DE2910373A1

DE2910373A1 - Antriebsvorrichtung zum spielfreien umwandeln einer drehbewegung in eine linearbewegung

Info

Publication number: DE2910373A1
Application number: DE19792910373
Authority: DE
Inventors: Max Kuespert
Original assignee: Hamuel Werkzeugfabrik Th Kirschbaum KG
Current assignee: Hamuel Werkzeugfabrik Th Kirschbaum KG
Priority date: 1979-03-16
Filing date: 1979-03-16
Publication date: 1980-09-25
Also published as: DE2910373C2

Description

Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung
in eine Linearbewegung Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mit Hilfe eines Zahnriemens und eines mit diesem in Eingriff stehenden Antriebszahnrades. Eine solche Antriebsvorrichtung ist insbesondere für die schnelle und repetierbare Verstellung von Werkzeugen oder Werkstücktischen geeignet.
An die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von Meß- und Werkzeugmaschinen, bei denen Schlitten, Supporte, Werkzeuge oder Werkstücktische Linearbewegungen und bei Maschinen mit Kreuzschlitten gleichzeitig Bewegungen in Richtung der beiden Koordinaten ausführen müssen, sollen die linearen Bewegungen nicht nur schnell, d.h. mit großen Beschleunigungs- und Verzögerungswerten, sondern auch mit höchster Genauigkeit ausgeführt werden, um die gewünschten Fertigungstoleranzen einhalten zu können. Schließlich soll die Bewegung dieser Maschinenteile schlupffrei, spielfrei, schwingungsfrei und bei der Massenfertigung unter reproduzierbaren Verhältnissen mit Hilfe von numerischen Steuerungen möglich sein. Hieraus ergeben sich in der Praxis wegen der hohen Beanspruchung der Bauteile für den linearen Antrieb unerwünschte Verschleißerscheinungen, die auf die Dauer Ungenauigkeiten und Streuungen bei der numerischen Einstellung der Schlitten oder Werkzeuge zur Folge haben.
Die bekannten und üblicherweise zur Ausübung von linearen Verstellbewegungen verwendeten Antriebssysteme, die zum Beispiel aus Gewindespindeln, Kugelspindeln, Zahnstangen, hydraulischen oder pneumatischen Kolben oder Zahnriemen bestehen können, finden wegen der ihnen eigenen Eigenschaften alle ihre Anwendung, und zwar verständlicher Weise immer dort, wo sich auf Grund der Anforderungen ihre günstigen Eigenschaften besonders vorteilhaft auswirken. Wenn es nun aber darum geht, einen Linearantrieb zu schaffen, bei dem alle Bedingiungen möglichst in einem hohen Maße erfüllt werden, etwa bei einem großen Verstellweg bei großer Versteligeschwindigkeit (etwa 1,o m/s) eine spielfreie, schwingungsfreie und genaue Einstellung zu erzielen, und zwar in ständig repetierbaren Abläufen, so scheiden praktisch alle bekannten Antriebssysteme trotz ihrer spezifischen Vorteile aus, weil ihr Einsatz unter den beschriebenen Voraussetzungen ihre Nachteile derart anwachsen ließe, daß ein solcher Linearantrieb zur optimalen Lösung der Aufgaben von vornherein zum Scheitern verurteilt wäre.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung zu schaffen, mit der z.B. Werkzeuge,~Schlitten, Spanntische oder andere Werkstückträger über große bis größte Längen spiel frei, schlupffrei, mit niedrigem Massenträgheitsmoment und schwingungsfrei mit großer Einstellgenauigkeit linear bewegt werden können.
Die Erfindung geht von einem für Linearantriebe bereits verwendeten Kunststoffzahnriemen mit eingebetteter Stahldrahtseele oder Glasfaserzugstrang aus, der mit einem motorgetriebenen Zahnrad zusammenwirkt. Derartige Kunststoffzahnriemen können hinsichtlich der Zahnform und Zahnteilung auf kleine Längen bezogen mit einer großen Genauigkeit hergestellt werde, sie sind genügend flexibel, verschleißfest und geräuscharm und haben einen günstigen Wirkungsgrad. Sie werden auch in großen Einzellängen hergestellt. Trotz der eingelegten Stahldrahtseele sind sie jedoch für lineare Antriebe mit großen Hublängen ungeeignet, weil ihre elastische Dehnung bei großer Belastung zu groß ist.
Die Erfindung löst die oben umschriebene Aufgabe unter Vermeidung der genannten Nachteile bei einer Antriebsvorrichtung der eingangs genannten Gattung mit den im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Mitteln und Maßnahmen. Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Dabei sind der Übersichtlichkeit wegen in den Figuren Teile mit gleicher Funktion mit denselben Bezugszahlen versehen.
Figur 1 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung die Funktion des erfindungsgemäßen Linearantriebs; Figur 2 zeigt in verkleinertem Maßstab in der Seitenansicht die verschiedenen Belastungszonen des ZahnrieXens; Figur 3 zeigt den Linearantrieb in stationärer Anordnung mit linear beweglicher Zahnstange; Figur 4 zeigt einen Linearantrieb mit endlosem Zahnriemen.
