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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, sowie mit einer mit dem Schlitten verbundenen elektrodynamischen Antriebseinheit, die zur Bereitstellung einer Antriebskraft für eine lineare Bewegung des Schlittens längs der Hauptachse des Basiselements ausgebildet ist, wobei die elektrodynamische Antriebseinheit eine Lagereinrichtung umfasst, die während eines Betriebs der Antriebseinrichtung unabhängig vom Schlitten für eine linearbewegliche Lagerung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement in wenigstens einer Raumrichtung ausgebildet ist und wobei zwischen der Lagereinrichtung und den Führungsmitteln jeweils wenigstens ein Lagerkörper angeordnet ist, der für eine reibungsarme Lagerung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement ausgebildet ist oder wobei am Basiselement wenigstens ein längs der Hauptachse erstrecktes, separat von den Führungsmitteln angeordnetes Lagermittel für eine Führung der Antriebseinheit ausgebildet ist und zwischen der Lagereinrichtung und dem Lagermittel wenigstens ein Lagerkörper angeordnet ist, der für eine reibungsarme Lagerung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement 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 zugeordnet 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, können der Schlitten, die Führungseinrichtungen und das Basiselement derart aufeinander abgestimmt werden, 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 Schlittenkörpers führt. 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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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, das beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt sein kann, 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 199 39 207 ist ein Linearantrieb bekannt, der ein Primärteil zur Anbringung an einem Schlitten, ein Sekundärteil sowie ein Führungssystem umfasst, das der beweglichen Lagerung des Schlittens dient. Dabei ist im Reparaturfall das Primärteil vom Schlitten trennbar und auf einer Lagerung relativ zum Schlitten bewegbar.
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Die
JP 2004 129394 A offenbart einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb, bei dem eine weitgehende mechanische Entkopplung zwischen einem Läufer, der zur Erbringung der Vortriebskräfte in Wechselwirkung mit einem Stator steht, und einem Schlitten, auf dem die zu bewegende Last angebracht werden kann, vorgesehen ist. Die Entkopplung zwischen Läufer und Schlitten ist derart ausgeführt, dass sowohl der Läufer als auch der Schlitten jeweils mittels separater Führungseinrichtungen gelagert sind und längs einer Bewegungsachse kraftübertragend miteinander verbunden sind. Dabei sind die Führungseinrichtungen des Schlittens für eine räumliche Führung in insgesamt drei Raumrichtungen ausgebildet, während die Führungseinrichtungen des Läufers für eine räumliche Führung in zwei Raumrichtungen ausgebildet sind. Um eine statische Überbestimmung zwischen Schlitten und Läufer zu vermeiden, ist eine Verbindung zwischen Läufer und Schlitten vorzusehen, die eine Beweglichkeit in zwei zueinander senkrechten Bewegungsachsen gewährleistet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Lineardirektantrieb mit einem vereinfachten Aufbau zu schaffen
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Diese Aufgabe wird für einen Lineardirektantrieb der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist vorgesehen, dass die Lagereinrichtung und der Lagerkörper für eine Lagerung der Antriebseinheit in genau einer Raumrichtung ausgebildet sind.
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Hierdurch kann zumindest weitgehend darauf verzichtet werden, zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten robust dimensionierte, kraftübertragende Verbindungen zur Kraftübertragung in allen Raumrichtungen vorzusehen. Derartige Verbindungen bringen neben der gewünschten mechanischen Kopplung stets auch eine unerwünschte thermische Kopplung mit sich. Vielmehr kann erfindungsgemäß die Verbindung zwischen Antriebseinheit und Schlitten schlank gestaltet werden, da in erster Linie nur die parallel zur Hauptachse ausgerichteten Antriebskräfte übertragen werden müssen. Bei geeigneter Auslegung der Lagereinrichtung ist es somit beispielsweise möglich, die beim Betrieb des Lineardirektantriebs auftretenden, senkrecht zur Hauptachse ausgerichteten und somit nicht dem Antrieb des Schlittens dienenden Reaktionskräfte direkt zwischen Antriebseinheit und Basiselement abzustützen, so dass diese Kräfte nicht über den Schlitten geleitet werden müssen. Hierdurch kann eine zumindest teilweise thermische Entkopplung zwischen Antriebseinheit und Schlitten leichter erreicht werden, als dies bei bekannten Lineardirektantrieben der Fall ist.
