DE19839334A1 - Antriebseinheit für eine Maschine, vorzugsweise eine Bearbeitungsmaschine - Google Patents

Abstract

Die Antriebseinheit hat ein Antriebssystem, vorzugsweise einen Lineardirektantrieb, der einen Schlitten aufweist, welcher längs einer Führung verfahrbar ist. DOLLAR A Um die Antriebseinheit so auszubilden, daß sie durch ihre Eigenschaften und Formen für unterschiedliche Anwendungen mit konzentrierter Krafteinleitung eingesetzt werden kann, ist der Schlitten ein bewegungsausführendes Element, das von wenigstens einem lastaufnehmenden Schlittenteil mechanisch entkoppelt ist. Dieses lastaufnehmende Schlittenteil ist unabhängig vom bewegungsausführenden Schlittenelement geführt und abgestützt, so daß durch auf das lastaufnehmende Schlittenteil wirkende Kräfte die Bewegungsgenauigkeit des Schlittens nicht beeinflußt wird. DOLLAR A Die Antriebseinheit hat spezielle Vorteile für den Einsatz in Parallelkinematiken, bei denen Stäbe am lastaufnehmenden Schlittenteil konzentriert angreifen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für eine Maschine, vor­ zugsweise eine Bearbeitungsmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bekannt, Antriebselemente, insbesondere Linearantriebsele­ mente, so zu gestalten, daß die zugehörigen Elemente, wie zum Bei­ spiel Schlitten, Führungen, Motorteile und Meßsysteme eine Einheit bilden. Solche Ausführungen sind bekannt für Kugelgewindeantriebe, Zahnriemenantriebe, pneumatische Antriebe und Lineardirektantrie­ be. Für diese bekannten Ausführungen, insbesondere bei der An­ wendung von Lineardirektantrieben, ist es üblich, daß eine tragende Struktur alle zum Antriebsmodul gehörenden Elemente zueinander justiert und verbindet, daß aber eine lastaufnehmende Struktur in der Maschine vorhanden sein muß. Von diesen lastaufnehmenden Strukturen werden Eigenschaften derart verlangt, daß es zu keinen regelungstechnischen Rückwirkungen auf die Antriebssysteme kommt. Diese regelungstechnischen Rückwirkungen werden häufig nicht berücksichtigt, insbesondere was Nachgiebigkeiten durch un­ terschiedliche Belastungen anbelangt. Antriebssysteme und lastauf­ nehmende Strukturen sind darum nicht aufeinander abgestimmt, so daß die dynamischen Eigenschaften von Lineardirektantrieben oft nicht genutzt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße An­ triebseinheit so auszubilden, daß sie durch ihre Eigenschaften und Formen für unterschiedliche Anwendungen mit konzentrierter Kraft­ einleitung eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Antriebseinheit erfin­ dungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ist das bewegungsaus­ führende Schlittenelement vom lastaufnehmenden Schlittenteil me­ chanisch entkoppelt. Dieses lastaufnehmende Schlittenteil ist unab­ hängig vom bewegungsausführenden Schlittenelement geführt und abgestützt, so daß durch auf das lastaufnehmende Schlittenteil wir­ kende Kräfte die Bewegungsgenauigkeit des Schlittens nicht beein­ flußt wird. Dadurch ergibt sich eine effiziente Gestaltungsmöglichkeit für die Antriebseinheit. Sie hat spezielle Vorteile für den Einsatz in Parallelkinematiken, bei denen Stäbe am lastaufnehmenden Schlit­ tenteil konzentriert angreifen. Insbesondere ergibt sich eine hohe Genauigkeit im Bewegungsverhalten des Schlittens. Die Antriebs-, Führungs- und Meßmittel können eine eigensteife tragende Struktur bilden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren An­ sprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis Fig. 4 unterschiedliche Ausführungsformen von erfindungsge­ mäßen Antriebseinheiten, jeweils in schematischer Dar­ stellung und in Stirnansicht.

