EP0950597B1 - Führungssystem mit einem auf einer Schiene geführten Laufwagen - Google Patents

Führungssystem mit einem auf einer Schiene geführten Laufwagen Download PDF

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EP0950597B1
EP0950597B1 EP98810330A EP98810330A EP0950597B1 EP 0950597 B1 EP0950597 B1 EP 0950597B1 EP 98810330 A EP98810330 A EP 98810330A EP 98810330 A EP98810330 A EP 98810330A EP 0950597 B1 EP0950597 B1 EP 0950597B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rail
guide
carriage
toothing
guiding system
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98810330A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0950597A1 (de
Inventor
Rudolf Güdel
Walter Zulauf
Hans-Ulrich Kurt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guedel AG
Original Assignee
Guedel AG Antriebs- und Lineartechnik
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Filing date
Publication date
Application filed by Guedel AG Antriebs- und Lineartechnik filed Critical Guedel AG Antriebs- und Lineartechnik
Priority to DE59811424T priority Critical patent/DE59811424D1/de
Priority to EP98810330A priority patent/EP0950597B1/de
Priority to JP13460799A priority patent/JP4560748B2/ja
Priority to US09/291,976 priority patent/US6220174B1/en
Publication of EP0950597A1 publication Critical patent/EP0950597A1/de
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Publication of EP0950597B1 publication Critical patent/EP0950597B1/de
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E01—CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01B—PERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B25/00—Tracks for special kinds of railways
    • E01B25/02—Tracks for rack railways
    • E01B25/04—Rack rails; Supports or connections for rack rails
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61B—RAILWAY SYSTEMS; EQUIPMENT THEREFOR NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61B13/00—Other railway systems
    • B61B13/02—Rack railways
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61C—LOCOMOTIVES; MOTOR RAILCARS
    • B61C11/00—Locomotives or motor railcars characterised by the type of means applying the tractive effort; Arrangement or disposition of running gear other than normal driving wheel
    • B61C11/04—Locomotives or motor railcars characterised by the type of means applying the tractive effort; Arrangement or disposition of running gear other than normal driving wheel tractive effort applied to racks

Definitions

  • the invention relates to a carriage for a guide system with one with guide surfaces and with a toothed rail.
  • the carriage has a drive gear, which in one Force application point engages in the toothing of the rail, and further guide elements that in corresponding support points on the laterally arranged guide surfaces of the rail are, wherein the drive gear and at least a first of the guide elements in constant Are spaced from each other and are arranged so that one through the force application point on the one hand and the point of contact of said first guide element on the first guide surface on the other hand, the straight line defined is always perpendicular to the current direction of travel. Further refers the invention on a guide system with such a carriage and on a rail for Carriage.
  • Conveyor systems that can move to specified positions exactly are e.g. in the automated Manufacturing needed. With such a conveyor system, the workpieces can be removed from a processing station transported to a next one and automatically handed over there.
  • gear and spindle drives can.
  • Such drives come e.g. in machines with precisely movable processing units (Milling machine, drill, etc.).
  • a typical application example is a bogie or Rotary table of an automatic assembly machine. By the number of revolutions of the pinion or the driving The gear is precisely determined.
  • the known gear drives are only for the execution of either exclusively linear or only suitable for rotating movements.
  • the German utility model G 92 14 738 shows a conveyor system with a guide rail and a rack whose teeth are aligned horizontally.
  • the trolley has a drive gear, which is coaxial to the foremost transverse guide roller is stored.
  • the roller system is in a box-shaped guide rail that is open at the top guided and the rack is located laterally above the guide rail.
  • the guide rail is a simple carrier, on the outside the roller system is guided.
  • the rack is attached laterally below the guide rail and the geometric axis of the gear runs through the center of the guide rail.
  • the toothing of the rack runs in each case plane-parallel to the plane-parallel transverse guideways the guide rail.
  • FR 2 336 287 is concerned with a passenger transport system with gear drive.
  • the guide rail has side guide surfaces for corresponding guide rollers of the carriage.
  • the Gearing points vertically downwards. This system is not suitable for curves.
  • the object of the invention is a carriage, a guide system, and a rail of the types mentioned indicate which positional accuracy and largely free lines combine.
  • the carriage has at least one chassis, the pivot axis of which Force application point of the drive gear runs.
  • a toothed rack is formed on the rail such that the dividing line of the toothing unites has a predefined constant distance from at least one lateral guide surface.
  • the carriage has a guide element, which on the lateral guide surface mentioned in a support point is guided, and a drive gear, which engages in a force application point in the rack.
  • Drive gear and guide element are arranged so that by the force application point and The point of contact defined is always perpendicular to the current direction of travel.
  • the current direction of travel is defined by the tangents to the dividing line.
  • the dividing line runs through a perpendicular bisector of the cross section of the Guide rail.
  • leadership elements usually used leadership roles. But sliding elements are also possible.
  • a carriage according to the invention has at least one, but preferably two chassis. This are designed so that when the direction changes, the axis of rotation or swivel of the chassis runs through the dividing line of the gearing.
