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Die
Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb
mit einem längserstreckten Basiselement, das wenigstens
zwei sich längs einer Hauptachse erstreckende Führungsmittel
aufweist, sowie mit einem Schlitten, der in Achsrichtung der Hauptachse
linearbeweglich am Basiselement gelagert ist und der einen Schlittenkörper
mit wenigstens zwei zur Kraftübertragung auf die Führungsmittel
dienenden Führungseinrichtungen umfasst, wobei zwischen
den Führungsmitteln und den Führungseinrichtungen
jeweils wenigstens ein Führungskörper angeordnet
ist, der eine reibungsarme Relativbewegung des Schlittens gegenüber
dem Basiselement ermöglicht und der mit einer vom Schlittenkörper
auf das Basiselement ausgeübten Vorspannkraft beaufschlagt
ist, sowie mit einer vom Schlitten getragenen elektrodynamischen
Antriebseinheit, die zur Bereitstellung einer Antriebskraft für
eine lineare Bewegung des Schlittens längs des Basiselements
ausgebildet ist.
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Derartige
Lineardirektantriebe werden beispielsweise in der Automatisierungstechnik
eingesetzt, insbesondere um Werkzeuge oder Werkstücke linear
mit hoher Bewegungsdynamik und hoher Positionierungsgenauigkeit
zu bewegen. Dabei wird der Schlitten aufgrund der Wechselwirkung
dynamischer Magnetfelder, die von der elektrodynamischen Antriebseinheit
bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie erzeugt werden, mit
statischen Magnetfeldern von Permanentmagneten, die dem Basiselement
zuge ordnet sind, linear zum schienenförmig ausgebildeten
Basiselement verschoben. Um eine reibungsarme Linearbeweglichkeit
des Schlittens gegenüber dem Basiselement zu gewährleisten,
sind zwischen den Führungseinrichtungen des Schlittens
und den Führungsmitteln des Basiselements Führungskörper, beispielsweise
Gleitkörper oder Wälzkörper, angeordnet.
Um eine spielarme Führung des Schlittens am Basiselement
gewährleisten zu können, sind der Schlitten, die
Führungseinrichtungen und das Basiselement derart aufeinander
abgestimmt, dass die Führungseinrichtungen mit einer vom
Schlitten auf das Basiselement ausgeübten Vorspannkraft
beaufschlagt sind. Problematisch ist hierbei, dass die Vorspannkraft
in einem engen Bereich angesiedelt sein muss. Bei zu geringer Vorspannkraft
tritt eine zu lose Führung des Schlittens auf, bei zu hoher
Vorspannkraft kann sich der Schlitten am Basiselement verklemmen
und rasch verschleißen, was zu einer geringen Lebenserwartung
des Lineardirektantriebs führt. Die Einhaltung der Vorspannkraft
wird dadurch erschwert, dass sich die elektrodynamische Antriebseinheit
während des Betriebs des Lineardirektantriebs erwärmt
und diese Erwärmung zu einer Erwärmung und Ausdehnung
des Schlittenkörpersführt. Da üblicherweise
aufgrund der direkten Kopplung von Antriebseinheit und Schlittenkörper
die Erwärmung des Schlittenkörpers erheblich größer
als die Erwärmung des Basiselements ist, kann durch die
Ausdehnung des Schlittenkörpers ein unerwünschter
Einfluss auf die Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und
Basiselement auftreten.
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Aus
der
DE 103 09 880
A1 ist ein Linearmotor bekannt, bei dem ein Spulenteil
zur Bereitstellung von Magnetkräften längs einer
Magnetbahn verschiebbar ausgebildet ist. Das Spulenteil ist an einer Trägerplatte
aufgenommen, die ihrerseits schiebebeweglich an seitlich an der
Magnetbahn angebrachten Füh rungsschienen geführt
ist. Die Trägerplatte ist mehrschichtig aufgebaut, wobei
eine dem Spulenteil abgewandte Oberseite der Trägerplatte
aus einer Schicht mit hoher Wärmedehnung und eine dem Spulenteil
zugewandte Unterseite der Trägerplatte aus einer Schicht
mit geringer Wärmedehnung hergestellt ist. Die Magnetbahn
ist mit einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgestattet, die mit
dem Spulenteil in magnetische Wechselwirkung treten können,
um bei entsprechender Bestromung und daraus resultierender Magnetisierung
des Spulenteils die gewünschte Linearbewegung des Spulenteils
gegenüber der Magnetbahn zu ermöglichen. Die bei
der magnetischen Wechselwirkung zwischen Spulenteil und Magnetbahn
auftretenden Kräfte können eine erhebliche Durchbiegung
der Trägerplatte bewirken. Diese Durchbiegung soll durch
die inneren Spannungen in der Trägerplatte, die durch die
unterschiedlichen Wärmedehnungen der Oberseite und der
Unterseite der Trägerplatte hervorgerufen werden, bei Betriebstemperatur
des Linearmotors zumindest teilweise kompensiert werden.
