DE19517345A1 - Elektrisch betriebener Spannkrafterzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger, insbesondere für Spannvorrichtungen zum Fixieren von Werkstücken auf Bearbeitungsmaschinen, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Nachfolgend soll der Stand der Technik am Ausführungsbeispiel einer Werkstück-Spannvorrichtung beschrieben werden. Bisher wurden zum Antrieb von Spannvorrichtungen an Bearbeitungsmaschinen im allgemeinen Hydraulikzylinder benutzt. Im Verhältnis zu der hohen Spannkraft sind die Hydraulikzylinder kompakt und verhältnismäßig wirtschaftlich zu betreiben. Zudem ist die Vorschubbewegung der Hydraulikzylinder ausreichend schnell und die erzeugte Spannkraft kann leicht durch den Zylinderquerschnitt und den angelegten Druck festgelegt werden. Folglich sind Hydraulikzylinder als Spannkrafterzeuger in Werkstück-Spannvorrichtungen mit hoher Genauigkeit und ausgezeichnetem Betriebsverhalten häufig eingesetzt.

Seit jedoch die Energieeinsparung auch auf diesem technischem Gebiet stärker beachtet wird, kann nicht mehr übersehen werden, daß derartige Spannvorrichtungen mit Hydraulikzylindern im Wirkungsgrad relativ gering liegen. Gemäß Schätzungen kann der Energiebedarf in einer Maschinenfabrik mit zahlreichen Bearbeitungsmaschinen auf die Hälfte abgesenkt werden, wenn die hydraulischen Systeme für die Bearbeitungsmaschinen durch elektrische Systeme ersetzt würden. Aufgrund dieser möglichen Energieeinsparung in einer Fabrik wäre es äußerst zweckmäßig, wenn statt der hydraulischen Spannvorrichtungen elektrisch betriebene Spannvorrichtungen verwendet würden. Weiterhin benötigen Bearbeitungsmaschinen mit einer Vielzahl von Hydraulikzylindern ein entsprechendes, jedoch sehr kompliziertes Leitungsnetz mit einer Vielzahl von Anschlußpunkten und Kupplungen. Dadurch ist es in der Praxis kaum möglich Ölleckagen zu vermeiden, wie dies dann auch häufig an Bearbeitungsmaschinen nach längerer Betriebszeit auftritt, so daß neben der möglichen Umweltverschmutzung auch Sicherheitsrisiken in dem Betrieb entstehen. Eine Lösung gerade für die mit Ölleckagen verbundenen Probleme wird daher grundsätzlich angestrebt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger zu schaffen, der die vorstehenden Nachteile vermeidet, einen günstigen Wirkungsgrad aufweist, sowie eine gute Steuerbarkeit des Bewegungsvorgangs und der Spannkraftanlegung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch den vorgeschlagenen, elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger, wobei zur Umsetzung der Drehbewegung des elektrischen Antriebsmotors in eine translatorische oder lineare Bewegung ein Kurbelwellen-Schubstangenmechanismus verwendet wird, werden folgende Vorteile erreicht:

• (1) Der Energieverbrauch wird reduziert, da der Spannkrafterzeuger während des Spannvorganges kaum elektrische Energie benötigt;
• (2) Die bei Verwendung von Hydraulikzylindern auftretenden Ölleckagen werden ebenso wie der Aufwand zur Installation eines Rohrnetzes vermieden;
• (3) Die Vorschubgeschwindigkeit ist umschaltbar, so daß sowohl eine Eilgangfunktion als auch eine "weiche" Anlegfunktion bei Spannbeginn erreicht wird;
• (4) Die gewünschte Spannkraft wird durch einen Kraftwandler (Untersetzungsgetriebe) erreicht und kann zudem durch einen Spannkraftdetektor überwacht werden;
• (5) Durch die Verwendung eines Kurbelwellen-Schubstangenmechanismus, bei dem eine Vielzahl von Zähnen gleichzeitig im Eingriff sind, wird ein kompakter Spannkrafterzeuger erreicht, der in den Außenabmessungen einem Hydraulikzylinder ähnlich ist, jedoch eine einfachere Installation, Steuerbarkeit und reduzierten Energiebedarf bietet.

In vorteilhafter Weise wird die Drehzahl des Antriebsmotors durch einen Drehzahlwandler (Untersetzungsgetriebe) reduziert und dann die Rotationsbewegung zu dem Linearbewegungs-Umsetzungsmechanismus weitergeleitet. Diese Linearbewegung wird dann auf eine Druckstange zur Anlage an das Werkstück übertragen. Der Drehzahlwandler weist vorzugsweise ein variables Übersetzungsverhältnis auf, um die Vorschubgeschwindigkeit der Druckstange zumindest zwischen "langsam" und "schnell" umzuschalten. Der Grund für die Verwendung eines hin- und hergehenden Kurbelwellen-Schubstangenmechanismus zur Umsetzung der Rotationsbewegung in eine Linearbewegung liegt insbesondere in seinem kompakten und leistungsfähigen Aufbau, wie nachfolgend detailliert beschrieben wird, so daß der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger mit hydraulischen Spannkrafterzeugern vergleichbar ist.