Gemäß Figur 1 ist die Antriebsvorrichtung als Trägerschlitten oder Support 1 für die Aufnahme von Werkzeugen oder Werkstücken ausgebildet, durch den ein Zahnriemen 2 aus Kunststoff mit eingebetteter Stahldrahtseele oder Glasfaserzugstrang um ein Antriebszahnrad 3 geführt ist. Das Zahnrad 3 kann von einem Servomotor oder einem Schrittmotor angetrieben werden, insbesondere von einem solchen Antriebssystem, das gleichzeitig als Stellungsgeber für eine numerische Steuerung dienen kann. Während bei den bekannten Linearantrieben mit Zahnriemen dieser mit seinen beiden Enden fest eingespannt ist und durch die ständig verändernde Länge der wechselnden Antriebskräfte verschiedenen Dehnungskräften unterworfen ist, arbeitet erfindungsgemäß der Zahnriemen mit einer starren Zahnstange 4 zusammen, deren Genauigkeit und Starrheit beliebig weit getrieben werden kann Zv beiden Seiten des Zahnrades 3 sind Bogen führungen 5 angeordnet, deren Krümmungsradius etwa drei Mal so groß ist wie der Krümmungsradius des Zahnriemens 2 am Antriebszahnrad 3. Während also der Zahnriemen 2 über die gesamte Länge der Zahnstange 4 auf dieser Aufliegt und ihre Zähne ineinander greifen, wird der Zahnriemen im Bereich des Antriebszahnrades 3 aus der Zahn stange ausgehoben und längs der Bogen führungen 5 um das Antriebszahnrad 3 gelenkt. Um einen spielfeien Eingriff des Zahnriemens 2 in die Zahstange 4 einerseits und in das Antriebszahnrad 3 andererseits zu erreichen, werden diese Teile gegeneinander verspannt, wie durch die Pfeile 6 und 7 angedeutet ist. Demnach kann eine Verspannung durch Höhenverstellung der Achse des Antriebszahnrades 3 in Richtung des Pfeiles 6 und/oder durch horizcntale Verstellung der Bogen führungen 5 in Richtung der Pfeile 7 erreicht werden. Die Konstruktion ist so dimensioniert, daß der Zahnriemen 2 am Antriebszahnrad 3 und am waagerecht verlaufenden Auslaufende der Bogenführungen 5 mit mindestens 6 Zähnen im formschlüssigen Eingriff sind bzw. kämmen. Die Zahnstange 4 kann beispielsweise aus mehreren gefrästen Stahlstangen-Stücken zusammengesetzt sein. Vorteilhafter Weise wird aber als Zahnstange das gleiche Material wie für den Zahnriemen verwendet, wie bei 4a angegeben, und mit einer einfachen Trägerschiene fest verbunden, vorzugsweise verklebt. Aus der schematischen Darstellung der Erfindung gemäß Figur 1 ist leicht zu erkennen, daß die Länge des Verstellweges, d.h. die Länge der Zahnstange 4 oder die Länge des Zahnriemens 2 ohne Einfluß auf die Einstellgenauigkeit des Antriebs ist. Denn der Zahnriemen 2 ist in jeder Stellung des Supportes 1 und in jeder Bewegungsphase immer nur in demselben Ausmaße und über dieselbe Länge belastet, die sich aus der Strecke des aus der Zahnstange 4 ausgehobenen Abschnittes des Zahnriemens 2 ergibt. Etwa sechs Zähne des Zahnriemens 2 stehen unter dem waagerecht verlaufenden Abschnitt der Bogenführungen 5 durch senkrechten Druck in fester formschlüssiger Verbindung mit dem darunter liegenden Abschnitt bzw. den Zähnen der Zahnstange 4.
Die übrigen, sich rechts und links davon fortsetzenden Abschnitte des Zahnriemens 2 liegen nur lose in der Verzahnung der Zahnstange 4 und stehen nicht unter Belastung, so daß in diesen Bereichen auch keine Dehnung des Zahnriemens eintreten kann und infolgedessen ein längenabhängiger Einfluß auf die Einstellgenauigkeit des Linearantriebs eliminiert ist. Die bogenförmigen Gleitflächen der Führungen 5 können porig ausgeführt sein oder poröse Flächenteile aufweisen, durch die Druckluft zugeführt wird, so daß der Rücken des Zahnriemens 2 an einem Luftpolster der Bogen führungen gleitet. Anstelle der festen Bogen führungen können aber auch leicht laufende Umlenkräder mit einem entsprechend großen Radius eingesetzt werden, dte vorzugsweise aus Kunststoff oder Aluminium bestehen, um die zu beschleunigenden Massen möglichst gering zu halten.
Gemäß Figur 2 sind die verschiedenen Belastungszonen des Zahnriemens 2 grafisch hervorgehoben. In dem Abschnitt A ist der Zahnriemen 2 mit dem Antriebszahnrad 3 im Eingriff; in den Abschnitten B ist der Zahnriemen mit der Zahnstange im Eingriff; itl den Abschnitten C wird der Zahnriemen an der Bogen führung 5 durch ein Luftpolster geführt. Bei Drehung des Antriebszahnrades 3 bewegt sich dessen Achse und damit der Support 1 in waagerechter Richtung parallel zu der Zahnstange 4.
Gemäß Figur 3 ist die Antriebsvorrichtung auf den Kopf gestellt angeordnet, wobei der Support 1 ortsfest auf einem Fundament 8 befestigt ist, während die Zahnstange 4 nach rechts oder links in Richtung der Pfeile linear beweglich ist. Mit der Zahnstange 4 kann beispielsweise ein Werkzeugträger oder ein Spanntisch 9 fest verbunden sein.
Gemäß Figur 4 ist der Zahriemen als endlose Schleife 2a ausgebildet.
Dabei ist der unbelastete, also passive Abschnitt des Zahnriemens um die Bogen führungen 5 nach oben gelenkt und wird über dem Antriebszahnrad 3 - Rücken an Rücken zugekehrt - zurückgeführt. Die Vorspannungs- und Eingriffsverhältnisse des endlosen Zahnriemens 2a sind die gleichen wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen. Bei stets gleicher Länge des endlosen Zahnriemens 2a kann die Zahnstange und damit der Verstellweg des Linearantriebes beliebig lang gewählt werden, ohne daß die Stellung oder die Verstellgeschwindigkeit der Antriebsvorrichtung einen Einfluß auf die Einstellgenauigkeit ausüben könnte. Auch in der Ausfúhrungsform nach Figur 4 kann ein Spanntisch oder ein Werkzeugträger 9 mit Hife von Befestigungslaschen 10 mit der Antriebsvorrichtung 1 verbunden sein.

