DE102008042235B3

DE102008042235B3 - Schrittantrieb sowie Schrittantriebsanordnung

Info

Publication number: DE102008042235B3
Application number: DE200810042235
Authority: DE
Inventors: Joachim Frangen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schrittantrieb (2), umfassend einen Läufer (1) sowie mindestens zwei mit dem Läufer (1) zusammenwirkende, den Läufer (1) schrittweise antreibende, einzeln oder in Gruppen (16a, 16b, 16c) ansteuerbare Antriebsmittel (10). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Antriebsmittel (10) jeweils mindestens ein durch Fluidbeaufschlagung dehnbares Dehnelement (11) umfassen. Ferner betrifft die Erfindung eine Schrittantriebsanordnung.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Schrittantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Schrittantriebsanordnung gemäß Anspruch 14.
Schrittantriebe kommen häufig bei technischen Anwendungen zum Einsatz, bei denen rechnergesteuerte Positionierangaben mit geringem Leistungsbedarf (bis etwa 1 kw) realisiert werden müssen. Gebräuchlich sind dabei elektrische Rotations- oder Linearschrittantriebe. Typische Anwendungen für Schrittantriebe sind dabei Roboteranwendungen und Achssysteme. Elektrische Schrittantriebe folgen einem vorgegebenen Feld und benötigen daher in der Regel keine Sensoren zur Positionsrückmeldung. Sie sind preiswert realisierbar und öffnen damit auch ein weites Feld an Anwendungen bei Konsumgütern.
Die DE 20 43 958 A zeigt einen elektrohydraulischen Schrittantrieb und die US 6 837 141 B1 einen hydraulischen Antrieb.
Für Positionieraufgaben mit hohen Anforderungen an Kräfte und Momente kommen auch hydraulische Direktantriebe zum Einsatz, beispielsweise zur mikrometergenauen Positionierung von Werkzeugschlitten in Bearbeitungsmaschinen. Hydraulische Direktantriebe umfassen dabei einen relativ zu einem Läufer verstellbaren, mit Öldruck beaufschlagbaren Kolben. Das Vorsehen derartiger Kolben/Zylindereinheiten erfordert Sensoren zur Positionsrückmeldung, eine elektrische Regelung sowie präzise ansteuerbare Ventile. Vorteilhaft sind die hohe erzielbare Leistungsdichte und die hohe Steifigkeit der äußeren Lasteinwirkung. Nachteilig ist die Leckage von Kolben und Zylinder, die sich prinzipbedingt nie vollständig vermeiden lässt.
Die US 5 033 943 A zeigt eine Schlauchpumpe mit einem nicht im Schrittbetrieb arbeitenden Elektromotor. Die US 4 347 778 A1 , die US 2005/0271 525 A1 und die DE 2 119 786 A1 zeigen ebenfalls Pumpaggregate.
Offenbarung der Erfindung
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen alternativen, pneumatisch oder hydraulisch betreibbaren Schrittantrieb vorzuschlagen, bei dem Leckageverluste vermieden werden. Bevorzugt soll der Schrittantrieb einfach aufgebaut sein und es soll vorzugsweise auf den Einsatz eines mechanischen Getriebes zur Erzeugung hoher Drehmomente verzichtet werden können. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Schrittantriebsanordnung, umfassend mehrere, wie zuvor beschrieben ausgebildete Schrittantriebe bereitzustellen.
