PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4336427A1 27.04.1995
Titel Linearspindeltrieb zur Umsetzung von Drehbewegungen in eine Linearbewegung
Anmelder Cybertron GmbH, 12487 Berlin, DE
Erfinder Arndt, Matthias, 13591 Berlin, DE
DE-Anmeldedatum 20.10.1993
DE-Aktenzeichen 4336427
Offenlegungstag 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse G05D 3/10
IPC-Nebenklasse H02P 5/46   B24B 49/00   B23Q 5/40   F16H 25/20   G12B 5/00   

Beschreibung[de]

Der Spindeltrieb ist auf Grund seiner Steifigkeit und seiner hohen Positionier- und Wiederholgenauigkeit in der Automations- sowie auch in der Werkzeugmaschinentechnik nicht zu ersetzen.

Es muß jedoch beim Auslegen von Spindeltrieben im Vorfeld die zu bewegende Masse sowie die Verfahrgeschwindigkeit bekannt sein, damit die richtige Spindelsteigung bezogen auf die Eingangsdrehzahl des Motors ausgewählt wird. Vorstufengetriebe bieten die Möglichkeit, ein schmales Geschwindigkeits- und Kraftspektrum bezogen auf die Eingangsleistung des Motors voreinzustellen. Bei höheren Schlittengeschwindigkeiten wirkt sich die hohe Drehzahl, die auf Grund der rotierenden Spindelmasse begrenzt ist, mit lauten Geräuschen aus.

Das Grenzdrehzahlverhalten einer Spindel kann bis zur Zerstörung des Spindeltriebes führen. Durch die feste Steigung der Spindel muß ein gesunder Kompromiß zwischen Auflösung, Schlittenkraft und Schlittengeschwindigkeit gefunden werden. Ein Antrieb, der sich auf unterschiedliche Massen und Geschwindigkeiten mit Hilfe eines stufenlosen Getriebes, unter optimaler Ausnutzung der Leistung des Antriebsmotors, anpassen kann, ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt der Technik nicht realisierbar. Besonders dann nicht, wenn die Eigenschaften der Spindel steif- und positioniergenau in der Auslegung des Antriebes gefordert werden.

Aufgabenstellung der erfinderischen Lösung ist es, einen Antrieb zu schaffen, der möglichst steif ist; um z. B. Kräften beim Fräsen und Drehen standzuhalten, der eine hohe Position und Wiederholgenauigkeit gewährleistet, der schnell sowie auch langsam verfahren kann und bei der schnellsten sowie auch langsamsten Geschwindigkeit ruckfrei verfährt, der bei langsamen Schlittenbewegungen noch hochauflösend arbeitet, der die Motorleistung optimal auf große und kleine Massen durch Veränderung der Schlittenkraft anpaßt, der einfach und mit Standardkomponenten aufgebaut werden kann und kleine Zustellbewegungen bei hoher Eingangsdrehzahl zuläßt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1.1 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 1.2. das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 1.3. das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 1.4. das vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung

Fig. 1.5. graphische Darstellung eines Wendeherzgetriebes.

In der Fig. 1.1. ist die erfinderische Lösung wie folgt dargestellt:

Die Motoreinheit 1.0 ist mit dem feststehenden Teil eines nicht dargestellten Führungssystems verbunden, sie beinhaltet die Lagerung der Antriebsspindel 1.1 sowie den Antriebsmotor 1.2, der Spindel 1.3, das Kupplungselement 1.4, welches Motor und Spindel drehfest miteinander verbindet.

Desweiteren beinhaltet die Motoreinheit 1.0 parallel zur Spindel die Lagerung 1.5 einer verdrehgesicherten Kugelbuchsenführung, deren Welle 1.6 drehfest mit dem Kupplungsstück 1.7 und dieses mit dem Motor 1.8 verbunden ist.

Die Motoren besitzen je einen Inkrementalgeber 1.9, 1.10. Auf dem feststehenden Teil des nicht dargestellten Führungssystems sind desweiteren die als Loslager ausgeführten Gegenlager für Spindel und Kugelbuchsenführung in der Gegenlagereinheit 2.0 dargestellt. Motoreinheit und Gegenlagereinheit sind zueinander feststehend montiert.

