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Die
Erfindung betrifft die Energieversorgung von Arbeitsmaschinen wie
Pressen, Hämmer, feststehenden und verfahrbaren Hebemaschinen,
Greifarmroboter, Schweißroboter, Fördertriebe
u. dgl, die im Zuge ihres Betriebes Arbeitstakte durchführen
mit zumindest zwei Energieverbrauchern, die eine zeitlich schwankende
Energieaufnahme aufweisen; und betrifft auch die Energieversorgung
von zumindest zwei Arbeitsmaschinen, die jeweils eine zeitlich schwankende
Energieaufnahme aufweisen.
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Die
moderne Serienfertigung erfolgt zum bei weitem überwiegenden
Teil getaktet, d. h. dass ein Werkstück Schritt um Schritt
an den einzelnen Bearbeitungsstationen vorbei geführt und
jeweils der vorgesehenen Bearbeitung unterworfen wird. Dies bringt
es mit sich, dass alle im Zuge einer solchen Fertigungsstraße
angeordneten Bearbeitungs- oder Transportvorrichtungen ihre Tätigkeit,
was immer nun das auch ist, periodisch wiederholen. Ebenso periodisch
verläuft daher ihr Energieverbrauch, da ja so gut wie keine
dieser Vorrichtungen unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand
innerhalb eines Arbeitszyklus immer gleich viel Energie benötigt.
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Es
soll nur der Vollständigkeit halber darauf verwiesen werden,
dass natürlich geringe Abweichungen von der Periodizität
oder auch der Taktung möglich sind, so gibt es bei der
Herstellung von PKWs verschiedene Stationen, bei denen der Arbeitsverlauf
vom jeweiligen Modell abhängt etc. Auch gibt es zwischen
verschiedenen Abschnitten von solchen Fertigungsstraßen
immer wieder Zwischenspeicher (Puffer), durch die eine gewisse Unabhängigkeit der
einzelnen Abschnitte voneinander erreicht und so die Gefahr eines
durchgehenden Stillstandes in Problemfällen gemildert werden
soll. Dies ändert aber nichts daran, dass auch bei so aufgebauten
bzw. arbeitenden Fertigungsstraßen die Energieaufnahme der
einzelnen Vorrichtungen periodisch verläuft, wobei die
Energiespitzen, das sind die Zeiten größter Energieaufnahme,
meistens kurz im Vergleich zur Dauer einer solchen Periode sind,
dass dafür aber in dieser kurzen Zeit eine sehr hohe Energieaufnahme erfolgt.
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Es
wird im Zuge der Beschreibung immer wieder von „Energieverbrauch” bzw. „Energiegewinn” gesprochen,
was eine rein utilitaristische Bezeichnung vom Standpunkt des Betreibers
der eingangs erwähnten Vorrichtungen aus ist, da selbstverständlich
Energie nur umgewandelt, aber weder gewonnen noch verbraucht werden
kann. Es ist diese Bezeichnung aber gut geeignet, die der Erfindung
zugrunde liegenden Situationen kurz darzustellen; auch wenn dadurch
ein „Energieverbraucher” zu anderen Zeiten Energie
liefern kann!
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Aus
der
DD 259 899 A ist
für große Bagger ein rein hydraulisch ausgelegtes
System bekannt, der große Massen hydraulisch hebt und senkt.
Dabei wird beim Absenken der Last dem hydraulischen Medium Druckenergie „entnommen”,
in einem Druckspeicher gespeichert und beim Anheben von Last wieder
eingesetzt; de facto arbeitet dieses System wie das Gegengewicht
eines Aufzuges und ist auch nur bei derartigen Anwendungen einzusetzen.
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Vorrichtungen,
bei denen die oben erläuterten Nachteile schon seit langer
Zeit als besonders unangenehm erkannt ist, sind die Pressen, beispielsweise
die Blechpressen für die Herstellung von Karosserieteilen.
Bei sogenannten Pressenstraßen, bei denen die Umformung
der Werkstücke in mehreren Pressen nacheinander mit immer
anders ausgebildeten Matrizen und Gegenplatten erfolgt und die daher im
Takt arbeiten, ist dies besonders unangenehm.
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Es
wurde daher bereits seit langem auf diesem technischen Gebiet versucht,
diese Nachteile zu vermeiden, die
US 4,707,988 A und die
US 5,526,738 A stellen diesbezüglich
relevanten Stand der Technik dar.
