DE19801018A1 - Kupplungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung zur Her- Stellung einer Mitnahmeverbindung zwischen einer mit einer drehbaren Spindel in Schraubeingriff stehenden, entlang einer von der Längsachse der Spindel definierten x-Achse bewegbaren Spindelmutter und einem entlang einer zu der x- Achse parallelen oder mit dieser zusammenfallenden Be­ wegungsachse linear bewegbar geführten Linearbewegungs­ teil.

Kupplungseinrichtungen dieser Art kommen überwiegend in sogenannten Handhabungsvorrichtungen zum Einsatz, bei denen ein an einer Linearführung längsbeweglich geführtes Linearbewegungsteil und eine mit einer drehbaren Spindel in Schraubeingriff stehende Spindelmutter axial spiel frei bewegungsgekoppelt sind. Im Falle der EP O 219 439 A1 wird das Linearbewegungsteil durch Fluidkraft angetrieben, wobei durch den Schraubeingriff eine Drehbewegung der Spindel erzeugt wird und durch Festsetzen der Spindel eine Positionierung des Linearbewegung steiles erfolgen kann. Alternativ könnte auch die Spindel motorisch in Rotation versetzt werden, um durch die hierbei der Spindel entlang­ laufende Spindelmutter eine Linearbewegung des gekoppelten Linearbewegungsteils hervorzurufen.

Problematisch bei der aus der EP O 219 439 A1 bekannten Kupplungseinrichtung ist die Verschleißanfälligkeit von Spindelmutter und Spindel. Herstellungs- und montage­ bedingte Toleranzen in der Parallelität zwischen der vor­ liegend zur Vereinfachung der Beschreibung exemplarisch als X-Achse bezeichneten Längsachse der Spindel und der von der Linearführung vorgegebenen Bewegungsachse des Linearbewegungsteils können extreme Querkräfte und Momente hervorrufen, die zu einem raschen Verschleiß führen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupp­ lungseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die unter Gewährleistung einer exakten Mitnahmeverbindung weniger verschleißanfällig ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Kupplungseinrichtung, die gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gekennzeichnet ist durch

• - einen in fester Verbindung mit der Spindelmutter stehenden Grundkörper, der eine sich in Richtung der x-Achse erstreckende und mit Radialspiel von der Spindel durchsetzte erste Durchbrechung auf­ weist und der über eine sich entlang einer recht­ winkelig zur x-Achse verlaufenden y-Achse er­ streckende erste Lagerbohrung sowie eine sich ent­ lang einer rechtwinkelig zur x-Achse und zur y- Achse verlaufenden z-Achse erstreckende Aufnahme­ bohrung verfügt,
• - einen in der ersten Lagerbohrung in Richtung der y- Achse verschiebbar und um die y-Achse drehbar ge­ lagerten Zwischenkörper, der eine mit der ersten Durchbrechung des Grundkörpers fluchtende und eben­ falls mit Radialspiel von der Spindel durchsetzte zweite Durchbrechung sowie eine mit der Aufnahme­ bohrung des Grundkörpers fluchtende zweite Lager­ bohrung aufweist,
• - und einen in der zweiten Lagerbohrung des Zwischen­ körpers in Richtung der z-Achse verschiebbar und um die z-Achse drehbar gelagerten Verbindungskörper, der eine ebenfalls mit Radialspiel von der Spindel durchsetzte, mit der ersten und zweiten Durch­ brechung fluchtende dritte Durchbrechung aufweist und der mit Radialspiel durch die Aufnahmebohrung hindurch aus dem Grundkörper herausragt und mit dem Linearbewegungsteil in Mitnahmeverbindung steht.

