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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Stellglied
zur geradlinigen Hin- und Herbewegung eines verschiebbaren Elementes durch
den Drehantrieb einer Drehantriebsquelle.
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Transportmechanismen,
wie Stellglieder, werden herkömmlicherweise
bspw. dazu verwendet, ein Werkstück
zu transportieren.
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Ein
herkömmliches
elektrisches Stellglied ist in den 20 und 21 dargestellt (vgl. bspw.
japanische Patentoffenlegung Nr. 11-30234).
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Das
herkömmliche
elektrische Stellglied 1 umfasst einen Gleiter 4,
welcher entlang einer Aussparung 3 eines Rahmens 2 verschiebbar
ist, und eine Spindelwelle 6, welche durch einen nicht
dargestellten Motor angetrieben wird und in ein Mutternelement 5 geschraubt
ist, das relativ zu dem Gleiter 4 abnehmbar ist. Spindelwellenhalteelemente 7a, 7b, welche
die Spindelwelle 6 drehbar halten, sind an beiden Enden
der Spindelwelle 6 vorgesehen. Die Spindelwellenhalteelemente 7a, 7b sind
an einer oberen Fläche 8 des
Rahmens 2 angebracht.
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Die
Steifigkeit des herkömmlichen
elektrischen Stellgliedes 1 wird durch einen Rahmen 2 gewährleistet,
der bspw. aus einem metallischen Material, wie Aluminium, hergestellt
ist. Wird der Rahmen 2 aber von dem elektrischen Stellglied 1 entfernt,
um die Teilezahl zu reduzieren und das Gewicht zu verringern, wird
es schwierig, die Steifigkeit des elektrischen Stellgliedes 1 zu
gewährleisten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Stellglied
vorzuschlagen, bei dem die Teilezahl reduziert und das Gewicht verringert
werden kann, ohne dass es eines Rahmens bedarf.
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Diese
Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Weiterbildungen,
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung,
unabhängig
von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines elektrischen Stellgliedes gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt eine teilweise aufgebrochene Draufsicht
auf das elektrische Stellglied gemäß 1;
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3 zeigt einen Längsschnitt
in Axialrichtung durch das elektrische Stellglied gemäß 1;
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4 zeigt eine perspektivische
Explosionsdarstellung eines Lagers, eines Abstandshalters und eines
Befestigungselementes zur Anbringung an einem Ende einer Förderspindelwelle
für das
elektrische Stellglied gemäß 1;
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5 zeigt einen Teilquerschnitt,
der eine Situation darstellt, bei der die auf einem Kolben aufgebrachte
Last durch ein Paar von Führungsstangen absorbiert
wird;
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6 zeigt eine Seitenansicht,
die das elektrische Stellglied gemäß 1 mit einem herkömmlichen Stellglied mit rechteckigem
Querschnitt vergleicht;
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7 zeigt eine teilweise aufgebrochene perspektivische
Ansicht eines Zustandes, in welchem der Kolben aus Kunststoff geformt
ist, wobei ein zylindrisches Element eingesetzt wird;
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8 zeigt eine teilweise aufgebrochene Draufsicht
auf eine andere Ausführungsform
ohne Kupplungselemente;
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9 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Zustandes, in dem das elektrische Stellglied mit Kolbenstange
gemäß 1 durch ein elektrisches Stellglied
mit Gleittisch ersetzt wurde;
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10 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Zustandes, bei dem ein Gehäuse und eine Stangenabdeckung
gemäß 1 durch gestapelte Stahlplatten
gebildet werden;
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11 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines elektrischen Stellgliedes gemäß einer anderen Ausführungsform,
an welcher ein Abdeckelement angebracht ist;
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12 zeigt einen Schnitt entlang
