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Antriebseinheit
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit
mit zwei ineinandergreifenden zylindrischen Teilen, welche mittels wenigstens einer
Antriebsvorrichtung relativ zueinander rotatorisch und translatorisch bewegbar sind.
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Bekannte Antriebseinheiten dieser Art, welche in Industrie-Manipulatoren
Verwendung finden, werden hydraulisch angetrieben und sind deshalb verhältnismäßig
aufwendig. Ferner ist es bei diesen Antriebseinheiten wegen der unvermeidbaren Reibung
in der Regel nicht möglich, Bewegungen völlig ruckfrei auszuführen. Ein weiterer
Nachteil ist der relativ große Aufwand für eine feinfühlige Steuerung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zumindest hinsichtlich
des erforderlichen Aufwandes verbesserte Antriebseinheit zu schaffen. Diese Aufgabe
ist erfindungsgemäß bei einer Antriebseinheit der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, daß die beiden zylindrischen Teile mittels wenigstens eines Lagers aufeinander
abgestützt sowie durch wenigstens zwei Elektromotoren, von denen der eine ein Rotationsmotor
und der andere ein linearer Motor ist, miteinander gekuppelt sind.
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Der mechanische Aufbau einer solchen Antriebseinheit ist äußerst einfach,
da sowohl der Rotationsmotor als auch der Linearmotor unmittelbar an den beiden
relativ zueinander zu bewegenden Teilen angreifen können. Werden die Motoren als
Induktionsmotoren ausgeführt, dann ist der Aufbau der Antriebseinheit auch insoweit
äußerst einfach. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß sowohl die Rotationsbewegung
als auch die Translationsbewegung mit Hilfe der beiden,der einen bzw. der anderen
Bewegung zugeordneten Elektromotoren mit verhältnismäßig geringem Aufwand sehr feinfühlig
gesteuert werden können. Ferner wird die Einsatzmöglichkeit wegen der einfachen
Energiezufuhr und Steuerbefehlsübertragung erheblich verbessert.
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In vielen Fällen werden die beiden zylindrischen Teile genügen, um
mit dem einen der beiden Teile die erforderlichen Bewegungen auszuführen. Es kann
aber auch in den innenliegenden, zweiten Teil der beiden zylindrischen Teile ein
dritter zylindrischer Teil eingreifen, der drehfest und axial unverschiebbar mit
dem außenliegenden, ersten Teil verbunden ist. Eine derartige Ausbildung kann beispielsweise
bei einer horizontalen Lage der Längsachse der Antriebseinheit von Vorteil sein.
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Im Hinblick auf eine raumsparende, dennoch aber gute Lagerung der
relativ zueinander bewegbaren zylindrischen Teile ist es vorteilhaft, daß zumindest
zwei in axialem Abstand voneinander angeordnete Lager im Zwischenraum zwischen den
zylindrischen Teilen angeordnet sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lager als Luftlager
ausgebildet, da mit Luftlagern eine so weitgehende Reibungsfreiheit erzielt werden
kann, daß völlig ruckfreie Bewegungen ausgeführt werden können.
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Sind drei ineinandergreifende zylindrische Teile vorgesehen, dann
ist es vorteilhaft, daß zwischen dem zweiten und dritten zylindrischen Teil an denjenigen
Stellen, an denen zwischen dem ersten und zweiten zylindrischen Teil ein Luftlager
angeordnet ist, ebenfalls ein Luftlager vorgesehen ist und daß die Luftaustrittsöffnungen
der Luftlager auf der dem zweiten zylindrischen Teil zugekehrten Seite liegen. Hierdurch
erhält man eine Lagerung für den zweiten zylindrischen Teil, die eine Einhaltung
besonders geringer Toleranzen ermöglicht. Eine solche Lagerung ist in Verbindung
mit der Verwendung von Luftlagern auch dann besonders vorteilhaft, wenn der zweite
zylindrische Teil radial aufweitbar ausgebildet ist und bei fehlender Luftzufuhr
an den zwischen ihm und dem dritten zylindrischen Teil vorgesehenen Luftlagern anliegt.