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Bei einer ersten Ausführungsform kann zwischen der Lagereinrichtung und den Führungsmitteln jeweils wenigstens ein Lagerkörper angeordnet sein, der für eine reibungsarme Lagerung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement ausgebildet ist. Bei dem Lagerkörper kann es sich um einen Gleitkörper für eine Gleitlagerung zwischen Antriebseinheit und Basiselement handeln, beispielsweise um ein Gleitelement aus einem Kunststoffmaterial, das gegenüber der Oberfläche des Basiselements einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist. Der Lagerkörper kann auch als Wälzkörper ausgebildet sein, der an der Antriebseinheit oder am Basiselement geführt ist und der für eine reibungsarme Abwälzbewegung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement ausgebildet ist. Die Lagereinrichtung an der Antriebseinheit und der wenigstens eine zugeordnete Lagerkörper sind derart ausgebildet, dass der Lagerkörper auf dem ohnehin am Basiselement vorhandenen Führungsmittel, bei dem es sich beispielsweise um eine Führungsfläche, insbesondere eine geschliffene Führungsebene, handeln kann, aufliegt.
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Bei einer zweiten Ausführungsform kann am Basiselement wenigstens ein längs der Hauptachse erstrecktes, separat von den Führungsmitteln angeordnetes Lagermittel für eine Führung der Antriebseinheit ausgebildet sein, wobei zwischen der Lagereinrichtung und dem Lagermittel wenigstens ein Lagerkörper angeordnet ist, der für eine reibungsarme Lagerung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann der Lagerkörper als Gleitkörper oder als Wälzkörper ausgebildet sein. Im Gegensatz zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist jedoch am Basiselement wenigstens ein separat von den Führungsmitteln ausgebildetes, zur Abstützung von Reaktionskräften der Antriebseinheit dienendes Lagermittel vorgesehen, auf dem der Lagerkörper aufliegt. Bei dem Lagermittel kann es sich beispielsweise um eine Führungsfläche, insbesondere eine geschliffene Führungsebene, handeln. Bei dieser Variante ist aufgrund der räumlich voneinander beabstandeten, separaten Ausführung von Führungsmittel und Lagermittel vorteilhaft, dass die Position des Lagermittels am Basiselement so ausgewählt werden kann, dass sie exakt auf die Bedürfnisse der Antriebseinheit zugeschnitten ist.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Lagereinrichtung und des Lagerkörpers für eine Lagerung der Antriebseinheit in genau einer Raumrichtung wird eine einfache Gestaltung der Lagereinrichtung ermöglicht, da diese nur für eine Kraftübertragung in einer, vorzugsweise senkrecht zur Hauptachse erstreckten, Raumrichtung ausgebildet sein muss. Beispielsweise werden mit Hilfe der Lagereinrichtung die senkrecht zur Hauptachse ausgerichteten Anziehungskräfte zwischen der Antriebseinheit und dem Basiselement abgestützt, die nicht der Fortbewegung der Antriebseinheit gegenüber dem Basiselement dienen. Die Führungsmittel oder die Lagermittel sind korrespondierend zur Lagereinrichtung und zum Lagerkörper, insbesondere als Führungs- oder Lagerflächen ausgeführt.
