DE19948490A1 - Lineardirektantrieb - Google Patents

Abstract

Bei einem Lineardirektantrieb mit mindestens zwei Antriebsschienen (2), die jeweils aus einem Induktorkamm (4) und einer entsprechenden Reaktionsschiene (3) gebildet sind, wobei die Reaktionsschienen (3) planparallel zu dem entsprechenden Induktorkamm (4) angeordnet und die Induktorkämme (4) und die Reaktionsschienen (3) relativ zueinander in Richtung einer Bewegungsachse verschieblich sind, ist vorgesehen, daß die durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten Ebenen relativ zueinander um die Bewegungsachse geneigt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lineardirektantrieb mit mindestens zwei Antriebsschienen, die jeweils aus einem Induktorkamm gebildet sind, wobei eine Reaktionsschiene planparallel zu dem ent­ sprechenden Induktorkamm angeordnet und die Induktorkämme und die Reaktionsschienen relativ zueinander in Richtung einer Bewegungs­ achse verschieblich sind.

Zum Vorschubantrieb mit linearer Bewegungsrichtung sind mechani­ sche Linearantriebe, wie zum Beispiel Zahnstangen-, Kugelgewinde­ spindel-, Riemen-Ketten- und Zylinderantriebe bekannt. Zudem wer­ den als elektrische Antriebe Linearmotoren verwendet, die nach dem elektromagnetischen Prinzip eines rotierenden Motors arbeiten. Im Vergleich zu einem rotierenden Motor ist bei einem Linearmotor der Ständer des rotierenden Motors radial aufgeschnitten, aufgebogen und zu einer Ebene gestreckt, so daß ein linearer Drehstrommotor entsteht. Die bisher konzentrisch angeordneten Ständer und Läufer liegen nun ebenfalls durch einen Luftspalt voneinander getrennt zueinander planparallel. Die in einer Ebene ausgebreitete Wicklung des Linearmotors, die dem Ständer eines Rotationsmotors entspricht, wird Induktor­ kamm genannt. Das dem Läufer der Rotationsmaschine entsprechende Wicklungsteil wird als Reaktionsschiene bezeichnet. Der Vorschub der Reaktiosschiene erfolgt ähnlich wie bei einer Rotationsmaschi­ ne in dem ein dem Drehfeld des Ständers einer Rotationsmaschine entsprechendes Wanderfeld erzeugt wird, das einen Schub von dem Induktorkamm auf die Reaktionsschiene ausübt.

Ein Linearmotor, bei dem der Induktorkamm, d. h. das Primärteil, kürzer als die Reaktionsschiene, d. h. das Sekundärteil, ist, wird Kurzstator genannt. Wenn das Sekundärteil kürzer als das Primär­ teil ist, handelt es sich um einen Langstatormotor.

Weiterhin sind verschiedene Bauformen von Linearmotoren bekannt. Die einfachste Ausführung ist der Einzelkamm, bei dem eine Reak­ tionsschiene planparallel auf einen Induktorkamm läuft. Bei einem sogenannten Solenoid ist der Induktorkamm als Stab ausgeführt, auf dem eine zylinderförmige Reaktionsschiene geführt ist, die achsial auf dem Stab bewegt wird. Bei dem sogenannten Doppelkamm sind beidseitig von einem rechteckförmigen Induktorkamm jeweils eine Reaktionsschiene angeordnet.

Linearmotoren dienen als Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen, Kranantriebe, Magnetschnellbahnen und zur Betätigung von Schal­ tern, Schiebern und Türen. Zudem sind Linearmotoren auch als Flüssigmetallpumpen verwendbar, wobei das flüssige Metall die Re­ aktionsschiene bildet. Die Linearmotoren haben den Vorteil, daß sie als berührungsloser Antrieb verschleißfrei, spielfrei und sehr präzise sind. Es werden sehr hohe Beschleunigungen und Geschwin­ digkeiten erreicht, so daß Linearmotoren bevorzugt für Werkzeug­ maschinen eingesetzt werden. Wünschenswert ist allerdings ein mög­ lichst konstanter Spalt zwischen Induktorkamm und Reaktionsschie­ ne, der durch zusätzliche Bauelemente gewährleistet wird. Eine hieraus resultierende Spaltproblematik ist vor allem dann gegeben, wenn eine bei der Verwendung nur eines Antriebes prinzipbedingte, relativ große vertikale statische Kraft auf die Reaktionsschienen bzw. den Induktorkamm wirkt. Zudem beinhaltet der Antrieb große Anziehungskräfte zwischen Primär- und Sekundärteil, die die Füh­ rungen stark belasten. Dann wirkt eine vertikale statische Kraft des Maschinenteils konstant auf die Führungsschiene, die dadurch belastet wird und wodurch eine erhöhte Reibungskraft auftritt. Bei Verwendung von zwei sich gegenüberstehenden Antrieben würden diese Kräfte kompensiert.