Auf diese Weise kann zwischen der Spindelmutter und dem Linearbewegungsteil eine in Bewegungsrichtung spiel freie Mitnahmeverbindung hergestellt werden, bei der die Schraubverbindung zwischen der Spindelmutter und der Spindel weitestgehend von verschleißfördernden Belastungen befreit ist. Die Kupplungseinrichtung kompensiert prak­ tisch beliebige Abweichungen in der Parallelität zwischen der x-Achse und der Bewegungsachse und ist auch ansonsten in der Lage, auf das Linearbewegungsteil einwirkende Quer­ kräfte oder Momente derart quasi auszufiltern, daß zwi­ schen der Spindel und der Spindelmutter nur die eigent­ lichen, die axiale Mitnahme hervorrufenden Antriebskräfte auftreten. Somit läßt sich eine hohe Lebensdauer gewähr­ leisten und das Ganze bei verhältnismäßig einfachem Aufbau der Kupplungseinrichtung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Zweckmäßigerweise sind die erste Lagerbohrung und der dar­ in angeordnete Längenabschnitt des Zwischenkörpers kreis­ zylindrisch konturiert, wobei auch die zweite Lagerbohrung und der darin angeordnete Längenabschnitt des Verbindungs­ körpers kreiszylindrisch konturiert sein können. Dies er­ möglicht eine problemlose Herstellung mit einfachen Ferti­ gungsverfahren, wobei die Lagerbohrungen und der jeweils zugeordnete Körper sehr exakt mal ich derart aufeinander abgestimmt werden können, daß die erforderliche axiale Verschiebbarkeit sowie die Drehbarkeit gegeben sind und zugleich radiales Spiel quer zur jeweiligen Längsachse vermieden werden kann.

Der Grundkörper könnte ein einstückiger Bestandteil der Spindelmutter sein. Allerdings wird die Montage verein­ facht, wenn es sich um separate Bauteile handelt, die ins­ besondere lösbar fest miteinander verbunden sind.

Die zur Definition dar Erfindung verwendeten Begriffe der x-, y- und z-Achse wurden gewählt, um die Anordnung ein­ fach definieren zu können, wobei eine bestimmte Ausrich­ tung im Raum damit nicht festgelegt werden soll. Die Kupp­ lungseinrichtung läßt sich in jeder beliebigen Raumlage einsetzen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und im Längsschnitt ein Ausführungsbeispiel einer elektrisch be­ tätigten Handhabungsvorrichtung, die mit einer bevorzugten Bauform der erfindungsgemäßen Kupp­ lungseinrichtung ausgestattet ist,

Fig. 2 den in Fig. 1 markierten Ausschnitt II im Be­ reich der Kupplungseinrichtung in vergrößerter Darstellung und

Fig. 3 die Kupplungseinrichtung aus Fig. 2 in schema­ tischer Explosionsdarstellung.

Die Fig. 1 zeigt eine Handhabungsvorrichtung 1 mit einem Gehäuse 2. An dem Gehäuse 2 ist eine Spindel 3 drehbar und zugleich in Längsrichtung feststehend gelagert. Die Längs­ achse der Spindel 3, die gleichzeitig die Drehachse dar­ stellt, sei als x-Achse bezeichnet.

Die zur gehäuseseitigen Lagerung der Spindel 3 dienenden Lagereinrichtungen sind bei 4, 4' angedeutet.

Der Spindel 3 ist ein gehäusefest fixierter Antriebsmotor 5 zugeordnet, der beim Ausführungsbeispiel als Elektro­ motor ausgeführt ist und dessen Motorwelle mit der Spindel 3 in Drehantriebsverbindung steht. Die Spindel 3 und die Motorwelle könnten einstückig miteinander ausgeführt sein.

Durch Betätigung des Antriebsmotors 5 lädt sich die Spindel 3 zu einer durch Doppelpfeil angedeuteten Dreh­ bewegung 6 um ihre Längsachse (x-Achse) in wahlweise einem der beiden möglichen Drehsinne antreiben.

