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Die Erfindung betrifft eine Schienenführung für mobile Schweiß- oder Schneidgeräte und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Schienenführung kann in geeigneter Weise an einem übergroßen Konstruktionsbauteil, wie diese im Stahl-, Brücken- oder Anlagenbau vorkommen, befestigt und so ausgeführt werden, dass ein für die Bewegung auf der Schienenführung eingerichtetes Fahrzeug auf der Schiene formschlüssig gehalten wird, sich durch eine Kraftwirkung auf der Schienenführung fortbewegen kann und in der Lage ist, sich entlang einer stetigen, dreidimensionalen Bahnkontur, wie sie z. B. für die Verschneidungskontur zwischen zwei Rohren mit rundem Querschnitt typisch ist, zu bewegen.
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Beim Schweißen, Schneiden, Prüfen, Reinigen von aus Stahl hergestellten großen Konstruktionsbauteilen ist es aus wirtschaftlichen und technischen Gründen sinnvoll, übliche Bearbeitungsprozeduren umzukehren, indem das Bauteil als Bezugssystem dient und die Bearbeitungsmaschine in diesem Bezugssystem wirkt. Damit muss die vergleichsweise leichte und einfach zu montierende Bearbeitungsmaschine mobil und transportabel sein und sie muss fest oder mit definiertem Freiheitsgrad im Koordinatensystem des Konstruktionsbauteiles verankert werden. Die Art der typischen Bearbeitungsaufgaben, wie Bahnschweißen, Ausschneiden von Konturen, Herstellung einer Schweißnahtvorbereitung, erfordert eine hohe Bewegungsgenauigkeit und -gleichförmigkeit.
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Zur Führung und Fixierung von Bearbeitungsmaschinen an großen Bauteilen sind verschiedene Wirkprinzipien bekannt. Eine Reihe schienenloser Führungsprinzipien wurde vorgeschlagen. So werden zur Reinigung großer Glasdächer roboterähnliche Maschinen verwendet, die, unter Nutzung der Schwerkraftwirkung, z. B. von einem Seil über die zu reinigende Glasfläche gezogen werden. Dies ist exemplarisch in
DE 19 716 741 C2 beschrieben.
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Eine weitere Art der Fortbewegung beschreibt
DE 19 727 421 C2 . Auf einem Zugmittelgetriebe, ähnlich einem Kettenfahrwerk, sind passiv wirkende Haftsauger angebracht, die die Maschine auf der Bauteiloberfläche halten und entlang dieser bewegen.
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Grundvoraussetzung für dieses Wirkprinzip ist eine glatte, zumindest annähernd ebene Bauteiloberfläche.
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Ebenso bekannt sind Führungsprinzipien für mobile, zumindest teilautonome Maschinen, die auf der Basis von Magnetkräften arbeiten. In
JP 2004 141 884 A wird ein vierrädriger Wagen beschrieben, der „allradangetrieben” ist, indem mittels Wellen und Zugmittelgetrieben alle Räder zwangläufig miteinander gekoppelt sind und mit einem im Wagenboden eingelassenen Permanentmagneten, der die Bauteiloberfläche nicht berührt, eine Haltekraft relativ zu dem Konstruktionsbauteil erzeugt wird.
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Mit Magnetrollen arbeitet die in
JP 61 020 700 B4 beschriebene Lösung. Die Räder der Maschine sind permanentmagnetisch ausgeführt und halten die Maschine auf dem Konstruktionsbauteil. Die Maschine ist primär für das Schweißen an senkrechten Wänden vorgesehen, kann aber durch eine geschickte Gestaltung der Rollen auf rein mechanischem Weg ihre Bewegungsrichtung ändern und auch Ecken umfahren. Obzwar an senkrechten Wänden nur in geringerem Maße, besteht im Allgemeinen bei Magnetrollen die Gefahr, dass sich magnetische Komponenten, seien dies Schlacke, metallische Spritzer oder Späne, an den Rollen absetzen, deren Magnetwirkung mindern und die Führungsgenauigkeit der Maschine untergraben. Das Säubern der Magnetrollen ist mühselig und erfordert die Entfernung der Maschine vom Bauteil.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass schienenlose Führungsprinzipien hinsichtlich ihrer Haftkraft limitiert sind und eine hochgenaue, gleichförmige Führung der Maschine, wenn überhaupt, nur eingeschränkt gestatten.