  • the pivot axis goes through the Force application point and is parallel to an axis of rotation of the drive gear. (Has the carriage only a single chassis, then the center of gravity of the carriage should be on the above Swivel axis.) This ensures that the driving force (acceleration or Braking force) generates no reaction torque on the carriage (or its chassis).
  • the chassis has a three-point guide. This means that the lateral guidance or control of the direction is in principle taken over by three roles. Two run on one guide surface and one on the other just a role. The three points of the side guide form an isosceles triangle with an opening angle of e.g. 30 ° to 40 °.
  • Two of the three rollers are advantageously sprung. It is the one that are arranged on the same side and consequently run on the same guide surface. There can also be more than three guide rollers (the number of Suspension must be adjusted accordingly). Only two guide rollers become symmetrical provided to the swivel axis of the chassis, stabilization can become a problem (Vibrations, rolling movements).
  • the preferred version of the three-point guide allows one for any curve radius geometrically exact tooth mesh.
  • the weight of the carriage is preferably carried by separate support rollers. This do not need to be sprung.
  • the rail has e.g. a substantially flat rectangular one Cross section, the outer narrow sides of the guide surfaces and the top and bottom surfaces in the edge area the running surfaces for the support rollers form. Depending on whether the carriages are standing on the rail or hanging on it, the rack is formed on the upper or lower broad side of the rail.
  • the guide rail and the rack must be manufactured with high precision.
  • the two parts can be manufactured individually and then connected (screwed, welded). So that the geometry of the toothing in the curves is correct, you can two identical straight racks with the gears interlocked and then be bent together into the desired radius. But it is also possible that the guide rail and rack are milled directly from a single workpiece.
  • the guide rail is advantageously attached to a carrier, which has the required has static resilience, so that the precision-made part of the rail system dimensions and weight can be kept to a minimum.
  • the carrier can be an ordinary double T-beam without special precision criteria.
  • the Rail is preferably essentially along its entire length (e.g. by regular spaced fasteners) attached to the carrier, so that their inherent stability is guaranteed. Finally, a conductor rail can also be attached to the carrier.
  • the guide system according to the invention can be modular. That means it different rail pieces (straight, left-curved, right-curved) are provided, which the user creates according to his needs individual transport system can be put together. In combination with Turnouts, crossings or even lift stations result in a wide range of Possibilities.
  • FIG. 1 shows schematically the principle of the invention.
  • a rail 1 is for example on Foot of a double-T beam 10 attached.
  • the rail 1 has the shape of a plate or a strip or ribbon-shaped flat element and consists of a high quality Steel.
  • the narrow sides 2.1, 2.2 serve as lateral guide surfaces, the lower and upper edge surfaces 3.1, 3.3 or 3.2, 3.4 as running surfaces.
  • the division line 6 lies (or its point of intersection through the cross-sectional plane) on the perpendicular 7 of the (in the present example) mirror-symmetrical trained rail 1.
  • the two Narrow sides 2.1, 2.2 define two parallel planes, and one defines exactly in the In the middle between these two imaginary levels there is a third level Division line 6 of the toothing 5 in this third level.
  • the axis of rotation of the drive gear is parallel to the perpendicular 7 (i.e. in Fig. 1 vertically and not horizontally).
  • the toothing 5 shows in horizontal Direction.
  • the geometric orientation can also be described as follows:
  • the toothing 5 can be assigned a foot line 9 and a head line 8.
  • the rack 4 curved; can instead of a foot line 9 from a foot circle instead of one Head line 8 from a head circle and instead of a dividing line 6 from one Pitch circle or pitch circle can be spoken.
  • the foot line 9 and the head line 8 lie on two different sides of the perpendicular bisector 7. Basically comes it does not depend on whether the foot line 9 on the left with respect to the perpendicular 7 (i.e. on the side facing the narrow side 2.1) or on the right, i.e. if she Toothing to the left or to the right shows.
  • FIG. 2 and 3 show how a chassis 11 is guided by the rail 1 according to the invention becomes.
  • the rail 1 is viewed from above.
  • the carriage 21 is located below the rail 1 and is e.g. on two identical chassis hinged.
  • Fig. 3 shows the same construction in cross section.
  • the guide rollers 15.1 to 15.3 are mounted on a first side wall 16 of the chassis 11.
  • Two suspensions 18.1, 18.2 press the two guide rollers 15.1 and 15.2 against the narrow side 2.2.
  • the third Guide roller 15.3 is on an opposite side wall 17 of the chassis 11 unsprung.
  • the distance between the two side walls 16, 17 is slightly larger than the width of the rail 1, so that the chassis can grip around the rail 1 in a U-shape. Furthermore, the present Example the side walls 16, 17 towards the narrow sides 2.1, 2.2 of the rail 1 convexly curved. According to the smallest radii of curvature in the system the rail they run easily from the center of the chassis to the outside apart.
  • the axes of rotation of the three guide rollers 15.1 to 15.3 form the corners of an isosceles Triangle.