Wenn die Luftzufuhr beispielsweise wegen eines Netzausfalls unterbrochen wird, werden
hierdurch die
relativ zueinander bewegbaren zylindrischen Teile
kraftschlüssig miteinander verbunden, so da in der Regel auf eine zusätzliche Notbremse
verzichtet werden kann Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das die Erregerwicklung
tragende Feldpaket sowohl des Rotationsmotors als auch des Linearmotors zwischen
dem ersten und dem zweiten zylindrischen Teil angeordnet. Dies ergibt einen besonders
einfachen und raumsparen--den Aufbau der Antriebseinheit. Aus dem gleichen Grunde
werden vorteilhafterweise beide Motoren als Induktionsmotoren ausgebildet. Das Feldpaket
beider Motoren kann dabei fest mit dem ersten zylindrischen Teil verbunden sein.
Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite zylindrische Teil den induzierten
Teil beider Motoren bildet. Dabei kann der zweite zylindrische Teil aus nichtmagnetischem,
elektrisch leitendem Werkstoff be stehen. In diesem Falle wird zwischen dem zweiten
und dritten zylindrischen Teil für jeden Motor ein magnetischer Rückschluß vorgesehen.
Der zweite zylindrische Teil kann aber auch aus einem magnetisierbaren tqerkstoff,
beispielsweise Weicheisen, bestehen.
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Die erfindungsgemäße Antriebseinheit kann nicht nur einzeln, sondern
auch zusammen mit einer zweiten oder mehreren Antriebseinheiten eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist daher der erste zylindrische Teil der
Antriebseinheit mechanisch fest mit dem ersten zylindrischen Teil wenigstens einer
zweiten Antriebseinheit verbunden, wobei die Längsachsen der beiden ersten zylindrischen
Teile im Winkel zueinanderliegen. Durch eine solche Kombination können in der Regel
alle Bewegungen, welche ein Manipulator ausführen muß, verwirklicht werden.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand verschiedener, in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Fig.
1 eine teilweise in Längsrichtung geschnitten dargestellte Ansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels; Fig. 2 eine teilweise in Längsrichtung geschnitten dargestellte
Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels; Fig. 3 eine Ansicht eines aus den beiden
Ausführungsbeispielen aufgebauten Manipulators.
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Eine als Ganzes mit 1 bezeichnete Antriebseinheit weist einen ersten
zylindrischen Teil 2 in Form eines Rohres mit kreisförmigem Querschnitt auf. Dieser
Teil 2 besteht im Ausführungsbeispiel aus Stahl, könnte aber auch aus einem anderen
Werkstoff bestehen, da er nur mechanische Kräfte aufzunehmen hat. Der erste zylindrische
Teil 2 umgibt konzentrisch einen im Durchmesser kleizweiten neren, #ylindrischen
Teil 3, der ebenfalls als Rohr ausgebildet ist, aber aus Weicheisen besteht. Die
Wandstärke des zweiten Teiles 3 wird entsprechend den mechanischen und magnetischen
Anforderungen gewählt, die er zu erfüllen hat. Seine Länge istEabhängia von dem
maximalen Weg, um den der erste zylindrische Teil 2 in axialer Richtung verschiebbar
sein soll. Am einen Ende des zweiten zylindrischen Teiles 3 ist ein plattenförmiger
Fuß 4 vorgesehen, mittels dessen die Antriebseinheit 1 in der vorgesehenen Lage
im Ausführungsbeispiel einer Lage mit vertikaler Länysachse, gehalten wird, wozu
der Fuß 4 mit der ihn tragenden Fläche 5 fest verbunden werden kann.
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Zwischen dem ersten zylindrischen Teil 2 und dem zweiten zylindrischen
Teil 3 ist, im Ausführungsbeispiel in der oberen Hälfte des Ringraumes, das eine
Erregerwicklung 6 tragende Feldpaket 7 eines Drehstrommotors angeordnet. Das in
der für Statoren mit zylindrischem Rotor üblichen Weise ausgebildete Feldpaket 7
ist drehfest und axial unverschiebbar mit dem ersten zylindrischen Teil 2 verbunden
und liegt im Ausführungsbeispiel an diesem mit seinem Rücken an. Der Bohrungsdurchmesser
des Feldpaketes 7 ist
um den zur Bildung des Luftspaltes gegenüber
dem den Rotor bildenden zweiten zylindrischen Teil 3 notwendigen Betrag größer als
dessen Außendurchmesser.
