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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer
Dreh- und Hubbewegung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere
zur Verwendung für
eine Verschließeinrichtung
für Behältnisverschlüsse oder
zur Verwendung für
eine Stoßmaschine,
insbesondere mit elektronischer Schrägführung.
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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung einer
Dreh- und Hubbewegung mit einem elektrischen Motor mit einem Rotor unter
Einsatz von Mitteln zur Transformation einer vom Rotor erzeugten
Drehbewegung in eine Hubbewegung. Zur Erzeugung von Dreh- oder Hubbewegungen
sind Antriebe mit Riementrieb, Kurbeltrieb, Kugelgewindetrieb (KGT),
aber auch linearem Direktantrieb bekannt. Lineare Direktantriebe
(elektrische Linearmotoren) spielen heutzutage für praktisch alle Maschinenarten
eine große
Rolle. Der Linearmotor arbeitet ohne Transformation einer Drehbewegung
in eine Translationsbewegung (Hubbewegung) und lässt sich bildhaft durch Abwicklung
eines rotierenden Drehstrommotors auf eine Ebene veranschaulichen.
Trotz der zahlreichen Vorteile weisen lineare Direktantriebe auch
Nachteile, wie der hohe Systempreis, die hohe Verlustleistung verbunden
mit starker Erwärmung
der Maschinenstruktur sowie starken Magnetfeldern und fehlender
Kraftübersetzung
sowie der große
Bauraum auf. Vorteile der linearen Direktantriebe sind hohe Positioniergenauigkeit
und gleichzeitig hohe Regeldynamik. Bezüglich Vorschub, Beschleunigung
und dynamischer Vorschubkraft sind Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetriebe
(H-KGT) bei geringerem Gesamtaufwand im Werkzeugmaschinenbau zu
den linearen Direktantrieben konkurrenzfähig. KGT-Antriebe bestehen
im Allgemeinen aus einem Elektromotor, einem Kugelgewindetrieb und
einem Messsystem zur Positionsbestimmung der beweglichen Gestellelemente.
Der Kugelgewindetrieb verwendet Kugeln als Wälzkörper und dient zur Umsetzung
einer Drehbewegung in eine Translationsbewegung (Hubbewegung). Aufgrund
der Punktanlage der Kugeln wird die Antriebsleistung enorm reduziert,
besteht geringerer Verschleiß der Laufbahnen
und wird die erreichbare Verfahrgeschwindigkeit sowie die Positioniergenauigkeit
erhöht.
Damit verbunden sind geringere Wartungskosten, geringere Bearbeitungszeiten
und niedrigere Ausschussquoten.
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Haupteinsatzgebiet
des Kugelgewindetriebs sind Werkzeugmaschinen, bei denen das zu
bewegende Teil an der Mutter des Kugelgewindetriebs befestigt und
gleichzeitig über
Linearführungen
gelagert ist. Ein Motor treibt die Spindel des KGT entweder direkt
oder über
Getriebe und Riementriebe an. Zwischen Spindel und Mutter rollen
Kugeln als Wälzkörper in
Laufrillen ab, die beim Drehen der Spindel axial wandern. Die umlaufenden
Kugeln berühren
im Idealfall (spielfrei) beide Flanken des Gewindes an je einem
Punkt. Als kennzeichnende Merkmale des KGT dient die Steigung der
Spindel, gemessen als zurückgelegte
Strecke (Hub) der Spindelmutter pro Umdrehung der Spindel. Der Vorschub
ergibt sich dann aus dem Produkt von Steigung und Drehzahl. Die
klassischen Lösungen,
wie Riementrieb, Kurbeltrieb, aber auch Kugelgewindetrieb mit Synchrongehäusemotor sind
bezüglich
der erreichbaren Regeldynamik und Energieeffizienz den linearen
Direktantrieben häufig unterlegen.