Die Handhabungsvorrichtung 1 verfügt ferner über ein Linearbewegungsteil 7, das unter Zwischenschaltung einer schematisch angedeuteten Linearführung 8 relativ zum Gehäuse 2 in Richtung einer Bewegungsachse 9 bewegbar geführt ist. Die x-Achse und die Bewegungsachse 9 sind parallel und mit Abstand zueinander angeordnet. Beim Aus­ führungsbeispiel ist das Linearbewegungsteil 7 rohrartig ausgeführt, es wäre jedoch auch jede andere geeignete Gestaltung möglich.

Das Linearbewegungsteil 7 ist über eine Kupplungseinrich­ tung 12 mit einer Spindelmutter 13 axial, das heißt in Längsrichtung der x-Achse und der Bewegungsachse 9, spiel­ frei bewegungsgekoppelt. Die Spindelmutter 13 sitzt auf der Spindel 3, mit der sie in Schraubeingriff steht. Da sie ferner bezüglich der x-Achse unverdrehbar fixiert ist, hat eine Rotationsbewegung der Spindel 3 eine durch Doppelpfeil angedeutete lineare Antriebsbewegung 14 ent­ lang der Spindel 3 zur Folge, die durch die Kupplungsein­ richtung 12 auf das Linearbewegungsteil 7 übertragen wird, so dar dieses in Richtung der Bewegungsachse 9 eine lineare Abtriebsbewegung 15 ausführt. Selbige läßt sich - von einer Abgriffspartie 16 abnehmen, die an dem Linear­ bewegungsteil 7 vorgesehen ist.

Zur Herstellung des Schraubeingriffes verfügt die Spindel 3 über wenigstens eine gewindeartige, wendelförmige Um­ fangsnut 17, mit der insbesondere kugelförmige Wälz­ elemente 18 in Eingriff stehen, die an einem die Spindel 3 koaxial umschließenden Muttergehäuse 19 gelagert sind.

Anstelle eines Elektromotors kann als Antriebsmotor 5 auch ein durch Fluidkraft betriebener Motor vorgesehen sein.

Die Kupplungseinrichtung 12 bewirkt eine in Richtung der Bewegungsachse 9 spiel freie Kopplung zwischen der Spindel­ mutter 13 und dem Linearbewegungsteil 7. Darüber hinaus sind allerdings vielfältige Freiheitsgrade gegeben, die Relativbewegungen zwischen der Spindelmutter 13 und dem Linearbewegungsteil 7 zulassen, so daß die zwischen der Spindelmutter 13 und der Spindel 3 auftretenden Belastun­ gen auch unter ungünstigen Bedingungen gering sind und eine hohe Lebensdauer gewährleistet ist.

Im einzelnen verfügt die Kupplungseinrichtung 12 über einen zweckmäßigerweise quader- oder würfelförmigen Grund­ körper 22, der von einer ersten Durchbrechung 23 durch­ setzt ist, durch welche sich ihrerseits die Spindel 3 mit allseitigem Radialspiel hindurcherstreckt. Die erste Durchbrechung 23 verläuft somit in Richtung der x-Achse, ihr Durchmesser ist etwas größer als derjenige der Spindel 3.

Der Grundkörper 22 ist an einer axialen Stirnseite des Muttergehäuses 19 festgelegt und bildet mit letzterer eine Baueinheit. Geeignete Schraubverbindungsmittel 24 sind strichpunktiert angedeutet. Die erste Durchbrechung 23 fluchtet mit der von der Spindel 3 durchsetzten Ausnehmung 20 des Muttergehäuses 19.

Es wäre möglich, das Muttergehäuse 19 und den Grundkörper 22 als einstückige Baueinheit auszuführen.

Der Grundkörper 22 verfügt des weiteren über eine erste Lagerbohrung 25, die rechtwinkelig zur ersten Durch­ brechung 23 verläuft und deren nachfolgend als y-Achse bezeichnete Längsachse die die Längsachse der ersten Durchbrechung 23 bildende x-Achse schneidet. Zweckmäßiger­ weise wird der Grundkörper 22 von der ersten Lagerbohrung 25 vollständig durchsetzt.