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Bei
beiden Druckschriften wird vorgeschlagen, zwischen den Motor und
die Presse eine Schwungscheibe zu schalten, durch das die Spitzenlast
des Motors deutlich verringert wird. Die jüngere Druckschrift
sieht zwei Hydraulikpumpen unterschiedlicher Volumensleistung auf
der Welle der Schwungscheibe vor, um auf einfache Weise unterschiedliche
Geschwindigkeiten bzw. Pressdrücke realisieren zu können.
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Mit
dem Betrieb und insbesondere dem Energiehaushalt von Pressen und
Pressenstraßen beschäftigt sich auch die noch
nicht veröffentlichte
österreichische Patentanmeldung A 1181/2008 vom
30. Juli 2008 des Anmelders und die deren inneren Priorität
beanspruchende Folgeanmeldung
A 1353/2008 vom 29. August 2008, ebenfalls
vom Anmelder. Die Priorität dieser beiden Anmeldungen wird
von der vorliegenden Anmeldung in Anspruch genommen und deren Inhalt
wird durch Bezugnahme zum Inhalt der gegenständlichen Anmeldung
gemacht.
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Inhaltlich
beschäftigen sich diese beiden Anmeldungen unter anderem
damit, bei einer hydraulisch betriebenen Presse einerseits durch
die möglichst vollständige Vermeidung von Reduzierventilen den
erheblichen Drosselverlust zu reduzieren, andererseits damit, durch
Betreiben der Pumpe als Motor während der Arbeitstakte,
während der die eigentliche Presse in der Lage ist, Energie
abzugeben, diese Energie der Schwungscheibe zuzuführen.
Damit gelingt es, den tatsächlichen Energiebedarf auf das praktisch
mögliche Minimum zu reduzieren und darüber hinaus
den zuzuführenden Energiefluss bestmöglich zu
vergleichmäßigen, da nur die tatsächliche Umwandlungsenergie,
die Reibungsenergie der bewegten Teile und die Reibungsenergie der
bewegten Flüssigkeit, hier aber deutlich reduziert durch
das Fehlen von Drosseln, verbraucht wird und die üblicherweise
beim Bremsen etc. anfallende Energie nicht in Wärme verwandelt,
sondern durch die als Motor wirkende Pumpe wieder der Schwungscheibe zugeführt
wird.
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Dieses
Prinzip lässt sich nun, wie der Anmelder festgestellt hat,
vorteilhaft auf jede Vorrichtung oder Gruppe von Vorrichtungen anwenden,
bei der bzw. denen im Zuge eines Arbeitszyklus verschiedene Energieverbraucher
zu unterschiedlicher Zeit Energie benötigen oder zur Verfügung
stellen. Bei all diesen Anwendungsfällen kann durch entsprechende Rückspeisung
der Energie durch eine als Motor auf eine Schwungscheibe wirkende
Pumpe das bisher übliche Umwandeln der Energie in Wärme
vermieden werden, und es kann durch die Ausnutzung der zu unterschiedlichen
Zeiten anfallenden bzw. benötigten Energieflüsse
die Größe der Schwungscheibe und des notwendigen
Antriebsmotors ganz besonders minimiert werden.
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Unter „unterschiedliche
Zeiten” ist im Sinne der Erfindung auch gemeint, dass es
dabei zu Überschneidungen kommen kann, wesentlich ist aber, dass
es Zeiten gibt, in denen einer oder mehrere der an der Schwungscheibe
hängenden Verbraucher als Energieverbraucher arbeiten während
einer oder mehrere andere der Verbraucher Energie liefern oder sich
im neutralen Zustand befinden. Sobald über den Arbeitszyklus
eine solche Situation zumindest zeitweise vorliegt, können
die erfindungsgemäßen Vorteile lukriert werden.
Es ist dabei festzuhalten, dass diese Vorteile merklich größer
sind als beim Vorsehen je einer Schwungscheibe pro Antrieb bzw.
Energieverbraucher, vom Vorteil gegenüber der aus dem Stand
der Technik bekannten, nur der Vergleichmäßigung
der Energieaufnahme dienenden Schwungscheibe nicht zu reden und
schon gar nicht zu reden von der derzeit in der Praxis üblichen
Auslegung eines elektromotorischen Antriebs nach der maximal benötigten
Kraft und der anschließenden Zerstörung der nicht
bestimmungsgemäß umgesetzten Energie in Wärme.
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Im
Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik Bekannten ist es durchaus
möglich, die Verbindung zwischen der Schwungscheibe und
dem Verbraucher nicht hydraulisch, sondern mechanisch herzustellen.