Auf dem beweglichen Teil des Führungssystems ist die Schlitteneinheit 3.0 befestigt. Sie besteht aus einer Radiallagerung 3.1 der Spindelmutter 3.2 sowie aus der Radiallagerung 3.3 der auf der Welle verdrehgesicherten Kugelbuchse 3.4. Das Synchronrad 3.5 ist drehfest mit der Spindelmutter verbunden. Das Synchronrad 3.6 ist drehfest mit der Kugelbuchse verbunden. Der Zahnriemen umschlingt Synchronrad 3.5 und 3.6 und stellt damit ein festes Drehzahlverhältnis zwischen Spindelmutter und Kugelbuchse her.

Rotiert man mit Hilfe des Servomotors 1.2 die Spindel 1.3 in Pfeilrichtung Pf 1 bei gleichzeitig nicht rotierender Welle des Servomotors 1.8 bewegt sich die Schlitteneinheit 3.0 durch die Drehkopplung zwischen Kugelbuchse 3.4 und Spindelmutter 3.2 gekoppelt durch Synchronrad 3.5, 3.6 und Zahnriemen 3.7 bei einer Umdrehung der Spindel genau um den Betrag der Steigung in Richtung Pf 2.

Rotiert mit Hilfe des Servomotors 1.8 nun jedoch gleichzeitig die Welle 1.6 in Pfeilrichtung Pf 3 mit halber Geschwindigkeit von Motor 1.2, so wird die Spindelmutter und damit die Schlitteneinheit in Pfeilrichtung Pf 2 bewegt. Die Schlitteneinheit bewegt sich jedoch in diesem Fall nur um die Hälfte des Steigungsbetrages in Richtung Pf 2. Man kann daraus schließen, daß die Motoren bei einer Bewegung in gleichsinniger Richtung Pf 1, Pf 3 die Schlitteneinheit 3.0 nur um den resultierenden Differenzweg in Richtung Pf 2 verfährt.

Das Umkehren beider Motoren bei gleicher Drehzahl hat zur Folge, daß die Schlitteneinheit 3.0 entgegen der Pfeilrichtung Pf 2 um den aus der Drehzahl resultierenden Differenzweg verfährt. Das Drehen beider Motoren in Richtung Pf 1 und Pf 2 bei gleicher Drehzahl hätte den Stillstand von Schlitteneinheit 3.0 zur Folge. Eine kleine Drehzahldifferenz in Drehrichtung Pf 1 und Pf 2 verfährt die Schlitteneinheit um einen kleinen Betrag in Richtung Pf 2.

Rotiert der Motor 1.2 die Spindel 1.3 in Pfeilrichtung und rotiert der Motor 1.8 die Welle der verdrehgesicherten Kugelbuchsenführung 3.4 entgegen der Pfeilrichtung Pf 3, so wirken die resultierenden translatorischen Wege summierend in Richtung Pf 2, so daß sehr große Wege und damit schnelle Schlittengeschwindigkeiten erreicht werden können.

Da die Drehzahlen der Motoren bei diesem System im Nenndrehzahlbereich genutzt werden, können die Motoren leistungsoptimal unterschiedliche Massen, die am Schlitten befestigt sind, schnell positionieren und bei langsamen Schlittengeschwindigkeiten ein ruckfreies Verfahren mit hoher Auflösung sicherstellen.

Das Grenzdrehzahlverhalten tritt auf Grund der rotierenden Spindelmuttern erst bei höheren Schlittengeschwindigkeiten auf.

In der Fig. 1.2 sitzt der Motor zur Erzeugung der Differenzdrehzahl nicht stationär auf dem festen Teil des Führungssystems, sondern auf dem beweglichen Teil des Führungssystems. Diese Variante hat den Vorteil, daß mehr als eine Schlitteneinheit unabhängig voneinander entlang der Bewegungslinie 6.0 verfahren kann z. B. 4.0, 5.0.

In der Fig. 1.3 erfolgt zur Erstellung der Differenzdrehzahl an der Welle der verdrehgesicherten Kugelbuchse eine Kopplung zwischen Welle 1.6 und Spindel 1.3 mit Hilfe der Synchronscheiben 7.0, 7.1 und Zahnriemen 7.3. Die Geschwindigkeit der Schlitteneinheit bezogen auf eine Motorumdrehung ist abhängig von der Differenz der Verhältnisse der Zähnezahlen der Synchronradpaare 7.0, 7.1 und 3.6, 3.5. Durch unterschiedliche Kombinationen dieser Zähnezahlverhältnisse kann die Größe einer linearen Vorschubbewegung der Schlitteneinheit 3.0 bezogen auf eine Umdrehung des Antriebsmotors 1.2 über einen weiteren Bereich eingestellt werden.

