CZ22715U1

CZ22715U1 - Drive of rotation axes, particularly that of machine tools, robots and manipulators

Info

Publication number: CZ22715U1
Application number: CZ201124463U
Authority: CZ
Inventors: Novotný@Lukáš; Rybár@Petr; Soucek@Pavel
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze, Fakulta strojní,
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2011-09-19

Description

Pohon rotačních os, zejména obráběcích strojů, robotů a manipulátorůDrive of rotary axes, especially machine tools, robots and manipulators

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká pohonu rotačních os, zejména obráběcích strojů, robotů a manipulátorů, sestávajícího z motoru se statorem a rotorem, který je propojen s výstupní hřídelí.The technical solution relates to the drive of rotary axes, in particular machine tools, robots and manipulators, consisting of a motor with a stator and a rotor, which is connected to an output shaft.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

U rotačních os zejména obráběcích strojů, robotů a manipulátorů se požadují v některých případech pomalé otáčky při vysokém kroutícím momentu při zachování bezvůlového polohování a v dalších případech rychlé otáčky při redukovaném kroutícím momentu.For rotary axes, in particular machine tools, robots and manipulators, in some cases slow speed at high torque is required while maintaining a backlash-free positioning and in other cases fast speed at reduced torque.

V současnosti je splnění výše uvedených požadavků do značné míry limitováno možnostmi elektrických motorů. Neexistují motory, které by uměly pracovat s vysokým momentem při nízkých otáčkách a současně dosahovat vysokých otáček, aniž by bylo nutné použít vysoké hodnoty protékajícího proudu. V případě asynchronních motorů s kotvou nakrátko je problematické dosažení vysokých momentů při malých otáčkách. U synchronních motorů, zejména s permanentními magnety v rotoru, je jejich konstrukce přímo podmíněna požadovanými pracovními otáčkami. Buď jsou provedeny s malým počtem pólů a umožňují dosahovat vysokých otáček, anebo mají velký počet pólů, jako např. prstencové motory, přičemž pracovní otáčky klesají s rostoucím počtem pólů.At present, meeting the above requirements is largely limited by the power of electric motors. There are no motors that can operate at high torque at low speed and at the same time achieve high speed without having to use high current flow. In the case of asynchronous squirrel cage motors, achieving high torques at low speeds is problematic. In the case of synchronous motors, in particular with permanent magnets in the rotor, their construction is directly related to the required operating speed. Either they are made with a small number of poles and enable high speeds, or they have a large number of poles, such as ring motors, where the working speed decreases with increasing number of poles.

Tyto vlastnosti určují následnou konstrukci rotačních os, kdy lze současně v jedné konstrukci použít více typů motorů a ty mezi sebou přepínat tak, aby byla dodržena výstupní charakteristika. Toto uspořádání pohonu lze provést jako bezvůlové.These characteristics determine the subsequent design of the rotary axes, where several types of motors can be used simultaneously in one design and these can be switched between each other so that the output characteristic is maintained. This drive arrangement can be designed as backlash-free.

Další možností je použití motorů s vloženou řaditelnou převodovkou, kde lze bezvulovost realizovat velmi obtížně.Another option is the use of motors with embedded shiftable gearbox, where the volumetricity is very difficult to realize.

V současnosti se omezeně používají řaditelné převodovky s převodem do pomala.At present there are limited use of gearboxes with slow gear.

Oba používané způsoby mají poměrně velké nároky na zástavbo vý prostor.Both used methods have relatively high demands on built-up space.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny pohonem rotačních os, zejména obráběcích strojů, robotů a manipulátorů, sestávajícím z motoru se statorem a rotorem, který je propojen s výstupní hřídelí, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že rotor je s výstupní hřídelí propojen v jedné poloze přes stálý převod a v druhé poloze přes alespoň jednostupňovou planetovou převodovku s převodem do rychlá. Rotor je opatřen řadicím mechanismem pro volbu jedné polohy a druhé polohy.The above-mentioned drawbacks are largely eliminated by the drive of rotary axes, in particular machine tools, robots and manipulators, consisting of a motor with a stator and a rotor which is connected to an output shaft, according to the present invention. Its essence is that the rotor is connected to the output shaft in one position via a permanent gear and in the second position via an at least one-speed planetary gearbox with a gear ratio to a fast. The rotor is provided with a shift mechanism for selecting one position and the other.