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Auch eine Vielzahl von Bauformen für Schienenführungen ist bekannt.
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Die Lösung, welche in
JP 2008 200 680 A beschrieben ist, basiert auf einer Schiene mit einem flachen, rechteckigen Querschnitt und einer v-förmigen Profilierung an den kurzen Seiten des Rechteckes, in die identisch geformte Rollen eingreifen, deren Achsen zur kurzen Seite des rechteckigen Querschnitts der Schiene parallel sind. Die Rollen wiederum sind manuell einstellbar, um die auf der Schiene verfahrbare Maschine auf diese aufzusetzen und spielarm einjustieren zu können. In der Mitte der langen Rechteckseite ist eine Zahnstange angebracht, in die ein von der Maschine angetriebenes Zahnrad eingreift und die Maschine entlang der Schienenausdehnung bewegt. Der Aufbau der Schiene und des durch die Schiene, die Zahnstange und das Zahnrad gebildeten Antriebsmechanismus lassen eine in erster Näherung nur geradlinige Bewegung der Maschine zu.
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Gegenstand von
US 5 070 792 A ist eine ähnlich flache, streifenförmige Schienengeometrie, in die vier Spurrollen eingreifen. Die Zahnstange ist durch ovale, in einer festen Teilung in der Symmetrieachse der Schiene angeordnete Öffnungen gebildet, in die ein entsprechend geformtes Zahnrad eingreift und die Vorschubbewegung entlang der Schienenachse bewirkt. Die Schiene ist auf Grund dieser konstruktiven Gestaltung zumindest in einer Ebene elastisch beweglich und kann damit z. B. für die Bearbeitung von Rundnähten genutzt werden.
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Der Stand der Technik zeigt, dass für hochgenaue, reproduzierbare Führungsaufgaben schienenlose Einrichtungen nicht geeignet sind und bekannte Schienenführungen nur für einachsig gekrümmte Bahnen tauglich sind.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine schienenartige Fahrstrecke zu schaffen, die es einem motorbetriebenen, mit gelenkig aufgehängten Spurrädern ausgerüsteten Fahrzeug gestattet, sich parallel entlang der Verschneidungskontur einer Rohr-auf-Rohr-Verbindung zu bewegen, wobei der lotrechte Abstand zwischen der Verschneidungskontur und der Schienenmitte in erster Näherung konstant ist. Diese Fahrstrecke soll einfach herstellbar sein, die Möglichkeit eines formschlüssigen Antriebes des Fahrzeuges beinhalten und sich ohne Zuhilfenahme von Hebezeugen an rohrförmigen Bauteilen anbringen lassen. Ferner soll die Erfindung die Möglichkeit bieten, einerseits ohne mechanische oder thermische Einflussnahme auf die Bauteiloberfläche eine Befestigung der Fahrstrecke vorzunehmen und andererseits die Fahrstrecke in geringem Maße zur Verschneidungskontur justierbar zu gestalten.
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Die Aufgabe wird wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf die Patentansprüche 1 und 6 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in den Ansprüchen 2 bis 5 und 7, 8 ausgeführt.