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Für die Führungsmittel ist zu berücksichtigen, dass diese auch zur linearbeweglichen Lagerung des Schlittens dienen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten ein Koppelmittel angeordnet ist, das für eine Kraftübertragung von der Antriebseinheit auf den Schlitten ausgebildet ist. Das Koppelmittel ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass es Kräfte in denjenigen Raumrichtungen zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten übertragen kann, in denen aufgrund des Aufbaus der Lagereinrichtung und der korrespondierenden Führungsmittel oder Lagermittel keine unmittelbare Kraftübertragung zwischen Antriebseinheit und Basiselement vorgesehen ist. Sofern die Lagereinrichtung lediglich für eine Kraftübertragung auf das Basiselement in einer Raumrichtung ausgebildet ist, sollte das Koppelmittel vorzugsweise wenigstens für eine Kraftübertragung zwischen Antriebseinheit und Schlitten in den beiden übrigen Raumrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems ausgebildet sein. Hierdurch wird die Beweglichkeit der Antriebseinheit zumindest im Wesentlichen auf eine Beweglichkeit längs der Hauptachse beschränkt. Die Koppeleinrichtung kann auch derart ausgebildet sein, dass sie eine Beweglichkeit der Antriebseinheit gegenüber dem Schlitten in allen drei Raumrichtungen beschränkt, wobei in diesem Fall durch eine entsprechende Flexibilität der Koppeleinrichtung oder durch freie Beweglichkeit der Antriebseinheit gegenüber dem Schlitten innerhalb eines gewissen Bewegungsintervalls sichergestellt sein sollte, dass keine statische Überbestimmung für die Antriebseinheit auftritt.
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Zweckmäßig ist es, wenn das Koppelmittel für eine zumindest nahezu vollständig starre Kopplung der Antriebseinheit mit dem Schlitten in einer Raumrichtung ausgebildet ist, die in Richtung der Hauptachse ausgerichtet ist. Mit dieser starren Kopplung wird sichergestellt, dass die Positioniergenauigkeit für den Lineardirektantrieb nicht oder nur in geringem Maße von den Übertragungseigenschaften für Bewegungen zwischen Antriebseinheit und Schlitten beeinflusst werden. Insbesondere ist eine Umkehrlose oder Hysterese für die lineare Bewegung der Antriebseinheit gegenüber dem Schlitten in der Hauptrichtung nicht erwünscht. Vorzugsweise ist die Kopplung zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten derart ausgebildet, dass eine Relativbewegung zwischen Antriebseinheit und Schlitten bei einer vorgebbaren Maximalkraft in der Hauptrichtung kleiner als die Positioniergenauigkeit der Antriebseinheit ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Einfluss des Koppelmittels im gesamten Betriebsbereich des Lineardirektantriebs gering bleibt. Besonders bevorzugt beträgt die Relativbewegung zwischen Antriebseinheit und Schlitten bei der vorgebbaren Maximalkraft weniger als 50 Prozent, insbesondere weniger als 25 Prozent, der Positioniergenauigkeit der Antriebseinheit.
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Vorzugsweise ist das Koppelmittel für eine Untersetzung von senkrecht zur Hauptachse ausgerichteten Relativbewegungen zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten ausgebildet, so dass es derartige Relativbewegungen nur anteilig überträgt. Im Gegensatz zur im Wesentlichen starren Kopplung zwischen Antriebseinheit und Schlitten in Richtung der Hauptachse ist es vorteilhaft, wenn in Raumrichtungen senkrecht zur Hauptachse eine freie Beweglichkeit oder eine zumindest teilweise elastische Kopplung zwischen Antriebseinheit und Schlitten vorliegt. Hierdurch wird erreicht, dass Bewegungen der Antriebseinheit in diesen Raumrichtungen nicht oder nur zu einem durch den Aufbau des Koppelmittels vorgegebenen Anteil auf den Schlitten übertragen werden, so dass dieser im Wesentlichen frei von den Antriebseinflüssen der Antriebseinheit gehalten werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Koppelmittel ein elastisches Glied umfasst, dessen Haupterstreckungsrichtung in Richtung der Hauptachse verläuft. Durch die Ausrichtung und die elastischen Eigenschaften des elastischen Glieds wird gewährleistet, dass die Kopplung zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten in Richtung der Hauptachse stets eine höhere Steifigkeit als in Raumrichtungen senkrecht zur Hauptachse aufweist.