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Zur
Erzeugung von überlagerten
Dreh- und Hubbewegungen werden bei Werkzeugmaschinen (NC-Maschinen)
die klassischen C- und Z-Achsen angesteuert, wobei die C-Achse die
Achse für
die Drehbewegung des Werkstücks
bzw. Werkzeugs darstellt, während
die Z-Achse die Richtung der Hubbewegung beschreibt und meist als
Kurbeltrieb oder Linearachse mit Riementrieb, Kugelgewindetrieb oder
Zahnstange ausgeführt
wird.
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Nachteilig
bei den bekannten Einrichtung zur Erzeugung einer Dreh- und Hubbewegung
ist, dass jede Achse mit getrennten Achsantrieben angesteuert werden
muss, von denen jeder Antrieb spezifische Vor- und Nachteile aufweist,
wie sie oben beschrieben sind. Es ist daher wünschenswert, eine Einrichtung
zur Erzeugung einer überlagerten
Dreh- und Hubbewegung, die insbesondere jeweils aufeinander abstimmbar
sein sollen, anzugeben, die eine möglichst hohe Energieeffizienz
bei gleichzeitig hoher Regelgüte
und geringen Kosten sowie möglichst wartungsfreier
kompakter mechanischer Ausführung aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine
Einrichtung zur Erzeugung einer Dreh- und Hubbewegung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche
sowie der nachfolgenden Beschreibung. Eine Verwendung der Hubeinrichtung
gibt Anspruch 11, eine weitere Verwendung gibt Anspruch 12.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung beruht auf der (mit einer parallelen Anmeldung am selben
Tag zum Patent angemeldeten) Lehre, einen Kugelgewindetrieb zum
Bestandteil eines Direktantriebs zu machen, so dass keine mechanische
Kupplung erforderlich ist. Dies gelingt dadurch, dass der Rotor
des elektrischen Motors der erfindungsgemäßen Einrichtung als Mutter des
Kugelgewindetriebs ausgebildet ist, und dass eine innerhalb der
Mutter des Kugelgewindetriebs vorhandene Spindel, die Kugelumlaufspindel,
als Achse zur Erzeugung einer Dreh- und Hubbewegung ausgebildet
bzw. vorgesehen ist. Wesentlich hierbei ist, dass die Mutter des
Kugelgewindetriebs (KGT-Mutter)
als Rotor eingesetzt ist und selbst keine translatorische Bewegung
ausführt.
Sie ist im Maschinenrahmen drehbar gelagert, so dass die in ihrem
Inneren befindliche Kugelumlaufspindel in eine translatorische Bewegung
(Hubbewegung) versetzt wird, wobei sich die Spindel zusätzlich um
ihre eigene Achse dreht.
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Die
in vorliegender Anmeldung beanspruchte Erfindung betrifft im Wesentlichen
die Lehre, durch Hintereinanderschaltung mindestens zweier jeweils als
KGT-Mutter ausgebildeter
Rotoren eine abstimmbar überlagerte
Dreh- und Hubbewegung erzeugen zu können. Mittels der Erfindung
ist es möglich,
eine reine Drehbewegung, eine reine Hubbewegung oder auch eine überlagerte
Dreh- und Hubbewegung zu erzeugen. Hierzu sind die jeweiligen Spindeln
der Kugelgewindetriebe zu einer gemeinsamen Achse zur Erzeugung
der Dreh und/oder Hubbewegung zusammengeschlossen, d. h. zweckmäßigerweise
miteinander verbunden.
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Ohne
Beschränkung
der Allgemeinheit soll im Folgenden der Fall betrachtet werden,
dass genau zwei jeweils als Mutter eines Kugelgewindetriebs ausgebildete
Rotoren koaxial hintereinander angeordnet sind. Von hier aus kann
der Fachmann in Kenntnis der Erfindung Ausgestaltungen mit mehr
als zwei hintereinander geschalteten KGT-Muttern zur Erzeugung einer
Dreh- und/oder Hubbewegung selbst ableiten.