Schließlich verfügt der Grundkörper 22 über eine Aufnahme­ bohrung 26, die rechtwinkelig sowohl zur ersten Durch­ brechung 23 als auch zur ersten Lagerbohrung 25 verläuft. Die Längsachse der Aufnahmebohrung 26, die als z-Achse bezeichnet sei, verläuft durch den Schnittpunkt zwischen der x-Achse und der y-Achse, so daß die drei Achsen ein kartesisches Koordinatensystem definieren. Auch die Auf­ nahmebohrung 26 erstreckt sich zweckmäßigerweise vollständig durch den Grundkörper 22 hindurch.

Die erste Durchbrechung 23, die erste Lagerbohrung 25 und die Aufnahmebohrung 26 sind als kreiszylindrische Durch­ brechungen ausgeführt, die in dem würfelartigen Grund­ körper 22 so plaziert sind, daß sich an jeder der sechs Außenflächen eine Durchbrechungsöffnung befindet.

In der ersten Lagerbohrung 25 ist mit einem kreiszylin­ drisch konturierten Längenabschnitt ein Zwischenkörper 27 gelagert. Der Zwischenkörper 27 ist zweckmäßigerweise kürzer oder gleich lang wie die erste Lagerbohrung 25, so daß er möglichst nicht über die Außenflächen des Grund­ körpers 22 vorsteht. Er ist beim Ausführungsbeispiel ins­ gesamt als kreiszylindrischer Körper ausgebildet.

Der Außendurchmesser des Zwischenkörpers 27 entspricht dem Innendurchmesser der ersten Lagerbohrung 25, wobei eine radialspiel freie Lagerung vorliegt und gleichzeitig rela­ tive Verschiebebewegungen 28 in Richtung der y-Achse und relative Drehbewegungen 29 um die y-Achse zwischen dem Zwischenkörper 27 und dem Grundkörper 22 möglich sind.

Der Zwischenkörper 27 besitzt eine rechtwinkelig zu seiner Längsachse (y-Achse) verlaufende zweite Durchbrechung 32, deren Durchmesser geringfügig größer ist als derjenige der Spindel 3 und die mit der ersten Durchbrechung 23 des Grundkörpers 22 fluchtet, so daß sich eine koaxiale An­ ordnung der beiden Durchbrechungen 23, 32 ergibt.

Des weiteren verfügt der Zwischenkörper 27 über eine zweite Lagerbohrung 33, deren Längsachse mit der z-Achse zusammenfällt, so daß sie rechtwinkelig zur zweiten Durch­ brechung 32 ausgerichtet ist. Ihr Durchmesser ist etwas geringer als derjenige der Aufnahmebohrung 26.

Zu der Kupplungseinrichtung 12 gehört ferner ein Ver­ bindungskörper 34, der zweckmäßigerweise eine kreiszylin­ drische Gestalt hat. Er sitzt in der zweiten Lagerbohrung 33 des Zwischenkörpers 27, wobei sein Außendurchmesser dem Innendurchmesser der zweiten Lagerbohrung 33 entspricht, so daß sich eine radial bezüglich der z-Achse spielfreie Lagerung ergibt. Gleichwohl sind zwischen dem Verbindungs­ körper 34 und dem Zwischenkörper 27 relative Verschiebe­ bewegungen 35 in Richtung der z-Achse und relative Dreh­ bewegungen 36 um die z-Achse möglich.