Technische Lösung
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Schrittantriebs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Schrittantriebsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Stand der Technik eingesetzten, starren Kolben/Zylinderanordnungen durch Dehnelemente zu ersetzen, die von innen mit Fluid, insbesondere Gas oder Flüssigkeit, beaufschlagbar sind und auf diese Weise mit dem Läufer in Wechselwirkung treten, derart, dass sie den Läufer schrittweise in eine Bewegungsrichtung antreiben. Bevorzugt sind die Dehnelemente als verformbare Schläuche oder Kissen ausgebildet. Gegenüber fluidischen Antrieben mit Kolben und Zylinder tritt bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Schrittantrieb keinerlei Leckage auf, da das Fluidsystem vollständig geschlossen werden kann. Bevorzugt werden die mit dem Fluid in Berührung stehenden Teile aus einem nicht korrosiven Material, vorzugsweise elastisch verformbaren, Material wie Kunststoff oder Gummi, hergestellt, um beispielsweise Wasser als Fluid einsetzen zu können, mit Vorteilen für die Gesundheit, die Umweltverträglichkeit, für die Servicetauglichkeit sowie im Hinblick auf eine Senkung der Herstellungs- und Instandhaltungskosten. Mindestens eine Seite des Läufers, die sogenannte Antriebsfläche, steht den Abtriebselementen gegenüber und ist bevorzugt als sogenannte Läuferperiode periodisch geformt. Die Kraft eines sich ausdehnenden Dehnelementes bewirkt lokal ein Ineinanderpressen von periodischen Strukturen, sodass Antriebs- und Läuferperioden am Ort des Abtriebselementes phasengleich übereinanderliegen. Bevorzugt ist der Phasenversatz zwischen der von den Dehnelementen oder mindestens einem später noch zu erläuternden Kraftübertragungselement gebildeten Antriebsperiode und der Läuferperiode bei sämtlichen Antriebselementen oder Gruppen von Antriebselementen unterschiedlich und ganz besonders bevorzugt in gleichen Phasenabständen über den gesamten Bereich von 0° bis 360° verteilt. Wird der Druck in einem Dehnelement abgebaut und im nächsten Dehnelement aufgebaut, verschiebt sich der Läufer um eine entsprechende (Teil-)Schrittweite in Laufrichtung weiter. Bevorzugt wird ein zyklischer Druckauf- und abbau in, insbesondere aufeinanderfolgenden, Dehnelementen oder Gruppen von Dehnelementen erzeugt, um den Läufer über eine größere Bewegungsstrecke zu verstellen. Die Umkehrung der Ansteuerungsreihenfolge bewirkt eine Richtungsumkehrung. Die Frequenz der Druckweiterschaltung bestimmt die Geschwindigkeit des Läufers. Bevorzugt ist der Läufer mit einem Abtrieb ausgestattet, der die Abtriebskraft und die daraus resultierende Position auf eine spezifische Anwendung überträgt. Die wesentlichen Parameter des Schrittantriebs, wie die Schrittweite, die Abtriebskraft bzw. das Abtriebsmoment und die Bewegungsgeschwindigkeit können auf vielfältige Weise beeinflusst werden, beispielsweise durch die Wahl der Antriebs- und Läuferperiode, die Wahl der Wirkfläche/Kontaktfläche der Dehnelemente, beispielsweise in Größe und Form sowie die Gestaltung eines fakultativ vorzusehenden, später noch zu erläuternden, Kraftübertragungselementes zwischen den Dehnelementen und dem Läufer.
Um die Kraft bzw. das Moment des Antriebs zu steigern, kann die Anzahl der Antriebsmittel bzw. der Dehnelemente um einen ganzzahligen Faktor gesteigert werden, wobei bevorzugt mehrere Antriebsmittel bzw. Dehnelemente fluidisch miteinander verbunden werden, derart, dass sie sich gleichzeitig dehnen. Fluidisch miteinander verbundene Antriebsmittel bzw. Dehnelemente bilden dabei eine fluidische Gruppe. Bevorzugt sind die Dehnelemente einer Gruppe derart angeordnet, dass sie phasengleich in die Läuferperiode eingreifen und sich ihre Wirkkräfte addieren. Es ist auch möglich, dass die Dehnelemente einer Gruppe voneinander beabstandet sind und zwischen zwei Dehnelementen einer Gruppe mindestens ein Dehnelement einer anderen Gruppe angeordnet ist. Aus einer derartigen, verteilten Anordnung kann ein Bauraumvorteil resultieren.