Die im folgenden beschriebenen Antriebseinheiten sind jeweils als Antriebsmodule ausgebildet, die sowohl als Einzelantriebsmodule als auch zum Aufbau von Werkzeugmaschinen, insbesondere von Par­ allelkinematikmaschinen, eingesetzt werden können.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hat die Antriebseinheit eine Grundeinheit 1, die beispielsweise aus Mineralguß, Grauguß, aus Leichtbauwerkstoffen und dergleichen hergestellt sein kann. Die Grundeinheit 1 hat zwei winklig, vorzugsweise rechtwinklig, zueinan­ der liegende Tragseiten 20, 21, die jeweils winklig, im Ausführungs­ beispiel unter 45°, zu einer Vertikalmittelebene 22 der Antriebseinheit liegen. Auf den Tragseiten 20, 21 ist jeweils ein Sekundärteil 7 eines Lineardirektantriebes 23 befestigt. Die Grundeinheit 1 ist an ihrer Spitze mit einem über ihre Länge sich erstreckenden Einsatz 24 ver­ sehen, der im wesentlichen rechteckigen Querschnitt hat und auf dem Kopf stehend in einer entsprechenden Vertiefung 25 der Grund­ einheit 1 befestigt ist. Zwei Seiten des Einsatzes 24 bilden stetige Fortsetzungen der Tragseiten 20, 21 der Grundeinheit 1. Die obere Längskante des Einsatzes 24 ist abgeflacht und dient zur Befestigung einer Laufschiene 26 einer Profilwälzführung 5 für ein lastaufneh­ mendes Schlittenteil 4 eines Schlittens 27 des Lineardirektantriebes 23. Er kann als Synchron- oder als Reluktanzmotor ausgebildet sein. Der Schlitten 27 besteht aus einem Schlittenbasiselement 2, dem lastaufnehmenden Schlittenteil 4 und einem beweglich gelagerten Träger 3 für Primärteile 6. Der lastaufnehmende Schlittenteil 4 ist so im Schlittenbasiselement 2 gelagert, daß er sich senkrecht zur Be­ wegungsrichtung des Schlittens 27 frei bewegen kann und in Bewe­ gungsrichtung kein Spiel aufweist. Der Schlittenteil 4 ist auf einem Führungswagen 28 der Profilwälzführung 5 befestigt, der auf der Laufschiene 26 verfahrbar ist.

Das Schlittenbasiselement 2 weist schwalbenschwanzförmige Längs­ nuten 29, 30 auf, in die im Querschnitt entsprechend schwalben­ schwanzförmige Profilstücke 31, 32 eingreifen, die an den dem Schlittenbasiselement 2 zugewandten Seitenrändern der Träger 3 vorgesehen sind.

Eine Kraft, die am Schlittenteil 4 angreift, wird somit in der entspre­ chenden Komponente der Profilwälzführung 5 oder des Schlittenba­ siselementes 2 aufgenommen. Das Schlittenbasiselement 2 und die Primärteilträger 3 sind so miteinander verbunden, daß sie in Verfahr­ richtung des Schlittens 27 nicht zueinander verschiebbar, aber in ei­ ner Ebene senkrecht zur Verfahrrichtung zueinander verdrehbar sind.

Zwischen den Primärteilen 6 und den Sekundärteilen 7 befindet sich jeweils ein Luftspalt 12, der als Luftlager ausgebildet ist. Dadurch können die Anzugskräfte im Luftspalt 12 in ihrer Wirkung auf die Wälzführungen 14 (Fig. 2), 15 (Fig. 3) und 18 (Fig. 4) eliminiert, zu­ mindest aber deutlich verringert werden.

Die Träger 3 ragen auf der vom Schlitten 27 abgewandten Seite über die Primärteile 6 und sind an den überstehenden Enden mit minde­ stens einem in Richtung auf die Tragseiten 20, 21 der Grundeinheit 1 ragenden Anschlagstück 8 versehen, das senkrecht von den Trägern 3 absteht.