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Zur Darlegung der Erfindung sind folgende weitere Ausführungen gemacht:
Die Erfindung geht davon aus, dass eine Schienenführung für ein mobiles Schweiß-, Schneid- oder Handhabungsgerät zum Tragen und Führen desselben für Bearbeitungsaufgaben an großen Konstruktionsbauteilen, insbesondere entlang der Berührungskontur von zwei Elementen einer Rohr-auf-Rohr-Verbindung, bestehend aus zwei untereinander und zur Führungsrichtung parallel liegenden Führungsflächen mit einer in Dickenrichtung nur geringen Ausdehnung bei rechteckiger oder v-förmiger Querschnittsform der Führungsflächen und rechteckigen, entlang der Führungsrichtung und in der Mitte zwischen den Führungsflächen in einer festen Teilung angeordneten Ausklinkungen zum formschlüssigen Antrieb des von der Schienenführung gehaltenen und geführten Schweiß-, Schneid- oder Handhabungsgerätes mit nachfolgend genannten Merkmalen vorliegt:
- – die Schienenführung ist an einem der beiden an der Verbindung beteiligten Rohre in einem Normalabstand zu dessen Mantelfläche einerseits und zur Berührungskontur andererseits angebracht,
- • die Schienenführung ist an dem an der Verbindung beteiligten Rohr befestigt, das keine Nahtvorbereitung benötigt,
- • die Schienenführung ist nicht universell, sondern ist für jede Rohr-auf-Rohr-Verbindung speziell zu dimensionieren und anzufertigen und unterteilt sich in einzelne, vergleichsweise kurze, einfach manuell handhabbare Schienensegmente,
- • die Schienensegmente sind steife, unflexible, zweidimensional gekrümmte Elemente, die an ihren Enden mit kardanisch wirkenden Gelenken miteinander verbunden werden können,
- • jedes Schienensegment mit einem Haltearm verbunden ist, der zwischen ihm und dem Rohr angeordnet ist und der sich jeweils in die von der Berührungskontur abgewandten Richtung des Schienensegmentes erstreckt,
- • jeder Haltearm zwischen seinen Enden von einem Befestigungsklotz umgriffen ist und mit einer Druckspindel vom Befestigungsklotz über den Haltearm eine Kraftwirkung im Fixpunkt auf das Schienensegment in Richtung des Rohres erzeugt wird.
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Eine derartige Schienenführung hat den Vorteil, dass sie genau an die Durchdringungskontur zweier Großrohre angepasst ist und ein auf die Schienenführung absturzsicher aufgesetztes und verfahrbares Fahrzeug Arbeitsaufgaben mit hohen Anforderungen an die Führungsgenauigkeit, wie z. B. Schneiden oder Schweißen, durchführen kann.
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Die an den Enden der einzelnen Schienensegmente kardanisch wirkenden Gelenke besitzen zwei rechtwinklig aufeinander stehende Gelenkachsen, die die neutrale Faser der Schienensegmente rechtwinklig schneiden. Diese Gelenke ermöglichen, im Zusammenwirken mit verstellbaren Haltearmen, gegebenenfalls noch vorhandene Toleranzen zu der abzubildenden Bahnkontur auszugleichen. Die kardanisch wirkenden Gelenke sind dabei als konventionell gestaltete formschlüssige Drehgelenke, als stoffschlüssige Gelenke oder als eine Kombination dieser beiden Gelenktypen ausgeführt.
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Die Verbindung der Befestigungsklötze mit dem Rohr ist kraft-, stoff- oder formschlüssig ausgebildet.
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Ein Herstellungsverfahren für eine Schienenführung der erfindungsgemäßen Art besteht darin, dass Schienensegmente mittels eines Strahlschneidverfahrens aus einer ebenen, rechteckigen Blechtafel ausgeschnitten werden, indem die Schienensegmente derart in der Blechtafel angeordnet sind, dass ihre relative Lage zu der Rohrachse identisch ist mit der relativen Lage zu der kürzeren Kante der ebenen, rechteckigen Blechtafel und dabei Stege zu ihrer Fixierung in der Blechtafel vorgesehen sind. Parallel zur Kante der Blechtafel, die die relative Lage der Rohrachse zu den Schienensegmenten verkörpert, wird danach die Blechtafel in einer Drei- oder Vierwalzen-Biegemaschine oder in einem Gesenk auf einen Radius umgeformt, der dem Radius eines Rohres plus dem Normalabstand der Schienenführung über der Mantelfläche des Rohres entspricht.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens und zur Verbesserung der räumlichen Formgebung der zu fertigenden Schienensegmente kann vorgesehen werden, dass die Blechtafel mit zwei weiteren Blechtafeln, letztere unbearbeitet, jedoch in gleicher Dimensionierung, vor dem Schritt des Umformens zu einem Dreierpaket starr verbunden wird.