Wesentliche Vorteile des nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Schrittantriebs sind die hohe Leistungsdichte, die der Größe der mechanischen Leistung in Bezug zu Bauraum oder Gewicht des Schrittantriebes entspricht, sowie die höheren realisierbaren Kräfte und Momente als elektrische Schrittantriebe, ohne ein nachgeschaltetes Getriebe vorsehen zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist die vollständige Verhinderung einer Leckage, da die Arbeitsvolumina der Dehnelemente in einem geschlossenen Fluidsystem aufgenommen werden können. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass Fluid, insbesondere Hydraulikfluid, eingesetzt werden kann, von dem keine Gesundheits- und Umweltgefährdung ausgeht. Im Gegensatz zu elektrischen Schrittantrieben wird in einem Haltezustand keine Energie verbraucht. Ferner ist eine einfache und preiswerte Ansteuerung mit herkömmlichen Rechnern möglich. Darüber hinaus resultiert ein Kostenvorteil aus der geringen Systemkomplexität und der Möglichkeit zum Einsatz von Standardbauteilen mit niedrigen Anforderungen und hoher Verfügbarkeit. Ferner resultiert ein Kostenvorteil bei später noch zu erläuternden Systemen mit mehreren Schrittantrieben durch eine zentrale Bereitstellung fluidischer Energie. Ferner ist ein breites Spektrum an Leistungsparametern über unterschiedliche Konstruktionsvarianten und Skalierungen darstellbar. Ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeter Schrittantrieb lässt sich in unterschiedlichen Bauformen, beispielsweise als klassischer Rotationsmotor, als Ringmotor, als Linearmotor oder in sonstigen Sonderbauformen realisieren. Die Positioniergenauigkeit ist dabei weitgehend unabhängig von Druckschwankungen. Je nach konstruktiver Auslegung eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Schrittantriebs ist dieser skalierbar vom Kleinstleistungsbereich von etwa einem Watt bis in den Bereich hoher Leistungen von vielen Ki lowatt. Die Positioniergenauigkeit kann, wie bei elektromotorischen Schrittantrieben, über konstruktive Varianten in weiten Bereichen der Zielanwendung angepasst werden. Wie später noch erläutert werden wird, ist mit einem Dehnelemente aufweisenden Schrittantrieb auch ein Mikroschrittbetrieb zur Erzielung höchster Positioniergenauigkeiten realisierbar, also die Unterteilung eines Vollschrittes in eine Vielzahl sogenannter Mikroschritte, insbesondere durch eine analoge Ansteuerung. Bevorzugt ist der mittels der Antriebselemente in eine Bewegung versetzbare Läufer als Last-Träger mit einer reibungsarmen Führung/Lagerung realisiert, die die Bewegungsrichtung des Trägers vorgibt.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Dehnelemente bei Fluidbeaufschlagung entweder unmittelbar am Läufer anliegen, also diesen unmittelbar mit einer Kraft in Bewegungsrichtung beaufschlagen oder nur mittelbar, über mindestens ein Kraftübertragungselement, das sich in einem Bereich zwischen den Dehnelementen und dem Läufer befindet. Bevorzugt trägt das Kraftübertragungselement eine periodische Struktur (Antriebsperiode), die in die periodische Struktur des Läufers (Läuferperiode) eingreift und die zur Läuferperiode phasenverschoben angeordnet ist. Die Antriebsperiode kann dabei prinzipiell unabhängig vom Abstand der Dehnelemente bzw. Antriebselemente gewählt werden. Dadurch können bei gleicher Anordnung der Antriebselemente unterschiedliche Schrittweiten realisiert werden. Das Kraftübertragungselement kann als gemeinsames, insbesondere einstückiges, Kraftübertragungselement ausgebildet werden oder segmentiert als mehrteilig ausgeführt sein, so dass beispielsweise jedes Antriebsmittel ein Segment bzw. ein eigenes Kraftübertragungselement bewegt. Das Vorsehen eines Kraftübertragungselementes verhindert in ho hem Maße den mechanischen Verschleiß, der an den Dehnelementen durch den periodischen Kontakt mit der Antriebsfläche des Läufers auftreten würde. Beispielsweise kann das Kraftübertragungselement als periodisch gewelltes Blech ausgeführt werden. Das Kraftübertragungselement ist mit Vorteil in einer Führung derart gelagert, dass im Wesentlichen nur Kraftkomponenten in Ausdehnungsrichtung der Dehnelemente übertragen werden und Querkräfte in ein Statorgehäuse abgeleitet werden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Dehnelemente derart ausgebildet sind, dass sie sich bei Fluidbeaufschlagung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers dehnen. Eine in Bewegungsrichtung des Läufers zeigende Kraftkomponente wird bevorzugt durch eine entsprechende Ausformung der Kontaktflächen zwischen den Dehnelementen und dem Läufer bzw. zwischen dem Kraftübertragungselement und dem Läufer realisiert. Beispielsweise ist es möglich, eine periodisch gewellte Ausformung der Kontaktfläche zu realisieren.