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In axialem Abstand von dem durch das Feldpaket 7 mit der Erregerwicklung
6 und dem zweiten zylindrischen Teil 3 gebildeten Rotationsmotor ist ein Linearmotor
vorgesehen, dessen die Erregerwicklung 8 tragendes Feldpaket 9 wie das Feldpaket
7 zwischen dem zweiten zylindrischen Teil 3 und dem ersten zylindrischen Teil 2
angeordnet und mit letzterem drehfest und axial unverschiebbar verbunden ist, wozu
das Feldpaket 9 mit entsprechend engem Sitz ersten an der Innenwandung des/zylindrischen
Teils 2 anliegt. Der zweite zylindrische Teil 3, zwischen dem und dem Feldpaket
9 der erforderliche Luftspalt vorhanden ist, bildet auch für den Linearmotor den
induzierten Teil.
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Mit Hilfe von Luftlagern 10, von denen im Ausführungsbeispiel je eines
zwischen den Feldpaketen 7 und 9 sowie im Bereich beider Enden des ersten zylindrischen
Teils 2 angeordnet ist, sind dieser und der zweite zylindrische Teil 3 relativ zueinander
drehbar und axial verschiebbar aufeinander gelagert. Der Ringspalt, in dem sich
die tragende Luftschicht ausbildet, ist im Ausführungsbeispiel zwischen den Lagerkörpern
und dem zweiten zylindrischen Teil 3 vorgesehen, weshalb auch zu letzterem hin die
Luftaustrittsöffnungen 11 weisen. Die Luftlager 10 ergeben eine äußerst geringe
Lagerreibung.
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Je eine ringförmige Platte 12 verschließt an beiden Enden des ersten
zylindrischen Teiles 2 den Ringraum zwischen diesem und dem zweiten zylindrischen
Teil 3. Wie Fig. 3 zeigt, ist die axiale Länge des zweiten zylindrischen Teils 2
nur wenig größer als die Summe aus den axialen Abmessungen der Luftlager 10 und
den Feldpaketen einschließlich der Erregerwicklung des Rotationsmotors und des Linearmotors.
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Mit Hilfe des Rotationsmotors kann der erste zylindrische Teil 2 um
einen beliebigen Winkel in der einen oder anderen Drehrichtung gegenüber dem zweiten
zylindrischen Teil 3 gedreht werden, falls dieser feststehend angeordnet ist. Selbstverständlich
wäre es auch möglich, den ersten zylindrischen Teil 2 festzuhalten und den zweiten
zylindrischen Teil 3 zu drehen. Unabhängig vom Rotationsmotor kann mit Hilfe des
Linearmotors der erste zylindrische Teil 2 in der einen oder anderen axialen Richtung
um jede beliebige tFegstrecks bewegt werden. Außerdem kann die Erregung des Linearmotors
so eingestellt werden, daß er den ersten zylindrischen Teil 2 in der gewünschten
Position, bei einer vertikalen Lage der Längsachse also in der gewünschten Höhenlage,
hält. Sowohl die mit Hilfe des Rotationsmotors erzeugte Bewegung als auch die Linearbewegung
läßt sich wegen der geringen Reibung in den Luftlagern 10 ruckfrei ausführen. Der
maximale axiale Verschiebeweg hängt von der gewählten Länge des zweiten zylindrischen
Teiles 3 ab.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist prinzipiell in
der gleichen Weise aufgebaut wie dasjenige gemäß Fig. 1. Ein in Form eines Rohres
ausgebildeter erster zylindrischer Teil 102 umgibt konzentrisch und im Abstand einen
ebenfalls als Rohr ausgebildeten zweiten zylindrischen Teil 103, dessen Länge entsprechend
dem erforderlichen maximalen Verschiebeweg gewählt ist. In Obereinstimmung mit dem
ersten Ausführungsbeispiel sind ferner zwischen dem zweiten zylindrischen Teil 103
und dem ersten zylindrischen Teil 102 das eine Erregerwicklung 106 tragende Feldnaket
107 eines Drehstrom-Rotationsmotors und in axialem Abstand von diesem Feldpaket
das eine Erregerwicklung 108 tragende Feldpaket 109 eines Linearmotors angeordnet.
Beide Motoren sind in üblicher Weise ausgebildet. Zwischen den beiden Feldpaketen
107 und 108, welche je drehfest und axial unverschiebbar mit dem ersten zylindrischen
Teil 102 verbunden sind, ist ein Luftlager 110 angeordnet. Gleich ausgebildete Luftlager
110 sind nahe den beiden Enden des ersten zylindrischen Teils 102 vorgesehen, an
welchen je eine ringförmige Platte 112 anliegt, welche den Ringraum abschließt.