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Zunächst sollen
zu Aufbau und Vorteilen einer einzelnen Komponente bestehend aus
einer als Rotor ausgebildeten KGT-Mutter mit innenliegender Spindel, die
eine gekoppelte Dreh-(Rotations-) und Hub-(Translations) Bewegung
vollführt,
Ausführungen
gemacht werden, bevor auf das beanspruchte Prinzip der Erzeugung
einer einstellbaren Überlagerung
dieser beiden Bewegungen gesprochen wird.
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Für eine solche
Einzelkomponente kann ein bekannter Elektromotor mit einer Statorwicklung
und einem innenlaufenden Rotor eingesetzt werden. Bevorzugt wird
ein Wechselstrommotor, insbesondere ein Servomotor, weiter insbesondere
ein Torquemotor, eingesetzt. Der Rotor (KGT-Mutter) ist vorzugsweise konstant magnetisiert
(durch Dauermagnete) und wird von einem bewegten magnetischen Drehfeld
im umgebenden Stator mitgenommen (Synchronmotor). Solche Motoren
besitzen kein oder nur ein geringes Anlaufmoment. Selbstverständlich können andere
Motorarten realisiert sein. Der Betrieb eines Servomotors kann momenten-,
geschwindigkeits- und/oder positionsgeregelt sein. Dies ermöglicht eine
Anpassung an verschiedene Anwendungen. Als besonderer Servomotor
sei hier der Einsatz eines Torquemotors angeführt, der einen getriebelosen
Direktantrieb mit hohen Drehmomenten und kleinen Drehzahlen darstellt.
Der Torquemotor kann als großer
Servomotor mit Hohlwelle betrachtet werden, der auf hohe Drehmomente
optimiert ist. Torquemotoren erlauben den Einsatz für schnelle
und genaue Verfahr- und Positionieraufgaben.
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Den
erfindungsgemäß (wenigstens)
zwei koaxial hintereinander geschalteten, als KGT-Muttern ausgebildeten
Rotoren kann beispielsweise ein einziger Stator zugeordnet sein,
so dass beide Rotoren dieselbe Drehrichtung im Betrieb aufweisen.
Durch Auslegung der Rotoren kann eine unterschiedliche Drehgeschwindigkeit
(Drehzahl) realisiert werden. Hierdurch kann – im Falle zweier hintereinander
geschalteter Rotoren mit Kugelgewindetrieben entgegengesetzter Steigung – eine überlagerte
Dreh- und Hubbewegung erzeugt werden.
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Um
jede KGT-Mutter getrennt von der anderen bzw. den anderen ansteuern
zu können,
ist es jedoch besonders vorteilhaft, jeder als Rotor eingesetzten
KGT-Mutter einen Motor (mit Stator und zumindest eigener Drehzahlregelung)
zuzuordnen. Dies erlaubt eine äußerst flexible
Ansteuerung und genaue Wahl der Verhältnisse von Hubbewegung zu Drehbewegung
sowie eine genaue Regelung dieser Bewegungen selbst.
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Es
ist vorteilhaft, wenn zumindest zwei benachbarte Kugelgewindetriebe
entgegengesetzte Steigung aufweisen. Dies lässt sich am Fall zweier Kugelgewindetriebe
veranschaulichen: Eine entgegengesetzte Steigung führt bei
gleicher Drehrichtung der KGT-Muttern zu einer teilweisen oder vollständigen Kompensation
der translatorischen (Hub-)Bewegung der zu einer gemeinsamen Achse
gekoppelten Spindeln. Bei gleicher Drehzahl und entgegengesetzt gleicher
Steigung hebt sich beispielsweise die translatorische Bewegung vollständig auf.
Die gekoppelten Spindeln erzeugen somit keine Hubbewegung, sondern
ausschließlich
eine rotatorische (Dreh-)Bewegung.
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In
dem betrachteten Fall, dass die Gewinde zweier benachbarter KGT-Muttern
entgegengesetzte Steigung aufweisen, kommt es bei entgegengesetzter
Drehrichtung zu einer Verstärkung
der translatorischen (Hub-)Bewegung der zu einer gemeinsamen Achse
gekoppelten Spindeln. Bei gleicher (aber entgegengesetzter) Drehzahl
heben sich die Rotationsbewegungen gegeneinander auf, so dass eine
reine Hubbewegung erzeugt werden kann.