Die dehnbaren Dehnelemente können einzeln oder in Gruppen in einem Käfig gefangen sein, der deren Ausdehnung in mindestens einer, vorzugsweise in sämtlichen Raumrichtungen begrenzt, so dass die Dehnelemente auch bei hohem Druck des Fluids nicht reißen. Der Käfig kann dabei beispielsweise aus einem Boden und einem beweglichen Deckel bestehen, wobei der Boden fest mit einem Stator verbunden oder Teil desselben sein kann, während der Deckel in gewissen Grenzen der Ausdehnung der Antriebsmittel nachgibt.
In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Läufer mehrere, vorzugsweise voneinander beabstan dete, drehbar gelagerte Walzen aufweist, die entweder unmittelbar mit den Dehnelementen oder mit dem mindestens einen Kraftübertragungselement zusammenwirken. Die Walzen bilden dabei eine periodische Struktur (Läuferperiode) auf der Antriebsfläche des Läufers, um Reibungskräfte und die Verschleißwirkung beim Kontakt zwischen Dehnelementen und Läufer bzw. Kraftübertragungselement und Läufer zu minimieren und gleichzeitig die Positioniergenauigkeit zu erhöhen.
Bevorzugt sind die Walzen jeweils um eine sich senkrecht zur Bewegungsrichtung erstreckende Achse drehbar gelagert.
Wie eingangs bereits erwähnt, kann der Schrittantrieb sowohl als Rotationsantrieb als auch als Linearantrieb ausgebildet werden. Im Falle der Ausbildung des Schrittantriebs als rotatorischer Antrieb ist der Läufer rotatorisch zu lagern, und die Dehnelemente der Antriebsmittel oder die Kraftübertragungselemente einer fluidischen Gruppe von Antriebsmitteln können in äquidistanten Winkelabständen um die Rotationsachse des Läufers herum angeordnet werden. Es kommt dann zu einer symmetrischen Krafteinwirkung auf die Rotationsachse, da immer alle Dehnelemente einer Gruppe gleichzeitig aktiv sind. Die Querbelastung der Rotationsachse bzw. des Achslagers durch eine einseitige Kraftausübung eines einzelnen Dehnelementes wird so mit Vorteil vermieden. Im Falle der Realisierung eines Linearantriebs ist der Läufer bevorzugt linear zu führen.
In Bezug auf die Anordnung der Antriebsmittel gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Anordnung der Antriebsmittel außerhalb des Läufers, also derart, dass der Läufer in Bewegungsrichtung relativ zu den Arbeitmitteln bewegbar ist. Es ist jedoch auch eine Ausführungsform realisierbar, bei der die Antriebsmittel am Läufer angeordnet sind, wobei sich in diesem Fall die Fluidversorgung in Elemente etwas schwieriger gestaltet. Im Falle der Anordnung der Antriebsmittel am Läufer wirken die Dehnelemente der Antriebsmittel bevorzugt mit einem statischen Gegenlager zusammen, an dem sie sich bei Fluidbeaufschlagung in Bewegungsrichtung abstützen.
In einer Ausführungsvariante kann ein Teil der Bewegungsenergie zur mechanischen Weiterschaltung von den den Dehnelementen zugeordneten Ventilen genutzt werden, derart, dass der Schrittantrieb selbsterregend, d. h. ohne äußere Schrittvorgabe, betrieben werden kann.
Besonders bevorzugt ist es, insbesondere bei der Realisierung eines später noch zu erläuternden Mikroschrittantriebes, wenn mindestens ein Positionssensor eingesetzt wird, der bevorzugt die Stellung des Läufers in Bezug auf einen Stator erfasst. Dabei ist der Positionssensor ganz besonders bevorzugt Bestandteil eines, insbesondere elektrischen, Lage-Regelkreises, wobei der Regler des Regelkreises die den Dehnelementen zugeordneten Ventile, insbesondere elektrische Ventile, oder Drehventile, die von einem elektrischen Schrittantrieb mit kleiner Leistung verstellt werden, auf eine gewünschte Zielposition regelt.
Bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen kann zwischen einem Stator des Schrittantriebs und einem Anbauort, insbesondere einer Maschine, ein Positionierelement eingebaut werden, welches den Stator und damit den gesamten Schrittantrieb in Wirkrichtung des Schrittantriebs um mindestens eine Schrittweite, vorzugsweise um ausschließlich eine Schrittweite, verfahren kann. Bevorzugt weist das Positio nierelement dabei eine höhere Präzision als der eigentliche Schrittantrieb auf. Das Positionierelement wird bevorzugt in der Weise von einem Regler angesteuert, dass es kleine verbleibende Lageabweichungen in der Zielposition ausgleicht. Das Positionierelement kann in den Stator selbst integriert werden, so dass es mit diesem eine Einheit bildet. Es kann ebenfalls von fluidischen Dehnelementen angesteuert werden. Aufgrund des geringen Verfahrweges von vorzugsweise nur einer Schrittweite können im Positionierelement preiswerte Festkörpergelenke eingesetzt werden.
