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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb sowie ein Verfahren zur Linearverschiebung von Objekten, die sich insbesondere für Anwendungen eignen, in bzw. mit denen große Linearverschiebungen realisiert werden sollen, jedoch nur eng begrenzter Bauraum für den Linearantrieb zur Verfügung steht.
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Linearantriebe bzw. Linearantriebsysteme ermöglichen die Bewegung von Objekten, wie zum Beispiel Maschinenelementen oder Anlagenteilen, in gerader Linie oder einem anderen vorgegebenen Verlauf. Zu den Linearantrieben zählen u. a. Gewindetriebe, Hydraulik- und Pneumatikzylinder ebenso wie elektromechanische Linearantriebe, wie zum Beispiel Linearmotoren und Linearaktoren.
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Viele dieser bekannten Linearantriebe besitzen ein Gestänge und eine Basiseinheit, die relativ zueinander translatorisch angetrieben bzw. bewegt werden, um ein oder mehrere Objekte zu verschieben. Das Objekt kann hierbei ein mit dem Gestänge bewegter Gegenstand, aber auch die Basiseinheit selbst oder ein mit dieser gekoppelter Gegenstand sein, je nachdem, ob das Gestänge oder die Basiseinheit ortsfest ausgebildet ist.
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DE 10 2007 018 163 A1 ,
DE 10 2012 221 202 A1 ,
GB 2 202 815 A und
DE 10 2005 052 059 A1 offenbaren jeweils Linearantriebe, deren zentrales Element ein sogenanntes Spreizband ist. Dieses Spreizband besteht aus einem federelastischen Werkstoff und besitzt - sofern es nicht unter äußeren mechanischen Zwängen steht - eine Querkrümmung. In seiner quergekrümmten (entspannten) Form ist das Spreizband infolge der Knickstabilität zur Druckkraftübertragung in Längsrichtung nutzbar. Beim Aufwickeln des Spreizbandes auf eine Trommel wird die Querkrümmung durch rein elastische Formänderung (Flachdrücken) beseitigt.
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Ein angetriebener Teleskopmast ist in
US 5,718,087 A beschrieben.
US 2010/0242659 A1 offenbart einen Manipulator mit ausfahrbarem Arm. Ein Antriebsmodul mit einem sich in eine Längsrichtung erstreckenden steifen Band, mittels dessen eine Rotation in eine Linearbewegung umgesetzt wird, ist in
DE 10 2007 060 068 A1 gezeigt. Weiterhin behandelt die
DE 10 2007 024 304 A1 eine Bandrolle eines spiralig auf- und abwickelbaren Bandes. Ein selbsttragendes ausstreckbares Rohr, das in einer kompakten zusammengewickelten Form gespeichert werden kann, ist aus der
DE 38 87 855 T2 bekannt.
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Nachteilig bei den herkömmlichen Linearantrieben ist, dass die translatorische Bewegung durch die Dimensionierung des Gestänges bzw. der Basiseinheit in ihrer Länge begrenzt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen raumsparenden, kompakten Linearantrieb sowie ein Verfahren zur Linearverschiebung von Objekten bereitzustellen, die es ermöglichen, Linearverschiebungen zu realisieren, die größer als die Längsabmessung des Linearantriebs sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Linearantrieb mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Linearverschiebung eines Objektes nach Anspruch 8 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 7 aufgeführt.
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Nach Maßgabe der Erfindung umfasst der Linearantrieb eine Trommel, auf der ein (flaches) Band aus einem plastisch verformbaren Material aufgewickelt ist, sowie ein Flachwalzen- und ein Profilwalzenpaar. Das Flachwalzenpaar besteht aus zwei Flachwalzen, d. h. aus zwei zylinderförmigen Walzen mit achsparalleler Anordnung der Walzenachsen, die einen geradlinigen Walzspalt zwischen den beiden Flachwalzen ausbilden. Das Profilwalzenpaar besteht aus zwei im Axialschnitt bogenförmig profilierten Profilwalzen, deren Walzenachsen wiederum achsparallel zueinander angeordnet sind. Beide Profilwalzen sind hinsichtlich ihrer Form so einander angepasst, dass ein bogenförmiger Walzspalt ausgebildet wird. D. h., eine der beiden Profilwalzen ist im Axialschnitt konvex und die andere Profilwalze im Axialschnitt konkav profiliert.
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Das Band ist ein Metallband, insbesondere ein Metallband aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung.
