DE3839091B4

DE3839091B4 - Linearbewegungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3839091B4
Application number: DE3839091A
Authority: DE
Inventors: Robert Wenzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Papst Hans Dieter Dipl-Ing 78112 St Georgen
Priority date: 1988-05-16
Filing date: 1988-11-18
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2008-11-19
Also published as: DE3839091A1

Abstract

Linearbewegungsvorrichtung,
a) bei der ein Schlitten (30) längs einer Geraden hin und her bewegbar ist,
b) bei der der Schlitten (30) an Außenflächen (1.1) eines ortsfesten Grundkörpers (1), diesen umgreifend, geführt ist,
c) und wobei zur Führung des Schlittens zwei parallele Stahlzylinder (121, 122) außen am Grundkörper vorgesehen sind, die eine gemeinsame Mittelebene (130) aufweisen
d₁) bei der die Führung des Schlittens (30) mit Hilfe von Laufrollen, die im Schlitten räumlich verteilt sind, geschieht
d₂) und wobei drei Laufrollen in Längsrichtung eines Stahlzylinders so in Bewegungsrichtung verteilt sind, daß die eine Rolle (132) zwischen den beiden anderen (131, 133) sitzt,
e₁) und daß jeweils lediglich drei in dem Schlitten integrierte zylindrische Laufrollen (131, 132, 133) an jedem Stahlzylinder geführt sind,
e₂) die auf jedem der Stahlzylinder (121, 122) in gleicher Weise angeordnet, beiderseits der Mittelebene (130) abstützend laufen,
f₁) und wobei durch...

Description

Die Erfindung betrifft eine Linearbewegungsvorrichtung, bei der ein Schlitten längs einer Geraden hin und her bewegbar ist, und bei der der Schlitten an Außenflächen eines stabförmigen Grundkörpers, diesen umgreifend, geführt ist, und wobei zur Führung des Schlittens zwei parallele Stahlzylinder mit einer gemeinsamen Mittelebene außen am Grundkörper vorgesehen sind.
Die bekannte Lösung nach der DE-OS 3816601 (E1), die einen kompakten „Linearstab" ermöglicht, genügt aber in ihrer Genauigkeit hinsichtlich langzeitiger, exakter Position des Schlittens nicht extremen Anforderungen. Für viele Anwendungsfälle ist auch mäßiger Fertigungsaufwand sehr gefragt.
Aus der DE-PS 33 36 496 (E2) ist eine Linearbewegungs-Vorrichtung bekannt, bei der hohe Präzision mit einem enormen Aufwand erreicht wird, wenn, wie in der dort repräsentativen 6 an drei Seiten Rollen 20, 20a vorgesehen sind, wobei zu jeder Rolle also eine Verspannrolle, die außerdem auf einem Exzenter 24 zu lagern ist, dazu kommt, so daß also die Flächen auf Anschlag an den abrollenden Zylinderflächen liegen.
Die DE-GM 84 31 504 (E3) zeigt einen Führungsrollenträger mit einem an einem Schlitten festlegbaren Tragteil, mit einer 2-Punkt-Auflage für Laufrollen und einen dritten Gegenpunkt, wobei über einen Arm mittels eines Exzenters eine dritte Laufrolle auf Anschlag angelegt und fixiert wird, so daß eine "Dreipunktlage" besteht. Außerdem lehrt dieses Gebrauchsmuster nur eine alternative Verwendung des Führungsrollenträgers gemäß 1 oder 2. Die dort beherrschten Kraftrichtungen liegen zwar in einer (durch die "Dreipunktlage" definirten) Ebene jeweils, was vorteilhaft gegenüber dem dort genannten Stand der Technik ist, aber keineswegs beliebigen (räumlichen) Kraftangriffswirkungen gerecht wird.
Die US-PS 3436 132 (E4) zeigt eine Linearführung, welche in ihrem Schlitten Halbkugelschalen zur Linearbewegung auf zwei Stahlzylindern an Außenflächen eines stabförmigen Grundkörpers aufweist. Diese Lösung ist weniger genau, jedenfalls langzeitig.