Bevorzugt umfaßt der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin einen Spannkraftdetektor, der die Druckkraft der Druckstange erfaßt, um eine Berührung der Druckstange mit dem Werkstück zu ermitteln, wenn die Druckkraft einen ersten Schwellenwert erreicht und eine gewünschte Spannkraft ermittelt, wenn die Spannkraft einen zweiten Schwellenwert erreicht, sowie eine Übersetzungsverhältnis-Schaltvorrichtung, um die Vorschubgeschwindigkeit umzuschalten und damit bei Berührung mit dem Werkstück die Druckstange langsamer, jedoch mit größerer Spannkraft vorwärts zu bewegen und eine Motorsteuerung, die den Antriebsmotor stoppt, wenn die gewünschte Spannkraft erreicht wird.

Weiterhin umfaßt der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung eine Halte- oder Arretierungsvorrichtung, die sicherstellt, daß die Spannkraft nach Abschalten des Motors nicht abfällt.

Wenn die Druckstange das Werkstück berührt, tritt als Reaktionskraft in der Druckstange ebenfalls eine entsprechend höhere Kraft auf und damit in den Antriebswellen ein erhöhtes Reaktions-Drehmoment. Dementsprechend kann durch Erfassung der Druckkraft in der Druckstange auf direktem Wege oder indirekt durch Drehmomentmessung in den Antriebswellen die Anlage an das Werkstück ermittelt werden. Durch Anhalten des Antriebsmotors und Arretieren oder Verriegeln des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers beispielsweise durch eine Motorbremse, sobald eine vorgegebene Spannkraft am Werkstück erreicht ist, kann die Druckstange in diesem Zustand gehalten werden, so daß sichergestellt ist, daß die Druckstange gegen das Werkstück mit einer Spannkraft gedrückt wird, die über einem vorbestimmten Wert liegt.

Wenn eine derartige Berührung oder Anlage an dem Werkstück (noch) nicht festgestellt wird, wird die Druckstange unter geringer Belastung mit hoher Vorschubgeschwindigkeit bewegt, so daß die Druckstange im Eilgang von bzw. zu dem Werkstück bewegt wird, wobei der Spannvorgang des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers beschleunigt wird. Nachdem das Werkstück berührt wird, wird das Untersetzungsverhältnis zu einem größeren Wert hin umgeschaltet, so daß sich die Druckstange langsamer bewegt und eine entsprechend höhere Druckkraft zum Erreichen einer vorbestimmten Spannkraft erzeugt wird.

Der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt in bevorzugter Ausführung weiterhin eine Stoßdämpfungseinrichtung, um den Anschlag bei Berührung des Werkstückes durch die Druck- oder Spannstange abzumildern. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn sowohl das Werkstück als auch die Spannvorrichtung (Spannkrafterzeuger), wie an sich gewünscht, eine hohe Steifigkeit aufweisen, so daß bereits geringe Zeitverzögerungen zwischen der Werkstückberührung und dem Anhalten des Antriebsmotors erhebliche Abweichungen in der Spannkraft erzeugen würden. Daher werden zur Stoßdämpfung Federn eingesetzt, um die auf das Werkstück ausgeübte Spannkraft allmählich zu steigern, nachdem die Druckstange das Werkstück berührt hat. Diese Stoßdämpfungseinrichtung verhindert auch, daß nach Berührung mit dem Werkstück dieses oder die Antriebswellen übermäßig beansprucht werden. Weiterhin ist dadurch möglich, die ausgeübte Spannkraft zu messen, indem die Durchbiegung der hierzu vorgesehenen Federn gemessen wird.

Der Antriebsmotor des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers gemäß der vorliegenden Erfindung ist zweckmäßigerweise in Rotationsrichtung nachgiebig gelagert, so daß durch Erfassung des Verdrehwinkels des Antriebsmotors das Ausgangsdrehmoment des Antriebsmotors und schließlich auch die ausgeübte Spannkraft der Druckstange erfaßt werden kann. Diese Überwachung ist auch hinsichtlich der Langzeit-Zuverlässigkeit des Spannkrafterzeugers von Vorteil.

Die Stoßdämpfungseinrichtung ist in vorteilhafter Weise durch ein nachgiebiges Element oder eine Feder direkt in der Druckstange gebildet. Hierdurch wird erreicht, daß Schläge bei Berührung des Werkstückes so nah wie möglich an dem Werkstück selbst abgedämpft werden, um hierdurch Beschädigungen der Spannvorrichtung zu vermeiden.

Die vorstehend erwähnte Halte- oder Arretierungsvorrichtung zur Vermeidung, daß die Spannkraft abfällt, wird in einfachster Weise durch einen Antriebsmotor mit einer Motorbremse gebildet. Diese Motorbremse wird üblicher Weise durch starke Federn gebildet, die elektromagnetisch gelüftet werden.

Der zweckmäßigerweise vorgesehene Drehzahlwandler zur Drehzahlwandlung des Antriebsmotors ins Langsame ist bevorzugt ein koaxiales Reduziergetriebe oder ein Differentialgetriebe.

Derartige Getriebe bieten eine kompakte Bauweise und ein sehr hohes Übersetzungsverhältnis. Derartige handelsübliche Getriebe sind als FLEX-DRIVE oder HARMONIC-DRIVE-Getriebe bekannt.

