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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum linearen Transport von flächigen Gegenständen, die zumindest einen an einer umlaufenden, angetriebenen Kette befestigten Mitnehmer für die Gegenstände aufweist.
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Bei der Verarbeitung von Bögen aus Papier, Pappe oder ähnlichen Materialien ist es häufig erforderlich, diese mit hoher Geschwindigkeit einer Verarbeitungsstation zuzuführen. Bei der Herstellung von Zuschnitten für Schachteln sind derartige Verarbeitungsstationen beispielsweise Stanzstationen, Rillstationen, Druckstationen oder Ähnliches.
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Bekannterweise werden zum Transport der Bögen zwei mit Abstand parallel verlaufende, angetriebene Gliederketten verwendet, an denen als Bogenmitnehmer eine Greiferstange befestigt ist.
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Werden die Ketten von Antriebsrädern formschlüssig angetrieben, beispielsweise in solch einer Form, dass die Kette entlang einer Laufstrecke mit zwei geraden Abschnitten und zwei Umlenkungen mit konstantem Radius geführt wird, wobei mindestens eine der Umlenkungen durch ein Antriebsrad gebildet wird, so tritt bekannterweise der sogenannte Polygoneffekt auf. Die auf dem Antriebsrad aufliegenden Kettenglieder bilden infolge der endlichen Anzahl an Kettengelenken keinen Kreisausschnitt, sondern einen Polygonzug, welcher bei konstanter Winkelgeschwindigkeit des Antriebsrads zu unterschiedlichen Wirkradien führt. Eine gleichförmige Bewegung der Antriebsräder resultiert somit nicht in einer gleichförmigen Bewegung der Gliederkette. Stattdessen schwankt die Geschwindigkeit periodisch um eine mittlere Geschwindigkeit.
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Des Weiteren stimmt aufgrund der variierenden Wirkradien die Umfangslänge der Laufstrecke nur in einer einzigen, spezifischen Position mit der Umfangslänge des Polygonzuges der Gliederkette überein. In der Folge wird die Kette im Umlauf periodisch gespannt bzw. gedehnt, mit maximaler Belastung bei jedem Weitertransport um das Maß einer halben Kettenteilung. Dieser Effekt wird deutlich verstärkt, je größer die Kettenteilung gegenüber dem Umlenkradius ist. Bei nicht elastischen Kettengliedern kommt es ohne entsprechende Gegenmaßnahmen zu einem „Verklemmen” der Kette.
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Um eine Gliederkette dennoch umlauffähig zu machen, ist es möglich, eine Umlenkung beweglich zu gestalten und mit einer Kraft F vorzugespannen. Kommt es, je nach Winkelstellung des Kettentriebes, zu einer Längung oder Verkürzung der Umfangslänge des Kettentriebes, so kann diese Längenänderung von der beweglichen Umlenkung kompensiert werden.
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Als problematisch erweisen sich dabei aber die in den Kettentrieb eingeleiteten Schwingungen. Bei einer Steigerung der Umlaufgeschwindigkeit muss das bewegliche Umlenkungsteil mit einer immer schnelleren Geschwindigkeit hin und her bewegt werden, um die periodischen Längenänderungen auszugleichen. Aufgrund der mechanischen Trägheit der Massen ist dies ab einer bestimmten Geschwindigkeit nicht mehr möglich.
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Aus der
EP 1 304 302 A1 ist eine Bandtransportanlage zum Transport von Material bekannt, die eine Gliederkette aufweist, die über ein Antriebskettenrad geführt ist. Die Gliederkette ist in einer Führungsschiene geführt, die so ausgelegt wird, dass beim Übergang zwischen den geraden oder gekrümmten Trum im Bereich der Transportstrecke und dem Antriebskettenrad Polygonanregungen längs der Gliederkette kompensiert werden. Dazu weist die Kettenübergangsbahn ein an das Trum sich anschließendes Kreisbogenbahnstück und ein weiteres gerades Bahnstück auf. Die durch die Polygonanregung verbleibende relative Geschwindigkeitsabweichung soll so höchstens 2% betragen.
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Es hat sich darüber hinaus gezeigt, dass der Polygoneffekt zu einer dynamischen Belastung der Kettenglieder führt. Die Bahn- und Winkelbeschleunigungen der massebehafteten Kettenbauteile als Funktion der Winkelstellung im Umlenkungsbereich weisen einen unstetigen Verlauf auf. Insbesondere zeigen die Beschleunigungen ein sprunghaftes Verhalten bei einem Weitertransport um das Maß der Kettenteilung.
