DE19948490C2 - Lineardirektantrieb - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Lineardirektantrieb.
Zum Vorschubantrieb mit linearer Bewegungsrichtung sind mechanische Linearan
triebe, wie zum Beispiel Zahnstangen-, Kugelgewindespindel-, Riemen-Ketten- und
Zylinderantriebe bekannt. Zudem werden als elektrische Antriebe Linearmotoren ver
wendet, 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 Primärteil genannt. Das dem
Läufer der Rotationsmaschine entsprechende Wicklungsteil wird als Sekundärteil
bezeichnet. Der Vorschub des Sekundärteils erfolgt ähnlich wie bei einer Rota
tionsmaschine in dem ein dem Drehfeld des Ständers einer Rotationsmaschine ent
sprechendes Wanderfeld erzeugt wird, das einen Schub von dem Primärteil auf das
Sekundärteil ausübt.
Ein Linearmotor, bei dem das Primärteil kürzer als das Sekundärteil ist, wird Kurzstator
genannt. Wenn das Sekundärteil kürzer als das Primärteil ist, handelt es sich um einen
Langstatormotor.
Weiterhin sind verschiedene Bauformen von Linearmotoren bekannt. Die einfachste
Ausführung ist der Einzelkamm, bei dem ein Sekundärteil planparallel auf einem
Primärteil läuft. Bei einem sogenannten Solenoid ist das Primärteil als Stab ausgeführt,
auf dem ein zylinderförmiges Sekundärteil geführt ist, das achsial auf dem Stab
bewegt wird. Bei dem sogenannten Doppelkamm sind beidseitig von einem rechteck
förmigen Primärteil jeweils ein Sekundärteil angeordnet.
In der EP 0 784 371 A1 ist eine Antriebsschiene für einen Linearmotor beschrieben,
bei der das Sekundärteil Permanentmagneten aufweist, die mit einer
elektrischen Wicklung eines Primärteils zusammenwirken.
Linearmotoren dienen als Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen (z. B. HAGL, Rai
ner: Elektrische Direktantriebe für Werkzeugmaschinen und Industrieroboter. In An
triebstechnik 31, 1992, Nr. 4, Seiten 32 bis 45) Kranantriebe, Magnetschnellbahnen
und zur Betätigung von Schaltern, Schiebern und Türen. Zudem sind Linearmotoren
auch als Flüssigmetallpumpen verwendbar, wobei das flüssige Metall die Reak
tionsschiene bildet. Die Linearmotoren haben den Vorteil, daß sie als berührungsloser
Antrieb verschleißfrei, spielfrei und sehr präzise sind. Es werden sehr hohe Besch
leunigungen und Geschwindigkeiten erreicht, so daß Linearmotoren bevorzugt für
Werkzeugmaschinen eingesetzt werden. Wünschenswert ist allerdings ein möglichst
konstanter Spalt zwischen Primärteil und Sekundärteil, der durch zusätzliche Bauele
mente 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 Sekundärteile bzw. das Primärteil wirkt.
Zudem beinhaltet der Antrieb große Anziehungskräfte zwischen Primär- und
Sekundärteil, die die Führungen 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 ge
genüberstehenden Antrieben würden diese Kräfte kompensiert.
In der DE 30 34 418 A1 wird ein konstanter Spalt zwischen Primärteil und
Sekundärteil gewährleistet, in dem die Gewichtskraft des Fahrzeugs über Teilmagnete
auf den als Fahrwegelement ausgebildeten Primärteil kontaktlos übertragen werden.
Die Teilmagnete 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 gewährleistet. Diese Ausführung wird in der DE 31 04 125 C2
dahingehend weiterentwickelt, daß die Magnetanordnung des Sekundärteils
mit einer Feder-Dämpfer-Kombination aufgehängt ist und über einen Spalt auf ein
Joch wirkt, das einen magnetischen Rückschluß bildet. Durch den zusätzlichen Spalt
wird das Fahrzeug weiter gedämpft und ein nahezu konstanter Spalt zwischen
Primärteil und Sekundärteil gewährleistet. Zur Seitenführung wird vorgeschlagen, die
Magnete der Sekundärteile in Abhängigkeit von der Seitenkraft quer zum Fahrzeug
verschieblich auszubilden. Dies erfordert einen relativ hohen konstruktiven Aufwand.