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Die
DE 103 92 882 T5 offenbart
einen Lineardirektantrieb, bei dem eine Einrichtung zur Wärmeisolierung
zwischen dem elektrodynamischen Antriebssystem und dem Schlittenkörper
angeordnet ist.
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Bei
dem aus der
WO
2005/112232 A1 bekannten Lineardirektantrieb ist der Linearläufermotor über
wenigstens ein Distanzelement mit dem als mobilen Montageteil bezeichneten
Schlittenkörper verbunden, um dadurch eine thermische und
mechanische Entkopplung zwischen Linearläufermotor und Schlittenkörper
zu erreichen.
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Aus
der
DE 100 35 364
A1 ist eine lineare Bewegungseinrichtung bekannt, bei der
ein schienenartig ausgebildetes Basiselement von einem rohrabschnittsförmigen
Läufer umgeben ist.
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Der
Läufer weist mehrere Führungsblöcke auf,
die an dem Basiselement anliegen und jeweils als Kugelumlaufeinheit
ausgebildet sind. Zum Ausgleich von mechanischen Toleranzen und
von thermisch bedingten Ausdehnungsunterschieden, wie sie bei der
Erwärmung oder Abkühlung der Bewegungseinrichtung
auftreten können, sind einige der Führungsblöcke
an blattfederartigen elastischen Trägern beweglich aufgehängt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Lineardirektantrieb zu
schaffen, bei dem innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des Lineardirektantriebs
von 20 Grad Celsius bis 120 Grad Celsius eine möglichst
konstante Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und Basiselement
gewährleistet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Lineardirektantrieb der eingangs genannten
Art gelöst, bei dem der Schlittenkörper einen
ersten Schlittenabschnitt mit einer ersten Führungseinrichtung
und einen separat ausgeführten zweiten Schlittenabschnitt mit
einer zweiten Führungseinrichtung aufweist, wobei die beiden
Schlittenabschnitte von einer Koppeleinrichtung miteinander verbunden
sind und der Schlittenkörper und die Koppeleinrichtung
voneinander verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen
und wobei die Koppeleinrichtung den Führungseinrichtungen
derart zugeordnet ist, dass die vom Schlittenkörper auf
die Führungsmittel ausgeübte Vorspannkraft in
dem Betriebstemperaturbereich der elektrodynamischen Antriebseinheit
zumindest im Wesentlichen konstant ist.
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Durch
diese Maßnahmen weist der Schlitten gegenüber
dem Basiselement in dem Betriebstemperaturbereich des Lineardirektantriebs,
der beispielsweise in einem Temperaturbereich von 20 Grad Celsius
bis 120 Grad Celsius angesiedelt sein kann, eine im Wesentlichen
konstante Vorspannkraft und somit kein Spiel auf. Dadurch wird eine
exakte Positionierung der mit dem Li neardirektantrieb gekoppelten
Werkzeugträger oder Werkstückträger begünstigt,
was insbesondere bei der Verwendung des Lineardirektantriebs als
Antrieb für Handlingeinheiten, Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren
von großem Interesse ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn
sich aufgrund der in die Antriebseinheit eingespeisten elektrischen
Energie der Schlitten erwärmt, während das Basiselement
im Wesentlichen eine konstante Temperatur aufweist.
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Die
Koppeleinrichtung ist als separates Bauteil ausgebildet und ist
den Schlittenabschnitten derart zugeordnet, dass sie bei Erwärmung
des Schlittens einer auftretenden Ausdehnung der Schlittenabschnitte
entgegenwirkt. Somit gewährleistet die Koppeleinrichtung
in Wirkverbindung mit den beiden jeweils separat ausgeführten
Schlittenabschnitten, dass der Abstand und damit die Vorspannkraft
zwischen den jeweils den Schlittenabschnitten zugeordneten Führungseinrichtungen,
die über die Führungskörper und die Führungsmittel
mit dem Basiselement in Wirkverbindung stehen, konstant ist.
