DE102005055491A1 - Kunststoffspritzgussmaschine mit integriertem, linearrotatorischem Direktantrieb - Google Patents

Kunststoffspritzgussmaschine mit integriertem, linearrotatorischem Direktantrieb Download PDF

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Abstract

Eine Kunsststoffspritzgussmaschine soll mit einem kompakteren Antrieb ausgestattet werden, der einem geringen Verschleiß unterworfen ist. Hierzu ist vorgesehen, den Rotationsdirektantrieb in den Lineardirektantrieb zu integrieren. Dementsprechend weist der elektrische Linearmotor einen topfförmigen Außenläufer (13) auf, in dessem Innenraum der wesentliche Teil eines hohlzylinderförmigen Stators (16) des Linearmotors angeordnet ist und der mit der Abtriebswelle (10) fest verbunden ist. Der rotatorische Antrieb besitzt einen Stator (18), der an die Innenwand des hohlzylindrischen Stators (16) des Linearmotors montiert ist, und einen Rotor, der fest an die Abtriebswelle (10) innerhalb des Stators (18) des rotatorischen Elektromotors gekoppelt ist. Durch diesen Direktantrieb ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise und es kann auf verschleißbehaftete Gewindespindeln verzichtet werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kunststoffspritzgussmaschine mit einem elektrischen Rotationsantrieb und einem elektrischen Linearantrieb.
  • Als Antrieb, insbesondere als Einspritzer- und Dosierer-Aggregat, in einer Kunststoffspritzgussmaschine oder bei ähnlichen Maschinenanwendungen ist es erforderlich, eine rotatorische und eine lineare Bewegung auf der Antriebswelle zu realisieren. Diese Bewegungen müssen einerseits unabhängig voneinander aber auch überlagert zu erzeugen sein.
  • Bislang wurde eine derartige Bewegung mit zwei Freiheitsgraden durch den Einsatz von zwei getrennten, rotatorischen Antrieben realisiert. Ein solcher Antrieb ist in 1 im Querschnitt wiedergegeben. Eine Gewindespindel 1 wird über eine erste Spindelmutter 2 von einem ersten Rotationsantrieb 3 und über eine zweite Spindelmutter 4 von einem zweiten Rotationsantrieb 5 angetrieben. Die Gewindespindel 1 dient dazu, die Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umzuformen. Das Funktionsprinzip lässt sich mit Hilfe von 2 erläutern, in der die Antriebswelle bzw. Gewindespindel 1 und die Spindelmuttern 2, 4 schematisch dargestellt sind. Werden die Spindelmuttern 2, 4 in gleicher Richtung und gleicher Drehzahl angetrieben, so resultiert daraus eine rein rotatorische Bewegung. Werden hingegen die beiden Rotationsantriebe in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Drehzahl angetrieben, so führt dies zu einer reinen Linearbewegung der Gewindespindel. Bei unterschiedlichen Drehzahlen bzw. Drehrichtungen der Rotationsantriebe ergibt sich eine kombinierte Rotations-Linearbewegung. Nachteilig an diesem Antrieb ist zum einen die verhältnismäßig komplizierte Regelung, da bei der Ansteuerung der beiden Rotationsmotoren zur Erzielung einer Linearbewegung der Gewindetrieb mitberücksichtigt werden muss. Darüber hinaus sind für einfache Bewegungen stets zwei Motoren synchronisiert anzusteuern. Auch der Regelkreis für den Linearantrieb ist verhältnismäßig aufwendig. Ein weiterer großer Nachteil besteht darin, dass der Gewindetrieb aber auch die Lager einem relativ hohen Verschleiß unterworfen sind. Dieser resultiert daraus, dass diese Bauteile hohe axiale Kräfte aufnehmen müssen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass der gesamte Antrieb eine relativ große Bauform besitzt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen einfach anzusteuernden, verschleißarmen und kompakten Antrieb für eine Kunststoffspritzgussmaschine vorzuschlagen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kunststoffspritzgussmaschine mit einer Abtriebswelle, einem elektrischen Rotationsantrieb und einem elektrischen Linearantrieb, wobei der Linearantrieb einen ersten elektrischen Linearmotor mit topfförmigem Außenläufer, in dessen Innenraum der wesentliche Teil eines hohlzylinderförmigen Stators des ersten Linearmotors angeordnet ist und der mit der Abtriebswelle fest verbunden ist, aufweist und der Rotationsantrieb einen rotatorischen Elektromotor aufweist, dessen Stator im Inneren des hohlzylindrischen Stators des ersten Linearmotors fest mit diesem verbunden angeordnet ist und dessen Rotor fest an die Abtriebswelle innerhalb des Stators des rotatorischen Elektromotors gekoppelt ist.
  • Durch den linear-rotatorischen Direktantrieb kann ein sehr verschleißarmes System erzielt werden, da auf einen Gewindetrieb verzichtet und die Lager keine axialen Kräfte aufnehmen müssen. Des Weiteren lässt sich durch die Ineinanderschachtelung der beiden Antriebe eine äußerst kompakte Bauweise erzielen.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Außenläufer einseitig über eine Topfscheibe an der Abtriebswelle befestigt sein. Diese Bauform eignet sich insbesondere für Maschinen, bei denen nur ein geringer axialer Bauraum zur Verfügung steht.
  • Die Abtriebswelle kann im Inneren des Stators des Linearantriebs durch ein Lagerschild gelagert sein. Durch diese Maßnahme lässt sich ebenfalls der Bauraum in axialer Richtung sehr kurz halten.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter elektrischer Linearmotor vorgesehen, der mit dem ersten Linearmotor in Reihe geschaltet ist. Durch die koaxiale Anordnung hintereinander lässt sich die mechanische Steifigkeit und die Dynamik des Antriebs gegenüber einem Antrieb mit einem einzigen Linearmotor gleicher Axialkraft erhöhen.
  • Im Falle der zwei hintereinander geschalteten elektrischen Linearmotoren können die Statoren der beiden Linearmotoren über einen dazwischen angeordneten Flansch miteinander verbunden sein. Hierdurch lässt sich der Kombinationsantrieb in seiner axialen Mitte günstig lagern.
  • Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch ein Einspritzer-Dosierer-Aggregat gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 eine Prinzipsskizze zur Wirkungsweise des Einspritzer-Dosierer-Aggregats gemäß 1;