Der Drehzahlwandler in dem elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Zahn- oder Klauenkupplung oder auch eine Reibungskupplung aufweisen. Die Zahn- oder Klauenkupplungen sind hierbei hinsichtlich des Bauraumes vorteilhaft, während Reibungskupplungen für eine ruckfreien Kupplungsvorgang vorteilhaft sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger;

Fig. 2 eine Detaildarstellung teilweise im Schnitt, die einen elastischen Bereich in der Druckstange des Spannkrafterzeugers gemäß Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 einen Querschnitt zur Darstellung des Aufbaus-der Hauptteile des Spannkrafterzeugers gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Lagerungsanordnung des in Fig. 3 dargestellten Antriebsmotors;

Fig. 5 eine Detaildarstellung des in Fig. 3 gezeigten Drehzahlwandlers im Schaltzustand mit kleinem Untersetzungsverhältnis;

Fig. 6 eine Detaildarstellung des in Fig. 3 gezeigten Drehzahlwandlers im Schaltzustand mit großem Untersetzungsverhältnis;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Mechanismus zur Umsetzung von der Drehbewegung in die Linearbewegung;

Fig. 8 eine Seitenansicht des Umsetzungsmechanismus von Fig. 7;

Fig. 9 eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie 9-9 in Fig. 8;

Fig. 10 eine Stirnseiten-Ansicht im Teilschnitt, zur Darstellung einer treibenden Schubstange gemäß Fig. 7;

Fig. 11 eine Seitenansicht der treibenden Schubstangen gemäß Fig. 7;

Fig. 12 eine Längsansicht zur Darstellung des zahnartigen Profils der angetriebenen Schubstange gemäß Fig. 7;

Fig. 13(a)-13(c) Teilschnittdarstellungen zur Erläuterung der Vorschubbewegung der angetriebenen Schubstange durch die treibenden Schubstangen; und

Fig. 14 eine erläuternde Seitenansicht zum Vergleich der gleichzeitig im Eingriff befindlichen Zähne eines Ritzel-Zahnstangen-Mechanismus im Vergleich mit dem hier vorliegenden Schubstangenmechanismus.

Nachfolgend wird unter Bezug auf Fig. 1 zunächst das Äußere eines elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers 1 beschrieben. Der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger 1 schiebt eine Spannstange 121 gegen ein Werkstück 2. Die Spannstange 121 ist mit einer Druckstange 9 mittels eines elastischen Bereiches 123 verbunden. Die Druckstange 9 wird mittels eines Umsetzungsmechanismus 7 zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung vorwärts und rückwärts angetrieben. Der Umsetzungsmechanismus 7 wird eingangsseitig mit Drehenergie von einem Antriebsmotor 3 über einen Drehzahlwandler 5 mit variablen Übersetzungsverhältnis angetrieben. Durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Drehzahlwandlers 5 wird die Vorschubbewegung von einem Zustand mit hoher Geschwindigkeit unter geringer Last zu einem zweiten Betriebszustand mit niedriger Vorschubgeschwindigkeit unter hoher Last umgeschaltet. Ein Spannkraftdetektor 11 ist vorgesehen, um das Drehmoment des Motors 3 zu erfassen und in Folge die Vorschubbewegung der Druckstange 9 zu steuern und um den Antriebsmotor 3 anzuhalten. Bevor die Spannstange 121 das Werkstück 2 berührt, wird die Druckstange 9 im Eilgang verfahren, während die Druckstange 9 langsam vorwärtsbewegt wird, wenn die Spannstange 121 das Werkstück 2 berührt hat. Der elastische Bereich 123 ist vorgesehen, um die Spannkraft langsam ansteigen zu lassen, wenn die Spannstange 121 das Werkstück 2 berührt und somit genügend Zeit bereitzustellen, in der der Spannkrafterzeuger bei einem Drehmoment nahe dem angestrebten Drehmoment angehalten wird, sowie gleichzeitig für eine Stoßdämpfung beim Anschlag an das Werkstück 2 zu sorgen.

Bezugnehmend nunmehr auf Fig. 3 wird der innere Aufbau des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers 1 beschrieben. Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1. Wie oben angedeutet, umfaßt der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger 1 von rechts nach links in Fig. 3 gesehen als wesentliche Teile den Antriebsmotor 3, den Spannkraft­ detektor 11, den Drehzahlwandler 5, den Umsetzungsmechanismus 7 zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung und die Druckstange 9. Der elektrisch betriebene Spannkrafterzeuger 1 gemäß Fig. 3 weist hierbei einen koaxial angeordneten Drehzahlwandler 5 auf, der an eine Kurbelwelle 81 des Umsetzungsmechanismus 7 angeschlossen ist. Die Kurbelwelle 81 weist hierbei eine hohlen Innenraum auf, in dem eine Schaltstange 115 zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Drehzahlwandlers 5 angeordnet ist.

Der Antriebsmotor 3 ist ein Induktionsmotor und mit einer Motorbremse 17 ausgerüstet, die als Haltevorrichtung zur Vermeidung eines Spannkraftabfalles des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers 1 dient. Die Motorbremse 17 wird von einer Motorsteuerung 15 eingeschaltet, um die Spannkraft und das Drehmoment in dem Spannkrafterzeuger 1 aufrecht zu erhalten, wenn die Spannkraft an der Druckstange 9 einen vorbestimmten Wert erreicht und der Antriebsmotor 3 angehalten wird. Mit dieser Steuerung kann die Druckstange 9 in der Anschlagposition an dem Werkstück 2 bei hoher Spannkraft mit geringer elektrischer Energie gehalten werden.