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Für
die Kompensation der wärmebedingten Ausdehnung des Schlittenkörpers
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Koppeleinrichtung
zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, das einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der von einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Materials abweicht, aus dem der Schlittenkörper
zumindest überwiegend hergestellt ist. Beispielsweise können
die beiden Schlittenabschnitte des Schlittenkörpers zumindest
teilweise aus Aluminium hergestellt sein, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
bei 0,000023/Kelvin liegt. Die Koppeleinrichtung kann beispielsweise
zumindest teilweise aus Stahl hergestellt werden, dessen thermischer
Ausdehnungskoeffizient bei 0,000013/Kelvin angesiedelt ist. Durch
die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Schlittenkör pers
und der Koppeleinrichtung kann beispielsweise eine gezielte Relativbewegung
der Schlittenabschnitte zueinander bewirkt werden. Diese Relativbewegung
ist derart ausgelegt, dass bei einer erwärmungsbedingten
Ausdehnung oder einer abkühlungsbedingten Schrumpfung der
Bauteile des Schlittens der Abstand zwischen den Führungseinrichtungen
und somit die Vorspannkraft auf die Führungskörper
im Wesentlichen konstant bleibt.
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Dabei
ist vorteilhaft, dass die beiden Schlittenabschnitte als separate
Bauteile ausgebildet sind. Die beiden Schlittenteile können
beispielsweise mittels einer geeigneten Linearführung schiebebeweglich
und/oder mittels wenigstens eines Schwenkgelenks gelenkig miteinander
verbunden sein. Vorzugsweise ist das erste Schlittenteil frei beweglich
am zweiten Schlittenteil gelagert, so dass zwischen den beiden Schlittenteilen
stets die gleichen, durch die Vorspannkraft bedingten und von der
Koppeleinrichtung ausgeübten inneren Spannungen im Schlittenkörper
vorliegen. Das erste Schlittenteil ist mit dem zweiten Schlittenteil über
die Koppeleinrichtung zwangsgekoppelt, so dass die Koppeleinrichtung
als Führungseinrichtung des ersten Schlittenteils gegenüber
dem zweiten Schlittenteil dient und damit eine korrekte Ausrichtung
der Schlittenteile gegenüber dem Basiselement sicherstellt.
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Bevorzugt
ist die Koppeleinrichtung mit einem ersten Gelenk am ersten Schlittenabschnitt
gelenkig angebracht und/oder mit einem zweiten Gelenk am zweiten
Schlittenabschnitt gelenkig angebracht. Das Gelenk dient zur Kraftübertragung
zwischen Koppeleinrichtung und Schlittenabschnitt und ermöglicht
innerhalb eines vorgebbaren Schwenkbereichs eine zumindest im Wesentlichen
freie Ausrichtung der Koppeleinrichtung gegenüber dem oder
den Schlittenteilen. Bei dem Gelenk handelt es sich beispielsweise
um ein Zapfengelenk, bei dem ein Gelenk zapfen frei drehbar in eine
korrespondierende Bohrung eingreift.
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Zweckmäßig
ist es, wenn der Schlittenkörper das Basiselement umgreift
und die an den Schlittenabschnitten angebrachten Führungseinrichtungen einander
gegenüberliegend angeordnet sind. Der Schlittenkörper
kann beispielsweise in einer Querschnittsebene, die senkrecht zur
Hauptachse des Basiselements ausgerichtet ist, einen U-förmigen Querschnitt
aufweisen, wobei die Führungseinrichtungen an den beiden
Schenkeln des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind.
Vorzugsweise greifen die Führungseinrichtungen in hinterschnittene
Bereiche des Basiselements ein, in denen die Führungsmittel
angeordnet sind, wodurch sich zumindest in einer oder in zwei Raumrichtungen
eine formschlüssige Verbindung zwischen Schlitten und Basiselement ergibt.
Durch das Umgreifen des Basiselements wird einerseits eine sichere
Lagerung des Schlittens am Basiselement gewährleistet,
andererseits kann das Basiselement besonders kompakt gestaltet werden. Die
einander gegenüberliegenden Führungseinrichtungen
stellen eine vorteilhafte Kraftübertragung zwischen dem
aus den Schlittenabschnitten gebildeten Schlittenkörper
und dem Basiselement sicher.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
das Basiselement den Schlittenkörper umgreift und die Führungseinrichtungen
spiegelsymmetrisch zu einer die Mittelachse enthaltenden Spiegelebene
an den Schlittenabschnitten angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform
können sowohl das Basiselement als auch der Schlittenkörper
in einer senkrecht zur Hauptachse ausgerichteten Querschnittsebene
einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Die Führungseinrichtungen
sind vorzugsweise an den einander entgegengesetzten Außenoberflächen
der Schenkel des Schlittenkörpers angeordnet und stützen
sich an den einander zugewandten Oberflächen der Schenkel
des Basiselements ab.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Koppeleinrichtung ein Koppelglied umfasst, dessen
Haupterstreckungsrichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Hauptachse
verläuft und das sich, vorzugsweise mit minimaler Längenausdehnung,
zwischen den Schlittenabschnitten erstreckt. Das Koppelglied ist
vorzugsweise das Element innerhalb der Koppeleinrichtung, dessen
Längenänderung bei Erwärmung oder Abkühlung
des Schlittens zur Kompensation der temperaturbedingten Gestaltänderung
des Schlittenkörpers dient. Eine Ausdehnung des Schlittenkörpers
in Richtung der Hauptachse hat keinen Einfluss auf die zwischen
Schlitten und Basiselement übertragene Vorspannkraft. Die
Ausdehnung des Schlittenkörpers in einer Richtung senkrecht
zur Hauptachse und zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Verbindungslinie
zwischen gegenüberliegenden Führungseinrichtungen
ist hingegen maßgeblich für die Vorspannkraft
zwischen Schlitten und Basiselement. Bei einer Ausrichtung des,
vorzugsweise stabförmig ausgebildeten, Koppelglieds parallel
zur Verbindungslinie zwischen gegenüberliegenden Führungseinrichtungen
kann eine kompakte Gestaltung der Koppeleinrichtung und eine wirkungsvolle
Kompensation der Wärmeausdehnung des Schlittenkörpers
erreicht werden.
