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Die Erfindung betrifft eine Bandsubstratführungsvorrichtung.
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Bandsubstratführungsvorrichtungen werden überall dort benötigt, wo Bandsubstrate während einer Behandlung entlang eines definierten Pfads oder/und mit einer definierten Bandspannung transportiert werden müssen. Ein Beispiel hierfür sind Anlagen zur Vakuumbeschichtung von Folien, Metallbändern und dergleichen. In derartigen Anlagen werden Bandsubstrate auf einer ersten Haspel bereitgestellt, von der ersten Haspel abgewickelt, über eine Umlenkwalze geführt, dabei von Behandlungseinrichtungen, die mit geringem Abstand zur Umlenkwalze angeordnet sind, beschichtet, und anschließend auf eine zweite Haspel aufgewickelt. Je nach der konkreten Anforderung an die Beschichtung können zwischen der ersten Haspel und der zweiten Haspel auch zwei oder mehr Umlenkwalzen mit der entsprechend größeren Anzahl von Behandlungseinrichtungen, zu denen neben Beschichtungsquellen zum Aufbringen dünner Schichten auf das Bandsubstrat auch Ätzeinrichtungen zum Reinigen der Oberfläche des Bandsubstrats, Heizeinrichtungen zum Erwärmen des Bandsubstrats usw. zählen, hintereinander angeordnet sein. Die Umlenkwalzen können dabei auch temperierbar, d.h. als Kühlwalzen oder Heizwalzen ausgeführt sein.
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Während des Transports des Bandsubstrats von der ersten Haspel zur zweiten Haspel ist es zur Sicherstellung einer hohen Qualität der Oberflächenbehandlung unabdingbar, dass das Bandsubstrat mit einer definierten konstanten Bandspannung geführt wird. Dazu wird das Bandsubstrat zwischen den Haspeln üblicherweise über eine Mehrzahl von drehbar gelagerten Walzen wie Führungswalzen, Bandzugentkopplungswalzen, usw. geführt, die üblicherweise entweder ortsfest oder beweglich, d.h. nicht ortsfest, angeordnet sind. Eine aktive Steuerung der Bahnspannung lässt sich beispielsweise durch Verwendung eines Elektromotors, eines Pneumatikzylinders usw. erreichen. Die Bahnspannung kann beispielsweise aktiv geregelt werden, indem benachbarte angetriebene Walzen, z.B. sogenannte Bandzugentkopplungswalzen oder Haspeln kraftgeregelt betrieben werden.
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Bewegliche Führungswalzen in unmittelbarer Nähe der Haspeln dienen dazu, den Lauf des Bandsubstrats an die sich mit dem Abwickeln bzw. Aufwickeln des Bandsubstrats ändernden Durchmesser der Haspeln anzupassen. Dies kann entweder dadurch erreicht werden, dass die beweglichen Führungswalzen quer zu ihrer jeweiligen Drehachse federnd beweglich gelagert sind oder um eine zur Drehachse der Führungswalze beabstandete Schwenkachse schwenkbar angeordnet sind, wobei eine Stellkraft (für translatorisch bewegliche Führungswalzen) bzw. ein Stellmoment (für schwenkbar gelagerte Führungswalzen) beispielsweise durch ein Federelement oder ein anderes Stellglied wie beispielsweise einen Elektromotor, einen Pneumatikzylinder oder dergleichen erzeugt werden kann.
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Die Erfindung betrifft eine verbesserte Bandsubstratführungsvorrichtung, umfassend eine erste Drehachse, mindestens eine um die erste Drehachse schwenkbare Führungswalze mit einer zweiten Drehachse, wobei die mindestens eine schwenkbare Führungswalze mit jedem ihrer beiden Enden in je einem um die erste Drehachse schwenkbaren, senkrecht zur ersten Drehachse angeordneten Joch drehbar gelagert ist, und mindestens ein Stellglied, das über die beiden Joche mit der mindestens einen schwenkbaren Führungswalze zur Erzeugung eines Stellmoments um die erste Drehachse wirkverbunden ist.
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Bei bekannten Bandsubstratführungsvorrichtungen auf dem Gebiet der Erfindung, d.h. Bandsubstratbehandlungsanlagen der oben beschriebenen Art, sind die Joche durch mindestens ein Verbindungselement starr miteinander verbunden, das außerhalb der ersten Drehachse angeordnet ist, die zugleich die Schwenkachse der schwenkbaren Führungswalze ist, so dass ein von einem Stellglied in eines der beiden Joche eingebrachtes, auf die schwenkbare Führungswalze wirkendes Stellmoment um die erste Drehachse ausschließlich durch das mindestens eine Verbindungselement auf das andere Joch übertragen wird. Der Grund hierfür ist, dass die erste Drehachse genau identisch mit der Schwenkachse der schwenkbaren Führungswalze ist.