Der Antriebsmotor 3 ist verdrehbar in einem Lagerblock 23 über Lagerungen 38 und 39 und einen abgesetzten Lägerringbereich 21 abgestützt. Wie in der schematischen Vorderansicht in Fig. 4 gezeigt, ist der Antriebsmotor in Drehrichtung einer Motorwelle 20 nachgiebig durch ein nachgiebiges Abstützteil 29 (Feder) und einen anhebbaren Stift 27 gelagert. Dementsprechend wird eine Kraft W auf die Feder 29 ausgeübt, wenn an der Motorwelle 20 ein Drehmoment Tr anliegt, wobei die Kraft W=Tr (Drehmoment)/S (Hebelarm) ist. Hierbei wird die Feder 29 beaufschlagt, wodurch bewirkt wird, daß sich der Antriebsmotor bezüglich des Lagerblockes 23 um einen bestimmten Winkel verdreht.

Nachfolgend soll der Spannkraftdetektor 11 beschrieben werden. Wie vorstehend erwähnt, verdreht sich bei sich drehendem Antriebsmotor 3 und dem damit verbundenen Ringbereich 21 auch eine Abflachung 25, die am Außenumfang des Ringbereiches 21 ausgebildet ist. Die Abflachung 25 weist hierbei eine rillenartige Grundform auf, so daß der anhebbare Stift 27 in der Abflachung 25 geführt ist, um den Verdrehwinkel unter Beaufschlagung durch die Feder 29 zu messen.

Wenn sich die rillenartige Abflachung 25 entsprechend der Verdrehung des Antriebsmotors 3 und des damit verbundenen Ringbereiches 21 verdreht, ändert sich auch die Tiefe der Abflachung 25, so daß sich die Höhenposition des anhebbaren Stiftes 27 gegenüber dem Lagerring 23 ändert. Diese Höhenänderung kann dann durch einen Stiftpositionssensor 33 über einen Betätigungshebel 31 erfaßt werden. Hierdurch kann der Verdrehwinkel des Antriebsmotors ermittelt werden und das Ausgangsdrehmoment des Antriebsmotors 3 auf der Basis des Verdrehwinkels, der Federkonstanten der Feder 29 und des Hebelarms S berechnet werden. In einem quasi-stationären Zustand besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Ausgangsdrehmoment des Antriebsmotors 3 und der Spannkraft an der Druckstange 9, so daß die Spannkraft der Druckstange in direkt proportionaler Beziehung aus dem Drehmoment des Antriebsmotors 3 abgeleitet werden kann.

Nachfolgend soll der Drehzahlwandler 5 mit variablen Übersetzungsverhältnis beschrieben werden. In der hier dargestellten Ausführungsform weist der Drehzahlwandler (Getriebe) zwei Schaltzustände auf. In einem niedrigen Untersetzungsverhältnis (Schaltzustand mit hoher Drehgeschwindigkeit), wie dies in Fig. 5 detaillierter dargestellt ist, erfolgt der Drehantrieb von der Motorwelle 20 zu einer sich nach links von der Welle 20 erstreckenden Wellenverlängerung 71 mit einer Keilverzahnung 73. Von dort erfolgt der Kraftfluß über eine entsprechend eingreifende Keilverzahnung 74 an dem Innenumfang einer Schiebehülse 75 zu dieser und von dieser Schiebehülse 75 zu einer Stirn­ verzahnung 77 an der hier linken Stirnseite der Schiebehülse 75. Mit der Stirnverzahnung 77 ist eine hier nur schematisch angedeutete Stirnverzahnung 85 im Eingriff, die an der hier rechten Stirnseite der hohl ausgebildeten Kurbelwelle 81 angeordnet ist. Das Übersetzungsverhältnis dieser Stufe beträgt eins, so daß hier keine Drehzahlüber- oder -untersetzung erfolgt.

Bei großem Untersetzungsverhältnis (Schaltzustand mit langsamer Umdrehungsgeschwindigkeit), wie dies in Fig. 6 detailliert dargestellt ist, erfolgt der Drehantrieb von der Motorwelle 20 aus zu einem Drehzahlwandler 43 mit großem Untersetzungsverhältnis. In diesem Getriebe 43 erfolgt der Kraftfluß von einer Scheibe 45 auf ein Kugellager 47, dann zu einer flexiblen Kerbverzahnung 49, von dort aus zu einer ringförmigen Verzahnung 51, dann zu einer ringförmigen Verzahnung 53 über ein Hohlrad 55, eine Innenverzahnung 59 auf eine Außenverzahnung 63 eines Schieberings 61 zu einer Innen-Kerbverzahnung 65 und zu einer Außen-Kerbverzahnung 83 auf der Kurbelwelle 81 und somit zu der Kurbelwelle 81. Das Untersetzungsverhältnis ist hierbei relativ hoch und beträgt beispielsweise 1 : 10 oder 1 : 100. Einzelheiten dieses Getriebes 43 werden nachfolgend genauer beschrieben.

Nachfolgend wird wiederum auf Fig. 3 Bezug genommen. Der Wechsel des Übersetzungsverhältnisses wird durch Verschieben der Schiebehülse 75 bzw. des Schieberings 61 bewirkt. Wenn somit die beiden vorstehenden Bauelemente an ihrer jeweils linken Position anliegen, wie dies in Fig. 3 und 5 dargestellt ist, ist die Stirnverzahnung 77 der Schiebehülse 75 in Eingriff mit der Stirnverzahnung 85 der Kurbelwelle 81, so daß ein relativ kleines Untersetzungsverhältnis vorliegt. Im anderen Schaltzustand, wenn die Schiebehülse 75 und der Schiebering 61 nach rechts geschoben sind, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, wird der zuvor beschriebene Eingriff gelöst und die Außenverzahnung 63 des Schieberinges 61 greift in die Innenverzahnung 59 des Hohlrades 55 ein, so daß der zweite Schaltzustand mit großem Untersetzungsverhältnis erreicht wird.