Die Ansteuerung der Dehnelemente der Antriebsmittel erfolgt bevorzugt über eine Ansteuerung von den den Dehnelementen zugeordneten Ventilen. Mit Vorteil ist den Ventilen eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zugeordnet, die es ermöglicht, den Schrittantrieb im Vollschritt-, im Halbschritt- oder im Mikroschrittbetrieb zu betreiben. Dabei werden bevorzugt zur Realisierung eines Halbschritt- oder Vollschrittbetriebs digital zwischen zwei Druckwerten hin- und her schaltbare, insbesondere elektrische, Schaltventile eingesetzt. Zur Realisierung eines Mikroschrittantriebs ist es bevorzugt, Druckregelventile einzusetzen, die analoge Druckwerte an die Dehnelemente ausgeben.
Wie eingangs erwähnt, ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der sich das eingesetzte Fluid durch eine Umweltverträglichkeit sowie durch eine mangelnde Gesundheitsgefährdung auszeichnet. Besonders bevorzugt wird als Fluid Wasser eingesetzt, oder ein Fluid mit einem Wasseranteil von mehr als 50 Gew.-%.
Die Erfindung führt auch auf eine Schrittantriebsanordnung mit mindestens zwei, wie zuvor beschrieben ausgebildeten Schrittantrieben. Die Schrittantriebsanordnung zeichnet sich durch ein gemeinsames Pneumatik- oder Hydraulikaggregat zur Versorgung der beiden Schrittantriebe mit pneumatischer oder hydraulischer Energie, also mit unter Druck stehendem Fluid, aus.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines, mehrere drehbare Walzen aufweisenden, Läufers eines Schrittantriebs,
2a, 3a, 4a unterschiedliche Betriebszustände einer möglichen Ausführungsform eines Dehnelementes,
2b, 3b, 4b Schnittdarstellungen der 2a, 3a, 4a,
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Schrittantriebs mit dem in 1 gezeigten Läufer sowie mit Dehnelementen gemäß den 2a bis 4b,
6 eine alternative Ausführungsform eines Schrittantriebs mit einem Acht-Walzen-Läufer, bei dem sechs Dehnelemente in drei Gruppen mit je zwei sich 180° gegenüberstehenden Dehnelementen zusammengeschaltet sind,
7 eine weitere alternative Ausführungsform eines Schrittantriebs, bei der vier Dehnelemente die Antriebskräfte über ein gemeinsames Kraftübertragungselement auf einen rotatorisch gelagerten Läufer übertragen,
8a ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines Schrittantriebs mit vier Antriebselementen und einem Neunzehn-Walzen-Läufer,
8b ein Diagramm, das den Druckverlauf an den vier Dehnelementen gemäß 8a im Halbschrittverfahren zeigt,
8c ein Diagramm, das den Druckverlauf an den vier Dehnelementen gemäß 8a im Mikroschrittverfahren zeigt,
9 ein als Linearantrieb ausgeführter Schrittantrieb mit drei Antriebsmitteln,
10 eine alternative Ausführungsform eines als Linearantrieb ausgebildeten Schrittantriebs, bei dem mehrere Dehnelemente zu Gruppen zusammengefasst sind, und
11 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines als Linearmotor ausgebildeten Schrittantriebs, bei dem die Kraftübertragung zwischen Dehnelementen und linearverstellbarem Läufer über drei separate Kraftübertragungselemente erfolgt.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist eine mögliche Ausgestaltung eines Läufers 1 für einen in 5 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigten Schrittantrieb 2 gezeigt. Der Läufer 1 umfasst eine drehbar um eine Rotationsachse 3 gelagerte Welle 4, an der drehfest zwei axial beabstandete, kreisringscheibenförmige Flansche 5, 6 festgelegt sind. Die Flansche 5, 6 dienen zur drehbaren Lagerung von in diesem Ausführungsbeispiel sieben Walzen 7, die den gleichen Durchmesser aufweisen und nebeneinanderliegend gleichmäßig über den Umfang des Läufers 1 verteilt angeordnet sind. Die Drehachsen 8 der Walzen 7 verlaufen parallel zur Rotationsachse 3 des Läufers 1. Die Walzen 7 sind so dimensioniert, dass sie bei der Drehung des Läufers 1 kollisionsfrei in Aussparungen der in 1 nicht gezeigten Antriebsmittel eintauchen können. Die Walzen 7 bilden mit ihrer nach außen gerichteten Umfangskontur gemeinsam mit den Abständen zwischen den Walzen 7 die sogenannte Antriebsfläche 9 des Läufers, wobei die Größe, Anzahl und Anordnung der Walzen 7 die Läuferperiode bestimmt.