Zur Lösung der genannten Problematik wird vorgeschlagen, daß die durch die Antriebsschienen aufgespannten Ebenen relativ zueinander um die Bewegungsachse geneigt sind.

Durch die Maßnahme ist es möglich, die statischen Vertikalkräfte durch die horizontalen Komponenten der in Normalrichtung wirkenden Anziehungskräfte der relativ zueinander geneigten Antriebsschienen zu kompensieren. Die Kompensationskraft kann durch den Neigungs­ winkel der Antriebsschienen bedarfsweise festgelegt werden. Diese vorgeschlagene Entlastung des Lineardirektantriebs hat den Vor­ teil, daß keine weiteren Maschinenelemente erforderlich sind.

Herkömmliche Lineardirektantriebe sind hingegen nur in einer Ebene ausgerichtet. Gegebenenfalls ist eine weitere Magnetführungsschie­ ne senkrecht zu einer horizontalen oder vertikalen Antriebsschiene angeordnet, um ein Fahrzeug oder ein Maschinenteil seitlich zu führen.

In der DE-OS 30 34 418 wird ein konstanter Spalt zwischen Induk­ torkamm und Reaktionsschiene gewährleistet, in dem die Gewichts­ kraft des Fahrzeugs über Teilmagnete auf den als Fahrwegelement ausgebildeten Induktorkamm kontaktlos übertragen werden. Die Teil­ magnete sind über Federn und Dämpfer mit dem Fahrzeug verbunden, so daß sich dieser bezüglich seiner vertikalen Stellung gegenüber dem Fahrweg frei einstellt und einen konstanten Spalt gewährlei­ stet. Diese Ausführung wird in der DE 31 04 125 C2 dahingehend weiterentwickelt, daß die Magnetanordnung der Reaktionsschiene mit einer Feder-Dämpfer-Kombination aufgehängt ist und über einen Spalt auf ein Joch wirkt, das einen magnetischen Rückschluß bil­ det. Durch den zusätzlichen Spalt wird das Fahrzeug weiter gedämpft und ein nahezu konstanter Spalt zwischen Induktorkamm und Reaktionsschiene gewährleistet. Zur Seitenführung wird vorgeschla­ gen, die Magnete der Reaktionsschienen in Abhängigkeit von der Seitenkraft quer zum Fahrzeug verschieblich auszubilden. Dies er­ fordert einen relativ hohen konstruktiven Aufwand.

In der DE 28 03 106 C2 ist ein Trag- und Führungssystem für ein Magnetschwebefahrzeug beschrieben, bei dem die Elektromagneten des Induktorkamms bzw. der Reaktionsschiene seitlich mit Blattfedern abgestützt sind und dadurch vertikal verschieblich gelagert sind. Weiterhin ist ein Feder-Dämpfer-Element zur Schwingungsdämpfung in vertikaler Richtung seitlich an der Blattfeder bzw. dem Elektroma­ gneten angeordnet. Hierdurch können die auf die seitlichen Füh­ rungsschienen wirkenden Führungskräfte verringert werden. Das Sy­ stem ist in der DE 28 11 160 C2 dahingehend weiterentwickelt word­ en, daß die Polflächen der Magneteinrichtungen des Induktorkamms und der Reaktionsschiene jeweils spiegelsymmetrisch zueinander gekrümmt sind. Hierdurch wird die Seitenführung weiter verbessert. Eine Kompensation der Gewichtskraft des Fahrzeugs bzw. Maschinen­ teils findet nicht statt.

Es ist vorteilhaft, wenn zwei Antriebsschienen vorgesehen sind, die jeweils um den gleichen Winkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigt sind. Dann berechnet sich der optimale Neigungswinkel α aus der zu kompensierenden statischen Kraft F_G und der auf eine Antriebsschiene wirkenden Normalkraft F_A durch die Gleichung α = arcsin(F_G/2F_A).

