DE2358680A1 - Schrittmotor - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland · Dn.-Ing. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen

Patentanwälte ■ 4οαο Düsseldorf 30 · Cecilienallee "J⁷B · Telefon 43273a

23* November T973 . : 29 009 S

Firma Gebr_o Lennartz, 56^0 Remscheid, Freiheitstraße 181

"Schrittmotor"

Schrittmotoren dienen bekannterweise dazu, einen Gegenstand über eine bestimmte, dem Motor befohlene Strecke zu bewegen. Die Bewegung kann aus einer Verschiebung oder einer Drehung bestehen. Der Steuerbefehl wird dem Schrittmotor dabei in " der Regel durch digital erzeugte Pulse zugeleitet, deren Anzahl den vom Schrittmotor zurückzulegenden Weg bestimmt.

Die-meisten bekannten Schrittmotoren sind Elektromotoren, die auf elektromagnetische Weise in dem Augenblick angehalten werden, den die Digitalpulse bestimmen. Dabei entsteht eine erste Schwierigkeit darin, den Läufer eines Elektromotors exakt in dem Augenblick stillzusetzen, den die Digitalsignale befehlen. Wegen der kinetischen Energie des Rotors, mit dem der Elektromotor umläuft, bedarf es dann in vielen Fällen noch einer Rückdrehung, weil der Rotor seine vorgeschriebene Stellung bereits überschritten hat„ Man ist deshalb genötigt, die Elektromotoren verhältnismäßig klein zu gestalten, so daß das Rotorträgheitsmoment klein wird₀ Dies aber-hat den weiteren, recht schwerwiegenden Nachteil, zur Folge, daß der Motor oft selbst nicht so viel Drehmoment aufbringen kann, wie zum Fortschalten des von ihm angetriebenen Gegenstandes notwendig ist. Man ist daher genötigt, bei Anwendung von Schrittmotoren dieser Art zwischen-den digitalgesteuerten eigentlichen Schrittmotor, der die ihm aufgegebene Bewegung ausführt, und dem anzutreibenden Gegenstand auch noch einen Drehmomentverstärker einzuschalten, insbesondere in Form eines hydraulischen Motors. Mit alledem wird in vielen Fällen der Aufwand, den ein

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Schrittmotor mit allem seinem Zubehör erfordert, so beträchtlich, daß man geneigt ist, auf die Schrittmotor-Steuerung zu verzichten und sich mit der üblichen, nicht digital gesteuerten Antriebsweise zu begnügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schrittmotor zu schaffen, der ein Drehmoment zu erzeugen vermag, das auf mechanischem Wege nahezu beliebig heraufgesetzt werden kann, und zwar ohne einen nachgeschalteten Drehmomentverstärker direkt durch Umwandlung der in ihn eingeleiteten Pulse in schrittweise aufeinanderfolgende Drehmomentpulse„

Was zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen ist, bildet den Gegenstand des nachstehenden Anspruchs 1. Die in diesem Anspruch angegebene Maßnahme ist weiterer Ausgestaltung in vielfach weiterem Sinne zugänglich. Darauf beziehen sich die Ansprüche 2 und 3.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Schrittmotors mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie A-B in Fig. 1, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie C-D in Fig. 2 und

Fig. 4 ein Schema zur Veranschaulichung der Zahneingriffe beim Betrieb des Motors_o

Erfindungsgemäß gestaltete Schrittmotoren können hydraulisch, pneumatisch und elektromagnetisch betrieben werden. Ein pneumatischer Antrieb gestaltet sich in der zeichnerischen Darstellung am einfachsten. Nur aus diesem Grunde ist ein derartiger Antrieb für die nachstehenden Erläuterungen gewählt worden. Im übrigen sind gleichfalls zur zeichnerischen Ver-

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einfachung in Fig. 1 und 2 einige Teile im Schnitt dargestellt worden, obwohl sie bei Anwendung der strengen Regeln des technischen Zeichnens nicht im Schnitt erscheinen dürften. Dadurch wird die Anzahl der sonst-nötigen Figuren vermindert. ;_: \