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Nach dem Schritt des Umformens in einer Drei- oder Vierwalzen-Biegemaschine werden die Stege, die die Schienensegmente in einer bearbeiteten Blechtafel halten, durchtrennt und die zweidimensional gekrümmten Schienensegmente aus der Blechtafel entnommen.
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Prinzipiell kann der Montageablauf einer Schienenführung aus endgefertigten Schienensegmenten in der Weise vorgenommen werden, dass ausgehend von einem ersten Schienensegment, das in einem Symmetriepunkt der Verschneidung mit zwei Haltearmen und zwei Befestigungsklötzen montiert und fixiert wird, dabei einen festen Gestellpunkt bildend, weitere Schienensegmente angefügt werden, wobei jeweils ein Haltearm und ein Befestigungsklotz dazu genutzt werden, dass ein Schienensegment zunächst grob fixiert und anschließend über eine am Haltearm angebrachten Verstellspindel, bei gelockerter Druckspindel, in eine exakte Position zur Berührungskontur gebracht wird.
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Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1: prinzipielle Darstellung einer Rohr-auf-Rohr-Verschneidung mit einer an ihr befestigten Schienenführung,
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2: eine in die Tangentialebene an das Hauptrohr (Rohr 1) abgewickelte und in einzelne Schienensegmente unterteilte Schienenführung sowie die Einfügung der Schienensegmente in eine Blechtafel zum Walzen,
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3: Details der Schienenhalterung auf der Bauteiloberfläche von Rohr 1,
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4: erste konstruktive Variante der kardangelenkigen Verbindung zweier Schienensegmente, und
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5: zweite konstruktive Variante der kardangelenkigen Verbindung zweier Schienensegmente.
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Die Schienenführung 6 zum Halten und Führen eines Schweiß- oder Schneidgerätes zur Ausführung von Bearbeitungsaufgaben entlang einer Berührungskontur 2, die entsprechend 1 in einem Normalabstand auf der Mantelfläche 3 eines zylindrischen oder kegelförmigen Rohres 1 angebracht ist, beschreibt erfindungsgemäß in ihrer neutralen Faser eine nichtebene Bahnkurve. Diese Bahnkurve kann mathematisch exakt in eine Tangentialebene 4 abgewickelt und damit in eine ebene Bahnkurve 5 überführt werden, wie das in 2 dargestellt ist.
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Entsprechend 3 besitzt in einem konstanten Normalabstand zur ebenen Bahnkurve 5 die Schienenführung 6 zwei parallele Führungsflächen 8. Entlang der Führungsflächen 8 und lotrecht zur ebenen Bahnkurve 5 hat die Schienenführung 6 eine Dicke, die klein im Verhältnis zum Normalabstand der Führungsflächen 8 zur ebenen Bahnkurve 5 ist. Entlang der neutralen Faser verfügt die Schienenführung 6 in einem festgeschriebenen Teilungsverhältnis über rechteckige Ausklinkungen 23, in die Einrichtungen zum Halten des Schweiß-, Schneid- oder Handhabungsgerätes und zum Antrieb des Schweiß-, Schneid- oder Handhabungsgerätes relativ zu der Schienenführung 6 eingreifen können.