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Aufgrund der Beschleunigungen treten Kräfte und Momente an den Kettenbauteilen auf, die vom Antrieb der Kette aufgebracht und überwunden werden müssen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die sprunghaften Beschleunigungsänderungen und die daraus resultierenden Stöße vom Antrieb jedoch nicht kompensiert werden können, weshalb diese zu starken Schwingungen der Kette in Laufrichtung führen, die Laufruhe und Präzision mindern und für vorzeitigen Verschleiß sorgen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum linearen Transport von flächigen Gegenständen bereitzustellen, mit der Gegenstände bei hoher Geschwindigkeit ohne störende Schwankungen aufgrund des Polygoneffekts transportiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Nach der Erfindung wird die Gliederkette im Bereich eines geradlinigen Abschnitts angetrieben. Der Antrieb kann formschlüssig (Zahnriemen, Ketten, Zahnräder), kraftschlüssig (Linearmotoren) oder reibschlüssig (Reibbänder) erfolgen. Durch den direkten Antrieb des geradlinigen Transportteils und nicht auf konventionelle Art durch Zahnräder im Bereich der Umlenkung transportiert die Gliederkette mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit. Dadurch kann die Bewegung entlang der Transportstrecke ohne störenden Einfluss des Polygoneffekts präzise gesteuert werden.
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Die Antriebseinheit kann zudem beliebig entlang eines geradlinigen Kettenabschnitts positioniert werden. Auch der Einsatz mehrerer Antriebseinheiten ist möglich, beispielsweise bei sehr langen Ketten.
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Anstelle von angetriebenen Kettenrädern sieht die Erfindung eine gestellfeste Kettenführungsbahn vor, auf welcher die Kettenglieder mittels Laufrollen abrollen, die bevorzugt wälzgelagert sind. Die Kette rollt hierbei vorzugsweise über ihrer kompletten Länge auf einer Führungsbahn ab, die in ihrer einfachsten Form aus zwei geradlinigen Abschnitten und zwei Umlenkungen besteht.
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Es werden bevorzugt möglichst große Kettenglieder verwendet, die um möglichst kleine Umlenkradien geführt werden. Eine geringe Anzahl an Kettengliedern benötigt auch nur eine geringe Anzahl von Gelenken, die verschleißen können und an denen sich die Gelenkkette längen kann. Ein kleiner Umlenkdurchmesser wiederum ermöglicht eine kleinere Abmessung der gesamten Fördereinrichtung und spart somit Bauraum. Das Verhältnis Umlenkdurchmesser/Kettengliedlänge der erfindungsgemäßen Vorrichtung beträgt bevorzugt ≤ 3.
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Die relativ große Gliederlänge in Kombination mit einem geringen Umlenkdurchmesser verstärkt die Polygoneffekte, welche bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch ausgeglichen werden.
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Dazu ist die Kettenführungsbahn so gestaltet, dass die vorstehend beschriebenen Polygoneffekte kompensiert werden. Die Gliederkette wird entlang der Kettenführungsbahn auf einer berechneten Kurvenbahn in solch einer Art und Weise umgelenkt, dass die durch das Umlenken verursachten Längenänderungen ausgeglichen werden. Dabei können für die Längenänderung Werte kleiner 0,02 mm erreicht werden. Darüber hinaus führt die erfindungsgemäße Kurvenbahn im Umlenkbereich dazu, dass der Verlauf der Bahn- und Winkelbeschleunigungen aller massebehafteten Kettenglieder im Bereich der Umlenkung stetig ist und sich die Summe der Bahn- und Winkelbeschleunigungen dieser im Umlenkbereich zu null ergibt. Folglich kompensieren sich die dynamischen Massenkräfte bei jeder Winkelstellung der Gliederkette. Damit werden die Kettenglieder in den geradlinigen Kettenabschnitten und somit auch der Kettentrieb nicht von zusätzlichen Kräften aus der Umlenkung belastet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt daher eine erhöhte Laufruhe, was höhere Transportgeschwindigkeiten ermöglicht. Gleichzeitig wird der Verschleiß minimiert.
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Die berechnete Kurvenbahn der Kettenführung im Umlenkbereich weicht von der idealen Kreisbahn ab. Die Kettenführungsbahn hat jeweils in dem Bereich zwischen einer geradlinigen Führung und dem Scheitelpunkt der Umlenkung die Form einer Kurve, deren Krümmungsradius von r = ∞ im geradlinigen Bereich bis zum Scheitelpunkt stetig abnimmt.
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Der Umlenkungsbereich setzt sich damit aus zwei spiegelsymmetrischen Kurvenbahnen zusammen, deren Symmetrieachse die Winkelhalbierende des Umlenkungswinkels der Kettenführungsbahn ist. Der Übergang zwischen den Kurvenbahnen im Scheitelpunkt der Umlenkung ist stetig.