Den feststehenden Hauptteil des Motors bildet ein dreiteiliges Gehäuse (Figo 2), das sich aus einem Zylinder 1 und zwei Zylinderkopfen 2 und 3 zusammensetzt. Diese Teile sind durch in Fig. 3 sichtbare Bolzen 4 fest miteinander verschraubt. In der Bohrung des Zylinders 1 ist ein Kolben 5 verschiebbar, der den Innenraum des Zylinders 1 in zwei Kammern 6 und 7 teilt. In diese Kammern münden Kanäle 8 und 9,an die nicht gezeichnete Druckleitungen angeschlossen werden können. Die Kanäle dienen abwechselnd als Einlaß und Auslaß. Die äußere pneumatische Schaltung ist nicht gezeichnet. Sie ist so gestaltet, daß die Kammern abwechselnd unter Druck gesetzt werden können. Die Erzeugung der Druckpulse kann auf vielfache Weise erfolgen. Zur Erklärung folgt eine kurze Beschreibung einer sehr einfachen Steuerungsmöglichkeit der Druckpulse durch ein Vierwege-Magnetventil (für Druckluft oder • Hydraulik). - :

Vor die weiter unten näher beschriebenen Zahnscheiben 11 und 12 wird je ein Elektroendtaster so angeordnet, daß er bei jedem Hub der zugeordneten Zahnscheibe 11 oder 12 betätigt wirdo Bei dieser Betätigung steuert der Endtaster das Vierwege-Magnetventil um und gibt dabei gleichzeitig einen Stromimpuls an ein vorwählbares elektronisches Zählwerk als Rückmeldung dafür, daß ein Schritt ausgeführt ist. Ist die vorgewählte Schrittzahl erreicht, schaltet das Zählwerk die Stromzufuhr zum Magnetventil ab und der Schrittmotor bleibt sofort stehen. Eine Zylinderkammer bleibt unter Druck„ Der Schrittmotor steuert sich also selbst; das Zählwerk übernimmt lediglich das Abschalten der Stromzufuhr bei ausgeführ-

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ter Schrittzahl. Die Anzahl der unmittelbar aufeinanderfolgenden Pulse bestimmt den Weg, den der vom Schrittmotor angetriebene Gegenstand jeweils zurückzulegen hat₀

Mit dem Kolben 5 ist unverschiebbar eine beiderseits durch die Zylinderköpfe 2, 3 ragende Kolbenstange 10 verbunden. Die Kolbenstange 10 kann an den Kolben 5 starr angeschlossen sein. Besser ist es jedoch, den Kolben 5 auf dei? Kolbenstange 10 drehbar zu lagern, weil er der Kolbenstange lediglich axiale Verschiebungen zu erteilen hat, nicht aber Drehungen, welche die Kolbenstange unter anderen, noch zu erläuternden Einflüssen ausführt, vom Kolben 5 aber nicht mitgemacht zu werden brauchen.

Fest verbunden mit den nach außen geführten Enden der Kolbenstange 10 sind zwei Zahnscheiben 11 und 12„ Eine dieser Scheiben, im gezeichneten Beispiel die Scheibe 11, ist mit exzentrisch zur Kolbenstangenachse liegenden Bohrungen 13 versehen, in welche Zapfen 14 ragen_e Diese Zapfen dienen zur Übertragung der Drehung der Scheibe 11 auf den anzutreibenden Gegenstand, vermeiden aber gleichzeitig, daß auch die noch zu erläuternde axiale Verschiebung der Scheibe 11 auf diesen Gegenstand übertragen wird. Vorstellbar ist beispielsweise die Verbindung der Zapfen 14 mit einer weiteren Scheibe, die als Zahnrad ausgebildet sein kann, wenn dem anzutreibenden Gegenstand eine Drehung mitgeteilt werden soll. Ebenso denkbar ist aber auch die Verbindung der angenommenen Scheibe mit einer Gewindespindel, wenn der anzutreibende Gegenstand eine Verschiebung erfahren soll.

