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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wandeln einer kontinuierlichen
Bewegung in eine diskontinuierliche Bewegung, bei dem durch einen Antrieb
auf einer Antriebsseite eine kontinuierliche Bewegung eines Antriebselementes
erzeugt wird, dessen Bewegungsenergie einem Energiespeicher zugeführt wird
und von dem Energiespeicher an ein Abtriebselement weitergeleitet
wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen
einer, insbesondere hochdynamischen, Bewegung mit einer Antriebsseite
und einer Abtriebsseite, mit einem kontinuierlich arbeitenden Antrieb
auf der Antriebsseite, einem Energiespeicher, welcher über den
Antrieb aufladbar ist und mit einem über den Energiespeicher beaufschlagbaren
Abtriebselement.
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Bei
derartigen Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von linearen
beziehungsweise rotatorischen diskontinuierlichen Bewegungen werden
für die
Beschleunigungsphase und Beschleunigungspitzen große Vorschubkräfte beziehungsweise
Drehmomente benötigt.
Je höher
die Anforderungen an die Dynamik sind, desto größer sind die benötigten Vorschubkräfte beziehungsweise
Drehmomente. Hierbei ist von Nachteil, dass die hierzu verwendeten Antriebe
und/oder Getriebe neben einer größeren Leistung
auch zu einer erhöhten
Massenträgheit
beitragen, was wiederum zu einer Verringerung der Dynamik führt.
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Dieser
Nachteil kann teilweise dadurch aufgelöst werden, dass die erforderliche
Energie zwischengespeichert wird. In diesem Zusammenhang ist es
bekannt, die Energie nah am Abtrieb, beispielsweise als Rotationsenergie
in einem Schwungrad, zu speichern. Dieses kann kurzzeitig in den
Antriebsstrang eingekoppelt werden und somit eine Vorschubbewegung
des Abtriebselementes erzeugen. Eine andere Variante eine diskontinuierliche
Vorschubbewegung zu realisieren, ergibt sich in bekannter Weise
bei Verwendung eines hydraulischen Linearzylinders, der über einen
hydraulischen Blasenspeicher versorgt wird. Hierbei ist von Nachteil,
dass die Verwendung eines Schwungrades oder eines hydraulischen
Blasenspeichers eine vergleichsweise aufwendige Konstruktion notwendig
machen.
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Sofern
eine hohe Vorschubkraft und gleichzeitig eine hohe Positioniergenauigkeit
gefordert ist, werden üblicherweise
elektromechanische Vorschubachsen beispielsweise Kugelgewindetriebe
verwendet. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass es nicht gelingt,
die Spindelsteigung im Sinne einer hohen Dynamik und gleichzeitig
einer hohen Laststeifigkeit zu wählen.
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Darüber hinaus
ist es bekannt, Kurvenscheiben, Exzenter oder ein Maltesergetriebe
zur Erzeugung von ungleichförmigen
linearen Bewegungen zu verwenden. Diese Bewegungswandler erzeugen
jedoch positionsabhängig
unterschiedliche Geschwindigkeiten in der linearen Vorschubbewegung
bei einer ebenfalls ortsabhängigen
Steifigkeit. Des Weiteren ist der Einsatz von Zahn- beziehungsweise Flachriemen
bekannt, bei denen sowohl durch die Massenträgheiten als auch durch die äußeren Kräfte sich
der vergleichsweise nachgiebige Riemen dehnt, wodurch sich eine
erhebliche Ungenauigkeit bezüglich
der Position des Abtriebselements ergibt.
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Ferner
kann ein plötzliches
Aufschalten einer äußeren Last
bei einem reibungsarm oder reibungsfrei ausgeführtem Bewegungswandler zum
Schwingen und/oder Dauerschwingen der antriebsseitigen Elemente
führen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren
und eine konstruktiv einfach aufgebaute Vorrichtung zum Wandeln
einer kontinuierlichen Bewegung in eine diskontinuierliche Bewegung
anzugeben, wobei abriebsseitig über
eine hohe Vorschubkraft eine hohe Dynamik sowie eine hohe Laststeifigkeit
und eine hohe Positionsgenauigkeit realisiert wird.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass
das Abtriebselement zeitlich begrenzt festgesetzt wird. Ferner wird
zum Lösen
des Problems eine Vorrichtung angegeben, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass das Abtriebselement ein Bremselement aufweist.
