesser von
7.75 mm auf. Für
die Auslegung des Halbmessers 28 wird dem Rollendurchmesser
ein Spielmaß von
0.65 mm zugegeben, so dass sich der Durchmesser des Halbmessers 28 zu
8.4 mm und sein Radius zu 4.2 mm ergibt.
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- 1
- Positioniervorrichtung
- 2
- ortsfester
Unterbau
- 3
- Längsrichtung
- 4,
4'
- längsverschiebliches
Objekt
- 5
- Linearführung
- 6
- Linearantrieb
- 7
- Rollenkette
- 8
- erstes
Zahnrad
- 9
- zweites
Zahnrad
- 10
- Zahn
- 11
- Achsabstand
- 12,
12'
- Zahnstange
- 13,
13'
- Zahn
- 14
- Kettenführungselement
- 15
- Antrieb
- 16
- Umdrehungsrichtung
- 17
- Positionsmessvorrichtung
- 18
- Lichtquelle
- 19
- Photodiode
- 20
- Steuereinheit
- 21
- Objektlänge
- 22,
22'
- Objektmitte
- 23
- Verfahrbereich
- 24,
24'
- Anschlag
- 25
- Querrichtung
- 26,
26'
- Gegenanschlag
- 27
- Teilung
- 28
- Halbmesser