Die Zahnscheiben 11 undΛ2. sind an ihrer nach innen gerichteten Stirnfläche mit Stirnverzahnungen 15 und 16 versehen, insbesondere nach Art der sogenannten Hirth-Verzahnungen. Den Scheiben 11 und 12 stehen je eine weitere Zahnscheibe 17 und 18 gegenüber, die mit komplementären Verzahnungen versehen sind. Die Verzahnungen der Scheiben 17 und 18 sind"

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mit 19 und 20 "bezeichnet» Sämtliche Verzahnungen haben die gleiche Teilung» Damit soll nicht ausgeschlossen sein, daß einige Zähne fortgelassen werden, weil dies die noch zu beschreibende Wirkungsweise nicht beeinträchtigen würde»

In der Stellung nach Fig. 1 und 2 stehen die Verzahnungen 15 und 19 vollständig außer Eingriff, während die Verzahnungen 16 und 20 voll in Eingriff miteinander sind»

Die Zahnscheiben 17 und 18 sind nicht verschiebbar und nur begrenzt drehbar. Sie sind durch Wälzlager 21 an den Zylinderköpfen 2, 3 gelagert. An ihren nach innen, also aufeinander zu gerichteten Stirnflächen 22 tragen die Zahnscheiben 17 und 18 Nasen 23 und 24 (Fig. 1). Diese Nasen wirken einerseits mit feststehenden Anschlagstiften 25 und 26 zusammen, andererseits aber auch.mit den freien Enden von Kniehebeln, die unten näher zu beschreiben sein werden» Durch die Anschlagstifte 25, 26, die auf den Zylinderköpfen 2 und 3 angebracht sind, werden die Drehungen der inneren Zahnscheiben 17, 18 in einer Richtung begrenzt»

Jede der inneren Zahnscheiben 17 und 18 wird durch eine nachgiebige Kraft, die also durch eine stärkere Zwangskraft überwunden werden kann, in der Stellung gehalten, in der ihre Nase 23, 24 am zugehörigen Stift 25, 26 anliegt. Zur Erzeugung dieser nachgiebigen Kraft dienen zwei Hilfszylinder 27 und 28, deren Anordnung genauer aus Fig. 3 hervorgeht. Die Kolbenstangen 29 und 30 sind durch Gelenke21 und 32 mit den Nasen 23 und 24 verbunden. Durch einen ständig wirksamen Druck, der in Fig. 1 im Hilfszylinder 27 nach rechts gerichtet ist, wird die Nase 23 gegen den Anschlagstift 25 gezogen und dadurch die zugeordnete Zahnscheibe in ihrer einen Endstellung festgelegt, jedoch so, daß sie gegen die Kraft des Hilfszylinders 27 aus dieser Stellung herausbewegt werden kann. Es wäre ohne weiteres möglich, die Hilfszylinder 27, 28 durch vorgespannte Federn zu er-

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setzen. Pneumatische Antriebe sind im gezeichneten Beispiel nur vorgesehen, um die Umschaltung des Schrittmotors von Rechtsdrehung (gesehen von oben in Fig. 1) auf Linksdrehung oder umgekehrt zu ermöglichen„

Einen wesentlichen Bestandteil des Schrittmotors bilden vier Kniehebel, von denen je zwei einem der beiden Zahn— scheibenpaare 11, 17 "bzw. 12, 18 zugeordnet sind» Faßt man, wie es nachstehend geschieht, die Wirkungsweise nur bei derjenigen Drehung der Zahnscheiben 11 und 12 ins Auge, die in Richtung der Pfeile P erfolgt, dann können von den vier Kniehebeln, die den Scheiben 11 und 12 zugeordnet sind, je zwei außer Betracht bleiben, weil sie bei Drehrichtung P nur leer mitlaufen und erst wirksam werden, wenn die Drehrichtung umgekehrt wird. Sämtliche Kniehebel sind in Fig. dargestellt. Die für die Drehrichtung P in Betracht kommenden Kniehebel erscheinen mit größerer Deutlichkeit in Fig_o Diese beiden Kniehebel sind allgemein mit 35 und 36 bezeichnet. Die komplementären Kniehebel, die erst bei Drehung entgegengesetzt P wirksam werden, tragen die Bezeichnungen 33 und 34.