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Bevorzugt
ist das Koppelglied zwischen dem Schlittenkörper und dem
Basiselement angeordnet und weist einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
als das Material des Schlittenkörpers auf. Durch die Anordnung
des Koppelglieds zwischen Schlittenkörper und Basiselement
kann eine besonders kompakte Integration der Koppeleinrichtung am
Schlitten erreicht werden. Die Ausführung des Koppelglieds
mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der
Schlittenkörper gewährleistet die gewünschte
Kompensation der Aus dehnung des Schlittenkörpers bei Erwärmung des
Schlittens und die Aufrechterhaltung der Vorspannkraft zwischen
Schlittenkörper und Basiselement über den Betriebstemperaturbereich
des Lineardirektantriebs.
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Zweckmäßig
ist es, wenn wenigstens ein freies Ende des Koppelglieds zwischen
zwei Endbereichen eines Stützglieds angelenkt ist, wobei
ein erster Endbereich des Stützglieds mit dem ersten Schlittenabschnitt
gekoppelt ist oder an einer Anlagefläche des ersten Schlittenabschnitts
anliegt und wobei ein zweiter Endbereich des Stützglied
mit dem zweiten Schlittenabschnitt gekoppelt ist oder an einer Anlagefläche
des zweiten Schlittenabschnitts anliegt. Das Koppelglied bildet
zusammen mit dem Stützglied ein Hebelgetriebe aus, das
derart eingerichtet ist, dass die wärmebedingte Ausdehnung
des Schlittenkörpers und die wärmebedingte Ausdehnung
des Koppelglieds zu einer Verkippung des Stützglieds führen.
Durch die Verkippung des Stützglieds wird eine erwärmungsbedingte
Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Schlittenabschnitt
bewirkt, die der thermisch bedingten Ausdehnungs- oder Schrumpfungsbewegung
des Schlittens entgegengesetzt ist, so dass dadurch die gewünschte
Kompensation der wärmebedingten Ausdehnung oder Schrumpfung
des Schlittenkörpers ermöglicht wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das Koppelglied und/oder
das Stützglied mit einer Einstelleinrichtung versehen,
die zur Einstellung der Vorspannkraft zwischen Schlitten und Basiselement ausgebildet
ist. Die Einstelleinrichtung ermöglicht eine Justierung
der Vorspannkraft, so dass fertigungsbedingte Toleranzen des Schlittens
und des Basiselements und/oder anwendungsbedingte Toleranzanforderungen
berücksichtigt werden können.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die
Einstelleinrichtung an einem Endbereich des Stützglieds
ausgebildet. Dadurch werden eine konstruktiv einfache Gestaltung
und eine gute Zugänglichkeit der Einstelleinrichtung gewährleistet.
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Bevorzugt
weist die Einstelleinrichtung eine Stellschraube auf, die beweglich
im Stützglied gelagert ist und die an der Anlagefläche
des ersten oder des zweiten Schlittenabschnitts anliegt, wobei die Stellschraube
für eine Einstellung der Vorspannkraft ausgebildet ist.
Mit der Stellschraube wird die Ausrichtung des Stützglieds
gegenüber dem Koppelglied und damit die gewünschte
Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und Basiselement
eingestellt.
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Zweckmäßig
ist es, dass zwischen Koppelglied und Schlittenkörper ein
Luftspalt ausgebildet ist. Dadurch ist die freie Beweglichkeit des
Koppelglieds gegenüber dem Schlittenkörper gewährleistet,
um zusätzliche innere Spannungen zwischen Koppeleinrichtung
und Schlittenkörper zu vermeiden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Achsrichtung
des Basiselements wenigstens zwei voneinander beabstandete Koppeleinrichtungen
am Schlittenkörper angeordnet sind. Vorteilhaft ist es,
wenn an einander entgegengesetzten stirnseitigen Endbereichen des
Schlittenkörpers jeweils eine Koppeleinrichtung angeordnet ist.