einer Linie XII-XII in 11;
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13 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines elektrischen Stellgliedes gemäß einer weiteren Ausführungsform,
an welcher ein Abdeckelement mit einer Öffnung angebracht ist;
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14 zeigt einen Schnitt entlang
einer Linie XIV-XIV in 13;
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15 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines elektrischen Stellgliedes gemäß einer noch weiteren Ausführungsform,
an welcher ein Paar von Sensorschienen angebracht ist;
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16 zeigt einen Schnitt entlang
einer Linie XVI-XVI in 15;
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17 zeigt eine perspektivische
Ansicht eines Stellgliedes gemäß einer
noch weiteren Ausführungsform
mit einem rechteckigen kastenförmigen Rahmen;
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18 zeigt einen Längsschnitt
in Axialrichtung durch das elektrische Stellglied gemäß 17;
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19 zeigt einen Schnitt entlang
einer Linie XIX-XIX in 17;
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20 zeigt eine teilweise
aufgebrochene perspektivische Ansicht eines herkömmlichen elektrischen Stellgliedes;
und
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21 zeigt eine perspektivische
Explosionsdarstellung des herkömmlichen
elektrischen Stellgliedes gemäß 20.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Mit
Bezug auf die 1 bis 3 bezeichnet das Bezugszeichen 10 ein
elektrisches Stellglied gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Das
elektrische Stellglied 1 umfasst ein Gehäuse 12 mit
einem im Wesentlichen flachen Blockelement, eine Drehantriebsquelle 14,
welche an ein Ende des Gehäuses 12 angeschlossen
ist, eine Stangenabdeckung (Endblock) 16, welche von dem Gehäuse 12 einen
festgelegten Abstand aufweist und an der der Drehantriebsquelle 14 gegenüberliegenden
Seite angeordnet ist, und eine Förderspindelwelle
(Antriebskraftübertragungswelle) 18,
welche die Drehantriebskraft der Drehantriebsquelle 14 über ein
Kupplungselement überträgt.
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Das
elektrische Stellglied 10 umfasst außerdem ein Paar von Führungsstangen 20a, 20b,
einen Kolben 22, eine hohle zylindrische Kolbenstange 24 und
eine Hülse 26.
Die Führungsstangen 20a, 20b sind
parallel zueinander angeordnet, wobei die Förderspindelwelle 18 zwischen
ihnen vorgesehen ist. Jede der Führungsstangen 20a, 20b hat
ein Ende, das mit dem Gehäuse 12 verbunden
ist, während
das andere Ende mit der Stangenabdeckung 16 verbunden ist.
Der Kolben 22 umfasst eine Fördermutter, die sich durch
die Drehantriebskraft, die über
die Förderspindelwelle 18 übertragen
wird, entlang des Paares von Führungsstangen 20a, 20b bewegt.
Die Kolbenstange 24 durchtritt eine Öffnung 28 der Stangenabdeckung 16 und
bewegt sich gemeinsam mit dem Kolben 22 vor und zurück. Die
Hülse 26 ist
an dem vorderen Ende der Kolbenstange 24 angebracht, um die Öffnung zu
verschließen.
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Der
Kolben 22 und die Kolbenstange 24 dienen als verschiebbare
Elemente.
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Wenn
die Kolbenstange 24 von dem Kolben 22 entfernt
wird, um eine andere Stangenabdeckung 16a, bei welcher
die Öffnung 23 für die Kolbenstange 24 verschlossen
ist, einzusetzen, ist es bei dieser Anordnung möglich, das elektrische Stellglied
mit Kolbenstange durch ein elektrisches Stellglied 10a mit Gleittisch
zu ersetzen, das dazu verwendet wird, einen nicht dargestellten
Gleittisch mit dem Kolben 22 zu verbinden (vgl. 9). Daher kann das elektrische
Stellglied von dem Typ mit Kolbenstange, bei welchem die Kolbenstange 24 von
der Stangenabdeckung 16 nach außen ausfährt und wieder eingezogen wird,
zu dem Typ mit Gleittisch zu wandeln, bei welchem der mit dem Kolben 22 verbundene
Gleittisch (nicht dargestellt) über
ein Paar von Befestigungsöffnungen 25a, 25b bewegt
wird. Außerdem sind
das elektrische Stellglied mit Kolbenstange und das elektrische
Stellglied mit Gleittisch einfach austauschbar.