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Die Trommel sowie das Flach- und das Profilwalzenpaar sind zum Lineartransport des zwischen den Walzenpaaren eingespannten Bandes sowie zum gleichzeitigen Querbiegen des Bandes mittels der Walzenpaare in einer Reihe hintereinander angeordnet, wobei die Trommel, die Flachwalzen und die Profilwalzen senkrecht zum Band, d. h. senkrecht zu dessen Förderrichtung und achsparallel zueinander, ausgerichtet sind. Die Trommel und die Walzenpaare bilden - ähnlich wie bei blechverarbeitenden Walzwerken - eine (jedoch in beiden Richtungen betreibbare) Walzenstraße.
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Ferner weist der Linearantrieb eine Antriebseinheit zum Antrieb des Flach- und des Profilwalzenpaars auf. Der Drehsinn der Antriebseinheit - und damit die Förderrichtung der Walzenpaare - ist wahlweise einstellbar, wobei die Walzenpaare stets mit der gleichen Förderrichtung betrieben werden. Das Band wird entweder vorwärts transportiert, d. h. von der Trommel abgewickelt, oder rückwärts transportiert, d. h. auf die Trommel aufgewickelt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Linearverschiebung eines Objektes, das mittels des vorgeschlagenen Linearantriebs durchführbar ist, wird das Band durch das Flachwalzenpaar aus den zwei Flachwalzen und das in Reihe folgende Profilwalzenpaar aus den zwei einander formangepassten, im Axialschnitt bogenförmig profilierten Profilwalzen wahlweise vorwärts oder rückwärst transportiert. Beim Vorwärtstransport durch die beiden Walzpaare wird das Band von der geraden (also ungekrümmten) Querschnittsform in eine bogenförmige Querschnittsform quergebogen. Das sich hierzu von der Trommel abwickelnde Band behält zunächst beim Durchlaufen des Flachwalzenpaars die gerade Querschnittsform bei und wird anschließend mittels des Profilwalzenpaars verformt. Aus dem Profilwalzenpaar tritt das bogenförmig quergekrümmte Band in gerade Linie aus. Beim Rücktransport wird das Band von der bogenförmigen Querschnittsform zurück in die gerade Querschnittform quergebogen. Hierzu durchläuft das Band zunächst das Profilwalzenpaar ohne Änderung der bogenförmigen Querschnittsform, wird anschließend mittels des Flachwalzenpaares in die gerade Querschnittsform gebogen und in diesem Zustand auf die Trommel gewickelt.
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Die Linearverschiebung wird realisiert, indem das zu bewegende Objekt während des Vorwärts- oder Rückwärtstransports des Bandes durch die Walzenpaare mittels des bogenförmig quergekrümmten Bandabschnitts linear verschoben wird.
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Ein Vorteil des Linearantriebs bzw. des Verfahrens zur Linearverschiebung eines Objektes ist der geringe Stauraumbedarf für das aufgewickelte Band im ungebogenen Zustand. Dies ermöglicht kleine, kompakte Ausführungen des Linearantriebs.
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Gleichlaufend können vergleichsweise große Linearverschiebungen realisiert werden, die der Abwicklung des Bandes entsprechen. Durch das Querbiegen des Bandes ist der aus dem Profilwalzenpaar herausreichende bzw. austretende bogenförmig quergekrümmte Bandabschnitt, d. h. der Bandabschnitt mit der bogenförmigen Querschnittsform, längsstabil. Die bogenförmige Querschnittsform verhindert zum einen Längskrümmungen des Bandes in diesem Abschnitt und verleiht dem bogenförmig quergekrümmten Bandabschnitt zum anderen eine hohe Knickstabilität.
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Der bogenförmig quergekrümmte Bandabschnitt fungiert so als Schub-bzw. Zuggestänge des Linearantriebs. Die hohe Knickstabilität des bogenförmig quergekrümmten Bandabschnitts ermöglicht den Einsatz des Linearantriebs auch bei hohen Schublasten. Mittels des Linearantriebs können folglich vergleichsweise schwere Objekte translatorisch in beiden Richtungen bewegt werden.
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Das wechselweise Querbiegen des Bandes aus der geraden Querschnittsform in die bogenförmige Querschnittsform (bei Vorwärtsbewegung) und zurück aus der bogenförmigen Querschnittsform in die gerade Querschnittsform (bei Rückwärtsbewegung) gewährleistet im geraden Bandabschnitt die zum Aufwickeln erforderliche leichte Längsverformbarkeit des Bandes und im bogenförmig quergekrümmten Bandabschnitt die zur Linearverschiebung notwendige Längsstabilität bzw. Steifigkeit des Bandes. Das wechselweise Querbiegen ist wiederholt durchführbar.