V jednom výhodném provedení je rotor uložen v ložiscích s axiálním posunem a je opatřen řadicím mechanismem pro jeho pohyb mezi jednou polohou propojení s výstupní hřídelí přes stálý převod tvořený ozubením a druhou polohou propojení s výstupní hřídelí přes unášeč planetové převodovky. Ozubení je ve výhodném provedení vytvořeno Hirthovým ozubením.In one preferred embodiment, the rotor is supported in axial displacement bearings and is provided with a shifting mechanism for moving it between one engagement position with the output shaft via a permanent gear formed gear and a second engagement position with the output shaft via a planetary gear carrier. The toothing is preferably formed by Hirth toothing.

V dalším výhodném provedení je mezi rotorem a výstupní hřídelí, a rotorem a unášečem planetové převodovky umístěna spojka s řadicím mechanismem pro její pohyb mezi jednou polohou propojení s výstupní hřídelí přes stálý převod tvořený drážkováním na hřídeli a/nebo rotoru a druhou polohou propojení s výstupní hřídelí přes další převod přes unášeč planetové převodovky.In a further preferred embodiment, a clutch is arranged between the rotor and the output shaft, and the planetary gear carrier and the gear carrier for moving it between one output shaft coupling position through a permanent gear formed by splines on the shaft and / or rotor and the other output shaft coupling position via the next gear via the planetary gear carrier.

Výstupní hřídel může být dutá.The output shaft may be hollow.

Pohon rotačních os obráběcích strojů, robotů a manipulátorů podle tohoto technického řešení umožňuje jak pomalé otáčky při vysokém kroutícím momentu se zachováním bezvůlového poloCZ 22715 Ul hování, tak i rychlé otáčky při redukovaném kroutícím momentu. S výhodou jej lze použít pro osy s průchozí dírou ve výstupní hřídeli.The drive of the rotary axes of machine tools, robots and manipulators according to this technical solution allows both slow speed at high torque while maintaining a backlash-free semi-engagement as well as fast speed at reduced torque. It can advantageously be used for axes with a through hole in the output shaft.

Technické řešení tak kombinuje motor s vysokým kroutícím momentem s planetovou převodovkou - jedno i vícestupňovou, s převodem do rychlá a mechanismem řazení do jednoho funkčního celku. V oblasti nízkých otáček a vysokého žádaného kroutícího momentu je motor pomocí mechanismu řazení přímo připojen k výstupní hřídeli. V oblasti vysokých otáček je k motoru připojena planetová převodovka, pomocí které je dosaženo vysokých otáček výstupní hřídele.The technical solution thus combines a high-torque engine with a planetary gearbox - single and multi-speed, with a gearbox and a single-shift mechanism. In the low speed and high torque range, the engine is directly connected to the output shaft via the shift mechanism. In the high speed range, a planetary gearbox is attached to the motor to achieve high output shaft speeds.

V oblasti nízkých otáček lze v mechanismu řazení využít např. Hirthova ozubení a získat tak zcela bezvůlové spojení motoru s výstupní hřídelí, což z vynálezu činí vhodný mechanismus pro pohon vřeten soustruhů, rotačních stolů a dalších rotačních os obráběcích strojů, robotů a manipulátorů.In the low speed range, for example, Hirth toothing can be utilized in the shift mechanism to obtain a completely free-play connection of the motor to the output shaft, making the invention a suitable mechanism for driving spindles, rotary tables and other rotary axes of machine tools, robots and manipulators.