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Der exakte Verlauf der Kurvenbahn wird durch ein numerisches Optimierungsverfahren berechnet. Unter der Vorgabe, dass die Verläufe der Bahn- und Winkelbeschleunigungen im Umlenkungsbereich Stetigkeit aufzeigen und sich die resultierenden dynamischen Kräfte und Momente kompensieren sollen, wird mittels computergestützter Iteration die genaue geometrische Form der Kurvenbahn approximiert. Wesentlichen Einfluss hierauf hat zudem die Anzahl der Kettenglieder, damit die Kräfte der in die Umlenkung einlaufenden Glieder die Kräfte der aus der Umlenkung auslaufenden Glieder aufheben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf eine Umlenkung mit einem Umlenkwinkel von 180° beschränkt. Es sind auch kleinere Umlenkwinkel denkbar, beispielsweise 120° oder 90°. Dementsprechend umfasst die Laufstrecke der Kette in diesem Fall drei bzw. vier Umlenkbereiche. Auch dann kann eine Kurvenbahn berechnet werden, durch die sich die dynamischen Kräfte sowie die Längenänderung der Gliederkette infolge des Polygoneffekts ausgleichen lassen.
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Die Drehrichtung der Laufrollen ändert sich bevorzugt während eines kompletten Umlaufs nicht. Dazu wird im Bereich des rückführenden Trums die Kette innenseitig gegen die Schwerkraft geführt. Erreicht wird dies durch Kräfte, die die Kettenglieder an der Führungsbahn gegen die Schwerkraft halten, bevorzugt mittels Permanentmagneten, die an den Kettengliedern befestigt sind.
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An der Außenseite der Kettenglieder sind Führungsmagnete und Gleitstücke angebracht. Zur seitlichen Führung der Kette ziehen die Führungsmagnete die Gleitstücke an die Seitenwand der nutförmig gestalteten Kettenführungsbahn.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand vereinfacht dargestellter Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Kurzbeschreibung der Figuren:
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfinderischen Transportvorrichtung für flächige Gegenstände mit Gliederkette, Kettenführungsbahn und Antriebseinheit;
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2 stellt einen horizontalen Schnitt durch den geraden Abschnitt zweier parallel angeordneter Gliederketten dar;
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3 skizziert die Seitenansicht des Bereichs der Umlenkung mitsamt geführter Gliederkette und allen auf die Kettenglieder wirkenden, kinematischen Größen. Die Zeichnung dient dem besseren Verständnis von 4 und 5;
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4 stellt den Verlauf der kinematischen Größen der Kettenglieder über dem Umlenkungsbereich dar;
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5 zeigt die grafische Summation der Bahn- und Winkelbeschleunigungen aller im Bereich der Umlenkung befindlichen Kettenglieder;
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6 illustriert eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Linearmotor als Antriebseinheit;
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7 und 8 verdeutlichen alternative Ausführungen der Transportvorrichtung mit Umlenkwinkeln < 180°;
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9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Tischelementen als Mitnehmer
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Bei allen Ausführungsbeispielen besteht die Kettenführungsbahn 6, 7 aus mindestens zwei geradlinigen Abschnitten 6 und mindestens zwei Umlenkungen 7.
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1 zeigt schematisch den Aufbau und die Führung einer Gliederkette 1 als Teil einer Transportvorrichtung für flächige Gegenstände. Nicht abgebildet ist in 1 eine parallel angeordnete, zweite baugleiche Gliederkette mit Antrieb und Führung. 2 stellt einen horizontalen Schnitt durch den geradlinigen Bereich dieser Ketten dar. Zwischen den beiden Gliederketten erstrecken sich Mitnehmer für flächige Gegenstände, im Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 Greiferstangen 2. Die Gliederkette 1 setzt sich aus einer Reihe von über bevorzugt wälzgelagerten Gelenken 3 verbundenen Gliedern 4 zusammen. Jeweils an den Gelenken 3 liegt die Kette 1 mit wälzgelagerten Laufrollen 5 auf einer Führungsbahn 6, 7 auf, die sich aus zwei geradlinigen Abschnitten 6 und zwei Umlenkungen 7 zusammensetzt und nutförmig gestaltet ist. Der rückführende Trum der Kette 1 wird durch Permanentmagneten 8 an die Führungsbahn 6, 7 gezogen. Darüber hinaus sind weitere Magneten 9 seitlich an den Kettengliedern vorgesehen, um die Gleitstücke 10 an die seitliche Führung der Kettenführungsbahn 6, 7 zu ziehen.