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Oftmals ist konzentrisch zu der ersten Drehachse eine ortsfeste Führungswalze angeordnet. Da die ortsfeste Führungswalze aber drehbar sein muss, ist eine Übertragung des Stellmoments zwischen den beiden Jochen auf diesem Pfad bei bekannten Bandsubstratführungsvorrichtungen nicht möglich. Das Stellmoment wird bei diesen bekannten Bandsubstratführungsvorrichtungen daher von dem dem Stellglied zugewandten Joch auf das dem Stellglied abgewandte Joch durch das oder die Verbindungselemente übertragen, die jedoch aus den oben dargelegten Gründen notwendigerweise jeweils einen Abstand zur ersten Drehachse der ortsfesten Führungswalze und damit zur Schwenkachse der schwenkbaren Führungswalze aufweisen. Dies wiederum führt dazu, dass der Verbund der beiden Joche mit dem mindestens einen Verbindungselement eine Verdrillung erfährt, die dazu führt, dass eine exakte Positionierung der schwenkbaren Führungswalze, beispielsweise bezüglich einer Umlenkwalze, nicht möglich ist.
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DE 20 2013 003 546 U1 beschreibt eine Bandsubstratführungsvorrichtung, bei der die beiden Joche mit je einem Ende einer Übertragungswelle starr verbunden sind und die ortsfeste Führungswalze hohlzylindrisch ausgebildet und auf der Übertragungswelle drehbar gelagert ist.
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DE 10 2013 206 805 B4 beschreibt eine Bandsubstratführungsvorrichtung, bei der die Joche durch mindestens ein Verbindungselement starr miteinander verbunden sind und das Stellglied mit dem mittleren Bereich des Verbindungselements wirkverbunden ist.
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Die bisherigen Lösungen basieren also entweder auf einer sehr steifen Auslegung des tragenden Schwenkrahmens und einem einseitigen (rotatorischen) Antrieb in der Schwenkachse, oder auf einer mittigen Krafteinleitung und außerhalb liegender Antriebsachse, oder auf der Verwendung von beidseitig montierten Linearantrieben.
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Die erste Variante hat den Nachteil, dass sie mehr Materialeinsatz erfordert und bei höheren Bahnbreiten nicht ausreichend verformungsarm realisiert werden kann.
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Die zweite Variante hat den Nachteil, dass durch die zusätzliche Antriebsachse und den verbindenden Hebelmechanismus bedeutend mehr Bauraum erforderlich ist, und dass die Übertragungsfunktion der Bewegung stark nichtlinear ist. Dadurch wird eine gesteuerte Bewegung nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
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Die dritte Variante hat den Nachteil, dass man in der Auswahl von Linearantrieben (Vakuumeinsatz) eingegrenzt ist, und dass die hier verwendeten Elektromotoren eine exakte Gleichlaufsteuerung nicht zulassen.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Bandsubstratführungsvorrichtung so zu verbessern, dass die Probleme bisheriger Bandsubstratführungsvorrichtungen vermieden werden.
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Dazu wird bei einer Bandsubstratführungsvorrichtung, die eine erste Drehachse und mindestens eine um die erste Drehachse schwenkbare Führungswalze mit einer zweiten Drehachse umfasst, wobei die mindestens eine schwenkbare Führungswalze mit jedem ihrer beiden Enden in je einem um die erste Drehachse schwenkbaren, senkrecht zur ersten Drehachse angeordneten Joch drehbar gelagert ist, und mindestens ein Stellglied, das über die beiden Joche mit der mindestens einen schwenkbaren Führungswalze zur Erzeugung eines Stellmoments um die erste Drehachse wirkverbunden ist, vorgeschlagen, dass die beiden Joche durch je ein Getriebe mit je einem Ende einer Übertragungswelle verbunden sind, wobei die Getriebe jeweils ein Übersetzungsverhältnis i = nAntrieb:nAbtrieb von der Übertragungswelle auf das jeweilige Joch von i > 1 aufweisen.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Getriebe Umlaufgetriebe wie Gleitkeilgetriebe, Zykloidgetriebe oder Planetengetriebe sind. Umlaufrädergetriebe sind kompakt bauende Getriebe mit dem besonderen Merkmal, dass Antriebs- und Abtriebs-Welle zueinander fluchten. Gleitkeilgetriebe werden beispielsweise von der Harmonic Drive AG hergestellt und vertrieben. Dabei handelt es sich um Getriebe mit einem elastischen Übertragungselement, das sich durch hohe Übersetzung und Steifigkeit auszeichnet.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Getriebe jeweils ein Übersetzungsverhältnis von i > 10, insbesondere i > 50, bevorzugt i > 150 aufweisen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine ortsfeste Führungswalze hohlzylindrisch ausgebildet und konzentrisch zu der Übertragungswelle um die erste Drehachse drehbar gelagert ist. Mit anderen Worten verläuft bei dieser Ausgestaltung die Übertragungswelle durch eine Führungswalze hindurch, die unabhängig von der Bewegung der Übertragungswelle frei drehbar ist. Dabei kann die ortsfeste Führungswalze entweder von der Übertragungswelle getragen, d.h. auf dieser gelagert sein. Alternativ kann die ortsfeste Führungswalze aber beispielsweise auch mit je einem Ende von einem der beiden Joche getragen sein, d.h. an je einem der beiden Joche drehbar gelagert sein. Da die erste Drehachse, d.h. die Antriebsachse des Schwenkrahmens, innerhalb der Anlage ortsfest montiert ist, ist auch die darauf angeordnete Führungswalze ortsfest.
