DE10160014C2 - Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten einer Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die vorstehende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten einer Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist vom Stand der Technik her bekannt, auf großen Maschinenbetten oder Grundgestellen, parallel angeordnete Führungsschienen anzuordnen.

Diese parallel angeordneten Führungsschienen nehmen verfahrbare Schlitten oder Maschinenportale auf, die, z. B., mit Bearbeitungsvorrichtungen ausgerüstet sind. Auf dem Gebiete der Werkzeugmaschinen handelt es sich dabei um Bohrvorrichtungen, Ausdrehvorrichtungen oder Fräseinheiten. Bei großen Bearbeitungszentren wird der verschiebbare Schlitten meistens von einem Portal gebildet, das mit Bearbeitungseinheiten für die spanabhebende Bearbeitung ausgerüstet ist.

Das Portal, das den verfahrbaren Schlitten bildet, ist gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück verfahrbar. Das zu bearbeitende Werkstück ist auf dem Maschinengestell aufgespannt.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, für den Antrieb eines Schlittens der genannten Art, herkömmliche Elektromotoren zu verwenden, die mit mechanischen Untersetzungsgetrieben oder mechanischen Vorgelegen wirkverbunden sind.

Am Ende der kinematischen Kette weisen diese bekannten Vorrichtungen ein Zahnritzel auf, das mit einer Zahnstange in Wirkverbindung steht, die mit dem Grundgestell der Maschine verbunden ist; dadurch wird durch die Drehbewegung des oder der Zahnritzel die Möglichkeit eröffnet, den Schlitten mit gesteuerter Bewegung anzutreiben.

Der Einsatz von herkömmlichen Elektromotoren und mechanischen Untersetzungsgetrieben für den Antrieb eines schweren Schlittens oder eines verfahrbaren Portals entlang eines Maschinengestelles befriedigt heutzutage nicht mehr die Anforderungen an Arbeitsgenauigkeit und erlaubt es auch nicht, aufgrund der unvermeidbaren Elastizität der Antriebsorgane und des vorhandenen Spiels eine exakte Wiederholung der Bewegungsabläufe des Schlittens während der Bearbeitung des Werkstückes durchzuführen.

Aus DE 299 23 758 U1 ist es bekannt, Torquemotoren in einer Maschine zum Stanzen, Biegen und/oder Montieren anzuwenden, wobei jeder Torquemotor Kurvenscheiben zur Ausführung von Schlittenhüben antreibt, um ein Werkzeug zu betätigen. Größere Wegstrecken können so nicht mit dem Schlitten gefahren werden, wie dies beim Verfahren eines Aggregats entlang einer Zahnstange der Fall ist.

Es ist daher Aufgabe der vorstehenden Erfindung, eine neue Antriebseinrichtung vorzuschlagen, die es ermöglicht, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine Antriebseinrichtung zu schaffen, die es erlaubt, gesteuerte Bewegungsabläufe für einen Schlitten oder ein Maschinenportal gegenüber dem Grundgestell der Maschine mit größstmöglicher Genauigkeit durchzuführen und ferner die Möglichkeit zu erschließen, die durchgeführten Bewegungen mit größter Genauigkeit zu wiederholen.

Die Aufgabe wird mit einer Antriebseinrichtung für einen steuerbar antreibbaren Schlitten gelöst, der gegenüber einem Maschinengrundgestell bewegbar ist, das mit einer Zahnstange ausgerüstet ist, wobei mit der Zahnstange wenigstens ein von einem steuerbaren Motor angetriebenes Ritzel in Wirkverbindung steht und das Antriebsritzel und die Motorwelle einstückig ausgebildet sind, wobei die Motorwelle mit einem Lagerkörper verbunden ist, der eine Umfangskammer begrenzt und der Lagerkörper im Schnitt U-Form aufweist und die Enden der Motorwelle von Wälzlagern aufgenommen werden, die in Ausnehmungen der Motordeckel angeordnet sind und die Motordeckel fest mit dem Stator des Motorkörpers verbunden sind.