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Über das
erfindungsgemäße Verfahren
beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es nunmehr
möglich
gleichzeitig hohe Anforderungen an die abtriebsseitigen Eigenschaften
wie beispielsweise einer hohen Vorschubkraft zur Erzeugung einer
hohen Dynamik sowie bezüglich
einer hohen Positionsgenauigkeit und Laststeifigkeit zu stellen.
Somit können
die aus dem Stand der Technik bekannten reibungsarmen oder reibungsfreien
Bewegungswandler, die jeweils nur für einzelne abtriebsseitige
Eigenschaften hohe Anforderungen erfüllen können, durch eine einziges Verfahren
beziehungsweise eine einzige Vorrichtung ersetzt werden.
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Zudem
ist die Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich
zu den Bewegungswandlern aus dem Stand der Technik einfach im Aufbau.
Auf der Antriebsseite wird über
einen Antrieb ein Antriebsstrang angetrieben, auf dem das Antriebselement
angeordnet ist. Das Antriebselement ist mit einem beispielsweise
mechanischen Energiespeicher verbunden, der sich zwischen der Antriebsseite
und der Abtriebsseite befindet. Der Energiespeicher ist mit dem
Abtriebselement verbunden, welches beispielsweise auf einer Leiste
zusammen mit einem Bremselement geführt ist. Durch diese einfache
Konstruktion ergibt sich eine zuverlässige Vorrichtung, die vergleichsweise
geringe Kosten bei der Produktion, Wartung und Reparatur erzeugt
und zudem sehr leicht auf die individuellen Anforderungen angepasst werden
kann.
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Nach
einer konkreten konstruktiven Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Vorschubenergie des Antriebselementes im Energiespeicher
gespeichert, während
ein Bremselement des Abtriebselements festgesetzt ist. Somit kann durch
Steuerung des Bremselementes eindeutig der Startzeitpunkt festgelegt
werden, an dem die Bewegungsenergie des Antriebselementes dem Energiespeicher
zugeführt
wird. Des Weiteren wird durch die Steuerung des Bremselementes zugleich
auch die Lage des Abtriebselementes gesteuert beziehungsweise festgelegt.
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Das
Bremselement wird gelöst,
wenn eine hochdynamische Vorschubbewegung auf der Abtriebsseite
für das
Abtriebselement benötigt
wird. Die im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge wird durch
das Lösen
des Bremselementes an das Abtriebselement abgegeben. Hierbei ergibt
sich eine hochdynamische Vorschubbewegung des Abtriebselements,
da das Abtriebselement, vorteilhafterweise nur durch seine Massenträgheit begrenzt,
in Vorschubrichtung bewegt wird. Eine neue Position des Abtriebselementes
wird durch ein erneutes Schließen
des Bremselementes erreicht.
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Entsprechend
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Lösen und Schließen des
Bremselements über
eine Steuerung gesteuert. Durch Steuerung des erneuten Schließens des
Bremselementes kann die Zeitspanne zwischen dem Lösen des
Bremselementes und dem erneuten Schließen festgelegt werden. Über die
Steuerung des Bremselementes kann gleichzeitig die maximal zu erreichende
Geschwindigkeit des Abtriebselementes und/oder die zurückgelegte
Wegstrecke des Abtriebselementes gesteuert werden. Durch ein nur
teilweises Lösen
des Bremselementes kann auf die Beschleunigung und/oder die maximal
zu erreichende Geschwindigkeit des Abtriebselementes Einfluss genommen
werden. Eine auf das Abtriebselement wirkende Bremskraft kann mittels
des Bremselementes dosiert werden. Vorteilhafterweise wird das Bremselement
reibschlüssig
festgesetzt, wodurch eine hohe Dämpfwirkung
erreicht werden kann. Hierdurch kann die Gefahr des Entstehens von
Schwingungen der antriebsseitigen Elemente beim Aufschalten einer äußeren Last
bei einem reibungsfreien oder reibungsarmen Bewegungswandler deutlich vermindert
werden.