Dazu eignen sich flexible Wellen, Kardanwellen, Ketten, Riemen udgl.
mehr, abhängig von der jeweiligen maximal fließenden
Energie und den auftretenden höchsten Geschwindigkeiten,
je nachdem Drehzahl oder Bahngeschwindigkeit. Günstig ist in
jedem Fall der Verzicht auf Getriebe, da diese kostspielig, voluminös,
wartungsbedürftig vor allem aber mit einem im Vergleich
zur direkten Übertragung schlechten Wirkungsgrad behaftet
sind, sodass sie fast ebenso zu meiden sind wie Stellventile bei
der hydraulischen Ausführung.
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Selbstverständlich
ist es möglich, von einer Schwungscheibe sowohl mechanische
als auch hydraulische Verbindungen abgehen zu lassen, in Kenntnis
der Erfindung und des jeweiligen Anwendungsgebietes stellt dies
für den Fachmann auf dem Gebiete der Fertigungsstraßen
kein großes Problem dar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand einiger Beispiele näher
erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen
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die 1 rein
schematisch eine hydraulische Vorrichtung mit zwei doppelt wirkenden
Zylinder-Kolben-Einheiten,
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die 2 einen
beispielhaften hydraulischen Schaltplan für die Verwendung
mit einem Hydraulikzylinder,
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die 3 einen
analogen Schaltplan für die Verwendung mit einem Hydraulikmotor,
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die 4 einen
Knickarmroboter,
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die 5 und 6 einen
verfahrbaren Hubroboter und
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die 7 einen
verfahrbaren Lastträger.
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Die 1 zeigt,
rein schematisch, eine erfindungsgemäße, in den
verschiedensten technischen Gebieten einsetzbare Vorrichtung mit
zwei doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheiten.
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Diese
Vorrichtung 1 weist als wesentliche Bauteile einen Elektromotor 2,
eine (verkleidete) Schwungscheibe 3, und zwei auf der Achse
der Schwungscheibe sitzende hydraulische Regelpumpen 4, 5 auf.
Diese Regelpumpen 4, 5 sind jeweils mit einer
von zwei doppelt wirkenden hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit 6, 7 verbunden.
Um deren im Sinne der Erfindung alternative Betätigung
anzudeuten, ist die hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 6 mit der
Kolbenstange in der eingefahrenen Position dargestellt und die hydraulische
Zylinder-Kolben-Einheit 7 mit ausgefahrener Kolbenstange.
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Es
genügt nun bei einer Vorrichtung an einer industriellen
Fertigungsstraße die mehrere, zeitlich versetzte Arbeitsschritte
ausführt, die hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 6 so
einzubauen, dass sie einen dieser Schritte bewirkt und die hydraulische
Zylinder-Kolben-Einheit 7 so einzubauen, dass sie einen
zeitlich versetzten Arbeitsschritt ausführt, um bei einer
Ausgestaltung der Regelpumpen 4, 5, wonach sie
auch als Hydraulikmotoren betrieben werden können, zum
erfindungsgemäß erreichbaren Ziel, der Minimierung
der insgesamt benötigten Energie, zu kommen.
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Dazu
folgende Darstellung der Betriebsweise: Im normalen Betrieb wird
die Schwungscheibe 3 vom Elektromotor 2 in Drehung
versetzt. Wenn nun die hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 6 ausgefahren
wird (dabei wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen,
dass dies gegen einen Widerstand, beispielsweise die Schwerkraft,
die Trägheit, die Biegefestigkeit, die Schnittfestigkeit,
etc. geschieht) so nimmt sie über den Regelpumpe 4 Energie
aus dem bewegten System Elektromotor/Schwungscheibe und bewirkt
ein Zurückgehen der Drehzahl dieser Einheit.
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Gleichzeitig
oder zeitlich versetzt wird die hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 7 aus
der dargestellten Stellung verkürzt (hier wiederum wird
angenommen, dass dies unter der Wirkung der Schwerkraft, elastischer
Rückstellkräfte, etc. geschieht) und führt
die dabei aufgenommene Energie über die nunmehr als Motor
arbeitende Regelpumpe 5 in die mechanische Einheit Motor/Schwungscheibe
zurück, wodurch sich die Drehzahl erhöht.
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Abhängig
nun von den tatsächlich abzugebenden bzw. aufgenommenen
Energieflüssen und deren zeitlichem Verlauf kommt es während
dieses Abschnittes des Arbeitstaktes zu einer Erniedrigung oder
Erhöhung der Drehzahl, jedenfalls wird die im geschilderten
Zeitabschnitt des Arbeitszyklus über die hydraulische Zylinder-Kolben-Einheit 7 rückgespeiste
Energie nicht wie bisher üblich durch Reibung in Wärme
verbraten.