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Bevorzugt ist das elastische Glied des Koppelmittels in der Haupterstreckungsrichtung derart vorgespannt, dass es eine zumindest nahezu vollständig starre Kopplung in Richtung der Hauptachse gewährleistet. Durch die Vorspannung werden im elastischen Glied innere Spannungen und dadurch eine elastische Deformation des elastischen Glieds hervorgerufen. Die inneren Spannungen können derart eingestellt werden, dass die zusätzlich über das Koppelmittel von der Antriebseinheit auf den Schlitten zu übertragende Antriebskraft zu einer Deformation des elastischen Glieds in einem nichtlinearen Dehnungsbereich führt, in dem ein Verhältnis zwischen eingeleiteter Kraft und dadurch hervorgerufener Dehnung größer als in einem linearen Dehnungsbereich ist. Dies ist vorteilhaft, da bei der nichtlinearen Deformation eine geringere Dehnung des elastischen Glieds auftritt, als dies in einem Bereich linearer Deformation zu erwarten wäre.
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Zweckmäßig ist es, wenn das elastische Glied als biegeschlaffes Zugmittel, insbesondere als Drahtseil, ausgebildet ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Kombination aus einer starren Kopplung in Richtung der Hauptachse, einer Bewegungsuntersetzung in Richtungen senkrecht zur Hauptachse und einer Vorspannung des Koppelmittels gewährleistet werden. Vorzugsweise ist das elastische Glied als Drahtseil, insbesondere als Stahldrahtseil oder als Kohlefaserseil, ausgebildet.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Endbereiche des Zugmittels jeweils mit Befestigungsmitteln am Schlitten angebracht sind und dass die Antriebseinheit, insbesondere mittig, zwischen den Befestigungsmitteln mit dem Zugmittel gekoppelt ist. Hierdurch wird eine symmetrische Übertragungsfunktion für die Kraftübertragung zwischen der Antriebseinheit und dem Schlitten gewährleistet, bei der gleiche Kräfte, die wechselweise in einander entgegengesetzten Richtungen zwischen Antriebseinheit und Schlitten wirken, zur jeweils betragsgleichen Deformation des Zugmittels führen. Damit kann eine Positionierung des Schlittens durch die Antriebseinheit exakt vorherbestimmt werden. In gleicher Weise kann in der Art einer kinematischen Umkehr vorgesehen sein, dass das Zugmittel an der Antriebseinheit angebracht ist und der Schlitten mittig mit dem Zugmittel gekoppelt ist.
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Bevorzugt ist das Zugmittel zwischen den Befestigungsmitteln freitragend gespannt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Bewegungsuntersetzung in Raumrichtungen quer zur Hauptachse maximal ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Befestigungsmittel eine Spanneinrichtung für das Zugmittel umfasst. Mit Hilfe der Spanneinrichtung kann die Vorspannkraft im Zugmittel frei eingestellt und gegebenenfalls nachjustiert werden. Die Spanneinrichtung kann beispielsweise als in Richtung der Hauptachse wirkende Spannschraube oder als quer zur Hauptachse schwenkbare Exzentereinrichtung ausgebildet sein.
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Vorzugsweise greift ein der Antriebseinheit zugeordnetes Mitnahmeelement in eine am Schlitten ausgebildete Mitnahmeausnehmung ein, um eine Relativbeweglichkeit des Schlittens gegenüber dem Antriebselement zu begrenzen. Hierdurch wird eine Überlastung des Zugmittels bei Auftreten von Kräften vermieden, sofern diese größer als eine vorgebbare Maximalkraft auf das Zugmittel sein sollten. In einem solchen Fall kommt das Mitnahmeelement aufgrund der Deformation des Zugmittels in Anlage an einen oder mehrere Wandbereiche der Mitnahmeausnehmung und übernimmt dadurch eine Kraftübertragung zwischen Antriebseinheit und Schlitten für diejenigen Kräfte, die vom Zugmittel nicht übertragen werden sollen, um dieses nicht zu überlasten. Bevorzugt sind Mitnahmeelement und Mitnahmeausnehmung derart aufeinander abgestimmt, dass Relativbewegungen zwischen Antriebseinheit und Schlitten in Richtung der Hauptachse bereits nach kurzem Weg begrenzt werden, während Relativbewegungen quer zur Hauptachse nicht oder nur bei großer Abweichung zwischen Antriebseinheit und Schlitten begrenzt werden.