  • 3 einen Querschnitt durch einen integrierten, linear-rotatorischen, elektrischen Direktantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 einen Querschnitt durch einen integrierten, linear-rotatorischen, elektrischen Direktantrieb mit zwei in Reihe geschalteten Linearmotoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
  • Der in 3 wiedergegebene Querschnitt eines integrierten, linear-rotatorischen, elektrischen Direktantriebs zeigt eine Abtriebswelle 10, die abtriebsseitig an einem Lagerschild 11 eines Gehäuses 12 gelagert ist. An der Abtriebswelle 10 ist im Inneren des Gehäuses 12 ein topfförmiges Gebilde rotationssymmetrisch angeformt, das den Außenläufer 13 des linearen Direktantriebs darstellt. An der Innenwand des zylinderförmigen Abschnitts des Außenläufers befinden sich Permanentmagnete 14. Eine Topfscheibe 15 stellt die Verbindung zwischen dem zylinderförmigen Außenläuferabschnitt 13 und der Abtriebswelle 10 dar.
  • Im Inneren des Außenläufers 13 befindet sich ein hohlzylindrischer Stator 16 des Linearmotors. Dieser ist an einem dem Lagerschild 11 gegenüberliegenden Deckel 17, welcher an das Gehäuse 12 angeschraubt ist, verbunden. An der Innenwand des hohlzylindrischen Stators 16 des Linearmotors ist ein Stator 18 des rotatorischen Direktantriebs befestigt. In 3 sind einige der Wicklungen und ein Teil des Blechpakets des Stators 18 angedeutet. Innerhalb des Stators 18 läuft der Rotor 19 des rotorischen Direktantriebs. Er ist auf der Abtriebswelle 10 befestigt. Im Inneren des Stators 16 des Linearantriebs befindet sich außerdem ein Lagerschild 20, an dem die Welle 10 antriebsseitig gelagert ist.
  • Die mit dem Kombinationsantrieb erzielbare überlagerte Bewegung ist mit den Doppelpfeilen 21 in 3 angedeutet. Die Linearbewegung der Abtriebswelle 10 lässt sich aufgrund des skizzierten Kraftflusses 22 erzielen, der vom Außenläufer 13 über die Topfscheibe 15 zur Abtriebswelle 10 verläuft.
  • Die Vorteile dieses Kombinationsantriebs liegen in seiner kompakten Bauweise, die dadurch realisiert wird, dass der rotatorische Motor mit seinem Stator 18 an der Innenwand des Linearmotorstators 16 koaxial mit diesem montiert ist. Diese Anordnung erlaubt darüber hinaus eine gemeinsame Entwärmung des linearen und rotatorischen Stators.
  • Der Linearmotor ist bei dieser Anordnung als Außenläufermotor ausgeführt, wobei der Außenläufer starr mit der Welle verbunden ist und sich mit der Drehzahl des rotatorischen Läufers dreht. Durch die Realisierung einer starren Verbindung des Außenläufers 13 mit der Abtriebswelle 10 lassen sich hohe lineare Positioniergenauigkeiten erzielen.
  • Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen integrierten Direktantriebs liegen im Verzicht auf eine kostenintensive Antriebskombination aus Lager und Gewindetrieb, die bei der Umsetzung der rotatorischen Antriebsbewegung in eine kombinierte linear-rotatorische Vorschubbewegung (vgl. 1 und 2) Verwendung findet. Dies führt zu einer Kosteneinsparung und durch die Reduzierung kostenintensiver Zukaufteile zu einer erhöhten elektromechanischen Wertschöpfung bzw. Veredelungsleistung des Gesamtantriebs. Ferner ist das Antriebssystem wesentlich einfacher zu regeln, da die Bewegungen der einzelnen Antriebe direkt erzeugt und für die Regelung einfach abgegriffen werden können. Des Weiteren kann bei dem integrierten, linear-rotatorischen Direktantrieb auf verschleißbehaftete, mechanische Komponenten wie Axiallager und Gewindetrieb verzichtet werden. Dadurch lässt sich eine längere Standzeit des Antriebs erzielen.
  • Ein weiterer Antrieb für eine erfindungsgemäße Spritzgussmaschine ist in 4 im Querschnitt wiedergegeben. Der Aufbau dieses Antriebs entspricht in der linken Hälfte im Wesentlichen dem von 3. Dies bedeutet, dass der Außenläufer 30 des Linearmotors topfförmig ausgebildet ist und den hohlzylindrischen Stator 31 des Linearmotors umgibt. Eine Topfscheibe 32 stellt die Verbindung zwischen dem Außenläufer 30 und der Abtriebswelle 33 her. An die Innenseite des Stators 31 des Linearmotors ist der Stator 34 des Rotationsmotors montiert. An der Abtriebsseite nahe der Topfscheibe 32 ist im Inneren des Stators 31 des Linearmotors ein Lagerschild 35 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Abtriebswelle 33 an dem Stator 31 gelagert ist. Die Lagerung erfolgt für die rotatorische Bewegung über ein Kugellager 36 und für die Linearbewe gung über eine Kugelbüchse 37. Die Kugelbüchse erlaubt eine Linearbewegung unbegrenzt entlang der Welle 33. Die Lager 36 und 37 nehmen somit keine Axialkräfte auf.
  • Ein zweiter Linearmotor befindet sich spiegelbildlich zu dem beschriebenen ersten Linearmotor in axialer Verlängerung zu diesem. Der zweite Linearmotor bestehend aus dem Außenläufer 40, dem Stator 41 und der zweiten Topfscheibe 42 treibt ebenfalls die Welle 33 an.
  • In dem gewählten Beispiel ist der zweite Stator 41 mit dem ersten Stator 31 einstückig gebildet, wobei zwischen beiden ein Flansch 43 ausgeformt ist. An diesem Flansch 43 lässt sich der gesamte Antrieb lagern. Im Bereich des Flansches 43 wird die Welle ebenfalls durch ein Kugellager 44 und eine Kugelbüchse 45 gelagert. Am anderen Ende im Bereich der zweiten Topfscheibe 42 ist die Welle 33 innerhalb des Stators 41 durch ein weiteres Lagerschild 46 mit Hilfe eines Kugellagers 47 und einer weiteren Kugelbüchse 48 gelagert.
  • Bei dem Antrieb gemäß der Ausführungsform von 4 sind also zwei Linearmotoren in Reihe geschaltet. Durch diese Hintereinanderschaltung lassen sich höhere Axialkräfte erzielen. Um gleiche Axialkräfte mit einem Antrieb gemäß dem Beispiel von 3 erreichen zu können, müsste dieser eine größere Außenläuferfläche besitzen, d. h. bei vorgegebener Länge einen größeren Durchmesser aufweisen. Dadurch würde sich jedoch die mechanische Steifigkeit des Antriebs vermindern. Ferner würde durch die Erhöhung des Durchmessers die Trägheit des Rotors zunehmen, so dass die Dynamik des Antriebs sinken würde. Dies bedeutet, dass die Reihenschaltung von zwei Linearmotoren geringeren Durchmessers zu einer höheren mechanischen Steifigkeit und zu einer höheren Dynamik des Antriebs führen.