In den 2a bis 4b ist eine mögliche Ausführungsform von Antriebsmitteln 10 mit einem Dehnelement 11 in unterschiedlichen Betriebszuständen gezeigt. Die Dehnelemente 11 wir ken, wie sich aus 5 ergibt, derart mit dem Läufer 1, genauer den Walzen 7 des Läufers 1, zusammen, dass der Läufer 1 in eine Bewegungsrichtung bewegt, hier um die Rotationsachse 3 rotiert, wird. In den 2a bis 2b ist das Dehnelement 11, hier ein dehnbarer Schlauch, im drucklosen Zustand gezeigt. Das Dehnelement 11 ist in einer mechanisch stabilen Umhausung (Käfig 12) angeordnet, die eine Ausdehnung der Dehnmittel 11 nur in Richtung des Läufers 1 (vgl. 5) erlaubt. Hierzu ist im Käfig 12 eine Aussparung 13 vorgesehen. In den 3a und 3b ist das Dehnelement 11 bei Fluidbeaufschlagung gezeigt. Zu erkennen ist, dass sich das Dehnelement 11 nach außen aus der Aussparung 13 heraus erstreckt und so betätigend auf den Läufer 1 einwirken kann. In den 4a und 4b wird das Dehnelement 11 durch Einwirkung einer äußeren Kraft F in den Käfig 12 hineingedrückt.
In 5 ist eine mögliche Ausführungsform eines rotatorisch arbeitenden Schrittantriebs 2 gezeigt. Zu erkennen ist der zentrisch angeordnete Läufer 1 mit seinen gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten, drehbar gelagerten sieben Walzen 7. Der Schrittantrieb 2 umfasst vier gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Antriebsmittel 10a, 10b, 10c, 10d, jeweils umfassend ein Dehnelement 11a, 11b, 11c, 11d. Die Dehnelemente 11a–11d können zyklisch und schrittweise mit Fluid, d. h. mit wechselndem Fluiddruck, beaufschlagt werden. Dabei bewegt sich der Fluiddruck sämtlicher Dehnelemente 11 zwischen zwei Extremwerten, beispielsweise zwischen einem von einem Hydraulikaggregat bereitgestellten Druck und dem Umgebungsdruck. Wie bei einem elektrischen Schrittantrieb kann die Ansteuerung im digitalen Schrittbetrieb, beispielsweise im Halbschrittbetrieb, erfolgen (vgl. 8b). Im digitalen Schrittbetrieb erfolgt eine schrittweise Drehung des Läufers 1 um die Rotationsachse 3, da sich die druckbeaufschlagten Dehnelemente 11 in die aus Walzen 7 und einer Statorumhausung 14 gebildeten Kammern 15 einpressen und so eine symmetrische Ausrichtung der jeweils zwei dem entsprechenden Dehnelement 11 gegenüberliegenden Walzen 7 erzwingen kann. Insbesondere dann, wenn das jeweilige, einem Dehnelement 11 vorgeschaltete, Ventil auch analoge Druck-Zwischenwerte bereitstellen kann, kann der Schrittantrieb 2 auch im Mikroschrittbetrieb gefahren werden (vgl. 8c). Die Anzahl der Dehnelemente 11 und die Anzahl der Walzen 7 sind bevorzugt so gewählt, dass die in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Dehnelemente 11 mit den umlaufenden Drehachsen 8 der Walzen 7 einen äquidistanten Phasenversatz einschließen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Vollschritte pro Läuferumdrehung achtundzwanzig (d. h. 56 Halbschritte).