  • the two same legs of the triangle are through the connecting lines the axes of the guide rollers 15.1 and 15.3 on the one hand and 15.2 and 15.3 the opening angle of the triangle is preferably in the range between 30 ° and 40 °.
  • the opening angle is too small, the stability of the guide suffers. That means it can Pendulum or roll movements come about a vertical axis. Is the named On the other hand, if the angle is too large, the spring-loaded guide rollers 15.1 and 15.2 must be unnecessary have large spring travel (especially when cornering relatively tightly) should be or if there are very different radii of curvature).
  • One of the two guide rollers 15.1 and 15.2 is always leading and one trailing. For example, when changing from a straight section to a curved section Suspension 18.1, 18.2 for smooth initiation of the change of direction or chassis swivel movement.
  • the point of contact 24 of the guide roller 15.3 on the narrow side 2.1 is in relation to the Chassis 11 clearly defined because the guide roller 15.3 mentioned is neither resilient stored itself is elastic.
  • the distance between gear 13 and guide roller 15.3 is constant.
  • the force application point 14 and Support point 24 defined direction always perpendicular to the current direction of travel. The latter is defined by the tangent to the division line in the force application point 14.
  • a carriage 21 typically has two chassis. One has one Electric drive 12, the gear 13 in the toothing 5 of the rack 4th intervenes.
  • the dividing line 6 has a constant distance from the along the rail 1 Narrow side 2.1, which guides the guide roller 15.3.
  • the rack 4 is located between the gear 13 and the rigid guide roller 15.3.
  • the position of the carriage 21 can be accurate with a numerically controlled motor to be controlled.
  • Current and control signals can be used with a pantograph of one e.g. busbar 23 attached to the carrier 10 can be tapped (cf. FIG. 3).
  • each side wall four castors are provided.
  • the four are on the top side i.e. on the edge surfaces 3.2 and 3.4 running rollers 19.1 to 19.4.
  • the pairs of rollers 19.1 / 19.2 and 19.3 / 19.4 are mounted at a small mutual distance.
  • the axis of the guide roller 15.3 is located in the middle between the rollers 19.3 and 19.4.
  • the described embodiment can be carried out in many ways within the scope of the invention as defined in the claims be modified.
  • the chassis can also be arranged standing instead of hanging become.
  • the rail can also be inclined.
  • the rail can be symmetrical, for example, on the lateral edges beveled. It is even conceivable that the cross section of the rail is not symmetrical is.
  • the rail usually runs on one level. That means the radii of curvature lie in the plane defined by the strip shape of the rail. But it’s not out of the question that the direction of the rail by slow change over a long distance is led out of this level ("flat ramp").
  • the rail be supported by a double-T beam or the like is supported. It can also be self-supporting.
  • the guide rollers can be hard or elastic.
  • an elastic tire can make resilient storage unnecessary (e.g. if the Radii of curvature of the rail are very large).
  • the invention is a guidance system has been created, which can be positioned precisely with any lines enabled with relatively little control engineering effort.
  • the invention versatile, be it on a larger machine with a computer-controlled one Workpiece processing or as a transport system in manufacturing plants or even in Amusement parks.

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  • Types And Forms Of Lifts (AREA)

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Laufwagen für ein Führungssystem mit einer mit Führungsflächen und mit einer Verzahnung versehenen Schiene. Der Laufwagen weist ein Antriebszahnrad auf, das in einem Kraftangriffspunkt in die Verzahnung der Schiene eingreift, und weiter Führungselemente, die in entsprechenden Auflagepunkten auf den seitlich angeordneten Führungsflächen der Schiene führbar sind, wobei das Antriebszahnrad und mindestens ein erstes der Führungselemente in konstantem Abstand zueinander sind und so angeordnet sind, dass eine durch den Kraftangriffspunkt einerseits und den Auflagepunkt des genannten ersten Führungselementes auf der ersten Führungsfläche andererseits definierte Gerade stets senkrecht zur momentanen Fahrtrichtung ist. Weiter bezieht sich die Erfindung auf ein Führungssystem mit einem solchen Laufwagen sowie auf eine Schiene für den Laufwagen.
Stand der Technik
Fördersysteme, welche vorgegebene Positionen exakt anfahren können, werden z.B. in der automatisierten Fertigung benötigt. Die Werkstücke können mit einem solchen Fördersystem von einer Bearbeitungsstation zu einer nächsten transportiert und dort automatisch übergeben werden.
Bekannt sind Systeme, bei welchen die einzelnen Transportwagen mit Rollen auf einer Metallschiene laufen. Die Rollen sind typischerweise durch Elektromotoren angetrieben. Der Rollenantrieb ermöglicht zwar eine grosse Freiheit bei der Festlegung des Verlaufes der Schiene, da ohne Probleme Strecken mit unterschiedlichen Krümmungsradien konstruiert werden können. Allerdings sind Rollenantriebe an sich nicht positionsgenau (wegen des Schlupfes). Entsprechend kann die Präzision nur durch zusätzliche Positionssensoren und mit dazugehörigen Regelschaltungen erreicht werden. In einer Anlage mit einer Mehrzahl von Laufwagen müssen aus Sicherheitsgründen zudem Blocksteuerungen vorgesehen sein.