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Bei
dem Bremselement der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es
sich vorzugsweise um eine hochdynamisch arbeitende Bewegungsbremse. Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist durch das Bremselement auf der Abtriebsseite eine Leiste reibungsfrei
geführt.
Hierdurch können
störende
Widerstände
bei der abtriebseitigen Bewegung vermieden werden.
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Vorteilhafterweise
handelt es sich bei dieser Leiste um eine Reibleiste, so dass das
Bremselement reibschlüssig
mit der Reibleiste zusammenwirkt. Hierbei ist vorteilhaft, dass
das Bremselement auf der Reibleiste stufenlos, verschiebbar und
kraftschlüssig,
insbesondere reibschlüssig,
festsetzbar ist und vorzugsweise dosierbar ist. Beispielsweise kann eine
Bürste
als Bremselement dienen, die durch Anstellung der Borsten an die
Leiste eine Bremskraft erzeugt.
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Nach
einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist das Bremselement
auf einer Leiste formschlüssig
und in diskreten Abständen
festsetzbar. Hierzu ist es möglich,
das Bremselement derart zu gestalten, dass das Abtriebselement beim
Lösen des
Bremselementes diskrete und damit eindeutig definierte Sprünge macht.
Dies kann beispielsweise durch eine Leiste mit in vorbestimmten
Abständen angeordneten
Zähnen
erreicht werden, in die ein entsprechend ausgestaltetes Bremselement
einrastet. Um nun je nach Anforderung verschiedene Abstände bzw.
Sprungweiten zu ermöglichen,
kann zusätzlich ein
Magazin, beispielsweise ein Revolvermagazin, vorgesehen sein, welches
eine Anzahl an Leisten mit jeweils unterschiedlich beabstandeten
Zähnen
bevorratet. Hierdurch ist ein schnelles und einfaches Auswechseln
der Leiste für
unterschiedliche Anforderungen und/oder Anwendungen gewährleistet.
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Entsprechend
einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Energiespeicher zwischen
Antriebsseite und Abtriebsseite angeordnet. Hierdurch ist gewährleistet,
dass die Energie der Antriebsseite leicht entnommen werden kann
und die gespeicherte Energie möglichst
nah am Ort der Nutzbewegung, also der Abtriebsseite, gespeichert
wird. Vorzugsweise ist der Energiespeicher ein mechanischer Energiespeicher.
Beispielsweise kann der Energiespeicher als eine Feder oder ein
Federpaket realisiert sein. Die Federn können Druckfedern und/oder als
Zugfedern sein. Durch eine beispielsweise anwendungsabhängige Wahl
der Federn, kann die abriebsseitige Dynamik des Abtriebselementes beeinflusst
werden. Zudem kann über
die Federvorspannung und/oder den Austausch der Feder gegen eine
Feder mit einer anderen Federkennlinie die in den Energiespeicher
zugeführte
Energiemenge gesteuert werden. Dies zusammen mit einem möglicherweise
steuerbaren Bremselement ermöglicht
die Umsetzung unterschiedlichster abtriebsseitiger Dynamiken.
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Alternativ
zur Verwendung einer Feder oder eines Federpaketes kann mindestens
ein Magnet als Energiespeicher vorgesehen sein. Ein oder mehrere Magnete
können
so angeordnet sein, dass sie eine Zug- und/oder Druckwirkung erzeugen.
So können die
abstoßenden
Pole bei festgesetztem Bremselement aufeinander zu bewegt werden.
Beim Lösen des
Bremselementes wird das Abtriebselement aufgrund der sich abstoßenden Pole
in Bewegung versetzt.
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Darüber hinaus
können
mechanische Energiespeicher jeglicher Art Verwendung finden, unter anderem
auch Gasfedern oder Elastomere. Ferner können auch chemische Energiespeicher
sowie vorteilhafterweise hydraulische oder pneumatische Energiespeicher
Verwendung finden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann als Bewegungswandler zum scheibenweise Spulen von Bandmaterialien,
dem so genannten Step-Pack-Verfahren, und/oder für Handhabungsaufgaben, dem
so genannten Pick & Place,
und/oder bei Vorschubachsen für
das Vorschubrundkneten und/oder Werkzeugmaschinen mit gekoppelten
Achsen verwendet werden.