Mit einer Antriebseinrichtung dieser Art wird es ermöglicht, einen einstückigen und starren Körper zu bilden und einzusetzen, der aus einem Antriebsritzel besteht, das einstückig mit der Rotorwelle ausgebildet ist, wobei das Ritzel vollständig in die Rotorwelle integriert ist. Der Rotor selbst, dank einer zwischengesetzten Lagereinrichtung, die eine hohle ringförmige Kammer bildet, führt zu einer erheblichen Gewichtsverringerung und eröffnet die Möglichkeit einer besonders guten Kühlung. Durch Anordnen der Enden der Rotorwelle in Ausnehmungen, die in robuste Deckel des Motors eingearbeitet sind und die mit dem Körper des Stators fest verbunden sind, wird ein äußerst steifer und kompakter Baukörper gebildet, der mit dem in Bewegung zu setzenden Schlitten verbindbar ist. Der verwendete Elektromotor ist in vorteilhafter Weise als "Brushless-Motor" ausgebildet.

Der Stator des Motors besteht aus einem Blechpaket, das mit den elektrischen Wicklungen kombiniert ist und weist eine große Anzahl von Polen auf.

Der Rotor besteht aus einem Stahlring, der eine große Anzahl plattenförmiger Permamentmagnete aufnimmt. Es wird ein "Brushless-Motor" mit einem Statorring und einem Rotor gebildet.

Der Erfindungsgegenstand wird nun anhand eines Ausführungsbeispieles genauer beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch in einer Ansicht einen verschiebbaren Schlitten, der mit Einrichtungen gemäß der Erfindung ausgerüstet ist.

Fig. 2 schematisch den verschiebbaren Schlitten in einer Draufsicht.

Fig. 3 eine Antriebseinrichtung im Schnitt entlang einer vertikalen Ebene.

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist ein Schlitten 1 vorgesehen, der nur schematisch dargestellt ist und geeignet ist, weitere Einrichtungen aufzunehmen, die aber für die Beschreibung der Erfindung unwesentlich sind.

Der Schlitten ist verschiebbar auf Parallelführungen 2 angeordnet, die sich in Längsrichtung auf einem Maschinengestell 3, z. B. dem Grundgestell einer großen Werkzeugmaschine, erstrecken.

Der Schlitten 1 nimmt eine oder mehrere Antriebseinrichtungen in Form von Elektromotoren 4 auf, die mit dem Körper des Schlittens 1 verbunden sind.

Jede Antriebseinrichtung weist ein Zahnritzel 5 auf. Jedes Zahnritzel 5 steht mit einer Zahnstange 6 in Wirkverbindung, die Zahnstange erstreckt sich in Längsrichtung des Maschinengrundgestelles und ist an diesem befestigt.

Fig. 2 zeigt schematisch und in einer Draufsicht den Schlitten 1.

Der Schlitten 1 ist entlang bekannter Führungen (in Fig. 2 nicht dargestellt) des Maschinengrundgestelles 3 verfahrbar.

In der Mitte des Grundgestells 3 ist eine Zahnstange 6 vorgesehen, die sich in Längsrichtung des Grundgestelles erstreckt.

Der Schlitten ist in Richtung des Doppelpfeiles (f) verfahrbar.

Der Fig. 2 kann ferner entnommen werden, dass der Schlitten Aufnahmen aufweist, die mit 7 gekennzeichnet sind.

Jede Aufnahme 7 nimmt eine Antriebseinrichtung 4 auf.

Jede Antriebseinrichtung 4 weist ein Zahnritzel 5 auf, das gesteuert antreibbar ist und mit einer Zahnstange 6 in Wirkverbindung steht.

Den Fig. 1 und 2 kann entnommen werden, dass z. B. 2 Antriebseinrichtungen 4 vorgesehen sind.