Jeder Kniehebel ist um einen von vier Zapfen 37 schwenkbar, die auf den Zylinderköpfen 1 und 2 sitzen. Jeder Zapfen 37 bildet also einen festen Hebeldrehpunkt, um den der innere Schenkel 38 des zugeordneten Kniehebels geschwenkt werden kann. Mittels eines Zwischenzapfens 39 ist. am inneren Schenkel 38 ein äußerer Schenkel 40 angelenkt. Je zwei Schenkel 38 und 40 sind durch eine Zugfeder 41 miteinander verbunden, die "bestrebt ist, den Kniehebel zu entspreizen»

Mit den Naben 42 der beiden Schenkel 38 und 40 liegt jeder Kniehebel unter der Wirkung seiner Zugfeder 41 an einer Stirnfläche 43 an, die an der ihm zugeordneten Zahnscheibe (z.B. 11) ausgebildet ist. Das äußere Ende jedes Schenkels 40 des Kniehebels, das für den Kniehebel 35 mit 44 bezeich-

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net ist, bildet einen Schubfinger, dessen Wirkungsweise aus der folgenden Erläuterung hervorgehen wird. Für alles weitere ist wesentlich, daß die Einger 44 gegen die Hauptachse des Motors radial versetzt liegen, so daß sie auf die Scheiben 17 und 18 mit Drehmomenten wirken können, welche diese Scheiben um bestimmte Winkel· weiterschalten·

Im Betriebe laufen natürlich die diskreten Stellungen, wel- ' ehe die Getriebeteile zueinander einnehmen können, nahezu pausenlos hintereinander ab. Zur Erläuterung ist es gleichwohl notwendig, von einer bestimmten Betriebsphase auszugehen und danach die .weiteren Phasen getrennt voneinander zu betrachten. Dazu diene insbesondere .das Schema nach Fig. 4.

In der ins Auge gefaßten. Ausgangsphase stehen¹die.Verzahnungen 16, 20 der Zahnscheiben 12 und 18 vollständig in Eingriff (Fig. 1 und 2). Die Verzahnungen 15 und 19 sind dagegen in Fig. 1 und 2 vollständig außer Eingriff, so daß die Zahnscheiben 11 und 17 durch ihre Verzahnungen ungehindert relativ zueinander drehbar sind. Dieser Zustand besteht, wenn der Kolben^V5 seine obere Endstellung einnimmt, die Kammer 7 also unter Druck steht, während die Kammer 6 drucklos ist.

Für das weitere ist es von wesentlicher Bedeutung, daß die Zähne der Verzahnungen 15 und 19 in der soeben betrachteten Stellung keinesfalls genau einander gegenüberstehen,, Es kommt somit für die Funktion des Motors entscheidend darauf an, daß bei.einer Annäherung der Scheiben 11 und 17 nicht etwa die beiderseitigen Zahnköpfe aufeinanderstoßen, sondern die beiderseitigen Zahnflanken. Hat dies stattgefunden, dann setzt die Wirkung der Stirnfläche 43 der sich abwärts bewegenden Zahnscheibe 11 ein und spreizt damit über die»Stirnfläche 43 und den Zwischehzapfen 39 den Kriiehebel-35 entgegen der Wirkung der Feder 41, so daß sein Finger 44 auf den Anschlag 23 trifft und damit die Zahnscheibe 17 um den nun noch'nötigen Betrag dreht. Auf zweifache Weise wird damit

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die Scheibe 11 um einen Winkel weitergedreht, nämlich zuerst durch die Zahnflanken 15, 19 und sodann durch den Kniehebel 35.