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Als
Oberflächenbehandlung
für die
Förderspindelwelle 18 wird
eine stromlose (chemische) Nickelbeschichtung bevorzugt.
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Wie
in 8 dargestellt ist,
kann die Förderspindelwelle 18 mit
einer Motorwelle 30 kombiniert werden, ohne ein Kupplungselement 28 zu
verwenden. In 8 bezeichnet
das Bezugszeichen 32 einen Rotor, der mit der Förderspindelwelle 18 drehbar ist.
Das Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Statorspule, die an
einem Motorgehäuse 33 befestigt
ist.
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Wie
in den 3 und 4 dargestellt ist, sind ein
Lagerhalter 36, ein Lager 38, ein scheibenförmiger Abstandshalter 40 und
ein Befestigungselement 42 an einem Ende der Förderspindelwelle 18,
das dem Kupplungselement 28 nahe liegt, angebracht. Der
Lagerhalter 36 ist mit Hilfe eines auf seine äußere Umfangsfläche geschnittenen
Gewindes an dem Gehäuse 16 befestigt.
Wie in 4 dargestellt
ist, hat das Befestigungselement 42 eine Vielzahl von Schlitzen 44, die
radial ausgebildet sind. Eine Vielzahl von Zungen 46, die
elastisch lediglich in einer Richtung arbeiten, sind in Umfangsrichtung
ausgebildet.
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Bei
dieser Anordnung werden das Lager 38 und der Abstandshalter 40 in
das Ende der Förderspindelwelle 18 eingesetzt,
und dann wird das Befestigungselement 42 entlang des Endes
der Förderspindelwelle 18 gepresst.
Dementsprechend umgeben die Zungen 46 das Ende der Förderspindelwelle 18 und
befestigen es.
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Wie
in 7 dargestellt ist,
ist der Kolben 22 bspw. einstückig aus Kunststoff hergestellt,
in welchen ein zylindrisches Element 48 aus einem metallischen
Material, wie Aluminium, eingesetzt ist. Der Kolben 22 und
die Kolbenstange 24 können
fest miteinander verbunden sein (vgl. 3),
bspw. durch Verschrauben, Verstemmen, eine Schrumpfpassung oder
eine Kühlpassung.
Ringförmige
Dämpfungselemente 50a, 50b,
die jeweils bspw. aus einem elastischen Material, wie Urethangummi,
bestehen, sind an beiden Enden des Kolbens 22 in Axialrichtung
angebracht.
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Beim
Herstellen des Kolbens 22 wird vorzugsweise ein Material
verwendet, das nodulares oder sphäroidisches Graphit und/oder
Karbonfasern in einem Kunstharzmaterial, wie PBT oder Polyacetal,
enthält.
Das nodulare Graphit ermöglicht
es, die Abrasionswiderstandseigenschaften zu verbessern, indem der
dynamische Reibungskoeffizient abgesenkt wird. Die Karbonfasern
ermöglichen
es, die mechanische Festigkeit auf dem mindestens erforderlichen
Niveau zu halten, indem die Dimensionshaltigkeit durch Verhinderung
jeglicher Deformation verbessert wird, welche andernfalls durch
die bei der Gleitbewegung erzeugte Hitze bewirkt würde.
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Die
folgenden Werte werden als mechanische Eigenschaften gefordert:
maximale
Zugfestigkeit: nicht mehr als 57 MPa
Bruchdehnung: 2 bis 5%
maximale
Biegefestigkeit: 80 bis 95 MPa
elastische Biegekonstante: 33
J/m
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Als
Schmiermittel werden vorzugsweise aromatische Diharnstoffverbindungen
oder Olefinlithiumseife mit einer kinematischen Viskosität von 100 cs
eingesetzt. Diese Komponenten sind mit den oben beschriebenen Materialien
kompatibel und es ist möglich,
die Lebensdauer wesentlich zu erhöhen.