Wenn der Lineardirektantrieb 23 nicht bestromt ist, werden die Pri­ märteile 6 durch ihre (nicht dargestellten) Dauermagnete auf die Se­ kundärteile 7 gezogen, bis der Luftspalt 12 überbrückt ist oder das Anschlagstück 5 auf Anschlag zur Grundeinheit 1 geht. In diesem Falle dienen dies Anschlagstücke 8 als Bremse. Der Schlitten 27 kann sich ohne äußere Krafteinwirkung, die größer ist als die Magnethalte­ kraft, nicht bewegen. Selbstverständlich können auch die Primär- und Sekundärteile 6, 7 diese Haltekraft direkt selbst aufbringen, wenn sie direkten Kontakt zueinander haben. Ohne eine äußere Krafteinwir­ kung, die größer ist als die Magnetkraft im Luftspalt 12, kann der Schlitten 27 nicht verschoben werden. Die Luftspalte 12 zwischen den Primärteilen 6 und den Sekundärteilen 7 werden so lange mit Druck beaufschlagt, bis sich ein Kräftegleichgewicht zwischen den Anzugskräften im jeweiligen Luftspalt 12 und der abdrückenden Kraft in den Luftspalten 12 bei konstantem Luftspalt eingestellt hat. Dies erfolgt nach einer Reglerfreigabe für die (nicht dargestellten) Lagere­ gelkreise der Antriebe bei einer Antriebsgeschwindigkeit von 0. Die Lageregelkreise sind bei solchen Lineardirektantrieben 23 bekannt und werden darum auch nicht näher beschrieben. Bei einer Bewe­ gungsvorgabe für die lagegeregelten Motoren leitet somit der luftge­ lagerte Teil des Schlittens 27 eine Kraft in das mechanisch entkop­ pelte lastangreifende Schlittenantriebsteil 4 ein. Selbstverständlich kann das lastaufnehmende Schlittenteil 4 auch mit mehreren Füh­ rungswagen 28 der Profilwälzführung 5 gekoppelt sein. Die hohen Anzugskräfte im Luftspalt 12 wirken sich somit nicht auf das kraftauf­ nehmende Schlittenteil 4 aus, was zu einer hohen Bewegungsüber­ tragungsgenauigkeit bei einer geringen Anzahl von Führungen und wenig mechanisch belasteten Elementen führt. Da das bewegungs­ ausführende Teil 2 des Schlittens 27 mechanisch vom lastaufneh­ mendem Teil 4 des Schlittens 27 entkoppelt ist, wird ein mechanisch geführtes Direktantriebssystem mit Luftlagerung und Selbstzentrie­ rung ermöglicht. Das Schlittenbasiselement 2 kann über wenigstens einen (nicht dargestellten) Führungswagen auf der Laufschiene 26 geführt werden. Dies ist auch bei den weiteren Ausführungsformen möglich.

Neben der Grundeinheit 1 befinden sich Zusatzelemente 9, die recht­ eckigen Querschnitt haben und hochkant angeordnet sind. Sie liegen an vertikalen Seitenwänden 33, 34 der Grundeinheit 1 flächig an.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1a sind mehrere lastaufneh­ mende Schlittenteile 4a quer zur Bewegungsrichtung des Schlittens 27a vorgesehen. Jedes Schlittenteil 4a ist mit jeweils mindestens ei­ ner Profilwälzführung 5a gekoppelt. Das Schlittenbasiselement 2a ist zur Aufnahme der nebeneinander mit Abstand liegenden Schlitten­ teile 4a breiter ausgebildet als beim vorigen Ausführungsbeispiel. Im übrigen ist diese Antriebseinheit gleich ausgebildet wie die Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1. Die beiden lastaufnehmenden Schlittenteile 4a sind im Schlittenbasiselement 2a wiederum so gelagert, daß sie sich senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schlittens 27 frei bewe­ gen können und in Fahrrichtung des Schlittens kein Spiel aufweisen. Wie bei der vorigen Ausführungsform sind die lastaufnehmenden Schlittenteile 4a mit einer als Vertiefung ausgebildeten Aufnahme 35a versehen.

Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Schlit­ ten 27a auch mehr als zwei nebeneinander angeordnete lastaufneh­ mende Schlittenteile 4a haben.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1a lediglich dadurch, daß der Schlitten 27b lediglich einen einzigen, entsprechend breiten lastaufnehmenden Schlittenteil 4b aufweist. Der Schlitten 27b ist gleich breit wie der Schlitten 27a gemäß Fig. 1a. Aufgrund seiner Breite ist das lastauf­ nehmende Schlittenteil 4b mit zwei Profilwälzführungen 5b gekoppelt, die senkrecht zur Verfahrrichtung des Schlittens 27b mit Abstand voneinander liegen. Den Profilwälzführungen 5b sind, entsprechend der vorigen Ausführungsform, zwei parallel zueinander liegenden Laufschienen 26b zugeordnet, die auf dem entsprechend breiten Ein­ satz 24b der Grundeinheit 1b befestigt sind.

Fig. 2 zeigt eine Antriebseinheit, bei der die beiden Träger 13 für die Primärteile 6 starr mit dem Schlittenbasiselement 2 verbunden, vor­ zugsweise einstückig mit ihm ausgebildet sind. Das Schlittenbasi­ selement 2 des Schlittens 27 nimmt das lastaufnehmende Schlitten­ teil 4 auf, das entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 1 me­ chanisch vom bewegungsausführenden Schlittenbasiselement 2 ent­ koppelt ist. Die Träger 13 können im Gegensatz zu den vorigen Aus­ führungsbeispielen keine Bewegungen relativ zum Schlittenbasis­ element 2 ausführen. Der Schlitten 27 ist über Rollenführungen 14 auf der Grundeinheit 1 geführt. Über diese Rollenführungen 14 erfolgt eine selbstzentrierende Bewegung des Schlittens 27. Im übrigen ist diese Ausführungsform gleich ausgebildet wie das Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1.

Selbstverständlich können die Träger 13 an ihren freien Enden auch mit den Anschlagstücken 8 versehen sein.

Die Antriebseinheit nach Fig. 3 ist, bis auf die im folgenden beschrie­ benen Unterschiede, gleich ausgebildet wie das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Der Schlitten 27 hat das Schlittenbasiselement 2, in dem das lastaufnehmende Schlittenteil 4 untergebracht ist. Die Träger 13 für die Primärteile 6 sind starr mit dem Schlittenbasiselement 2 aus­ gebildet, vorzugsweise einstückig mit ihm ausgebildet. An den freien Enden der Träger 13 ist an deren Unterseite jeweils eine Profilwälz­ führung 15 vorgesehen, mit denen die Träger 13 auf Laufschienen 36 abgestützt sind, die auf der Grundeinheit 1 gelagert sind. Der Schlit­ ten 27 ist somit mechanisch über die Profilwälzführungen 15 geführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel können auch Asynchronmotoren zum Einsatz kommen.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 erfolgt die Führung des Schlittens 27 auf den seitlichen Zusatzelementen 9, die neben der Grundeinheit 1 angeordnet sind. Die Träger 13, die wiederum starr mit dem Schlittenbasiselement 2 verbunden, vorzugsweise einstückig mit ihm ausgebildet sind, sind am freien Ende mit Führungselemen­ ten 18 versehen, die auf den horizontalen Stirnseiten 37, 38 der Zu­ satzelemente 3 laufen. An der Unterseite der Träger 13 sind wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen die Primärteile 6 befestigt, die unter Bildung jeweils eines Luftspaltes 12 den Sekundärteilen 7 ge­ genüberliegen. Sie sind, wie anhand von Fig. 1 beschrieben worden ist, auf den Tragseiten 20, 21 der Grundeinheit 1 befestigt. Die Trä­ ger 13 sind an ihren freien Enden derart verjüngt ausgebildet, daß sie eine parallel zu den Stirnseiten 37, 38 liegende Stirnfläche 39, 40 aufweisen, an der die Führungselemente 18 angeordnet sind. Auf­ grund dieser Lage der Führungselemente 18 können die Primärteile 6 und die Sekundärteile 7, wie durch gestrichelte Linien angedeutet ist, wesentlich breiter ausgebildet werden als bei den vorigen Ausfüh­ rungsbeispielen. Aufgrund dieser Verbreiterung des Motors 6, 7 kön­ nen höhere Motorkräfte bei gleicher Modulgröße erreicht werden. Die Abstützung und Führung des Schlittens 27 auf den Zusatzelementen 9 bringt eine vorteilhafte Krafteinleitung der Anzugskräfte im Luftspalt 12 mit sich.

