DE19806832A1 - Linearantrieb - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einem Träger und einem Trägergehäuse,
an dem der Träger längsbewegbar gelagert ist, und mit an dem Träger und dem Träger
gehäuse vorgesehenen Antriebselementen zur Erzeugung einer Relativbewegung zwi
schen dem Träger und dem Trägergehäuse.
Derartige Linearantriebe werden vor allem im Werkzeugmaschinenbau zur Erzeugung
einer Zustellbewegung zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück eingesetzt.
Insbesondere finden derartige Linearantriebe auf dem noch jungen Gebiet von Werk
zeugmaschinen mit Parallelstrukturen Anwendung. In letzter Zeit sind insbesondere
Hexapod-Werkzeugmaschinen bekannt geworden, bei denen das eigentliche Bearbei
tungsmodul über sechs längenverstellbare Streben an einem Maschinenrahmen gela
gert ist. Durch eine gezielte Veränderung der Strebenlängen lassen sich Zustellbewe
gungen des Werkzeuges zu dem Werkstück in allen sechs Raumfreiheitsgraden, d. h.
drei translatorischen Freiheitsgraden und drei rotatorischen Freiheitsgraden, realisieren.
Eine derartige Werkzeugmaschine ist beispielsweise aus der US-A-5 401 128 bekannt,
die für die Streben Linearantriebe der eingangs genannten Art offenbart.
Weitere Hexapod-Strukturen sind aus den deutschen Patentanmeldungen P 196 36
100.1 und P 196 36 099.4 der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung bekannt.
Bei modernen Werkzeugmaschinen werden heutzutage hohe Anforderungen an das
Kraftaufnahmevermögen, die Zustell- und Fertigungsgenauigkeit sowie an das dynami
sche Verhalten gestellt. Leistungsfähige Steuerungen, mit denen sich neue Bearbei
tungsstrategien, wie z. B. Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsverfahren oder die Ferti
gung komplexer dreidimensionaler Formen, realisieren lassen, erfordern zur optimalen
Ausschöpfung neue Antriebskonzepte, die sich mit konventionellen Antriebselementen
nur begrenzt verwirklichen lassen.
So sind beispielsweise im Bereich der Linearantriebe seit langem Spindelantriebe be
kannt, deren Leistungsvermögen jedoch durch die Umsetzung einer Drehbewegung in
eine Linearbewegung beschränkt ist. Die bisher verwendeten linearen Direktantriebe
zum Bewegen von Werkzeugmaschinentischen oder -schlitten sind aufgrund ihrer vo
luminösen Bauweise für die zuvor genannten Bearbeitungsstrategien nur in einge
schränktem Rahmen einsetzbar.
Auch der aus der US-A-5 401 128 bekannte elektrische Linearmotor, der dort als län
genverstellbare Strebe einer Hexapod-Werkzeugmaschine eingesetzt ist, ist insbeson
dere im Hinblick auf sein dynamisches Verhalten verbesserungsbedürftig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen räumlich kompak
ten elektrischen Direktantrieb mit hoher Antriebsdynamik anzugeben, der sich insbeson
dere für den Einsatz bei Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen eignet.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Linearantrieb dadurch gelöst, daß der
Träger als Profilkörper mit offenen Querschnittsprofil ausgebildet ist. Hierdurch läßt sich
eine besonders leichtgewichtige und trotzdem steife Struktur verwirklichen, die aufgrund
ihrer geringen Masse hohe Beschleunigungen und Verzögerungen ermöglicht und damit
die maximal mögliche Fertigungsgeschwindigkeit und Fertigungsgenauigkeit gegenüber
der bisher bekannten Hexapod-Werkzeugmaschine hinausschiebt.
Zudem kann der Linearantrieb nunmehr auch äußerst schlank ausgebildet werden, so
daß ein größerer Gestaltungsfreiraum für die Anordnung mehrerer Linearantriebe ver
bleibt, was insbesondere bei kleineren Hexapod-Werkzeugmaschinen im Bereich des
Bearbeitungsmoduls von Interesse ist.
In besonders raumökonomischer Weise sind die Antriebselemente des Linearantriebs,
d. h. die entsprechenden Magnete bzw. Spulen, auf der Trägerseite an innenliegenden
Flächen des Trägers vorgesehen.
Zum optimalen Ausgleich der auf den Träger einwirkenden Kräfte und Momente durch
die Antriebselemente und zur Verbesserung der Laufeigenschaften des Trägers in sei
ner Lagerung an dem Gehäuse sind die Antriebselemente des Trägers paarweise vor
gesehen und jeweils an einander gegenüberliegenden Flächen des Trägers angeordnet.