Für ein Verschieben von kleineren Schlitten 1 ist es ausreichend, eine einzige Antriebseinrichtung 4 vorzugehen; die Anzahl der verwendeten Antriebseinrichtungen wird von den Abmessungen des Schlittens 1 bestimmt.

Der Fig. 3 kann eine Antriebseinrichtung 4 entnommen werden, die im Schnitt entlang einer vertikalen Ebene dargestellt ist.

Man erkennt Teil eines Grundgestelles 3. Aufgrund der gewünschten Deutlichkeit wurden die parallel angeordneten Präsizionsführungen nicht dargestellt.

Das Grundgestell 3 weist ferner eine Zahnstange 6 auf, die sich in Längsrichtung des Grundgestelles 3 erstreckt.

Mit der Zahnstange 6 steht ein Zahnritzel 5 in Wirkverbindung. Dieses Zahnritzel 5 ist einstückig mit der Welle 8 des Rotors 9 ausgebildet, der im Inneren des Stators 10 des Elektromotors angeordnet ist.

Dank einer einstückigen, monolythischen Ausführungsform der Welle 8, mit dem Antriebsritzel 5 wird eine außerordentlich starre Bauform geschaffen.

Das Ende der Welle 8, das bis in die Nähe des Antriebsritzel reicht, sowie das gegenüberliegende Ende der Welle 8 sind unter Verwendung von Wälzlagern 11 und 12 gelagert, und diese Wälzlager sind in robust ausgebildeten Deckeln 13 und 14 angeordnet, die wiederum mit dem Außenkörper 15 des Stators 10 festverbunden sind.

Der Rotor 9 ist fest mit einem Lagerkörper 16 verbunden, der sich vom Rotor 9 radial zur Welle 8 erstreckt. Unter Zuhilfenahme von Befestigungsmitteln, welche eine torsionale Steifigkeit gewährleisten, wird die Lagerung 16 des Rotors 9 fest mit der Welle 8 verbunden.

Der Lagerkörper begrenzt eine ringförmige Kammer 18, die sich in Umfangsrichtung des Lagerkörpers 16 erstreckt.

Dank der Vorsehung einer Umfangskammer 18 wird das Gewicht des Lagerkörpers 16 stark vermindert und dank der Ausführung des Lagerkörpers 16 in Form eines U-förmigen Gebildes wird neben einer erheblichen Gewichtseinsparung des Lagerkörpers eine Vergrößerung der Flächen erreicht, die für Kühlzwecke zur Verfügung stehen.

Der Abschluss der Kammer 18 wird durch einen Flansch 21 bewerkstelligt, der gleichzeitig die Funktion eines zweiten Befestigungsringes für den Rotor erfüllt.

Am Ende der Welle 8, das dem Zahnritzel 5 gegenüberliegt, ist ein kleiner Zapfen 19 befestigt, der mit dem drehbaren Teil eines Transduktors 20 in Wirkverbindung steht.

Die Ausgänge des Transduktors 20 sind mit numerisch arbeitenden Steuer- oder Kontrolleinrichtungen verbunden. Es ist daher jederzeit möglich, die genaue Drehgeschwindigkeit der Antriebseinrichtung des Schlittens 1 gegenüber dem Grundgestell 3 der Maschine festzulegen. In vorteilhafter Weise erfolgt eine Dimensionierung des Rotors sowie des Stators des eingesetzten Elektromotores unter Berücksichtigung der zu bewegenden Massen.

In vorteilhafter Weise findet ein Synchronmotor mit hohem Torsionsmoment und mit einem mehrpoligen geschlossenen Ring Einsatz.

Entscheidend für die Erfindung ist es, dass das Antriebsmittel 5 tatsächlich einstückig mit der Welle 8 des Rotors 9 ausgebildet ist.

Die Enden der Welle sind präzise gelagert und die Lagerung ist in robusten Lagerdeckeln untergebracht.

