DE2910373C2

DE2910373C2 - Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung

Info

Publication number: DE2910373C2
Application number: DE19792910373
Authority: DE
Inventors: Max 8590 Marktredwitz Küspert
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: 1984-02-23
Also published as: DE2910373A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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, wobei mindestens eine in Verstellrichtung verlaufende ^o Zahnstange vorgesehen ist.

An die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von Meß- und Werkzeugmaschinen, bei denen Schütter, Supporte, Werkzeuge oder Werkstücktische Linearbewegungen und bei Maschinen mit Kreuzschütten gleichzeitige w Bewegungen in Richtung tier 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 ω 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 Antriebssystcne, die zum 3eisplel aus Gewindespindeln, Kugelspindeln, Zahnstangen, hydraulischen oder pneumati sehen Kolben oder Zahnriemen bestehen können, finden wegen der ihnen eigenen Eigenschaften alle ihre Anwendung, und zwar verständlicher Weise immer dort, wo sich aufgrund der Anforderungen ihre günstigen Eigenschaften besonders vorteilhaft auswirken. Wenn es nun aber darum geht, einen Linearantrieb zu schaffen, bei dem alle Bedingungen möglichst in einem hohen Maße erfüllt werden, etwa bei einem großen Verstellweg bei großer Verstellgeschwindigkeit (etwa 1,0 m/s) eine spielfreie, schwingungsfreie und genaue Einsteilung zu erzielen und zwar in ständig repetierbaren Abläufen, so scheiden praktisch alle bekannten Antriebssystems trotz ihrer spezifucnen Vorteile aus, weil ihr Einsatz unter den beschriebenen Voraussetzungen ihre Nachteile derart anv/achsen ließe, daß ein solcher Linearantrieb zur optimalen Lösung der Aufgaben von vornherein zum Scheitern verurteilt wäre.

Aus der US-PS 38 24 871 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Behälter mittels eines über Kettenzahnräder bewegten Kettentriebes ^:n eine Hin- und Herbewegung versetzt wird, um Schüttgüter relativ gleichmäßig in einem Speicher zu verteilen. Eine Präzisionsbewegung und -positionierung läßt sich mit dieser bekannten Vorrichtung nicht erzielen. Insbesondere bei einem Wechsel der Bewegungsrichtung stört das bei dieser Vorrichtung erforderliche Spiel zwischen dsn miteinander im Eingriff stehenden Elementen.

Die aus der US-PS 38 50 043 bekannte und mit einem Zahnriemen arbeitende Antriebsvorrichtung verfügt über eine gesonderte Einstelleinrichtung zur Beseitigung des Spiels des Zahnriemens. Das Spiel zwischen Zahnriemen und Zahnstange kann damit jedoch nicht beseitigt werden. Weiter ist von Nach.oif, daß je nach Länge des Zahnriemens, d.h. je nach Stellung des Schlittens, bei gleicher Krafteinwirkung unterschiedliche Längenänderungen des Zahnriemens auftreten. Damit ergeben sich Positionierungsungenauigkeiten, die bei einer NC-Werkzeugmaschine nicht toieriert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung :n eine Linearbewegung zu schaffen, mit der Werkzeugschlitten oder andere zu positionierende Elemente über große bis größte Längen spiel- und schlupffrei mit niedrigem Massenträgheitsmoment bei großer Einstellgenauigkeit linear bewegt werden körnen.

iJurch die Verwendung eines Zahnriemens in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zahnriemen, insbesondere Kunststoffzahnriemen, können hinsichtlich Zahnform und Zahnteilung mit großer Genauigkeit hergestellt werden, sind hinreichend flexibel, verschleißfest und geräuscharm und haben einen günstigen Wirkungsgrad. -Sie werden auch in großen Einzellängen hergestellt Trotz der eingelegten Stahldrahtseele sind sie jedoch normalerweise für lineare Antriebe mit großen Hublängen ungeeignet, weil ihre elastische Dehnung bei großer Belastung zu

groß ist Durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 wird dies eliminiert

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt =>

F i g. 1 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung die Funktion des erfindungsgemäßen Linearantriebs:

F i g. 2 zeigt in verfeinertem Maßstab in der Seitenansicht die verschiedenen Belastungszonen des Zahnriemens;

F i g. 3 zeigt den Linearantrieb in stationärer Anordnung mit linear beweglicher Zahnstange;

Fig.4 zeigt einen Linearantrieb mit endlosem Zahnriemen.