Zahnriemenlängendifferenzen auf Grund des festgelegten Achsabstandes der Synchronscheibenpaare können mit nicht dargestellten Riemenspannrädern an den Zahnriemen 7.3, 3.7 ausgeglichen werden.

In der Fig. 1.4 erfolgt die Kopplung der Welle 1.6 mit der Spindel 1.3 sowie die Kopplung von Kugelbuchse 3.4 und Spindelmutter 3.2 nicht über Synchronräder und Zahnriemen, sondern über Zahnräder. Die Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten zur Erstellung von Linearvorschubbewegungen bezogen auf eine Eingangsumdrehung des Motors 1.2 ist auf Zahnradpaare 8.0, 8.1 und 9.0, 9.1 mit gleichem Achsabstand begrenzt.

Zur Erstellung eines Schnellganges ist es möglich, z. B. die Zahnräder 9.0 und 9.1 nicht direkt zu koppeln, sondern z. B. über ein zusätzliches gelagertes Zahnrad zwischen den Zahnrädern 9.0 und 9.1 die Kopplung vorzunehmen. Dies hatte zur Folge, daß nicht die Differenzbewegung zum Verfahren des Schlittens führt, sondern die Summe der translatorischen Bewegungen. Die Kombination aus Riemenkopplung und Zahnradkopplung in einem Antriebssystem führt ebenfalls zu summierenden translatorischen Bewegungen des Schlittens.