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Ein Ansatzpunkt für die zu der erfindungsgemäßen Lösung führenden Überlegungen bestand darin, eine platzsparende Lösung zum Antrieb eines breiten und damit für Verwindungen anfälligen Schwenkrahmens zu finden, der auf Grund des Anlagenkonzeptes einseitig angetrieben werden muss.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist, das aus Gewichtskraft und/oder Bandzugkraft resultierende Moment auf die erste Drehachse, d.h. die Antriebsachse des Schwenkrahmens, durch beidseitig angebrachte hochuntersetzende Getriebe derart zu untersetzen, dass die dann verbleibende Verdrillung der Übertragungswelle, d.h. der gemeinsamen Antriebsachse beider gegenüberliegender Joche, die die Führungswalzen tragen, bei einseitigem Antrieb vernachlässigbar klein wird.
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Dazu werden zwei Wellgetriebe, z.B. Harmonic Drive Hohlwellen-Getriebe, die auch als Gleitkeilgetriebe bezeichnet werden, mit einem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise i = 160, jeweils antriebsseitig mit dem Stellglied und abtriebsseitig mit dem aus den beiden Jochen und den dazwischen angeordneten Führungswalzen sowie gegebenenfalls ebenfalls zwischen den beiden Jochen angeordneten Verbindungselementen gebildeten Schwenkrahmen, konkret mit dem jeweiligen Joch, verbunden und gehäuseseitig verdrehsicher mit der umgebenden Konstruktion verbunden. Die jetzt durch beide Hohlwellengetriebe führende Antriebswelle wird nur noch mit dem um den Faktor der Übersetzung (hier: 160) reduzierten Moment belastet. Damit wird die Verformung des Schwenkrahmens (bei gleicher Auslegung) um diesen Faktor reduziert und ein ausreichend paralleler Lauf der im Schwenkrahmen angeordneten Walzen wird erreicht. Eine weitere Untersetzung der Antriebsdrehzahl des Motors ist jetzt nicht mehr notwendig. Außerdem wird die Schwingungsneigung des Feder-Masse-Systems extrem reduziert, was die gesamte Dynamik des Systems deutlich verbessert und den Aufwand in der Steuerung und der gegebenenfalls dafür verwendeten Software mindert. Letztlich kann durch die sehr hohe Übersetzung dieser Getriebe ein kleinerer elektrischer Antrieb verwendet werden, in dessen Auswahl man durch die übliche Anordnung an Atmosphäre unbeschränkt ist, weil der Motor dadurch nicht vakuumfest sein muss.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen den beiden Jochen mindestens zwei schwenkbare Führungswalzen angeordnet sind und davon mindestens eine schwenkbare Führungswalze als Breitstreckwalze ausgeführt ist. Eine Breitstreckwalze ist eine Walze, die nicht streng zylinderförmig ist, sondern beispielsweise konvex (z.B. tonnenförmig) oder gebogen, und die dazu dient, das Bandsubstrat in der Querrichtung glatt und gespannt zu halten.
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In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Drehachse der als Breitstreckwalze ausgeführten schwenkbaren Führungswalze zur ersten Drehachse einen geringeren Abstand aufweist als die Drehachse der nicht als Breitstreckwalze ausgeführten schwenkbaren Führungswalze.
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In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Stellglied ein Elektromotor ist. Insbesondere moderne Servomotoren sind gut ansteuerbar und erlauben so eine hochgenaue Regelung des Abstands von dem veränderlichen Durchmesser der jeweiligen Haspel.