Die seitliche Verschiebung der Schiebehülse 75 und des Schieberings 61 wird durch die Schaltstange 115 bewirkt, die über ein Gestänge 113 von einer Magnetspule 111 beaufschlagt wird. Wenn die Magnetspule 111 betätigt wird, verschwenkt das Gestänge 113 in die hier doppelt strichpunktierte Stellung, so daß die Schaltstange 115 im Inneren der Kurbelwelle 81 hier nach rechts verschoben wird. Eine auf der hier rechten Seite der Schaltstange 115 angebrachte verdrehbare Kappe 117 beaufschlagt dann die Schiebehülse 75 in Richtung nach rechts. Dadurch wird der Drehzahlwandler in Richtung eines großen Untersetzungsverhältnisses umgeschaltet.

Wenn sich die Schaltstange 115 nach links bewegt, schiebt eine an der Schiebehülse 75 angreifende Feder 78 die Schiebehülse 75 in die in Fig. 5 gezeigte Position, wobei sich die Feder 78 an einem Abstützring 79 im Inneren der Schiebehülse 75 abstützt, so daß die vorstehend beschriebenen Keilverzahnungen 73, 74 gegeneinander verschiebbar sind.

Die Schiebehülse 75 und der Schiebering 61 sind zueinander verdrehbar, jedoch in Axialrichtung zueinander fixiert, in dem beispielsweise eine Stirnseite eines Lagers 69 durch Seegerringe gesichert sind. Der Schiebering 61 und die Kurbelwelle 81 sind in axialer Richtung durch die Keilverzahnungen 65 und 83 zueinander verschiebbar. Der Verzahnungsring 55 ist durch einen Flachlagerring 57 im Gehäuse 41 des Drehzahlwandlers 5 gelagert. Die Schaltstange 115 innerhalb der Kurbelwelle 81 ist in Axialrichtung beweglich, jedoch über die Lager 116 drehfest gelagert. Die Magnetspule 111 und das Gestänge 113 sind an dem Gehäuse 100 des Umsetzungsmechanismus 7 befestigt.

Nachfolgend wird das Getriebe 43 näher beschrieben. Ein derartiges Getriebe ist beispielsweise in dem US-Patent 2,906,143 oder 4,524,639 beschrieben und unter dem Handelsnamen "HARMONIC-DRIVE" oder "FLEX-DRIVE" erhältlich. Wie insbesondere in Fig. 6 dargestellt, dreht sich die Scheibe 45 entsprechend der Rotation der Motorwelle 20. Der Außenumfang der Scheibe 45 weist hierbei eine nockenförmige elliptische Gestalt auf. Das Kugellager 47 ist dabei so eingesetzt, daß es mit der flexiblen Keilverzahnung 49 zusammenwirkt, die an ihrem Außenumfang eine Vielzahl von Zähnen aufweist. Ein Teil der Keilverzahnung an der Außenfläche der flexiblen Keilverzahnung 49 ist hierbei im Verzahnungseingriff mit den Innen-Keilverzahnungen 51 und 53. Unter Verdrehbewegung der Scheibe 45 verdreht sich der Verzahnungsring 53 nur geringfügig, nämlich um den Winkel, der der Differenz-Zähnezahl zwischen der ersten und zweiten Keilverzahnung 51 und 53 entspricht, also bei einer Umdrehung der Scheibe 45 lediglich einen geringen Teilbereich einer Umdrehung vollzieht (im Bereich von einigen Zehnteln bis einigen Hundertsteln einer Umdrehung). Durch dieses Untersetzungsgetriebe wird die hohe Umfangsgeschwindigkeit der Motorwelle 20 und damit der Scheibe 45 in eine sehr geringe Umfangsgeschwindigkeit der Keilverzahnung 53 und der ihr nachgeschalteten Bauteile 55, 59, 63, 61, 65, 83, 81 erzeugt.

Nachfolgend wird der Umsetzungsmechanismus 7 zur Umwandlung der Verdrehbewegung in eine Linearbewegung (translatorische Bewegung) beschrieben. Der Umsetzungsmechanismus 7 umfaßt in dieser Ausführungsform ein oszillierendes Schubstangen­ getriebe 93 mit einer treibenden Schubstange 95, die eine angetriebene Schubstange 101 antreibt. Dieser Umsetzungsmechanismus zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung ist Gegenstand des US-Patentes 5,187,994 und der EP-B-0 482 827 des Anmelders. Die hülsenartige Kurbelwelle 81 des Umsetzungsmechanismus 7 wird, wie oben beschrieben, von dem Antriebsmotor 3 über den Drehzahlwandler 5 angetrieben. Die Kurbelwelle 81 ist hierbei durch Lagerungen 87 und 88 gegenüber dem Gehäuse 100 abgestützt. Die Kurbelwelle 81 weist hierbei in ihrem Mittelteil drei scheibenartige Exzenter 91 auf. Die hin- und hergehend gelagerten Schubstangen 93 sind hierbei am Außenumfang der Exzenter 91 über Nadellager 92 gelagert. Die hin- und hergehenden Schubstangen 93 bewegen sich bei Drehung der Exzenterscheiben 91 auf und ab sowie senkrecht zur Zeichenebene. Die Bewegung der Schubstangen 93 bewirkt eine Hin- und Herbewegung treibender Zahnstangen 95 an der Unterseite der hin- und hergehenden Schubstangen 93, so daß entsprechend ausgebildete, angetriebene Stangen 101 an der Oberseite der Druckstange 9 senkrecht zur Zeichenebene angetrieben werden.