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Zweckmäßig ist es, wenn eine der Antriebseinheit zugeordnete Klemmeinrichtung für eine Festlegung der Antriebseinheit an dem Zugmittel ausgebildet ist. Mit der Klemmeinrichtung kann eine zuverlässige kraftübertragende Verbindung zwischen der Antriebseinheit und dem Zugmittel gewährleistet werden. Je nach Anordnung des Zugmittels kann die Klemmeinrichtung an der Antriebseinheit oder am Schlitten angebracht sein.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Klemmeinrichtung als Mitnahmeelement ausgebildet ist. Hierdurch kommt der Klemmeinrichtung eine Doppelfunktion zu, wodurch eine einfache Aufbauweise für die Antriebseinheit oder den Schlitten erreicht wird.
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Vorteilhaft ist es, wenn zwischen den Führungsmitteln und den Führungseinrichtungen angeordnete Führungskörper mit einer vom Schlittenkörper auf das Basiselement ausgeübten Vorspannkraft beaufschlagt sind. 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 auf. Vorzugsweise ist der Schlitten spielfrei am Basiselement gelagert. Dadurch wird eine exakte Positionierung der mit dem Lineardirektantrieb gekoppelten Werkzeugträger oder Werkstückträger begünstigt, was insbesondere bei der Verwendung des Lineardirektantriebs als Antrieb für Handlingeinheiten, Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren von großem Interesse ist.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Schlitten das Basiselement umgreift und die am Schlitten angebrachten Führungseinrichtungen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Schlitten 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 formschüssige 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 Schlitten und dem Basiselement sicher.
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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 einem linearbeweglich an einem Basiselement gelagerten Schlitten und einer teilweise unabhängig vom Schlitten linearbeweglich gelagerten Antriebseinheit,
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2 eine stirnseitige Ansicht des Lineardirektantriebs gemäß der 1,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Verbindungsbereichs zwischen Antriebseinheit und Schlitten,
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4 eine Seitenansicht auf den Verbindungsbereich zwischen Antriebseinheit und Schlitten mit gespanntem Zugmittel, und
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5 eine Seitenansicht auf den Verbindungsbereich zwischen Antriebseinheit und Schlitten mit entspanntem Zugmittel.
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Ein in den 1 und 2 dargestellter Lineardirektantrieb 1 umfasst ein schienenartiges, geradlinig langgestrecktes Basiselement 2 und einen linearbeweglich verschiebbar auf dem Basiselement 2 angeordneten Schlitten 3.
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Das vorzugsweise als Strangpressteil aus Aluminium hergestellte Basiselement 2 weist mehrere, vorzugsweise ebene, beispielsweise als Führungsflächen ausgebildete Führungsmittel 4 auf, die zweckmäßigerweise aus bandförmigem Stahlblech hergestellt sind, um eine verschleißarme Kraftübertragung zwischen Schlitten 3 und Basiselement 2 zu gewährleisten. Die Führungsmittel 4 stützen sich flächig am Basiselement 2 ab und sind exemplarisch jeweils paarweise V-förmig zueinander ausgerichtet, wobei sie beispielsweise einen rechten Winkel einschließen können. Die Führungsmittel 4 sind an einander entgegengesetzten Seitenflächen des Basiselements 2 derart angeordnet, dass sich eine X-förmige Anordnung der Führungsmittel 4 ergibt. Somit bilden die Führungsmittel 4 jeweils paarweise einen V-förmigen Hinterschnitt, in den jeweils paarweise angeordnete Führungsköper 5 des Schlittens 3 formschlüssig eingreifen können. Die Führungskörper 5 sind vorliegend als Führungsleisten für eine Gleitführung zwischen Schlitten 3 und Basiselement 2 ausgebildet. Sie können beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, das gegenüber den Führungsmitteln 4 einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist. Die Führungskörper 5 liegen mit einer größten Oberfläche an den Führungsmitteln 4 flächig an und erstrecken sich parallel zur Hauptachse 6 des Basiselements 2.