Es ist bekannt, dass Positionsgenauigkeit z.B. mit Zahnrad- und Spindelantrieben erreicht werden kann. Solche Antriebe kommen z.B. bei Maschinen mit positionsgenau bewegbaren Bearbeitungseinheiten (Fräse, Bohrer etc.) zum Einsatz. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist ein Drehgestell bzw. Drehtisch eines Montageautomaten. Durch die Anzahl Umdrehungen des Ritzels bzw. des antreibenden Zahnrades ist der Vorschub exakt bestimmt.
Die bekannten Zahnradantriebe sind aber nur zur Ausführung von entweder ausschliesslich linearen oder ausschliesslich rotierenden Bewegungen geeignet.
Das deutsche Gebrauchsmuster G 92 14 738 (Bleichert) zeigt ein Fördersystem mit einer Führungsschiene und einer Zahnstange, deren Zähne horizontal ausgerichtet sind. In einer ersten Ausführungsform (Fig. 1) besitzt der Förderwagen ein Antriebszahnrad, das koaxial zur vordersten Querführungsrolle gelagert ist. Dabei ist das Rollensystem in einer nach oben offenen, kastenförmigen Führungsschiene geführt und die Zahnstange befindet sich seitlich oberhalb der Führungsschiene. In einer weiteren Ausführungsform (Fig. 3) ist die Führungsschiene ein einfacher Träger, an dessen Aussenseite das Rollensystem geführt wird. Die Zahnstange ist seitlich unterhalb der Führungsschiene angebracht und die geometrische Achse des Zahnrades verläuft durch das Zentrum der Führungsschiene. Die Verzahnung der Zahnstange verläuft jeweils planparallel zu den planparallelen Querführungsbahnen der Führungsschiene.
Ein weiteres solches Fördersystem ist aus der DE 30 31 355 A1 (Bleichert) bekannt.
Die FR 2 336 287 befasst sich mit einem Personen-Transportsystem mit Zahnradantrieb. Die Führungsschiene besitzt seitliche Führungsflächen für entsprechende Führungsrollen des Laufwagens. Die Verzahnung zeigt vertikal nach unten. Dieses System ist nicht für Kurven geeignet.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laufwagen, ein Führungssystem, und eine Schiene der eingangs genannten Arten anzugeben, welche Positionsgenauigkeit und weitgehend freie Linienführung auf sich vereinigen.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale der Anspruche 1, 7 und 16 definiert.
Gemäss der Erfindung weist der Laufwagen mindestens ein Fahrgestell auf, dessen Schwenkachse durch den Kraftangriffspunkt des Antriebszahnrades verläuft.
An der Schiene ist eine Zahnstange derart ausgebildet, dass die Teilungslinie der Verzahnung einen vordefinierten konstanten Abstand zu mindestens einer seitlichen Führungsfläche hat. Der Laufwagen hat ein Führungselement, welches auf der genannten seitlichen Führungsfläche in einem Auflagepunkt geführt ist, und ein Antriebszahnrad, welches in einem Kraftangriffspunkt in die Zahnstange eingreift. Antriebszahnrad und Führungselement sind so angeordnet, dass die durch Kraftangriffspunkt und Auflagepunkt definierte Verbindungsgerade stets senkrecht zur momentanen Fahrtrichtung ist. Die momentane Fahrtrichtung ist durch die Tangentiale zur Teilungslinie definiert.
Aufgrund der erfindungsgemässen geometrischen Ausführung der Verzahnung kann ein zahnradgetriebenes Führungssystem mit weitgehend beliebiger Schienenführung realisiert werden. Nicht nur können zusätzlich zu geraden Abschnitten - sowohl Links- als auch Rechtskurven, sondern auch unterschiedliche Kurvenradien in derselben Anlage integriert werden.
Die Teilungslinie verläuft durch eine Mittelsenkrechte des Querschnitts der Führungsschiene. Als Führungselemente werden in der Regel Führungsrollen benutzt. Es sind aber auch Gleitelemente möglich.
Ein erfindungsgemässer Laufwagen hat mindestens ein, vorzugsweise aber zwei Fahrgestelle. Diese sind so konstruiert, dass bei einer Richtungsänderung die Dreh- bzw. Schwenkachse des Fahrgestells durch die Teilungslinie der Verzahnung verläuft. Die Schwenkachse geht also durch den Kraftangriffspunkt und ist parallel zu einer Rotationsachse des Antriebszahnrades. (Hat der Laufwagen nur ein einziges Fahrgestell, dann sollte der Schwerpunkt des Laufwagens auf der genannten Schwenkachse liegen.) Dadurch wird ereicht, dass die Antriebskraft (Beschleunigungs- bzw. Bremskraft) kein Reaktions-Drehmoment auf den Laufwagen (bzw. dessen Fahrgestell) erzeugt.
Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat das Fahrgestell eine Dreipunktführung. Das heisst, die seitliche Führung bzw. Steuerung der Richtung wird im Prinzip durch drei Rollen übernommen. Auf der einen Führungsfläche laufen zwei, auf der anderen nur eine Rolle. Die drei Punkte der Seitenführung bilden ein gleichschenkliges Dreieck mit einem Öffnungswinkel von z.B. 30° bis 40°.
Vorteilhafterweise sind zwei der drei Rollen gefedert. Es handelt sich um diejenige, welche auf derselben Seite angeordnet sind und infolgedessen auf derselben Führungsfläche laufen. Es können auch mehr als drei Führungsrollen vorgesehen sein (wobei die Anzahl der Federungen entsprechend anzupassen ist). Werden nur zwei Führungsrollen symmetrisch zur Schwenkachse des Fahrgestells vorgesehen, kann die Stabilisierung zum Problem werden (Vibrationen, Schlingerbewegungen).
Die bevorzugte Ausführung der Dreipunktführung erlaubt für beliebige Kurvenradien einen geometrisch exakten Zahneingriff.
Vorzugsweise wird das Gewicht des Wagens durch separate Stützrollen getragen. Diese brauchen nicht gefedert zu sein. Die Schiene hat z.B. einen im wesentlichen flachen rechteckigen Querschnitt, dessen aussenliegende Schmalseiten die Führungsflächen und dessen oben und unten liegende Flächen im Randbereich die Laufflächen für die Stützrollen bilden. Je nachdem, ob die Laufwagen auf der Schiene stehend oder an ihr hängend sind, ist die Zahnstange auf der oberen bzw. unteren Breitseite der Schiene ausgebildet.
Die Führungsschiene und die Zahnstange müssen mit hoher Präzision hergestellt werden. Die beiden Teile können einzeln gefertigt und dann miteinander verbunden (verschraubt, verschweisst) werden. Damit die Geometrie der Verzahnung in den Kurven richtig ist, können zwei identische gerade Zahnstangen mit den Verzahnungen ineinander gelegt und dann gemeinsam in den gewünschten Radius gebogen werden. Es ist aber auch möglich, dass Führungsschiene und Zahnstange direkt aus einem einzigen Werkstück gefräst werden. Die Führungsschiene ist mit Vorteil an einem Träger befestigt, welcher die erforderliche statische Belastbarkeit aufweist, so dass der präzisionsgefertigte Anteil des Schienensystems bezüglich Abmessung und Gewicht minimal gehalten werden kann. Der Träger kann ein gewöhnlicher Doppel-T-Träger ohne besondere Präzisionskriterien sein. Die Schiene ist vorzugsweise im wesentlichen auf ganzer Länge (z.B. durch regelmässig beabstandete Befestigungselemente) am Träger befestigt, so dass auch ihre Eigenstabilität gewährleistet ist. Schliesslich kann am Träger auch eine Stromschiene befestigt werden.
Das erfindungsgemässe Führungssystem kann modular ausgebildet sein. Das heisst, es können unterschiedliche Schienenstücke (gerade, linksgekrümmte, rechtsgekrümmte) bereitgestellt werden, welche vom Anwender entsprechend seinen Bedürfnissen zu einem individuellen Transportsystem zusammengestellt werden können. In Kombination mit Weichen, Kreuzungen oder auch Liftstationen ergibt sich ein breites Spektrum von Möglichkeiten.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1
Eine schematische perspektivische Darstellung der Geometrie der erfindungsgemässen Schiene;
Fig. 2
eine schematische Darstellung der Führung eines Fahrgestells auf einer gekrümmten Schiene in der Draufsicht;
Fig. 3
eine schematische Darstellung der in Fig. 2 gezeigten Anordung im Querschnitt.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch das Prinzip der Erfindung. Eine Schiene 1 ist beispielsweise am Fuss eines Doppel-T-Trägers 10 angebracht. Die Schiene 1 hat die Form einer Platte bzw. eines streifen- bzw. bandförmigen flachen Elementes und besteht aus einem hochwertigen Stahl. Die Schmalseiten 2.1, 2.2 dienen als seitliche Führungsflächen, die unteren und oberen Randflächen 3.1, 3.3 bzw. 3.2, 3.4 als Laufflächen.
An der unteren Seite der Schiene 1 ist im Bereich zwischen den Randflächen 3.1 und 3.3 eine Zahnstange 4 angebracht. Deren Verzahnung 5 ist gemäss einer bevorzugten Ausführungsform derart angeordnet, dass ihre Teilungslinie 6 genau in der Mitte der Schiene 1 verläuft.