In der als Ausgangsphase gewählten Stellung nach Fig. 1 hat der Kolben des Hilfszylinders 27 über das Gelenk 31 die Nase 23 der Zahnscheibe 17 gegen den Anschlagstift 25 gezogen. Dem entsprechen die Stellungen der Verzahnungen 15 und 19 in der relativen Lage, die in Fig. 4 mit Phase A bezeichnet ist. Je zwei einander gegenüberstehende Zahnköpfe sind in Phase A um ein Maß χ gegeneinander versetzt, das geringer ist als die halbe Zahnteilung t/2. Dabei steht die Zylinderkammer 7 unter Druck«, Wird nunmehr die Kammer 7 drucklos gemacht und die Kammer 6 unter Druck gesetzt, so bewegt der Kolben 5 mittels der Zugstange 10 - gesehen in Fig. 1 und 2 - die Zahnscheiben 11 und 12 abwärts. Dabei geht die Zahnscheibe 11 in die Phase B über, während die Zahnscheibe 17 noch in Ruhe bleibt. Zugleich beginnen die Verzahnungen 16 und 20 der beiden unteren Zahnscheiben 12 und 18 sich zu trennen. In Phase B hat je eine Flanke eines Zahnes der Verzahnung 15 die ihr gegenüberstehende Flanke eines Zahnes der Verzahnung 19 erreicht und damit gerade berührt. Die Zahnscheibe 17 befindet sich noch in ihrer Ausgangsstellung. Dies gilt auch für die nun folgende Phase C, die eine Zwischenphase darstellt. Beim Übergang von B nach C hat jedoch die Zahnscheibe 11 bereits eine Drehung erfahren, weil die Verzahnungen im Begriff sind, ineinanderzugreifen und die Flanken aneinandergleiten. Die Drehung der Zahnscheibe 11 entspricht aber noch nicht der verlangten vollen Drehung um die halbe Zahnteilung t/2. Diese Drehung wird erst beim Erreichen der Endphase D erreicht, und zwar dadurch, daß die Stirnfläche 43 der Scheibe 11 auf den Kniehebel 35 drückt und ihn entgegen seiner Feder 41 weiter spreizt. Dabei trifft der Schubfinger 44 am Ende des äußeren Kniehebelschenkels 40 auf die Nase 23 der Zahnscheibe 17 und dreht dadurch diese Scheibe unter Mitnahme der Scheibe 11 um das Maß χ wei-

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ter in die mit Phase D .bezeichnete Stellung. Die beiden Verzahnungen stehen jetzt voll miteinander in Eingriff.

Mittlerweile haben sich die beiden Verzahnungen 16, 20 der Scheiben 12, 18 vollständig getrennt, so daß der Kolben des HilfsZylinders 28. die Nase 24 um die Strecke χ bewegen und gegen den Anschlagstift 26 ziehen und damit die Zahnscheibe 18 in eine Stellung drehen kann, die derjenigen Stellung entspricht, von der bei Betrachtung der Scheiben 11 und 17 ausgegangen worden war.

Beim nächsten Schritt wird der Kolben 5 wieder durch Druck in der Kammer 7 in die Stellung nach Fig. 2 gebracht und damit der Zustand der Phase A wieder hergestellt.

Im Schema nach Fig. 4 sind die Abmessungen willkürlich gewählt. Insbesondere ist zwecks größerer Deutlichkeit das Maß χ größer gezeichnet, als der Praxis im allgemeinen entsprechen wird. .

Der wesentliche Vorteil.der rein mechanischen Umwandlung der auf den Motor gegebenen Pulse besteht darin, daß man es nahezu beliebig in der Hand hat, die an den Verzahnungen 15 und 16 angreifenden Umfangskräfte heraufzusetzen, nämlich durch geeignete Wahl des Flankenwinkels oder Vergrößerung der Zahnscheibendurchmesser. Das gleiche gilt von der Kraft, mit welcher der jeweils wirksame Kniehebel an der ihm zugeordneten Nase (z.B. 23) der diese Nase tragenden Zahnscheibe angreift. Denn diese Kraft hängt vom Spreizwinkel des Kniehebels ab, in dessen Wahl man nahezu völlig frei ist.