Aus der US-PS 3.998.497 (E5) ist eine Anordnung ohne Grundkörper bekannt, bei der auf zwei ortsfesten Stahlstäben 100 eine Art Rollschlitten mit Doppelrollen linear bewegt wird. Auf beiden Stahlstäben 100 tragen jeweils zwei Doppelrollen den Rollschlitten. Diese haben auf jedem Stab vier Ablaufpunkte, deshalb muss auch das Gegenlager für die Gegenrolle 124 für Spielfreiheit zwischen Rollen und Stab sehr genau angeordnet sein.
Hier liegen also wenigstens fünf Laufpunkte auf dem Stahlstab vor.
Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine eingangs beschriebene Vorrichtung eine kompakte, spielfreie Längslagerung zu erhalten, die langzeitgenau und preiswert, und die für die Aufnahme von in der Automatisierungstechnik üblichen Kräften beliebiger Raumrichtung auf den Schlitten stabil ist.
Diese Aufgabe wird mit der Gesamtheit der Mittel des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen weitere Ausgestaltungen.
Die Zeichnungen zeigen maßstäblich:
1 und 2 zwei bekannte Profile, welche bei der vorliegenden Erfindung verwendbar sind.
Die 3-5 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung, teilweise im Schnitt, soweit zum Verständnis nötig, jedoch in 0,8 facher Größe
3 einen Teilschnitt durch die Mitte eines Schlittens,
4 einen Längsschnitt senkrecht zum Schnitt gemäß 3, ebenfalls durch die Mitte des Schlittens,
5 die erweiterte Draufsicht auf eine z.T. geöffnete Anordnung gemäß 3 und 4:
6, 7, 8 zeigen Teile des Tragkörpers des Schlittens in natürlicher Größe maßgerecht in drei Ansichten oder Schnitten; bzw. Teil schnitten.
Schnitte oder Ansichten sind durch Pfeile mit römischen Zahlen gekennzeichnet, und zwar so, daß die betreffende römische Zahl, der Figur mit der arabischen gleichen Ziffer entspricht.
1/2 zeigen geeignete Profile für die Erfindung, 2 zeigt jedoch ein gegenüber dem in 1 oft besser geignetes Profil, da es, als Hochkantträger verwendet; größere Biege- und auch Verdrehsteifigkeit besitzt. In 2 ist ein als stranggepreßter Aluminiumprofilstab mit rechteckigem Querschnitt ausgebildeter Grundkörper 1 dargestellt, dessen Profil in seiner Außenabmessung durch die Breitseiten 11, 13 und die Schmalseiten 12, 14 bestimmt wird. In der Mitte jeder Seite ist eine Nut 6, 7, 8, 9, die sich nach innen in einen Hohlraum 2, 3, 4, 5 nach einer gewissen Nuttiefe 15, 16 verbreitert. Diese Verbreiterungen 2 bis 5 im Stab bilden eine durchgehende Ausnehmung, welche wesentlich breiter ist als die durchgehenden Nuten 6 bis 9 in den Seitenmitten. Diese Ausnehmungen sind rechteckig oder halbkreisförmig oder oval usw.
Die Außenflächen des Profilstabes sind vorzugsweise zur besseren Gleitfähigkeit eloxiert oder weisen andere Maßnahmen für eine glatte Oberfläche auf. Außerdem soll diese Oberfläche für einen minimalen Reibungskoeiffizienten gegenüber gleitenden Kunststoff hart sein.
