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Dokumentenidentifikation DE19857805A1 21.06.2000
Titel Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb
Anmelder Plettenberg, Uwe, 34225 Baunatal, DE;
Funke, Herbert, 33378 Rheda-Wiedenbrück, DE;
Niesen, Dirk, 58091 Hagen, DE
Erfinder Plettenberg, Uwe, 34225 Baunatal, DE;
Funke, Herbert, 33378 Rheda-Wiedenbrück, DE;
Niesen, Dirk, 58091 Hagen, DE
DE-Anmeldedatum 15.12.1998
DE-Aktenzeichen 19857805
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse H02K 7/116
Zusammenfassung Lineareinheiten mit Kugelumlaufgewindetrieben werden in vielen Bereichen der Antriebstechnik eingesetzt. Sie ermöglichen eine genaue Positionierbarkeit und haben aufgrund der Abwälzbewegungen eine hohe Lebensdauer. Dabei werden üblicherweise die Spindeln über einen Elektromotor angetrieben. Lange Spindeln weisen aber ein hohes Trägheitsmoment auf und können bei höheren Drehzahlen zum Flattern und unter Druckbeanspruchung zum Knicken neigen.
Die im Hauptanspruch angegebene Erfindung ermöglicht es, den üblichen Aufbau entscheidend zu vereinfachen, die Teilevielfalt zu vermindern und die Dynamik einer Lineareinheit zu erhöhen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die Kombination eines bürstenlosen Hohlwellen-Elektromotors mit einem Kugelgewindetrieb, bei dem die Kugelumlaufspindel durch die Kugelumlaufmutter und den Elektromotor hindurch geführt wird und vorzugsweise die Kugelumlaufmutter durch den Elektromotor angetrieben wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in einer Verminderung der Trägheitsmomente der rotierenden Massen und der damit verbundenen Steigerung der Dynamik.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Lineareinheiten werden in vielen Bereichen der Antriebstechnik eingesetzt, um lineare Stellbewegungen auszuführen. Handelsübliche Lineareinheiten bestehen z. B. aus einer Spindel, einer Spindelmutter, einer Führungsschiene und einem Elektromotor, der zumeist außerhalb der Einheit angeordnet ist und direkt oder über ein Getriebe die Spindel in Drehbewegung versetzt. Insbesondere für sehr lange Spindeln besteht bei höherer Spindeldrehzahl die Gefahr der Flatterneigung und des Ausknickens bei Druckbelastung. Zudem stehen die großen Trägheitsmomente aller in Rotation zu versetzenden Elemente einer hohen Dynamik entgegen. Durch das zumeist erforderliche Getriebe sind Leistungsverluste unumgänglich, zudem kann ein spielbehaftetes Getriebe die Positioniergenauigkeit beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit hoher Dynamik eine lineare Stellbewegung auszuführen.

Diese Aufgabe wird durch ein Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Lineareinheiten werden für Stellbewegungen in vielen Bereichen der Antriebstechnik eingesetzt. Der elektrische Antrieb bietet aufgrund seiner einfachen Steuer- und Regelbarkeit sowie der hohen Verfügbarkeit der elektrischen Energie Vorteile gegenüber hydraulischen oder pneumatischen Antrieben.

Ein einfacher Aufbau läßt sich durch die Integration eines oder mehrerer koaxial zur Spindelachse angeordneten bürstenlosen Hohlwellen-Elektromotoren erreichen. Dabei treibt der Rotor des Motors eine Kugelumlaufmutter, die im Rotor integriert oder an diesen angeflanscht ist, an. Die Kugelumlaufspindel wird koaxial durch die Kugelumlaufmutter und den Antriebsmotor durchgeführt und rotiert dabei im allgemeinen Fall nicht, könnte aber zur Erhöhung der Dynamik durch einen weiteren Antriebsmotor ggf. auch mit angetrieben werden.