Die für das gezeichnete Beispiel gewählte pneumatische Betätigung der Zugstange 10 kann naturgemäß leicht durch eine hydraulische Betätigung ersetzt werden. Ausführbar ist aber auch eine elektromagnetische Betätigung, etwa in der Form eines feststehend angeordneten kräftigen Solenoids mit

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einem Eisenkern, der darin beweglich ist und die Kolbenstange 10 ersetzt.

Jedes der Getriebe, die die Drehung der Zahnscheibe 17 bzw. 18 bis auf einen Drehwinkel vollendet, der einer halben Zahnteilung entspricht, bestehen im gezeichneten Beispiel aus Kniehebelnο Stattdessen können mit gleicher Wirkung auch in Achsrichtung der Zugstange bewegliche, unter der Wirkung einer nachgiebigen Kraft stehende Keile verwendet werden, die ebenso wie die Finger der Kniehebel zu gegebener Zeit an der zugeordneten Nase angreifen.

Es wurde oben erwähnt, daß die Hilfszylinder 27» 28 den Vorzug gegenüber sonst in gleicher Weise wirkenden Federn haben, weil sie es auf einfache Weise ermöglichen, die Drehrichtung des Motors umzukehren. Denn dazu genügt es, die Richtung, in der die Kolben der Hilfszylinder beaufschlagt werden, zu wechseln.

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Claims (3)

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   Firma Gebr. Lennartz, 5630 Remscheid,Freiheitstraße 181

   Patentansprüche;

   Schrittmotor zum Weiterschalten eines von ihm angetriebenen Gegenstandes nach Maßgabe der Anzahl von auf ihn zeitlich hintereinander gegebenen Pulsen, g e k e η η ζ ei c h η e t d u r c h zwei Paare von Zahnscheiben (11, 17; 12, 18) mit einander gegenüberstehenden Stirnverzahnungen (Hirth-Verzahnungen), vondenen je eine Scheibe (11, 12) fest mit einer durch einen hin und hergehenden Antrieb axial bewegten verschiebbaren und drehbaren sowie mit dem anzutreibenden Gegenstand gekuppelten Zugstange (10) gekuppelt ist, während die dieser Scheibe gegenüberliegende Scheibe (17, 1Ö) durch einen Anschlag begrenzt und lediglich drehbar gelagert ist; daß die axial verschiebbaren Scheiben (11, 12) axial so weit gegeneinander versetzt sind, daß bei vollem Zahneingriff zwischen den Scheiben eines Paares (z.B. 12, 18) die Verzahnungen des anderen Paares (z.B. 11, 17) mit um weniger als eine halbe Zahnteilung (t/2) gegeneinander versetzten Zahnköpfen außer Eingriff stehen, wobei die beiden Verzahnurigspaäre (15, 19; 1.6, 20) in keinem Augenblick gleichzeitig vollständig außer Eingriff sind; und daß ein Getriebe vorgesehen ist, da^i eine Verschiebung der Zugstange (10) in eine Drehung der jeweils lediglich drehbaren Scheibe (17, 18) um weniger als eine halbe Zahnteilung (t/2) bewirkt.
2. 2. Schrittmotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η-zeichnet, ,, daß der Antrieb hydraulisch oder pneumatisch und die Zugstange (10) eine Kolbenstange ist,
3. 3. Schrittmotor nach Anspruch 1 oder 2, da d u r c h g e kennzeichnet , daß jedes Getriebe aus einem Kniehebel (33, 34; 35, 36) besteht, den eine Feder (41) in

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   der entspreizten Stellung zu halten sucht und dessen äußerer Arm immer dann an der ihm zugeordneten Zahnscheibe (17j 18) drehend angreift, wenn zwischen den Verzahnungen (15, 19) dieser Zahnscheibe (17, 18) und der ihr gegenüberliegenden Zahnscheibe (11, 12) bereits teilweise ein Eingriff besteht ο

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   L e e r s e i t e