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Führungsabschnitte 52 (vgl. 5 und 7) mit im Wesentlichen kreisbogenförmigem Querschnitt zur
Erreichung eines Linienkontaktes mit den äußeren Umfangsflächen der
Führungsstangen 20a, 20b sind
an beiden Seitenflächen
des Kolbens 22, der im Wesentlichen senkrecht zu der Achse
angeordnet ist, ausgebildet. Der Kolben 22 ist zwischen
den parallelen Führungsstangen 20a, 20b angeordnet.
Wie in 5 dargestellt
ist, wird daher, wenn eine Last in radialer Richtung (radiale Last)
auf den Kolben 22 oder eine Last in Rotationsrichtung (Rotationslast)
auf den Kolben 22 aufgebracht wird, die Last durch das
Paar von Führungsstangen 20a, 20b aufgenommen.
Die Führungsstangen 20a, 20b dienen
auch als Rotationsstopper für
die Last in Rotationsrichtung.
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Das
Gehäuse 12,
der Kolben 22 und die Stangenabdeckung 16 haben
jeweils eine, gesehen in axialer Richtung, ähnliche flache Gestalt. Die
Dimension in Höhenrichtung
ist im Vergleich zu der herkömmlichen
kastenförmigen
Kontur verringert (vgl. 6).
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Das
elektrische Stellglied 10 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist im Wesentlichen wie oben beschrieben aufgebaut. Nachfolgend
werden seine Betriebs-, Funktions- und Wirkungsweise erläutert.
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Wenn
eine nicht dargestellte Stromquelle betrieben wird, wird die Drehantriebskraft
der Drehantriebsquelle 14 über das Kupplungselement 28 auf die
Förderspindelwelle 18 übertragen.
Die Förderspindelwelle 18,
die in der festgelegten Richtung gedreht wird, wird in die Gewindeöffnung des
Kolbens 22 als der Fördermutter
eingeschraubt. Dementsprechend wird der Kolben 22 geführt durch
die Führungsstangen 20a, 20b gemeinsam
mit der Kolbenstange 24 in axialer Richtung verschoben.
Wenn die Polarität
des durch die Drehantriebsquelle 14 fließenden Stromes
umgekehrt wird, können
der Kolben 22 und die Kolbenstange 24 in der entgegengesetzten Richtung
betrieben werden.
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird das Stellglied durch einen Motor
angetrieben, der in der gleichen Weise eingesetzt wird, wie ein
Luftzylinder, auch in einer Umgebung, in der keine Druckluft vorhanden
ist oder eingesetzt werden kann.
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In
diesem Fall bezieht sich der Satz "in der gleichen Weise verwendet wie
ein Luftzylinder" bspw. auf
die Tatsache, dass das Stellglied auf der Basis einer EIN/AUS-Steuerung
betrieben wird, dass keine Steuerung erforderlich ist, dass der
Kolben 22 über Anschläge arbeiten
kann, dass das Stellglied ohne Sensor zur Erfassung der Position
des Kolbens betrieben werden kann, und dass die Möglichkeit
der Steuerung der Geschwindigkeit und der Schubkraft des Kolbens 22 und
der Kolbenstange 24 besteht.
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Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist der steife Körper 2, der beim Stand
der Technik eingesetzt wird, nicht notwendig. Das Paar paralleler
Führungsstangen 20a, 20b wird
zur Gewährleistung
der festgelegten Steifigkeit eingesetzt. Dadurch können die
Herstellkosten durch Verringerung der Teilezahl reduziert werden.
Außerdem
wird das Gewicht des elektrischen Stellgliedes verringert.
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Die
Herstellung des Gehäuses 12 und
der Stangenabdeckung 16 kann bspw. durch Aluminiumstranggießen, Kunststoff(spritz)gießen und
Blechtiefziehen erfolgen. Alternativ werden vorzugsweise Stahlplattenstapel
verwendet, die durch Stapeln einer Vielzahl von Stahlplatten integral
geformt werden (vgl. 10).
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Als
Drehantriebsquelle 14 wird vorzugsweise ein Gleichstrommotor
mit Bürsten,
ein bürstenloser Gleichstrommotor,
ein Schrittmotor oder ein Wechselstromservomotor eingesetzt.