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Die Schienenführung 6 unterteilt sich, wie in 4 dargestellt, in einzelne Schienensegmente 7. Diese Schienensegmente 7 werden bevorzugt durch ein Strahlschneidverfahren (Plasmaschneiden, Laserschneiden, Wasserstrahlschneiden, Drahterodieren etc.) aus einer ebenen, rechteckigen Blechtafel 9 ausgeschnitten, indem die Schienensegmente 7 derart in der Blechtafel 9 angeordnet sind, dass ihre relative Lage zu der Rohrachse 11 identisch ist mit der relativen Lage zu einer, bevorzugt der kürzeren, Kante der ebenen, rechteckigen Blechtafel 9. Das Ausschneiden der Schienensegmente 7 aus der ebenen, rechteckigen Blechtafel 9 mit einem Strahlschneidverfahren wird so vorgenommen, dass mit Hilfe von Stegen 10 die Schienensegmente 7 in der Blechtafel 9 gehalten werden. Parallel zu jener Kante der Blechtafel 9, die die relative Lage der Rohrachse 11 zu den Schienensegmenten 7 verkörpert, wird danach die Blechtafel 9 in einer Drei- oder Vierwalzen-Biegemaschine oder in einem Gesenk auf einen Radius plastisch umgeformt, der dem Radius des Rohres 1 plus dem Normalabstand der Schienenführung 6 über der Mantelfläche 3 des Rohres 1 entspricht. Durch Öffnen der durch die Stege 10 hergestellten Verbindung der Schienensegmente 7 mit der Blechtafel 9 lassen sich die einzelnen Schienensegmente 7 aus der Blechtafel 9 entnehmen und bilden danach zweidimensional gekrümmte, „verschraubte” Flächen.
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Zur Harmonisierung des plastischen Umformprozesses wird vorgeschlagen, die Blechtafel 9 mit zwei weiteren Blechtafeln, letztere unbearbeitet, mit gleicher Länge und Breite wie die Blechtafel 9 und in vorteilhaft gleicher Blechdicke, zu einem Dreierpaket 12 starr zu verbinden und dieses Dreierpaket 12 dem Umformprozess zu unterziehen. Nach dem Umformen auf den benötigten Radius werden die beiden zusätzlichen Blechtafeln entfernt und die Blechtafel 9 in oben beschriebener Weise weiter behandelt.
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Die einzelnen Schienensegmente 7 werden mit lösbaren Gelenkverbindungen zur Schienenführung 6 zusammengefügt. Die Gelenkverbindung besteht dazu aus zwei Drehgelenken entlang der ersten Gelenkachse 13 und der zweiten Gelenkachse 14. Diese Gelenkachsen 13 und 14 kreuzen oder schneiden sich vorteilhaft in einem Winkel von 90 Grad und schneiden vorteilhaft die ebene Bahnkurve 5 in einem rechten Winkel. Die Gelenkverbindung muss nur eine vergleichsweise kleine Winkelbeweglichkeit besitzen, um Toleranzen der Bauteile der Schienenführung 6 einerseits, der Berührungskontur 2 andererseits auszugleichen. Deshalb ist die konstruktive Gestaltung der Gelenke darauf abgestimmt, indem entsprechend 4 ein Drehgelenk, jenes um die zweite Gelenkachse 14, als Bogenführung ausgebildet ist, derart, dass bogenförmige Gelenklappen 27 an einem Schienensegment 7 in zugehörige, bogenförmige Ausklinkungen 28 am gegenüberliegenden Schienensegment 7 eingreifen und mit zwei in Langlöchern geführten Schrauben fixiert werden. Entlang der ersten Gelenkachse 13 sind die bogenförmigen Gelenklappen 27 über stoffschlüssige Drehgelenke 29 mit dem Schienensegment 7 verbunden, indem durch eine örtliche Querschnittsschwächung der Schienenführung 6 ein definierter, stoffschlüssiger Gelenkpunkt geschaffen wird.
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Eine zweite Ausführungsvariante der Gelenkverbindung zeigt 5. Hier ist entlang der ersten Gelenkachse 13 ein konventionelles Drehgelenk 29 ausgebildet, indem Gelenkzapfen 30 an einem Schienensegment 7 in Gelenkhülsen 31 an dem gegenüberliegenden Schienensegment 7 eingreifen. Die zweite Gelenkachse 14 schneidet die erste Gelenkachse 13 nicht, sondern besitzt zu dieser einen Normalabstand. Die zweite Gelenkachse 14 ist hier als stoffschlüssiges Gelenk ausgebildet, indem tulpenförmige Ausklinkungen 32 dem Schienensegment 7 eine vergleichsweise geringfügige Beweglichkeit um die hufeisenförmigen Biegebalken 33 gestatten. Das Gelenk ist ein „Bedarfsgelenk” und wird erst dann aktiviert, wenn die zunächst geschlossenen Verbindungsstege 34 aufgetrennt sind.