Im einzelnen ist folgendes zu beachten: Im Querschnitt bezüglich der Längsrichtung der Schiene 1 betrachtet liegt die Teilungslinie 6 (bzw. deren Durchstosspunkt durch die Querschnittsebene) auf der Mittelsenkrechten 7 der (im vorliegenden Beispiel) spiegelsymmetrisch ausgebildeten Schiene 1. Mit anderen Worten: Geht man davon aus, dass die beiden Schmalseiten 2.1, 2.2 zwei parallele Ebenen definieren, und definiert man genau in der Mitte zwischen diesen beiden gedachten Ebenen eine dritte Ebene, dann befindet sich die Teilungslinie 6 der Verzahnung 5 in dieser dritten Ebene.
Die Rotationsachse des Antriebszahnrades steht parallel zur Mittelsenkrechten 7 (also in Fig. 1 vertikal und nicht horizontal). Entsprechend zeigt die Verzahnung 5 in horizontaler Richtung.
Die geometrische Orientierung lässt sich auch wie folgt umschreiben: Der Verzahnung 5 kann eine Fusslinie 9 und eine Kopflinie 8 zugeordnet werden. (Ist die Zahnstange 4 gekrümmt; kann anstatt von einer Fusslinie 9 von einem Fusskreis, anstatt von einer Kopflinie 8 von einem Kopfkreis und anstatt von einer Teilungslinie 6 von einem Teilungskreis oder auch Wälzkreis gesprochen werden.) Die Fusslinie 9 und die Kopflinie 8 liegen quasi auf zwei verschiedenen Seiten der Mittelsenkrechten 7. Grundsätzlich kommt es nicht darauf an, ob z.B. die Fusslinie 9 links bezüglich der Mittelsenkrechten 7 (d.h. auf der der Schmalseite 2.1 zugewandten Seite) oder rechts angeordnet ist, d.h. ob die Verzahnung nach links oder nach rechts zeigt.
Fig. 2 und 3 zeigen, wie ein Fahrgestell 11 von der erfindungsgemässen Schiene 1 geführt wird. In der Darstellung der Fig. 2 wird die Schiene 1 von oben betrachtet. Der Laufwagen 21 befindet sich unterhalb der Schiene 1 und ist z.B. an zwei gleichen Fahrgestellen gelenkig aufgehängt. Fig. 3 zeigt dieselbe Konstruktion im Querschnitt.
Im Sinn der besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind drei Führungsrollen 15.1 bis 15.3 für die seitliche Führung vorgesehen. Die Führungsrollen 15.1 und 15.2 sind an einer ersten Seitenwand 16 des Fahrgestells 11 gelagert. Zwei Federungen 18.1, 18.2 drücken die beiden Führungsrollen 15.1 und 15.2 an die Schmalseite 2.2. Die dritte Führungsrolle 15.3 ist an einer gegenüberliegenden Seitenwand 17 des Fahrgestells 11 ungefedert gelagert.
Der Abstand der beiden Seitenwände 16, 17 ist etwas grösser als die Breite der Schiene 1, so dass das Fahrgestell die Schiene 1 u-förmig umgreifen kann. Ferner sind im vorliegenden Beispiel die Seitenwände 16, 17 zu den Schmalseiten 2.1, 2.2 der Schiene 1 hin konvex gekrümmt. Entsprechend den im System vorhandenen kleinsten Krümmungsradien der Schiene laufen sie also vom Zentrum des Fahrgestells gegen aussen leicht auseinander.
Die Drehachsen der drei Führungsrollen 15.1 bis 15.3 bilden die Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks. (Die beiden gleichen Schenkel des Dreiecks werden durch die Verbindungslinien der Achsen der Führungsrollen 15.1 und 15.3 einerseits und 15.2 und 15.3 andererseits gebildet.) Der Öffnungswinkel des Dreiecks liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 30° und 40°.
Ist der Öffnungswinkel zu klein, leidet die Stabilität der Führung. Das heisst, es kann zu Pendel- bzw. Schlingerbewegungen um eine vertikal Achse kommen. Ist der genannte Winkel dagegen zu gross, müssen die gefederten Führungsrollen 15.1 und 15.2 unnötig grosse Federwege aufweisen (dies insbesondere dann, wenn relativ enge Kurven gefahren werden sollen bzw. wenn stark unterschiedliche Krümmungsradien vorhanden sind).
Eine der beiden Führungsrollen 15.1 und 15.2 ist stets vorlaufend und eine nachlaufend. Beispielsweise beim Übergang von einer geraden Strecke in eine gekrümmte sorgen die Federungen 18.1, 18.2 für ein sanftes Einleiten der Richtungsänderung bzw. Fahrgestell-Schwenkbewegung.
Der Auflagepunkt 24 der Führungsrolle 15.3 auf der Schmalseite 2.1 ist bezüglich des Fahrgestells 11 eindeutig festgelegt, weil die genannte Führungsrolle 15.3 weder federnd gelagert noch selbst elastisch ist. Der Abstand zwischen Zahnrad 13 und Führungsrolle 15.3 ist konstant. Gemäss der Erfindung ist die durch Kraftangriffspunkt 14 und Auflagepunkt 24 definierte Richtung stets senkrecht zur momentanen Fahrtrichtung. Letztere ist durch die Tangente an die Teilungslinie im Kraftangriffspunkt 14 definiert.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die (in der Fig. 2 senkrecht zur Zeichenebene stehende) Schwenkachse (vgl. Bezugszeichen 22 in Fig. 3) des Fahrgestells 11 genau durch den Kraftangriffspunkt 14 der Teilungslinie 6 der Verzahnung 5 verläuft. Dies unabhängig davon, ob die Schiene 1 gerade oder (mit irgendeinem Radius nach links oder rechts) gekrümmt ist.