Eine Vielzahl von Kugeln 103 ist in einer Führungsrille zwischen der linken und rechten Seitenfläche der Druckstange 9 und dem Gehäuse 100 angeordnet. Diese Kugeln 103 lagern und führen die Druckstange 9 ähnlich wie in einem Linear-Wälzlager. Die Wälzkörper laufen hierbei entlang eines im Gehäuse 100 ausgebildeten, nicht näher dargestellten Umlaufkanals um.

Die Fig. 7 bis 13 zeigen Einzelheiten des Umsetzungsmechanismus 7 des bisher beschriebenen elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers 1. Das Bezugszeichen 281, das grundsätzlich dem vorstehenden Bezugszeichen 101 entspricht, bezeichnet eine angetriebene Stange mit einer Vielzahl von Profilzähnen T1, während die Bezugszeichen 282A, 282B und 282C
drei treibende Schubstangen bezeichnen, die jeweils eine Vielzahl von Profilzähnen T2 mit der gleichen Teilung wie die Profilzähne T1 der angetriebenen Schubstange 281 aufweisen. In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei treibende Schubstangen vorgesehen. Das Profil T1 der angetriebenen Schubstange 281 weist hierbei die Form einer wellenförmig verlaufenden Trochoidal- oder Zykloidal Profilierung, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist. Die Profilierung T2 der treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C weisen eine bogenförmige, halbkreisförmige Zahnprofilierung auf, die den gleichen Radius R aufweist wie der Basiskreis der verzahnungsähnlichen Profilierung T1. Das bogenförmige, halbkreisförmige Profil wird nachfolgend näher beschrieben. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist die angetriebene Schubstange 281 durch eine Vielzahl von Kugeln 283 gelagert, die in Art eines Kugelumlauflagers bezüglich dem Gehäuse 284 angeordnet sind, so daß die Schubstange 281 in Längsrichtung beweglich ist. Hierzu ist die angetriebene Schubstange 281 an gegenüberliegenden Seitenflächen mit Rillen 281a versehen, in denen die Kugeln 283 geführt sind, während die Bodenplatte 284a des Gehäuses 284 mit Kugelrücklaufkanälen 284b versehen ist. Die treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C sind auf Exzenterscheiben 285a, 285b und 285c (vgl. auch Fig. 7) eines Kurbelwellen-Paares 285A und 285B gelagert, so daß die Zahnprofilierungen T2 der Schubstangen 282A, 282B und 282C im Eingriff mit der angetriebenen Schubstange 281 sind. Jede der beiden Kurbelwellen 285A und 285B ist drehbar im Gehäuse 284 mittels Lagerungen 289 und 290 angeordnet. Die Exzenterscheiben 285a, 285b und 285c jeder Kurbelwelle sind mit gleichem Versatzwinkel angeordnet, wobei die Kurbelwellen 285A und 285B mit einem Endbereich mit einer Eingangswelle 288 verbunden sind. Wenn diese Eingangswelle 288 rotiert, werden auch die Kurbelwellen 285A und 285B verdreht, so daß die treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C schwingend mit einer bestimmten Phasendifferenz angetrieben werden. Diese Phasendifferenz wird im wesentlichen durch die Anzahl der vorgesehenen treibenden Schubstangen bestimmt. Daher beträgt in dieser Ausführungsform mit drei Schubstangen die Phasendifferenz 120°. Die Umlaufbewegung der treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C ist somit um diesen Phasenwinkel versetzt, um die angetriebene Schubstange 281 in ihrer Längsrichtung anzutreiben. Die Eingangswelle 288 erstreckt sich hierbei mit einem Ende aus dem Gehäuse 284 heraus, um einen Drehantrieb anzukoppeln.

Wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt ist, werden die einzelnen Zahnprofile T2 der treibenden Schubstangen 282A bis 282C durch Rollen 291 gebildet, die den vorstehend erwähnten Radius R aufweisen. Eine Vielzahl von derartigen Rollen 291 sind in eine geradlinige Rille 292 der einzelnen Schubstangen eingesetzt, so daß sie frei rotierbar durch Nadellager 294 auf Lagerstiften 293 montiert sind. Die Rollen 291 als Wälzkörper dienen insbesondere zur Vermeidung von Verschleiß der sich gegenüberliegenden Profilierungen T1 und T2.