Dadurch wird eine symmetrische Einleitung der von den Koppeleinrichtungen
auf die Schlittenteile einwirkenden Kräfte gewährleistet.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der Führungskörper als Lagerwalze
ausgebildet ist, die für eine Abwälzbewegung auf
den beispielsweise als Führungsflächen ausgebildeten
Führungsmitteln dient. Damit kann eine reibungsarme und
spielarme Führung des Schlittens am Basiselement erreicht
werden. Alternativ kann der Führungskörper auch
ein Gleitkörper sein, der auf den Führungsmitteln
gleiten kann. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
umfasst der Führungskörper eine Mehrzahl von Wälzkörpern,
die in der Art einer Kugelumlaufführung gefasst sind. Auch
Kombinationen derartiger Führungskörper können
verwirklicht werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:
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1 eine
perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines elektrodynamischen
Lineardirektantriebs mit zwei jeweils endseitig an den Schlittenteilen
angeordneten Koppeleinrichtungen,
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2 eine
stirnseitige Ansicht des Lineardirektantriebs gemäß der 1,
und
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3 eine
perspektivische Darstellung der Koppeleinrichtung für den
Lineardirektantrieb gemäß der 1 und 2.
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Ein
in der 1 dargestellter Lineardirektantrieb 10 umfasst
ein schienenartiges, geradlinig langgestrecktes Basiselement 12 und
einen linearbeweglich auf dem Basiselement 12 angeordneten
Schlitten 14.
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Das
vorzugsweise als Strangpressteil aus Aluminium hergestellte Basiselement 12 weist
mehrere, vorzugsweise ebene, beispielsweise als Führungsflächen
ausgebildete Führungsmittel 16 auf, die zweckmäßigerweise
aus bandförmigem Stahlblech hergestellt sind, um die verschleißarme
Kraftübertragung zwischen Schlitten 14 und Basiselement 12 zu gewährleisten.
Die Führungsmittel 16 stützen sich flächig
am Basiselement 12 ab und sind exemplarisch jeweils paarweise
V-förmig zueinander ausgerichtet, wobei sie beispielsweise
einen rechten Winkel einschließen können. Die
Führungsmittel 16 sind an einander entgegengesetzten
Seitenflächen des Basiselements 12 derart angeordnet,
dass sich eine X-förmige Anordnung der Führungsmittel 16 ergibt, wodurch
die Führungsmittel 16 jeweils paarweise einen
Hinterschnitt bilden, in den der Schlitten 14 formschlüssig
eingreift.
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Die
Führungsmittel 16 erstrecken sich parallel zu
einer in Längsrichtung des Basiselements 12 ausgerichteten
Hauptachse 18 des Basiselements 12. Vorteilhaft
ist es, wenn die Führungsmittel 16 in korrespondierend
ausgeführten Ausnehmungen des Basiselements 12 oberflächenbündig
eingelassen sind.
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An
einer Oberseite des Basiselements 12 ist eine Längsnut 20 ausgebildet,
in der im Wesentlichen kubisch ausgebildete Permanentmagnete 22 aufgereiht
und festgelegt sind. An einer Unterseite des Basiselements 12 sind
nicht näher bezeichnete T-Nuten angebracht, die zur Festlegung
des Basiselements 12 an einem nicht dargestellten Maschinenbett,
beispielsweise einer Werkzeugmaschine, dienen.
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Der
beweglich am Basiselement 12 angebrachte Schlitten 14 umfasst
einen zweiteilig ausgebildeten Schlittenkörper 24,
der einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist
und der das Basiselement 12 reiterartig umgreift. Um eine
spiel- und reibungsarme schiebebewegliche Führung des Schlittens 14 am
Basiselement 12 zu gewährleisten, sind dem Schlittenkörper 24 mehrere,
jeweils zur Anlage an einer der Führungsmittel 16 dienende
Führungseinrichtungen 26, 27 zugeordnet.
Die Führungseinrichtungen 26, 27 sind
in der 2 näher dargestellt und greifen in die
hinterschnitten angeordneten Füh rungsmittel 16 des
Basiselements 12 derart formschlüssig ein, dass
der Schlitten 14 gegenüber dem Basiselement 12 lediglich
einen einzigen translatorischen Freiheitsgrad der Bewegung aufweist.
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Jede
der Führungseinrichtungen 26, 27 umfasst
jeweils ein haubenartig ausgebildetes Walzengehäuse 34,
das mit einer bereichsweise konvex ausgebildeten Außenfläche 34 an
einer bereichsweise rinnenartig ausgebildeten Stützfläche 28, 30 des Schlittenkörpers 24 anliegt.