Der Strangpreßprofilstab dient nun in beliebiger Länge z.B. 30 oder 200 oder 300 cm) als Grundkörper 1 für einen Linearpositionsstab. Über und unter der Nut 6 gleitet ein i. a. waagrecht liegendes Transport-Band 19 mit hin- und zurücklaufenden Teilen 17, 18. Es wird an den Enden des Stabes über gleiche Umlenkrollen 51 und gleiche Nebenrollen 52 umgelenkt und durch letztere in eine solche Position gebracht, daß es auf der Fläche 11 beiderseits der Nut 6 in Längsrichtung gleitet und in dem darunter liegenden Hohlraum 2 zurück läuft. Die Höhenposition der Bänderteile 17, 18 wird bestimmt durch die Position der Umlenk- und Nebenrolle.
Das Transportband 19, das auf der Breitseitenfläche 11 gleitet, ist an einem, insgesamt U-förmig profilierten, schienenartigen Schlitten 30 an dessen Innenseite symmetrisch befestigt, welcher sich an der Breitseite 11 in einem kleinen Abstand von wenigen Millimetern an ihr entlang bewegt, jedoch den Stab, umgreifend, an dessen Schmalseiten 12, 14 geführt wird. Dieser Schlitten 30 bildet an seiner geschlossenen Außenfläche des U's selbst eine Arbeitsplatte 33 oder weist dort zusätzlich eine mit einer Basisplatte 35 verschraubte Arbeitsplatte 33 auf, an der weitere Elemente befestigt werden können. Es geht darum, daß diese Arbeitsplatte längs des Stabes zu beliebigen Stellen sehr leicht bewegt werden kann und so schrittartig bestimmte, genaue Positionen einnimmt. Dazu haben die weiter außen liegenden Umlenk rollen 51, je einen als Schrittmotor ausgebildeten Elektromotor zum Antrieb. Bei kurzen Strecken genügt evtl. ein Antrieb an der einen Rolle an einem Ende des Stabes.
Die Basisplatte ist quadratisch oder rechteckförmig mit zwei zur Mittellinie 100 symmetrisch liegenden Schlitzen 77, 78 in die die Enden des Bandes 19 eingefädelt werden. Die Basisplatte hat gerundete Einläufe 75, 76', über die das Band eingezogen wird. Ein keil- oder konus-förmiges Klemmstück 74 wird durch Gegenschrauben 73 so gegen diese Rundungen gezogen, daß die Enden des Bandes 19 somit in der Basisplatte festgeklemmt werden. Die Spannung wird an den Bandenden bei der Montage gemessen und eingestellt, und bei dieser bestimmten Spannung wird die Gegenschraube 73 so festgezogen, daß sie den Keil oder das Konusstück 74 gegen die Rundungen 75, 76 klemmt. Damit ist das Band für eine bestimmte Längsspannung festgestellt und gleichzeitig ist die Basisplatte 35 und damit der ganze Schlitten 30 mit dem umlaufenden Transportband 19 fest verbunden, so daß er mit der Bandbewegung zwangsläufig transportiert wird.
Im Mittelbereich, also etwa beiderseits der Schnittebene III-III, sind Befestigungsschrauben 185 die die Basisplatte 35 und die Arbeitsplatte 33 fest miteinan der verbinden.
3 zeigt die zwei Stahlzylinder 121, 122, die praktisch als harte Wellen gleichen Durchmessers ausgebildet sind.
Während zum linken Zylinder 121 drei kugelgelagerte Laufrollen 131, 132, 133 gehören, ist beim rechten Zylinder 122 eine Variante angedeutet welche nicht unter die vorliegenden Ansprüche fällt. Die Ausführung wie links ist bei der vorliegenden Erfindung auch beim rechten Zylinder 122 vorgesehen.
Die Zylinder sind durch Rhombus-Nutensteine 111, deren Schrauben 112 ganz in diese Stahlzylinder quer eingelassen sind, am Ende der Nuten 3 und 5 von innen befestigt und so zum Teil in die Nuten eingelassen. Auf den Stahlzylindern 121, 122 laufen jeweils die drei Laufrollen 131 bis 133. Durch ihre geometrischen Achsen geht eine gemeinsame Mittelebene 130, und beiderseits von dieser Mittelebene liegen links und rechts je eine bezw. je zwei Laufrollen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einfach als Kugellager ausgebildet sind, deren feste Innenringe über Zapfen 181, 182, 183 in den Schenkeln 36 und 37 des Schlittenträgers gehaltert sind.