In den Fig. 7 bis 9 bezeichnen die Bezugszeichen 301, 302 und 303 Nadellager, die an der treibenden Schubstange 282A zu der Exzenterscheibe 285a der Kurbelwelle 285A, an der treibenden Schubstange 282B zu der Exzenterscheibe 285b der Kurbel­ welle 285A, und an der treibenden Schubstange 282C zu der Exzenterscheibe 285c der Kurbelwelle 285A angeordnet sind. Mit den Bezugszeichen 305 werden Schraubbolzen bezeichnet, mit denen der Bodenbereich 284a des Gehäuses 284 befestigt ist. Das Bezugszeichen 306 bezeichnet einen Stift, durch den der Deckelbereich 284c des Gehäuses 284 verstiftet ist. Die Bezugszeichen 307 und 308 bezeichnen Seegerringe zur axialen Festlegung zwischen dem Gehäuse 284 und den Kurbelwellen 285A, 285B durch entsprechende Lagerungen 289 und 290. Das Bezugszeichen 309 in Fig. 8 bezeichnet einen Anschlagring, durch den eine Vorschubbegrenzung der angetriebenen Schubstange 281 bestimmt wird.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des in Fig. 7 dargestellten Mechanismus näher beschrieben. Wenn die Eingangswelle 288 durch einen externen Drehantrieb angetrieben wird, werden die beiden Kurbelwellen 285A und 285B rotierend angetrieben. Infolge der Verdrehbewegung der Kurbelwellen 285A und 285B bewegen sich die treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C mit einer vorbestimmten Phasendifferenz, so daß beispielsweise die Profilverzahnung T2 der treibenden Schubstange 282A, wie in Fig. 13a bis 13c dargestellt, hin- und herschwingt (oszilliert) und dadurch die angetriebene Schubstange 281 durch den gegenseitigen Eingriff der Profilverzahnungen T1 und T2 in Längsrichtung X verschoben wird. Da die treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C mit einer vorbestimmten Phasendifferenz oszillieren, die durch die Anzahl der Schubstangen definiert ist, steht jeweils wenigstens eine der treibenden Schubstangen 282A, 282B und 282C während einer Umlaufbewegung der Kurbelwellen 285A und 285B in Eingriff mit der angetriebenen Schubstange 281. Als Ergebnis wird die treibende Schubstange 281 in der Vorschubrichtung X verschoben, und zwar bei einer Umdrehung der Kurbelwellen 285A und 285B, um einen Teilungsabstand P der Profilverzahnung T1 bzw. T2. Wenn andererseits die Drehrichtung der Eingangswelle 288 reversiert wird, drehen sich die Kurbelwellen 285A und 285B in entgegengesetzter Drehrichtung, so daß die angetriebene Schubstange 281 entgegengesetzt zur hier dargestellten Vorschubrichtung X bewegt wird.

Der Grund für die Verwendung eines derartigen Schubstangenmechanismus in dem hier vorgeschlagenen elektrisch betriebenen Spannkrafterzeuger liegt darin, daß dieser Schubstangenmechanismus zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung sehr kompakt ist, so daß die Außenabmessungen des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers in der Größenordnung von vergleichbaren hydraulisch angetriebenen Spannkrafterzeugern liegt. Fig. 14 zeigt einen Vergleich zwischen einem Ritzel-Zahnstangenmechanismus, wie er üblicherweise zur Umsetzung einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung verwendet wird, und andererseits den vorstehend beschriebenen Schubstangenmechanismus. Wie in Fig. 14 dargestellt, ist der hin- und herschwingende Schubstangenmechanismus hinsichtlich der Anzahl der gleichzeitig in Eingriff befindlichen Profilverzahnungen überlegen. Während bei einem rotierenden Antriebsritzel 221 mit der Zahnstange 222 nur ein bis zwei Zähne gleichzeitig in Eingriff sind, sind bei der hin- und herschwingenden Schubstange 223 acht derartiger Verzahnungen gleichzeitig in Eingriff mit der Zahn- oder Schubstange 222. Rein rechnerisch sind dabei wenigstens sechs der Verzahnungen im tragenden Eingriff, während dies bei einem Antriebsritzel 221 im allgemeinen nur ein Zahn ist. Obwohl somit im allgemeinen drei derartiger Schubstangen 223 erforderlich sind, weisen hin- und herschwingende Schubstangen bei kompakterer Bauweise eine höhere tragende Zähnezahl auf als bei einem Antriebsritzel 221.

In Fig. 2 ist eine Detailansicht des vorderen Endbereich des elektrisch betriebenen Spannkrafterzeugers 1 gemäß Fig. 1 dargestellt, um den nachgiebig gestalteten Bereich 123 der Druckstange 9 darzustellen. Die Spannstange 121 ist in Vorschubrichtung verschiebbar an Stiftlöchern 131, 131′ gelagert, die am Flanschbereich 129 ausgebildet sind, um darin in loser Passung zwei Schraubbolzen 127, 127′ aufzunehmen. Die Schraubbolzen 127, 127′ sind mit ihrem freien Ende in dem nach vorne herausragenden Ende der Druckstange 9 eingeschraubt.

Eine Blattfeder 125 ist zwischen die hier rechte Stirnfläche der Spannstange 121 und der hier linken Stirnseite der Druckstange 9 eingefügt. Diese Blattfeder 125 beaufschlagt die Spannstange 121 nach links. Demgemäß liegt die linke Stirnfläche des Flanschbereiches 129 der Spannstange 121 am Schraubenkopf der Schraubbolzen 127, 127′ an. Wenn jedoch die auf die Spannstange 121 wirkende Spannkraft über einen bestimmten Wert liegt, biegt sich die Blattfeder 125 durch, so daß die Spannstange 121 nach rechts ausweichen kann. Dieses Durchbiegen der Blattfeder 125 dämpft den Stoß bei Berührung der Spannstange 121 an dem Werkstück 2. Weiterhin erfolgen beim Durchbiegen der Blattfeder 125 folgende Vorgänge, nämlich: Die Vorschubbewegung der Druckstange 9 wird in die niedrige Geschwindigkeit umgeschaltet; die Vorschubkraft wird entsprechend erhöht; der Antriebsmotor 3 wird in den Bremsbetrieb übergeführt und schließlich angehalten.