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Als
Förderspindelwelle 18 wird
vorzugsweise eine Gleitförderspindel
aus Kunststoff, eine Gleitförderspindel
aus Metall oder eine Kugelspindelwelle eingesetzt. Alternativ ist
es auch möglich,
einen Zahnriemen einzusetzen, der über Riemenscheiben läuft.
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Als
nächstes
werden elektrische Stellglieder gemäß anderer Ausführungsformen
mit einem Abdeckelement beschrieben, die in den 11 bis 16 dargestellt
sind. Gleiche Aufbauelemente oder Teile wie bei dem elektrischen
Stellglied 10 gemäß 1 werden mit gleichen Bezugszeichen
bezeichnet. Auf ihre erneute detaillierte Beschreibung wird verzichtet.
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Bei
einem in den 11 und 12 dargestellten elektrischen
Stellglied 60 sind bspw. die Förderspindelwelle 18,
der Kolben 22 und die Führungsstangen 20a, 20b nicht
sichtbar. Das elektrische Stellglied 60 umfasst ein längliches
Abdeckelement 62, welches den Gesamtaufbau einschließlich bspw. der
Förderspindelwelle 18,
des Kolbens 22 und der Führungsstangen 20a, 20b abdeckt.
Vorzugsweise wird ein elektrisches Stellglied 16 mit Kolbenstange eingesetzt.
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Ein
in den 13 und 14 dargestelltes elektrisches
Stellglied 70 umfasst ein Abdeckelement 74, an
dessen Oberfläche
eine Öffnung 72 in
Axialrichtung ausgebildet ist, wobei ein Teil der Förderspindelwelle 18 und
des Kolben 22 durch die Öffnung 72 sichtbar
ist. Vorzugsweise wird als elektrisches Stellglied 70 ein
Stellglied mit Gleittisch eingesetzt. Wie in den 12 und 14 dargestellt
ist, ist ein Paar kreisbogenförmiger
Oberflächenabschnitte 75,
die den Führungen 52 des
Kolbens 22 zugewandt sind und mit den Führungsstangen 20a, 20b in
Eingriff stehen, an der Innenwandfläche des Abdeckelementes 62, 74 ausgebildet.
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Ein
in den 15 und 16 dargestelltes elektrisches
Stellglied 80 umfasst ein Paar von Sensorschienen 84a, 84b,
die eine Brücke
zwischen dem Gehäuse 12 und
der Stangenabdeckung 16 bilden und die Sensorbefestigungsnuten 82 aufweisen.
Als elektrisches Stellglied 80 können sowohl Stellglieder mit
Kolbenstange als auch solche mit Gleittisch eingesetzt werden.
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Die
Sensorbefestigungsnuten 82 sind an den Abdeckelementen 62, 74 und
den Sensorschienen 84a, 84b ausgebildet. Unterschiedlichste
Sensoren, bspw. Proximitätssensoren
und Fotomikrosensoren können
in den Sensorbefestigungsnuten 82 angebracht werden. In
den 12, 14 und 16 bezeichnet das
Bezugszeichen 86 einen Magneten. Die Position des Kolbens 22 wird
durch einen nicht dargestellten Sensor erfasst, der in der Sensorbefestigungsnut 82 angebracht
ist und das Magnetfeld des Magneten 86 erfasst.
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In
den 17 bis 19 ist ein elektrisches Stellglied 90 mit
einem rechteckigen kastenförmigen
Rahmen 92 dargestellt.
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Das
elektrische Stellglied 90 umfasst einen Rahmen 92,
in dem vier Sensorbefestigungsnuten 82, die sich in axialer
Richtung erstrecken, ausgebildet sind, eine Förderspindelwelle 18,
die die Drehantriebskraft einer Drehantriebsquelle 94 überträgt, einen
Fördermutternabschnitt 96,
der mit der Förderspindelwelle 18 verschraubt
ist, und einen Stangenabschnitt 98, der mit dem Fördermuttern abschnitt 96 verbunden
ist, wobei ein Teil nach außen
aus dem Rahmen 92 vorsteht.