Technické řešení umožňuje použití pouze jednoho motoru, tedy i pouze jednoho měniče. Řešení zajišťuje bezvůlový přenos v oblasti vysokého kroutícího momentu potřebný pro přesné polohování, přičemž je umožněno dosažení rychlých otáček výstupní hřídele.The technical solution allows the use of only one motor, ie only one inverter. The solution provides a backlash-free transmission in the high torque range required for precise positioning, while allowing the output shaft to reach a high speed.

Celé řešení vyžaduje menší zástavbové rozměry v porovnání se současným stavem. Řešení zajišťuje rovnoměrnější přenos kroutícího momentu na výstupní hřídel. Navržená konstrukce vylučuje řemenové převody z konstrukce. Odpadá potřeba jejich napínání, dimenzování ložisek a podobně.The whole solution requires smaller installation dimensions compared to the current state. The solution ensures a more even transmission of torque to the output shaft. The proposed design excludes belt drives from the design. There is no need for tensioning, dimensioning of bearings and the like.

Podstatnou výhodou je i to, že motory s vysokým kroutícím momentem jsou ve standardním provedení chlazeny vodou, což příznivě ovlivňuje teplotní stabilitu konstrukce.An important advantage is that the high-torque motors are water-cooled as standard, which favorably affects the thermal stability of the structure.

V neposlední řadě je třeba zohlednit i estetické hledisko - celý mechanismus může mít tvar kompaktního válce rozšiřujícího výstupní hřídel.Last but not least, the aesthetic aspect must also be taken into account - the entire mechanism may be in the form of a compact cylinder extending the output shaft.

Objasnění obrázků na výkreseClarification of the figures in the drawing

Pohon rotačních os, podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na Obr. 1 je v řezu znázorněno schéma pohonu se změnou převodového poměru pomocí posuvného rotoru, na Obr. 2 je v řezu znázorněno schéma pohonu se změnou převodového poměru pomocí spojky řazení spojené s výstupní hřídelí a na Obr, 3 je v řezu znázorněno schéma pohonu se změnou převodového poměru pomocí spojky řazení spojené s rotorem.The drive of the rotary axes according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawing, in which: FIG. 1 is a cross-sectional view of a drive with a shift ratio using a sliding rotor; FIG. Fig. 2 is a cross-sectional diagram of a gear-change drive via a shift clutch associated with an output shaft;

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Na obr. 1 je schematicky znázorněn jeden příklad provedení. Motor s vysokým momentem sestává ze statoru I a rotoru 2, který je uložen v ložiscích umožňující axiální posun, čímž nahrazuje spojku řazení. Konstrukce motoru je tomuto posunu přizpůsobena, aby nedocházelo k poklesu kroutícího momentu. Kroutící moment rotoru 2 je prostřednictvím vhodného elementu 7, např. Hirthova ozubení přenášen přímo na výstupní hřídel 3. Ozubení lze realizovat bez vůlí. Druhou možností je prostřednictvím mechanismu řazení 8 přestavit rotor 2 do polohy, kdy je moment přenášen přes element 6 na unášeč 4 planetových kol. V této poloze je výkon odebírán z pastorku 5 planetové převodovky. Rychlost otáčení pastorku 5 je vyšší než rychlost otáčení rotoru 2 a to dle převodového poměru planetové převodovky.FIG. 1 schematically illustrates one exemplary embodiment. The high torque motor consists of a stator I and a rotor 2, which is mounted in bearings allowing axial displacement, thereby replacing the shift clutch. The engine design is adapted to this shift to avoid torque drop. The torque of the rotor 2 is transmitted directly to the output shaft 3 by means of a suitable element 7, for example a Hirth toothing. A second possibility is to move the rotor 2 to the position where the torque is transmitted via the element 6 to the carrier 4 of the planet wheels by means of the shift mechanism 8. In this position, power is taken from the pinion 5 of the planetary gearbox. The rotation speed of the pinion 5 is higher than that of the rotor 2 according to the gear ratio of the planetary gearbox.