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An einer Innenoberfläche des im wesentlichen kastenförmig ausgebildeten Basiselements 2 sind mehrere Längsnuten 7, 8 und 9 ausgebildet. In der zentral angeordneten Längsnut 7 ist eine Tragschiene 10 mit trapezförmigem Querschnitt aufgenommen, deren Haupterstreckungsrichtung parallel zur Hauptachse 6 ausgerichtet ist. Die Tragschiene 10 trägt in gleicher Teilung angeordnete, im Wesentlichen kubisch ausgebildete Magnetelemente 11, insbesondere Permanentmagnete oder ferromagnetische Metallkörper. In den Längsnuten 8 und 9, die sich wie die Längsnut 7 über die gesamte Länge des Basiselements 2 erstrecken, sind jeweils als Lagermittel 12 ausgebildete Bandmetallstreifen mit trapezförmigem Querschnitt angeordnet, die sich wie die Tragschiene 10 zumindest teilweise über die Länge des Basiselements 2 erstrecken.
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Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, dienen die Lagermittel 12 zur linearbeweglichen Lagerung einer Antriebseinheit 15, die einen beispielsweise quaderförmig ausgebildeten Grundkörper 16 mit darin aufgenommenen, nicht näher dargestellten elektrisch beaufschlagbaren Spulen und jeweils seitlich am Grundkörper 16 angebrachte, als Lagereinrichtungen dienende Rollenträger 17 umfasst. Die Rollenträger 17 sind jeweils mit zwei Kugellagern 18 bestückt, die mittels nicht näher dargestellter Achsen am Grundkörper 16 festgelegt sind und deren drehbar gegenüber den Achsen gelagerten Außenringe 19 für eine Abwälzbewegung auf den Lagermitteln 12 ausgebildet sind. Die den Außenringen 19 zugewandten Oberflächen 20 der Lagermittel 12 sind exemplarisch plan ausgebildet. Somit können die Lagermittel 12 und die zugeordneten Rollenträger 17 mit den daran angebrachten, als Lagerkörper dienenden Kugellagern 18 lediglich senkrecht zur Oberfläche 20 der Lagermittel 12 auftretende Kräfte übertragen, so dass sie nur einen Freiheitsgrad der Bewegung für die Antriebseinheit 15 begrenzen. In Richtung der Hauptachse 6 soll die Antriebseinheit frei beweglich sein, was durch die Lagermittel 12 und die Kugellager 18 gewährleistet wird.
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In einer Raumrichtung, die quer zur Hauptachse 6 und quer zu einem Normalenvektor auf die Oberfläche 20 der Lagermittel 12 ausgerichtet ist, weist die Antriebseinheit 15 eine eingeschränkte Relativbeweglichkeit gegenüber dem Basiselement auf. Diese Einschränkung der Relativbeweglichkeit für die Antriebseinheit 15 wird durch die Wechselwirkung eines exemplarisch quaderförmig ausgeführten, am Grundkörper 16 ausgebildeten Verbindungsabschnitts 21 mit einander gegenüberliegenden Gleitflächen 26 am Basiselement 2 hervorgerufen. Vorzugweise ist eine Erstreckung des Verbindungsabschnitts 21 in Richtung der Hauptachse 6 derart gewählt, dass ein unerwünschtes Verkippen der Antriebseinheit 15 um eine normal zur Oberfläche 20 ausgerichtete Kippachse nahezu vollständig ausgeschlossen werden kann.
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An einer Unterseite des Basiselements 2 sind nicht näher bezeichnete T-Nuten angebracht, die zur Festlegung des Basiselements 2 an einem nicht dargestellten Maschinenbett, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, dienen.