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Eine
besonders einfache Regelung der überlagerten
Dreh- und Hubbewegung ist möglich,
wenn beide Gewinde der Kugelgewindetriebe entgegengesetzte, aber
dem Betrag nach gleiche Steigung aufweisen. In diesem Fall kann
bei gleicher Drehrichtung der KGT-Muttern eine reine Drehbewegung
erzeugt werden, wenn die beiden Drehzahlen identisch sind. Zur Drehbewegung
tritt eine Hubbewegung hinzu, wenn die Drehzahlen sich unterscheiden.
Während eine
Drehzahl kontinuierlich abnimmt (auf Null sinkt), wird auch der
gesamte Anteil der Drehbewegung geringer, während der translatorische Anteil
wächst. Kehrt
sich schließlich
die Drehrichtung des einen Rotors (KGT-Mutter) um, so beginnt eine
Kompensation der von den jeweiligen Kugelgewindetrieben erzeugten
Rotationsbewegungen, bis bei gleicher Drehzahl (aber entgegengesetzter
Drehrichtung) nur noch eine reine translatorische (Hub-)Bewegung
vorhanden ist. Wie bereits erwähnt,
soll der Fall genau zweier KGT-Muttern
hier lediglich als besonders vorteilhaftes und leicht verständliches
Beispiel dienen, das den Schutzbereich der Erfindung in keiner Weise
einschränken
soll.
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Die
Erfindung erlaubt eine exakte Vorgabe eines komplexen Bewegungsablaufs
beispielsweise zur Werkzeugsteuerung, bei der überlagerte Dreh- und Hubbewegungen
erforderlich sind. Es kann der Anteil einer jeden Bewegung, ob Hub-
oder Drehbewegung, exakt eingestellt werden, außerdem kann der Betrag jeder
einzelnen Bewegung, ob Hub- oder Drehbewegung, durch geeignete Wahl
der Parameter (Steigung und Drehzahl) exakt eingestellt werden. Somit
eignet sich die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise beispielsweise
für eine
Verschließeinheit
für Schraubverschlüsse. Hier
muss das einen Schraubverschluss tragende Werkzeug zunächst in Richtung
Flaschenhals abgesenkt, d. h. translatorisch verschoben werden,
anschließend
wird der Schraubverschluss mittels einer kombinierten Dreh- und
Hubbewegung auf den Flaschenhals aufgeschraubt. Abschließend hebt
das Werkzeug (ohne Schraubverschluss) vom Flaschenhals ab. In modernen Flaschenabfüllanlagen
wird dieser Vorgang parallel und/oder sequenziell für eine große Anzahl
von Flaschen in möglichst
kurzen Zeiten ausgeführt.
Die Erfindung bringt hier große
Vorteile. Dies liegt in der hohen Energieeffizienz (keine mechanischen
Kupplungen) bei gleichzeitig hoher Regelgüte begründet. Außerdem sind die Kosten gering
und erlauben eine mechanisch kompakte und nahezu wartungsfreie Ausführung. Des
Weiteren erlaubt die Erfindung eine modulare Baukastenlösung bestehend
aus einer Vielzahl erfindungsgemäßer Einrichtungen
zur Erzeugung von Dreh- und/oder
Hubbewegungen, die (im Beispiel der Flaschenabfüllanlage) parallel angesteuert
werden, um eine hohe Anzahl von Verschließvorgängen parallel durchzuführen.
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Hierzu
können
die für
eine erfindungsgemäße Einrichtung
benötigten
dezentralen Wechselrichter (wenn jede KGT-Mutter einen eigenen Motor
zugeordnet hat) mit dezentraler Intelligenz eingesetzt werden. Die
dezentralen Wechselrichter können dann
die Elektronik zur Motorregelung sowie die Elektronik zur Logikverarbeitung
aufweisen. Auf diese Weise kann die Verarbeitung von E/As und von Sensorsignalen
dezentral direkt im Antrieb erfolgen und somit ein modulares Maschinenkonzept
realisiert werden. Motor, Regler und Achsmechanik verschmelzen auf
diese Weise zu einer Einheit. Auf diese Weise kann eine größere Anzahl
baugleicher Einheiten (beispielsweise Verschließeinheiten) zur Verfügung gestellt
und an eine Hauptsteuerung angeschlossen werden.