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Der Übergangsbereich des Bandes zwischen den beiden Walzenpaaren bildet zudem eine Widerlagerposition, die den bogenförmig quergekrümmten Bandabschnitt in Bandlängsrichtung formschlüssig arretiert; bei Stillstand der Walzenpaare kann das Band folglich nicht in Längsrichtung durch die Walzenpaare rutschen.
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Die Profilwalzen weisen vorzugsweise ein im Axialschnitt halbellipsenförmiges oder halbkreisförmiges Profil auf. Der beim Querbiegen entstehende halbellipsenförmig bzw. halbkreisförmig quergekrümmte Bandabschnitt besitzt eine besonders hohe Knickstabilität bei Schubbeanspruchung.
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Die Dicke des Bandes liegt vorzugsweise im Bereich von 0,3 mm bis 1 mm.
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Ferner kann der Linearantrieb ein Bandführungselement mit einem bogenförmigen Führungsschlitz aufweisen, wobei das Führungselement in einer Reihe mit dem Flachwalzenpaar und dem Profilwalzenpaar auf der dem Flachwalzenpaar abgekehrten Seite des Profilwalzenpaars angeordnet ist. Das Bandführungselement bzw. der bogenförmigen Führungsschlitz dient der Führung des bogenförmig quergekrümmten Bandabschnitts. Seitlicher Versatz des Bandes wird hierdurch vermieden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinheit einen Servomotor und ein Zahnradgetriebe umfasst. Mittels des Zahnradgetriebes werden jeweils eine der Profilwalzen und eine der Flachwalzen angetrieben, wobei die Zahnräder so übersetzt sind, dass beide mit dem gleichem Drehsinn rotieren. Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Antrieb am Servomotor und dem Abtrieb an den Walzen liegt vorzugsweise im Bereich von 1:2. Die Drehgeschwindigkeit und der Drehsinn des Servomotors - und mithin die Transportgeschwindigkeit und -richtung des Bandes - können mittels einer elektronischen Prozessoreinheit gesteuert und ggf. geregelt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Linearantriebs weisen das Flachwalzenpaar eine Transportflachwalze und eine Druckflachwalze und das Profilwalzenpaar eine im Axialschnitt konvex profilierte Transportprofilwalze und eine im Axialschnitt konkav profilierte Druckprofilwalze auf. Der Linearantrieb besitzt zudem ein Basisgestell und ein Gleitergestell, wobei die Transportflachwalze gemeinsam mit der Transportprofilwalze im Basisgestell und die Druckflachwalze gemeinsam mit der Druckprofilwalze im Gleitergestell drehbar gelagert sind. Das Gleitergestell ist gegenüber dem Basisgestell zur Einstellung des Walzspaltes und/oder des Walzdruckes verstellbar. Hierzu sind beispielsweise Langlöcher oder Schlitze im Gleitergestell eingebracht, die eine verstellbare Arretierung am Basisgestell ermöglichen.
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Weiterhin kann an der Trommel ein mit Federkraft vorgespannter Niederhalter zum Andrücken und zur Führung des aufgewickelten Bandes angebracht sein.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu veranschaulichen:
- 1: den Linearantrieb in perspektivischer Ansicht,
- 2: den Linearantrieb in der Frontansicht,
- 3: den Linearantrieb in der Seitenansicht,
- 4: den Linearantrieb in der Draufsicht, und
- 5: den Linearantrieb im Längsschnitt.
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Der Linearantrieb, der in den 1 bis 4 in unterschiedlichen Ansichten dargestellt ist, weist ein Basisgestell 7 aus zwei parallelen Halte- oder Basisplatten auf, zwischen denen die Trommel 4 sowie das Flach- und das Profilwalzenpaar in einer Reihe - nach Art einer Walzenstraße - angeordnet sind. Der abgebildete Linearantrieb besitzt eine Größe von ca. 130 mm x 55 mm x 65 mm (Länge x Breite x Höhe).
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Das aus einer Aluminiumlegierung bestehende Band 1 ist auf der Trommel 4 aufgewickelt, wobei der aufgewickelte Teilbereich des Bandes 1 die gerade Querschnittsform 1.2 aufweist. Der im Querschnitt gerade Bandabschnitt 1.2 wird auch als Flachbandabschnitt 1.2 bezeichnet. Der Niederhalter 9 drückt das Band 1 an die Trommel 4.
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Nach dem Abwickeln des Bandes 1 von der Trommel 4 wird das Band 1 zunächst durch das Flachwalzenpaar geführt. Das Flachwalzenpaar besteht aus den beiden Flachwalzen 2, nämlich aus der Druckflachwalze 2.2 und der nicht in den 1 bis 4 sichtbaren Transportflachwalze 2.1.