Der Verbindungskörper 34 verfügt des weiteren über eine dritte Durchbrechung 37, die mit der ersten Durchbrechung 23 und der zweiten Durchbrechung 32 fluchtet, so daß sich eine ineinander verschachtelte Koaxialanordnung dieser drei Durchbrechungen ergibt. Der Durchmesser der dritten Durchbrechung 37 ist geringfügig größer als derjenige der Spindel 3, die alle drei Durchbrechungen 23, 32, 37 durch­ setzt.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ragt der Verbindungskörper 34 mit Radialspiel durch die Aufnahmebohrung 26 hindurch aus dem Grundkörper 22 heraus und steht außerhalb des Grund­ körpers 22 mit dem Linearbewegungsteil 7 in derart fester Verbindung, daß zwischen den beiden Teilen zumindest in Richtung der Bewegungsachse 9 keine Relativbewegung mög­ lich ist. Es kann sich um eine insgesamt starre Verbindung handeln. Beim Ausführungsbeispiel ist der Verbindungs­ körper 34 an einem Befestigungskörper 38 festgelegt, der seinerseits am Linearbewegungsteil 7 fixiert ist, zum Beispiel durch eine nicht näher dargestellte Schraubver­ bindung.

Wenn sich im Betrieb der Handhabungsvorrichtung 1 die Spindelmutter gemeinsam mit dem Linearbewegungsteil 7 verlagert, bietet die Kupplungseinrichtung 12 umfangreiche Freiheitsgrade für Relativbewegungen zwischen der Spindel­ mutter 13 und dem Linearbewegungsteil 7, die die Quer­ belastungen der Spindelmutter 13 und der Spindel 3 äußerst gering halten.

Ändert sich der Abstand zwischen der x-Achse und der Bewegungsachse 9, kann dies durch relative Verschiebebe­ wegungen 35 zwischen dem Verbindungskörper 34 und dem Zwischenkörper 27 ausgeglichen werden. Abweichungen in Richtung der y-Achse werden dadurch kompensiert, daß der Zwischenkörper 27 in entsprechender Richtung relativ zum Grundkörper 22 verschieblich ist. Da der Durchmesser der Aufnahmebohrung 26 größer ist als derjenige des Verbin­ dungskörpers 34, ist letzterer zu begrenzten Querbewegun­ gen relativ zum Grundkörper 22 in der Lage, deren Maß vom vorerwähnten Durchmesserunterschied abhängt.

Dieser Durchmesserunterschied ist es auch, der dem Ver­ bindungskörper 34 geringfügige Schwenkbewegungen um die y- Achse ermöglicht, wobei sich der Zwischenkörper 27 mit­ dreht. Der maximale Schwenkwinkel ist auch hier durch den Durchmesserunterschied zwischen Verbindungskörper 34 und Aufnahmebohrung 26 vorgegeben.

Schwenkbewegungen bezüglich der x-Achse sind ebenfalls möglich, weil die Spindel 3 die Bestandteile der Kupp­ lungseinrichtung 12 mit Spiel durchsetzt.

Der Verbindungskörper 34 ist ferner in der Lage, gering­ fügige Drehbewegungen relativ zum Grundkörper 22 auszu­ führen, wobei er sich gemäß Doppelpfeil 36 in der zweiten Lagerbohrung 33 verdrehen kann. Der zulässige Drehwinkel hängt hier vom Durchmesserunterschied zwischen einerseits der Spindel 3 und andererseits der ersten Durchbrechung 23 und der zweiten Durchbrechung 32 ab.

Da sich sämtliche Freiheitsgrade bzw. Bewegungsmöglich­ keiten beliebig überlagern können, erreicht man eine prak­ tisch momentenfreie Kupplung, so daß die zwischen den Wälzelementen 18 und der Umfangsnut 17 auftretenden Kräfte im wesentlichen auf die Vorschubkräfte beschränkt sind, die zur Verursachung der Linearbewegung aufgebracht werden müssen. Dadurch wird die Verschleißanfälligkeit reduziert.

Die Kupplungseinrichtung läßt sich auch dann verwenden, wenn das Linearbewegungsteil das angetriebene Teil ist und daraus unter Einsatz einer Spindelmutter eine Rotations­ bewegung einer Spindel abgeleitet werden soll.