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Aus
den erwähnten
Gründen
eignet sich die Erfindung in einer weiteren Anwendung besonders gut
für eine
Stoßmaschine.
(Wälz-)Stoßmaschinen sind
kontinuierlich arbeitende Verzahnungsmaschinen, bei denen mittels
eines Werkzeugs (Schneidrad) beispielsweise eine Innenverzahnung
in den Rand eines kreisförmigen
Werkstückausschnitts
eingebracht wird. Über
dem Werkstück
befindet sich das Stoßwerkzeug,
das eine Hubbewegung parallel zur Werkstückdrehachse ausführt. Werkstück und Stoßwerkzeug
drehen dabei kontinuierlich um ihre Achsen, so dass beide ineinander
abwälzen.
Das Werkstück
(Schneidrad) führt
die zur Spanabnahme notwendige Hubbewegung in Achsrichtung aus.
Während
des Rückhubes
(Leerhubes) wird das Schneidrad vom Werkstück abgehoben, um eine Kollision
mit dem weiterwälzenden,
bereits verzahnten Werkstück zu
vermeiden. Zusätzlich,
als dritte Bewegung, fährt das
Stoßwerkzeug
radial in das Werkstück
ein, bis die eingestellte Endtief erreicht ist. Die beiden erstgenannten
Bewegungen, nämlich
die Hubbewegung parallel zur Werkstückdrehachse sowie die überlagerte
Drehbewegung des Werkzeugs bzw. Schneidrads lassen sich besonders
vorteilhaft mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erzeugen und
steuern. Es ergeben sich Vorteile und Ausgestaltungen in analoger
Weise wie für
den behandelten Anwendungsfall der Verschließeinheit.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt
eine Einrichtung zur Huberzeugung als Grundlage einer Einrichtung
zur Erzeugung einer überlagerten
Dreh- und Hubbewegung,
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2 zeigt
eine Ausführungsform
einer Einrichtung zur Erzeugung einer Dreh- und/oder Hubbewegung
und
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3 zeigt
drei verschiedene Betriebsmöglichkeiten
(3a bis 3c) der Vorrichtung gemäß 2.
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Es
versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sehr schematisch dargestellt sind. Daneben ist jede
andere Ausführungsform
denkbar, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt
in sehr schematischer Ansicht eine Einrichtung 11 zur Huberzeugung,
wie sie als Grundlage einer Einrichtung 1 zur Erzeugung
einer überlagerten
Dreh- und Hubbewegung
dient, die ihrerseits in den 2 und 3 abgebildet
ist. Die Einrichtung 11 zeigt einen Elektromotor 2,
insbesondere Torquemotor, mit den folgenden Komponenten: Der Maschinenrahmen 7 schließt den Stator
(Statorwicklung) 6 ein und umschließt den Rotor 4, der
als Mutter eines Kugelgewindetriebs eingesetzt ist. Der Rotor 4 ist
im Maschinenrahmen 7 über
die Lagerung 9 drehbar gelagert. Der Kugelgewindetrieb
selbst ist mit 3 bezeichnet. Die Spindel des Kugelgewindetriebs 3 ist mit 5 bezeichnet.
Ein Motorgeber 8 steht mit einer Elektronik 10über eine
Leitung 13 zur Logikverarbeitung in Wirkverbindung. Die
Elektronik 10 steht mit dem Motor 2 außerdem über eine
Leitung 12 zur Motorregelung in Wirkverbindung. Bei der
Elektronik 10 handelt es sich insbesondere um einen dezentralen Wechselrichter,
der die Elektronik zur Motorregelung sowie zur Logikverarbeitung
vereint.