6 zeigt eine Variante mit drei Gruppen 16a, 16b, 16c, umfassend jeweils zwei fluidisch verbundene Antriebsmittel 10a, 10d; 10b, 10e; 10c, 10f. Die jeweils miteinander verbundenen Antriebsmittel 10a, 10d; 10b, 10e; 10c, 10f stehen sich jeweils um 180° gegenüber. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass jeweils das doppelte Drehmoment zur Verfügung steht und keine Querbelastung der Lager des Läufers 1 auftritt. Da lediglich drei unabhängige Gruppen 16a, 16b, 16c und acht Walzen 7 zur Verfügung stehen, gibt es lediglich vierundzwanzig Vollschritte pro Umdrehung.
7 zeigt eine Variante eines rotatorischen Schrittantriebs 2, bei dem die Antriebsmittel 10a, 10b, 10c, 10d jeweils ein als pneumatisches Kissen ausgebildetes Dehnelement 11a, 11b, 11c, 11d umfassen. Zu erkennen ist, dass die Antriebsfläche 9 des Läufers 1 bzw. die Läuferperiode von achtzehn gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Zähnen 17 gebildet ist. Damit ergeben sich zweiundsiebzig Vollschritte pro Läuferumdrehung. Auf das Vorsehen von Walzen zur Bildung der Antriebsfläche 9 wurde aus Kostengründen verzichtet. Wie sich aus 7 ergibt, wirken die Dehnelemente 11a, 11b, 11c, 11d nicht unmittelbar auf den Läufer 1, sondern nur mittelbar über ein gemeinsames Kraftübertragungselement 19. Dieses weist neunzehn Kraftübertragungszähne 18 auf, die mit den die Antriebsfläche 9 bildenden Zähnen 17 zusammenwirken. Durch die exzentrische Anordnung des Kraftübertragungselementes 19 bzw. durch die Möglichkeit des Kraftübertragungselementes 19 sich quer zur Rotationsachse 3 des Läufers 1 zu verstellen, kann bei einer entsprechenden Ansteuerung der Antriebsmittel 10a, 10b, 10c, 10d eine schrittweise Verstellung des Läufers 1 in Umfangsrichtung bewirkt werden.
8a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines als Rotationsmotor ausgebildeten Schrittantriebs 2. Zu erkennen ist ein zentrisch angeordneter Läufer 1 mit einer Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Walzen 7. Dem Läufer 1 sind vier gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Antriebsmittel 10a, 10b, 10c, 10d zugeordnet, die jeweils ein als hydraulisches Kissen ausgebildetes, in jeweils einem Käfig 12 aufgenommenes, Dehnelement 11a, 11b, 11c, 11d umfassen. Jedes Dehnelement 11 ist mit einem Fluiddruck p₁, p₂, p₃, p₄ beaufschlagbar, derart, dass die Dehnelemente 11a, 11b, 11c, 11d über jeweils ein Kraftübertragungselement 19a, 19b, 19c, 19d mit dem Läufer 1, genauer den Walzen 7, den Läufer in Rotation versetzend, in Wechselwirkung treten. Zu erkennen ist, dass die Antriebsmittel 10 an einem Stator 20 des Läufers 1 angeordnet sind.
In 8b ist ein Diagramm gezeigt, in dem der Druckverlauf der Drücke p₁, p₂, p₃, p₄ der Dehnelemente 11a, 11b, 11c, 11d über acht Halbschritte (1 bis 8) aufgetragen ist. Zu erkennen ist, dass die Drücke p₁, p₂, p₃, p₄ jeweils zwischen zwei Drücken, d. h. digital, schwanken. Die Ansteuerung der Dehnelemente 11a, 11b, 11c, 11d erfolgt zyklisch, hier im Uhrzeigersinn, wobei sich die Ansteuerung von jeweils zwei im Uhrzeigersinn benachbarten Dehnelementen 11 zeitlich überlappt.
In 8c ist der Druckverlauf der Drücke p₁, p₂, p₃, p₄ zur Erzielung einer Mikroschrittbewegung des Läufers 1 gezeigt. Zu erkennen ist, dass der Druckverlauf der Drücke p₁ bis p₄ dynamisch, d. h. analog verläuft.