Die Reaktionsschienen des Lineardirektantriebs, d. h. die Sekun­ därteile sind vorzugsweise an einem verschieblichen Schlitten an­ gebracht und die Induktorkämme, d. h. die Primärteile bilden einen in Richtung der Bewegungsachse starren Ständer. Der Schlitten kann zum Beispiel ein Maschinenelement einer Werkzeugmaschine sein, das in horizontaler Bewegungsrichtung durch die auf den Induktorkämmen verschieblichen Reaktionsschienen verfahren werden kann.

Es ist vorteilhaft, wenn die Reaktionsschienen mit Permanentmagneten als Sekundärwicklung und die Induktorkämme mit einer elektri­ schen Wicklung ausgeführt sind. Dadurch kann eine Stromzuführung mit Bürsten auf die beweglichen Reaktionsschienen entfallen, so daß der Lineardirektantrieb bürstenlos und verschleißarm ist.

Umgekehrt können aber auch die Induktorkämme mit Permanentmagneten als Primärwicklung und die Reaktionsschienen mit einer elek­ trischen Wicklung ausgeführt sein. Dabei kann die Zuordnung, ob die Reaktionsschienen oder die Induktorkämme beweglich sind, kon­ struktionsbedingt gewählt werden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Induktorkämme und die Reak­ tionsschienen Permanentmagneten zur Kompensation der statischen Kraft haben. Dadurch wird die vertikale statische Kraft auch im antriebslosen Zustand ohne Zufuhr von elektrischer Energie immer gleichmäßig kompensiert.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Ausschnitt einer Werkzeugmaschine mit einem in Z-Rich­ tung durch zwei Antriebsschienen als Lineardirektantrieb verschiebbaren Maschinenteil;

Fig. 2 Kräftediagramm für zwei relativ zueinander in Bezug auf eine horizontale Ebene geneigte Antriebsschienen;

Fig. 3 perspektivische Ansicht eines Lineardirektantriebs.

Die Fig. 1 läßt einen Linearantrieb erkennen, bei dem ein Maschi­ nenteil 1 zwei jeweils um den gleichen Winkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigte Antriebsschienen 2 hat. Die Antriebsschienen 2 sind jeweils aus einer Reaktionsschiene 3 bzw. Sekundärteil und jeweils einem Induktorkamm 4 gebildet. Die Reak­ tionsschiene 3 und der Induktorkamm 4 liegen planparallel zuein­ ander und sind durch einen Spalt voneinander beabstandet. Es sind Führungsschienen 5 vorgesehen, die sich in Richtung der Bewegungs­ achse des Maschinenelementes, d. h. in dem dargestellten Beispiel die Z-Richtung, erstrecken. Die Induktorkämme 4 sind jeweils an einem Rahmen 6 befestigt, die mit zwei sich in vertikaler Richtung erstreckende Linearmotoren in Y-Richtung nach oben und unten ver­ schiebbar sind. Das Maschinenteil 1 kann zum Beispiel ein Spindel­ kasten sein, der eine rotierende Spindel 7 zur Bearbeitung von Werkstücken trägt.

Die sich in horizontaler Richtung erstreckenden Reaktionenschienen 3 zur Bewegung des Maschinenteils 1 in horizontaler Z-Richtung können z. B. als Kurzschlußläufer oder mit Permanentmagneten aus­ geführt sein. Hierdurch entfallen Bürsten zur Übertragung von elektrischer Energie auf das bewegliche Maschinenteil 1. Die In­ duktorkämme 4 haben hingegen eine elektrische Wicklung, zum Bei­ spiel eine Drehstromwicklung.