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Zur Montage der Schienensegmente 7 auf der Mantelfläche 3 und in einem Normalabstand entlang der Berührungskontur 2 werden Haltearme 15 verwendet. Diese sind an ihren Enden mit je einem Auflagepunkt 24 versehen, mit dem sie auf die Mantelfläche 3 drücken, indem jeder Haltearm 15 von einem brückenförmigen Befestigungsklotz 16 überdeckt wird, der kraft-, form- oder stoffschlüssig, jedoch lösbar mit der Mantelfläche 3 des Rohres 1 verbunden ist und mittels einer Druckspindel 17 den Haltearm 15 an die Mantelfläche 3 drückt. Zur genauen Justage der Schienenführung 6 relativ zur Berührungskontur 2 sind zumindest ein Teil der Haltearme 15 nachstellbar ausgebildet, indem der Haltearm 15 auf einer manuell über ein Handrad 25 angetriebenen Verstellspindel 19 einen Schieber 20 trägt, der mit einer Koppelstange 21 und zwei Kugelgelenken 22 mit dem brückenförmigen Befestigungsklotz 16 verbunden ist.
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Die Montage der Schienensegmente 7 an der Mantelfläche 3 des Rohres 1 wird in der Weise vorgenommen, dass, ausgehend von einem ersten Schienensegment 7, das bevorzugt in einem Symmetriepunkt der Verschneidung mit Hilfe zweier Haltearme 15 und zweier Befestigungsklötze 16 montiert und fixiert wird und einen festen Gestellpunkt bildet, schrittweise weitere Schienensegmente 7 angefügt werden, indem jeweils ein Haltearm 15 und ein Befestigungsklotz 16 dazu dienen, das Schienensegment 7 zunächst grob zu fixieren und danach durch Betätigung der Verstellspindel 19, bei gelockerter Druckspindel 17, das Schienensegment 7 durch Drehung um die beiden Gelenkachsen 13 und 14 in die exakte Position zur Berührungskontur 2 zu bringen. Durch Anziehen der Druckspindel 17 wird das Schienensegment 7 letztendlich fixiert und bildet nun seinerseits die Basis für die Montage eines weiteren Schienensegmentes 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohr
- 2
- Berührungskontur
- 3
- Mantelfläche
- 4
- Tangentialebene
- 5
- ebene Bahnkurve
- 6
- Schienenführung
- 7
- Schienensegmente
- 8
- Führungsfläche
- 9
- Blechtafel
- 10
- Steg
- 11
- Rohrachse
- 12
- Dreierpaket
- 13
- Erste Gelenkachse
- 14
- Zweite Gelenkachse
- 15
- Haltearm
- 16
- Befestigungsklotz
- 17
- Druckspindel
- 18
- Fixpunkt
- 19
- Verstellspindel
- 20
- Schieber
- 21
- Koppelstange
- 22
- Kugelgelenk
- 23
- Ausklinkung
- 24
- Auflagepunkt
- 25
- Handrad
- 26
- Abdecktafel
- 27
- Bogenförmige Gelenklappen
- 28
- Bogenförmige Ausklinkungen
- 29
- Drehgelenk
- 30
- Gelenkzapfen
- 31
- Gelenkhülse
- 32
- Tulpenförmige Ausklinkung
- 33
- Hufeisenförmige Biegebalken
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19716741 C2 [0003]
- DE 19727421 C2 [0004]
- JP 2004141884 A [0006]
- JP 61020700 B4 [0007]
- JP 2008200680 A [0010]
- US 5070792 A [0011]