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Durch
den geschilderten Verlauf ist nun aber noch nicht der Arbeitszyklus
abgeschlossen, dazu müssen die beiden hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheiten 6, 7 wieder
in die dargestellte Lage gelangen und es hängt natürlich
von der betrachteten Vorrichtung bzw. Bearbeitungsstation oder,
wenn die gesamte Vorrichtung 1 sich auf einer bewegten
Plattform befindet, von der Vorgangsweise an der nächsten
Station ab, wie die Energieflüsse bis zum Wiedererreichen
der in 1 gezeigten Lage geartet sind.
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Typischerweise
wird bei feststehenden Arbeitsmaschinen bei diesem zweiten Schritt,
somit beim Einfahren der hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit 6 und
dem Ausfahren der hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheit 7 von
ersterer Energie an die Drehscheibe abgegeben und von letzterer
Energie von der Drehscheibe entnommen. Der Arbeitszyklus ist vollständig
abgeschlossen und stabil, wenn am Ende dieses zweiten Teilschrittes
bei der vorbestimmtem Leistung des Motors 2 auch die Drehzahl der
Schwungscheibe 3 wieder den Wert angenommen hat, den sie
zu Beginn des Zyklus gehabt hat.
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Selbstverständlich
kann auch bei einem so einfachen System der Arbeitszyklus aus weit
mehr als nur zwei Teilschritten bestehen, so viele sind aber zumindest
notwendig, um von dem gezeigten Zustand zu einem anderen und wieder
zurück zum gezeigten zu kommen.
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In
der 1 sind nur die wesentlichen Bestandteile des Systems
dargestellt. Mechanisch sind die gesamten Befestigungselemente aus
Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen, hydraulisch
wurde die Verbindung zu einem Ablasstank bzw. einem Vorratstank
weggelassen. Es wurde auf die Darstellung der notwendigen Sicherheitsventile
und der Ablassventile verzichtet, es ist allerdings richtig, dass keine
Drosselventile vorgesehen sind, und dass die Zylindervolumina zu
beiden Seiten des Kolbens möglichst gleiches Volumen aufweisen.
Unter Umständen ist es hier notwendig, einen kleinvolumigen
Ausgleichsbehälter vorzusehen, dieser kann auch direkt in
die Pumpe integriert sein.
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Da
bei derartigen hydraulischen Zylinder-Kolben-Systemen stets nur
die absolut notwendigen Volumina hin- bzw. herbewegt werden, ist
es möglich, auch relativ lange Leitungen zu verwenden, ohne
dass die Verluste überhaupt spürbar werden, besonders
im Vergleich zu herkömmlichen Hydrauliksystemen.
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Insbesondere
durch diese verlustarme Bewegung ist es möglich, als Hydraulikflüssigkeit
das in vielen Bereichen der industriellen Fertigung nur sehr ungern
verwendete Öl durch weniger problematische Flüssigkeiten,
beispielsweise Wasser oder wässerige Lösungen
(Korrosionsinhibitoren, Frostschutzmittel, etc.) zu ersetzen.
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Die 2 und 3 zeigen
hydraulische Schaltungen für den Fall des Antriebes mittels
eines hydraulischen Zylinders bzw. eines Hydraulikmotors, wobei
aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur ein
Energieverbraucher dargestellt ist; die hydraulischen Schaltungen
sind im Wesentlichen bereits aus dem Stand der Technik bekannt,
neu ist die Anordnung der Schwungscheibe 3: Es treibt ein
Motor 2 über eine Schwungscheibe 3 eine
Regelpumpe 4. Diese ist über zwei Leitungsäste 27, 28 mit
den beiden Kammern 21, 22 einer doppelt wirkenden
Zylinder-Kolben-Einheit 6 (2), bevorzugt
ein sogenannter Gleichlaufzylinder, bzw. eines Hydraulikmotors 8 verbunden.
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Sicherheitsventile 23, 24 verhindern
den Aufbau unzulässiger Drücke und eine Ventilkombination 25 ermöglicht
es, dass mittels einer Hilfspumpe 26 bei Bedarf die Hydraulikflüssigkeit
durch den jeweils auf niedrigem Druck befindlichen Leitungsast 27, 28 gespült
und durch neue bzw. regenerierte Hydraulikflüssigkeit ersetzt
werden kann. Als Ablass- und Vorratsbehälter ist ein entsprechender
Tank 27 angedeutet. In diesen Tank 27 mündet
auch beim Kombinationsventil 25 abgehende Hydraulikflüssigkeit.