Die integrale Anordnung der Antriebskomponenten erfordert wenig Bauraum. Das Trägheitsmoment aller rotierenden Massen ist im Vergleich zu allen herkömmlichen Bauweisen geringer, was zur Erhöhung der Dynamik beiträgt. Die Lineareinheit kann z. B. in Teleskopbauweise oder als Linearführung mit Schlitten ausgeführt werden, wobei bei letzterer der Antrieb im Schlitten angeordnet ist. Im System kann durch Zugvorspannung der Kugelumlaufspindel das Axialspiel deutlich verringert werden, was der Positioniergenauigkeit zugute kommt. Zudem wird durch die Vorspannung der Gefahr des Knickens bei sehr langen Spindeln entgegen gewirkt. Bei Verwendung von bürstenlosen Elektromotoren kann eine bei diesen Motoren bauartbedingt z. T. schon vorhandene Sensorik bzw. eine in der Motorregelung integrierte Logik zur Erfassung der Rotorlage für eine inkrementale Wegmessung verwendet werden, was zu einer weiteren Vereinfachung und Kostenersparnis führt. Durch Verwendung von bürstenlosen Antrieben ist das System nahezu verschleißfrei und damit besonders unempfindlich, langlebig und wartungsarm. Bei feststehender Spindel ist außerdem eine besonders einfache Integration von Kraftmeßsensoren möglich.

Verschiedene Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen 1 und 2 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Bild 1 Prinzipieller Aufbau der hochdynamischen Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb:

Bild 2 Mögliche Ausführungsarten und Bewegungsverhältnisse.

Die Lineareinheit nach Anspruch 1 besteht aus einem Kugelgewindetrieb, bestehend aus Kugelumlaufspindel und Kugelumlaufmutter und mindestens einem bürstenlosen Elektromotor, der im wesentlichen aus Rotor und Stator mit Lagerung sowie ggf. einer zusätzlichen Sensorik besteht und bei welchem der Rotor mit der Kugelumlaufmutter des Kugelgewindetriebes drehstarr verbunden ist (Bild 1).

Lineareinheiten können allgemein z. B. als Teleskop- oder Schiene/Schlitten-Einheit ausgeführt werden. Allen Ausführungen gemein ist, daß eine lineare Relativbewegung in Achsrichtung zwischen Spindel und Mutter ausgeführt wird. Prinzipiell ist es dabei zunächst einmal gleichgültig, ob die Spindel oder die Mutter axial festgehalten werden, oder ob beide Elemente axial bewegbar sind (vgl. Bild 2a-d).


Anspruch[de]
  1. 1. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb, bestehend aus einem Kugelumlaufgewindetrieb im wesentlichen bestehend aus Kugelumlaufspindel und Kugelumlaufmutter, und einem bürstenlosen Hohlwellen-Elektromotor, im wesentlichen bestehend aus Rotor und Stator mit Lagerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelumlaufmutter des Kugelumlaufgewindetriebes unmittelbar oder über ein annähernd koaxiales Hohlwellengetriebe mit dem Rotor des bürstenlosen Hohlwellen-Elektromotors verbunden ist und die Kugelumlaufspindel durch die Kugelumlaufmutter und den Rotor des bürstenlosen Hohlwellen-Elektromotors hindurch geführt wird.
  2. 2. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelumlaufspindel durch mindestens einen weiteren Antriebsmotor angetrieben wird.
  3. 3. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelumlaufspindel vorgespannt wird.
  4. 4. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegmeßsystem in die Lineareinheit integriert ist.
  5. 5. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beim bürstenlosen Hohlwellen-Elektromotor bauartbedingt vorhandene Sensorik zur Erfassung der Rotorlage für eine inkrementale Wegmessung verwendet wird.
  6. 6. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Motorelektronik integrierte Logik zur Erfassung der Rotorlage für eine inkrementale Wegmessung verwendet wird.
  7. 7. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Lineareinheit ein Kraftmeßsensor integriert ist.
  8. 8. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit in Teleskopbauweise ausgeführt ist.
  9. 9. Hochdynamische Lineareinheit mit integriertem Elektroantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit in Schiene/Schlitten-Bauweise ausgeführt ist.






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