In den 9 bis 11 sind unterschiedliche Ausführungsformen von als Linearmotoren ausgebildeten Schrittantrieben 2 gezeigt. Diese umfassen jeweils einen linear geführten Läufer 1 mit einer, einem Stator 20 zugewandten, in den gezeigten Ausführungsbeispielen von Walzen 7 (nicht zwingend) gebildeten, Antriebsfläche 9. Die Antriebsfläche 9 bildet die Läuferperiode, die mit einer von der Antriebsfläche 9 gegenüberliegenden Antriebsmitteln 10a, 10b, 10c gebildeten Antriebsperiode zusammenwirkt. Die Antriebsmittel 10a–10c sind analog zu den 2a bis 4 ausgebildet und wirken unmittelbar mit den Walzen 7 des Läufers 1 zusammen, wobei die Antriebsmittel 10a, 10b, 10c, bzw. die Dehnelemente 11a, 11b, 11c phasenversetzt in die Läuferperiode eingreifen und bei zyklischer Ansteuerung im Schritt- oder Mikroschrittbetrieb den Läufer 1 linear in Bewegung versetzen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 10 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel gemäß 9, mit dem Unterschied, dass der Läufer 1 mehr Walzen 7 umfasst, und dass mehr Antriebsmittel 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h, 10i vorgesehen sind, wobei jeweils drei Antriebsmittel 10a, 10d, 10g; 10b, 10e, 10h und 10c, 10f, 10i zu Gruppen 16a, 16b, 16c von Antriebsmitteln bzw. Dehnelementen zusammengefasst sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 sind drei als Kissen ausgebildete Dehnelemente 11a, 11b, 11c vorgesehen, die nicht unmittelbar, sondern über jeweils ein Kraftübertragungselement 19a, 19b, 19c mit Walzen 7 des Läufers 1 in Wechselwirkung treten. Der Aufbau des linearen Schrittantriebs 2 gemäß 11 entspricht vom Prinzip her dem Aufbau des rotatorisch arbeitenden Schrittantriebs 2 gemäß 8a.

Claims

Schrittantrieb (2) umfassend einen Läufer (1) sowie mindestens zwei mit dem Läufer (1) zusammenwirkende, den Läufer (1) mit Hilfe zentral bereitgestelter fluidischer Energie schrittweise antreibende, einzeln oder in Gruppen (16a, 16b, 16c) ansteuerbare Antriebsmittel (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel (10) jeweils mindestens ein durch Fluidbeaufschlagung dehnbares Dehnelement (11) umfassen.
Schrittantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnelemente (11) in einem geschlossenen Fluidsystem angeordnet sind.
Schrittantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnelemente (11) den Läufer (1) bei Fluidbeaufschlagung unmittelbar oder mittelbar über mindestens ein Kraftübertragungselement (19) kraftbeaufschlagen.
Schrittantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnelemente (11) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie sich bei Fluidbeaufschlagung senkrecht zu einer Bewegungsrichtung des Läufers (1) ausdehnen, und dass die Kontaktflächen zwischen den Dehnelementen (11) oder den Kraftübertragungselementen (19) und dem Läufer (1) derart ausgeformt sind, dass eine in die Bewegungsrichtung gerichtete Antriebskraftkomponente resultiert.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnelemente (11) in mindestens einem die Ausdehnung begrenzenden Käfig (12) angeordnet sind.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (1) mehrere drehbar gelagerte unmittelbar oder mittelbar mit den Dehnelementen (11) zusammenwirkende Walzen (7) zur Kraftaufnahme aufweist.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (1) rotatorisch oder linear verstellbar gelagert ist.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (1) relativ zu den Antriebsmitteln (10) verstellbar ist, oder dass die Antriebsmittel (10) am Läufer (1) angeordnet und zusammen mit dem Läufer (1) relativ zu einem Gegenlager verstellbar sind.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittantrieb (2) selbsterregend ausgebildet ist.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Läufer (1) mindestens ein mit einem Läufer-Lage-Regelkreis zusammenwirkender Positionssensor zugeordnet ist.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Positionierelement vorgesehen ist, mit dem der Schrittantrieb (2) um mindestens einen, vorzugsweise ausschließlich einen, definierten Schritt oder Bruchteile des Schrittes verstellbar ist.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Antriebsmitteln (10) eine Ventil-Steuer- und/oder Regeleinrichtung zum Betreiben des Schrittantriebs (2) im Voll-, Halbschritt- oder im Mikroschrittbetrieb zugeordnet ist.
Schrittantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zum Beaufschlagen der Dehnelemente (11) Wasser ist, oder einen Wasseranteil von mehr als 50% aufweist.
Schrittantriebsanordnung umfassend mindestens zwei Schrittantriebe (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die mit einem gemeinsamen Pneumatik- oder Hydraulikaggregat versorgbar sind.