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Die 4 zeigt
einen industriellen Bearbeitungsroboter 100, der um eine
Hochachse drehbar ist und dessen vertikaler, turmartiger Abschnitt
mittels dreier Aktuatoren beweglich ist. Der daran angelenkte Arm 120 kann
die Bearbeitungseinheit 130, die gegebenenfalls einen Energieverbraucher,
nämlich ein Arbeitsmittel 131 (Bohrvorrichtung,
Fräsvorrichtung, Schleifvorrichtung, etc.) aufweisen kann,
wiederum mittels dreier Aktuatoren positionieren.
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Es
ist klar ersichtlich, dass hier im Verlauf der Zustellbewegung,
der Bearbeitung und der Rückführbewegung eine
ganze Reihe von Aktuatoren bewegt werden, deren Energiebedarf bzw.
Energieüberschuss in Abhängigkeit von der Ausbildung
dieser Bewegungen abwechselnd oder überschneidend während
eines Arbeitszyklus abläuft.
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Wenn
diesbezüglich auf die anhand der 1 ausführlich
dargelegten Maßnahmen Bezug genommen wird, so ist es für
den Fachmann auf dem Gebiete der Fertigungsroboter ein Leichtes
zu erkennen und zu bestimmen, ob er bei einem solchen Roboter alle
Aktuatoren an eine Schwungscheibe ankoppeln will, ob er zwei oder
drei Schwungscheiben vorsehen soll, ob er einzelne der Aktuatoren
auf herkömmliche Weise direkt mit Energie versorgen soll und
ob er unter Umständen auch das Arbeitsgerät, sofern
dies aufgrund seiner Beschaffenheit dazu geeignet ist, mit in das
Energiemanagement einbeziehen soll.
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Als
prinzipielle Erwägungen kann beispielsweise folgender,
zumindest in seinem Gerüst häufig vorkommender
Ablauf angegeben werden: Um das Zuführen eines neuen Werkstückes
problemlos und vor allem gefahrlos zu ermöglichen, befindet
sich der Roboter 100 zu Beginn eines Arbeitszyklus um seine Hochachse
gedreht im Wesentlichen parallel zum Verlauf der Fertigungsstraße
im Ruhezustand. In einem ersten Schritt wird er um die Hochachse
verdreht, sodann wird sein Turm aus der im Wesentlichen vertikalen
(oder sogar darüber hinaus zurückgezogenen) Lage
in eine schräg zum Werkstück hin geneigte Lage
gebracht und sodann, oder praktisch gleichzeitig damit, wird der
Arm 120 an die erste Arbeitsstelle gebracht. Von dieser
Arbeitsstelle aus können nach erfolgter Bearbeitung eine
oder mehrere weitere Arbeitsstellen angefahren werden, wobei zumeist
gleichzeitige Bewegungen so gut wie aller Aktuatoren über
kurze Wege, dafür mit möglichst hoher Geschwindigkeit
(und damit hoher Beschleunigung mit entsprechend hohem Energieverbrauch), da
es sich dabei ja um Totzeiten handelt, angefahren. Nach Erledigung
des letzten Arbeitspunktes wird der Roboter wieder in die ursprüngliche
Lage zurückgefahren und das Werkstück entlang
der Fertigungsstraße weiter bewegt, wodurch gleichzeitig
das nächste Werkstück an seinen Platz gelangt,
der Arbeitszyklus ist abgeschlossen.
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Schon
aus dieser kurzen Darstellung geht hervor, dass es in Kenntnis der
genauen Arbeitsabfolge eine ganze Reihe von Möglichkeiten
gibt, mehrere Aktuatoren von einer Schwungscheibe aus zu versorgen.
Dabei kann beispielsweise für die Aktuatoren der Roberthand 120 eine
eigene Motor/Schwungscheibeneinheit im Kopfbereich des Turmes vorgesehen
sein, um eventuelle Justierprobleme durch die Elastizität
der Hydraulikschläuche zu verhindern, die durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung geringe notwendige Masse erlaubt es durchaus, den
Motor samt Schwungscheibe am Kopf des Turmes 110 mit zu
bewegen. Dies umso mehr, als ja die zu deren Beschleunigung notwendige
Energie beim Bremsen wieder der Motor/Schwungscheibeneinheit zugute
kommt, die die Aktuatoren am Turm mit Energie versorgt und bevorzugt
auch für die Drehung des Turmes um seine Hochachse verantwortlich
ist.