Durch das Eigengewicht des Maschinenteils 1 mit der Spindel 7 und der Reaktionsschiene 3 wirkt eine konstante Gewichtskraft auf die Führungsschienen 5. Diese Gewichtskraft F_G kann, wie in dem Kräfte­ diagramm der Fig. 2 skizziert ist, durch die vertikalen Kraftkom­ ponenten F *|1Y und F *|2Y der auf die beiden Reaktionsschienen 3 wirken­ den ersten und zweiten Normalkräfte F₁ und F₂ kompensiert werden. Diese vertikalen Kraftkomponenten F *|1Y und F *|2Y werden dadurch bereit gestellt, daß die aus den Reaktionsschienen 3 und den entsprechen­ den Induktorkämmen 4 gebildeten Antriebsschienen 2 um einen Nei­ gungswinkel α in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander ge­ neigt sind. Dadurch, daß die Antriebsschienen relativ zueinander geneigt sind, werden die in X-Richtung wirkenden horizontalen Kraftkomponenten F *|1X und F *|2X der auf die Antriebsschienen wirkenden ersten und zweiten Normalkraft F₁ und F₂ gegeneinander aufgehoben. Wesentlich ist hierbei, daß immer sämtliche Gewichtskräfte der bewegten Komponenten kompensiert werden, insbesondere auch die des Primär- oder Sekundärteils, je nachdem, welches bewegt wird.

Die Fig. 3 läßt das Funktionsprinzip eines Lineardirektantriebs erkennen, bei dem die Reaktionsschiene 3 planparallel und beab­ standet zu einem Induktorkamm 4 verläuft. Die Reaktionsschiene 3 ist auf einem Schlitten 8 angebracht, der auf Führungsschienen 5 in horizontaler Richtung verschieblich gelagert ist. Zur Wegmes­ sung, d. h. zur Bestimmung der Position der Reaktionsschiene 3 bzw. des Schlittens 8, ist ein Wegaufnehmer 9 an dem Schlitten 8 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel ist ein optischer Weg­ aufnehmer 9 gezeigt, der eine Wegveränderung anhand von Kerben an einem stationären Teil des Lineardirektantriebs erkennt. Es ist aber auch denkbar, andere Prinzipien für den Wegaufnehmer 9 vor­ zusehen.

Wenn der dargestellte Lineardirektantrieb um 90° um die Verfahr­ achse gekippt wird, so daß der Schlitten 8 mit der Reaktionsschie­ ne 3 vertikal steht, läßt sich die statische vertikale Kraft auf­ grund der Schwerkraft des Schlittens 8 und der Reaktionsschiene 3 auf die Führungsschienen 4 - wie bereits oben erläutert - durch zwei Antriebsschienen kompensieren, die jeweils um den gleichen Winkel in Bezug auf die horizontale Ebene zueinander geneigt an­ geordnet werden.

Claims (9)

1. Lineardirektantrieb mit mindestens zwei Antriebsschienen (2), die jeweils aus einem Induktorkamm (4) und einer entsprechen­ den Reaktionsschiene (3) gebildet sind, wobei die Reaktions­ schienen (3) planparallel zu dem entsprechenden Induktorkamm (4) angeordnet und die Induktorkämme (4) und die Reaktions­ schienen (3) relativ zueinander in Richtung einer Bewegungs­ achse verschieblich sind, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten Ebenen relativ zueinander um die Bewegungsachse geneigt sind.

2. Lineardirektantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Antriebsschienen (2) so bemessen ist, daß eine vertikale statische Kraft durch die vertikale Komponente der durch die Antriebsschienen (2) aufgebrachten Kraft kompensiert wird.

3. Lineardirektantrieb nach Anspruch 2 mit genau zwei Antriebs­ schienen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschie­ nen (2) jeweils um den gleichen Winkel (α) in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigt sind.

4. Lineardirektantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschienen (2) von der horizontalen Ebene nach oben zueinanderlaufend nach innen geneigt sind.

5. Lineardirektantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsschienen (2) von der horizontalen Ebene nach oben voneinander weg laufend nach außen geneigt sind.

6. Lineardirektantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsschienen (3) an ei­ nem verschieblichen Schlitten (8) angebracht sind und die Induktorkämme (4) einen in Richtung der Bewegungsachse star­ ren Ständer des Lineardirektantriebs bilden.

7. Lineardirektantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsschienen (3) mit Permanentmagneten als Sekundärwicklung und die Induktorkämme (4) mit einer elektrischen Wicklung ausgeführt sind.

8. Lineardirektantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorkämme (4) mit Permanentmagne­ ten als Primärwicklung und die Reaktionsschienen (3) mit ei­ ner elektrischen Wicklung ausgeführt sind.

9. Lineardirektantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorkämme (4) und die Reaktionsschienen (3) Permanentmagneten zur Kompensation der vertikalen statischen Kraft haben.