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Der linearbeweglich am Basiselement 2 gelagerte Schlitten 3 umfasst einen Schlittenkörper 22, der einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und an dem zwei Halteschienen 23 angebracht sind, die die als Führungsleisten ausgebildeten Führungskörper 5 tragen. Die Führungskörper 5 sind jeweils paarweise V-förmig an der zugeordneten Halteschiene 23 angeordnet und umgreifen insgesamt das Basiselement 2 reiterartig. Somit weist der Schlitten 3 lediglich einen einzigen, linearen Freiheitsgrad der Bewegung in Richtung der Hauptachse 6 auf.
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Wie aus den 3 bis 5 entnommen werden kann, ist eine Verbindung zwischen dem Schlitten 3 und der Antriebseinheit 15 über ein Koppelmittel 24 vorgesehen, das mehrere dem Schlitten 3 und der Antriebseinheit 15 zugeordnete Komponenten umfasst. An dem der Antriebseinheit 15 zugehörigen Verbindungsabschnitt 21 ist eine Klemmeinrichtung 25 ausgebildet, die ein unteres Klemmteil 28 und ein oberes Klemmteil 29 umfasst. Das untere Klemmteil 28 ist am Verbindungsabschnitt 21 festgelegt und weist an einer dem oberen Klemmteil 29 zugewandten Oberfläche eine wellenartige Profilierung auf. Das obere Klemmteil 29 ist an einer dem unteren Klemmteil 28 zugewandten Unterseite mit einer korrespondierenden wellenartigen Profilierung versehen und kann mittels nicht näher dargestellter Befestigungsmittel, beispielsweise mit Schrauben, an dem unteren Klemmteil 28 festgelegt werden.
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In einem Spalt zwischen unterem und oberen Klemmteil 28, 29 ist ein exemplarisch als Stahldrahtseil ausgebildetes Zugmittel 30 aufgenommen, das sich parallel zur Hauptachse 6 erstreckt. Durch die Profilierung des unteren und des oberen Klemmteils 28, 29 wird bei einer Verspannung des oberen Klemmteils 29 mit dem unteren Klemmteil 28, insbesondere durch nicht dargestellte Schrauben, eine zuverlässige Festlegung des Zugmittels 30 am Verbindungsabschnitt 21 und somit am Grundkörper 16, insbesondere in Richtung der Hauptachse 6, erreicht.
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Das Zugmittel 30 ist jeweils endseitig in Haltemuffen 31, 32 aufgenommen. Die erste Haltemuffe 31 ist exemplarisch mit einem nicht näher dargestellten Halteauge versehen, durch das eine Befestigungsschraube gesteckt ist, die das Halteauge und somit die Haltemuffe 31 am Schlitten 3 festlegt. Die zweite Haltemuffe 32 umfasst einen ersten Abschnitt, der sechseckig ausgebildet ist und als Schlüsselfläche für einen Gabelschlüssel genutzt werden kann. Ein zweiter Abschnitt der Haltemuffe 32 ist mit einem nicht dargestellten Außengewinde versehen, auf das eine Schraubhülse 33 aufgeschraubt ist, die sich an einem gabelartig geformten Stützelement 34 abstützt, das seinerseits am Schlitten 3 angebracht ist. Mit Hilfe der Schraubhülse 33 kann das Zugmittel 30 aus dem in der 5 dargestellten ungespannten Zustand in den in den 3 und 4 dargestellten gespannten Zustand gebracht werden. Auch die Vorspannung für das Zugmittel 30 wird mit Hilfe der Schraubhülse eingestellt.