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Im Bereich der Transportstrecke 11 ist die Gliederkette für die flächigen Gegenstände geradlinig geführt. In diesem Bereich ist auch die Antriebseinheit 12 positioniert. An den Kettengliedern 4 ist eine Verzahnung 13 vorgesehen, die formschlüssig in den Zahnriementrieb 14 der Antriebseinheit 12 eingreift. Die Gliederkette 1 wird so mit einer gleichmäßigen Umlaufgeschwindigkeit angetrieben. Die Antriebseinheit 12 ist, wie in 1 dargestellt, am Ende der geradlinigen Transportstrecke 11 angeordnet. Sie zieht somit die Kette 1 durch die Transportstrecke 11 der flächigen Gegenstände. Neben einem formschlüssigen Antrieb mittels Zahnriemen können auch Ketten oder Zahnräder verwendet werden. Ebenso ist der Einsatz von kraftschlüssig mit der Kette 1 verbundenen Linearmotoren oder reibschlüssig anliegenden Reibrädern möglich.
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Die Gliederkette 1 besteht aus sehr langen Kettengliedern 4, von beispielsweise ca. 500 mm Länge, um die Anzahl der Kettengelenke 3 zu minimieren. An den Kettengelenken 3 sind Wälzlager angeordnet, um eine möglichst lange Laufzeit ohne Spiel zu erreichen. Anstelle der Wälzlager können auch Gleitlager eingesetzt werden.
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Im Ausführungsbeispiel entspricht der Abstand der geradlinigen Trums dem Umlenkungsdurchmesser, beispielsweise ca. 1100 mm. Nach der Erfindung beträgt das Verhältnis Umlenkdurchmesser/Kettengliedlänge ≤ 3. Es werden folglich relativ lange Kettenglieder um verhältnismäßig kleine Umlenkungen laufen gelassen.
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Die Umlenkungen 7 haben jeweils in den Bereichen zwischen der geradlinigen Führung 6 und dem Scheitelpunkt 15 der Umlenkung die Form einer Kurve, deren Krümmungsradius von r = ∞ im geradlinigen Bereich bis zum Scheitelpunkt 15 der Umlenkung stetig abnimmt. Der Krümmungsradius einer vollständigen Umlenkung 7 nimmt folglich zunächst bis zum Scheitelpunkt 15 stetig ab, und danach wieder stetig zu, wobei auch der Übergang am Scheitelpunkt 15 der Umlenkung 7 stetig ist. Die spezielle geometrische Form der Umlenkungen 7 führt zur Kompensation sämtlicher dynamischer Kräfte und Momente sowie zu einem Ausgleich der Längenänderung der Kette 1 infolge des Polygoneffekts.
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Zum besseren Verständnis der kinematischen Vorgänge sind in 3 die relevanten Zustandsgrößen der Kettenglieder im Bereich der Umlenkung eingezeichnet. Die Figur zeigt die Umlenkung der Gliederkette 1 an der erfindungsgemäßen Bahnkurve, die Kettenglieder sind durchnummeriert. Zum Vergleich ist die ideale Kreisbahn gestrichelt dargestellt. Die relevanten Größen sind:
Bahngeschwindigkeit vi,
Bahnbeschleunigung ai,
Winkellage φi,
Winkelgeschwindigkeit ωi
und Winkelbeschleunigung αi,
sowie als Parameter der Kette die Kettenteilung T.
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Der qualitative Verlauf dieser Größen ist in 4 dargestellt. Die Graphen zeigen die ortsabhängigen, kinematischen Zustandsgrößen eines Kettengliedes über dem Bereich der Umlenkung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Umlenkung über eine Länge von 6 Kettenteilungen, also 6 T. Erfindungsgemäß sind aber auch andere Führungsbahngeometrien denkbar, die Umlenkung ist also nicht auf eine definierte Länge beschränkt.
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Der Verlauf der Kurven zeigt deutlich die durch die spezielle Bahnkurve erreichte Stetigkeit sämtlicher kinematischer Größen. Da es keine sprunghaften Änderungen der Beschleunigungen mehr gibt, kommt es auch zu keinen sprunghaften Änderungen der Kräfte und Momente. Dadurch werden Stöße und Schwingungsanregungen in der Gliederkette eliminiert.
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5 macht die vollständige Kompensation der dynamischen Massenkräfte deutlich, indem jeweils Bahnbeschleunigung a und Winkelbeschleunigung α aller im Umlenkungsbereich befindlichen Kettenglieder über einem Ausschnitt der Länge T in einem Diagramm gezeigt werden. Bildet man an einem beliebigen Ort der Umlenkung die Summe der an den Kettengliedern angreifenden Kräfte oder Momente, so ergibt diese immer null. Die Summenlinie ist in den beiden Diagrammen jeweils als gestrichelte Linie mittig zu erkennen.