Wie bei den vorigen Ausführungsformen ist im Schlittenbasiselement 2 das lastaufnehmende Schlittenteil 4 mechanisch entkoppelt unter­ gebracht. Es ist entsprechend der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit der Profilwälzführung 5 gekoppelt.

Die Träger 13 für die Primärteile 6 können entsprechend den Ausfüh­ rungsformen nach den Fig. 1, 1a und 1b auch beweglich mit dem Schlittenbasiselement 2 verbunden sein.

Da die beschriebenen Antriebseinheiten als Module ausgebildet sind, können sie je nach Anforderung aneinandergesetzt werden.

Claims (17)

1. Antriebseinheit für eine Maschine, vorzugsweise eine Bearbei­ tungsmaschine, mit einem Antriebssystem, vorzugsweise einem Lineardirektantrieb, das einen Schlitten aufweist, der längs we­ nigstens einer Führung verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (27, 27a, 27b) ein bewegungsausführendes Element (2, 2a), das von wenigstens einem lastaufnehmenden Schlittenteil (4, 4a, 4b) mechanisch entkoppelt ist.

2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lastaufnehmende Schlittenteil (4, 4a, 4b) unabhängig vom bewegungsausführenden Element (2) geführt und abgestützt ist.

3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das lastaufnehmende Schlittenteil (4, 4a, 4b) quer zur Bewegungsrichtung des Schlittens (27, 27a, 27b) frei beweglich ist.

4. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das lastaufnehmende Schlittenteil (4, 4a, 4b) in Bewegungsrichtung des Schlittens (27, 27a, 27b) spielfrei gelagert ist.

5. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das lastaufnehmende Schlittenteil (4, 4a, 4b) im bewegungsausführenden Element (2, 2a) gelagert ist.

6. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegungsausführende Ele­ ment (2, 2a) mechanisch geführt ist.

7. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vom bewegungsausführenden Element (2, 2a) zwei Träger (3, 13) abstehen, die Primärteile (6) eines Antriebs (6, 7) des Antriebssystems (23) tragen.

8. Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (3,13) winklig, vor­ zugsweise rechtwinklig, zueinander liegen.

9. Antriebseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (3, 13) jeweils winklig zu einer Vertikalmittelebene (22) der Antriebseinheit liegen.

10. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärteile (6) unter Bildung von Luftspalten (12) Sekundärteilen (7) des Antriebes (6, 7) des Antriebssystems (23) gegenüberliegen.

11. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (13) starr mit dem be­ wegungsausführenden Element (2) des Schlittens (27) verbun­ den, vorzugsweise einstückig mit ihm ausgebildet sind.

12. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (3) in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schlittens (27, 27a, 27b) relativ zum bewegungsausführenden Element (2) schwenkbar sind.

13. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (27a) mehrere last­ aufnehmende Schlittenteile (4a) aufweist.

14. Antriebseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lastaufnehmenden Schlitten­ teile (4a) quer zur Bewegungsrichtung des Schlittens (27a) mit Abstand voneinander im bewegungsausführenden Element (2a) gelagert sind.

15. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (27) auf Zusatzele­ menten (9) gelagert und geführt ist, die seitlich neben einer Grundeinheit (1) der Antriebseinheit vorgesehen sind.

16. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit als Modul aus­ gebildet ist.

17. Antriebseinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul zur Erhöhung der Lei­ stungsdichte erweiterbar ist.