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Bei
Betrieb der Einrichtung 11 zur Huberzeugung und somit bei
Betrieb des Elektromotors 2 dreht sich der Rotor 4 (der
identisch mit der Kugelgewindetrieb-Mutter 4 ist) mit einer
vorgebbaren Drehzahl in einer vorgebbaren Drehrichtung um die eigene Längsachse.
Der Kugelgewindetrieb 3 führt in seinem Inneren in bekannter
und oben ausführlich
geschilderter Weise eine Spindel 5 (Kugelumlaufspindel),
die in diesem Fall auch als Hubstange bezeichnet oder eingesetzt
werden kann. Die Spindel 5 dreht sich um ihre eigene Achse
und führt
eine translatorische Bewegung in Richtung ihrer Achse aus. Die resultierende
Hubbewegung kann durch Ansteuerung des Motors 2 gesteuert
oder geregelt werden. Der Vorschub der Spindel 5 ergibt
sich aus dem Produkt von Motordrehzahl und Gewindesteigung des Kugelgewindetriebs 3.
Neben der Hubbewegung erzeugt die Einrichtung 11 eine Rotationsbewegung
der Spindel 5 um ihre eigene Längsachse.
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Die
dargestellte Einrichtung zeichnet sich durch hohe Integrationsdichte
(keine mechanischen Kupplungen) und somit durch die kompakte und
verschleißarme
Bauform bei geringen Kosten und höher Energieeffizienz aus. Der
Einsatz ist besonders wirkungsvoll bei Anwendungen, die hohe Regelgüte und Regeldynamik
voraussetzen. Die in der Beschreibung bereits erwähnte Möglichkeit
der modularen Baukastenlösung
weist den Vorteil der dezentralen Verarbeitung von E/As (über die
Leitungen 12 und 13 zur Motorregelung bzw. Logikverarbeitung)
auf und kann somit die Motionfunktionalität direkt im Antrieb unterbringen.
Weiter hervorgehoben seien die hohe Positionierdynamik und Positioniergenauigkeit.
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Bei
der in 1 dargestellten Einrichtung 11 besteht
zwischen der Hubbewegung der Spindel 5 und ihrer Drehbewegung
(Rotation um ihre Längsachse)
ein fester Zusammenhang. Eine entkoppelbare und getrennt regelbare
Dreh- und Hubbewegung ermöglicht
jedoch der Aufbau gemäß den 2 und 3.
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In
den 2 und 3 sind nur die für das Verständnis der
Erzeugung einer überlagerten
Dreh- und Hubbewegung notwendigen Komponenten einer Einrichtung 11 aus 1 nochmals
dargestellt. Auf die Ansteuerkomponenten (8, 10, 12 und 13)
sowie auf die Motorbestandteile (2, 6, 7 und 9)
ist hier bewusst verzichtet worden, um das Verständnis nicht zu erschweren.
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2 zeigt
den Grundaufbau einer Einrichtung 1 zur Dreh-/Hubbewegungserzeugung.
Dieses Ausführungsbeispiel
umfasst zwei jeweils als Mutter eines Kugelgewindetriebs ausgebildete
Rotoren 40a, 40b, die koaxial hintereinander angeordnet
sind. Die jeweiligen Kugelgewindetriebe sind mit 30a und 30b bezeichnet.
Die Spindeln der Kugelgewindetriebe 30a, 30b sind
zu einer gemeinsamen Achse 50 zur Erzeugung einer Dreh-
und/oder Hubbewegung zusammengeschlossen. Es ist nur der die beiden
Kugelgewindetriebe 30a und 30bverbindende Teil
der gemeinsamen Achse 50 dargestellt, die sich auf beiden
Seiten in Längsrichtung
fortsetzen kann. Jeder Rotor 40a bzw. 40b kann
wie der Rotor 4 aus 1 Bestandteil
eines ihm zugeordneten Motors sein. In diesem Fall müssten die
beiden zugehörigen
Motoren angesteuert werden und über
eine entsprechende Elektronik zur Motorregelung sowie zur Logikverarbeitung
verfügen.