Dadurch wird eine Verschwenkbarkeit des Walzengehäuses 34 um
eine nicht dargestellte, orthogonal zur Zeichnungsebene der 2 ausgerichtete
Schwenkachse mit einem Schwenkwinkelbereich von wenigen Grad gewährleistet.
Durch die Verschwenkbarkeit des Walzengehäuses 34 und
der darin aufgenommenen Lagerwalze 36 gegenüber
dem Schlittenkörper 24 und den Führungsmitteln 16 kann
sich die Lagerwalze 36 an die Ausrichtung der Oberfläche
des Führungsmittels 16 anpassen, wodurch eine
reibungsarme Kraftübertragung zwischen Schlitten 14 und
Basiselement 12 begünstigt wird.
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Die
Lagerwalze 36 ist drehbar auf einem im Walzengehäuse 34 vorgesehenen
Lagerbolzen 37 gelagert und liegt mit ihrer Außenoberfläche
an den Führungsmitteln 16 an, auf denen sie bei
Bewegung des Schlittens 14 abwälzen kann. Die
Führungseinrichtungen 26, 27 sind jeweils
paarweise angeordnet, wobei die Rotationsachsen der Lagerwalzen 36 jeweils
benachbarter Führungseinrichtungen 26 um 90 Grad
zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein formschlüssiger
Eingriff der Führungseinrichtungen 26, 27 in
das Basiselement 12, womit eine spielfreie Lagerung des
Schlittens 14 am Basiselement 12 erreicht wird.
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Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung
ist die Führungseinrichtung als Kugelumlaufeinrichtung
ausgebildet, bei der eine Vielzahl von Kugeln in einem Kugelkanal
geführt wird und für eine Abwälzbewegung
auf den Führungsmitteln 16 vorgesehen ist. Alternativ
kann die Führungseinrichtung auch als Gleitkörper
ausgebildet sein, der für eine Gleitbewegung auf den Führungsmitteln 16 ausgebildet
ist.
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Der
in den 1 und 2 näher dargestellte,
zweiteilig ausgebildete Schlittenkörper 24 umfasst zwei
separat ausgebildete Schlittenabschnitte 38, 40. Der
erste Schlittenabschnitt 38 weist ein in der 2 näher
dargestelltes U-förmiges Profil mit einem längeren
Schenkel 42 und einem kürzeren Schenkel 44 auf.
Der längere Schenkel 42 ist an einem freien Endbereich
mit einer V-förmigen Profilierung versehen, an deren Oberflächen
die Stützflächen 28, 30 ausgebildet
sind. Der kürzere Schenkel 44 ist mit dem längeren
Schenkel 42 einteilig über einen Verbindungssteg 46 verbunden
und weist eine dem zweiten Schlittenabschnitt 40 zugewandte
Führungsfläche 48 auf. An der Führungsfläche 48 ist
ein in Richtung des zweiten Schlittenabschnitts 40 abragendes
T-Profil 50 ausgebildet. Das T-Profil 50 des ersten
Schlittenabschnitts 38 greift in eine am zweiten Schlittenabschnitt 40 ausgebildete
T-Nut 52 ein. Das T-Profil 50 und die T-Nut 52 sind
derart aufeinander abgestimmt, dass der zweite Schlittenabschnitt 40 translatorisch parallel
zur Führungsfläche 48 gegenüber
dem ersten Schlittenabschnitt 38 bewegt werden kann, wobei durch
nicht näher dargestellte Blockiermittel eine Bewegung senkrecht
zur Darstellungsebene der 2 unterbinden
wird. Durch die verbleibende translatorische Relativbeweglichkeit
wird eine lineare Abstandseinstellung zwischen den Führungseinrichtungen 26,
die dem ersten Schlittenabschnitt 38 zugeordnet sind, und
den Führungseinrichtungen 27, die dem zweiten
Schlittenabschnitt 40 zugeordnet sind, ermöglicht.
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Der
zweite Schlittenabschnitt 40 ist im Wesentlichen quaderförmig
ausgebildet und ist in gleicher Weise wie der erste Schlittenabschnitt 38 mit
einer V-förmigen Profilierung versehen, an deren Oberflächen
rinnenartig profilierte Stützflächen 54, 56 ausgebildet
sind. An den Stützflächen 54, 56 stützen sich
die jeweils paarweise angeordneten Führungseinrichtungen 27 ab,
deren Lagerwalzen 36 jeweils um 90 Grad versetzt angeordnete
Rotationsachsen aufweisen.