Gemäß Fig. i ist die Antriebs»orncht_:.₆ als Trägerschlitten oder Support 1 für die mifnaniiie von Werkzeugen oder Werkstücken ausgebildet durch den ein Zahnriemen 2 aus Kunststoff ·~·<ι eingebetteter Siahldrahtseeie oder Giasiaserzu?~:reng um ein Antriebszahnraa 3 geführt ist C ·: Zannrad 3 kann von einem Servomotor oder einem ^iirittmotor angetrieben werden, insbesondere von einem solchen Antriebssystem, das gleichzeitig als Steilungsgeber 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 der Zahnriemen hier mit einer starren Zahnstange 4 zusammen, deren Genauigkeit und Starrheit beliebig weit getrieben werden kann. Zu beiden Seiten des Zahnrades 3 sind Bogenführungen 5 angeordnet deren Krümmungsradius etwa drei Mal so groß ist wie der Krüniinüügäradius des Zahnrieinens 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 Zahnstange ausgehoben and längs der Bogenführungen

5 um das Antriebszahnrad 3 gelenkt Um einen spielfreien Eingriff des Zahnriemens 2 in die Zahnstange 4 einerseits und in das Antriebszahnrad 3 andererseits zu erreichen, werden diese Teile gegeneinander verspannt wie durch die Pfeile 6 und 7 angedeutet wird. Demnach kann eine Verspannung durch Höhenverstellung der Achse des Antriebszahnrades 3 in Richtung des Pfeiles 6 und/oder durch horizontale Verstellung der Bogenfünrungen 5 in Richtung der Pfeiie 7 erreicht werden. Die Konstruktion ist so dimensioniert daß der Zahnriemen 2 am Antriebszahnrad 3 mit mindestens -,0

6 Zähnen im formschlüssi5en Eingriff sind bzw. kämmen. Die Zahnstange 4 kann beispielsweise aus mehreren gefrästen Stahlstangen-Stücken zusammengesetzt sein. Als Zahnstange kann das gleiche Material wie für den Zahnriemen verwendet werden, wie bei 4a s-> angegeben, und mit einer einfachen Trägerschiene fest verbunden werden, beispielsweise verklebt Aus der schematischen Darstellung gemäß F i g. 1 ist leicht zu erkennen, daß die Länge des Verstellweges, d. h. die Länge der Zahnstange 4 oder die Länge des Zahnric/nens 2, ohne Einfluß auf die EinsteUgenaüigkeit des Antriebs ist Denn der Zahnriemen 2 ist ·π 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 iängenabhängiger Einfluß auf die Einsteilgenauigkeit des Linearantriebs eliminiert v/ird. Die bogenförmigen Gleitflächen der Führungen 5 können porig ausgeführt werden oder poröse Flächen-;i!e aufweisen, durch die Druckluft zugeführt wird, so daß der Rücken des Zahnriemens 2 an einem Luftpolster der Bogenführungen gleitet Ansteile der fei »n Bogenführungen können aber auch leicht laufende Ur Jenkräder mit einem entsprechend großen Radius eingesetzt werden, die beispielsweise aus Kunststoff oder Aluminium bestehen, um die zu beschleunigenden Massen möglichst gr -ing zu halten.

Gemäß F i g. 2 werden 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; in den Abschnitten C wird der Zahnriemen an der Bogenführung 5 durch em 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 Fig.3 ist die Antriebsvorrichtung auf den Kopf gestellt angeordnet, wobei der Support 1 ο .fest auf einem Fundament 8 befestigt ist währe 1, . ά'.Ί 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 werden.

Gemäß F i g. 4 ist der Zahnriemen als endlose Schleife 2a ausgebildet Dabei wird der unbelastete, also passive Abschnitt des Zahnriemens um die Bogenführungen 5 nach oben gelenkt und wird über dem Antriebszahnrad 3 — Rücken an Rücken zugekehrt — zurückgeführt Die Vorspannungs- und Eingriffsverhältnisse des endlosen Zahnriemens 2s sind die gleichen wie bei den oben beschriebenen Austührungsbeispielen Bei stets gleicher Länge des endlosen Zahnriemens 2a kann die Zarnsi.u-.ge und damit der Verstellweg des Linearantriebes beliebig lang gewählt werden, ohne daß die Stellung oder die VerstellgeschwindiEkeit der Antriebsvorrichtung einen Einfluß auf die Einstellgenauigkeii ausüben könnte. Aus in der Ausführungsform nach F i g. 4 kann ein Spanntisch oder ein Werkzeugträger 9 mit Hilfe von Befestigungslaschen 10 mit der Antriebsvorrichtung i verbünden werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 29 10

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 vVerkstücktischen, wobei mindestens eine in Verstellrichtung verlaufende Zahnstange vorgesehen ist, mit der der Zahnriemen ständig in Eingriff ist, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten des Antriebszahnrades (3) Bogenführungen (5) vorgesehen sind, die den Zahnriemen (2) so in Eingriff mit der Zahnstange (4) halten, daß ein Abschnitt (B)die Belastung aufnimmt und nur ein kurzer, defini^-ier Abschnitt (C) des Zahnriemens (2) außer Eingriff mit der Verzahnung ist

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Antriebszahmades (3) uud/oder die Bogenführungen (5) zum Eliminieren des Zahnflankenspiels verstellbar sir

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder z, dadurch gekennzeichnet, daß bei langen Linearbewegungen die Zahnstange (4) ortsfest angeordnet ist (Fig.2).

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zahnriemen (2) über die gesamte Länge der Zahnstange (4) erstreckt und diese dadurch abdeckt

5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüehe 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnriemen als endlose Schleife (2a) ausgebildet ist (F ig. 4).

6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeicnnrf, daß zwischen den Führungen (5) und dem Zahnriemen (2) Luftpolster vorhanden sind, die den Luftzustrom durch Poren oder poröse Flächen erhalten, die an den Gleitflächen (bei C) ausgebildet sind.

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