Ein Laufwagen 21 hat typischerweise zwei Fahrgestelle. Eines verfügt über einen elektrischen Antrieb 12, dessen Zahnrad 13 in die Verzahnung 5 der Zahnstange 4 eingreift. Die Teilungslinie 6 hat entlang der Schiene 1 einen konstanten Abstand von der Schmalseite 2.1, welche die Führungsrolle 15.3 führt. Die Zahnstange 4 befindet sich zwischen dem Zahnrad 13 und der starren Führungsrolle 15.3.
Die Position des Laufwagens 21 kann mit einem numerisch gesteuerten Motor genau kontrolliert werden. Strom und Steuersignale können mit einem Stromabnehmer von einer z.B. am Träger 10 angebrachten Stromschiene 23 abgegriffen werden (vgl. Fig. 3).
Dadurch dass die Schwenkachse 22 durch den Kraftangriffspunkt (Kontaktpunkt zwischen der Verzahnung 5 und dem Zahnrad 13 bzw. Berührungspunkt der Teilungslinie 6 mit dem Wälzkreis bzw. Teilungskreis 20 des Zahnrades 13) verläuft, wird beim Anfahren oder Abbremsen kein Drehmoment auf das Fahrgestell ausgeübt. Die weiter oben erwähnten unerwünschten Pendel- bzw. Schlingerbewegungen können also nicht angeregt werden. Ferner wird ein geometrisch genauer Zahneingriff gewährleistet.
Zusätzlich zu den drei Führungsrollen 15.1 bis 15.3 sind an jeder Seitenwand 16 bzw. 17 vier Laufrollen vorgesehen. In Fig. 2 sind die vier auf der oberen Seite d.h. auf den Randflächen 3.2 und 3.4 laufenden Laufrollen 19.1 bis 19.4 eingezeichnet. Die Laufrollenpaare 19.1/19.2 bzw. 19.3/19.4 sind in einem kleinen gegenseitigen Abstand montiert. (Die beiden Laufrollen 19.1 und 19.2 finden im vorliegenden Beispiel Platz im durch die Führungsrollen 15.1, 15.2 begrenzten Längenabschnitt.) Die Achse der Führungsrolle 15.3 befindet sich in der Mitte zwischen den Laufrollen 19.3 und 19.4.
Symmetrisch zu den vier oberen Laufrollen 19.1 bis 19.4 sind weitere vier Laufrollen an der unteren Seite vorgesehen (in Fig. 3 sind nur zwei dieser weiteren vier Laufrollen dargestellt, vgl. Bezugszeichen 19.5 und 19.6). Das Fahrgestell 11 kann aufgrund dieser Rollenanordnung nicht kippen.
Die beschriebene Ausführungsform kann im Rahmen der Erfindung wie sie in den Ansprüchen definiert ist, in vielfältiger Weise abgewandelt werden. Die Fahrgestelle können statt hängend auch stehend angeordnet werden. Die Schiene kann auch geneigt sein.
Zwischen den Führungsrollen und den Laufrollen bzw. Stützrollen muss nicht zwingend eine funktionelle Trennung sein. Das heisst, es kann auch eine Konstruktion gewählt werden, bei welcher bestimmte Rollen sowohl zur Führung des Wagens als auch zur Stützung des Gewichts dienen. Die Schiene kann beispielsweise an den seitlichen Rändern symmetrisch abgeschrägt sein. Denkbar ist sogar, dass der Querschnitt der Schiene nicht symmetrisch ist.
Die Schiene verläuft in der Regel in einer Ebene. Das heisst, die Krümmungsradien liegen in der durch die Streifenform der Schiene definierten Ebene. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass die Richtung der Schiene durch langsame Änderung über eine grosse Strecke aus dieser Ebene herausgeführt wird ("flache Rampe").
Selbstverständlich ist es nicht zwingend, dass die Schiene durch einen Doppel-T-Träger oder dergleichen gestützt ist. Sie kann durchaus auch selbsttragend sein.
Je nach Anwendung können die Führungsrollen hart oder elastisch sein. Unter Umständen kann ein elastischer Reifen eine federnde Lagerung erübrigen (z.B. wenn die Krümmungsradien der Schiene sehr gross sind).
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die Erfindung ein Führungssystem geschaffen worden ist, welches bei beliebiger Linienführung eine genaue Positionierung mit relativ geringem steuerungstechnischem Aufwand ermöglicht. Zudem ist die Erfindung vielseitig anwendbar, sei es bei einer grösseren Maschine mit computergesteuerter Werkstückbearbeitung oder als Transportsystem in Fabrikationsanlagen oder sogar in Vergnügungsparks.