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Selbstverständlich
ist es aber auch möglich, eine größere
derartige Motor/Schwungscheibeneinheit fest bezüglich des
Fundamentes 101 vorzusehen und die Verbindung mit den beweglichen
Teilen und den darauf befestigten Aktuatoren nur mittels biegsamer
Hydraulikschläuche vorzunehmen. Damit wird die bewegte
Masse bestmöglich reduziert und die rotierenden Schwungscheiben
können keinerlei Kreiselmomente zufolge einer Bewegung
gegenüber einem Initialsystem auf ihre Befestigung und
damit den Roboter selbst ausüben.
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Die 5 und 6 zeigen
einen verfahrbaren Hubroboter, einmal in Seitenansicht mit angehobenem
bzw. abgesenktem Arm; ein weiteres Mal in perspektivischer Ansicht
nur mit angehobenem Arm.
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5,
die perspektivische Darstellung zeigt den Hubroboter 200 von
der Seite seines Rollschlittens 210. Am Rollschlitten sind
zwei hydraulische Zylinder-Kolben-Einheiten 220, 230 angelenkt;
die Einheit 220 wirkt über eine Zahnstange auf
ein Ritzel 221, die Einheit 230 verdreht ein Hohlrohr 231,
mit dem zwei Arme 240, an denen ein Objektträger 250 befestigt
ist, mit verdreht werden. Im Hohlrohr befindet sich eine mit dem
Ritzel 221 drehfest verbundene Welle, die über
einen Riementrieb einen Schwenkhebel 241 bezüglich
des Hohlrohres 231 und damit den Objektträger
um seine Schwenkachse 251 verdreht. An denn dem Rollschlitten
gegenüberliegenden Ende des Hohlrohrs bzw. der Welle befindet
sich ein einfaches Laufrad, das sich nur am Untergrund abstützt.
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Durch
die Zylinder-Kolben-Einheit 220 wird der Objektträger
somit zwischen den in 6 dargestellten oberen und unteren
Positionen verschwenkt; dazu kommt noch das Verdrehen um die Achse 251 des
Objektträgers 250 mittels der Zylinder-Kolben-Einheit 230.
Derartige Hubroboter werden beispielsweise zum Transport von Fahrzeugkarosserien im
Zuge der Herstellung von Fahrzeugen und insbesondere beim Eintauchen
in Behandlungsbäder und während des Lackierens
verwendet. Dabei wird der Hubroboter 200 mittels des Fahrmotors 215,
der ein Hydraulikmotor, wie in 3 dargestellt
und ebenfalls mit der Motor/Schwungscheibeneinheit 1 verbunden
sein kann, entlang einer nicht dargestellten Bahn, die ihn auch
führt, verfahren.
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Die
Bewegungen des Anfahrens und Abbremsens, des Absenkens, Verschwenkens,
Anhebens erfolgen je nach Station in unterschiedlicher Weise, sodass
der Arbeitszyklus dieses fahrbaren Hubroboters äußerst
lang sein kann, unter Umständen begleitet er die Karosserie
vorn Beginn Ihres Aufbaus bis zur Montage der Räder oder
darüber hinaus, einschließlich des Lackierens
und des Montierens des Antriebs, doch gibt es auch wesentlich kürzere Arbeitszyklen,
beispielsweise bei der Verwendung derartiger fahrbarer Hubroboter
zum Transport von Massenware (Spritzguss, etc.) in Körben,
die am Objektträger montiert sind und die durch verschiedene Bearbeitungsbäder,
Beregungs- und Besprühungsanlagen, Trocknungsanlagen udgl.
geführt werden.
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Es
gibt jedenfalls bei allen derartigen Arbeitszyklen beachtenswerte
Abschnitte, bei denen beispielsweise das Anfahren nach dem Absenken
des Objektträgers erfolgt, um das zu behandelnde Objekt durch
ein Tauchbad zu ziehen, oder bei dem nach dem Abbremsen des fahrbaren
Hubroboters das Anheben des Objektträgers erfolgt, beispielsweise
um überschüssige Behandlungsflüssigkeit
abrinnen zu lassen.
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In
all diesen Fällen kann eine erfindungsgemäße
Vorrichtung, wie sie am dargestellten Hubschlitten 210 mit 1 bezeichnet
dargestellt ist, günstig verwendet werden. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Antrieb 215 extra
für sich betrieben dargestellt, es ist selbstverständlich
möglich, wie oben erläutert, auch ihn über
die Motor/Schwungscheibeneinheit 1 zu betreiben. Bemerkt
soll noch werden, dass die eigentliche Energiezufuhr für
derartige Hubroboter 200 elektrisch über Schleifkontakte
erfolgt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt sind, wie überhaupt die Darstellungen
in der Anmeldung sich auf die Teile der Anwendungsgebiete beschränken,
die für die Erfindung wesentlich sind.