Eine besonders kompakte Ausführungsform ergibt sich dann, wenn die Antriebselemen
te, d. h. die entsprechenden Spulen bzw. Magnete des Trägergehäuses innerhalb der
offenen Bereiche des Querschnittsprofils des Trägers angeordnet sind, so daß diese
beispielsweise nahezu den gesamten verbleibenden Freiraum des Querschnittsprofils
ausfüllen, wobei Teilbereiche dieser Antriebselemente durchaus über den Träger hinaus
reichen können. Dies gilt auch bereits für solche Konstruktionen, bei denen Teilabschnit
te der Antriebselemente des Trägergehäuses in die offenen Bereiche des Querschnitts
profils des Trägers hineinragen.
Zur Bereitstellung einer besonders leichtgewichtigen, aber trotzdem hochsteifen Träger
struktur weist der Träger zwei U-förmige Profilkörper auf, die mit ihren Bodenseiten zu
einander weisen. Zwischen diesen Bodenseiten ist im Kernbereich des Trägers, d. h. im
Bereich der kleinsten Flächenträgheitsmomente, ein Leichtbau-Stützkörper angeordnet,
der eine Vielzahl von Leerräumen, Durchbrüchen oder Öffnungen aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den weiteren Unteransprüchen angege
ben.
Zur Erläuterung der Erfindung wird diese nun beispielhaft anhand von in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsformen beschrieben. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine Hexapod-Werkzeugmaschine mit sechs Linearantrieben,
Fig. 2 eine Außenansicht eines Linearantriebes ohne den eigentlichen Träger,
Fig. 3 eine Teilansicht eines Trägers des in Fig. 2 gezeigten Linearantriebes,
Fig. 4 einen Schnitt quer zur Längsachse des in Fig. 2 dargestellten Linearan
triebes, einschließlich des Schnittes durch den Träger des Linearantriebes,
und in
Fig. 5 drei verschiedene Ausführungsformen des Trägerquerschnittes einschließ
lich der Anordnung der Trägerantriebselemente sowie der trägergehäuse
seitigen Antriebselemente.
Die Fig. 1 zeigt eine Hexapod-Werkzeugmaschine mit sechs längenverstellbaren Stre
ben, die jeweils als elektrischer Linearantrieb ausgebildet sind. Die Streben 1 sind jeweils
über ein erstes, in allen drei rotatorischen Raumfreiheitsgraden bewegbares Gelenk 2 an
einem äußeren Maschinengestell angekoppelt. Zudem ist jede Strebe über ein ebenfalls
in allen drei räumlichen Freiheitsgraden drehbares zweites Gelenk 3 an einem Bearbei
tungsmodul, hier einer Einheit mit einer rotierenden Spindel, die beispielsweise zum
Drehen, Fräsen und Bohren geeignet ist, angelenkt. Die Anlenkung der Streben 1 erfolgt
dabei in zwei bezüglich der Achse der Spindel voneinander beabstandeten Ebenen, um
so der Spindelachse des Bearbeitungsmoduls eine höhere Steifigkeit zu verleihen. Auch
wird dadurch das Kollisionspotential der Streben untereinander verringert.
Im folgenden wird nun der Aufbau einer einzelnen, dieser als Linearantrieb ausgebilde
ten Streben anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert.
Der Linearantrieb besteht aus einem Träger 4 sowie einem zugehörigen Trägergehäuse
5, an dem der Träger entlang seiner Längsrichtung bewegbar gelagert ist. Das Träger
gehäuse 5 weist eine im wesentlichen hülsenartige, längliche, den stangenartigen Träger
umgebende Form auf und besitzt eine im wesentlichen hexagonal ausgebildete Außen
querschnittskontur. Zur Ermöglichung eines einfachen Zugangs zu seinem Innenraum ist
das Trägergehäuse 5 aus insgesamt vier sich entlang seiner Längsrichtung erstrecken
den Platten mit prismatischem Querschnittsprofil zusammengesetzt, wobei die einzelnen
Platten miteinander verschraubt sind.
Der bewegbare Träger 4 weist ein Doppel-T-Querschnittsprofil auf, wie dies schematisch
in Fig. 5 dargestellt ist. Wie insbesondere Fig. 4 zu entnehmen ist, ist dieser Träger 4 aus
mehreren Teilkörpern zusammengesetzt, um eine einerseits ausreichend steife Struktur
zu verwirklichen, die die an dem Bearbeitungsmodul auftretenden Kräfte ohne beein
trächtigende Verformung aufnehmen kann, andererseits aber ein geringes Gewicht auf
weist, um die zu bewegenden Massen gering zu halten und damit ein gutes dynami
sches Verhalten des Linearantriebes sicherzustellen. Hierzu weist der in Fig. 4 gezeigte
Träger zwei U-förmige, stangenartige Profilkörper auf, die sich entlang zu der in Fig. 4
senkrechten Längsachse des Trägers erstrecken. Zwischen den Bodenseiten dieser
Profilkörper ist ein Leichtbau-Stützkörper 7 angeordnet, der eine Reihe von insbesonde
re in Fig. 3 gezeigten Durchbrüchen zwischen entsprechenden Stegen aufweist. Die in
Längsrichtung laufenden Randbereiche des Leichtbaukörpers sind als massivere Lei
sten ausgebildet.