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Abweichend von dem ersten Ausführungsbeispiel ist der zweite zylindrische
Teil 103 verhältnismcißig dünnwandig ausgebildet und aus einem elektrisch leitenden
Werkstoff, im Ausführungsbeispiel Aluminium, hergestellt. Eine solche Ausbildung
des zweiten zylindrischen Teils 103 ist vor allem dann von Vorteil, wenn dessen
Längsachse horizontal liegt.
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Im Inneren des zweiten zylindrischen Teils 103 ist ein dritter zylindrischer
Teil 113 gleichachsig zu den beiden anderen zylindrischen Teilen angeordnet, auf
welchem drehfest und axial unverschiebbar zwei magnetische Rückschlußkörper 114
und 115 sitzen, welche hinsichtlich ihrer Position und Größe auf die Feldpakete
107 bzw. 109 abgestimmt sind. Weiterhin trägt der dritte zylindrische Teil 113 drei
Luftlager 116, welche auf die Luftlager 110 ausgerichtet sind. Wie bei letzteren
ist bei den Luftlagern 116 die Luftaustrittsöffnunqdll gegen den zweiten zylindrischen
Teil 103 gerichtet. Dieser ist/sowohl innen als auch außen dreifach gelagert, so
daß sich, da auch zwischen den magnetischen Rückschlußkörpern 114 und 115 einerseits
sowie dem zweiten zylindrischen Teil 103 andererseits je ein Luftspalt befindet,
eine äußerst reibungsarme Lagerung des zweiten zylindrischen Teils 103 ergibt.
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Der dritte zylindrische Teil 113 ist mittels eines Rohres 117 fest
mit dem ersten zylindrischen Teil 102 verbunden. Zu diesem Zwecke ist das eine Ende
des Rohres 117, dessen Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des
zweiten zylindrischen Teils 103, mit der einen ringförmigen Platte 112 verbunden.
Das andere, verschlossene Ende ist fest mit dem dritten zylindrischen Teil 113 verbunden.
Die Länge des Rohres 117 ist etwas größer gewählt als der größte Über stand des
zweiten zylindrischen Teils 103 über das mit dem Rohr 117 verbundene Ende des ersten
zylindrischen Teils 102.
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Bei einer Erregung des Rotationsmotors und/oder des Linearmotors werden
im zweiten zylindrischen Teil 103 Ströme induziert, welche eine Rotationsbewegung
und/oder eine Translationsbewegung des zweiten zylindrischen Teils 103 bewirken,
falls der erste zylindrische Teil 102 festgehalten wird. Selbstverständlich wäre
es aber auch möglich, den zweiten zylindrischen Teil 103 festzuhalten.und den ersten
zylindrischen Teil 102 die Bewegung ausführen zu lassen.
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Der zweite zylindrische Teil 103 ist so dimensioniert, daß er, falls
den Luftlagern 116 keine Luft zugeführt wird, an diesen mit einer Klemmkraft anliegt,
die ausreicht, um eine ungewollte Bewegung des zweiten zylindrischen Teils 103 zu
verhindern, daß aber zwischen diesen Lagern und der Innenmantelfläche des zweiten
zylindrischen Teils 103 ein ausreichend großer Luftspalt vorhanden ist, wenn die
Luft den Lagern zugeführt wird. Durch eine solche Dimensionierung kann in vielen
Fällen eine Sicherheitsbremse entfallen.
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Wie Fig. 3 zeigt, können auch mehrere der erflndungsgemäßen Antriebseinheiten
miteinander kombiniert werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der
erste zylindrische Teil 2 der Antriebseinheit gemäß Fig. 1 mit dem ersten zylindrischen
Teil 102 der Antriebseinheit gemäß Fig. 2 fest verbunden, und zwar derart, daß die
Längsachsen beider Antriebseinheiten im rechten Winkel zueinander liegen. Bei einer
vertikalen Anordnung der Antriebseinheit 1 liegt daher die Längsachse der anderen
Antriebseinheit in einer horizontalen Ebene. Mit Hilfe der Antriebseinheit 1 kann
die andere, als Ganzes mit 101 bezeichnete Antriebseinheit in vertikaler Richtung
und um die Längsachse des zweiten zylindrischen#Teils 3 herum bewegt werden.
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Mit Hilfe der Antriebseinheit 101 kann ferner der zweite zylindrische
Teil 103, an dessen freiem Ende ein Werkzeug od.dgl.
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befestigt werden kann, in dessen Längsrichtung bewegt und um seine
Längsachse herum gedreht werden.