Hierzu sei auf die Erläuterungen in
Zusammenhang mit 1 sowie auf die allgemeinen
Erläuterungen
in der Beschreibung verwiesen.
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Je
nach Anwendungsfall sind für
die einzelnen Kugelgewindetriebe 30a und 30b bestimmte Steigungen
vorzusehen. Die Steigungen können gleich
oder auch unterschiedlich sein. Insbesondere ist es zweckmäßig, die
Steigungen entgegengesetzt zu wählen,
wobei insbesondere vorteilhaft ist, die Steigungen dem Betrag nach
gleich zu wählen.
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Für die kinematischen
Größen der
in
2 dargestellten Anordnung gelten die folgenden
Gleichungen:
wobei Z die Hubbewegung in
Z-Richtung (Längsachse
der Achse
50), C
a,b der von den
einzelnen KGT-Muttern
40a,
40bzurückgelegte
Drehwinkel, C der mittlere Drehwinkel und h die Spindelsteigung
in m/Umdr. bezeichnet, wobei hier bereits der Sonderfall gleicher
aber entgegengesetzter Spindelsteigung angenommen ist.
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Anhand
der drei in 3 unterschiedenen Fälle (3a, 3b, 3c)
sei das Funktionsprinzip der Einrichtung 1 näher erläutert.
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Es
sind nur die wesentlichen Elemente, nämlich oberer und unterer Rotor 40a, 40b sowie
die gemeinsame Spindelachse 50 in 3c dargestellt. Gleiche
Notationen gelten für
die 3a und 3b.
Im Übrigen
stützt
sich die Darstellung gemäß 3 auf diejenige
gemäß 2.
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Drehen
beide Hauptmotoren mit gleicher Drehzahl in entgegengesetzte Drehrichtung
(na = –nb, wobei n für die Drehzahl steht), so ist
die resultierende Rotation gleich Null und die resultierende Bewegung
der Achse 50 ist eine reine Hubbewegung. Dieser Fall ist
in 3a skizziert.
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Drehen
beide Hauptmotoren mit gleicher Drehzahl in gleiche Drehrichtung
(na = nb), so kompensiert
sich aufgrund der entgegengesetzt gleichen Spindelsteigungen die
translatorischen Bewegungen zu Null und die resultierende Bewegung
der Achse 50 ist ein reine Rotation bzw. Drehbewegung.
Dieser Fall ist in 3b skizziert.
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Drehen
schließlich
beide Hauptmotoren mit unterschiedlicher Drehzahl (na ⧧ nb), so ist die resultierende Bewegung der
gemeinsamen Spindelachse 50 eine Rotation mit gleichzeitiger
(überlagerter) Hubbewegung.
Dieser Fall ist in 3c skizziert. Durch
Absenken einer der beiden Motordrehzahlen auf Null kann die Drehgeschwindigkeit
der Achse 50 verringert werden, während der Betrag der Translationsbewegung
erhöht
wird.
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Als
Einsatzgebiete seien hier nochmals das Einsatzgebiet einer Verschließeinrichtung
für Schraubverschlüsse sowie
das einer (Wälz-)Stoßmaschine
genannt. Bei diesen Anwendungsgebieten erlaubt die Erfindung eine
hochpräzise
und hochdynamische Regelung der erforderlichen Achsbewegungen (klassische
C- und Z-Achsen).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einrichtung
zur Dreh-/Hubbewegungserzeugung
- 2
- Elektromotor
- 3
- Kugelgewindetrieb
- 4
- Mutter,
Rotor
- 5
- Spindel
- 6
- Stator
- 7
- Maschinenrahmen
- 8
- Motorgeber
- 9
- Lagerung
- 10
- Elektronik
- 11
- Einrichtung
zur Huberzeugung
- 12
- Leitung
zur Motorregelung
- 13
- Leitung
zur Logikverarbeitung
- 30a,
30b
- Kugelgewindetrieb
- 40a,
40b
- Mutter,
Rotor
- 50
- Achse