In der DE 28 03 106 C2 ist ein Trag- und Führungssystem für ein Magnetschwebe
fahrzeug beschrieben, bei dem die Elektromagneten des Primärteils bzw. des
Sekundärteils seitlich mit Blattfedern abgestützt sind und dadurch vertikal ver
schieblich gelagert sind. Weiterhin ist ein Feder-Dämpfer-Element zur Schwin
gungsdämpfung in vertikaler Richtung seitlich an der Blattfeder bzw. dem Elektro
magneten angeordnet. Hierdurch können die auf die seitlichen Führungsschienen
wirkenden Führungskräfte verringert werden. Das System ist in der DE 28 11 160 C2
dahingehend weiterentwickelt worden, daß die Polflächen der Magneteinrichtungen
des Primärteils und des Sekundärteils jeweils spiegelsymmetrisch zueinander gek
rümmt sind. Hierdurch wird die Seitenführung weiter verbessert. Eine Kompensation
der Gewichtskraft des Fahrzeugs bzw. Maschinenteils findet nicht statt.
In der EP 0 22 617 A1 ist ein Lineardirektantrieb als Asynchronmaschine offenbart,
der zwei um einen festen Winkel von 45° geneigte Antriebsschienen aufweist, um die
Aufspaltung der Anzugskräfte in eine horizontale und eine vertikale Komponente zu
ermöglichen. Zur Kompensation weiterer vertikaler Kräfte sind zusätzliche vertikal
wirkende Antriebsschienen vorgesehen. Die Primär- und Sekundärteile der Antriebs
schienen sind planparallel zueinander angeordnet und relativ zueinander in Richtung
einer Bewegungsachse verschieblich. Mit den geneigten Antriebsschienen wird neben
einem Antriebsmoment auch eine mindestens teilweise Kompensation von konstanten
vertikalen auf Führungsschienen wirkenden Gewichtskräfte erreicht. Die Kompensa
tion erfolgt hierbei durch eine aufwendige Stromsteuerung, wobei nachteilig die
zusätzlichen Antriebsschienen erforderlich sind.
Ausgehend von der EP 0 224 617 A1 ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesser
ten Linearantrieb anzugeben, bei dem ein konstanter Luftspalt mit einfachen Mitteln
gewährleistet wird und eine Führung des Lineardirektantriebs nach Möglichkeit ohne
weitere zusätzliche Maschinenelemente gewährleistet werden kann.
Die Aufgabe wird durch den Lineardirektantrieb mit den Merkmalen des Hauptan
spruchs gelöst.
Durch die Bemessung des Neigungswinkels der Antriebsschienen des als Synchron
maschine arbeitenden Lineardirektantriebs genau so, dass die auf die Führungsschi
enen wirkende konstante vertikale Gewichtskraft durch die vertikale Komponente der durch die
Antriebsschienen aufgebrachten Kraft kompensiert wird, ist es möglich, die statischen
Vertikalkräfte durch die horizontalen Komponenten der in Normalrichtung wirkenden
Anziehungskräfte der relativ zueinander geneigten Antriebsschienen genau zu kom
pensieren. Der Neigungswinkel der Antriebsschienen wird genau auf die vertikale sta
tische Kraft abgestimmt, die auf die Führungsschienen wirkt. Diese vorgeschlagene
Entlastung des Lineardirektantriebs hat den Vorteil, daß keine weiteren Maschine
nelemente zur Spaltregulierung und zur Tragfunktion erforderlich sind.
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 aus der zu kompensierenden statischen
Kraft FG und der auf eine Antriebsschiene wirkenden Normalkraft FA durch die
Gleichung = arcsin(FG/2FA).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrie
ben. Es zeigen:
Fig. 1 Ausschnitt einer Werkzeugmaschine mit einem in Z-Richtung 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 Maschinenteil 1 zwei jeweils
um den gleichen Winkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigte An
triebsschienen 2 hat. Die Antriebsschienen 2 sind jeweils aus einem Sekundärteil 3
und jeweils einem Primärteil 4 gebildet. Das Sekundärteil 3 und das Primärteil 4 liegen
planparallel zueinander und sind durch einen Spalt voneinander beabstandet. Es sind
Führungsschienen 5 vorgesehen, die sich in Richtung der Bewegungsachse des
Maschinenelementes, d. h. in dem dargestellten Beispiel die Z-Richtung, erstrecken.