Claims

Ansprtiche: (1. Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mit Hilfe eines Zahnriemens und eines mit diesem in Eingriff stehenden Antriebszahnrades, insbesondere für die schnelle und repetierbare Verstellung von Werkzeugen oder Werkstücktischen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Verstellrichtung verlaufende, an sich bekannte Zahnstange (4) vorgesehen ist, mit der der Zahnriemen (2) zu beiden Seiten des Antriebszahnrades (3) ständig in Eingriff ist, wobei der Zahnriemen (2) mit Hilfe von beiderseits des Antriebszahnrades (3) angeordneten und auf seine Rückseite einwirkenden Bogenführungen (5) derart aus der Zahnstange (4) ausgehoben und um das Antriebszahnrad (3) gelenkt ist, daß in jeder Stellung und Bewegungsphase der relutiv zueinander linear bewegbaren Teile stets nur e.n definierter Abschnitt (A + 2C) des Zahnriemens (2) von derselben Größe außer Eingriff mit der Zahnstange (4) ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Antriebszahnrades (3) und/oder die Bogen führungen (5) zum Eliminieren des Zahnflankenspieles verstellbar sind.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen (2) aus Kunststoff mit eingebetteter Stahldrahtseele bzw. eingebettetem Glasfaserzugstrang besteht.
4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahn stange (4a) wie der Zahnriemen (2) aufgebaut und mit einer metallischen Trögerschiene fest verbunden ist.
5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie ortsfest gelagert und die linear bewegbare Zahnstange (4) mit dem Werkzeug bzw. dem Werkstücktisch (9) verbunden ist (Fig. 3).
6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zahnriemen (2) über die gesamte Länge der Zahn stange (4) erstreckt und die Verzahnungen ineinander liegen.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen als endlose Schleife (2a) ausgebildet ist, wobei der passive Abschnitt gegenüber dem mit dem Antriebsrad (3) in Eingriff stehenden aktiven Abschnitt über diesem - Rücken zu Rücken - zurückgeführt ist.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Bereiche (A, B) des Zahnriemens (2) über eine Lönge von jeweils mindestens sechs Zähnen mit den verzahnten Gegenstücken in Eingriff sind.
9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius des Zahnriemens (2) an den Führungen (5) mindestens drei Mal größer ist als an dem Antriebsrad (3).
10. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Führungen (5) und dem Zahnriemen (2) Luftpolster gebildet sind, die den Luftzustrom durch Poren oder poröse Flächen erhalten, die an den Gleitflächen (bei C) ausgebildet sind.
11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen von spezifisch leichten Umlenkrädern gebildet sind.