Na obr. 2 je znázorněno další možné uspořádání se spojkou řazení, která je spojena s výstupní hřídelí 3 prostřednictvím drážkování 9. Při přesunutí spojky řazení do její levé polohy je moment přenášen z rotoru 2 motoru, přes element 7, spojku řazení a drážkování 9 na výstupní hřídel 3. Při tomto přenosu se projeví vůle drážkování 9. Po přesunutí spojky řazení do pravé polohy je moment přenášen z rotoru 2 motoru na unášeč 4 planetových kol, se kterým je rotor 2 pevně spojen, případně tvoří jeho část a dále na pastorek 5, element 6, spojku řazení a skrze drážkování 9 na výstupní hřídel 3. Nevýhodou tohoto řešení je nutnost oddělit pastorek 5 a výstupní hřídel 3FIG. 2 shows another possible arrangement with a shift clutch which is connected to the output shaft 3 by means of a spline 9. When the shift clutch is moved to its left position, the torque is transmitted from the motor rotor 2 via the element 7, the shift clutch and output shaft 3. During this transmission, the spline clearance 9 becomes apparent. After shifting the shift clutch to the right position, the torque is transmitted from the rotor 2 of the engine to the planetary carrier 4 with which the rotor 2 is fixed or formed. , element 6, the shifting clutch and through the spline 9 on the output shaft 3. The disadvantage of this solution is the need to separate the pinion 5 and the output shaft 3

CZ 22715 Ul pomocí ložiska, kvůli kterému je nutné zvýšit průměr pastorku 5, což se může projevit redukcí převodového poměru převodovky.By means of a bearing, which makes it necessary to increase the diameter of the pinion 5, which may result in a reduction of the transmission ratio.

Uspořádání na obr. 3 má spojku řazení poháněnou přes drážkování 9 rotorem 2 motoru. V levé poloze spojka přenáší kroutící moment přes element 7 na výstupní hřídel 3, zatímco v pravé poloze roztáčí přes element 6 unášeč 4 planet.The arrangement in FIG. 3 has a shift clutch driven through the grooves 9 by the rotor 2 of the engine. In the left position, the clutch transmits torque through the element 7 to the output shaft 3, while in the right position the planet carrier 4 rotates through the element 6.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Pohon rotačních os podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména ve strojírenství při konstrukci obráběcích strojů, robotů, manipulátorů a podobně.The drive of rotary axes according to this technical solution finds its application especially in mechanical engineering in the construction of machine tools, robots, manipulators and the like.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

A drive for rotary axes, in particular machine tools, robots and manipulators, comprising a stator motor and a rotor which is connected to an output shaft, characterized in that the rotor (2) is connected to the output shaft (3) in one position via a fixed and in a second position via at least a one-speed, planetary-to-high-speed planetary gear, wherein the rotor (2) is provided with a shift mechanism (8) for selecting one position and the other.

Rotary axis drive according to claim 1, characterized in that the rotor (2) is mounted in bearings with axial displacement and is provided with a shifting mechanism (8) for its movement between one connection position with the output shaft (3) via a permanent gear formed by a toothed element (7) and a second coupling position with the output shaft (3) via a planet gear carrier (4).

Rotary axis drive according to claim 2, characterized in that the toothing is formed by a Hirth toothing.

Rotary axis drive according to claim 1, characterized in that a clutch with a gear mechanism (8) for its movement is arranged between the rotor (2) and the output shaft (3), and the rotor (2) and the planetary gear carrier (4). between one connection position with the output shaft (3) via a permanent gear formed by a spline (9) on the shaft (3) and / or rotor (2) and the other position with the output shaft (3) via a further transmission via the carrier (4) of the planetary gearbox .

Rotary axis drive according to any one of the preceding claims, characterized in that the output shaft (3) is hollow.