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Beispielsweise
bei Werkzeugmaschinen mit verkoppelten Achsen kann die Bearbeitungsrichtung dadurch
erzeugt werden, dass eine der sequentiellen Achsen auf Position
geregelt und dort unveränderlich ist.
Hierbei kann das erfindungsgemäße Verfahren oder
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Einsatz kommen, so dass die Kopplung über den Energiespeicher sehr
steif ausgeführt
wird und das Bremselement zum Festsetzen dient, um die Laststeifigkeit
in der entsprechenden Vorschubachsenrichtung zu erhöhen, ohne
dass der Vorschubantrieb während
der gesamten Bearbeitung in einer Lageregelung betrieben werden
muss.
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Ferner
sind derartige Anwendungsgebiete geeignet, bei denen variable schwellende
oder sogar wechselnde äußere Lasten
vorhanden sind, um die entsprechend wirkenden Lastspitzen auf den
Antrieb besser ausgleichen zu können.
Zudem sind so kleinere Dimensionierungen für die antriebsseitigen Elemente
möglich.
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Die
kontinuierliche antriebsseitige Bewegungsenergie kann je nach Anforderung
in eine lineare oder rotatorische diskontinuierliche abtriebsseitige
Bewegung umgewandelt werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
für eine
Vorrichtung mit den Erfindungsmerkmalen in einer schematischen Seitenansicht,
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2 die
zeitliche Veränderung
der antriebsseitigen Vorschubgeschwindigkeit,
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3 die
zeitliche Veränderung
der abtriebsseitigen Vorschubgeschwindigkeit.
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Die 1 zeigt
einen Bewegungswandler 10, der eine Antriebsseite 11 und
eine Abriebsseite 12 aufweist. Auf der Antriebsseite 11 ist
ein Antrieb 13 vorgesehen, der über eine Kupplung 14 mit
einem ersten Antriebsmittel, nämlich
einer Spindel 15, verbunden ist. Bei der Spindel 15 handelt
es sich um eine Spindel eines Kugelrollspindelantriebes. Alternativ
hierzu können
aber auch beliebige andersartig ausgestaltete Antriebsstränge verwendet
werden, sofern gewährleistet
ist, dass diese eine kontinuierliche Vorschubbewegung erzeugen können.
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Auf
der Spindel 15 ist ein Antriebselement 16 angeordnet,
welches mit einem zweiten Antriebsmittel, nämlich mit einer Spindelmutter 17,
verbunden ist und zusammen mit dieser auf der Spindel 15 geführt wird.
Das Antriebselement 16 ist als eine Platte ausgeführt, an
deren einem Ende die Spindelmutter 17 vorgesehen ist. An
dem von der Antriebsseite 11 abgewandten Ende des Antriebselementes 16 ist
dieses mit einem Energiespeicher 18 verbunden. Der Energiespeicher 18 ist
als ein Federpaket ausgeführt,
welches sich aus einzelnen Federn 19 zusammensetzt.
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Während das
eine Ende des Energiespeichers 18 mit dem Antriebselement 16 verbunden
ist, ist das andere Ende des Energiespeichers 18 mit dem
Abtriebselement 20 verbunden. Das Abtriebselement 20 ist ähnlich zum
Antriebselement 16 als eine Platte ausgeführt. Das
der Antriebseite 11 zugewandte Ende des Abtriebselementes 20 ist
mit dem Energiespeicher 18 verbunden, während das abtriebseitige Ende
des Abtriebselementes 20 über Befestigungsstege 23 mit
einem Bremselement 21 verbunden ist. Sowohl durch das Bremselement 21 als auch
durch das abtriebseitige Ende des Abtriebselementes 20 ist
eine Leiste 22 kontakt- und reibungsfrei geführt, wobei
die Leiste 22 eine Reibleiste ist. Das Bremselement 21 ist
als eine hochdynamisch arbeitende Bewegungsbremse ausgeführt. Dieses
Bremselement 21 arbeitet mit der Leiste 22 reibschlüssig zusammen,
was ein stufenloses Lösen
und Festsetzen des Bremselementes 21 ermöglicht.