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Aus
der 7 ist ein verfahrbarer Lastenträger 300 für
schwere Lasten, beispielsweise LKW-Rahmen etc. ersichtlich, von
dem nur der Rahmen 310 ohne Rollen, das Hubwerk 320 und
der Objektträger 330 dargestellt ist. Dieser Lastenträger
ist, wie der Hubroboter der 5 entlang
einer nicht dargestellten Bahn verfahrbar und kann seine Last absenken
bzw. anheben, in den meisten Fällen noch um zumindest eine
weitere Achse kippen. Im dargestellten Fall ist der Objektträger
mittels Traggurten 321, die auf Trommeln 322 gewickelt
sind, mit dem Rahmen 310 verbunden. Die Trommeln 322 können einzeln,
paarweise, in Gruppen zu viert oder alle simultan angetrieben sein,
um den Objektträger entweder stets parallel zum Rahmen
oder bezüglich des Rahmens kippbar bewegen zu können.
In Abhängigkeit von dieser Ausgestaltung ist das Stabilisatoren-Gestänge 323 auszubilden
und am Objektträger anzulenken.
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Ein
Arbeitstakt eines solchen Lastenträgers weist zumeist das
Anfahren mit gehobener Last; das Abbremsen bis zum Stillstand, das
Absenken der Last, gegebenenfalls einige Kippbewegungen und das
Anheben der Last auf, das erneute Anfahren erfolgt zwar an anderer
Stelle, dieser Arbeitstakt gleicht aber dem zuvor in so gut wie
allen Belangen. Es ist nun trotz dieser Abfolge:
Energieverbrauch
(Beschleunigung von Station A weg)
Energiegewinn (Bremsung
bei Station B)
Energiegewinn (Last absenken)
Neutrale
Arbeitsphase (Arbeitsschritt)
Energieverbrauch (Last anheben)
Energieverbrauch
(Beschleunigung von Station B weg)
Energiegewinn (Bremsung
bei Station C)
Energiegewinn (Last absenken)
Neutrale
Arbeitsphase (Arbeitsschritt)
Energieverbrauch (Last anheben)
usw.
mit
jeweils „doppeltem” Energiebedarf und Energieüberhang
vorteilhaft, eine gemeinsame Schwungscheibe für die beiden
Energieverbraucher (Rollantrieb-Hebewerk) vorzusehen, da während
der neutralen Phase die Schwungscheibe auf maximale Drehzahl gebracht
werden kann und bei längeren Wegstrecken als üblich,
beispielsweise beim Übergang von einer Halle zur anderen,
ein größeres Energiereservoir zur Verfügung
steht als bei einer Aufteilung nach Energieverbrauchern. Damit werden
bessere Beschleunigungen ermöglicht, und auch die Geschwindigkeiten – sowohl
des Hebens als auch des Fahrens – können angehoben
werden, obwohl der Anschlusswert für den Elektromotor 2 gegenüber dem
Stand der Technik um den Faktor 3 bis 10 gesenkt werden kann.
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Es
soll noch auf einige Aspekte der zu verwendenden Schwungscheiben
die Rede kommen: Im Gegensatz zu den derzeit üblichen Bemühungen, Schwungscheiben
als High-Tech Vorrichtungen auszulegen, sind bei den erfindungsgemäßen
Anwendungen robuste und kostengünstige Ausführungen bevorzugt.
Im Stand der Technik findet man luftdicht gekapselte Ausführungen
mit Wasserstoff- oder Heliumatmosphäre, mit Drehzahlen,
die zu Umfangsgeschwindigkeiten weit über der Schallgeschwindigkeit führen
und mit magnetischen Lagerungen des Rotors; dies ist technisch sehr
interessant, aber für die Erfindung nicht nur nicht notwendig,
sondern glatt unbrauchbar. Schwungscheiben mit einer Umfangsgeschwindigkeit
bis maximal etwa 80% der Schallgeschwindigkeit, billiges Scheibenmaterial,
bevorzugt aus miteinander verschraubten, dünnen Scheiben, was
auch die Bruchgefahr und vor allem die Gefährdung der Umgebung
im Falle eines Bruches deutlich verkleinert, einfache Lager, werden
bevorzugt und durch die geringe Drehzahl auch möglich.