Durch starres Verbinden der Welle 8 (dank der Vorsehung einer Zwischenlagerung 16, die sehr stabil aber gleichzeitig sehr leicht ausgebildet ist) mit dem Rotor 9 wird ein sehr starres und präzises Antriebsmittel geschaffen, welches die Möglichkeit eröffnet, die Antriebsgenauigkeit eines verschiebbaren Schlittens 1, der z. B. Bestandteil einer Werkzeugmaschine ist, wesentlich zu verbessern.

Da der Durchmesser des Rotors 9 erhebliche Ausmaße annimmt, ist das an die Welle 8 übertragene Drehmoment erheblich. Durch Ausbildung der Welle 8 sowie des Zahnritzels 5 als einstückiges Bauteil, wird nicht nur ein mechanisches Bauteil mit hoher Steifigkeit und größter Genauigkeit geschaffen, sondern es wird auch ermöglicht, besondere, aufwendige Bearbeitungsvorgänge für die Herstellung des Bauteiles zu vermeiden.

Besondere Bearbeitungsvorgänge, die z. B. erforderlich wären, um eine oder mehrere Nuten im Inneren einer Verbindungsbohrung des Zahnritzels sowie am Ende der Welle 8 herzustellen, um das Zusammenfügen zwischen Zahnritzel 5 und Welle 8, z. B. durch Einfügen einer oder mehrerer Passfedern zu ermöglichen, werden überflüssig.

Dank der direkten Übertragung der Bewegung sowie der vom Motor abgegebenen Kraft an die endseitige Antriebsvorrichtung, die durch das Zahnritzel gebildet ist und durch Verzicht von dazwischenliegenden kinematischen Antriebsketten und durch Einsatz von koaxialen und starren Verbindungen, wird die Bewegungsgenauigkeit sehr erhöht.

Claims (8)

1. Antriebseinrichtung (4) für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten (1) einer Werkzeugmaschine gegenüber einem Maschinengrundgestell (3), das mit einer Zahnstange (6) ausgerüstet ist und mit der Zahnstange ein von einem steuerbaren Elektromotor (9, 10) angetriebenes Zahnritzel (5) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnritzel (5) einstückig mit der Welle (8) des Motors (9, 10) ausgebildet ist und der Motor (8) mit einem Lagerkörper (16) fest verbunden ist (17), der eine Umfangskammer (18) begrenzt, wobei der Lagerkörper (16) im Schnitt U-Form aufweist und die Enden der Motorwelle (8) von Wälzlagern (11, 12) aufgenommen werden, die in Ausnehmungen an Motordeckeln (13, 14) angeordnet sind, und die Motordeckel fest mit dem Stator (10) des Motorkörpers verbunden sind.

2. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper (16) sich vom Stator (10) radial zur Welle (8) des Rotors (9) erstreckt.

3. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerkörper (16) des Rotors (9) fest mit der Welle (8) über formschlüssige Verbindungsmittel (17) verbunden ist.

4. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Welle (8) des Rotors (9) ein Stift (19) verbunden ist, der mit dem sich drehenden Teil eines Transduktors (20) verbunden ist.

5. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge des Transduktors (20) mit numerischen Steuer- und Kontrolleinrichtungen wirkverbunden sind.

6. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (9, 10) als Synchronmotor mit hohem Drehmoment ausgebildet ist und der Rotor (9) als geschlossener vielpoliger Ring ausgebildet ist.

7. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Welle von Wälzlagern (11, 12) aufgenommen sind, die in steif ausgebildeten Deckeln (13, 14) angeordnet sind, die mit dem Mantel (15) des Stators (10) verbunden sind.

8. Antriebseinrichtung, nach Patentanspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der eingesetzte Motor (9, 10) ein "Brushless-Motor" mit einem Statorring und einem gelösten Rotorring ist, dass der Stator (10) aus einem Blechpaket kombiniert mit Wicklungen besteht und eine hohe Polzahl aufweist und dass der Rotor (9) aus einem Stahlring besteht, der eine große Anzahl von plattenförmigen Permanentmagneten aufnimmt.