Dabei ist es möglich, die Verlagerung des elastischen Bereiches 123 zu erfassen und die Vorschubbewegung der Druckstange 9 umzuschalten, sowie den Antriebsmotor 3 basierend auf dieser axialen Verlagerung abzuschalten. Beispielsweise kann der axial nachgiebige Bereich 123 mit einem oder mehreren Näherungsschaltern 163a und 163b ausgestattet sein. Eine daran befestigte Detektorplatte 161 oder davon abstehende Teil­ bereiche 161a und 161b liegen hierbei dem oder den Näherungsschaltern 163a bzw. 163b gegenüber. Mit dem Näherungsschalter 163a wird hierbei der Beginn der Verlagerungsbewegung des nachgiebigen Bereiches 123 bei anfänglicher Berührung an dem Werkstück 2 erfaßt, während mit dem Näherungsschalter 163b durch seinen größeren Abstand zu der Detektorplatte 161 die vollständige Anlage am Werkstück und den Abschluß der Spannbewegung ermitteln kann. Die Näherungs­ schalter 163a und 163b sind dabei mit der vorstehend erwähnten Motorsteuerung 15 zum Umschalten des Drehzahlwandlers 5, sowie Bremsen und Abschalten des Antriebsmotors 3 verbunden.

Claims (17)

1. Elektrisch -betriebener Spannkrafterzeuger umfassend:

• - einen elektrischen Antriebsmotor;
• - einen Drehzahlwandler mit variablen Übersetzungsverhältnis zur Untersetzung der Drehbewegung des Antriebsmotors;
• - einen Umsetzungsmechanismus zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung; und
• - eine von dem Umsetzungsmechanismus angetriebene Druckstange zur Beaufschlagung eines Werkstückes mit Spannkraft durch Vorschub der Druckstange,

dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzungsmechanismus (7) zur Umwandlung der Drehbewegung in eine Linearbewegung aus einem oszillierenden Kurbelwellen-Schubstangenmechanismus besteht.

2. Spannkrafterzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Spannkraftdetektor (11) zur Erfassung der Spannkraft der Druckstange (9) und Erfassung einer Berührung der Druckstange (9) an dem Werkstück (2), wenn die Spannkraft einen ersten Schwellwert erreicht und zur Erfassung einer gewünschten Spannkraft, wenn die Spannkraft einen zweiten Schwellenwert erreicht; eine Schaltvorrichtung (111, 113 und 115) zur Umschaltung des Drehzahlwandlers (5) von einer hohen Vorschubgeschwindigkeit der Druckstange (9) in eine langsame Vorschubgeschwindigkeit der Druckstange (9) mit erhöhter Spannkraft bei Anlage an dem Werkstück (2); und einer Motorsteuerung (15) zum Anhalten des Antriebs­ motors (3), wenn der zweite Schwellenwert der gewünschten Spannkraft erreicht ist.

3. Spannkrafterzeuger nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung (17) zur Aufrechterhaltung der Spannkraft auf die Druckstange (9) bei Anhalten des Antriebsmotors (3).

4. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Druckstange (9) stoßdämpfende Mittel (123, 125) zur Stoßdämpfung bei Anschlag an dem Werkstück (2) vorgesehen sind.

5. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstange (9) als angetriebene Schubstange (281) mit einem Verzahnungsprofil (T1) mit vorgegebener Teilung (P) ausgebildet ist und eine Vielzahl treibender Schub­ stangen (282A, 282B, 282C) mit einem Profil (T2) gleicher Teilung (P) periodisch damit im Eingriff stehen.

6. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurbelwellen-Mechanismus mehrere Exzenter­ scheiben (285a, 285b, 285c) aufweist, die mit gleichmäßigem Versatzwinkel (z. B. 120°) mit treibenden Schub­ stangen (282A, 282B, 282C) verbunden sind.

7. Spannkrafterzeuger nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzahnungsprofil (T1) wellenförmig ausgebildet ist.

8. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil (T2) der treibenden Schubstangen (282A, 282B, 282C) durch Rollen (291) gebildet sind, die entsprechend der Teilung (P) der angetriebenen Schubstange (281) angeordnet sind.

9. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (3) in Drehrichtung nachgiebig gelagert ist und der Spannkraftdetektor (11) den Verdrehwinkel des Antriebsmotors (3) zur Erfassung des Ausgangsdrehmomentes des Antriebsmotors (3) und der Spannkraft der Druck­ stange (9) erfaßt.

10. Spannkrafterzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßdämpfenden Mittel (123) durch eine Feder (125) an der Druckstange (9) gebildet ist.

11. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (3) mit einer Motorbremse als Haltevorrichtung (17) versehen ist.

12 Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlwandler (5) aus einem koaxial angeordneten Getriebe mit hohem Untersetzungsgrad gebildet ist.

13. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zur Umschaltung des Drehzahl­ wandlers (5) eine Zahn- oder Klauenkupplung (75, 77, 85) aufweist.

14. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkraftdetektor (11) zur Erfassung der Spannkraft der Druckstange (9) in deren direkten Kraftfluß angeordnet ist.

15. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannkraftdetektor (11) zur Erfassung der Spannkraft der Druckstange (9) durch eine Meßvorrichtung zur Erfassung der Stromaufnahme oder elektrischen Leistung des Antriebsmotors (3) gebildet ist.

16. Spannkrafterzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzungsmechanismus (7) eine hohl ausgebildete Kurbelwelle (81) aufweist, wobei eine Schaltstange (115) der Schalteinrichtung zur Umschaltung des Drehzahl-Wandlers (5) im Hohlraum der Kurbelwelle (81) angeordnet ist.