Claims (18)

  1. Laufwagen (21) für ein Führungssystem mit einer mit Führungsflächen und mit einer Verzahnung (5) versehenen Schiene (1),
    a) welcher ein Antriebszahnrad (13) aufweist, das in einem Kraftangriffspunkt (14) in die Verzahnung (5) der Schiene (1) eingreifen kann, und
    b) welcher weiter Führungselemente (15.1, 15.2) aufweist, die in entsprechenden Auflagepunkten (24) auf den seitlich angeordneten Führungsflächen (2.1, 2.2) der Schiene (1) führbar sind,
    c) wobei das Antriebszahnrad (13) und mindestens ein erstes der Führungselemente (15.1, 15.2) in konstantem Abstand zueinander sind und
    d) so angeordnet sind, dass eine durch den Kraftangriffspunkt (14) einerseits und den Auflagepunkt (24) des genannten ersten Führungselementes (15.1, 15.2) auf der ersten Führungsfläche andererseits definierte Gerade stets senkrecht zur momentanen Fahrtrichtung ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    e) der Laufwagen mindestens ein Fahrgestell (11) aufweist, dessen parallel zu einer Rotationsachse des Antriebszahnrades (13) verlaufende Schwenkachse (22) durch den Kraftangriffspunkt (14) des Antriebszahnrades (13) verläuft.
  2. Laufwagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (14) des Fahrgestells (11) durch den Schwerpunkt des Laufwagens (21) bzw. des Fahrgestells (11) und den Kraftangriffspunkt verläuft.
  3. Laufwagen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (15.1 bis 15.3) eine Dreipunktführung bilden.
  4. Laufwagen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei auf derselben Führungsfläche führbare Führungselemente (15.1, 15.2) federnd gelagert sind.
  5. Laufwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte erste Führungselement (15.3) ungefedert ist, um einen konstanten Abstand zum Antriebszahnrad (13) zu haben.
  6. Laufwagen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Laufrollen (19.1 bis 19.4) vorgesehen sind, die an der Schiene (1) von oben und von unten angreifen können.
  7. Führungssystem, umfassend einen Laufwagen (21) gemäss Anspruch 1 sowie eine mit seitlichen Führungsflächen (2.1, 2.2) versehene Schiene (1),
    a) wobei eine zur Verzahnung (5) gehörende Teilungslinie (6) einen vordefinierten konstanten Abstand zu mindestens einer ersten der seitlichen Führungsflächen (2.1, 2.2) hat,
    b) wobei die Verzahnung (5) bezogen auf die Führungsflächen (2.1, 2.2) seitlich nach links oder nach rechts zeigt, und
    c) wobei die Teilungslinie (6) der Verzahnung (5) im Bereich zwischen den Führungsflächen (2.1, 2.2) angeordnet ist.
  8. Führungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilungslinie (6) der Verzahnung in der Mitte der Schiene (1) angeordnet ist.
  9. Führungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung (5) durch eine Zahnstange (4) gebildet ist.
  10. Führungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufwagen mindestens ein Fahrgestell (11) aufweist, dessen Schwenkachse (14) durch den Schwerpunkt des Laufwagens (21) bzw. des Fahrgestells (11) und den Kraftangriffspunkt verläuft.
  11. Führungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (15.1 bis 15.3) eine Dreipunktführung bilden.
  12. Führungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei auf derselben Führungsfläche geführte Führungselemente (15.1, 15.2) federnd gelagert sind.
  13. Führungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Laufrollen (19.1 bis 19.4) vorgesehen sind, welche an der Schiene (1) von oben und von unten angreifen.
  14. Führungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (1) im Wesentlichen streifenförmig ausgebildet und an einem Träger (10) befestigt ist, welcher die Stabilität bzw. Tragfähigkeit gewährleistet.
  15. Führungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schiene (1) sowohl gerade als auch links- und rechtsgekrümmte Abschnitte aufweist.
  16. Schiene (1) für ein Führungssystem nach Anspruch 7, welche zwei seitliche Führungsflächen (2.1, 2.2) und eine Verzahnung (5) hat, wobei die Verzahnung (5) einen vordefinierten konstanten Abstand zu mindestens einer der seitlichen Führungsflächen (2.1, 2.2) hat und wobei die Verzahnung (5) bezogen auf die genannten Führungsflächen (2.1, 2.2) seitlich nach links oder nach rechts zeigt, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Verzahnung (5) zugeordnete Teilungslinie (6) durch eine Mittelsenkrechte (7) des Querschnitts der Schiene (1) verläuft.
  17. Schiene nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Wesentlichen streifenförmig ausgebildet ist und an einem Träger (10) befestigt ist, welcher die Stabilität bzw. Tragfähigkeit gewährleistet.
  18. Schiene nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie sowohl gerade als auch seitlich links- und rechtsgekrümmte Abschnitte aufweist.
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