Mit Hilfe eines Wendeherzgetriebes (Drehrichtungsumkehrgetriebe) wäre ein umschaltbarer Schnell- und Schleichgang mit großer Geschwindigkeitsdifferenz möglich. Fig. 1.5.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Umsetzung von Drehbewegungen in eine Linearbewegung dadurch gekennzeichnet, daß am feststehenden Teil eines Führungssystems ein Servomotor (z. B. 1.2/Fig. 1.1) befestigt ist, der drehfest mit einer radial gelagerten Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.1) verbunden ist, das die zur Ausübung der translatorischen Bewegung an der Spindel aufgeschraubte Spindelmutter (z. B. 3.2/Fig. 1.1) drehbar am beweglichen Teil des Führungssystems (Schlitten) gelagert ist, das am feststehenden Teil dieses Führungssystems parallel zum Motor (z. B. 1.2/Fig. 1.1) ein zweiter Servomotor (z. B. 1.8/Fig. 1.1) befestigt ist, der drehfest mit einer radial gelagerten Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.1) verbunden ist, auf die axial eine verdrehgesicherte Buchse (z. B. 3.4/ Fig. 1.1) aufgeschoben ist und auf der Buchse auf dem beweglichen Teil des Führungssystems (Schlitten) drehbar gelagert ist, das Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.1) und Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.1) parallel zueinander angeordnet sind, das auf der drehbar gelagerten Spindelmutter (z. B. 3.2/Fig. 1.1) ein Synchronrad (z. B. 3.5/Fig. 1.1) drehfest mit der Spindelmutter befestigt ist, das auf der drehbar gelagerten Buchse (z. B. 3.4/Fig. 1.1) ein Synchronrad (z. B. 3.6/Fig. 1.1) drehfest mit der Buchse (z. B. 3.4/Fig. 1.1) befestigt ist, das das Synchronrad (z. B. 3.5/Fig. 1.1) der Spindelmutter (z. B. 3.2/Fig. 1.1) mit dem Synchronrad (z. B. 3.6/Fig. 1.1) der Buchse (z. B. 3.4/Fig. 1.1) von einem Zahnriemen (z. B. 3.7/Fig. 1.1) umschlungen wird, das die beiden Synchronräder durch Auswahl gleicher oder unterschiedlicher Zähnezahlen in einem bestimmten Drehzahlverhältnis zueinander stehen, das die Buchse (z. B. 3.4/Fig. 1.1) verschiebbar jedoch verdrehgesichert auf der Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.1) gleiten kann, das die Drehzahl und Drehrichtung von Spindel und Welle zur Erstellung unterschiedlicher Schlittengeschwindigkeiten und Schlittenkräften einstellbar ist. (z. B. Fig. 1.1/Fig. 1.1).
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlen beider Servomotoren in einem bestimmten Verhältnis, bei einer bestimmten translatorischen Schlittenbewegung zueinander stehen müssen.
  3. 3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine geregelte Drehzahl beider Motoren mit einer übergeordneten Steuerung stufenlos einstellbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlen beider Motoren unterschiedliche Enddrehzahlen proportional an steigend und geregelt mit einer übergeordneten Steuerung annehmen können.
  5. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung beider Motoren mit einer übergeordneten Steuerung frei wählbar ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (z. B. 1.8/Fig. 1.2) zur Erzeugung der Spindelmutterrotation nicht auf dem festen Teil des Führungssystems befestigt ist, sondern auf dem beweglichen Teil des Führungssystems mit verfährt, und das Synchronrad (z. B. 3.6/Fig. 1.1), welches über die verdrehgesicherte Buchse angetrieben wurde, direkt antreibt (z. B. Fig. 1.2).
  7. 7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bildende Drehzahlverhältnis zwischen Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.3) und Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.3) zur Bestimmung einer translatorischen Schlittenbewegung aus der Drehzahl eines Servomotors (z. B. 1.2/Fig. 1.3) der drehfest mit der Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.3) gekoppelt ist, gebildet wird, das zur Bildung der Drehzahl der Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.3) ein Synchronrad (z. B. 7.1/Fig. 1.3) drehfest mit der gelagerten Spindel verbunden ist, das ein weiteres Synchronrad (z. B. 7.1/Fig. 1.3) mit der Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.3) drehfest verbunden ist, das die beiden Synchronräder (z. B. 7.0/Fig. 1.3 und 7.1/Fig. 1.3) mit einem Zahnriemen umschlungen sind und damit ein festes Drehzahlverhältnis zwischen Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.3) und Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.3) besteht, daß das Zähnezahlverhältnis zwischen den Synchronrädern (z. B. 7.0/Fig. 1.3 und 7.1/Fig. 1.3) die an Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.3) und Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.3) drehfest verbunden und über einen Zahnriemen (z. B. 7.3/Fig. 1.3) gekoppelt sind und den Synchronrädern (z. B. 3.5/Fig. 1.3) und (z. B. 3.6/Fig. 1.3) die an der Spindelmutter und der Buchse drehfest verbunden, unterschiedlich ist, das die umschlungenen Zahnradpaare (z. B. 7.0/Fig. 1.3, 7.1/Fig. 1.3 und z. B. 3.5/Fig. 1.3, 3.6/Fig. 1.3) zum Ausgleich der Riemenlänge mit einer Spannrolle gespannt werden können, das die zwei Synchronscheibenpaare (z. B. 7.0/Fig. 1.3, 7.1/Fig. 1.3 und 3.5/Fig. 1.3, 3.6/Fig. 1.3) eine doppelte Kopplung mit deren triebmäßig verbindenden Zahnriemen (z. B. 7.3/Fig. 1.3 und 3.7/Fig. 1.3) ausüben (z. B. Fig. 1.3).
  8. 8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.4) und Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.4) sowie zwischen Buchse (z. B. 3.4/Fig. 1.4) und Spindelmutter (z. B. 3.2/Fig. 1.4) durch ineinander kämmende Zahnradpaare (z. B. 8.0, 8.1 und 9.0, 9.1/Fig. 1.4) mit gleichem Achsabstand erfolgt (z. B. Fig. 1.4).
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkopplung zwischen Welle (z. B. 1.6/Fig. 1.4) und Spindel (z. B. 1.3/Fig. 1.4) oder zwischen Buchse (z. B. 3.4/Fig. 1.4) und Spindelmutter (z. B. 3.2/Fig. 1.4) mit einem Zahnradpaar (z. B. 9.0, 9.1/Fig. 1.5) erfolgt, das nicht ineinander kämmt, die Kopplung über ein weiteres Zahnrad (z. B. 10.0/Fig. 1.5) oder eine Zahnradkombination einkoppelbar (z. B. 11.0, 12.0/Fig. 1.5) erfolgt, so das gleichsinnige oder gegensinnige Drehrichtungen der Zahnräder an z. B. Welle und Spindel oder Buchse und Spindelmutter einstellbar sind. Das hat zur Folge, daß ein Schleichgang sowie ein Schnellgang mit großer Geschwindigkeitsdifferenz einstellbar ist (z. B. Fig. 1.5).
  10. 10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schlitteneinheiten (z. B. 5.0, 4.0/Fig. 1.2) unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Schlittengeschwindigkeiten und Schlittenrichtungen entlang der Bewegungslinie (z. B. 6.0/Fig. 1.2) verfahren können (z. B. Fig. 1.2).
  11. 11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen Spindel und Welle oder zwischen Spindelmutter und Buchse im Antriebssystem aus Zahnriemen und deren triebmäßig verbundenen Synchronrädern oder aus ineinanderkämmenden Zahnrädern bestehen kann.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com