Die Primärteile 4 sind jeweils an einem Rahmen 6 befestigt, die mit zwei sich in verti
kaler Richtung erstreckende Linearmotoren in Y-Richtung nach oben und unten ver
schiebbar sind. Das Maschinenteil 1 kann zum Beispiel ein Spindelkasten sein, der
eine rotierende Spindel 7 zur Bearbeitung von Werkstücken trägt.
Die sich in horizontaler Richtung erstreckenden Sekundärteile 3 zur Bewegung des
Maschinenteils 1 in horizontaler Z-Richtung sind mit Permanentmagneten ausgeführt.
Hierdurch entfallen Bürsten zur Übertragung von elektrischer Energie auf das bewegli
che Maschinenteil 1. Die Primärteile 4 haben hingegen eine elektrische Wicklung, zum
Beispiel eine Drehstromwicklung.
Durch das Eigengewicht des Maschinenteils 1 mit der Spindel 7 und dem Sekundärteil
3 wirkt eine konstante Gewichtskraft auf die Führungsschienen 5. Diese Gewichtskraft
FG kann, wie in dem Kräftediagramm der Fig. 2 skizziert ist, durch die ver
tikalen Kraftkomponenten F *|1Y und F *|2Y der auf die beiden Sekundärteile 3 wirkenden
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
Sekundärteilen 3 und den entsprechenden Primärteilen 4 gebildeten Antriebsschienen
2 um einen Neigungswinkel in Bezug auf eine horizontale Ebene zueinander geneigt
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 An
triebsschienen 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 das
Sekundärteil 3 planparallel und beabstandet zu einem Primärteil 4 verläuft. Das
Sekundärteil 3 ist auf einem Schlitten 8 angebracht, der auf Führungsschienen 5 in
horizontaler Richtung verschieblich gelagert ist. Zur Wegmessung, d. h. zur Bestim
mung der Position des Sekundärteils 3 bzw. des Schlittens 8, ist ein Wegaufnehmer 9
an dem Schlitten 8 angeordnet. In dem dargestellten Beispiel ist ein optischer
Wegaufnehmer 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 vorzusehen.
Wenn der dargestellte Lineardirektantrieb um 90° um die Verfahrachse gekippt wird,
so daß der Schlitten 8 mit dem Sekundärteil 3 vertikal steht, lässt sich die statische
vertikale Kraft aufgrund der Schwerkraft des Schlittens 8 und des Sekundärteils 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 angeordnet werden.
Claims (4)
1. Lineardirektantrieb mit Führungsschienen (5) und mit einem Maschinenteil (1),
das mindestens zwei Antriebsschienen (2) enthält, wobei durch das Eigenge
wicht des Maschinenteils (1) eine konstante vertikale Gewichtskraft (FG) auf
die Führungsschienen (5) wirkt und die Antriebsschienen (2) jeweils aus einem
Primärteil (4) mit einer elektrischen Wicklung und einem entsprechenden Se
kundärteil (3) mit Permanentmagneten gebildet sind, wobei das Sekundärteil
(3) planparallel zu dem entsprechenden Primärteil (4) angeordnet ist, die Pri
märteile (4) und die Sekundärteile (3) relativ zueinander in Richtung einer Be
wegungsachse verschieblich sind und wobei die durch die Antriebsschienen
(2) aufgespannten Ebenen jeweils um einen Neigungswinkel in Bezug auf eine
horizontale Ebene geneigt sind, wobei die Neigungswinkel genau so bemessen
sind, daß die auf die Führungsschienen (5) wirkende konstante vertikale Ge
wichtskraft (FG) durch die vertikale Komponente der durch die Antriebsschie
nen (2) aufgebrachten Kraft kompensiert wird.
2. Lineardirektantrieb nach Anspruch 1 mit genau zwei Antriebsschienen (2),
wobei die Neigungswinkel der durch die Antriebsschienen (2) aufgespannten
Ebene gleich sind.
3. Lineardirektantrieb nach Anspruch 2, wobei die durch die Antriebsschienen (2)
aufgespannten Ebenen von der horizontalen Ebene nach oben zueinanderlau
fend geneigt sind.
4. Lineardirektantrieb nach Anspruch 2, wobei die durch die Antriebsschienen (2)
aufgespannten Ebenen von der horizontalen Ebene nach oben voneinander
weglaufend geneigt sind.
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- 1999-10-07 DE DE1999148490 patent/DE19948490C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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