In den Zwischenraum zwischen den Bodenseiten ragen weiterhin Ansätze von an den
Außenseiten des Trägers 4 angebrachten Führungselementen mit entsprechenden Füh
rungsabschnitten hinein, über die der Träger an dem Trägergehäuse 5 abgestützt ist.
Die Führungselemente 8 können auch unmittelbar an dem dünnwandig und gitterförmig
ausgestalteten Leichtbau-Stützelement 7 an dessen Randleisten vorgesehen werden,
wodurch sich im Vergleich zu separaten, durch Befestigungsmittel angebrachten Füh
rungsschienen eine höhere Präzision erzielen läßt. Alternativ können die Führungsele
mente sowohl als separate Teile als auch als integral an den U-förmigen Profilkörpern
vorgesehen werden.
Die Schenkel des jeweiligen U-Profils besitzen eine etwas unterschiedliche Länge. Der in
Fig. 2 jeweils unten liegende Schenkel ist etwas länger ausgebildet und erstreckt sich in
eine an der Gehäuseinnenwand vorgesehene Längsnut.
Bei dem in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Führungselemen
te 8 an den beiden einander gegenüberliegenden Außenflächen des Doppel-T-Profils
angeordnet, wobei ein Führungselement in ein Festlager zwischen Träger und Träger
gehäuse integriert ist, das Laufflächen für an dem Trägergehäuse 5 befestigte Laufrollen
aufweist. Anstelle von Laufrollen können auch andere Linearführungsvorrichtungen mit
und ohne Wälzkörper vorgesehen werden. Das auf der gegenüberliegenden Seite an
geordnete Lager ist hingegen als Loslagerführung ausgebildet, um Verspannungen
durch kräftemäßige Überbestimmungen in den Führungselementen zu vermeiden. In
dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieses Loslager als profilierte Gleitschie
ne ausgestaltet. Alternativ zu einer beidseitigen Führung kann auch eine einseitige Füh
rung vorgesehen werden.
Zur Bewegung des Trägers 4, der an beiden Seiten des Trägergehäuses 5 ausgefahren
werden kann, sind an dem Träger und an dem Trägergehäuse Antriebs- bzw. Motorele
mente 6, 11 vorgesehen, wobei es sich um Spulen bzw. Magnete zur Ermöglichung ei
nes elektrischen Direktantriebes handelt. Verschiedene Ausführungen der Anordnung
dieser Antriebselemente 6, 11 sind in Fig. 5a) bis c) dargestellt. Zuerst wird nun die
Ausführungsform nach Fig. 5c) näher anhand von Fig. 4 erläutert. Die trägerseitigen
Antriebselemente 6 sind im Bereich des Mittelsteges des Doppel-T-Querschnittes ange
ordnet, genauer in den entsprechenden Ausnehmungen an den Bodenseiten der U-för
migen Profilkörper 9. Zur Vermeidung der Erzeugung von auf den Träger bezüglich
seiner Führungsrichtung einwirkenden Drehmomenten ist jeweils ein Paar von Antriebse
lementen 6 einander gegenüberliegend angeordnet. Insgesamt befinden sich eine Viel
zahl derartiger Antriebselementpaare 6 entlang der Längsachse an dem Träger 4
(Doppelkammanordnung). Den trägerseiteigen Antriebselementen 6 sind gehäuseseitig
gegenüberliegend Antriebselemente 11 an dem Gehäuse 5 angebracht, die ebenfalls
regelmäßig und einander paarweise gegenüberliegend angeordnet sind, so daß sich
eine Symmetrie zur Längsachse ergibt. Die gehäuseseitigen Antriebselemente 11 sind
dabei so gestaltet, daß sie nahezu den gesamten offenen Bereich des Querschnittspro
fils des Trägers 4 ausfüllen, was zu einer besonders kompakten Bauweise führt. Auch
von diesen gehäuseseitigen Antriebselementen sind mehrere entlang der Längsachse
an der Innenwand jeweils einer Gehäuseplatte angeschraubt, so daß mit der Entfernung
einer solchen Platte gleichzeitig die gehäuseseitigen Antriebselemente 11 abgenommen
werden können.