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Um
eine Vorspannkraft vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 übertragen
zu können, sind die beiden zueinander relativbeweglichen
Schlittenabschnitte 38, 40 von einer Koppeleinrichtung 58 kraftübertragend
miteinander verbunden. Die Aufgabe der Koppeleinrichtung 58 besteht
darin, den Abstand und somit die Vorspannkraft zwischen den Schlittenabschnitten 38, 40 und
den daran abgestützten Führungseinrichtungen 26, 27 vorzugeben
und innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs des Lineardirektantriebs 10 zumindest
im Wesentlichen konstant zu halten. Zu diesem Zweck umfasst die
Koppeleinrichtung 58 ein in der 3 näher
dargestelltes, vorzugsweise stabförmig ausgebildetes Koppelglied 60,
das sowohl mit dem ersten Schlittenabschnitt 38 als auch mit
einem Stützglied 62 gelenkig verbunden ist. Das Koppelglied 60 erstreckt
sich im Wesentlichen orthogonal zur Hauptachse 18 und parallel
zum Verbindungssteg 46 des ersten Schlittenabschnitts 38,
der den längeren Schenkel 42 mit dem kürzeren
Schenkel 44 des ersten Schlittenabschnitts 38 verbindet. Das
Koppelglied 60 ist an einem ersten Endbereich mit einem
ersten Gelenkzapfen 64 versehen, der in eine nicht näher
dargestellte Bohrung im ersten Schlittenabschnitt 38 kraftübertragend
eingreift und eine Schwenkbeweglichkeit des Koppelglieds 60 gegenüber
dem ersten Schlittenteil 38 sicherstellt. An einem zweiten
Endbereich ist das Koppelglied 60 mit einem zweiten Gelenkzapfen 66 schwenkbeweglich mit
dem Stützglied 62 gekoppelt. Das Stützglied 62 weist
an einem ersten Endbereich einen Lagerzapfen 68 auf, der
für einen schwenkbeweglichen Eingriff in das zweite Schlittenteil 40 vorgesehen
ist. An einem zweiten Endbereich ist das Stützglied 62 mit
einer exemplarisch als Innensechskantschraube ausgebildeten Einstelleinrichtung 70 ausgerüstet,
die gemäß der 1 und 2 an
einer Anlagefläche des Verbindungsstegs 46 anliegt.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das
Koppelglied 60 zwischen dem Verbindungssteg 46 und
dem Basiselement 12 angeordnet, wodurch eine kompakte Integration
der Koppeleinrichtung 58 am Schlitten 14 ermöglicht
wird. Das Koppelglied 60, der erste Schlittenabschnitt 38 und das
Stützglied 62 bilden ein Hebelgetriebe aus, das auf
den zweiten Schlittenabschnitt 40 wirkt. Das Hebelgetriebe
ist derart eingerichtet, dass bei einer Erwärmung oder
Abkühlung des Schlittens 14 ein im Wesentlichen
konstanter Abstand zwischen dem längeren Schenkel 42 des
ersten Schlittenabschnitts 38 und dem zweiten Schlittenabschnitt 40 und
den jeweils zugeordneten Stützflächenpaaren 28, 30 bzw. 54, 56 eingehalten
wird, so dass die jeweiligen Führungseinrichtungen 26, 27 stets
in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind und die vom Schlitten 14 auf
das Basiselement 12 übertragene Vorspannkraft zumindest
im Wesentlichen konstant ist.
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Dazu
ist es zweckmäßig, die Hebelverhältnisse
innerhalb des aus Koppelglied 60, Stützglied 62 und
erstem Schlittenabschnitt 38 gebildeten Hebelgetriebes
aufeinander abzustimmen. Die Abstimmung erfolgt vorzugsweise derart,
dass die temperaturbedingte Gestaltänderung des ersten
Schlittenabschnitts 38 und die demgegenüber geringere
Gestaltänderung des Koppel glieds 60, die beispielsweise bei
einer Erwärmung des Schlittens 14 auftreten können,
zu einer Verkippung des Stützglieds 62 um den Anlagepunkt
der Einstelleinrichtung 70 am ersten Schlittenabschnitt 38 führt.
Damit wird der gewünschte konstante Abstand zwischen dem
längeren Schenkel 42 und dem zweiten Schlittenabschnitt 40 sichergestellt.
Dabei muss auch die vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 zu übertragende
Vorspannkraft berücksichtigt werden, die eine elastische
Dehnung der Komponenten des Hebelgetriebes bewirkt.
