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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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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, bei der Anlage nach
den in Anspruch 11 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 15
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 zeitweise und/oder bewegungsabschnittsweise zugeordnet ist.
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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 vorgesehen
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 vorgesehenen 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 vorgesehenen 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 vorgesehenen 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 vorgesehen, 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 vorgesehen 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:
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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 vorgesehen. Dabei wird das
Werkzeug 6 linear vor und zurück bewegt.
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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 vorgesehen,
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, vorgesehen. 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
vorgesehen, 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 vorgesehen, 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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- 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