Die Funktion des Bremselementes 21, also das Festsetzen
und Lösen
des Bremselementes, wird über
nicht näher dargestellte
Einrichtungen wie eine Steuerung gesteuert und/oder geregelt.
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Der
insoweit beschriebene Bewegungswandler 10 hat nun folgende
Funktionsweise: Über den
Antrieb 13 und die Kupplung 14 wird die Spindel 15 in
Rotation versetzt, wodurch die Spindelmutter 17 und das
Antriebselement 16, welches gegen Rotation gesichert ist,
in eine Vorschubbewegung in Richtung des Pfeils 25 versetzt
wird. Wie auch in 2 zu erkennen, handelt es sich
dabei um eine kontinuierliche Vorschubbewegung mit einer konstanten
Geschwindigkeit.
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Wird
nun das Bremselement 21 durch Festsetzen von an sich bekannten
Bremsbacken durch Bewegung in Richtung der Pfeile 24 auf
der Leiste 22 festgesetzt, werden die Federn 19 des
Energiespeichers 18 durch die kontinuierliche Vorwärtsbewegung
des Antriebselementes 16 zusammengedrückt und somit die Bewegungsenergie
im Energiespeicher 18 gespeichert. Soll nun die gespeicherte
Energie in eine hochdynamische Vorschubbewegung auf der Abtriebseite
umgesetzt werden, wird das Bremselement 21 gelöst. Hierdurch
bewegt sich das Abtriebselement 20 mit hoher Dynamik in
Vorschubrichtung und wird dabei nur durch seine Massenträgheit begrenzt.
Durch ein erneutes Festsetzen des Bremselementes 21 erreicht
das Abtriebselement 20 eine neue Position. Sodann wird
dem Energiespeicher 18 aufgrund der weiterhin kontinuierlichen
Vorschubbewegung des Antriebselementes 16 erneut Energie zugeführt. Aufgrund
dieser Funktionsweise des Bewegungswandlers 10 wird die
kontinuierliche Vorschubbewegung in Richtung des Pfeils 25 auf
der Antriebsseite 11 in eine diskontinuierliche Vorschubbewegung
auf der Abtriebseite 12 in Richtung des Pfeils 26 umgewandelt.
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Wie
auch 3 verdeutlicht, erfolgt die abtriebseitige Vorschubbewegung
mit hoher Dynamik. Während
einer Zeitspanne T1 ist das Bremselement 21 festgesetzt
und die kontinuierliche antriebseitige Bewegungsenergie wird dem
Energiespeicher 18 zugeführt. Sobald nun das Bremselement 21 gelöst wird,
wird die gespeicherte Energie wieder in Bewegungsenergie zu Gunsten
des Abtriebselementes 20 umgesetzt. Nach einer Zeitspanne
T2 ist die Bewegungsphase des Abtriebselementes 20 abgeschlossen.
Während
der ersten Hälfte
dieser Zeitspanne T2 wird das Abtriebselement 20 auf
eine maximale Endgeschwindigkeit beschleunigt, um in der zweiten Hälfte dieser
Zeitspanne wieder vollständig
abgebremst zu werden. Durch eine Anpassung der Zeitspannen T1 und T2, beispielsweise
durch Steuerung des Bremselementes 21 und/oder geeignete
Wahl der Federn 19, können
je nach Anforderung und auf einfache Weise unterschiedlich lange
Wegstrecken und/oder unterschiedliche abtriebseitige Dynamiken des
Abtriebselementes 20 realisiert werden.
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- 10
- Bewegungswandler
- 11
- Antriebsseite
- 12
- Abtriebsseite
- 13
- Antrieb
- 14
- Kupplung
- 15
- Spindel
- 16
- Antriebselement
- 17
- Spindelmutter
- 18
- Energiespeicher
- 19
- Feder
- 20
- Abtriebselement
- 21
- Bremselement
- 22
- Leiste
- 23
- Befestigungssteg
- 24
- Pfeil
- 25
- Pfeil
- 26
- Pfeil