Beim Ausführungsbeispiel verlaufen die Längsachse der Spindel (x-Achse) und die Bewegungsachse 9 des Linear­ bewegungsteils 7 parallel und mit Abstand nebeneinander. Die Anordnung könnte aber auch so getroffen sein, daß diese Achsen zusammenfallen. Bei einer solchen Anordnung könnte beispielsweise eine Spindel koaxial in ein rohr­ ähnliches Linearbewegungsteil 7 eintauchen, wobei die Spindel zum Antrieb und/oder zur Positionserfassung und/­ oder zur Positionierung eingesetzt wird.

Claims (8)

1. Kupplungseinrichtung zur Herstellung einer Mitnahmeverbindung zwischen einer mit einer drehbaren Spindel (3) in Schraubeingriff stehenden, entlang einer von der Längsachse der Spindel (3) definierten x-Achse bewegbaren Spindelmutter (13) und einem entlang einer zu der x-Achse parallelen oder mit dieser zusammenfallenden Bewegungsachse linear bewegbar geführten Linearbewegungs­ teil (7), gekennzeichnet durch

• - einen in fester Verbindung mit der Spindelmutter (13) stehenden Grundkörper (22), der eine sich in Richtung der x-Achse erstreckende und mit Radial­ spiel von der Spindel (3) durchsetzte erste Durch­ brechung (23) aufweist und der über eine sich entlang einer rechtwinkelig zur x-Achse verlaufenden y-Achse erstreckende erste Lager­ bohrung (25) sowie eine sich entlang einer recht­ winkelig zur x-Achse und zur y-Achse verlaufenden z-Achse erstreckende Aufnahmebohrung (26) verfügt,
• - einen in der ersten Lagerbohrung (25) in Richtung der y-Achse verschiebbar und um die y-Achse drehbar gelagerten Zwischenkörper (27), der eine mit der ersten Durchbrechung (23) des Grundkörpers (22) fluchtende und ebenfalls mit Radialspiel von der Spindel (3) durchsetzte zweite Durchbrechung (32) sowie eine mit der Aufnahmebohrung (26) des Grund­ körpers (22) fluchtende zweite Lagerbohrung (33) aufweist,
• - und einen in der zweiten Lagerbohrung (33) des Zwischenkörpers (27) in Richtung der z-Achse verschiebbar und um die z-Achse drehbar gelagerten Verbindungskörper (34), der eine ebenfalls mit Radialspiel von der Spindel (3) durchsetzte, mit der ersten und zweiten Durchbrechung (23, 32) fluchtende dritte Durchbrechung (37) aufweist und der mit Radialspiel durch die Aufnahmebohrung (26) hindurch aus dem Grundkörper (22) herausragt und mit dem Linearbewegungsteil (7) in Mitnahmeverbindung steht.

2. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die erste Lagerbohrung (25) und der in diese eingreifende Zwischenkörper (27) kreiszylindrisch konturiert sind.

3. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die zweite Lagerbohrung (32) und der in diese eingreifende Verbindungskörper (34) kreis­ zylindrisch konturiert sind.

4. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (22) ein bezüglich der Spindelmutter (13) separates Bauteil ist.

5. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelmutter (13) über mit der Spindel (3) in Eingriff stehende Wälzelemente (18) verfügt.

6. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindel (3) ein zur Erzeugung ihrer Drehbewegung dienender Antriebsmotor (5) insbesondere in Gestalt eines Elektromotors zugeordnet ist.

7. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearbewegungsteil (7) mit einer Abgriffspartie (16) in Verbindung steht, an der sich die Linearbewegung des Linearbewegungsteils (7) ab­ greifen läßt.

8. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (3) und das Linearbewegungsteil (7) Bestandteile einer fluidisch und/­ oder elektrisch betätigten Handhabungsvorrichtung (1) sind.