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Das obere Klemmteil 29 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und greift in eine Mitnahmeausnehmung 35 ein, die am Schlitten 3 ausgebildet ist. Wie den 3 bis 5 entnommen werden kann, weist die Mitnahmeausnehmung in Richtung der Hauptachse 6 eine Erstreckung auf, die im Wesentlichen der Erstreckung des oberen Klemmteils 29 in dieser Richtung entspricht. Somit begrenzen das obere Klemmteil 29 und die Mitnahmeausnehmung 35 eine Relativbeweglichkeit zwischen Antriebseinheit 15 und Schlitten 3 in dieser Raumrichtung auf ein geringes Maß. Hierdurch wird vermieden, dass bei einem Auftreten hoher Kräfte auf die Antriebseinheit 15 oder den Schlitten 3 eine Überbeanspruchung des Zugmittels 30 eintritt, da in diesem Fall das obere Klemmteil 29 in Anlage zur Wandflächen der Mitnahmeausnehmung 35 kommt und damit eine Kraftübertragung zwischen Antriebseinheit 15 und Schlitten 3 zusätzlich zum Zugmittel 30 ermöglicht.
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Demgegenüber ist die Mitnahmeausnehmung 35 in den Raumrichtungen quer zur Hauptachse derart ausgeführt, dass das obere Klemmteil 29 zumindest um einen gewissen Betrag gegenüber der Mitnahmeausnehmung 35 verschoben werden kann, der erheblich größer als das Bewegungsspiel zwischen Klemmteil 29 und Mitnahmeausnehmung 35 in Richtung der Hauptachse 6 ist. Hierdurch wird eine unerwünschte statische Überbestimmung zwischen Schlitten 3 und Antriebseinheit 15 vermieden.
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Die Kopplung des Schlittens 3 mit der Antriebseinheit 15 über das Zugmittel 30 stellt sicher, dass in Richtung der Hauptachse 6 von der Antriebseinheit 15 eingeleitete Bewegungen verlustfrei auf den Schlitten 3 übertragen werden, während Bewegungen quer zur Hauptachse 6 durch die Eigenschaften des Zugmittels 30 untersetzt werden. Dadurch treten Bewegungen der Antriebseinheit 15 in diesen Raumrichtungen am Schlitten 3 mit einem reduzierten Betrag auf.
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Zudem wird durch die Kopplung über das Zugmittel 30 sichergestellt, dass zwischen Antriebseinheit 15 und Schlitten 30 nur ein geringer Wärmeübergang stattfindet. Somit bleibt die Temperatur des Schlittens 3 im Wesentlichen konstant, selbst wenn sich die Antriebseinheit 15 durch die Beaufschlagung der nicht dargestellten Spulen mit elektrischer Energie zur Erzeugung von Vortriebskräften längs der Hauptachse 6 im Betrieb erwärmen sollte. Hierdurch wird also erreicht, dass das Bewegungsspiel des Schlittens 3 gegenüber den Führungsmitteln 4 des Basiselements 2 im Wesentlichen konstant ist, wodurch die Positioniergenauigkeit des Lineardirektantriebs 1 in unterschiedlichen Betriebszuständen erhalten bleibt.
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Die Erwärmung des Schlittens 3 hängt mit der Erzeugung einer linearen Vortriebsbewegung durch die Antriebseinheit 15 längs der Hauptachse 6 des Basiselements 2 zusammen. Die Antriebseinheit 15 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 2 festgelegten Magnetelementen 11 ein, die in einer Vortriebskraft auf die Antriebseinrichtung 15 resultiert. Die Umsetzung der elektrischen Energie in den Spulen führt zu einer Erwärmung der Spulen, die die Antriebseinheit 15 erwärmen. Da sowohl der Schlitten 3 wie auch das Basiselement 2 nicht in wärmeübertragender Verbindung mit der elektrodynamischen Antriebseinheit 15 stehen, werden beide beim Betrieb der Antriebseinheit 15 nur geringfügig erwärmt. Die Präzision der Führung zwischen Schlitten 3 und Basiselement 2 wird durch die geringe Erwärmung ebenfalls nur gering, vorzugsweise nicht beeinträchtigt, da aufgrund der mechanischen Kopplung von Antriebseinheit 15 und Schlitten 3 zwar eine direkte Bewegungsübertragung in Richtung der Hauptachse 6, jedoch keine oder nur eine geringe thermische Kopplung vorliegt.