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Die
lokale Erwärmung des Schlittens 14, die bei der
Einspeisung elektrischer Energie in die elektrodynamische Antriebseinheit 72 auftritt,
führt zu einer im Wesentlichen isotropen Ausdehnung der Komponenten
des Schlittens 14, insbesondere der Schlittenabschnitte 38, 40 und
der Koppeleinrichtung 58. Die betragsmäßig
größte wärmebedingte Ausdehnung tritt
am Verbindungssteg 46 auf, der zumindest in einer Richtung
senkrecht zur Hauptachse 18 und parallel zur größten
Erstreckung des Koppelglieds 60 die größte
Ausdehnung aufweist. Bedingt durch die Geometrie des Verbindungsstegs 46 findet durch
die Ausdehnung des Schlittens 14 eine Vergrößerung
des Abstands zwischen dem längeren Schenkel 42 und
dem kürzeren Schenkel 44 statt. Bei einer starren
Kopplung des ersten Schlittenabschnitts 38 mit dem zweiten
Schlittenabschnitt 40 würde diese Ausdehnung zu
einer unerwünschten Reduzierung der vom Schlitten 14 auf
das Basiselement 12 übertragenen Anpresskraft
führen, da sich die Stützflächenpaare 28, 30 von
den Stützflächenpaaren 54, 56 entfernen
würden.
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Aufgrund
der Wirkungsweise der Koppeleinrichtung 58 und der schiebebeweglichen
Lagerung des zweiten Schlittenabschnitts 40 gegenüber
dem ersten Schlittenabschnitt 38 führt bei der
vorliegenden Ausführungsform des Schlittens 14 die
erwärmungsbedingte Ausdehnung des Verbindungsstegs 46 nicht
zu ei ner relevanten Veränderung des Abstands zwischen den
gegenüberliegenden Stützflächenpaaren 28, 30 und 54, 56.
Um diesen Abstand im Betriebstemperaturbereich des Lineardirektantriebs 10 konstant
zu halten, ist es erforderlich, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Koppelglieds 60 vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten
des ersten Schlittenabschnitts 38, insbesondere des Verbindungsstegs 46,
abweicht. Bei der in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsform ist der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Koppelglieds 60 geringer als der thermische Ausdehnungskoeffizient
des Schlittenabschnitts 38, insbesondere des Verbindungsstegs 46 gewählt.
Durch die unterschiedlich großen Gestaltänderungen
des Verbindungsstegs 46 und des Koppelglieds 60 wird
eine Verkippung des Stützglieds 62 bewirkt. Durch
diese Verkippung, die um eine Kippachse stattfindet, die orthogonal
zur Darstellungsebene der 2 ausgerichtet
ist, erfolgt eine translatorische Relativbewegung des zweiten Schlittenteils 40 in
Richtung des ersten Schlittenteils 38, die der Ausdehnungsbewegung
des Verbindungsstegs 46 entgegenwirkt und damit für
einen konstanten Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden
Führungseinrichtungen 26, 27 sorgt.
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Die
Erwärmung des Schlittens 14 hängt mit der
Erzeugung einer linearen Vortriebsbewegung längs der Hauptachse 18 des
Basiselements 12 zusammen. Zu diesem Zweck trägt
der Schlitten 14 die schematisch dargestellte, elektrodynamische
Antriebseinheit 72. Diese umfasst mehrere nicht näher dargestellte
Spulen, die von einer nicht dargestellten Versorgungseinrichtung
mit elektrischer Energie beaufschlagt werden können. Durch
eine geeignete Beaufschlagung der Spulen mit elektrischer Energie
tritt eine Wechselwirkung mit den am Basiselement 12 festgelegten
Permanentmagneten 22 ein, die in einer Vortriebskraft auf
den Schlitten 14 resultiert. Die Umsetzung der elektrischen
Energie in den Spulen führt zu einer Erwärmung
der Spulen, die den Schlitten 14 erwärmen. Das
Basiselement 12 ist im Gegensatz zum Schlitten 14 nicht
unmittelbar mit der elektrodynamischen Antriebseinheit 72 gekoppelt,
so dass nur ein geringfügiger Wärmeübergang
vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 stattfindet.
Darüber hinaus weist das Basiselement 12 aufgrund
seiner größeren geometrischen Ausdehnung eine
größere Oberfläche und abhängig
von der Aufbauweise auch eine größere Wärmekapazität
auf, so dass beim Betrieb des Lineardirektantriebs 10 die
Eigenerwärmung des Schlittens 14 aufgrund der
zugeführten elektrischen Energie erheblich größer
ist als die Erwärmung des Basiselements 12. Dies
führt zu der Problematik der variierenden Vorspannkraft
zwischen Schlitten 14 und Basiselement 12, die
von der dargestellten Ausführungsform eines Lineardirektantriebs 10 mittels der
Koppeleinrichtung 58 zumindest nahezu vollständig
kompensiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10309880
A1 [0003]
- - DE 10392882 T5 [0004]
- - WO 2005/112232 A1 [0005]
- - DE 10035364 A1 [0006]