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An das Flachwalzenpaar schließt sich das Profilwalzenpaar aus den beiden bogenförmig profilierten Profilwalzen 3 an, wobei wiederum nur die konkav profilierte Druckprofilwalze 3.2 sichtbar ist, während die konvex profilierte Transportprofilwalze 3.1 in den 1 bis 4 verdeckt bleibt.
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Beim Transport durch die Walzenpaare wird das Band 1 quergebogen, d. h. umgeformt. Bei Vorwärtstransport erfolgt das Querbiegen des Bandes 1 durch das Profilwalzenpaar, wobei sich der bogenförmig quergekrümmte Bandabschnitt 1.1 (auch als Profilbandabschnitt 1.1 bezeichnet) durch Umformung des vom Flachwalzenpaar kommenden Flachbandabschnittes 1.2 bildet.
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Dieser bei Vorwärtstransport aus dem Profilwalzenpaar in einer Linearbewegung herausgeförderte und durch das Bandführungselement 10 hindurchgeführte Profilbandabschnitt 1.1 bildet während des Vorwärtstransports des Bandes 1 das Schubgestänge des Linearantriebs mit dem ein Objekt translatorisch verschoben werden kann. Das zu verschiebende Objekt ist hierzu beispielsweise an das Ende des Profilbandabschnitts 1.1 oder alternativ an das Basisgestell 7 gekoppelt.
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Bei Rückwärtstransport des Bandes 1 fungiert der Profilbandabschnitt 1.1 als Zuggestänge des Linearantriebs. Das Band 1 wird in umgekehrter Richtung zunächst verformungsfrei durch das Profilwalzenpaar geleitet und anschließend beim Durchlaufen des Flachwalzenpaares in die gerade Querschnittsform gebogen. Der vom Flachwalzenpaar austretende Flachbandabschnitt 1.2 wird schließlich auf die Trommel 4 aufgewickelt.
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Die Druckprofilwalze 3.2 und die Druckflachwalze 2.2 sind in dem aus zwei parallelen Gleiterplatten bestehenden Gleitergestell 8 drehbar gelagert. Die Langlöcher im Gleitergestell 8 ermöglichen die verstellbare Verschraubung am Basisgestell 7.
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Die Transportprofilwalze 3.2 und die Transportflachwalze 2.2 (beide in den 1 bis 4 nicht sichtbar), sind direkt im Basisgestell 7 drehbar gelagert. Sie werden beide vom Servomotor 5 über das Zahnradgetriebe 6 angetrieben.
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Die Längsschnittdarstellung gemäß 5 verdeutlicht das Querbiegen des Bandes 1 beim Transport durch die Flachwalzen 2 und die Profilwalzen 3.
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Das mittels des Niederhalters 9 auf der Trommel 4 angedrückte Band 1 wird bei Vorwärtstransport zunächst durch das Flachwalzenpaar und anschließend durch das Profilwalzenpaar gefördert, wobei der auf der Trommel 4 aufgewickelte Flachbandabschnitt 1.2 durch Querbiegen in den Profilbandabschnitt 1.1 umgeformt wird. Bei Rückwärtstransport, d. h. bei umgekehrter Förderrichtung, wird der Profilbandabschnitt 1.1 durch das Flachwalzenpaar wieder in den wickelbaren Flachbandabschnitt 1.2 gerade gebogen.
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Das Flachwalzenpaar besteht aus der angetriebenen Transportflachwalze 2.1 und der Druckflachwalze 2.2; das Profilwalzenpaar besitzt die ebenfalls angetriebene, konvex profilierte Transportprofilwalze 3.1 sowie die konkav profilierte Druckprofilwalze 3.2. Der Antrieb der Transportflachwalze 2.1 und der Transportprofilwalze 3.1 erfolgt durch den Servomotor 5 und das (nicht in der 5 dargestellte) Zahnradgetriebe 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Band aus plastisch verformbarem Material
- 1.1
- bogenförmig quergekrümmter Bandabschnitt (Profilbandabschnitt)
- 1.2
- gerader Bandabschnitt (Flachbandabschnitt)
- 2
- Flachwalzen
- 2.1
- Transportflachwalze
- 2.2
- Druckflachwalze
- 3
- Profilwalzen
- 3.1
- Transportflachwalze
- 3.2
- Druckprofilwalze
- 4
- Trommel
- 5
- Servomotor
- 6
- Zahnradgetriebe
- 7
- Basisgestell
- 8
- Gleitergestell
- 9
- Niederhalter
- 10
- Bandführungselement