Bei einer weiteren, in Fig. 5b) dargestellten Ausführungsform sind die trägerseitigen An
triebselemente 6 an den Innenseiten der außenliegenden Schenkel des Doppel-T-Profil
querschnitts angeordnet. Auch hier ragen die entsprechend gegenüberliegend an
geordneten gehäuseseitigen Antriebselemente in den offenen Bereich des Querschnitts,
d. h. zwischen die Schenkel des Doppel-T-Profils hinein. Die Führung des Trägers 4 an
dem Gehäuse 5 kann bei der Ausführungsform nach Fig. 5b) in gleicher Weise, wie in
Fig. 4 gezeigt, erfolgen.
Bei einer dritten Ausführungsform sind die trägerseitigen Antriebselemente 6 auf den
Außenseiten der außenliegenden Schenkel des Doppel-T-Profils jeweils einander ge
genüberliegend angeordnet. Die Führung des Trägers 4 kann hier in die offenen Berei
che des Doppel-T-Profils gelegt werden, um eine besonders kompakte Bauweise zu
verwirklichen.
Zur gezielten Längenverstellung des Linearantriebs muß die Stellung des Trägers 4 zu
dem Gehäuse 5 erfaßt werden. Hierzu ist ein Längenmeßsystem vorgesehen, das einen
an dem Gehäuse 5 angebrachten Meßkopf 13 aufweist, der vorzugsweise an einem En
de des Gehäuses liegt. Weiterhin umfaßt das Längenmeßsystem Markierungsmittel an
dem Träger, die in eine Führungsschiene, vorzugsweise diese, die im Einbaufall des Li
nearantriebes oben liegt, integriert sind. Weiterhin sind Sicherheitselemente vorgese
hen, die ein vollständiges Herausfahren des Trägers 4 aus dem Gehäuse 5 verhindern.
Diese können sowohl elektrisch als auch mechanisch ausgebildet werden. In dem ge
zeigten Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 an dem einen Ende des Gehäuses als Sicher
heitselement ein Endschalter 14 gezeigt, während an dem anderen Ende des Gehäuse
eine stromlos arbeitende Sicherheitseinrichtung 15 als Absturzsicherung vorgesehen ist.
Der beschriebene Linearantrieb läßt sich für vielfältige Antriebszwecke einsetzen, eignet
sich jedoch vorrangig für die Verwendung von Vorschubachsen von Parallelstrukturen,
wie beispielsweise Hexapod-Strukturen.
Claims (10)
1. Linearantrieb mit einem Träger (4) und einem Trägergehäuse (5), an dem der
Träger (4) längs bewegbar gelagert ist, und mit an dem Träger (4) und dem Trägerge
häuse (5) vorgesehenen Antriebselementen (6,11) zur Erzeugung einer Relativbewe
gung zwischen dem Träger (4) und dem Trägergehäuse (5), dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (4) als profilierter Körper mit einem offenen Querschnittsprofil ausgebildet
ist.
2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem
Träger (4) vorgesehenen Antriebselemente (6) an innenliegenden Flächen des Trägers
(4) angeordnet sind.
3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Antriebselemente (6) paarweise vorgesehen und jeweils aneinander gegenüberliegen
den Flächen des Trägers (4) angeordnet sind.
4. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die an dem Trägergehäuse (5) vorgesehenen Antriebselemente innerhalb der offenen
Bereiche des Querschnittsprofils des Trägers (4) angeordnet sind bzw. in die offenen
Bereiche des Trägers (4) hineinragen.
5. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (4) ein Doppel-T-Querschnittsprofil aufweist.
6. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (4) zwei U-förmige Profilkörper (9) aufweist, die mit ihren Bodenseiten zuein
ander weisen, sowie einen zwischen den Bodenseiten angeordneten Leichtbau-Stütz
körper (7), der eine Vielzahl von Durchbrüchen und/oder Leerräumen aufweist.
7. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Träger (4) an seinen Außenseiten Führungsabschnitte aufweist, über die der Träger
an dem Gehäuse (5) gelagert ist, wobei die Lagerung auf einer Seite des Trägers über
eine Festlagerung und an einer anderen Seite über eine Loslagerung erfolgt.
8. Linearantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsab
schnitte als separate, an dem restlichen Träger angebrachte Profilschienen (8) ausgebil
det sind, die an den Außenseiten des Trägers (4) vorgesehen sind.
9. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
Vorrichtungen zur Längenmessung (12) an einer Außenseite des Trägers in einen der
Führungsabschnitte integriert ist und ein Meßkopf (13) an dem Gehäuse (5) zur Erfas
sung von Relativbewegungen der Vorrichtungen zur Längenmessung vorgesehen ist.
10. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenquerschnittskontur des Gehäuses (5) im wesentlichen gleichmäßig polygonal,
vorzugsweise hexagonal oder oktagonal ausgebildet ist.
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