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In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Joche durch mindestens ein Verbindungselement starr miteinander verbunden sind. Wie bei bekannten Bandsubstratführungsvorrichtungen kann hierdurch die Gesamtsteifigkeit der Konstruktion erhöht und damit eine eventuell noch bestehende Verwindungsneigung unterdrückt werden. Dabei kann vorteilhaft das mindestens eine Verbindungselement besonders vorteilhaft als verwindungssteifes Hohlprofil ausgeführt sein.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass zwei Verbindungselemente zueinander so angeordnet sind, dass sie mit den Jochen einen eine schwenkbare Führungswalze umschließenden Schwenkrahmen bilden. Die Verbindungselemente sind dabei sozusagen symmetrisch zur schwenkbaren Führungswalze, beispielsweise einer Breitstreckwalze, angeordnet und sorgen so für geringstmögliche unsymmetrische Verformungen der Bandsubstratführungsvorrichtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
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1 das Ausführungsbeispiel in einer perspektivischen Ansicht,
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2 das Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einer Schnittdarstellung, und
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3 und 4 jeweils eine vergrößerten Teilansicht der Schnittdarstellung gemäß 2.
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Eine Führungswalze 4 ist zwischen einem antriebsseitigen Lager 3 und einem gegenüberliegenden Lager 5 ortsfest angeordnet. Das Lager 3 der Antriebsseite und das Lager 5 der Gegenseite können mittels integrierter Flansche an geeigneten Trägerstrukturen angebracht werden, die beispielsweise im Innern einer Vakuumkammer angeordnet sein können.
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Die ortsfeste Führungswalze 4 ist hohlzylindrisch ausgeführt, konzentrisch zu der Übertragungswelle 41 angeordnet und relativ zu der Übertragungswelle 41 frei drehbar gelagert. Die ortsfeste Führungswalze 4 ist in einem Schwenkrahmen 6 angeordnet, der im Ausführungsbeispiel als Stahlkonstruktion aus Jochen 61, 62 und Verbindungselementen 63 ausgeführt und durch ein antriebsseitiges Joch 61 und ein gegenüberliegendes Joch 62 sowie zwei die beiden Joche verbindende stabförmige Verbindungselemente 63 gebildet ist.
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Ebenfalls zwischen den beiden Jochen 61, 62 sind eine erste, zylindrische schwenkbare Führungswalze 7 und eine zweite, als Breitstreckwalze ausgeführte schwenkbare Führungswalze 8 angeordnet. Die Breitstreckwalze 8 ist dabei durch zwei Verstelleinrichtungen 9 verformbar, wodurch der gewünschte Breitstreckeffekt erzielt wird.
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Antriebsseitig ist zwischen dem Stellglied 1 und dem Schwenkrahmen 6 eine Drehdurchführung 2 angeordnet. Sie ermöglicht es, dass das Stellglied außerhalb der Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage angeordnet werden kann, wodurch einerseits ein Motor verwendet werden kann, der nicht vakuumfest zu sein braucht, und andererseits der Motor zu Wartungszwecken besser zugänglich ist.
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Mit der dargestellten erfindungsgemäßen Lösung wird eine weitestgehend verwindungsfreie Übertragung des Stellmoments vom Stellglied 1 über die Übertragungswelle 41 auf beide Joche 61, 62 erreicht, indem das Stellmoment durch die Getriebe 32, 52 reziprok zu deren Übersetzungsverhältnis i verringert wird. Die Gehäuse der Getriebe 32, 52 sind durch Befestigungselemente 31, 51 ebenfalls an geeigneten Trägerstrukturen angebracht, an denen das Lager 3 der Antriebsseite und das Lager 5 der Gegenseite befestigt sind. Die Übertragungswelle 41, die mit dem Stellelement 1 wirkverbunden ist, ist antriebsseitig mit den beiden Getrieben 32, 52 verbunden, die ihrerseits abtriebsseitig mit den Jochen 61, 62 verbunden sind.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die Stahlkonstruktion 6 aufgrund des durch die Getriebe 32, 52 extrem verringerten Stellmoments keiner relevanten Verwindungsbelastung unterliegt. Mit diesen Voraussetzungen ist es nun möglich, den exakt parallelen Lauf aller im Schwenkrahmen montierten Walzen zu gewährleisten und damit ein seitliches Verlaufen des Bandsubstrats zu verhindern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellglied (Antriebsmotor)
- 11
- Antriebswelle
- 2
- Drehdurchführung
- 3
- Lager Antriebsseite
- 31
- Befestigungselement
- 32
- Getriebe
- 4
- ortsfeste Führungswalze
- 41
- Übertragungswelle
- 5
- Lager Gegenseite
- 51
- Befestigungselement
- 52
- Getriebe
- 6
- Schwenkrahmen, Stahlkonstruktion aus Jochen und Verbindungselementen
- 61
- antriebsseitiges Joch
- 62
- gegenüberliegendes Joch
- 63
- Verbindungselement
- 7
- erste schwenkbare Führungswalze (zylindrisch)
- 8
- zweite schwenkbare Führungswalze (Breitstreckwalze)
- 9
- Verstelleinrichtung