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6 zeigt eine weitere, vorstehend bereits erwähnte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Anstelle eines formschlüssigen Zahnriemenantriebs wird die Gliederkette durch einen kraftschlüssigen Linearmotorantrieb 16 angetrieben. Auf den Kettengliedern sind die mit Permanentmagneten bestückten Sekundärteile 17 befestigt, während das mit Wicklungen versehene Primärteil des Linearantriebs gestellfest montiert ist.
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Mit gestrichelter Darstellung sind auch weitere Positionierungsmöglichkeiten für die Antriebseinheit dargestellt. Ebenso denkbar sind zudem Ausführungen mit mehreren Linearmotoren.
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Zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung mit einem Umlenkwinkel kleiner als 180° zeigen 7 und 8.
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In 7 wird die Kette über drei Umlenkungen 7 mit jeweils einem Umlenkwinkel von 120° geführt.
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In 8 ist eine Vorrichtung mit vier Umlenkungen 7 und einem Umlenkwinkel von 90° gezeigt.
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Als Antriebseinheit dient in beiden Fällen ein Zahnriementrieb an einer der drei bzw. vier geradlinigen Kettenstrecken. Alternativ ist jedoch auch hier die freie Positionierung einer oder mehrerer Antriebseinheiten entlang beliebiger geradliniger Teilstrecken möglich. Der Verlauf aller Kurvenbahnen ist erfindungsgemäß in solch einer Weise bestimmt, dass sich entsprechend den vorstehenden Erläuterungen sämtliche Massenkräfte kompensieren und die Längenänderungen infolge des Polygoneffekts ausgeglichen werden.
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9 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es steht anstelle der Greiferstangen Tischelemente 18 als Mitnehmer für die flächigen Gegenstände vor, die an ihren Längsseiten an jeder Kette jeweils direkt an den Kettengliedern 4 montiert sind. Mit den Tischelementen lassen sich auch sehr empfindliche Gegenstände transportieren. Ansonsten stimmt das Ausführungsbeispiel mit der vorstehend beschriebenen Ausführungsform überein. Die Aufhängungen sind jeweils an den zwei Gelenken 3 eines Kettengliedes 4 vorgesehen, das Tischelement 18 ist dabei länger als der Abstand zwischen den Aufhängepunkten an den Gelenken 3 und steht damit an einer Seite oder wahlweise an beiden Seiten über.
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Es hat sich gezeigt, dass eine Aufhängung direkt an den Kettengliedern nur funktioniert, wenn sich beide Aufhängepunkte jeweils auf einem steifen Kettenglied befinden, was bei kurzen Kettengliedern zu meist viel zu kurzen Tischlängen führen würde. Eine Aufhängung über zwei oder mehr Kettenglieder ist aufgrund des sich während der Umlenkung ändernden Abstands zwischen den Aufhängepunkten nicht möglich.
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Die erfindungsgemäße Verwendung von möglichst langen Kettengliedern erlaubt es, ausreichend große Tischelemente direkt an den Kettengliedern aufzuhängen.
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Insgesamt ermöglicht also die erfindungsgemäße Vorrichtung einen präzisen Transport flächiger Gegenstände unter hohen Geschwindigkeiten bei niedrigem Verschleiß. Hierzu wird eine Kette mit möglichst wenig Gliedern verwendet, um das Gelenkspiel gering zu halten. Gestellfeste Umlenkungen in Form einer Führungsbahn definieren zudem eine exakt berechnete Kurvenbahn zur Kompensation der bei geringer Gliederanzahl stark ausgeprägten Polygoneffekte. Dadurch haben die dynamischen Vorgänge in der Umlenkung keinerlei Rückwirkung auf die geradlinigen Abschnitte der Kette. In Kombination mit der Antriebseinheit im Bereich der geradlinigen Kettenführung führt dies neben einer Verschleißminimierung zu einer hohen Laufruhe und Schwingungsarmut des Systems. Als Folge sind hohe Transportgeschwindigkeiten möglich.
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Die Vorrichtung lässt sich vorteilhaft in Verarbeitungsmaschinen für flächige Gegenstände einsetzen, in denen Gegenstände exakt bei hoher Geschwindigkeit zugeführt werden müssen. Beispielsweise sind sie insbesondere zum Einsatz in Maschinen geeignet, bei denen aus bedruckten Bögen Zuschnitte hergestellt werden, die anschließend zu Schachteln gefaltet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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