Diese drei Laufrollen pro Stahlzylinder zu beiden Seiten der Mittelebene, werden so in Bewegungsrichtung verteilt, daß die eine Rolle 132 zur Kraftsymmetrierung zwischen den beiden anderen Rollen 131, 133, und zweckmäßig unten, sitzt. Diese Anordnung ergibt eine vorzügliche stabile und vor allem, hinsichtlich Montageaufwand günstige Möglichkeit, da diese Dreipunktauflage mit den Abrollpunkten 171, 172, 173 kein Spiel haben muß.
Darüber hinaus wird eine langzeitige hohe Präzisionspositian für den Schlitten gewährleistet, sodaß man hiermit evtl. sogar Arbeiten ausführen kann, welche bisher nicht möglich erschienen sind. Die Schenkel 36, 37 sind über ihre Länge zwischen je zwei der drei Laufrollen fest an die Tragplatte 35 geschraubt (151), und diese ist ihrerseite mit der Arbeitsplatte 33 verschraubt.
Die Teile 35, 36, 37 und 33 können im verschraubten Zustand Bohrungen für hochgenaue Paßstifte 153 erhalten, sodaß die Montageplatte und der Tragkörper 35 bis 37 eine genaue Position zueinander nach der Montage haben. Zwischen der Ebene 130 und den Rotationsebenen e₁, e₂ der Laufrollen sind die Winkel ε₁, ε2 eingezeichnet, die sich im allgemeinen symmetrisch zur Ebene 130 liegen, d. h. ε₁ = ε₂ und die Achsen der Stahlzylinder auf ihre Länge schneiden. Die Rollwinkel ε₁, ε₂ kann man z.B. bei großer Gewichtsbelastung des Werkzeugträgers so gestalten, daß der Winkel zum Werkzeugträger hin größer wird, d.h. ε₁ > ε₂. Zweckmäßigerweise sind die beiden äußeren Kugelgelagerten Laufrollen 131, 132 auf der Seite zum Werkstückträger hin vorzusehen, und die untere dritte Gegenrolle 132 wäre dann nur zur genaueren Führung, ohne große Belastung vorgesehen. (Im allgemeinen wird, wie im Ausführungsbeispiel der 3, eine symmetrische Anordnung der Rollenwinkel (ε₁ = ε₂) zur Ebene 130 ausreichen.) Der Profilkörper hat hier eine Nut 2 in der das Band läuft. Über ihr befindet sich für das rücklaufende Band keine Ausnehmung im Bereich des Profils, sondern eine Ausnehmung 119 in der Tragplatte 35.
Die ganze Linearbewegung wird also auf drei Laufröllen (und zwar über Kugellager) geführt, wobei bei ausreichender Parallelität der Stahlzylinder eine problemlose, hochgenaue Führung erfolgt. Die Parallelität der zwei Stahlzylinder, die in gegenüberliegenden Nuten des profilierten Grundkörpers mindestens teilweise eingelassen sind, ermöglicht aber dort automatisch. ein solches Maß an Parallelität wie es die Genauigkeit des Grundkörpers eben aufweist. Dadurch, daß der ganze Schlit ten auf den Stahlzylindern abrollt, kann das Band oben in der kleinen Ausnehmung 119 des Schlittens 30 noch Raum finden, sodaß der nötige Spielfreiraum zwischen dem Grundprofil und dem Tragkörper 35 bis 37 klein gestaltet werden kann.
Die Befestigungsbolzen 181, 182, 183 in den Schenkeln 36 und 37 weisen feststehenden Innenringe für die Laufrollen auf.