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Es
darf dabei ja nicht außer Acht gelassen werden, dass bei
der erfindungsgemäßen Anwendung nicht an den Betrieb
eines Autobusses über längere Wegstrecken und ähnliches
gedacht ist, sondern dass durch die im Sekundenbereich, maximal Minutenbereich
liegenden Taktdauern (wie oben ausgeführt, ist auch bei
verfahrbaren Vorrichtungen der Takt durch den zeitlichen Abstand
zwischen den Stationen viel kürzer als eine ganze Rundfahrt
durch die Fabrikhalle) die „Selbstentladung” kaum
eine Rolle spielt.
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Die
Schwungscheibe als Energiespeicher hat im Gebiet der industriellen
Fertigung auch den Vorteil, dass die Abgabe der gespeicherten Energie sehr
rasche erfolgt und auch hochdynamische Vorgänge gut unterstützt;
das Gleiche gilt für die Aufnahme von Energie.
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Eine
wesentlich größere Rolle als der Versuch, die
Schwungscheibe selbst durch hohen Aufwand zu optimieren spielt aber
die Strategie, auf Getriebe sowohl zwischen dem Elektromotor 2 und
der Schwungscheibe 3 als auch – bei mechanischem
Abtrieb – zwischen der Schwungscheibe und dem Energieverbraucher,
möglichst zu verzichten, da dadurch eine wesentliche Erhöhung
des Wirkungsgrades der Gesamtvorrichtung sowohl beim Zuführen
als auch beim Rückführen der Energie erreicht
wird. Auch dies wird durch die für Schwungscheiben niedrige
Drehzahl erleichtert bzw. erst ermöglicht.
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Das
gilt auch für die hydraulischen Regelpumpen, die ja bei
Förderung Null keine Drosselverluste, sondern nur geringe
Reibungsverluste aufweisen. Es soll dazu auch auf den Einsatz von
hydraulischen Zylinder-Kolben-Einheiten hingewiesen werden, durch
die der Energieverbrauch beispielsweise eines Roboters, wie er in 4 dargestellt
ist für den „Leerlauf” in dem er sich
nicht bewegt, sondern nur seine Position hält, bei elektrischem
Betrieb etwa 3–4 kW beträgt, bei hydraulischem
Betrieb praktisch Null. Bei der notwendigen Anschlussleistung erreicht
man durch die Erfindung eine Reduktion von 50 kW auf 12 kW, was
sich nicht nur in geringeren Kosten, sondern auch in geringerer
Erwärmung der Umgebung des Roboters – Klimaanlage! – bemerkbar
macht.
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Es
soll noch zum Motor, der die Schwungscheibe laufend antreibt, etwas
ausgeführt werden: Dieser wird in den meisten Fällen
ein Elektromotor sein, es kann aber auch ein Verbrennungsmotor sein
oder ein Antrieb von einer Turbine oder einem Windrad, es muss nur
ein Antrieb sein, der bei Bedarf (= während des Betriebs)
zur Verfügung steht. Natürlich ist eine gewisse
Regelbarkeit vorteilhaft, um auf geänderte Arbeitsschritte
reagieren zu können. Durch Messung der Drehzahl der Schwungscheibe
und eventuelle Regelung des Motors kann das Auftreten von zu hohen
Drehzahlen verhindert werden, bei unerwartetem Absinken der Drehzahl
kann gegebenenfalls nachgeregelt werden, unter Umständen
auch Alarm gegeben werden oder beides, je nach dem Anwendungsfall.
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Die
Dimensionierung der Drehscheibe und des Antriebsmotors kann durch
Berechnung in Kenntnis der Arbeitsschritte leicht erfolgen, zu Beginn
der In Betriebnahme kann durch einige Versuche die Feinabstimmung
erfolgen.
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Es
ist aber die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt,
sondern kann insbesondere auch bei nahe beieinander, bevorzugt benachbart,
angeordneten, voneinander aber unter Umständen verschiedenen
Bearbeitungsmaschinen angewandt werden. Es ist zur Erzielung der
erfindungsgemäßen Vorteile notwendig und hinreichend,
dass die Energieprofile, das heißt die Zeitabschnitte,
in denen die einzelnen Energieverbraucher tatsächlich Energie verbrauchen,
zeitlich nicht vollständig korrelieren. Es ist nach obigen
Ausführungen klar, dass die erzielbaren Vorteile umso größer
werden, je stärker diese Profile zeitlich differieren,
am Besten ist es daher, wenn sie einer Spiegelung um die Zeitachse
entsprechen, dann übernimmt die Schwungscheibe direkt die Übermittlung
der an einem Verbraucher momentan anfallenden Energie an den die
Energie momentan benötigenden Verbraucher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DD 259899
A [0005]
- - US 4707988 A [0007]
- - US 5526738 A [0007]
- - AT 1181/2008 A [0009]
- - AT 1353/2008 A [0009]