Claims (5)

  1. Kunststoffspritzgussmaschine mit – einer Abtriebswelle (10; 33), – einem elektrischen Rotationsantrieb und – einem elektrischen Linearantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass – der Linearantrieb einen ersten elektrischen Linearmotor mit topfförmigem Außenläufer (13; 30, 40), in dessen Innenraum der wesentliche Teil eines hohlzylinderförmigen Stators (16; 31, 41) des ersten Linearmotors angeordnet ist und der mit der Abtriebswelle (10; 33) fest verbunden ist, aufweist und – der Rotationsantrieb einen rotatorischen Elektromotor aufweist, dessen Stator (18; 34) im Inneren des hohlzylindrischen Stators (16; 31, 41) des ersten Linearmotors fest mit diesem verbunden angeordnet ist und dessen Rotor fest an die Abtriebswelle (10; 33) innerhalb des Stators (18; 34) des rotatorischen Elektromotors gekoppelt ist.
  2. Kunststoffspritzgussmaschine nach Anspruch 1, wobei der Außenläufer (13) einseitig über eine Topfscheibe (15) an der Abtriebswelle (10) befestigt ist.
  3. Kunststoffspritzgussmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abtriebswelle (10; 33) durch ein Lagerschild (20; 46) im Inneren des Stators (16; 41) des Linearantriebs gelagert ist.
  4. Kunststoffspritzgussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen zweiten elektrischen Linearmotor aufweist, der mit dem ersten Linearmotor in Reihe geschaltet ist.
  5. Kunststoffspritzgussmaschine nach Anspruch 4, wobei die Statoren (31, 41) der beiden Linearmotoren über einen dazwischen angeordneten Flansch (43) miteinander verbunden sind.
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