Wenn sehr lange Stäbe gebraucht werden, wird vorteilhaft ein Zahnriemen als Transportband genommen, dessen Zähne, schmäler als das Band, sind und somit nur in der Mitte des Bandes auf seiner Innenseite in der Nut 6 gleiten, wodurch das Band eine zusätzliche Führung erhält. Die Zahnung an sich dient zur exakteren Positionierung bzw. zur Vermeidung von Schlupf und unnötiger Reibung.
Die Umlenkrollen sind in Einheiten an den Enden des Stabes gelagert und gekapselt. Senkrecht zur Umlaufebene ragen koaxiale Antriebswellen aus diesen Kapseln heraus, auf die Motoren aufgesetzt werden können. Die Steuerung des Bandantriebs- und Schrittmotors erfolgt in üblicher Weise.
In den Umlenkschalen, die zur Einsteckbefestigung formschlüssige Vorsprünge für Höhlungen des Stabprofils haben und die mit der Abdeckung die Kapsel oder einen Umlenkkasten bilden, sind zentral symmetrisch angeordnete Aus nehmungen mit abgestuften Böden und einer Wand sowie Seitenblöcken 96 und einer Abdeckung vorhanden. Die Umlenkrolle 51 und die Nebenrolle 52 sind in Linearrichtung in Lagern, die in den Blöcken 96 jeweils angeordnet sind, distanziert, wobei die Umlenkrolle auf der Antriebsseite noch eine zusätzliche Ausnehmung aufweist, worin eine Antriebswelle läuft.
Wenn das Transportband 19 eine Innenverzahnung aufweist, wird die Umlenkrolle 51 wegen der auf seinem Umfang angeordneten Zahnung im Durchmesser etwas größer, während die Umlenkrolle 52 im Durchmesser verringert werden kann. Um das Transportband 19 mit einer möglichst kleinen Krümmung laufen zu lassen, sollte der Radius der Umlenkrolle 51 und der Radius der Nebenrolle 52 zusammen mit dem Abstand ihrer Achsen senkrecht zur Bandtransportebene etwa der Höhe der Nut 6 entsprechen, wobei die nötigen Sicherheitsabstände wegen Streifgefahr usw. einzuhalten sind. Ebenso sollte die Umlenkrolle 51 inkl. des umlaufenden Bandes 19 bis auf den nötigen Streifsicherheitsabstand an die Rückwand 99 der Schale nahe herangerückt werden, und die Nebenrolle 52 sollte von den stirnseitigen Enden des Grundkörpers 1 einen kleinen Abstand einhalten.
Der oben erwähnte Abstand der Achszentren von 51 und 52 ist durch den Abstand der Außenfläche 11 zum Hohlraum 2 im Stab-förmigen Grundkörper 1 bestimmt.
Wenn das Transportband 19 durch seine Beschaffenheit eine besonders große Krümmung auf Lebensdauer aushält, können die Zentren der Umlenkrolle 51 und der Nebenrolle 52 in Stabrichtung mehr zueinander gerückt werden, weil sich dann ein größerer Umschlingungswinkel des Bandes auf der Umlenkrolle 51 ergibt und damit die Rutschsicherheit des Bandes auf der Umlenkrolle 51 erhöht wird, was insbesondere dann vorteilhaft sein kann, wenn keine Innenverzahnung dort vorgesehen ist.

Claims

Linearbewegungsvorrichtung, a) bei der ein Schlitten (30) längs einer Geraden hin und her bewegbar ist, b) bei der der Schlitten (30) an Außenflächen (1.1) eines ortsfesten Grundkörpers (1), diesen umgreifend, geführt ist, c) und wobei zur Führung des Schlittens zwei parallele Stahlzylinder (121, 122) außen am Grundkörper vorgesehen sind, die eine gemeinsame Mittelebene (130) aufweisen d₁) bei der die Führung des Schlittens (30) mit Hilfe von Laufrollen, die im Schlitten räumlich verteilt sind, geschieht d₂) und wobei drei Laufrollen in Längsrichtung eines Stahlzylinders so in Bewegungsrichtung verteilt sind, daß die eine Rolle (132) zwischen den beiden anderen (131, 133) sitzt, e₁) und daß jeweils lediglich drei in dem Schlitten integrierte zylindrische Laufrollen (131, 132, 133) an jedem Stahlzylinder geführt sind, e₂) die auf jedem der Stahlzylinder (121, 122) in gleicher Weise angeordnet, beiderseits der Mittelebene (130) abstützend laufen, f₁) und wobei durch zwei Rotationsebenen (e1, e2) der drei Laufrollen (131, 132, 133) mit der Mittelebene (130) auf beiden Seiten der Mittelebene zwei Winkel (Rollwinkel ε₁, ε₂) gebildet werden; indem eine Rotationsebene (e1) von zwei Laufrollen (131, 133) unter einem Winkel (ε₁) zur Mittelebene (130) liegt, und die andere Rotationsebene (e2) der dritten Laufrolle (132) mit der Mittelebene (130) den anderen Winkel (ε₂) bildet f₂) Und wobei der eine Winkel (ε₁) zum Werkzeugträger (Schlitten 30) hin größer oder gleich dem anderen Winkel (ε₂) ist.
Linearbewegungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) von rechteckiger oder quadratischer Außenkontur und klappsymmetrischem Profil als stranggepreßter Aluminiumstab ausgebildet ist und die Stahlzylinder in Außenflächen, in Nuten des Profils eingelassen sind.
Linearbewegungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsebenen (e₁, e₂) Laufrollen (131, 132, 133) durch die geometrische Achse jedes Stahlzylinders gehen und wobei ihre festen Achsen am Schlitten gehaltert sind.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Laufrolle ein. Kugellager aufweist, das über seinen Innenring auf einer festen Achse gehaltert ist.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (30) einen Tragkörper in einer das Profil des Grundkörpers umgreifenden Form, insbesonders in Form einer U-förmig profilierten Schiene aufweist, wobei die Außenflächen der U-Schiene (35, 36, 37) unmittelbar oder über zusätzliche Arbeitsplatten (33) mittelbar, zur Montage externer Arbeitselemente dienen.
Linearbewegungsvorrichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet – dass an den Enden des stabförmigen Grundkörpers 1 ein flaches Transportband (19) über ortsfeste Umlenkrollen (51) umgelenkt wird, so dass es in zwei parallelen Ebenen gegensinnig bewegt wird, – und das Transportband an seinen beiden Enden mit dem Schlitten 30 fest verbunden ist.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkel (36, 37) der U-Schiene innen die jeweils drei Laufrollen tragen, welche auf möglichst formschlüssig in gegenüberliegenden Nuten der Schmalseiten des Grundkörpers eintauchenden Stahlzylindern laufen.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der U-Schiene des Schlittens die leistenförmigen Schenkel (36, 37) mit der Basisplatte (35) in Längsrichtung so verschraubt sind, daß je eine Schraube zwischen je zwei Laufrollen vorgesehen ist.
Linearbewegungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Paßtifte (153) Basisplatte (35) mit ihren Schenkeln (36, 37) und mit der Arbeitsplatte (33) in ihrer Position zueinander sichern.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß im Grundkörper (1) in der Mitte eine Linearbewegungseinheit (Pneumatikhubzylinder) zum Antrieb des Schlitten (30) vorgesehen ist, wobei das an den Enden des Grundkörpers umgelenkte Transportband (19) welches durch je eine Dichtung an jedem axialen Ende der Linearbewegungseinheit geführt ist, mit dem Arbeitshubelement der Linearbewegungseinheit an dessen beiden Seiten für bidirektionale Zugkräfte verbunden ist.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten auf rechtwinklig zueinanderliegenden Seitenlängsflächen des Grundkörpers geführt wird.
Linearbewegungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahlzylinder in Nuten des Grundkörpers durch Rhombusnutensteine befestigt sind, indem die zugehörigen Schrauben ganz in die Stahlzylinder quer eingelassen sind.